朱祥賢 孫岐峰 楊 永

[摘 要]無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)是通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網(wǎng)絡。它綜合了微傳感器、微機電系統(tǒng)(MEMS)、嵌入式、網(wǎng)絡通信和分布式信息處理等技術,是集信息采集、信息傳輸、信息處理于一體的智能化信息系統(tǒng)。本文主要介紹了無線傳感器網(wǎng)絡的體系結構、傳感器節(jié)點的組成、協(xié)議棧和關鍵技術。

[關鍵詞]無線傳感器網(wǎng)絡 體系結構 協(xié)議棧 關鍵技術

[中圖分類號]TQ114[文獻標識碼]A[文章編號]1007-9416(2009)11-0042-03

The Architecture and Key Techniques of Wireless Sensor Network

Zhu Xiangxian, Sun Qifeng, Yang Yong

Huaian College of Information Technology, Huaian , 223003,China

[Abstract]Wireless sensor network is a self-organized network by the wireless communication way. It is a intellectualized information system with information collecting, processing and transmitting, which integrated the technologies of micro-sensor, micro-electron mechanical system, embedded chip, network communication and distributed information processing. This paper introduces the architecture, sensor node, protocol stack of wireless sensor network, describes its key techniques.

[Keywords]Wireless Sensor Network,Architecture,Protocol Stack,Key Techniques

無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Network, WSN)是當前在國際上倍受關注的、涉及多學科高度交叉、知識高度集成的前沿熱點領域。它以網(wǎng)絡為支撐,綜合了微智能傳感器技術、微機電系統(tǒng)、嵌入式計算技術、無線通信技術、分布式低功耗信息處理等技術,由部署在檢測區(qū)域內大量廉價的微型傳感器節(jié)點,通過無線通信的方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡系統(tǒng),執(zhí)行一種全新的信息獲取和處理模式,可以完成數(shù)據(jù)的采集、存儲、處理以及進行無線通信,協(xié)作地將感知對象的信息發(fā)送給用戶。

無線傳感網(wǎng)絡是信息技術的新領域,美國商業(yè)周刊和MIT技術評論在預測未來技術發(fā)展的報告中,分別將無線傳感器網(wǎng)絡列為二十一世紀最有影響的二十一項技術和改變世界的十大技術之一,其廣泛應用是一種必然趨勢,它必將會給人類社會帶來極大的變革。

1 無線傳感器網(wǎng)絡的體系結構

微傳感器技術、微電子技術和無線通信技術的進步,推動了低功耗多功能無線傳感器網(wǎng)絡的快速發(fā)展,使其在微小體積內能夠集成信息獲取、數(shù)據(jù)處理和無線通信等多種功能。

1.1 無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)架構

無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)架構如圖1所示,無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點(sensor node)、匯聚節(jié)點(sink node)和管理節(jié)點。大量傳感器節(jié)點隨機部署在監(jiān)測區(qū)域(sensor field),以無線自組織的方式構成網(wǎng)絡。傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)通過其它傳感器節(jié)點逐跳地在網(wǎng)絡中傳輸,經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點,最后通過互聯(lián)網(wǎng)或者衛(wèi)星到達數(shù)據(jù)處理中心管理節(jié)點。用戶通過管理節(jié)點沿著相反的方向對傳感器網(wǎng)絡進行配置和管理,發(fā)布監(jiān)測任務以及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。

(1)傳感器節(jié)點

無線傳感器網(wǎng)絡是由大量的傳感器節(jié)點組成的網(wǎng)絡系統(tǒng),每個傳感器節(jié)點通常是一個微型的嵌入式系統(tǒng),它具有感知能力、處理能力、存儲能力和通信能力。傳感器節(jié)點一般包括數(shù)據(jù)采集模塊、處理控制模塊、無線通信模塊和能量供應模塊。其中,數(shù)據(jù)采集模塊負責對感知對象的信息進行采集和數(shù)據(jù)轉換;處理控制模塊負責控制整個傳感器節(jié)點的操作,存儲與處理自身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù);無線通信模塊負責與其他傳感器節(jié)點通信,交互控制信息和收發(fā)數(shù)據(jù)業(yè)務;能量供應模塊為傳感器節(jié)點提供運行所需的能量,一般采用電池供電,一旦電源耗盡,節(jié)點就失去了工作能力。見圖2。

(2)匯聚節(jié)點

匯聚節(jié)點處理能力、存儲能力和通信能力相對較強,它連接傳感器網(wǎng)絡和Internet等外部網(wǎng)絡,實現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議的轉換,同時發(fā)布管理節(jié)點的監(jiān)測任務,并把收集的數(shù)據(jù)轉發(fā)到外部網(wǎng)絡上。匯聚節(jié)點既可以是一個具有增強功能的傳感器節(jié)點,有足夠的能量供給和更多的內存與計算資源,也可以是沒有監(jiān)測功能僅帶有無線通信接口的特殊網(wǎng)關設備.

