无线传感器网络技术论文：无线传感器网络技术发展现状及趋势

无线传感器网络技术论文：无线传感器网络技术发展现状及趋势摘要：无线传感器网络是多学科融合的结果，其应用领域广泛，应用前景无限，受到政府、学术界和工业界越来越广泛的重视。介绍了无线传感器网络的基本概念及其应用结构和体系结构，总结了无线传感器网络的特点，简要介绍当前无线传感器网络技术研究热点的最新进展，并对无线传感器网络及其技术的发展趋势进行了论述。关键字：无线传感器网络网络体系结构网络协议中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1007-9416（2011）05-0139-02无线传感器网络是传感器技术、通信技术和计算机技术发展的产物，它将信息采集、传输和处理集于一体，实现了传感器、通信和计算机等技术的融合[1]。无线传感器网络正逐渐成为现代信息技术中的一个热门的研究领域，受到广泛关注。美国的“BusinessWeek”曾在1999年预测无线传感器网络将成为2l世纪最有影响力的2l项技术之一[2]。1、无线传感器网络的概念及其演化历程无线传感器网络(WSN)是由部署在检测区域内大量的传感器节点通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统，目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者作进一步处理和应用，实现了物理世界、计算世界以及类社会三元世界的连通。一个WSN主要包括传感器节点、无线传感器网络、远程通信网、管理中心、用户等元素。WSN经历了智能传感器、无线智能传感器、无线传感器网络3个阶段。[3]2、无线传感器网络技术研究现状无线传感器网络技术是多学科交叉的研究领域，因而包含众多研究方向，目前的研究主要集中在如下几方面：2.1MAC协议的研究MAC协议解决无线传感器网络中的通信冲突问题，控制无线通信模块的运行，MAC层的运行效率直接反应整个网络的能量效率，MAC协议成为WSN最为活跃的研究热点。MAC协议一般采用“侦听/休眠”交替的信道侦听机制，以减少空闲侦听，节约能耗。根据协议中为减少数据碰撞和串音现象而采用的不同方法，可以将MAC协议分为三类：(1)利用时分复用(TDMA)的方式为各节点分配独立固定的信道；(2)通过频分复用(FDMA)或者码分复用(CDMA)的方式，实现无冲突的强制信道分配；(3)通过竞争机制，保证节点随机使用信道并且不受其他节点的干扰。[4]在MAC协议研究中，Ye.W等提出了WSN最经典的基于睡眠的MAC协议——S-MAC[5]。AhnG-S等研究了在最后两跳内采用时分复用方式缓解由最后两跳冲突引入的“漏斗”效应[6]。RajendranV等研究了WSN中无竞争访问的高能效方法[7]。ZhaiH和KimY等则研究了基于多射频、多信道的MAC协议[8、9]。ZhuH等研究了适应链路特性的多链路MAC控制机制[10]。美国电气电子工程师学会(IEEE)制定了主要用于传感器网络中的EEE802．15．4标准，它定义了协议栈中的MAC层和物理层，为廉价设备提供了一种极低复杂度、成本和功耗、低数据率的无线互联标准[11]。2.2路由协议的研究路由协议负责将数据分组,从源节点通过网络转发到目的节点。它主要包括对数据进行编码、寻找源节点和目的节点间的优化路径、将数据分组沿着优化路径正确转发等功能。近几年，对传感器网络的路由协议和设计方法的研究不断深入，GandhamS等利用图论中流量优化的方法为采样数据报选择路由[12]；RuginR等将MAC层和路由层协议捆绑，用跨层优化技术来进一步节省路由功耗[13]；WangX等设计的路由能对随机部署的传感器网络进行自适应调整网络拓扑，并让冗余节点经常处于睡眠状态[14]；戴世瑾，李乐民提出一种能够根据节点状态自主竞争簇首的分布式高效节能的无线传感器网络数据收集和路由协议HEEDC[15]；李凌晶等提出能量有效的可信路由协议(EERRP)，它采用一种能量均衡策略，使网络中的能量均衡消耗，将网络生命周期最大化。同时，EERRP引入了信誉评价机制，通过节点在数据传输过程中对其它节点行为的监测以及信誉传播，使数据在通信过程中能够尽可能地避开问题节点到达目的节点，达到可信数据传输的目的[16]。2.3定位技术只有结合位置信息，传感器获取的数据才有实际意义。传感器节点必须明确自身位置才能详细说明“在什么位置或区域发生了特定事件”,实现对外部目标的定位和追踪。了解传感器节点位置信息可以提高路由效率，可以使WSN系统智能地选择一些特定的节点来完成任务，从而大大降低整个系统的能耗，提高系统的存活时间。