無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信與路由研究

肖　軍　李　科　王建華

摘要：隨著無線通信和數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展，由低成本、低功耗、多功能的無線傳感器節(jié)點組成的無線傳感網(wǎng)絡(luò)得到迅速發(fā)展。無線傳感網(wǎng)絡(luò)是由很多無線傳感器節(jié)點密集分布組成的，它具有以下特性：各傳感器節(jié)點位置隨機(jī)分布，具有自組織特性；各節(jié)點共同協(xié)作完成數(shù)據(jù)收集、路由任務(wù)，具有很好的協(xié)作特性。無線傳感網(wǎng)絡(luò)的這些特性使得它在醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、軍事和智能家庭等領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用。

本文從介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展入手，分析了無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，節(jié)點結(jié)構(gòu)，節(jié)點的限制，網(wǎng)絡(luò)特點，在此基礎(chǔ)上繼續(xù)分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議以及現(xiàn)有的路由協(xié)議分類。

關(guān)鍵詞：無線傳感器；路由；節(jié)點；協(xié)議

中圖分類號：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044(2008)18-20ppp-0c

The Research of Communications and Route of Wireless Sensor Network

XIAO Jun,LI Ke, WANG Jian-hua

（Northwest institute of nuclear engineering, Xi'an Shanxi province 710024, China）

Abstract:With the advances of wireless communication and micro-processor technologies, it becomes possible for large amounts of low-cost, low-power, multifunctional sensor nodes to build high-quality wireless sensor networks. These nodes have many specific features: densely distributing in working field with random location and self-organization ability; adaptively collaborating with other nodes for data routing and transmission. All these advantages enable broad use of wireless sensor networks in the fields of Health-care, Environment Monitoring, Military and Smart Home.

This article obtains from the wireless sensor network communications research, and study the framework, characteristic of the wireless sesor network, then analyse the framework of the netnote and the limiting condition of the netnote; at last , this paper study the router protocol of the wireless sensor network.

Keyword: the wireless sensor; route; node; protocol

近年來隨著微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)及通信技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展迅猛[1]，進(jìn)展很快。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由一組傳感器節(jié)點通過無線連接構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，它布置大量微型的智能傳感器節(jié)點，通過節(jié)點的協(xié)同工作來采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中的目標(biāo)信息。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無論是在國家安全，還是國民經(jīng)濟(jì)等方面均有著廣泛的應(yīng)用前景。未來，傳感器網(wǎng)絡(luò)將向天、空、海、陸、地下一體化綜合傳感器網(wǎng)絡(luò)的方向發(fā)展，最終將成為現(xiàn)實世界和數(shù)字世界的接口，深入到人們生活的各個層面，像互聯(lián)網(wǎng)一樣改變?nèi)藗兊纳罘绞??？梢哉f無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是信息感知和采集的一場革命，是21世紀(jì)最重要的技術(shù)之一。本文主要有武定縣傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點入手，著重介紹傳感器的網(wǎng)絡(luò)機(jī)構(gòu)，節(jié)點的布置結(jié)構(gòu)及其限制條件，以及對應(yīng)此結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議的介紹。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種新興技術(shù)，它是將傳感器技術(shù)，通信技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，相較于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)以及傳感器，它具有突出的特點：

(1)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)[2]

為了獲取精確信息，在監(jiān)測區(qū)域通常部屬大量傳感器節(jié)點，傳感器節(jié)點數(shù)量可能達(dá)到上萬個，甚至更多。傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模包含兩個含義：一是分布的地理區(qū)域大，如一片森林；二是節(jié)點分布密集，在一個面積不大的空間內(nèi)可能有大量的節(jié)點。

(2)自組織網(wǎng)絡(luò)

布置傳感器節(jié)點時，節(jié)點的位置通常不能預(yù)先精確設(shè)定，節(jié)點之間的鄰居關(guān)系也不能預(yù)先知道。這樣就要求傳感器節(jié)點有自組織的能力，能夠自動進(jìn)行配置和管理，通過拓?fù)淇刂茩C(jī)制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自動形成多跳無線網(wǎng)絡(luò)。

