摘 要:无线传感器网络作为传感器、计算机和无线网络相结合的产物,是一种全新的信息获取和处理技术，因其巨大的应用前景，而受到学术界和工业界越来越广泛的关注。本文首先简要介绍了无线传感器网络概念、网络协议体系结构及其特点，然后着重分析了无线传感器研究的一些关键问题。最后探讨了无线传感器网络的应用前景和发展方向。
关键词：无线传感器网络 网络协议体系结构 网络协议栈 跨层设计
中文分类号：TP393            文献标识码 A

1.引言

    随着无线通信和电子学的飞速发展，低成本的无线传感器网络也得到了空前的发展，逐渐成为学术界、工业界的研究热点。无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)综合了传感器、嵌入式计算、分布式处理和无线通信等技术，是一种全新的信息获取和处理技术。WSN由随机分布的集成传感器、数据处理单元和通信模块的微小节点通过自组织的方式构成。它借助于节点中内置的形式多样的传感器, 协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息,对其进行处理,并通过无线和自组多跳的网络方式，将获取到的信息送到终端用户，实现了物理世界、计算机世界和人类社会的有效连通。无线传感器网络因其抗毁性强、监测精度高、覆盖区域大等特点，通常运行在人无法接近的恶劣甚至危险的远程环境中，在军事应用、医疗卫生、远程监控、环境监测、智能家庭网络、抢险救灾等领域有着广阔的应用前景和发展潜力。

2.无线传感器网络系统概述

     无线传感器网络是一种由大量部署在监控区域的智能传感器节点构成的网络应用系统，节点一般采用随机投放的方式大量部署在被感知对象的内部或者周围，并通过自组织方式构成无线网络；在任意时刻，节点间通过无线信道连接,以协作的方式通过局部的数据采集、预处理以及节点间的数据交换来完成全局任务。

     图1是一个典型的传感器网络结构，这个网络由传感器节点、接收发送器(sink)、Internet或通信卫星、任务管理节点等部分构成。传感器节点散布在指定的感知区域内, 实时感知、采集和处理网络覆盖区域中的信息,并通过“多跳”（ multi-hop）网络把数据传送到Sink，Sink也可以用同样的方式将信息发送给各节点。Sink直接与Internet或通信卫星相连,通过Internet或通信卫星实现任务管理节点与传感器之间的通信. 在节点损坏失效等问题出现的情况下，系统能够自动调整，从而确保整个系统的通信正常。

    
                            图1　无线传感器网络通信结构

3. 无线传感器网络特点

     目前常见的无线网络包括移动通信网、无线局域网、蓝牙网络、Ad hoc 网络等，无线传感器网络与传统网络相比具有以下特点：

(1)节点众多，分布密集：无线传感器网络的节点数目大，密度高，可以利用节点之间高度连接性来保证系统的容错性和抗毁性。

(2)资源受限：节点是微型嵌入式设备，只具有有限的硬件资源。由于受价格、体积和功耗的限制，其计算能力、对数据的处理能力和内存空间相当受限。此外，节点只能携带有限的电池能量，且在应用过程中不可能更换电池， 因此能量也相当受限。

(3)强网络动态性：无线传感器网络具有动态拓扑组织功能，节点一般不进行快速移动，但节点可能会随时加入或离开，因而网络拓扑变化频繁。

(4)以数据为中心：无线传感器节点数目大，而且由于网络拓扑的动态特性和节点放置的随机性，节点并不需要也不可能以全局唯一的IP地址来标识，只需使用局部可以区分的标号标识。用户对所需数据的收集，是以数据为中心进行，并不依靠节点的标号。

(5)多跳路由:网络中节点的电池能源非常有限,每个节点都只能与其邻居节点进行通信。若需要与通信覆盖范围外的节点通信,则需要通过中间节点进行多跳路由。
(6) 系统实时性。

4. 无线传感器网络的网络协议体系结构

     网络体系结构是网络的协议分层以及网络协议的集合，是对网络及其部件所应完成功能的定义和描述。无线传感器网络体系结构如图2所示[5]，该结构清晰地阐述了传感器网络研究的主要内容和组成的逻辑关系。下面就将简要介绍该体系结构中各部分的功能。

    
                           图2　无线传感器网络体系结构

4.1 无线传感器的网络通信协议

     图3就是图1中的各网络节点与接受端的互连所用的协议栈，它包括两个平面：通信平面和管理平面。通信平面由物理链路层、数据链路层、网络层、传输层和应用层构成，而管理层由电源管理、移动管理和协同管理构成。通信平面实现网络节点之间的信息传递；管理平面负责检测和控制节点；节点把接受到的数据传递给管理平面，管理平面对节点进行检测和控制，使其能正常工作。此协议栈综合说明了能源和路由意识，数据与路由协议相结合，通过无线媒介与能源有效通信互连，增强了传感器节点之间的协同能力。

