2005 黄玲 无线传感器网络简述

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及数据信道是否空闲。簇中节点分为监测信道、休眠、 传输以及回退状态。由于在休眠状态节点耗能非常少， 且节点处于监测状态时仅工作于耗能少的信令信道，从 而可以大量节约能量。节点有数据需要发送时，首先根 据信令信道监测无线链路的信道质量，当信道空闲且信 道质量优于门限时，节点发送数据，并且节点可以根据 信道质量的不同，在物理层采用不同的调制方式，以提 高信道的利用率。节点发送完数据后，将进入休眠状态， 直至有数据需要发送才进入监测信道状态，准备发送数 据。仿真表明该协议有效地减少了能量的消耗。 3、跨层设计问题 设计一个传感器网络，使其在不同应用下都能保持 最优的性能是非常困难的。目前，研究者在网络协议栈 的各层（包括 MAC 层、网络层、应用层等）都对能量约 束、不同应用要求、网络的差异性等进行了相当的研究， 但这些研究往往都局限于网络的某一层，而忽略了各层 之间的相互联系。分层的设计方法使设计简化，使互联 网稳定、兼容性好，但在无线传感器网络中，却带来了 灵活性差、效率不高等缺点。因此，在传感器网络中， 需要采用自适应的跨层优化协议 [17] ，从而可以在能量受 限的情况下，满足应用的高吞吐量、低延迟等要求。在 跨层设计中，各层协议相互联系，统一设计，如协议的 自适应性就要求各层相互协作来完成。网络中的各种变 化时间跨度各不相同，比如信噪比的变化很快，用户数 的变化较慢等。这就需要首先在不同的层自适应地处理 与之相应时间跨度的网络变化，处理不了的，再由其它 层来处理。再如网络的能耗方面，也需要各层统一考虑。 在物理层降低信息传输速率即可降低能耗，但会对上层 应用产生影响；最优的路由方式也有可能因为很快消耗 完某些节点的能量，而不能被采用。因此，在跨层协议 设计中，需要在能量、业务要求的约束条件下，对各层 进行统一的优化，同时，还需要在各层之间适当地传递 和共享信息，为最优化设计提供条件。 4、安全问题 同其它无线网络一样，安全问题是无线传感器网络 的一个重要问题。由于采用的是无线传输信道，传感器 网络存在窃听、恶意路由、消息篡改等安全问题。同时， 无线传感器网络的两个特点使安全问题的解决更为复杂 化了，这两个特点是数据在网络中的整合和节点的有限 能量和有限处理、存储能力。 数据在网络中的整合可以有效地压缩网络中传输的
无线传感器 网络 传感器 节点
要求，网络对能量的敏感性，以及以数据为中心
信息收集
的传输等等。针对这些特性，需要采用适于传感 器网络的解决方案。比如，在物理层，可以采用 低阶调制技术、超宽带（Ultra-Wideband, UWB） 无 线 通 信 技 术 [2] 、 射 标 签 （ Radio Frequency Identification, RFID）技术等[3] ；在媒体接入控制 （Media Access Control 频, MAC）层可以采用分
无线传感器网络简述
摘要：本文介绍了无线传感器网络的定义和结构，针对路由、能量、跨层设计及安全等无线传感器 网络中的关键问题，分析了国内外研究发展的现状，指出了进一步研发的方向，并总结了无线传感 器网络的典型应用。 关键词：无线传感器网络；路由；能量；跨层；安全 中图分类号：ＴＰ２１２．９ 文献标识码： Ａ 文章编号：１００６－８８３Ｘ（２００５）１０－００３６－０００４
和定向扩散（Directed Diffusion, DD）协议 ，其它的
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Байду номын сангаас
许多平面型协议都是对这两个协议的某些方面进行的改 进。而分层路由协议中，网络中节点的功能是不完全相 同的。一般是将网络中的节点分成很多簇，每个簇有一 个簇头（Cluster Header, CH）节点和许多一般节点。一 般节点负责信息的采集和发送，簇头节点对收到的信息 进行处理和转发，并可协调簇内一般节点的发送。低功 耗 自 适 应 按 簇 分 层 （ Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy, LEACH） 协议就是一种典型的分层路由协 议。下面分别简要介绍上述三种典型的路由协议，其它 的一些协议， 如基于梯度的路由 （Gradient-Based Routing, GBR）协议 SOP）
。
，如物理层可以采用
超宽带无线通信技术，MAC 层可以采用适合节点在休眠 和工作状态间切换的接入协议，网络层可以以节点能量 作为路由度量等。此外，还可以采用跨层设计的方式， 提高网络的能量效率。 前面提到的 LEACH 协议，就考虑到了传感器网络 节点的能量问题，该协议作为一种分层路由协议，通过 簇头节点与信息收集节点通信，减少了其它节点的能量 消耗。 门限敏感能量有效协议 （Threshold-Sensitive Energy Efficient Protocols, TEEN）
广域网络 无线通信 链路
信息处理
图 1. 无线传感器网络结构
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传 感 器 世 界 2005.10

Signal Process & System
