無線傳感器網絡通信與路由研究

肖　軍　李　科　王建華

摘要：隨著無線通信和數字電子技術的發展，由低成本、低功耗、多功能的無線傳感器節點組成的無線傳感網絡得到迅速發展。無線傳感網絡是由很多無線傳感器節點密集分布組成的，它具有以下特性：各傳感器節點位置隨機分布，具有自組織特性；各節點共同協作完成數據收集、路由任務，具有很好的協作特性。無線傳感網絡的這些特性使得它在醫療、環境監測、軍事和智能家庭等領域有了廣泛的應用。

本文從介紹無線傳感器網絡的發展入手，分析了無線傳感器的網絡結構，節點結構，節點的限制，網絡特點，在此基礎上繼續分析了無線傳感器網絡的路由協議以及現有的路由協議分類。

關鍵詞：無線傳感器；路由；節點；協議

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)18-20ppp-0c

The Research of Communications and Route of Wireless Sensor Network

XIAO Jun,LI Ke, WANG Jian-hua

（Northwest institute of nuclear engineering, Xi'an Shanxi province 710024, China）

Abstract:With the advances of wireless communication and micro-processor technologies, it becomes possible for large amounts of low-cost, low-power, multifunctional sensor nodes to build high-quality wireless sensor networks. These nodes have many specific features: densely distributing in working field with random location and self-organization ability; adaptively collaborating with other nodes for data routing and transmission. All these advantages enable broad use of wireless sensor networks in the fields of Health-care, Environment Monitoring, Military and Smart Home.

This article obtains from the wireless sensor network communications research, and study the framework, characteristic of the wireless sesor network, then analyse the framework of the netnote and the limiting condition of the netnote; at last , this paper study the router protocol of the wireless sensor network.

Keyword: the wireless sensor; route; node; protocol

近年來隨著微電子技術、傳感器技術及通信技術的發展，無線傳感器網絡技術發展迅猛[1]，進展很快。無線傳感器網絡是由一組傳感器節點通過無線連接構成的無線網絡，它布置大量微型的智能傳感器節點，通過節點的協同工作來采集和處理網絡覆蓋區域中的目標信息。

無線傳感器網絡無論是在國家安全，還是國民經濟等方面均有著廣泛的應用前景。未來，傳感器網絡將向天、空、海、陸、地下一體化綜合傳感器網絡的方向發展，最終將成為現實世界和數字世界的接口，深入到人們生活的各個層面，像互聯網一樣改變人們的生活方式?？梢哉f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。本文主要有武定縣傳感器網絡的特點入手，著重介紹傳感器的網絡機構，節點的布置結構及其限制條件，以及對應此結構的路由協議的介紹。

1 無線傳感器網絡的特點

無線傳感器網絡是一種新興技術，它是將傳感器技術，通信技術以及網絡技術結合的產物，相較于傳統的網絡以及傳感器，它具有突出的特點：

(1)大規模網絡[2]

為了獲取精確信息，在監測區域通常部屬大量傳感器節點，傳感器節點數量可能達到上萬個，甚至更多。傳感器網絡的大規模包含兩個含義：一是分布的地理區域大，如一片森林；二是節點分布密集，在一個面積不大的空間內可能有大量的節點。

(2)自組織網絡

布置傳感器節點時，節點的位置通常不能預先精確設定，節點之間的鄰居關系也不能預先知道。這樣就要求傳感器節點有自組織的能力，能夠自動進行配置和管理，通過拓撲控制機制和網絡協議自動形成多跳無線網絡。

(3)動態性網絡

傳感器網絡的拓撲結構可能由于如下原因而改變：1.環境因素和電能耗盡造成節點出現故障或失效；2.環境條件變化造成無線通信鏈路帶寬變化，甚至時斷時續；3.傳感器節點、感知對象、觀察者可能都具有移動性；4.新節點的加入。因此，在設計傳感器網絡時，就要求考慮網絡具有能適應這種變化的能力。

(4)可靠的網絡

傳感器網絡通常部屬在惡劣的環境下，或者人類不宜到達的區域。這就要求節點比較堅固，能適應各種惡劣環境條件。另外由于不能進行人工維護，網絡的通信保密性和安全性也十分重要。

(5)應用相關的網絡

不同的應用背景對傳感器網絡的要求不同，其硬件平臺、軟件系統和網絡協議也存在很大的差異。所以傳感器網絡不能像 Internet一樣有統一的通信協議平臺。開發傳感器網絡的應用時，要注意傳感器網絡的差異。只有讓系統更貼近應用，才能做出更高效的應用。