(3)動態(tài)性網(wǎng)絡(luò)

傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能由于如下原因而改變：1.環(huán)境因素和電能耗盡造成節(jié)點出現(xiàn)故障或失效；2.環(huán)境條件變化造成無線通信鏈路帶寬變化，甚至?xí)r斷時續(xù)；3.傳感器節(jié)點、感知對象、觀察者可能都具有移動性；4.新節(jié)點的加入。因此，在設(shè)計傳感器網(wǎng)絡(luò)時，就要求考慮網(wǎng)絡(luò)具有能適應(yīng)這種變化的能力。

(4)可靠的網(wǎng)絡(luò)

傳感器網(wǎng)絡(luò)通常部屬在惡劣的環(huán)境下，或者人類不宜到達(dá)的區(qū)域。這就要求節(jié)點比較堅固，能適應(yīng)各種惡劣環(huán)境條件。另外由于不能進(jìn)行人工維護(hù)，網(wǎng)絡(luò)的通信保密性和安全性也十分重要。

(5)應(yīng)用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)

不同的應(yīng)用背景對傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求不同，其硬件平臺、軟件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議也存在很大的差異。所以傳感器網(wǎng)絡(luò)不能像 Internet一樣有統(tǒng)一的通信協(xié)議平臺。開發(fā)傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用時，要注意傳感器網(wǎng)絡(luò)的差異。只有讓系統(tǒng)更貼近應(yīng)用，才能做出更高效的應(yīng)用。

(6)以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)

傳感器網(wǎng)絡(luò)是任務(wù)型的網(wǎng)絡(luò)，脫離網(wǎng)絡(luò)談節(jié)點沒有任何意義。用戶使用傳感器網(wǎng)絡(luò)查詢事件時，直接將事件告知網(wǎng)絡(luò)，而不是告知某個節(jié)點。網(wǎng)絡(luò)獲得事件的信息后匯報給用戶。這種以數(shù)據(jù)本身作為查詢或傳輸線索的思想更接近自然語言交流的習(xí)慣。所以傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。

2 無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

基于以上介紹的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點，一般傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1，它通常包括傳感器節(jié)點（sensor node）、匯聚節(jié)點（sink node）和管理節(jié)點。大量傳感器節(jié)點隨機(jī)部屬在監(jiān)測區(qū)域（sensor field）內(nèi)部或附近，能夠通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點監(jiān)測的數(shù)據(jù)沿著其它傳感器節(jié)點逐跳地進(jìn)行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)可能被多個節(jié)點處理，經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達(dá)管理節(jié)點。用戶通過管理節(jié)點對傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務(wù)和收集監(jiān)測數(shù)據(jù)[3]。

傳感器節(jié)點通常是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，它的處理能力、存儲能力和通信能力相對較弱，通過攜帶能量有限的電池供電。從網(wǎng)絡(luò)功能上看，每個傳感器節(jié)點兼顧傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的終端和路由器雙重功能，除了進(jìn)行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理外，還要對其它節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、管理和融合等處理，同時與其它節(jié)點協(xié)作完成一些特定的任務(wù)。

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)

匯聚節(jié)點的處理能力、存儲能力和通信能力相對較強(qiáng)，它連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet等外部網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，同時發(fā)布管理節(jié)點的監(jiān)測任務(wù)，并把收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)上。匯聚節(jié)點既可以是一個具有增強(qiáng)功能的傳感器節(jié)點，也可以是沒有功能僅帶有無線通信接口的特殊網(wǎng)關(guān)設(shè)備。

3 無線傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)

傳感器節(jié)點由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊四部分組成，如圖2所示。傳感器模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；處理器模塊負(fù)責(zé)控制整個傳感器節(jié)點的操作，存儲和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其它節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)；無線通信模塊負(fù)責(zé)與其它傳感器節(jié)點進(jìn)行無線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；能量供應(yīng)模塊為傳感器節(jié)點提供運(yùn)行所需的能量，通常采用微型電池,具體的節(jié)點的機(jī)構(gòu)如圖2。