布式接入控制算法、公平的资源分配算法等；在网络层， 针对不同的准则，可采用各种节省能量的分布式路由算 法和协议，以及数据融合的算法。 （1）信源节点发布广播消息 ADV，告诉周围节点 其有新数据要传输； （2） 周围节点中对这个新数据感兴趣的节点向信源 节点发请求消息 REQ； 三、无线传感器网络的关键问题 1、路由问题 路由协议的目的是在源节点和目的节点之间建立可 靠的路由，保证数据的传输。传感器网络由于节点数量 多，为了避免由于节点地址带来的大量的负荷，不可能 构造一个全球的地址方案；此外，由于节点能量受限且 大都处于静止状态等特点，使得传感器网络不能采用传 统的基于 IP 的路由协议， 并且 Ad hoc 网络中现有的路由 协 议 ， 如 动 态 源 路 由 协 议 (Dynamic Source Routing, DSR) 和基于距离矢量的按需路由(Ad hoc On Demand Distance Vector, AODV) 协议 等，也不完全适用。 为传感器网络设计的路由协议可以分为两类：平面 型路由协议和分层路由协议 。平面型路由协议中， 各传 感器节点在网络中的地位或作用是一样的，最典型的平 面型无线传感器网络路由协议是信息协商传感器协议 （Sensor Protocols for Information via Negotiation, SPIN）
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（3）信源节点收到 REQ 消息后，向感兴趣的节点 发送数据包 DATA。这就避免了无目的的泛洪。 '数据协商需要定义元数据（Meta-data） ，这就是协 商时采用的最小数据单元，具体的定义随应用的不同而 不同。 SPIN 协议是一种周期性协议，每隔一定时间，传感 器节点就会采集一次数据，并启动数据协商过程，将此 数据发送出去。 （2）DD 协议 DD 协议中的路由是通过信息收集节点发起建立的。 信息收集节点周期性地向传感器网络中广播一种称为 Interests 的数据包， 告诉网络中的节点它需要收集什么样 的信息。当 Interests 数据包在网络中传播时，收到这一 数 据 包 的 节 点 会 建 立 一 个 “ 梯 度 ” Gradient） 指 向 （ ， Interests 数据包所来自的节点，Gradient 的值由节点根据 周围的信息传播环境而设定。 每当一个节点收到 Interests 数据包，这个节点就建立了一条或多条到信息收集节点 的路径。DD 协议一般取其中最好的一条进行传输。 在 DD 协议中，数据在传播过程中被不断地进行合 并、整合，这样就消除了传输中的冗余，节省了网络资 源。 (3) LEACH 协议 作为一种分层协议，LEACH 协议将网络中的节点分 为簇头和一般节点。簇头将簇内的数据进行压缩后集中 传送给信息收集节点，从而达到节省网络资源的目的。 协议的内容包括簇头的选择和数据传输。 LEACH 协议 在 中，簇头是随机选择的，然后其它节点轮流充当簇头， 以平衡各节点之间的能量消耗。在数据传输中，簇内节 点 采 用 时 分 复 用 （ Time-Division Multiple Accessing, TDMA）的方式轮流使用信道资源，而 TDMA 中时隙的 分配是由簇头完成的。簇之间采用码分多址 （Code-Division Multiple Accessing, CDMA）的方式减小 相互的干扰，即不同的簇采用不同的正交码同时进行扩 频传输。 除了将传感器网络的路由协议分为平面型路由协议 和分层路由协议以外，还可以根据路由方式的不同，将 它们分为多路径协议和单路径协议；或根据信息产生方
黄玲
一、引言 无线传感器网络是众多的传感器通过无线通信的方式，相互联系，处理、传递信息的网络。该网 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，可以实时监测、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，并对这些信息进行处理，传送给所需用户。无线传 感器网络在军事、工业、交通、安全、医疗、探测以及家庭和办公环境等很多方面都有着广泛的用途， 其研究、开发和应用，关系到国家安全、经济发展等各个重大方面，近年来在国际上引起了广泛的重 视和投入。
二、传感器网络结构 无线传感器网络（ Wireless Sensor Network, WSN）结构如图 1 所示。传感器节点分布于网络的各 个部分，用于收集数据，并且将数据路由至信息收集节点（Sink） 。信息收集节点与信息处理节点通过 广域网络（如 Internet 网络或者卫星网络）进行通信，从而对收集到的数据进行处理。 与其它网络一样，传感器网络的协议栈包括应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层[1]。 在应用层采用不同的软件，就可以实现传感器网络不同的应用目的；传输层提供差错控制和流量控制 等功能； 网络层主要负责将传输层所提供的数据路由至信息收集节点； 数据链路层主要负责节点接入， 降低节点间的传输冲突；物理层进行比特流的传输。但与蜂窝网、无线局域网等其它无线通信网络相 比，无线传感器网络有其自身的显著特点，主要包括节点（传感器）的低功率、低功耗和有限处理能 力，网络的自组织性和容错性，网络的可扩展性