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1、引言 無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network）是由大規模部署的成百上千的節點構成。這些微傳感器節點具有感知能力、無線通信能力以及計算能力。無線傳感器網絡的發展得益于微機電系統以及處理器、存儲技術的發展，這些發展使得制造低功率、微體積、低成本的微傳感器節點逐步成為現實。無線傳感器網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，各個節點能夠協同地實時監測、感知和采集網絡分布區域內的各種環境或監測對象的信息，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點撒播在戰場上，可以組成網絡對戰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測和報告。同時，無線傳感器網絡對于比較惡劣的環境和人不宜到達的場所也非常適用，比如荒島上的環境和生態監控，原始森林的防火和動物活動情況監測，污染區域以及地震和火災等突發災難現場的監控。另外，它還可用于城市的交通監測，醫療機構的病員及環境監測，大型車間原材料和倉庫貨物進出情況的監測，以及機場、大型工業園區的安全監測。無線傳感器網絡可以使人們在任何時間、地點和任何環境條件下獲取大量信息。因此，這種網絡系統可以被廣泛地應用于國防軍事、國家安全、環境監測、交通管理、醫療衛生、制造業、反恐抗災等領域。可以說無線傳感器網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、無線傳感器網絡 在討論無線傳感器網絡之前，有必要了解無線傳感器網絡的組成和協議框架。典型的無線傳感器網絡如圖1所示。 圖1 無線傳感器網絡的典型結構 無線傳感器網絡的協議框架如圖2所示，包括物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層。物理層負責載波頻率的產生，信號的調制、解調等；數據鏈路層負責媒體接入和差錯控制，媒體接入協議可以在通信網絡中確保點對點和點對多點的連接；差錯控制則保證源節點發出的信息可以完整、無誤地到達目標節點；網絡層協議負責路由發現與維護，在無線傳感器網絡中占據著重要的地位，可以說路由協議的選擇是無線傳感器網絡設計成功與否的關鍵。在無線傳感器網絡中，大多數節點無法與匯聚網關/節點直接進行通信，因此需要利用中間節點進行路由轉發，以完成數據傳送。基于網絡組建的目的，需要在應用層上開發和使用不同的軟件系統。應用層管理協議使低層的硬件、軟件對于傳感器網絡的管理應用是透明的。當前主要的無線傳感器網絡協議有傳感器管理協議SMP（Sensor Management Protocol），任務分配和數據通知協議TADAP（Task Assignment and Data Advertisement Protocol），傳感器查詢和數據分發協議SQDDP（Sensor Query and Data Dissemination Protocol）。 圖2 無線傳感器網絡的協議框架 由于無線傳感器網絡通常是為特定應用設計的專用無線網絡，其各層次的協議設計得以在能量分配、移動控制及應用優化等各方面優化，以獲得網絡的最佳性能。能量分配是延長網絡可用時間的必要需求，由于無線傳感器節點通常由電池供電，能量分配在網絡設計中尤其重要。移動管理完成檢測和注冊傳感器節點的移動，維護到匯聚點的路由，使得傳感器節點能夠跟蹤它的鄰居。應用優化根據具體的應用需求，管理應用實施，并在一個給定的部署區域內達到平衡并調度應用任務的目的。 與現有的IP網絡不同，傳感器網的突出特色是以數據為中心，有處理能力和傳輸能力限制，這使得其設計與現有IP網絡有很多不同。傳統的Internet網絡中為每個節點分配一個惟一的標識符，但在傳感器網絡中，由于傳感器節點被大量部署，為每個節點維護一個全局惟一的標識符將會帶來很大的額外開銷。對于無線傳感器網絡而言，最重要的是傳感數據能被成功地發送到觀察者，而無線傳感器網絡節點的標識相對不太重要。 3、發展方向 大規模的傳感器網絡將產生海量的、各具特征的傳感數據。通常傳感數據經單跳或多跳路由的方式，被發送到數據基站節點（Base Station Node）或數據接收發器，進而傳送到觀察者（任務管理節點）。除了感知物理現象之外，傳感器節點通常還需承擔路由器節點的功能，為別的傳感器收集到的傳感數據提供轉發功能。由于被感知的物理現象的周圍可能存在多個傳感器節點，因此傳感器感知到的數據通常是非常冗余的，在適當的時機完成冗余數據的網內聚合（in-Network Data Aggregation），對于減少通信量、節省能源是非常重要的，而減少通信量、節省能源則是無線傳感器網絡長期依賴的重要發展方向。另外，近些年對無線傳感器網絡的研究 和實踐表明，無線傳感器網絡還在向多應用和異構化方向發展。 3.1 多應用 隨著無線傳感器網絡的發展，同一傳感器網絡將從支持單一應用向支持多種不同應用發展，大規模的無線傳感器網絡中將包括大量的異構的傳感器節點。作為以數據為中心的網絡，這樣的無線傳感器網絡中將產生具有不同屬性的、海量的傳感數據。