(3)管理節(jié)點

即用戶節(jié)點,用戶通過管理節(jié)點對傳感器網(wǎng)絡進行配置和管理,發(fā)布監(jiān)測任務以及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。

拋撒在監(jiān)測區(qū)域的傳感器節(jié)點以自組織方式構成網(wǎng)絡,采集數(shù)據(jù)之后以多跳中繼方式將數(shù)據(jù)傳回sink節(jié)點,由sink節(jié)點將收集到的數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)或移動通信網(wǎng)絡傳送到遠程監(jiān)控中心進行處理。在這個過程中,傳感器節(jié)點既充當感知節(jié)點,又充當轉發(fā)數(shù)據(jù)的路由器。目前傳感器節(jié)點的軟硬件技術是無線傳感器網(wǎng)絡研究的重點。

1.2 無線傳感器網(wǎng)絡的協(xié)議棧

無線傳感器網(wǎng)絡的協(xié)議棧包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層,還包括能量管理、移動管理和任務管理等平臺。這些管理平臺使得傳感器節(jié)點能夠按照能源高效的方式協(xié)同工作,在節(jié)點移動的傳感器網(wǎng)絡中轉發(fā)數(shù)據(jù),并支持多任務和資源共享。

圖3所示為協(xié)議棧模型,定位和時間子層在協(xié)議棧中的位置比較特殊,它們既要依賴于數(shù)據(jù)傳輸通道進行協(xié)作定位和時間同步協(xié)商,同時又要為各層網(wǎng)絡協(xié)議提供信息支持,如基于時分復用的MAC協(xié)議、基于地理位置的路由協(xié)議等都需要定位和同步信息。

物理層:負責數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕橘|規(guī)范,規(guī)定了工作頻段、工作溫度、數(shù)據(jù)調制、信道編碼、定時、同步等到標準。無線傳感器網(wǎng)絡的傳輸介質可以是無線、紅外和激光,實現(xiàn)為數(shù)據(jù)終端設備提供傳送數(shù)據(jù)的通路和完成數(shù)據(jù)傳輸。為了確保能量的有效利用,保持網(wǎng)絡生存時間的平滑性能,物理層與介質訪問控制(MAC)子層就密切關聯(lián)使用。物理層的設計直接影響到電路的復雜度和傳輸能耗等問題,研究目標是設計低成本、低功耗和小體積的傳感器節(jié)點。

數(shù)據(jù)鏈路層:負責數(shù)據(jù)流的多路復用、數(shù)據(jù)幀檢測、媒體介入和差錯控制,以保證無線傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點之間的連接。由于網(wǎng)絡無信道的特性,環(huán)境噪聲、節(jié)點移動和多點沖突等現(xiàn)象在所難免,而能量問題又是傳感器網(wǎng)絡的核心問題。因此,該層最主要的是設計一個適合于傳感器網(wǎng)絡的介質訪問控制方法(MAC)。介質訪問控制方法是否合理與高效,直接決定了傳感器節(jié)點間協(xié)調的有效性和對網(wǎng)絡拓撲結構的適應性,合理與高效的介質訪問控制方法能夠有效的減少傳感器節(jié)點收發(fā)控制性數(shù)據(jù)的比率,進而減少能量損耗。

網(wǎng)絡層:負責路由發(fā)現(xiàn)、路由維護和路由選擇,實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合,使得傳感器節(jié)點可以實現(xiàn)有效的相互通信。路由算法執(zhí)行效率的高低,直接決定了傳感器節(jié)點收發(fā)控制性數(shù)據(jù)與有效采集數(shù)據(jù)的比率。路由算法設計時需要特別考慮能耗的問題。根據(jù)路由轉發(fā)的原理不同,傳感器網(wǎng)絡的路由協(xié)議又可以分為平面路由和層次路由兩種。

傳輸控制層:負責數(shù)據(jù)流的傳輸控制,實現(xiàn)將傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)提供給外部網(wǎng)絡,是保證通信服務質量的重要部分。由于傳感器網(wǎng)絡的研究還處于初期階段,還沒有一個專門的傳感器網(wǎng)絡傳輸層協(xié)議。如果傳感器網(wǎng)絡要通過現(xiàn)有的Internet網(wǎng)絡或衛(wèi)星與外界通信,必然需要將傳感器網(wǎng)絡內部以數(shù)據(jù)為基礎的尋址,變換為外界的以IP地址為基礎的尋址,即必需進行數(shù)據(jù)格式的轉換。

應用層:包括一系列基于監(jiān)測任務的應用層軟件。與傳輸層類似,應用層研究也相對較少。應用層的傳感器管理協(xié)議、任務分配和數(shù)據(jù)廣播管理協(xié)議以及傳感器查詢和數(shù)據(jù)傳播管理協(xié)議是傳感器網(wǎng)絡應用層需要解決的三個潛在問題。

傳感器網(wǎng)絡的應用支撐服務包括時間同步和定位,其中時間同步服務為協(xié)同工作的傳感器節(jié)點提供本地時鐘同步;節(jié)點定位服務依靠有限的已知節(jié)點,確定其他節(jié)點的位置,在系統(tǒng)中建立起一定的空間關系。

