无线传感器网络关键问题研究

刘皖苏，董全德，徐 旭

（宿州学院 信息工程学院，安徽 宿州 234000）

无线传感器网络关键问题研究

刘皖苏，董全德，徐 旭

（宿州学院 信息工程学院，安徽 宿州 234000）

物联网(Internet of Things,IoT)作为一种能够实现物与物之间广泛和普遍互联的新型网络，正在受到世界各国越来越多的关注和重视.无线传感器网络(W ireless Sensor Networks,WSNs)是物联网最重要的基础支撑技术之一，是一种新型的网络技术，也得到了广泛的研究.然而，无线传感器网络在传感器、节能、可靠性以及安全方面仍然受到很多限制，许多技术和问题还有待进一步探索和研究.本文分析了无线传感器网络的一些关键问题，介绍了无线传感器网络的应用领域，指出了无线传感器网络的发展趋势.

无线传感器网络；物联网；数据融合

物联网这个术语首先由Kevin Ashton在1999年提出的.进入21世纪以来，随着信息技术、网络通信技术以及传感技术等技术的发展,作为物联网重要基础技术的无线传感器网络由于拥有广阔的应用前景，得到了国内外广泛的关注和研究.无线传感器网络涉及到网络通信、微电子以及嵌入式计算等技术，是当前国际上备受关注的、多学科交叉的前沿热点领域.目前，国内外很多企业和科研院所对进行了广泛的研究，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4项技术之一!（高效计算、传感器网络、塑料电子学和仿生人体器官），他们认为这一技术将对未来社会进步和人类的生活产生巨大的影响.国内的很多高校开设了物联网和网络工程等专业，这使的无线传感器网络技术走向教学和实践环节.

无线传感器网络是由部署在监测区域内大量传感器节点相互通信形成的多跳自组织网络系统，是构成物联网的重要技术形式[1]，一个典型的无线传感器网络体系结构可以用图1来表示，从图1可以看到无线传感器网络主要由簇头节点（Sensor node）、汇聚节点（Sink node）、有线/无线网络和监控终端组成.随着无线通信网络、传感器技术和微电子等技术的日趋成熟，WSNs可以在任何时间、任何地点、任何环境条件下获取人们所需信息，为物联网的发展奠定基础.通过无线传感器网络人类可以直接感知客观世界，可以极大的提高人类认识和改造世界的能力.因此,无线传感器网络在军用领域和民用领域都有着广泛的应用.在军事领域，无线传感器网络可以用于战场监视、战场侦查、目标定位、目标识别等方面；在民用领域，无线传感器网络可以用于工业控制、医疗健康、公共安全等方面[2].

1 无线传感器网络的路由协议（Routing Protocol）

无线传感器网络是由大量传感节点组成的一种分布式自组织网络.与传统无线网络相比，无线传感器网络具有节点能量有限、多对一传输和高数据冗余等不同特征，这些特征使得传统的无线网络路由协议不能直接用于无线传感网络.

1.1 路由协议的分类

路由协议的作用是寻找一条或多条满足一定条件的，从源节点到目的节点的路径，然后把分组从源节点发送到目的节点.因此，路由协议的作用主要有两个：一是寻找从源节点到目的节点的最有路径；另一个作用是转发分组.与传统无线网络相比，无线传感器网络具有节点能量受限、以数据为中心、高数据冗余等特征，这些特征使得传统的无线网络路由协议不能直接用在无线传感器网络.无线传感器网络路由协议的设计，不但要考虑服务质量和网络的传输性能，还要考虑降低网络的能量消耗，提高网络的能量利用率.

图1 一个典型的无线传感器网络体系结构

根据路由协议的本身特点和应用等，可以把路由协议分为如下几个类型[3]：

（1）以数据为中心的路由协议

（2）基于层次结构（树结构）的路由协议

（3）基于地理信息路由协议

（4）基于多路径的路由协议：Flooding和Gossiping两个路由协议是传统网络中最为经典和简单的路由协议，它们都是基于洪泛机制的路由协议，也可以应用到无线传感器网络中.

1.2 路由协议设计的关键问题

无线传感器网络的路由协议设计面临着一些关键性的问题和技术挑战，可以归纳为以下几个方面[4].