例如，在一個綜合型大樓內采用大規模的傳感網，可要求傳感器網提供以下的服務：溫度和濕度傳感器負責監測大樓各部分的溫度和濕度，并為中央空調提供調節的依據；需要移動目標監測傳感器，監測大樓內部的人員分布情況，為分布式空調調節提供依據；需要視頻傳感器用于大樓安全�？梢元毩⒌夭渴疬@些傳感器，也可以將不同的傳感功能集合到同一傳感器節點。所用傳感器節點的功能不一定相同，它們產生的傳感數據種類可能不同，同時由于需要滿足不同的服務質量要求，傳感數據的分發速率也可能不同。 3.2 異構化 隨著無線傳感器網的發展，傳感器網內部的異構性（Heterogeneous）逐漸突出。除了傳感器種類的不同導致傳感數據種類不同之外，傳感器節點的異構性還體現在節點的能源狀況、通信能力、通信愿望、數據處理能力和數據處理愿望等。通信能力包括節點發送、接收數據的能力，轉發（路由）數據的能力。通信愿望是指節點當前是否愿意參與網絡通信；當節約能源不夠充�；蛘呤且驗楫斍爸車h境很差、能夠成功通信的概率很小時，節點可主動暫時退出網絡通信。數據處理能力是指傳感器節點是否能夠完成網內數據聚合。部分節點可能不具有網內數據處理能力，或者為了節能或其它原因，暫時不參與網內數據處理。傳感器節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絡的一個非常重要的問題，長期依賴是無線傳感器網絡研究的重點。現有的路由方法可以從網絡體系結構上分為兩種類型：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據從源節點到基站節點的傳送。節點不僅同構，并且承擔相同的角色：既感知環境收集傳感數據，又作為路由器完成路由查詢和數據轉發。平面型路由算法中，最著名的是基于談判的SPIN算法和定向發布算法。 SPIN算法假定每個節點都是潛在的基站節點，需要將每個節點的傳感數據向其它節點分發。用戶在查詢任意節點時，都能很快得到所需要的數據。 SPIN算法中引入了談判機制，能夠避免洪泛型路由為傳感網帶來過量的傳感數據，從而節約能源。其改進算法SPIN-2能夠根據自己的能源狀況，決定是否減少參與轉發其它節點的數據。SPIN最大的問題在于無法保證數據的送達。如果對某些傳感數據感興趣的節點遠離感知數據的源節點，而源節點與目的節點之間的中間節點對這些數據不感興趣，數據將不能被送達目的節點。所以SPIN算法不可能提供服務質量的保證。定向發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絡，在產生傳感數據的源節點和收集數據的基站節點間建立多條通路。多條通路的使用能夠提高網絡的可靠，提供魯棒的數據路由。但是冗余數據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內數據聚合來去掉冗余數據，減少通信量，節約能源。很多研究者在定向發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、防止部分節點的能源過度消耗。 上述的無線傳感器網絡中數據路由的研究主要針對同構的傳感器節點相互協作，進行數據收集、處理和路由，完成傳感任務。收集網絡狀態信息是實現數據路由的基礎，但是網絡的異構發展為異構無線傳感網中收集網絡狀態信息帶來了更大的挑戰。描述異構的節點、鏈路的狀態信息需要更多的數據量。由于整個網絡中可能存在大量的傳感器節點，對應著大量的資源狀態信息，要將所有節點、鏈路的所有信息完整、及時地發送到每個節點是不現實的。在網絡中發送洪泛信息將消耗大量的能源，甚至可能造成網絡的擁塞，使異構無線傳感器網絡無法完成傳感數據的傳送。因此，研究高效、動態地匯聚、分發和更新網絡資源狀態信息的協議對異構無線傳感器網絡是非常重要的。 很多傳感應用中對傳感數據的路由有服務質量要求，比如監測環境溫度的無線傳感器網絡，必須將感知到的異常的溫度數據（比如火災發生時）及時傳送到觀察者。如果不能及時傳送到，觀察者和決策系統就無法作出及時的響應，傳感數據就失去了采集的意義。在同構的無線傳感器網絡中，在為有傳輸時延限制的傳感數據尋找路由時，通常只需考慮通信鏈路的時延。在異構的無線傳感器網絡中，在選擇路由時，還必須將潛在的通路中各個節點的不同通信能力、通信愿望以及通信鏈路的質量等因素納入考慮范圍。因此，需要研究異構無線傳感器網絡中支持服務質量的數據路由算法。 在無線傳感器網絡中，傳感器節點經常由于環境的變化或電源耗盡而失效。同時由于傳感器節點的通信能力有限，而無線傳感器網又常常部署在 惡劣的環境中，傳感器節點之間的通信容易受各種自然因素的影響而導致失敗。這些都會導致網絡拓撲的變化。異構傳感器網絡的信息是海量的，這些信息來源于異構動態變化的網絡，存在大量的冗余數據和不可靠的數據，研究魯棒路由算法，對支持傳感數據被可靠、正確地轉發到基站節點是非常必要的。在異構無線傳感器網絡中，不同的傳感器節點可能具有不同的通信愿望和通信能力，這使得可靠、正確地發送傳感數據變得更為困難。特別地，當缺乏網絡狀態信息（甚至有關信息有）時，異構無線傳感器網絡需要魯棒性很強的路由算法來保證數據的可靠發送。 5、結束語 在本文中我們探討了無線傳感器網絡的結構和協議框架，指出了現有傳感器網絡的發展已經顯現了異構性和多應用化的發展趨勢，分析了未來無線傳感器網絡的路由改進需求。 |
