浅析无线传感器网络及其基础支撑技术

严全彬

关键词：无线传感器网络，基础，支撑技术

随着网络技术、传感器技术、微机电系统(MEMS)和无线通信技术的不断发展，出现了一种新型的网络技术——无线传感器网络技术(WSN)。众多具有通信、计算能力的传感器通过无线方式连接；相互协作，与物理世界进行交互，共同完成特定的应用任务，成为传感器网络。与传统无线通讯网络AdHoc网络相比，WSN的自组织性、动态性、可靠性和以数据为中心等特点。

1.无线传感器网络的内涵

1.1无线传感器

无线传感器网络(WirelessSensorNetwork，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。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、抢险救灾等领域有着广阔的应用前景和发展潜力。

1.2无线传感器的组成

无线传感器的结点分布于网络的各个部分，用于收集数据并将数据路由至信息收集结点，信息收集结点与信息处理结点通过广域网络进行通信，从而对收集到的数据进行处理。无线传感器网络的协议栈包含应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层，这些与其它网络类似。

2.无线传感器网络的关键问题

(1)系统节能

无线传感器网络节点多，覆盖范围大，工作环境复杂，能源无法替代，设计有效的策略延长网络的生命周期成为无线传感器网络的核心问题。休眠机制是节省能源的最有效方式之一，如何进行休眠调度而不影响传感器网络的正常运行十分重要。

(2)网络内部通信

无线传感器网络内正常通信联系中，信号可能被一些障碍物或其他电子信号干扰而受到影响，如何安全、有效的通信成为急需解决的问题。

(3)高效的无线传感器网络结构

无线传感器网络的网络结构是组织无线传感器的成网技术，有多种形态和方式，合理的无线传感器网络可以最大限度的利用资源。由此产生的网络安全协议问题和大规模传感器网络中的节点移动性管理等诸多问题有待解决。

(4)容错性和可扩展性

由于周围物理环境或其自身能量耗尽传感器就会失效对于替换传感器可能性不大的情况下，整个网络必须能够在其应用过程中及时屏蔽掉发生故障的传感器。

3.WSN基础支撑技术

由于无线传感器网络的资源有限，其能量、存储能力、计算能力都低于传统无线网络中的移动设备，而且一般情况下还具有大规模、高密度等特点，因此传统无线网络的各种应用支撑技术很多都不再适用于无线传感器网络。

(1)通信协议

通信协议对于所有网络都是必不可少的基础支撑技术。WSN的通信协议与其它网络相比还不成熟，没有统一的标准，改进空间很大，研究非常活跃。根据低功耗的目标，WSN的协议设计尽量简化，通信协议分层并不明确，跨层设计受到青睐。

①MAC协议

已有的无线网络MAC协议的设计目标主要是为蜂窝网提供QOS和高带宽，即使是无线AdHoc网络的MAC层协议设计一般也只是加入自组织和移动的设计考虑。而WSN的MAC层协议的主要设计目标则是低功耗，尽量延长网络寿命，其次则是良好的扩展性和适应性，与已有的协议存在很大差异。MAC层协议的基本类型包括TDMA、FDMA、CDMA和CSMA。

②路由协议

路由协议是通信协议极其重要的一环。WSN路由协议的设计除了需要考虑资源限制外，还具有许多特异性：以数据为中心的路由在WSN中很受关注，几乎所有应用都存在节点与基站之间多对一的数据传输，此外要考虑数据冗余等问题。

③传输协议

因特网的TCP和UDP协议是两个著名的传输协议，但并不适合WSN的需求。TCP协议需要一个握手过程，但是一般WSN中每次传输的数据量很小，所以相对来说握手的能耗过大。而且TCP通过端到端的方式来控制拥塞和保证可靠性，在链路非常不可靠的WSN下会花费很长时间，ACK在网络中的端到端传输也会耗费很多能量。

(2)能量管理

低能耗在WSN中是贯穿始终的设计理念，通信单元负责节点与其它节点或者网络代理等设备之间的无线通信，即无线信号的收发功能，一般被认为是整个结构中能耗最大的部分，从物理层到应用层各层面的设计都要将低能耗作为最主要的设计目标之一。广义的能量管理包括所有WSN中需要考虑能耗的部分，如节点的功率控制、低耗的MAC协议和路由协议、应用中的采样率控制、数据融合等。一些节点的信号发射功率是固定的，但是有些节点却设计成信号发射功率可变的。

(3)时钟同步

由于晶体振荡器频率的差异及诸多物理因素的干扰，无线传感器网络各节点的时钟会出现时间偏差。而时钟同步对于无线传感器网络非常重要，如安全协议中的时间戳、数据融合中数据的时间标记、带有睡眠机制的MAC层协议等都需要不同程度的时间同步。

(4)定位

WSN采集的数据往往需要与位置信息相结合才有意义。由于WSN具有低功耗、自组织和通信距离有限等特点，传统的GPS等算法不再适合WSN。WSN中需要定位的节点称为未知节点，而已知自身位置并协助未知节点定位的节点称为锚节点(anchornode)。WSN的定位就是未知节点通过定位技术获得自身位置信息的过程。在WSN定位中，通常使用三边测量法、三角测量法和极大似然估计法等算法计算节点位置。

传感器网络是目前国内外的最新研究热点，具有广阔的应用前景，将是未来社会应用最广的网络，需要各种技术支撑。通过近几年的研究，人们对传感器网络固有特点的认识已经逐渐明确，并在相关技术方面取得了一些进展。但是，传感器网络要真正实用化，在基础层、网络层等方面还有许多基础性问题和关键技术需要解决。

参考文献：

[1]黄玲.无线传感器网络简述[J].传感器世界，2005，10：36-40

[2]颜振亚，郑宝玉.无线传感器网络[J].计算机工程与应用，2005，15：20-23