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1、引言 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network）是由大規(guī)模部署的成百上千的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。這些微傳感器節(jié)點(diǎn)具有感知能力、無(wú)線通信能力以及計(jì)算能力。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展得益于微機(jī)電系統(tǒng)以及處理器、存儲(chǔ)技術(shù)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(diǎn)逐步成為現(xiàn)實(shí)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和通信技術(shù)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠協(xié)同地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有可快速部署、可自組織和高容錯(cuò)性的特點(diǎn)，因此非常適合在軍事上應(yīng)用。比如通過飛機(jī)將傳感器節(jié)點(diǎn)撒播在戰(zhàn)場(chǎng)上，可以組成網(wǎng)絡(luò)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)中化學(xué)武器的使用、敵方車輛和士兵的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行及時(shí)的監(jiān)測(cè)和報(bào)告。同時(shí)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)于比較惡劣的環(huán)境和人不宜到達(dá)的場(chǎng)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(dòng)物活動(dòng)情況監(jiān)測(cè)，污染區(qū)域以及地震和火災(zāi)等突發(fā)災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控。另外，它還可用于城市的交通監(jiān)測(cè)，醫(yī)療機(jī)構(gòu)的病員及環(huán)境監(jiān)測(cè)，大型車間原材料和倉(cāng)庫(kù)貨物進(jìn)出情況的監(jiān)測(cè)，以及機(jī)場(chǎng)、大型工業(yè)園區(qū)的安全監(jiān)測(cè)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以使人們?cè)谌魏螘r(shí)間、地點(diǎn)和任何環(huán)境條件下獲取大量信息。因此，這種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以被廣泛地應(yīng)用于國(guó)防軍事、國(guó)家安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通管理、醫(yī)療衛(wèi)生、制造業(yè)、反恐抗災(zāi)等領(lǐng)域。可以說無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是信息感知和采集的一場(chǎng)革命，是21世紀(jì)最重要的技術(shù)之一。 2、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 在討論無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)之前，有必要了解無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成和協(xié)議框架。典型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。 圖1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的典型結(jié)構(gòu) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。物理層負(fù)責(zé)載波頻率的產(chǎn)生，信號(hào)的調(diào)制、解調(diào)等；數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)媒體接入和差錯(cuò)控制，媒體接入?yún)f(xié)議可以在通信網(wǎng)絡(luò)中確保點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的連接；差錯(cuò)控制則保證源節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信息可以完整、無(wú)誤地到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)；網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議負(fù)責(zé)路由發(fā)現(xiàn)與維護(hù)，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中占據(jù)著重要的地位，可以說路由協(xié)議的選擇是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，大多數(shù)節(jié)點(diǎn)無(wú)法與匯聚網(wǎng)關(guān)/節(jié)點(diǎn)直接進(jìn)行通信，因此需要利用中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由轉(zhuǎn)發(fā)，以完成數(shù)據(jù)傳送。基于網(wǎng)絡(luò)組建的目的，需要在應(yīng)用層上開發(fā)和使用不同的軟件系統(tǒng)。應(yīng)用層管理協(xié)議使低層的硬件、軟件對(duì)于傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理應(yīng)用是透明的。當(dāng)前主要的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有傳感器管理協(xié)議SMP（Sensor Management Protocol），任務(wù)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議框架 由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常是為特定應(yīng)用設(shè)計(jì)的專用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，其各層次的協(xié)議設(shè)計(jì)得以在能量分配、移動(dòng)控制及應(yīng)用優(yōu)化等各方面優(yōu)化，以獲得網(wǎng)絡(luò)的最佳性能。能量分配是延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)可用時(shí)間的必要需求，由于無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)通常由電池供電，能量分配在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中尤其重要。