(6)以數據為中心的網絡

傳感器網絡是任務型的網絡，脫離網絡談節點沒有任何意義。用戶使用傳感器網絡查詢事件時，直接將事件告知網絡，而不是告知某個節點。網絡獲得事件的信息后匯報給用戶。這種以數據本身作為查詢或傳輸線索的思想更接近自然語言交流的習慣。所以傳感器網絡是一個以數據為中心的網絡。

2 無線傳感器的網絡結構

基于以上介紹的無線傳感器網絡的特點，一般傳感器網絡結構如圖1，它通常包括傳感器節點（sensor node）、匯聚節點（sink node）和管理節點。大量傳感器節點隨機部屬在監測區域（sensor field）內部或附近，能夠通過自組織方式構成網絡。傳感器節點監測的數據沿著其它傳感器節點逐跳地進行傳輸，在傳輸過程中監測數據可能被多個節點處理，經過多跳后路由到匯聚節點，最后通過互聯網或衛星到達管理節點。用戶通過管理節點對傳感器網絡進行配置和管理，發布監測任務和收集監測數據[3]。

傳感器節點通常是一個微型的嵌入式系統，它的處理能力、存儲能力和通信能力相對較弱，通過攜帶能量有限的電池供電。從網絡功能上看，每個傳感器節點兼顧傳統網絡節點的終端和路由器雙重功能，除了進行本地信息收集和數據處理外，還要對其它節點轉發來的數據進行存儲、管理和融合等處理，同時與其它節點協作完成一些特定的任務。

圖1 無線傳感器網絡的結構

匯聚節點的處理能力、存儲能力和通信能力相對較強，它連接傳感器網絡與Internet等外部網絡，實現兩種協議棧之間的通信協議轉換，同時發布管理節點的監測任務，并把收集的數據轉發到外部網絡上。匯聚節點既可以是一個具有增強功能的傳感器節點，也可以是沒有功能僅帶有無線通信接口的特殊網關設備。

3 無線傳感器節點結構

傳感器節點由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊四部分組成，如圖2所示。傳感器模塊負責監測區域內信息的采集和數據轉換；處理器模塊負責控制整個傳感器節點的操作，存儲和處理本身采集的數據以及其它節點發來的數據；無線通信模塊負責與其它傳感器節點進行無線通信，交換控制消息和收發采集數據；能量供應模塊為傳感器節點提供運行所需的能量，通常采用微型電池,具體的節點的機構如圖2。

基于以上介紹的傳感器網絡節點的結構特性和功能特性，這樣就存在一些對傳感器的設計的限制條件

(1)電源能量有限：傳感器節點體積微小，通常攜帶能量十分有限的電池。而且傳感器所分布的區域通常是人跡罕至的，所以通過更換電池的方式補充能量是不可能的。

圖2 傳感器節點的結構

(2)通信能力有限：無線通信的能量消耗與通信距離的關系[1]為：

其中參數a滿足關系2

(3)計算和存儲能力有限[4]：傳感器節點是一種微型嵌入式設備，價格低功耗小，所以其處理器能力比較弱，存儲容量比較小。

4 無線傳感器網絡的路由協議的特點

在無線傳感器網絡中，路由協議負責將數據分組從源節點通過網絡轉發到目的節點，它主要包括兩個方面的功能：尋找源節點和目的節點間的優化路徑，將數據分組沿著優化路徑正確轉發。Adhoc、無線局域網等傳統無線網絡的首要目標是提供高服務質量和公平高效地利用網絡帶寬，這些網絡路由協議的主要任務是尋找源節點到目的節點間通信延遲小的路徑，同時提高整個網絡的利用率，避免產生通信擁塞并均衡網絡流量等，而能量消耗問題不是這類網絡考慮的重點。

在無線傳感器網絡中，節點能量有限且一般沒有能量補充，因此路由協議需要高效利用能量，同時傳感器網絡節點數目往往很大，節點只能獲取局部拓撲結構信息，路由協議要能在局部網絡信息的基礎上選擇合適的路徑傳輸[14]。傳感器網絡具有很強的應用相關性，不同應用中的路由協議可能差別很大，沒有一個通用的路由協議。此外，傳感器網絡的路由機制還經常與數據融合技術聯系在一起，通過減少通信量而節省能量。因此，傳統無線網絡的路由協議不適應于無線傳感器網絡。

與傳統網絡的路由協議相比，無線傳感器網絡的路由協議具有以下特點：

(1)能量優先：傳統路由協議在選擇最優路徑時，很少考慮節點的能量消耗問題。而無線傳感器網絡中節點的能量有限，延長整個網絡的生存期成為傳感器網絡路由協議設計的重要目標，因此需要考慮節點的能量消耗以及網絡能量均衡使用的問題。

