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1、引言 無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Network）是由大規(guī)模部署的成百上千的節(jié)點構(gòu)成。這些微傳感器節(jié)點具有感知能力、無線通信能力以及計算能力。無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展得益于微機電系統(tǒng)以及處理器、存儲技術的發(fā)展，這些發(fā)展使得制造低功率、微體積、低成本的微傳感器節(jié)點逐步成為現(xiàn)實。無線傳感器網(wǎng)絡綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、分布式信息處理技術和通信技術，各個節(jié)點能夠協(xié)同地實時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并將處理后的信息傳送到需要這些信息的用戶（觀察者）。 由于無線傳感器網(wǎng)絡具有可快速部署、可自組織和高容錯性的特點，因此非常適合在軍事上應用。比如通過飛機將傳感器節(jié)點撒播在戰(zhàn)場上，可以組成網(wǎng)絡對戰(zhàn)場中化學武器的使用、敵方車輛和士兵的運動進行及時的監(jiān)測和報告。同時，無線傳感器網(wǎng)絡對于比較惡劣的環(huán)境和人不宜到達的場所也非常適用，比如荒島上的環(huán)境和生態(tài)監(jiān)控，原始森林的防火和動物活動情況監(jiān)測，污染區(qū)域以及地震和火災等突發(fā)災難現(xiàn)場的監(jiān)控。另外，它還可用于城市的交通監(jiān)測，醫(yī)療機構(gòu)的病員及環(huán)境監(jiān)測，大型車間原材料和倉庫貨物進出情況的監(jiān)測，以及機場、大型工業(yè)園區(qū)的安全監(jiān)測。無線傳感器網(wǎng)絡可以使人們在任何時間、地點和任何環(huán)境條件下獲取大量信息。因此，這種網(wǎng)絡系統(tǒng)可以被廣泛地應用于國防軍事、國家安全、環(huán)境監(jiān)測、交通管理、醫(yī)療衛(wèi)生、制造業(yè)、反恐抗災等領域。可以說無線傳感器網(wǎng)絡是信息感知和采集的一場革命，是21世紀最重要的技術之一。 2、無線傳感器網(wǎng)絡 在討論無線傳感器網(wǎng)絡之前，有必要了解無線傳感器網(wǎng)絡的組成和協(xié)議框架。典型的無線傳感器網(wǎng)絡如圖1所示。 圖1 無線傳感器網(wǎng)絡的典型結(jié)構(gòu) 無線傳感器網(wǎng)絡的協(xié)議框架如圖2所示，包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層。物理層負責載波頻率的產(chǎn)生，信號的調(diào)制、解調(diào)等；數(shù)據(jù)鏈路層負責媒體接入和差錯控制，媒體接入?yún)f(xié)議可以在通信網(wǎng)絡中確保點對點和點對多點的連接；差錯控制則保證源節(jié)點發(fā)出的信息可以完整、無誤地到達目標節(jié)點；網(wǎng)絡層協(xié)議負責路由發(fā)現(xiàn)與維護，在無線傳感器網(wǎng)絡中占據(jù)著重要的地位，可以說路由協(xié)議的選擇是無線傳感器網(wǎng)絡設計成功與否的關鍵。在無線傳感器網(wǎng)絡中，大多數(shù)節(jié)點無法與匯聚網(wǎng)關/節(jié)點直接進行通信，因此需要利用中間節(jié)點進行路由轉(zhuǎn)發(fā)，以完成數(shù)據(jù)傳送。基于網(wǎng)絡組建的目的，需要在應用層上開發(fā)和使用不同的軟件系統(tǒng)。應用層管理協(xié)議使低層的硬件、軟件對于傳感器網(wǎng)絡的管理應用是透明的。當前主要的無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議有傳感器管理協(xié)議SMP（Sensor Management Protocol），任務分配和數(shù)據(jù)通知協(xié)議TADAP（Task Assignment and Data Advertisement Protocol），傳感器查詢和數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議SQDDP（Sensor Query and Data Dissemination Protocol）。 