1.2.1 能量损耗均衡问题

由于传感器网络节点的能量受限，所以在路由选择中如何有效地均衡网络负载和能量消耗，延长网络的生存时间，是无线传感器网络路由协议设计必须考虑的问题.

1.2.2 协议的复杂度问题

在无线传感器网络的路由协议设计中，提高网络的能量效率和传输性能往往通过需要增加协议的复杂度来实现.但是，由于传感节点在能量、处理、存储和通信等方面的限制，无线网络的协议不能设计的过于复杂.否则将增加协议的开销，造成不必要的能量浪费.

1.2.3 动态环境下的协议性能问题

无线传感网络的一个具有挑战性的问题是路由协议如何自适应拓扑结构的动态变化，快速的确定和建立备用路由，保证网络正常的工作和传输性能.

2 无线传感器网络的传输协议（Transport Protocol）

许多无线传感器网络的应用要求传感器网络具有可靠的端到端的数据传输功能.传统IP网络主要使用OSI参考模型中的UDP和TCP协议控制数据传输.UDP协议是面向无连接的传输协议,不提供对数据包的流量控制及错误恢复;TCP协议则提供了可靠的传输保证,如利用滑动窗口机制进行拥塞控制[7].但由于传感节点在能量、计算、存储等方面的限制，传统的TCP协议不能直接用于WSN[5][6].

2.1 无线传感器网络传输协议的特点

跟传统的网络相比，无线传感网络协议的设计必须考虑无线传感器网络自身的特点，具体表现为以下几个方面的特点.

2.1.1 节能优先

由于传感节点的能量是由电池供应的，而电池一般不可替代，如果能量耗尽那么节点就会死亡，甚至会造成网络无法正常工作.为了使网络具有更好长的生存时间，无线传感器网络协议设计必须考虑减少能量消耗问题.

2.1.2 多对一传输模式

传统的通信网络一般采用端到端的通信方式，无线传感网络则是面向信息感知的多对一传输模式，这样做的目的是把传感节点感知到到的数据传到汇聚节点.

2.1.3 以数据为中心

无线传感器网络是任务驱动的网络，相比某个具体节点所产生的数据，用户通常只关心与任务相关的数据.因此，传输协议可以不针对某个具体的节点数据的传输，而只需保证可靠地完成整个任务相关的数据的传输.

2.2 无线传感器网络传输协议的分类

无线传感器网络传输协议的分类有多种方法，一般来说根据功能可以分为拥塞控制协议和可靠传输协议[8]. 2.2.1拥塞控制协议

该协议主要用来防止网络拥塞的产生，或者是当网络中发生拥塞的时候消除拥塞或者缓解拥塞.

2.2.2 可靠传输协议

该协议用来保证传感节点感知的数据能够有序、无丢失和无差错的传输到汇聚节点，向用户提供可靠的数据传输服务.

3 无线传感器网络的数据融合技术 （Data Aggregation Technology）

无线传感器网络由大量传感节点组成，这些节点感知检测的环境并把信息发给Sink节点.为了完成所需要的任务，传感节点要采集大量的数据，通常来说要部署的传感节点密度比较大，所以很多相邻的节点所采集到的数据具有某些相关性甚至是相同的，这容易造成网络中存在大量的信息冗余，从而增加通信的能量消耗，降低了网络的通信率，从而导致网络寿命的降低.因此，无线传感器网络需要采用数据融合技术来降低网络的数据冗余，提高网络的通信效率，延长网络的寿命.数据融合可以看作是把许多来自传感节点的数据融合成有意义的信息的集合[15].在传统的网络里，数据融合技术得到了广泛的研究[11-14].目前，无线传感器网络所采用的数据融合处理方法有以下几种[9].

3.1 综合平均法

综合平均法把来自多个传感节点的数据进行综合平均，也就是把一组传感节点提供的数据进行加权平均，把得到的结果作为融合值.

3.2 贝叶斯估计法

贝叶斯估计法是根据概率原则对多个传感节点观测的数据进行融合，观测到的数据的不确定性用条件概率表示.该方法适用于静态环境中多传感节点的数据的融合.