(2)基于局部拓撲信息：無線傳感器網絡為了節省通信能量，通常采用多跳的通信模式，而節點有限的存儲資源和計算資源，使得節點不能存儲大量的路由信息，不能進行太復雜的路由計算。在節點只能獲取局部拓撲信息和資源有限的情況下，如果實現簡單高效的路由機制是無線傳感器網絡的一個基本問題。

(3)以數據為中心：傳統的路由協議通常以地址作為節點的標識和路由的依據，而無線傳感器網絡中大量節點隨機部署，所關注的是檢測區域的感知數據，而不是具體哪個節點獲取的信息，不依賴于全網唯一的標識。傳感器網絡通常包含多個傳感器節點到少數匯聚節點的數據流，按照對感知數據的需求、數據通信模式和流向等，以數據為中心形成消息的轉發路徑。

(4)應用相關傳感器網絡的應用環境千差萬別，數據通信模式不同，沒有一個路由機制適合所有的應用，這是傳感器網絡應用相關性的一個體現。設計者需要針對每一個具體應用的需求，設計與之適應的特定路由機制。

5 無線傳感器網絡路由協議的分類

無線傳感器網絡路由協議的設計極負挑戰性，它與傳統的無線Adhoc網絡有著無全局標識、多對一通信、數據冗余大、資源局限強等不同的特色[5]。針對無線傳感器網絡中數據傳送的特點和難題，許多新的路由協議得到了提出。這些路由協議可以大致分為四類：能量感知路由協議，層次式路由協議，以數據為中心的路由協議，以及基于位置信息的路由協議。

(1)能量感知路由協議：高效利用網絡能量是傳感器網絡路由協議的一個顯著特點，能量感知路由協議從數據傳輸中的能量消耗出發，討論最優能量消耗路徑以及最長網絡生存期等問題。

(2)層次式路由協議：它的基本思想是將傳感器節點分簇，簇內通訊由簇頭節點來完成，簇頭節點進行數據聚集和合成減少傳輸信息量，最后簇頭節點把聚集的數據傳送給終端節點。這種方式能滿足傳感器網絡的可擴展性，有效的維持傳感器節點的能量消耗，從而延長網絡生命周期。

(3)以數據為中心的路由協議：它提出對傳感器網絡中的數據用特定的描述方式命名，數據傳送基于數據查詢并依賴數據命名，所有的數據通信都限制局部范圍內。這種方式的通信不再依賴特定的節點，而是依賴于網絡中的數據，從而減少了網絡中大量傳送的重復冗余數據，降低了不必要的開銷，從而延長網絡生命周期。

(4)基于位置信息的路由協議：它利用節點的位置信息，把查詢或者數據轉發給需要的地域，從而縮減數據的傳送范圍。實際上許多傳感器網絡的路由協議都假設節點的位置信息為已知，所以可以方便的利用節點的位置信息將節點分為不同的域?；谟蜻M行數據傳送能縮減傳送范圍緩和中間節點，從而延長網絡生命周期。

6 總結

近年來隨著微電子技術、傳感器技術及通信技術的發展，無線傳感器網絡技術發展迅猛，進展很快，而且在軍事與民用方面的一些具體應用(如軍事偵察、環境監測等)也取得了成功，使得無線傳感器網絡的應用前景一片光明。本文對無線傳感器網絡的基本概念、特點、體系結構、性能評價標準進行了研究和分析，在此基礎上，研究了無線傳感器網絡的路由協議的特點及設計因素，為設計和建造無線傳感器網絡提供了必要的技術參考可實施依據。

參考文獻：

[1] I.Akyildiz,W.Su,Y.Sankara subramaniam,E.Cayirci.Wirelesssensornetworks:a survey[j].Computer Networks (Elsevier),2002,38(4):393-422.

[2] 孫利民,李建中,陳渝等.無線傳感器網絡(第1版)[M].北京:清華大學出版社,2005,3-132.

[3] Sameer Tilak,Nael B.Abu-Ghazaleh and WendiHeinzelman.Ataxonomy of Wireless Micro-SensorNetwork Models[j].ACM Mobile Computing and Communications Review(MC2R),2002,6(2):1-8.

[4] IN AI-Karaki,AE Kamal.Routing techniques in wireless sensor Wireless Comm[j].2004(11):6-28.

[5] Kemal Akkaya et al.ASurveyonRoutingProtocols for Wireless SensorNetworks[j].In The Elsevier Ad HocNetworkJournal,2003(8).

收稿日期：2008-04-10

作者簡介：肖軍（1976-），陜西洛南，工程師，計算機與軟件開發；李科（1983-）湖北天門，助理工程師，計算機與軟件開發；王建華（1964-）江西定南，高級工程師，機電工程。