無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展綜述

于碩

摘 要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融合了多種技術(shù)手段，兼具低功耗、低成本、多功能的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為當(dāng)代熱門前沿技術(shù)。該文主要介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)，并對目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)算法進(jìn)行了綜述，主要涉及路由協(xié)議、MAC協(xié)議以及物理層3個方面。同時剖析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究動態(tài)，其后在新時代的發(fā)展背景下為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)描繪了美好的愿景。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 路由協(xié)議 MAC協(xié)議 物理層

中圖分類號：TP212.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）02（b）-0047-02

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）是一個自組織的多跳的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其網(wǎng)狀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是以大量傳感器作為節(jié)點(diǎn)[1]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成節(jié)點(diǎn)可以實(shí)時獲取，傳遞節(jié)點(diǎn)所在區(qū)域內(nèi)的有效信息，并通過傳輸協(xié)議將信息傳輸給接收端[2]。WSN具有分布式、自組織性、靈活性強(qiáng)、可擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)[3]。然而，因?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有節(jié)點(diǎn)能量有限和結(jié)構(gòu)簡單的不足，導(dǎo)致了其容易因發(fā)生故障或能量耗盡而無法繼續(xù)工作，降低了WSN的工作壽命，影響了WSN的穩(wěn)定性。WSN特點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)能量有限，網(wǎng)絡(luò)中存在大量數(shù)據(jù)冗余，帶寬資源有限。

WSN目前還沒有廣泛的應(yīng)用于商業(yè)，目前大多集中在科學(xué)研究和實(shí)驗(yàn)中。例如目標(biāo)跟蹤、火山監(jiān)測、醫(yī)療健康等。僅僅這幾點(diǎn)就能透露出WSN的無限潛能，也預(yù)示了良好的商業(yè)應(yīng)用前景。

1 最新優(yōu)化技術(shù)

以下是最新發(fā)表的關(guān)于節(jié)點(diǎn)能量有限的優(yōu)化技術(shù)，分別從路由協(xié)議、MAC協(xié)議以及物理層3個方面入手，對已有的算法進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)WSN有效工作時間的增加。

1.1 基于LEACH的改進(jìn)算法

低能耗自適應(yīng)遞階分簇算法（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy，LEACH），基本原理是改變簇頭的輪流篩選機(jī)制，使每個傳感器節(jié)點(diǎn)都平均地參與信息傳遞，從而達(dá)到低功耗，增加網(wǎng)絡(luò)工作時間的目的。LEACH路由算法易理解，效果明顯，許多基于路由協(xié)議的改進(jìn)算法繼承了LEACH算法的基本思想和流程。

許廣鍵[4]以節(jié)點(diǎn)殘余能量為主要參考依據(jù)對其進(jìn)行改進(jìn)，提出了應(yīng)用策略選取區(qū)域最優(yōu)簇頭數(shù)的方法，以解決原算法的簇頭選擇失衡導(dǎo)致的低效傳遞，并加入到最近的周圍簇中，從而避免了節(jié)點(diǎn)能量不充足難以傳遞消息的情況。

張志艷[5]基于最短有效轉(zhuǎn)發(fā)距離提出了多跳分簇?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法（Restriction Distance based Multi-hop Clustering，RDMC）。其主要思想是：（1）改善簇頭選舉機(jī)制，簇首優(yōu)先選擇剩余能量多，鄰居節(jié)點(diǎn)密度大的節(jié)點(diǎn)成為簇頭節(jié)點(diǎn)；（2）進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時，簇頭節(jié)點(diǎn)按照最節(jié)省能量的最優(yōu)跳數(shù)，均衡網(wǎng)絡(luò)消耗；（3）同時縮短了有效轉(zhuǎn)發(fā)距離，使節(jié)點(diǎn)的電路開銷降到最低。

1.2 基于功率控制的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層需要解決的主要問題就是如何去共享無線信道[6]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，WSN節(jié)點(diǎn)的能量消耗集中在無線通信部分，而MAC協(xié)議直接控制數(shù)據(jù)的收發(fā)。合理地改進(jìn)MAC協(xié)議，進(jìn)而控制節(jié)點(diǎn)的通信距離能夠有效降低無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的功耗。通過一定的有效設(shè)計來提高網(wǎng)絡(luò)生命時長，因此要求降低能耗，提高系統(tǒng)吞吐率。

自適應(yīng)功率控制的MAC協(xié)議[7]（Adaptive Power Control MAC，APC-MAC）在此基礎(chǔ)上被提出。該協(xié)議主要圍繞著計算最優(yōu)發(fā)射功率，建立功率調(diào)度表和篩選干擾節(jié)點(diǎn)。首先獲取全局節(jié)點(diǎn)的調(diào)度表，按照此進(jìn)行分配，提高了信道利用率；使判斷為干擾的節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠，從而加速網(wǎng)絡(luò)的傳遞消息的有效性和準(zhǔn)確率。