基于以上介紹的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的結(jié)構(gòu)特性和功能特性，這樣就存在一些對傳感器的設(shè)計的限制條件

(1)電源能量有限：傳感器節(jié)點體積微小，通常攜帶能量十分有限的電池。而且傳感器所分布的區(qū)域通常是人跡罕至的，所以通過更換電池的方式補(bǔ)充能量是不可能的。

圖2 傳感器節(jié)點的結(jié)構(gòu)

(2)通信能力有限：無線通信的能量消耗與通信距離的關(guān)系[1]為：

其中參數(shù)a滿足關(guān)系2

(3)計算和存儲能力有限[4]：傳感器節(jié)點是一種微型嵌入式設(shè)備，價格低功耗小，所以其處理器能力比較弱，存儲容量比較小。

4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議的特點

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，路由協(xié)議負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點，它主要包括兩個方面的功能：尋找源節(jié)點和目的節(jié)點間的優(yōu)化路徑，將數(shù)據(jù)分組沿著優(yōu)化路徑正確轉(zhuǎn)發(fā)。Adhoc、無線局域網(wǎng)等傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的首要目標(biāo)是提供高服務(wù)質(zhì)量和公平高效地利用網(wǎng)絡(luò)帶寬，這些網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的主要任務(wù)是尋找源節(jié)點到目的節(jié)點間通信延遲小的路徑，同時提高整個網(wǎng)絡(luò)的利用率，避免產(chǎn)生通信擁塞并均衡網(wǎng)絡(luò)流量等，而能量消耗問題不是這類網(wǎng)絡(luò)考慮的重點。

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點能量有限且一般沒有能量補(bǔ)充，因此路由協(xié)議需要高效利用能量，同時傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)目往往很大，節(jié)點只能獲取局部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息，路由協(xié)議要能在局部網(wǎng)絡(luò)信息的基礎(chǔ)上選擇合適的路徑傳輸[14]。傳感器網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的應(yīng)用相關(guān)性，不同應(yīng)用中的路由協(xié)議可能差別很大，沒有一個通用的路由協(xié)議。此外，傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由機(jī)制還經(jīng)常與數(shù)據(jù)融合技術(shù)聯(lián)系在一起，通過減少通信量而節(jié)省能量。因此，傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議不適應(yīng)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議具有以下特點：

(1)能量優(yōu)先：傳統(tǒng)路由協(xié)議在選擇最優(yōu)路徑時，很少考慮節(jié)點的能量消耗問題。而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的能量有限，延長整個網(wǎng)絡(luò)的生存期成為傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計的重要目標(biāo)，因此需要考慮節(jié)點的能量消耗以及網(wǎng)絡(luò)能量均衡使用的問題。

(2)基于局部拓?fù)湫畔ⅲ簾o線傳感器網(wǎng)絡(luò)為了節(jié)省通信能量，通常采用多跳的通信模式，而節(jié)點有限的存儲資源和計算資源，使得節(jié)點不能存儲大量的路由信息，不能進(jìn)行太復(fù)雜的路由計算。在節(jié)點只能獲取局部拓?fù)湫畔⒑唾Y源有限的情況下，如果實現(xiàn)簡單高效的路由機(jī)制是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個基本問題。

(3)以數(shù)據(jù)為中心：傳統(tǒng)的路由協(xié)議通常以地址作為節(jié)點的標(biāo)識和路由的依據(jù)，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中大量節(jié)點隨機(jī)部署，所關(guān)注的是檢測區(qū)域的感知數(shù)據(jù)，而不是具體哪個節(jié)點獲取的信息，不依賴于全網(wǎng)唯一的標(biāo)識。傳感器網(wǎng)絡(luò)通常包含多個傳感器節(jié)點到少數(shù)匯聚節(jié)點的數(shù)據(jù)流，按照對感知數(shù)據(jù)的需求、數(shù)據(jù)通信模式和流向等，以數(shù)據(jù)為中心形成消息的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。