    
            图3 传感器网络的协议栈

（一）通信平面协议

物理层协议：网络层的主要功能包括建立、维护和释放物理连接，选择信道，监测无线信号，调制、发送与接收数据等，其传输媒质主要有无线电、红外线、光波。物理层的设计目标是实现网络的自组织和节能，减少节点功耗。因为周围环境总是有噪声干扰，而且网络节点具有移动性，MAC层协议必须使节点公平、有效地共享无线信道，避免多个节点同时发送数据产生冲突。
数据链路层协议：数据链路层负责数据成帧、帧检测、差错控制以及无线信道的使用控制，减少邻居节点广播引起的冲突。
网络层协议：网络层的主要任务是分组路由、网络互联、拥塞控制等，完成数据的路由转发, 实现传感器与传感器、传感器与观察者之间的通信, 支持多传感器协作完成大型感知任务。
传输层协议：负责按照传感器网络应用的要求控制数据流，协作维护数据流。
应用层协议：基于检测任务，可以针对不同的传感器任务采用各种相应的软件来完成。

（二）管理平面协议

     在传感器网络中，各个节点的能量是非常有限的，因此合理有效地利用资源是延长传感器网络使用时间的关键问题。电源管理、移动管理和协同管理负责协调各个节点之间的任务并且最大限度地降低整个网络的能源消耗。

     电源管理部分控制各个节点对能量的使用，例如通过使节点在不工作时处于休眠状态来节省能源消耗；移动管理主要是对网络上的节点移动进行监测和控制，维护到汇聚点的路由，使传感器跟踪它的邻居，以平衡节点之间任务及能量的使用；协同管理模块协调并将各个传感器的任务分配细化到某个特定区域，在这个区域里的所有节点没有必要同时执行任务，能量多的节点承担相对多一些的任务。协同管理确保了各个传感器节点可以联合起来以有效的方式运作，在移动的传感器网络中传递数据并实现资源共享。

4.2 无线传感器的网络管理技术和应用支撑技术

     无线传感器的网络管理部分也不是独立的模块，它们的功能渗透到各层中。能量管理控制节点对能量的使用，实现能量合理有效的利用；网络管理主要是实现在传感器环境下对各种资源的管理，为上层应用服务的执行提供一个集成的网络环境；拓扑管理主要是为了节约能量，控制节点休眠状态转换，保持网络畅通和数据的有效传输；Qos支持是指为用户提供高质量的服务，是网络与用户之间及网络上互相通信的用户之间关于信息传输与共享的质量的约定；网络安全提供了新型的安全机制，解决了由于传感器网络中节点随机部署、网络拓扑的动态性以及信道的不稳定性，使传统的安全机制无法使用的问题；移动控制负责监测和控制节点的移动；远程管理可以有效地管理某些应用环境中的传感器网络，使其正常工作。

     无线传感器网络的应用支撑服务包括：时间同步、节点定位，以及协同应用服务接口；时间同步为协同工作的节点同步本地时钟；节点定位依靠有限的位置，确定传感器中每个节点的相对位置和决对位置；分布式协同应用接口是为各种应用层协议服务；分布式网络管理接口主要是传感器管理协议（SMP），把数据传输到应用层。

     综上所述，涉及无线传感器的各个方面的研究工作有很大的发展空间，但仍有很多问题尚未得到彻底的解决。下面就将讨论无线传感器网络中的一些热点问题。

5.传感器网络研究中的热点问题

5.1 网络层
     在WSN 体系结构中资源严重受限，因此路由设计的首要原则是节省能量，延长网络系统的生存期限，并且协议不能太复杂，节点保存信息不能太多，尽量避免发送冗余信息。从网络拓扑结构的角度来看，网络层协议大体分为两类:平面路由协议和分簇路由协议。它们大多都采用多跳形式在节点和易移动的sink节点之间建立路由，可靠地传递数据。除了这两类协议，还有基于其它分类方式的路由协议。

5.1.1 平面路由协议

     在平面路由协议中,所有网络节点地位平等,不存在等级和层次差异。它们通过相互之间的局部操作和信息反馈来生成路由。在这类协议中,目的节点(sink)向监测区域的节点(source)发出查询命令,监测区域内的节点收到查询命令后,向目的节点发送监测数据。典型的平面路由算法有Flooding ,DD(directed diffusion) [7],SAR(sequential assignment routing) [8],SPIN(sensor protocols for information via negotiation) [9],Romor Routing [10]等。平面路由的优点是简单、易扩展,无须进行任何结构维护工作,所有网络节点的地位平等,不易产生瓶颈效应,因此具有较好的健壮性；其缺点是: 扩充性差，网络中无管理节点,缺乏对通信资源的优化管理,自组织协同工作算法复杂,对网络动态变化的反应速度较慢，动态变化的路由需要大量的控制信息等[10]。

5.1.2分簇路由协议

     在分簇拓扑管理机制下,网络中的节点可以划分为簇头(cluster head)节点和成员(cluster member)节点两类。在每个簇内,根据一定的机制算法选取一个簇头,用于管理或控制整个簇内成员节点,协调成员节点之间的工作,并负责簇内信息的收集和数据的融合处理以及簇间转发(如图4所示).

