无线传感器网络的研究

随着微电子技术、通信技术和传感器技术的发展，使得能够在微小传感器内集成信息采集、数据处理和无线通信等多种功能。传感器网络就是由大量的微型低功耗的传感器节点组成的网络系统，每个传感器节点具有数据采集、简单的数据处理、短距离无线通信和自动组网的能力。
与无线自组网、蜂窝等无线网络相比，无线传感器网络有如下主要要求:第一，能量高效:传感器节点通常由能量十分有限的微小电池通电，由于传感器节点个数多、价格低廉、分布广且环境较复杂，传感器节点更换电池或充电非常困难，或者没有必要，因此传感器网络存在着严重的节点能量约束问题:第二，自组织:大量传感器节点随机放置，甚至通过飞机撤播，如战场、地震或火灾现场等，传感器节点要能够自动形成网络系统，在有些应用中还要支持传感器节点的移动;第三，可扩展性:传感器网络的节点数目可能上千甚至上万:节点能量耗尽或环境因素容易造成节点失效，节点失效或环境干扰使得传感器网络拓扑结构动态变化，因此，传感器网络应该具有可扩展性。

2.传感器网络的结构和特点
2.1传感器网络的结构
传感器网络包括汇聚点(sink)和传感器(sensor)节点。传感器节点数目往往巨大，分布在监测区域(sensor field)内，每个节点除了进行环境信息的收集，还具有数据处理和转发路由的功能，是传感器网络研究的重点。汇聚点的个数通常很少，具有发布监测命令和收集数据的功能，还可以实现与Internet的通信。

图1 传感器网络的体系结构

2.2 传感器节点
传感器节点由传感器、处理、无线通信和能量供应四个模块部分(图2)。传感器模块负责环境信息的采集和数据转换;处理模块控制整个传感器节点的操作，处理本身采集的数据和其它节点发来的数据，运行网络协议使传感器节点互联为网络以便协作工作;通信模块负责与其它传感器节点进行通信，交换控制消息和数据消息:能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常是微型蓄电池。

图2 传感器节点的体系结构
2.3 传感器网络的特点
传感器网络是以数据为中心的网络:相当于分布式的网络数据库，要查询的数据分布在所有或部分节点中。传感器网络中每个传感器节点具有端节点和路由器两者的作用。由于传感器网络关注的是具有某种特性的数据，传感器节点数目巨大和节点放置的随机性，传感器节点没有必要采用IP地址，可以使用局部能够区分的标号标识 。
传感器网络是应用相关的网络:传感器网络是针对某个或某些应用而专门设计的。相邻节点因监测的可能是同一个事件而存在信息的冗余性，在数据传输路径上的中间传感器节点需要针对应用情况，对收到其它节点转发来的数据以及本身采集的数据进行数据融合，以便有效地节省网络资源。

3.传感器网络的关键技术
3.1路由机制
路由机制选择采集信息和控制消息的传输路径，就是决定哪些节点形成转发路径，路径上的所有节点都要消耗一定的能量来转发数据。如何动态地形成基于能量高效的优化路由一直是传感器网络的核心问题之一。提出的路由机制有早期的能量路由、基于协商的SPIN路由、定向扩散DD路由，以及层次式的LEACH路由、TEEN路由、多路径路由和能量感知路由等。下面介绍几个代表性的路由机制。

3.1.1 SPIN路由(Sensor Protocol for Information via Negoitation)
SPIN 路由假设所有传感器节点都可能是希望获得数据的汇聚节点，每个传感器节点知道自己是否需要数据或在数据源到汇聚节点的路径上。它是对传统洪泛(flooding)路由的改进，传感器节点在发送数据前先进行协商，仅把数据发送到需要的相邻节点。
SPIN 协议使用ADV,REQ和DATA 种类型消息，采用三次握手方式。当节点有新数据时，广播ADV消息通告给它的所有邻居，其中包括DATA的描述信息:当邻居节点收到这个广播消息时，如果对这个数据感兴趣，先检查其是否已经有该数据，没有就发送REQ消息请求新数据:源节点在收到REQ消息后，发送数据给请求节点。这些邻居节点重复以上过程，从而可以使使网络中所有对这条数据感兴趣的传感器节点都能获得该数据。该协议的优点在于简单性，节点仅需要知道邻居节点，无需其它拓扑信息。

3.1.2定向扩散DD (Directed Diffusion)
定向扩散是基十查询的按需路由，汇聚点发出查询消息，形成反向的从数据源到汇聚点的数据扩散梯度，数据沿着梯度传送到汇聚点。定向扩散包括周期性的以下基本操作过程(参见图3):

图3 定向扩散的基本操作

• 路径建立 :汇聚点向网络中所有节点通过网络广播任务，任务用含有任务类型、数据发送速率、时间戳等参数的兴趣来描述。这些兴趣是探测性质的，要求节点发送数据速率比较低。每个节点缓存接收的兴趣，通过记录相应的发来兴趣的邻居节点等信息建立梯度。随着兴趣在整个网络的传播，就建立了从数据源节点到汇聚点的梯度。
• 数据发送 :当节点采集到匹配查询的数据时，通过梯度路径发向汇聚点。由于可能从多个邻居节点收到兴趣，(中间)节点向多个邻居节点发送数据，汇聚点(或中间节点)可能收到经过多个邻居节点的相同数据，中间节点需要实现数据的融合。
• 增强路径 :汇聚点在收到这些低速率数据后，向数据到达最快的邻居节点发送增强消息，增强消息表示汇聚点要求高速率发送数据。相应邻居节点按照同样的方式，依次传递增强信息给其邻居节点，直到到达数据源，这样将构建数据发送的主路径。

3.1.3 LEACH路由(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)
LEACH 是基于分簇的路由，它包括周期性的循环过程，每轮循环分为簇建立阶段和时间较长的稳定的数据通信阶段。在簇建立阶段，相邻节点动态地自动形成簇，随机地产生簇首。在数据通信阶段，簇内节点把数据发给簇首，簇首进行数据融合并把结果发送给汇聚点。由于簇首需要完成数据融合、与基站通信等工作，簇首的能量消耗非常高，各节点需要等概率地担任簇首，这样才能使网络中所有节点比较均衡地消耗能量，有利于延长整个网络的生存期。LEACH协议的特点是分簇和数据融合，分层利于网络的扩展性，数据融合能够减少通信量。