无线传感器网络的研究进展

计算机研究与发展

ISSN 100021239ΠCN 1121777ΠTP

Journal of Computer Research and Development 45(1):1～15,2008

　收稿日期:2007-11-08

　基金项目:国家“九七三”重点基础研究发展规划基金项目(2006CB303000);国家自然科学基金重点项目(60533110);国家自然科学基金项

目(60473075);国家教育部新世纪优秀人才支持计划基金项目(NCET 20520333)

无线传感器网络的研究进展

李建中 高　宏

(哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院　哈尔滨　150001)(lijzh @hit 1edu 1cn )

Survey on Sensor N et work R esearch

Li Jianzhong and G ao Hong

(School of Com puter Science and Technology ,Harbin Institute of Technology ,Harbin 150001)

Abstract Recent advances in sensing techniques ,embedded computing techniques ,distributed information processing techniques and communication techniques have enabled the development of wireless sensor net 2works 1As there is a bright future in their application ,wireless sensor networks have become a new research area in the 21century 1There are large numbers of challenge problems in science and engineering in the wireless sensor network area 1Since 2000,more and more researchers have been engaged in the research work on wireless sensor networks and a lot of research results have already been obtained 1Suiveyed in this paper is the research work on wireless sensor networks ,including the wireless sensor network communica 2tion techniques ,infrastructure techniques ,middleware techniques ,data management techniques ,sensor node and embedded software techniques 1The existing problems in the current research work and the new research issues are also discussed 1At the end of the paper ,many significant references are listed for the re 2searchers 1

K ey w ords sensor node ;sensor network ;communication protocol ;infrastructure ;middleware ;data man 2agement

摘　要　随着传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术的迅速发展,无线传感器网

络应运而生1由于无线传感器网络的广阔应用前景,它已经成为21世纪的一个新研究领域,在基础理论和工程技术两个层面向科技工作者提出了大量挑战性问题1从2000年开始,国内外无线传感器网络的研究日趋热烈,取得了大量研究成果1从无线传感器网络的网络通信技术、基础设施技术、中间件技术、数据管理技术、节点及其嵌入式软件技术等5个方面系统综述了无线传感器网络的研究进展,讨论目前存在的问题和需要进一步研究的方向,并提供了广泛的参考文献1

关键词　传感器节点;传感器网络;通信协议;基础设施;中间件;数据管理中图法分类号　TP393

随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟,人们研制出了各种具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器1由许多微型传感器构成的无线传感器网络(WSN )引起了人们的极大关注1WSN 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,能够协作实时监测、感知、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,获得

详尽准确的信息,传送到需要这些信息的用户1WSN 可以使人们在任何时间、地点和任何环境条件

下获取大量详实可靠的物理世界的信息,并可以被广泛应用于国防军事、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1WSN 是信息感知和采集的一场革命,在新一代网络中具有

关键作用1美国《商业周刊》认为WSN是全球未来四大高技术产业之一,是21世纪世界最具有影响力的21项技术之一1M IT新技术评论认为,WSN是改变世界的十大新技术之一1

WSN作为一种新的计算模式正在推动科技发展和社会进步,关系到国家经济和社会安全,已成为国际竞争的制高点,引起了世界各国军事部门、工业界和学术界的极大关注1美国自然科学基金委员会2003年制定了WSN研究计划,投资3400万美元支持相关基础理论的研究1美国国防部和各军事部门都对WSN给予高度重视,把WSN作为一个重要研究领域,设立了一系列的军事WSN研究项目1英特尔公司、微软公司等信息工业界巨头也纷纷设立或启动相应的行动计划1世界很多国家都纷纷展开了该领域的研究工作1

我国最近几年也开始重视WSN技术的研究1国家自然科学基金委员会资助了很多WSN研究项目,包括重点项目和面上项目1在“中国未来20年技术预见研究”报告中,有7项技术课题直接论述了传感网络12006年初发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》为信息技术确定了3个前沿方向,其中有两个与WSN研究直接相关1

由于WSN电源能量有限、通信能力有限、节点计算能力有限、传感器节点数量大且分布范围广、网络动态性强、感知数据流巨大、以数据为中心等特点,WSN已经成为21世纪的一个新研究领域,在基础理论和工程技术两个层面向科技工作者提出了大量挑战性问题1从2000年开始,国内外的WSN研究皆日趋热烈,取得了很多研究成果1本文从WSN 的网络通信、基础设施、中间件技术、数据管理技术、节点技术及其嵌入式软件系统等5个方面综述WSN 的研究进展1

1　WSN网络通信技术的研究进展

111　物理层研究进展

目前,物理层通信协议的研究主要集中在传输介质选择、传输频段选择、无线电收发器的设计、调制方式等4个方面,核心问题是能量有效性或节省能量1

WSN使用的传输介质目前主要包括无线电、红外线、光波等1无线电是目前最主要的WSN传输介质,需要解决频段选择、调制方式的选择等问题1 ISM频段已经被人们普遍采用1文献[122]给出了基于433MHz和915MHz这两个频段的无线电收发器的设计方法1传感器节点μAMPS使用了基于214GHz频段的无线电收发器[3]1文献[4]给出的传感器节点使用了基于916MHz频段的无线电收发器1文献[3,526]研究了调制方式选择问题1文献[3,5]对二元和多元调制方式进行了比较分析1文献[3]得出结论:在系统启动能量消耗占主导地位的条件下,二元调制方式比多元调试方式节省能量1文献[6]提出了一种适用于WSN的低能量调制方式1文献[7]提出,UWB(Ultra wide band)可用于WSN1红外线和光波传输不需要复杂的调制解调机制,接收器简单,数据传输功耗小,但是易受非透明物阻碍,仅能用于特殊环境下的WSN1文献[8]提出了两种光波传输机制1

小结:WSN的物理层研究比较薄弱,还有很多问题待解决,如简单低能耗的WSN的超带宽和通带宽调制机制设计问题、微小低能耗低费用的无线电收发器的硬件设计问题1

112　数据链路层研究进展

数据链路层的研究主要集中在MAC协议方面1WSN的MAC协议旨在为资源(特别是能量)受限的大量传感器节点建立具有自组织能力的多跳通信链路,实现公平有效的通信资源共享,处理数据包之间的碰撞,研究重点是如何节省能量1

1)基于随机竞争的MAC协议

文献[9]提出了MAC协议S2MAC,原理如下:周期性侦听Π睡眠工作方式,使节点尽可能处于睡眠状态,降低能量消耗;邻居节点由一致性协商睡眠调度机制形成虚拟簇,减少节点空闲侦听时间;通过流量自适应侦听机制,减少消息在网络中的传输延迟;采用带内信令减少重传和避免监听不必要数据;通过消息分割和突发传递机制减少控制消息的开销和消息传递延迟1在S2MAC基础上,文献[10]提出了T2MAC协议,根据通信流量动态调整传感器节点的活动时间,用突发方式发送信息,减少空闲侦听时间1文献[11]提出了一种事件驱矾的MAC协议Sift,其原理是当共享无线信道的N个传感器节点同时监测到同一事件吮,希望R个节点(R≤N)能够在最小时间内无冲突地成功发送出事件监测消息,抑制剩余(N-R)个节点的消息发送1

2)基于TDMA的MAC协议

文献[12]提出了一种支持聚簇WSN的基于TDMA的MAC协议1所有节点被划分成多个簇,每个簇具有一个簇头1簇头负责为簇内所有节点分

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