圖2 無線傳感器網(wǎng)絡的協(xié)議框架 由于無線傳感器網(wǎng)絡通常是為特定應用設計的專用無線網(wǎng)絡，其各層次的協(xié)議設計得以在能量分配、移動控制及應用優(yōu)化等各方面優(yōu)化，以獲得網(wǎng)絡的最佳性能。能量分配是延長網(wǎng)絡可用時間的必要需求，由于無線傳感器節(jié)點通常由電池供電，能量分配在網(wǎng)絡設計中尤其重要。移動管理完成檢測和注冊傳感器節(jié)點的移動，維護到匯聚點的路由，使得傳感器節(jié)點能夠跟蹤它的鄰居。應用優(yōu)化根據(jù)具體的應用需求，管理應用實施，并在一個給定的部署區(qū)域內(nèi)達到平衡并調(diào)度應用任務的目的。 與現(xiàn)有的IP網(wǎng)絡不同，傳感器網(wǎng)的突出特色是以數(shù)據(jù)為中心，有處理能力和傳輸能力限制，這使得其設計與現(xiàn)有IP網(wǎng)絡有很多不同。傳統(tǒng)的Internet網(wǎng)絡中為每個節(jié)點分配一個惟一的標識符，但在傳感器網(wǎng)絡中，由于傳感器節(jié)點被大量部署，為每個節(jié)點維護一個全局惟一的標識符將會帶來很大的額外開銷。對于無線傳感器網(wǎng)絡而言，最重要的是傳感數(shù)據(jù)能被成功地發(fā)送到觀察者，而無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的標識相對不太重要。 3、發(fā)展方向 大規(guī)模的傳感器網(wǎng)絡將產(chǎn)生海量的、各具特征的傳感數(shù)據(jù)。通常傳感數(shù)據(jù)經(jīng)單跳或多跳路由的方式，被發(fā)送到數(shù)據(jù)基站節(jié)點（Base Station Node）或數(shù)據(jù)接收發(fā)器，進而傳送到觀察者（任務管理節(jié)點）。除了感知物理現(xiàn)象之外，傳感器節(jié)點通常還需承擔路由器節(jié)點的功能，為別的傳感器收集到的傳感數(shù)據(jù)提供轉(zhuǎn)發(fā)功能。由于被感知的物理現(xiàn)象的周圍可能存在多個傳感器節(jié)點，因此傳感器感知到的數(shù)據(jù)通常是非常冗余的，在適當?shù)臅r機完成冗余數(shù)據(jù)的網(wǎng)內(nèi)聚合（in-Network Data Aggregation），對于減少通信量、節(jié)省能源是非常重要的，而減少通信量、節(jié)省能源則是無線傳感器網(wǎng)絡長期依賴的重要發(fā)展方向。另外，近些年對無線傳感器網(wǎng)絡的研究 和實踐表明，無線傳感器網(wǎng)絡還在向多應用和異構(gòu)化方向發(fā)展。 3.1 多應用 隨著無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展，同一傳感器網(wǎng)絡將從支持單一應用向支持多種不同應用發(fā)展，大規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡中將包括大量的異構(gòu)的傳感器節(jié)點。作為以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡，這樣的無線傳感器網(wǎng)絡中將產(chǎn)生具有不同屬性的、海量的傳感數(shù)據(jù)。例如，在一個綜合型大樓內(nèi)采用大規(guī)模的傳感網(wǎng)，可要求傳感器網(wǎng)提供以下的服務：溫度和濕度傳感器負責監(jiān)測大樓各部分的溫度和濕度，并為中央空調(diào)提供調(diào)節(jié)的依據(jù)；需要移動目標監(jiān)測傳感器，監(jiān)測大樓內(nèi)部的人員分布情況，為分布式空調(diào)調(diào)節(jié)提供依據(jù)；需要視頻傳感器用于大樓安全。可以獨立地部署這些傳感器，也可以將不同的傳感功能集合到同一傳感器節(jié)點。