在各層設計中還要考慮能量、安全等。拓撲管理主要是為了節(jié)約能量,制定節(jié)點的休眠策略,保證網(wǎng)絡暢通;QoS的服務主要是為用戶提供高質量的服務;網(wǎng)絡管理主要是實現(xiàn)在傳感器網(wǎng)絡的環(huán)境下對各種資源的管理,為上層應用服務的提供一個集成的網(wǎng)絡環(huán)境。

2 無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵技術

無線傳感器網(wǎng)絡是一個綜合智能信息系統(tǒng),其構建是一個龐大的系統(tǒng)工程,涉及到的研究工作和需要解決的問題在每一個層面上都很多:

2.1 網(wǎng)絡通信協(xié)議

由于傳感器節(jié)點的計算能力、存儲能力、通信能量以及攜帶的能量都十分有限,每個節(jié)點只能獲取局部網(wǎng)絡的拓撲信息,因而節(jié)點上所運行的網(wǎng)絡通信協(xié)議也不能太復雜。同時,傳感器網(wǎng)絡拓撲結構與周邊環(huán)境動態(tài)變化,網(wǎng)絡資源也在不斷變化,這些都對網(wǎng)絡協(xié)議提出了更高的要求。傳感器網(wǎng)絡的通信協(xié)議包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層和傳輸層,它們相互配合運行使得若干獨立的傳感器節(jié)點能夠形成一個多跳的動態(tài)的數(shù)據(jù)采集與處理網(wǎng)絡。傳感器網(wǎng)絡的MAC協(xié)議首先要考慮節(jié)省能源和擴展性,其次才考慮公平性、利用率和實時性等。路由協(xié)議不僅關心單個節(jié)點的能量消耗,更關心整個網(wǎng)絡能量的均衡消耗,這樣才能延長整個網(wǎng)絡的生存期。

2.2 核心支撐技術

無線傳感器網(wǎng)絡的核心支撐技術包括拓撲控制、節(jié)點定位、時間同步、網(wǎng)內信息處理、網(wǎng)絡安全等。無線傳感器網(wǎng)絡的核心支撐技術使用網(wǎng)絡通信協(xié)議提供的服務,并通過應用服務接口來屏蔽底層網(wǎng)絡的細節(jié),使終端用戶可以方便地對無線傳感器網(wǎng)絡進行操作。

通過拓撲控制自動生成的良好的網(wǎng)絡拓撲結構,能夠提高路由協(xié)議和MAC協(xié)議的效率,可為數(shù)據(jù)融合、時間同步和目標定位等很多方面奠定基礎,有利于節(jié)省節(jié)點的能量來延長網(wǎng)絡的生存期;確定事件發(fā)生的位置或采集數(shù)據(jù)的節(jié)點位置是傳感器網(wǎng)絡最基本的功能之一。為了提供有效的位置信息,隨機部署的傳感器節(jié)點必須能夠在布置后確定自身位置,定位機制必須滿足自組織性、健壯性、能量高效、分布式計算等要求;時間同步是需要協(xié)同工作的傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的一個關鍵機制。如測量移動車輛速度需要計算不同傳感器檢測事件時間差,通過波束陣列確定聲源位置節(jié)點間時間同步;網(wǎng)絡安全包括通信安全和信息安全,常采用密鑰管理、安全路由、安全組播、數(shù)據(jù)融合和入侵檢測等策略防范和抵御攻擊。

2.3 自組織管理

多變的網(wǎng)絡狀況及外在環(huán)境要求無線傳感器網(wǎng)絡具有自組織能力,能夠自動組網(wǎng)運行、自動配置維護、適時轉發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)等,包括節(jié)點管理、數(shù)據(jù)管理、任務管理和系統(tǒng)維護等。

節(jié)點管理內容包括:節(jié)點休眠/喚醒機制中保證網(wǎng)絡覆蓋度的各種算法、節(jié)點自身的計算和傳感資源的動態(tài)管理、功率管理中的網(wǎng)絡連通性控制算法等,要力求降低算法復雜度,降低信息收集過程的協(xié)議開銷;數(shù)據(jù)管理包括:數(shù)據(jù)模式、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)索引、數(shù)據(jù)查詢等;任務管理則包括:任務分配、任務調度、負載均衡等。

2.4 開發(fā)與應用

無線傳感器網(wǎng)絡的開發(fā)與應用包括仿真平臺、硬件系統(tǒng)開發(fā)、操作系統(tǒng)開發(fā)、應用軟件開發(fā)等。

3 結語

無線傳感器網(wǎng)絡是一種新的信息獲取和處理技術,隨著傳感器技術、無線通信技術、嵌入式計算技術的飛速發(fā)展和完善,具有感知能力、計算能力和通信能力的微型傳感器節(jié)點不斷更新,很多公司和研究機構相應推出了很多無線傳感器網(wǎng)絡的軟件,無線傳感器網(wǎng)絡將會在軍事戰(zhàn)場監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)生產(chǎn)、企業(yè)管理、交通、醫(yī)療保健等領域得到十分廣泛的應用。

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