1.3 基于物理層和硬件的收發(fā)器能耗優(yōu)化

節(jié)點(diǎn)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗的主要問題，所以大部分的優(yōu)化方案從路由協(xié)議入手，但是很少從物理層和硬件方面考慮。姚信威等[8]聯(lián)系物理層和節(jié)點(diǎn)硬件電路來降低數(shù)據(jù)傳輸能耗。其方案重點(diǎn)在于通信模塊。建立收發(fā)器能量消耗模型，在發(fā)送器端，能量消耗在發(fā)送數(shù)據(jù)和發(fā)送電路。

通過對電路的分析和使用模擬軟件得到以下結(jié)論：最佳通信距離隨干擾噪聲呈單調(diào)遞減特性，而單位距離能耗遞增。從底層能耗出發(fā)，進(jìn)一步降低物理層和節(jié)點(diǎn)硬件能耗能從整體上提升WSN的續(xù)航時間。提出了重傳機(jī)制下單位比特數(shù)據(jù)成功傳輸能耗最小化通用優(yōu)化模型，通過能耗值在多種情況下的變化，計算出多種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的最優(yōu)通信間隔。

2 發(fā)展趨勢

總體上，未來無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究可能主要集中于以下幾點(diǎn)。

（1）能耗問題，是WSN走向?qū)嶋H應(yīng)用的主要受制約項(xiàng)。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)的能量是有限的，代表著可工作時間，因此功耗問題是非常重要的。這一方向已經(jīng)成為了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的主攻課題。目前許多以低功耗為目標(biāo)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議已經(jīng)被提出，用來應(yīng)對節(jié)點(diǎn)能量困難，相信未來將會取得更大的進(jìn)步。

（2）微型節(jié)點(diǎn)，利用現(xiàn)在的微電子通信技術(shù)，將傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計成體積十分小，而且壽命長是一個重要的方向。

（3）低成本，隨著科技不斷進(jìn)步，盡管微型傳感器的單價已經(jīng)降低許多，但完整的WSN可能需要百萬個節(jié)點(diǎn)，這仍舊是很大一筆開支。如果能夠有效地降低節(jié)點(diǎn)的支出金額，將會大大推動WSN的發(fā)展。

（4）安全性問題和抗干擾問題，WSN也與普通無線網(wǎng)絡(luò)一樣存在這樣的問題，如數(shù)據(jù)加密。還有如何在毀損或受干擾的情況下準(zhǔn)確地完成執(zhí)行的目標(biāo)，也是一個重要的研究方向。

（5）自動配置節(jié)點(diǎn)，未來將重點(diǎn)放在如何在多節(jié)點(diǎn)根據(jù)一定的規(guī)則形成的網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)有節(jié)點(diǎn)發(fā)生錯誤時，網(wǎng)絡(luò)上可以很快的找到這些節(jié)點(diǎn)，并不會影響網(wǎng)絡(luò)的正常使用。

3 結(jié)語

毋庸置疑，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將是當(dāng)今時代最具應(yīng)用價值的前沿技術(shù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用將會為人類帶來無限便捷。目前，WSN只有少部分投入使用，離大規(guī)模地服務(wù)于人類還有一定距離。許多協(xié)議還停留在理論上，僅僅通過仿真軟件模擬等，科研人員正在抓緊腳步爭取新的突破。不過終將有一天，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)會走入千家萬戶，醫(yī)療、出行、購物，無一不體現(xiàn)科技帶來的方便快捷，軍事、工業(yè)、環(huán)境也將進(jìn)入全新的世界。

參考文獻(xiàn)

[1] 王塞博，劉素凱，毛先柏.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜述[J].信息通信，2014（8）：61-62.

[2] 徐晶晶，張欣慧，許必宵，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇算法綜述[J].計算機(jī)科學(xué)，2017（2）：31-36.

[3] 覃智.關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN的關(guān)鍵技術(shù)的探究[J].科技資訊，2017（12）：4-5.

[4] 許廣健.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法的研究與實(shí)現(xiàn)[D].南京郵電大學(xué)，2011.

[5] 張志艷.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)LEACH路由算法研究與改進(jìn)[D].西南交通大學(xué)，2014.

[6] 吳文平.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN的MAC協(xié)議的分析與研究[J].陰山學(xué)刊，2017（4）：71-73.

[7] WooS，Kim K.APC-MAC/TA： Adaptive power controlled MAC protocol with traffic awareness for wireless sensor networks[A].IEICE Transactions on Communications[C].2010：91-96.

[8] 姚信威，王萬良，吳騰超，等.不同調(diào)制機(jī)制下無線傳感網(wǎng)收發(fā)器能耗優(yōu)化模型[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2013（8）：1140-1146.