(4)應(yīng)用相關(guān)傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用環(huán)境千差萬別，數(shù)據(jù)通信模式不同，沒有一個路由機(jī)制適合所有的應(yīng)用，這是傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用相關(guān)性的一個體現(xiàn)。設(shè)計者需要針對每一個具體應(yīng)用的需求，設(shè)計與之適應(yīng)的特定路由機(jī)制。

5 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的分類

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的設(shè)計極負(fù)挑戰(zhàn)性，它與傳統(tǒng)的無線Adhoc網(wǎng)絡(luò)有著無全局標(biāo)識、多對一通信、數(shù)據(jù)冗余大、資源局限強(qiáng)等不同的特色[5]。針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳送的特點和難題，許多新的路由協(xié)議得到了提出。這些路由協(xié)議可以大致分為四類：能量感知路由協(xié)議，層次式路由協(xié)議，以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議，以及基于位置信息的路由協(xié)議。

(1)能量感知路由協(xié)議：高效利用網(wǎng)絡(luò)能量是傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的一個顯著特點，能量感知路由協(xié)議從數(shù)據(jù)傳輸中的能量消耗出發(fā)，討論最優(yōu)能量消耗路徑以及最長網(wǎng)絡(luò)生存期等問題。

(2)層次式路由協(xié)議：它的基本思想是將傳感器節(jié)點分簇，簇內(nèi)通訊由簇頭節(jié)點來完成，簇頭節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)聚集和合成減少傳輸信息量，最后簇頭節(jié)點把聚集的數(shù)據(jù)傳送給終端節(jié)點。這種方式能滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性，有效的維持傳感器節(jié)點的能量消耗，從而延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。

(3)以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議：它提出對傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)用特定的描述方式命名，數(shù)據(jù)傳送基于數(shù)據(jù)查詢并依賴數(shù)據(jù)命名，所有的數(shù)據(jù)通信都限制局部范圍內(nèi)。這種方式的通信不再依賴特定的節(jié)點，而是依賴于網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)，從而減少了網(wǎng)絡(luò)中大量傳送的重復(fù)冗余數(shù)據(jù)，降低了不必要的開銷，從而延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。

(4)基于位置信息的路由協(xié)議：它利用節(jié)點的位置信息，把查詢或者數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給需要的地域，從而縮減數(shù)據(jù)的傳送范圍。實際上許多傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議都假設(shè)節(jié)點的位置信息為已知，所以可以方便的利用節(jié)點的位置信息將節(jié)點分為不同的域?；谟蜻M(jìn)行數(shù)據(jù)傳送能縮減傳送范圍緩和中間節(jié)點，從而延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。

6 總結(jié)

近年來隨著微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)及通信技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展迅猛，進(jìn)展很快，而且在軍事與民用方面的一些具體應(yīng)用(如軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測等)也取得了成功，使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景一片光明。本文對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本概念、特點、體系結(jié)構(gòu)、性能評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究和分析，在此基礎(chǔ)上，研究了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議的特點及設(shè)計因素，為設(shè)計和建造無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了必要的技術(shù)參考可實施依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] I.Akyildiz,W.Su,Y.Sankara subramaniam,E.Cayirci.Wirelesssensornetworks:a survey[j].Computer Networks (Elsevier),2002,38(4):393-422.

[2] 孫利民,李建中,陳渝等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(第1版)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005,3-132.

[3] Sameer Tilak,Nael B.Abu-Ghazaleh and WendiHeinzelman.Ataxonomy of Wireless Micro-SensorNetwork Models[j].ACM Mobile Computing and Communications Review(MC2R),2002,6(2):1-8.

[4] IN AI-Karaki,AE Kamal.Routing techniques in wireless sensor Wireless Comm[j].2004(11):6-28.

[5] Kemal Akkaya et al.ASurveyonRoutingProtocols for Wireless SensorNetworks[j].In The Elsevier Ad HocNetworkJournal,2003(8).

收稿日期：2008-04-10

作者簡介：肖軍（1976-），陜西洛南，工程師，計算機(jī)與軟件開發(fā)；李科（1983-）湖北天門，助理工程師，計算機(jī)與軟件開發(fā)；王建華（1964-）江西定南，高級工程師，機(jī)電工程。