移動(dòng)管理完成檢測(cè)和注冊(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，維護(hù)到匯聚點(diǎn)的路由，使得傳感器節(jié)點(diǎn)能夠跟蹤它的鄰居。應(yīng)用優(yōu)化根據(jù)具體的應(yīng)用需求，管理應(yīng)用實(shí)施，并在一個(gè)給定的部署區(qū)域內(nèi)達(dá)到平衡并調(diào)度應(yīng)用任務(wù)的目的。 與現(xiàn)有的IP網(wǎng)絡(luò)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(shè)計(jì)與現(xiàn)有IP網(wǎng)絡(luò)有很多不同。傳統(tǒng)的Internet網(wǎng)絡(luò)中為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)惟一的標(biāo)識(shí)符，但在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于傳感器節(jié)點(diǎn)被大量部署，為每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個(gè)全局惟一的標(biāo)識(shí)符將會(huì)帶來(lái)很大的額外開銷。對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)相對(duì)不太重要。 3、發(fā)展方向 大規(guī)模的傳感器網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)（Base Station Node）或數(shù)據(jù)接收發(fā)器，進(jìn)而傳送到觀察者（任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)）。除了感知物理現(xiàn)象之外，傳感器節(jié)點(diǎn)通常還需承擔(dān)路由器節(jié)點(diǎn)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(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，因此傳感器感知到的數(shù)據(jù)通常是非常冗余的，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)完成冗余數(shù)據(jù)的網(wǎng)內(nèi)聚合（in-Network Data Aggregation），對(duì)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)期依賴的重要發(fā)展方向。另外，近些年對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究 和實(shí)踐表明，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)還在向多應(yīng)用和異構(gòu)化方向發(fā)展。 3.1 多應(yīng)用 隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，同一傳感器網(wǎng)絡(luò)將從支持單一應(yīng)用向支持多種不同應(yīng)用發(fā)展，大規(guī)模的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中將包括大量的異構(gòu)的傳感器節(jié)點(diǎn)。作為以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)，這樣的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(gè)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(wù)：溫度和濕度傳感器負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)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(dòng)目標(biāo)監(jiān)測(cè)傳感器，監(jiān)測(cè)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(dú)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(diǎn)。所用傳感器節(jié)點(diǎn)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(shí)由于需要滿足不同的服務(wù)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(wú)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(dǎo)致傳感數(shù)據(jù)種類不同之外，傳感器節(jié)點(diǎn)的異構(gòu)性還體現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)當(dāng)前是否愿意參與網(wǎng)絡(luò)通信；當(dāng)節(jié)約能源不夠充�；蛘呤且�?yàn)楫?dāng)前周圍環(huán)境很差、能夠成功通信的概率很小時(shí)，節(jié)點(diǎn)可主動(dòng)暫時(shí)退出網(wǎng)絡(luò)通信。數(shù)據(jù)處理能力是指?jìng)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)是否能夠完成網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)聚合。部分節(jié)點(diǎn)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(shí)不參與網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)處理。傳感器節(jié)點(diǎn)之間的無(wú)線通信鏈路也不一定相同。 4、路由需求 路由問題是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)非常重要的問題，長(zhǎng)期依賴是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的重點(diǎn)�，F(xiàn)有的路由方法可以從網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)上分為兩種類型：平面型路由和分級(jí)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(diǎn)到基站節(jié)點(diǎn)的傳送。節(jié)點(diǎn)不僅同構(gòu)，并且承擔(dān)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(gè)節(jié)點(diǎn)都是潛在的基站節(jié)點(diǎn)，需要將每個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳感數(shù)據(jù)向其它節(jié)點(diǎn)分發(fā)。用戶在查詢?nèi)我夤?jié)點(diǎn)時(shí)，都能很快得到所需要的數(shù)據(jù)。 SPIN算法中引入了談判機(jī)制，能夠避免洪泛型路由為傳感網(wǎng)帶來(lái)過量的傳感數(shù)據(jù)，從而節(jié)約能源。