无线传感器网络发展与路由

1、引言无线传感器网络（Wireless Sensor Network）是由大规模部署的成百上千的节点构成。这些微传感器节点具有感知能力、无线通信能力以及计算能力。无线传感器网络的发展得益于微机电系统以及处理器、存储技术的发展，这些发展使得制造低功率、微体积、低成本的微传感器节点逐步成为现实。无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，各个节点能够协同地

1、引言

无线传感器网络（Wireless Sensor Network）是由大规模部署的成百上千的节点构成。这些微传感器节点具有感知能力、无线通信能力以及计算能力。无线传感器网络的发展得益于微机电系统以及处理器、存储技术的发展，这些发展使得制造低功率、微体积、低成本的微传感器节点逐步成为现实。无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，各个节点能够协同地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并将处理后的信息传送到需要这些信息的用户（观察者）。

由于无线传感器网络具有可快速部署、可自组织和高容错性的特点，因此非常适合在军事上应用。比如通过飞机将传感器节点撒播在战场上，可以组成网络对战场中化学武器的使用、敌方车辆和士兵的运动进行及时的监测和报告。同时，无线传感器网络对于比较恶劣的环境和人不宜到达的场所也非常适用，比如荒岛上的环境和生态监控，原始森林的防火和动物活动情况监测，污染区域以及地震和火灾等突发灾难现场的监控。另外，它还可用于城市的交通监测，医疗机构的病员及环境监测，大型车间原材料和仓库货物进出情况的监测，以及机场、大型工业园区的安全监测。无线传感器网络可以使人们在任何时间、地点和任何环境条件下获取大量信息。因此，这种网络系统可以被广泛地应用于国防军事、国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐抗灾等领域。可以说无线传感器网络是信息感知和采集的一场革命，是21世纪最重要的技术之一。

2、无线传感器网络

在讨论无线传感器网络之前，有必要了解无线传感器网络的组成和协议框架。典型的无线传感器网络如图1所示。

图1 无线传感器网络的典型结构

无线传感器网络的协议框架如图2所示，包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。物理层负责载波频率的产生，信号的调制、解调等；数据链路层负责媒体接入和差错控制，媒体接入协议可以在通信网络中确保点对点和点对多点的连接；差错控制则保证源节点发出的信息可以完整、无误地到达目标节点；网络层协议负责路由发现与维护，在无线传感器网络中占据着重要的地位，可以说路由协议的选择是无线传感器网络设计成功与否的关键。在无线传感器网络中，大多数节点无法与汇聚网关/节点直接进行通信，因此需要利用中间节点进行路由转发，以完成数据传送。基于网络组建的目的，需要在应用层上开发和使用不同的软件系统。应用层管理协议使低层的硬件、软件对于传感器网络的管理应用是透明的。当前主要的无线传感器网络协议有传感器管理协议SMP（Sensor Management Protocol），任务分配和数据通知协议TADAP（Task Assignment and Data Advertisement Protocol），传感器查询和数据分发协议SQDDP（Sensor Query and Data DissEMInation Protocol）。

图2 无线传感器网络的协议框架

由于无线传感器网络通常是为特定应用设计的专用无线网络，其各层次的协议设计得以在能量分配、移动控制及应用优化等各方面优化，以获得网络的最佳性能。能量分配是延长网络可用时间的必要需求，由于无线传感器节点通常由电池供电，能量分配在网络设计中尤其重要。移动管理完成检测和注册传感器节点的移动，维护到汇聚点的路由，使得传感器节点能够跟踪它的邻居。应用优化根据具体的应用需求，管理应用实施，并在一个给定的部署区域内达到平衡并调度应用任务的目的。

与现有的IP网络不同，传感器网的突出特色是以数据为中心，有处理能力和传输能力

限制，这使得其设计与现有IP网络有很多不同。传统的Internet网络中为每个节点分配一个惟一的标识符，但在传感器网络中，由于传感器节点被大量部署，为每个节点维护一个全局惟一的标识符将会带来很大的额外开销。对于无线传感器网络而言，最重要的是传感数据能被成功地发送到观察者，而无线传感器网络节点的标识相对不太重要。

3、发展方向

大规模的传感器网络将产生海量的、各具特征的传感数据。通常传感数据经单跳或多跳路由的方式，被发送到数据基站节点（Base Station Node）或数据接收发器，进而传送到观察者（任务管理节点）。除了感知物理现象之外，传感器节点通常还需承担路由器节点的功能，为别的传感器收集到的传感数据提供转发功能。由于被感知的物理现象的周围可能存在多个传感器节点，因此传感器感知到的数据通常是非常冗余的，在适当的时机完成冗余数据的网内聚合（in-Network Data Aggregation），对于减少通信量、节省能源是非常重要的，而减少通信量、节省能源则是无线传感器网络长期依赖的重要发展方向。另外，近些年对无线传感器网络的研究和实践表明，无线传感器网络还在向多应用和异构化方向发展。

3.1 多应用

随着无线传感器网络的发展，同一传感器网络将从支持单一应用向支持多种不同应用发展，大规模的无线传感器网络中将包括大量的异构的传感器节点。作为以数据为中心的网络，这样的无线传感器网络中将产生具有不同属性的、海量的传感数据。例如，在一个综合型大楼内采用大规模的传感网，可要求传感器网提供以下的服务：温度和湿度传感器负责监测大楼各部分的温度和湿度，并为中央空调提供调节的依据；需要移动目标监测传感器，监测大楼内部的人员分布情况，为分布式空调调节提供依据；需要视频传感器用于大楼安全。可以独立地部署这些传感器，也可以将不同的传感功能集合到同一传感器节点。所用传感器节点的功能不一定相同，它们产生的传感数据种类可能不同，同时由于需要满足不同的服务质量要求，传感数据的分发速率也可能不同。

3.2 异构化

随着无线传感器网的发展，传感器网内部的异构性（Heterogeneous）逐渐突出。除了传感器种类的不同导致传感数据种类不同之外，传感器节点的异构性还体现在节点的能源状况、通信能力、通信愿望、数据处理能力和数

据处理愿望等。通信能力包括节点发送、接收数据的能力，转发（路由）数据的能力。通