所用傳感器節(jié)點的功能不一定相同，它們產(chǎn)生的傳感數(shù)據(jù)種類可能不同，同時由于需要滿足不同的服務質(zhì)量要求，傳感數(shù)據(jù)的分發(fā)速率也可能不同。 3.2 異構(gòu)化 隨著無線傳感器網(wǎng)的發(fā)展，傳感器網(wǎng)內(nèi)部的異構(gòu)性（Heterogeneous）逐漸突出。除了傳感器種類的不同導致傳感數(shù)據(jù)種類不同之外，傳感器節(jié)點的異構(gòu)性還體現(xiàn)在節(jié)點的能源狀況、通信能力、通信愿望、數(shù)據(jù)處理能力和數(shù)據(jù)處理愿望等。通信能力包括節(jié)點發(fā)送、接收數(shù)據(jù)的能力，轉(zhuǎn)發(fā)（路由）數(shù)據(jù)的能力。通信愿望是指節(jié)點當前是否愿意參與網(wǎng)絡通信；當節(jié)約能源不夠充裕或者是因為當前周圍環(huán)境很差、能夠成功通信的概率很小時，節(jié)點可主動暫時退出網(wǎng)絡通信。數(shù)據(jù)處理能力是指傳感器節(jié)點是否能夠完成網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)聚合。部分節(jié)點可能不具有網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)處理能力，或者為了節(jié)能或其它原因，暫時不參與網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)處理。傳感器節(jié)點之間的無線通信鏈路也不一定相同。 4、路由需求 路由問題是無線傳感器網(wǎng)絡的一個非常重要的問題，長期依賴是無線傳感器網(wǎng)絡研究的重點。現(xiàn)有的路由方法可以從網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)上分為兩種類型：平面型路由和分級路由算法。 平面型路由算法中，采用多跳方式完成數(shù)據(jù)從源節(jié)點到基站節(jié)點的傳送。節(jié)點不僅同構(gòu)，并且承擔相同的角色：既感知環(huán)境收集傳感數(shù)據(jù)，又作為路由器完成路由查詢和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。平面型路由算法中，最著名的是基于談判的SPIN算法和定向發(fā)布算法。 SPIN算法假定每個節(jié)點都是潛在的基站節(jié)點，需要將每個節(jié)點的傳感數(shù)據(jù)向其它節(jié)點分發(fā)。用戶在查詢?nèi)我夤?jié)點時，都能很快得到所需要的數(shù)據(jù)。 SPIN算法中引入了談判機制，能夠避免洪泛型路由為傳感網(wǎng)帶來過量的傳感數(shù)據(jù)，從而節(jié)約能源。其改進算法SPIN-2能夠根據(jù)自己的能源狀況，決定是否減少參與轉(zhuǎn)發(fā)其它節(jié)點的數(shù)據(jù)。SPIN最大的問題在于無法保證數(shù)據(jù)的送達。如果對某些傳感數(shù)據(jù)感興趣的節(jié)點遠離感知數(shù)據(jù)的源節(jié)點，而源節(jié)點與目的節(jié)點之間的中間節(jié)點對這些數(shù)據(jù)不感興趣，數(shù)據(jù)將不能被送達目的節(jié)點。所以SPIN算法不可能提供服務質(zhì)量的保證。定向發(fā)布算法也是一種典型的多通路算法，采用洪泛的方式將查詢注入網(wǎng)絡，在產(chǎn)生傳感數(shù)據(jù)的源節(jié)點和收集數(shù)據(jù)的基站節(jié)點間建立多條通路。多條通路的使用能夠提高網(wǎng)絡的可靠，提供魯棒的數(shù)據(jù)路由。但是冗余數(shù)據(jù)在多條通路中傳送會導致通信量大增，定向擴散算法引入了網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)聚合來去掉冗余數(shù)據(jù)，減少通信量，節(jié)約能源。很多研究者在定向發(fā)布算法的基礎上提出了改進，以提高能源利用率、降低能源消耗、防止部分節(jié)點的能源過度消耗。 