其改進(jìn)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(diǎn)的數(shù)據(jù)。SPIN最大的問題在于無(wú)法保證數(shù)據(jù)的送達(dá)。如果對(duì)某些傳感數(shù)據(jù)感興趣的節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)離感知數(shù)據(jù)的源節(jié)點(diǎn)，而源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間的中間節(jié)點(diǎn)對(duì)這些數(shù)據(jù)不感興趣，數(shù)據(jù)將不能被送達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。所以SPIN算法不可能提供服務(wù)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(luò)，在產(chǎn)生傳感數(shù)據(jù)的源節(jié)點(diǎn)和收集數(shù)據(jù)的基站節(jié)點(diǎn)間建立多條通路。多條通路的使用能夠提高網(wǎng)絡(luò)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(huì)導(dǎo)致通信量大增，定向擴(kuò)散算法引入了網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)聚合來(lái)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(chǔ)上提出了改進(jìn)，以提高能源利用率、降低能源消耗、防止部分節(jié)點(diǎn)的能源過度消耗。 上述的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)路由的研究主要針對(duì)同構(gòu)的傳感器節(jié)點(diǎn)相互協(xié)作，進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、處理和路由，完成傳感任務(wù)。收集網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)路由的基礎(chǔ)，但是網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)發(fā)展為異構(gòu)無(wú)線傳感網(wǎng)中收集網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息帶來(lái)了更大的挑戰(zhàn)。描述異構(gòu)的節(jié)點(diǎn)、鏈路的狀態(tài)信息需要更多的數(shù)據(jù)量。由于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中可能存在大量的傳感器節(jié)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)著大量的資源狀態(tài)信息，要將所有節(jié)點(diǎn)、鏈路的所有信息完整、及時(shí)地發(fā)送到每個(gè)節(jié)點(diǎn)是不現(xiàn)實(shí)的。在網(wǎng)絡(luò)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(luò)的擁塞，使異構(gòu)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)法完成傳感數(shù)據(jù)的傳送。因此，研究高效、動(dòng)態(tài)地匯聚、分發(fā)和更新網(wǎng)絡(luò)資源狀態(tài)信息的協(xié)議對(duì)異構(gòu)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是非常重要的。 很多傳感應(yīng)用中對(duì)傳感數(shù)據(jù)的路由有服務(wù)質(zhì)量要求，比如監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，必須將感知到的異常的溫度數(shù)據(jù)（比如火災(zāi)發(fā)生時(shí)）及時(shí)傳送到觀察者。如果不能及時(shí)傳送到，觀察者和決策系統(tǒng)就無(wú)法作出及時(shí)的響應(yīng)，傳感數(shù)據(jù)就失去了采集的意義。在同構(gòu)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，在為有傳輸時(shí)延限制的傳感數(shù)據(jù)尋找路由時(shí)，通常只需考慮通信鏈路的時(shí)延。在異構(gòu)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，在選擇路由時(shí)，還必須將潛在的通路中各個(gè)節(jié)點(diǎn)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中支持服務(wù)質(zhì)量的數(shù)據(jù)路由算法。 在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)經(jīng)常由于環(huán)境的變化或電源耗盡而失效。同時(shí)由于傳感器節(jié)點(diǎn)的通信能力有限，而無(wú)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(diǎn)之間的通信容易受各種自然因素的影響而導(dǎo)致失敗。這些都會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓�。異�?gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息是海量的，這些信息來(lái)源于異構(gòu)動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)，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(duì)支持傳感數(shù)據(jù)被可靠、正確地轉(zhuǎn)發(fā)到基站節(jié)點(diǎn)是非常必要的。在異構(gòu)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，不同的傳感器節(jié)點(diǎn)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(dāng)缺乏網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息（甚至有關(guān)信息有）時(shí)，異構(gòu)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要魯棒性很強(qiáng)的路由算法來(lái)保證數(shù)據(jù)的可靠發(fā)送。 5、結(jié)束語(yǔ) 在本文中我們探討了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和協(xié)議框架，指出了現(xiàn)有傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展已經(jīng)顯現(xiàn)了異構(gòu)性和多應(yīng)用化的發(fā)展趨勢(shì)，分析了未來(lái)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由改進(jìn)需求。 |
