第9卷第6期 实验科学与技术 V01.9 No.6 2011年12月 Experiment Science and Technology Dec.2011 无线传感器网络研究进展 丁洪伟,赵东风,高扬水,山 (云南大学信息学院,昆明650091) 摘要:20世纪9o年代以来,随着现代微电子技术、无线通信技术、计算机网络技术的进步以及互联网的迅猛发展,使得 具有感知、计算和无线网络通信能力的传感器以及由其构成的无线传感器网络引起了人们的极大关注。传感器网络被认为 是21世纪最重要的技术之一,它将对人们的社会生活和产业变革带来极大的影响和产生巨大的推动作用。文中介绍了无线 传感器网络的发展历史,组成,体系结构,特征及应用等,并重点介绍了无线传感器网络中的研究热点及关键技术,同时 还对其研究现状和发展前景做了介绍。 关键词:无线传感器网络;能量有效性;MAC协议;自组织 中图分类号:TN926 文献标志码:A 文章编号:1672—4550(2011)06—0026—04 Research Progress of Wireless Sensor Network DING Hong-wei,ZHAO Dong—feng,GAO Yang—shui,ZHAO Nan—shan (School of Information,Yunnan University,Kunming 650091,China) Abstract:Science 1990s,with the progress of the modem microelectronics technology、wireless communication technology、computer network technology and lnternet rapid development,the sensors that possess the capability of the perception、calculation、wireless net— work communication and the wireless sensor network which is consisted by sensors induce people’S great concern.Sensor network is considered one of the most important technologies in the 21 st century,it will bring enormous influence and produce tremendous role in promoting on the people’S social life and industrial and industiral revolution.This article describes the development history、composi— tion、structure、character and application of the wireless sensor network,and focuses on the reach hot and key technologies,at the SSl'ne time also introduces reach current situation and development prospect in the wireless sensor network. Key words:wireless sensor network;power efficiency;MAC protocol;ad—hoc 无线传感器网络的研究起源于2O世纪70年 展和广泛应用,将对人们的社会生活和产业变革带 代,该时期的传感器网络只能捕获单一信号,且传 来极大的影响,并产生巨大的推动作用。世界各国 感器节点之间也只能进行简单的点对点通信。随着 都对无线传感器网络表现出了极大的兴趣,纷纷展 WSN技术的不断进步和成熟,WSN逐渐被广泛应 开了该领域的研究工作。我国十分关注无线传 用于许多领域。在这些领域应用中,无线传感器网 感器网络的发展,2006年初发布的《国家中长期科 络解决的关键问题是执行效果和服务质量(QoS) 学与技术发展规划纲要》为信息技术确定了3个前 保证…。为了克服无线传感器网络在应用中遇到 沿方向,其中2个与WSN的研究直接有关,即智 的诸多,人们提出了许多优秀的设计方法,其 能感知技术和自组织网络技术【4 J。 中跨层设计法已被证明是传感器网络最优的设计方 法 。在无线传感器网络中,节点携带有限的能 1 WSN的特点 量成了网络生存期的瓶颈。多域协作策略是很好解 WSN是一种无基础设施的网络,由大量的传感 决该瓶颈的一种方法 J。《MIT技术评论》将WSN 器节点组成。这些传感器节点在高效的MAC协议和 列于l0种改变未来世界新兴技术之首。WSN的发 路由协议控制下组织形成专用无线网络 。