    
                                    图4 分簇路由协议拓扑结构

 (1).低能量自适应分群（LEACH）协议[13]：

      LEACH 是以群为基础的路由协议，簇头节点从它所在簇中的所有传感器节点收集数据，将这些数据进行初步的处理，然后向网关发送。LEACH 以“轮（round）”为工作时间单位，每一轮分为启动阶段和稳定阶段.在启动阶段，随机选择聚类首领，传送控制信息，建立节点群，但并不发送实际的传感数据。在稳定阶段,节点持续采集监测数据,传与簇头节点,进行必要的融合处理之后,发送到sink节点,这是一种减小通信业务量的合理工作模式.持续一段时间以后,整个网络进入下一轮工作周期,重新选择聚类首领.

(2).门限敏感的传感器网络节能协议（TEEN）[14]：

     TEEN协议是LEACH改进的协议，但是传感器节点的数据不是以固定的速度发送的。它设立了软、硬门限值，只有在同时满足两个门限值时才发送数据。当检测值超过硬门限时，数据立即被发送出去，并把此次检测值作为新的硬门限；如果检测值与硬门限的差值超过了软门限，数据也立即被发送，并把这个差值作为新的软门限。采用这样的方法，可以监视一些突发事件和热点地区，减小网络内信息包数量。

5.1.3其他传感器路由协议

（1）基于位置的路由协议

     这类路由协议利用位置信息将数据传送到目标区域，从而不必为了找到目标区域向全网广播数据，从而减少了能量消耗，此类协议包括MECN&SMECN、GAF、GEAR等。

（2） 基于网络流的路由协议

     这类路由协议在实现路由发现和维护的同时，还力求满足网络的QoS需求。其中一些协议在建立路由路径的同时，还考虑节点的剩余能量、每个数据包的优先级、端到端的时延， 从而为数据流选择一条最合适的发送路线，以延长全网的寿命。这类协议有SPEED、SAR等。

     除了前面几类经典的路由协议外，近年来针对传感器网络人们又提出了许多新的路由协议和设计方法，路由协议研究还有广阔的发展空间。

5.2 跨层设计

     由于无线传感器网络的资源十分有限，而且采用分层的体系结构，各层的设计相互独立且具有一定局限性，因而各层的优化设计并不能保证整个网络的设计最优。例如无线传感器网络中，能量管理机制、低功耗设计等在各层设计中都有所体现，但整个网络的节能效果未达到最优化。跨层设计的目标就是实现逻辑上并不相邻的协议层次间的设计互动与性能平衡，支持网络能量管理的优化，提高网络的实用性和可行性。在传感器网络中，采用自适应的跨层优化协议[16]，可以在能量受限的情况下，有效节省能量， 延长网络的生存期，满足应用的高吞吐量、低延迟等要求。

     此外，无线传感器网络应用在不同的领域， 各领域应用对无线传感器网络的要求也各不相同。针对不同的应用，可以将无线传感器网络按动态性、数据传输模式、实时性、节点散布方式等进行分类， 对于每一类网络采用不同的设计方法。

5.3 数据管理

     传感器网络中的各个传感器节点的数据具有不完整、不精确、模糊甚至报告相互冲突等特征。基于传感器网络的任何应用系统都离不开感知数据的管理和处理技术，它是实现以数据为中心的传感器网络的核心技术。感知数据管理与处理技术包括感知网数据的存储、查询、分析、挖掘、理解以及基于感知数据决策和行为的理论和技术。传感器网络的各种实现技术必须与这些技术密切结合,融为一体,而不是像目前其他网络设计那样分而治之。只有这样,我们才能够设计实现高效率的以数据为中心的传感器网络系统。

     无线传感器网络的研究热点除本文前述之外，还包括节点定位、网络安全、系统节能策略、共性技术等。关键技术进步和突破将对无线传感器网络的发展和应用起到决定性的促进作用。比如，各层协议设计技术的进步直接影响到无线传感器网络的网络特性；优化的跨层设计方案将会极大的提高无线传感器网络的实用性和可行性；节点成本的下降和寿命的延长能大幅降低无线传感器网络的应用成本；安全性能高的网络路由协议可以增强网络层的抗攻击性，增加网络获取信息的可靠性，延长网络的生存期限等。

6. 总结与展望

     传感器网络作为一种新的信息获取和处理技术,有着传统技术不可比拟的优势，具有覆盖区域广、监测度高、可远程监控、可快速部署、可自组织和高容错性等特点，因此必将开辟出不少新颖而有价值的商业应用。现在已经广泛应用于军事侦察、环境监测、健康护理、空间探索、建筑物状态监控和智能家居等诸多领域。虽然无线传感器发展至今已经在网络协议、能量优化、提高效率、降低成本等方面，取得了较大的进展，但仍有很多问题需要突破，这些问题涵盖了电源、节点、网络安全，网络运行维护、跨层设计等方面。我们相信随着无线传感技术的不断解决与完善，无线传感器网络必将完全融入我们的生活，发挥出其巨大的应用价值。