上述的無線傳感器網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)路由的研究主要針對同構(gòu)的傳感器節(jié)點相互協(xié)作，進行數(shù)據(jù)收集、處理和路由，完成傳感任務。收集網(wǎng)絡狀態(tài)信息是實現(xiàn)數(shù)據(jù)路由的基礎，但是網(wǎng)絡的異構(gòu)發(fā)展為異構(gòu)無線傳感網(wǎng)中收集網(wǎng)絡狀態(tài)信息帶來了更大的挑戰(zhàn)。描述異構(gòu)的節(jié)點、鏈路的狀態(tài)信息需要更多的數(shù)據(jù)量。由于整個網(wǎng)絡中可能存在大量的傳感器節(jié)點，對應著大量的資源狀態(tài)信息，要將所有節(jié)點、鏈路的所有信息完整、及時地發(fā)送到每個節(jié)點是不現(xiàn)實的。在網(wǎng)絡中發(fā)送洪泛信息將消耗大量的能源，甚至可能造成網(wǎng)絡的擁塞，使異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡無法完成傳感數(shù)據(jù)的傳送。因此，研究高效、動態(tài)地匯聚、分發(fā)和更新網(wǎng)絡資源狀態(tài)信息的協(xié)議對異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡是非常重要的。 很多傳感應用中對傳感數(shù)據(jù)的路由有服務質(zhì)量要求，比如監(jiān)測環(huán)境溫度的無線傳感器網(wǎng)絡，必須將感知到的異常的溫度數(shù)據(jù)（比如火災發(fā)生時）及時傳送到觀察者。如果不能及時傳送到，觀察者和決策系統(tǒng)就無法作出及時的響應，傳感數(shù)據(jù)就失去了采集的意義。在同構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡中，在為有傳輸時延限制的傳感數(shù)據(jù)尋找路由時，通常只需考慮通信鏈路的時延。在異構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡中，在選擇路由時，還必須將潛在的通路中各個節(jié)點的不同通信能力、通信愿望以及通信鏈路的質(zhì)量等因素納入考慮范圍。因此，需要研究異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡中支持服務質(zhì)量的數(shù)據(jù)路由算法。 在無線傳感器網(wǎng)絡中，傳感器節(jié)點經(jīng)常由于環(huán)境的變化或電源耗盡而失效。同時由于傳感器節(jié)點的通信能力有限，而無線傳感器網(wǎng)又常常部署在 惡劣的環(huán)境中，傳感器節(jié)點之間的通信容易受各種自然因素的影響而導致失敗。這些都會導致網(wǎng)絡拓撲的變化。異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡的信息是海量的，這些信息來源于異構(gòu)動態(tài)變化的網(wǎng)絡，存在大量的冗余數(shù)據(jù)和不可靠的數(shù)據(jù)，研究魯棒路由算法，對支持傳感數(shù)據(jù)被可靠、正確地轉(zhuǎn)發(fā)到基站節(jié)點是非常必要的。在異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡中，不同的傳感器節(jié)點可能具有不同的通信愿望和通信能力，這使得可靠、正確地發(fā)送傳感數(shù)據(jù)變得更為困難。特別地，當缺乏網(wǎng)絡狀態(tài)信息（甚至有關信息有）時，異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡需要魯棒性很強的路由算法來保證數(shù)據(jù)的可靠發(fā)送。 5、結(jié)束語 在本文中我們探討了無線傳感器網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)和協(xié)議框架，指出了現(xiàn)有傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展已經(jīng)顯現(xiàn)了異構(gòu)性和多應用化的發(fā)展趨勢，分析了未來無線傳感器網(wǎng)絡的路由改進需求。 |