传感器 节点可对环境的温度、噪声、光强度、压力等物理 收稿日期:2011—04一l3;修改日期:2011一O8—3O 基金项目:与地方共建特色优势学科专业实验室项目: 量进行采集和处理,获得详细准确的信息。节点通 网络通信与无线通信技术实验室。轮询系统理 过无线网络将信息送到基站,基站再通过卫星或因 论演进及应用控制协议研究(610r720r79)。 特网将信息送到用户 J。WSN具有以下特点: 作者简介:丁洪伟(1964一),男,博士,副教授,研究方 (1)能量效率。传感器节点必须具有高效率 向为通信网络工程。 能量,有限的能量决定了传感器节点的生存期。给 第9卷第6期 丁洪伟,等:无线传感器网络研究进展 ・27・ 成千上万个传感器节点充电是难以实现的,因此每 个节点都应具有很高的能量效率 J。 物理层负责频率选择、载频生成、信号检测、 调制和数据加密等¨ 。WSN物理层的协议和算法 性能决定能量消耗和网络的生存时间,在WSN物 理层设计中,研究重点一般集中在低功耗无线电设 (2)多跳。有的传感器节点可能无法直接和 基站通信,要解决这个问题就是通过多跳通信。 (3)分布式处理。传感器节点使用滤波器和 数据合并的算法收集从环境中获得的数据,最后将 它们转变成信息。 计、带功率意识的传输机制和调制机制。未来 WSN物理层研究工作应在低功耗的无线电设备方 面进行创新,研发超带宽技术用于通信,开发出减 少同步和能量消耗调制机制、确定最佳的传输功 (4)网络的拓扑结构动态性强,无线传感器 网络经常有节点失效或新节点加入。因此传感器网 络的硬件必须具有高健壮性和容错性 j。 2 WSN节点和体系结构 2.1无线传感器网络节点 传感器节点由传感器模块、处理模块、无线通 信模块和能量供应模块4个部分组成。传感器模块 负责监测区域内信息的采集和数据转换。节点为不 同的传感器提供可扩展接口;处理模块负责控制传 感器节点的操作、数据存储、数据处理和处理来自 其他节点的数据,实现数据安全、通信协议、同步 定位、功耗管理、任务管理等功能;无线通信模块 负责传感器节点之间的无线通信,交换控制消息和 收发采集信息;能量供应模块提供传感器节点运行 所需的电源。传感器节点的总体框架如图1所示。 传感器模块 处理模块 无线通信模块 j : :i …1…●…‘ l壹堕塑l ……一f1…一 …一: I I l l能量供应模块 图1传感器节点总体框图 2.2传感器网络体系结构 WSN体系具有二维结构,如图2所示,分为 横向的通信协议层和纵向的传感器网络管理面。通 信协议层划分为物理层、数据链路层、网络层、传 输层、应用层。网络管理面划分 为能耗管理、移动管理以及任务管理 』。 / 任 移务 能动管 量管理 管理 理 / 图2无线传感器网络体系结构二维图 率、建立更加节能的协议和算法¨ 。 数据链路层负责数据流的多路复用、数据帧监 测、媒体接入控制(MAC)和差错控制,确保通信 网络中点对点以及点对多点的可靠连接。WSN数 据链路层主要有媒体接人和错误控制2种策略。用 于无线通信网络的MAC控制协议主要分为2大类, 随机多址接入控制协议及轮询多址接人控制协议。 现分别对这2类控制协议进行重点介绍[121。 随机多址接人控制协议采用用户随机竞争信道 资源,控制灵活,且能保证小用户数有较高的传输 效率。各用户终端随机竞争信道是随机多址系统的 最大特点¨引。目前已广泛应用的随机多址协议有 2类:完全随机多址接人协议(ALOHA多址)和载 波侦听多址(CSMA)。随机多址协议主要关注稳态 情况下系统的通过率和时延性能和系统的稳定性问 题L】引。研究人员提出了许多WSN的MAC协议, 但不管是哪一种协议,它们都是基于ALOHA和 CSMA这2种随机多址机制。WSN的 MAC层协议 设计重点是:传输功耗,吞吐量和服务质量¨ 。 SMAC是WSN协议族中较早提出的一种减少能量 损耗的协议。在减少能量损耗的协议中,还有与概 率检测相结合的技术,如:概率检测与l一坚持联 合控制的多通道随机多址接人MAC控制协议(PD— PMRM)。该协议采用了固定休眠和动态休眠相结 合的技术,在多通道负载均衡的情况下保证系统降 低能耗。提高系统吞吐量和提高QoS的协议分别 有MC—LMAC和PSIFI’协议。MC—LMAC协议:A multi—channel MAC protocol for wireless sensor network 协议。该协议是基于调度的多信道MAC协议,能 很好地提高的吞吐量。PSIFI'协议是一种基于载波 侦听多址访问的MAC协议,它通过为每一个业务 类型改变帧间空间(IFS)和竞争窗口(cw)的大小 来提供业务分化。 无线通信网络的另一类MAC控制协议是轮询 ・28・ 实验科学与技术 2011年12月 多址接人控制协议。当系统负载比较大时,只依靠 随机多址接人技术维护网络性能是比较困难的。在 的数据包。经常发生变化的拓扑WSN确保公平性 的问题还没有广泛的探索。 尽管现在WSN的许多应用领域已被定义,但 其潜在的应用层协议仍然是一个很大的未开发的领 域。