目前主要的定位算法主要有：SPA（selfpositioningalgorithm）相对定位算法、凸规划定位算法、DV-Hop定位算法、DV-distance定位算法、Euclidean定位算法、DV-coordinate定位算法、DV-Bearing和DV-Radial定位算法等。2.4拓扑结构与拓扑控制无线传感器网络的拓扑结构是指它采用什么样的网络结构来组织节点。根据是否有基础设施支持、是否有移动终端参与、汇报频度与延迟等应用需求，主要有以下几种拓扑结构：(1)扁平结构。该结构中的所有节点的角色相同，通过相互协作完成数据的交流和汇聚。最经典的定向扩散路由(DirectDiffusion)研究的就是这种网络结构。(2)基于分簇的层次型结构。节点分为普通传感节点和用于数据汇聚的簇头节点，传感节点将数据先发送到簇头节点，然后南簇头节点汇聚到后台。簇头节点需要完成更多的工作、消耗更多的能量。(3)网状网(Mesh)结构。在传感器节点形成的网络上增加一层同定无线网络，来收集传感节点数据，另一方面实现节点之间的信息通信，以及网内融合处理。AkyildizLF等总结了无线Mesh网络的应用模式。(4)移动汇聚结构。在这种结构中，使用移动终端收集目标区域的传感数据，并转发到后端服务器。移动汇聚可以提高网络的容量，但数据的传递延迟与移动汇聚节点的轨迹相关。如何控制移动终端轨迹和速率是该模式研究的重要目标。Kim等提出的SEAD分发协议就是针对这种组网模式。Kim.H和Bi.Y等研究了该种结构。(5)机会通信模式。该结构中的传感节点全部为移动节点，它们通过与固定的Mesh网络进行数据通信(移动产生的通信机会)。组网模式决定了网络的总体拓扑结构，但为了实现WSN网络的低能耗运行，还需要对节点连接关系的时变规律进行细粒度控制，以实现网络的连通(实时连通或者机会连通)的同时保证信息的能量高效、可靠的传输。KumarS等研究了在睡眠唤醒进行能耗控制的网络中实现k连通的条件[17]。ChenA等研究了栅栏(边界)防护应用中的拓扑覆盖问题[18]。LiX则通过图理论研究无线网络的拓扑控制算法[19]。WangX、YeF、SchurgersC和LuG等学者研究了如何利用连通的骨干网络减少网络活动开销，延长网络生命周期问题[20]。2.5能量管理节能是无线传感器网络能量管理的重点，它几乎贯穿无线传感器网络发展的各个方面。目前，主要从传感器节点的结构设计和节点休眠与工作管理、MAC协议和路由协议设计、数据处理、节点定位、时间同步都等方面统筹处理无线传感器网络节能问题。如文献[15]、[16]设计了带有能量控制的路由算法和数据收集算法，以节省资源，从而延长网络寿命。无线传感器网络技术及其支撑技术很多，研究热点也很多，如网络安全问题、时间同步问题、数据管理和信息融合等，许多研究者已对此做了相关研究。3、无线传感器网络技术的发展趋势多年来经过不同领域研究人员的演绎，WSN技术在军事领域、精细农业、安全监控、环保监测、建筑领域、医疗监护、工业监控、智能交通、物流管理、自由空间探索、智能家居等领域的应用得到了充分的肯定和展示。无线传感器网络的深入应用，以下方面将是无线传感器网络领域的研究热点。(1)仿真平台：目前存在的许多WNS仿真平台，都具有某些使用的局限性。因此标准仿真技术与工具的研究是WNS领域中的研究热点之一。(2)传感器节点的研发：在不同应用领域，传感器节点类型不同。研发新型、成本低、功耗低的传感器节点是无线传感器网络技术发展中的一项重要事宜。(3)节点定位算法及其评价模型：目前已有许多定位算法，进一步的定位算法研究主要针对如何利用少数信标节点提供的位置信息和其它节点的通信之间的约束进行低成本、高精度地估算未知节点，尤其是移动节点的位置。(4)跨层设计：跨层设计的目标能够实现逻辑上不相邻的协议层之间的设计互动与性能平衡，使无线传感器网络的能量管理、低功耗设计等达到更优。(5)网络融合研究：具有数据采集、预处理和传输功能的无线传感器网络只有与现有互联网、移动通信网等的融合,才能够使其得以借助这两种传统网络传递信息，才能利用传感信息实现应用的创新。(6)无线传感器网络在成熟产业中的应用研究：努力与现有系统进行无缝连接是无线传感器网络技术持续发展的重要基石，是无线传感器网络进一步产业化、市场化的关键。4、结语无线传感器网络及其技术方兴未艾，要想让其更好为社会和人们的生活服务，不仅需要研究人员开展广泛的应用系统研究，更需要政府的引导、企业的积极参与。无线传感器网络及其技术从机制研究、系统研发，到应用示范试点，正在逐渐走向成熟。为了让无线传感器网络更快地进入应用产业，在努力突破WSN关键技术的同时，还要更多地将目标转向改善成熟产业中对自动化监测、检验和管理等的应用需求，努力做到与这些系统的无缝连接。