目前有3种可能的应用层协议:传感器管理协 这种情况下,轮询多址系统方式就能体现其优势。 轮询多址系统是一个多队列单服务器系统,服务器 以一种固定的循环顺序来访问这些队列。基本的轮 询系统可分为门限服务型、完全服务型和限定服务 型3种模型。近几年,关于轮询系统的拓展研究都 基本上源于上述3种模型。限定服务(K=1)轮询 议(SMP)、任务分配和数据询问协议(TADAP)以 及传感器询问和数据传播协议(SQDDP)。这3种 协议都是开放性的协议。虽然这3种协议有很好的 系统有较好的公平性服务特性,但信息分组的等待 时延长;完全服务轮询系统的信息分组的等待时延 服务能力,但是其他的应用层协议仍然需要被深入 开发以提供高性能的服务。 最短,服务的公平性较差。门限服务轮询系统的特 性居于前两者之中。在实际的通信网络MAC控制 协议中,大多数采用的是多种轮询系统的混合控制 系统。最新的轮询系统混合控制系统的研究有多级 门限服务轮询系统MAC离散时间控制协议模型分 析¨ 、服务2类业务的轮询系统性能分析等 。 轮询系统研究了系统的平均排队队长、平均循环周 期、信息分组的平均等待时延等。轮询系统可以很 好地解决通信网络系统的突发性和负载的均衡性, 为其提供优质的QoS服务。 网络层实现端节点之间的数据透明传送,功能 包括寻址和路由选择,连接建立、保持和终止。 WSN的路由协议与传统的路由协议最大的区别是, 传感器节点没有IP地址,所以基于IP的路由协议 是不适用于WSN的。研究人员提出了许多WSN的 路由协议,这些路由协议重点考虑方面都是能量效 率和传输流。在WSN网络层中,要研究2种路由 方法:基于位置的路由和基于簇的路由。WSN网 络层未来研究的问题应是解决网络和数据安全、 QoS、和动态拓扑结构路由。在可移动应用领域中 的传感器节点需要有能解决拓扑结构频繁变化和可 靠传输问题的新路由协议。 传输层提供可靠的源地址和基站数据传输。 WSN的传输层协议应该支持多种应用、变量的可 靠性、数据包丢失的恢复、和拥塞控制机制。WSN 的主要目标是通过检测网络的拥塞和可靠的状态来 实现可靠的数据传输;WSN的传输层协议仍然还 有待深入研究,比如跨层协作、拥塞控制、和公平 性;跨层协作可以提高传输协议的性能;拥塞控制 机制集中于信道的管理,当拥塞发生时,解决办法 是对源地址的数据率进行动态的调整;传输层协议 保证传感器节点间公平性的办法是分配带有优先权 下面介绍能量管理、移动管理、任务管理。能 量管理负责传感器节点如何使用它的能量。移动管 理用来监’狈0并记录传感器的移动,以致到达用户的 路由能够一直被保存下来。任务管理负责平衡和安 排对特定区域的感应任务,并非在一个区域中所有 的节点在同一时间执行感应任务。有了这些管理界 面,使得传感器节点以节能的方式进行协同工作, 在移动的传感器网络中传输数据,分享资源。 3 WSN研究的关键问题 3.1时间同步技术 时间同步技术是完成实时信息采集的基本要 求,也是提高定位精度的关键手段。常用方法是通 过时间同步协议完成节点间的对时,通过滤波技术 抑制时钟噪声和漂移。备受关注的方法是利用耦合 振荡器的同步技术实现网络无状态自然同步方法。 这是一种高效的、可无限扩展的时间同步新技术。 3.2节点定位技术 WSN的定位是指自组织网络通过特定方法提 供节点位置信息。这种自组织网络定位分为自身定 位和目标定位。WSN是电池供电的自组织多跳网 络,电能和有效带宽受到很大的,因此,在定 位服务方面有一些特有的技术指标:功耗、占用带 宽、节点密度、可扩展性和鲁棒性等。 3.3容错设计技术 WSN容错是指网络中某个节点或节点的某些 部件发生故障时,网络仍然能够完成指定的任务。 WSN是一个新兴的研究和工程领域,处理特定问 题的最优方法还不明确。WSN的技术和预期应用 还在快速地变化着,所以在特定传感器网络中容错 处理还难以预见。 3.4安全设计技术 由于无线信道的广播特性和自组织的组性 第9卷第6期 丁洪伟,等:无线传感器网络研究进展 ・29・ 都使得传感器网络容易受到被动攻击和主动攻击。 另外传感器网络还面临一种不同于传统网络的攻击 行为——能量消耗攻击:攻击者通过发起不必要的 力度,推动整个WSN行业的发展。 参考文献 [1]Yigitel M A,Ozlem Durmaz Incel,Cem Ersoy.QoS—aware MAC protocols for wireless sensor networks:A survey『J]. 通信,剥夺能量受限节点的睡眠,达到快速消耗节 点电能的目的。在这种攻击下,关键节点的能量被 耗尽,可以导致整个网络通信崩溃。 4 WSN的应用 4.1 WSN在医疗健康方面的应用 哈佛大学的一个研究小组利用WSN构建了一 个医疗监测平台。利用WSN技术,病人便可摆脱 线缆的束缚,自由活动,医生手持PDA,可以随 时接收报警消息或查询病人状况。该系统已经在波 上顿附近的医院里进行测试。 4.2 WSN在农业及环境方面的应用 WSN在农业及环境的应用包括:对影响农作 物的环境的监控,对鸟类、昆虫等小动物运动的追 踪,对海洋、土壤、大气成分的探测,对森林防火 的监测,对污染的监控,对降雨量,河水水位,洪 水的监测等。 4.3 WSN在工业安全方面的应用 北京邮电大学的研究人员开展了煤矿瓦斯报警 和矿工定位无线传感器网络系统的研究,一个节点 上包括了温湿度传感器、瓦斯传感器、粉末传感器 等。传感器网络经防爆处理和技术优化后,可用于 危险工作环境,煤矿工作的员工及其周围环境将可 以得到随时监控。 5总结与展望 本文主要介绍了WSN的特点、体系结构、研 究热点、及应用。通过对WSN技术方面的总结, 发现WSN要真正实现大规模地应用到人们生活的 各个方面,还有许多重要问题和技术亟待研究人员 去研究和解决。经过l0余年的酝酿、尝试、和争 论,WSN研究的科学意义和应用价值已经逐渐明 晰。由于WSN应用前景非常诱人,它不仅在工业、 农业、环境、医疗等领域具有巨大的运用价值,而 且在未来还会在许多新兴领域体现其巨大的优越 性。WSN这一新兴技术将为人们提供一种全新的 获取信息、处理信息的途径。WSN的发展对国家 和社会来说意义重大,国内外对于WSN的研究正 热烈开展,因此国内企业应该抓住商机,加大投入 Computer Networks,2011(SUPPL):l一23. [2]Lucas D P,Mendes Joel J,Rodrigues P C.A survey on cross.1ayer solutions for wireless sensor networks『J 1.Now Live Seiverse Science Dierct,2011,34(2):523—534. [3]Kemal Bieakci,Bulent Tavli.Prolonging network lifetime with multi-domain cooperation strategies in wireless sensor networks[J].Ad Hoc Networks,2010,8(6):582— 596. [4]李晓维,徐勇军,任丰原.无线传感器网络技术[M]. 北京:北京理工大学出版社,2007:1—2,164—167. [5]赵东风,丁洪伟,李远壮,等.无线传感器网络实验 教程[M].昆明:云南大学出版社,2011:1 [6]丁洪伟,赵东风,黄毛毛.新型随机多址接人无线传 感器网络MAC控制协议与能量有效性分析[J].通信 学报,2010,31(2):51—57. [7]Vieira M A M,Coelho C N,Jr.Silva da,et a1.Survey on wierless sensor network devices[J].Emerigng Teehnolo- iges And Factory Automation,2003(SUPPL):537—544. [8]李钊,韦玮.无线传感器网络及关键技术综述[J].空 间电子技术,2006(增刊):23—28. [9]纪阳,张平.无线传感器网络的体现结构[J].中兴通 讯技术,2005,11(4):32—34. [10]Ak) ̄ldiz Ian F,Su Weilian,Sankarasubmmaniam Yogesh, et a1.A Survey Oil sensor networks[J].IEEE Communiea- ifons Magazine,2002(SUPPL):102—114. [1 1]Jennifer Yick,Biswanath Mukherjee,Dipak Ghosa1. Wireless sensor network survey[J].Computer Networks, 2008(SUPPL):2292—2230. [12]刘彬彬,赵东风,丁洪伟.基于概率检测的时隙式多 通道随机多址无线通信网络协议分析[J].通信学报, 2006,27(12):70-75. [13]赵东风.一种新的时间连续性随机多址系统分析方 法研究[J].电子科学学刊,1999,21(1):37-41. [14]李建东,盛敏.通信网络基础[M].北京:高等教育 出版社,2007:131—140. [15]Ozlem Durmaz Incel,Lndewijk van Hoesel,Pierre Jans- en,et a1.MC-LMAC:A multi。channel MAC protocol for .wireless sensor networks[J].Ad Hoc Networks,2011 (SUPPL.):73—94. [16]赵东风,丁洪伟,赵一帆,等.多级门限服务轮询系 统MAC离散时间控制协议模型分析[J].电子学报, 2010。28(7):1495—1499. [17]王明贵,赵东风,丁洪伟,等.服务2类业务的轮询 系统性能分析[J].云南大学学报,2010,32(2): 】47—15】.