3.3 神经网络法

神经网络法是模拟人类大脑行为的一种信息处理技术.它采用神经单元来处理采集到的信息.该方法的自适应能力和学习能力较强，它的较强的非线性处理能力能够很好的满足多传感节点数据融合技术的要求.

3.4 统计决策法

统计决策法是一种基于统计决策理论的方法，其观测的不确定性为可加噪声，使得不确定性的使用范围更广.

4 无线传感器网络的应用领域

作为一种新型的智能信息技术，无线传感器网络可以用在环境检测、国防军事、健康医疗、智能家居、以及工业控制等领域[3][4][10].

4.1 无线传感网网络在环境检测中的应用

环境检测是无线传感器网络早期的应用之一.无线传感器网络可以用来检测自然灾害，可以部署在野生动植物栖息地来检测野生动植物的生存状况，也可以部署在地面或水下来检测空气或水的质量.

4.2 无线传感器网络在农业中的应用

传感器网络的出现能够实时提供土壤温湿度、空气变更、酸碱度、二氧化碳浓度，动植物病虫害信息、生长信息，农作物灌溉情况等，这些信息帮助人们及时发现农业生产中的问题，从而采取相应的措施. 4.3无线传感器网络在智能交通中的应用

智能交通应用的传感器可分为侵入式传感器和非侵入式两种方式.图2为一个无线传感器网络在智能交通系统应用实例的网络架构.

图2 无线传感器网络在智能交通系统应用实例

4.4 无线传感器网络在健康医疗方面的应用

在健康医疗方面，无线传感器网络可以用来检测病人的身体状况，跟踪他们的活动，从而达到医疗保健的目的. 4.5无线传感器网络在工业控制中的应用

无线传感器网络可以用在工业控制中来监控生产过程或者机器设备的工作状况，从而达到提高生产效率，降低设备维护成本的目的.

5 无线传感器网络的发展趋势

随着近些年来物联网的兴起，对无线传感网网络的研究和应用不断的深入，无线传感器网络呈现出多种发展趋势.首先是应用多样性，无线传感网网络在环境检测、工业控制、健康医疗、智能家居、公共安全等很多领域具有广泛的应用前景，并且在一些领域也取得了部分应用.其次是可管理性，当前已经出现了一些面向无线传感器网络的管理模型和系统的出现.例如，MANNA[9]采用简单网络管理协议（Simple Network Management Protocol,SNMP）的管理思路，通过建立无线传感器网络信息模型，把网络中需要管理的内容映射到信息模型中，由代理（agent）进行信息的更新和维护.未来无线传感器网络将是一个可以支持多应用、多平台、覆盖范围大小不等的异构网络（Heterogeneous Network）.该异构网络与传统的有线网络和蜂窝无线移动通信相比，在设计上有根本的区别.保罗·萨福曾说:“就如同个人电脑是八十年代的标志，万维网是九十年代的标志一样，下一个巨大的变化，将会是廉价传感器的到来！”

〔1〕Liu Q,Huang X H,and Leng S P.Deployment strategy of w ireless sensor networks for Internet of Things [J].China Communications,2011,8(8):111-120.

〔2〕C-Y Chong，S P Kumar．Sensor Networks:Evaluation, Opportunities,and Challenges[J]．Proceedings of the IEEE，2003，91(8)：1247-1256．

〔3〕Akyildiz I F，Su W,Sankarasubramaniam Y,Cayirci E．W ireless sensor networks:A survey[J]．Computer networks,2002,38(4):393-422．

〔4〕郑军，张宝贤．无线传感器网络技术[M]．北京：高等教育出版社，2012.6.

〔5〕Karl H,W illig A.Protocols and Architectures for W ireless Sensor Networks.England:John W iley & Sons,2005.

〔6〕Li L,Zhou XS,Li SN,Li ZG,Zheng Y.Study and comparison of congestion control algorithms in w ireless sensor network.Application Research of Computers, 2006,23(3):11-13.

〔7〕方维维,钱德沛,刘轶.无线传感器网络传输控制协议[J].软件学报，2008,19(6)：1439-1451.

〔8〕C W ang,B Li,K Sohraby,et al.A Survey of Transport Protocols for W ireless Sensor Networks[J].IEEE Network,2006,20(3):34-40.

〔9〕L B Ruiz,JM Nogueira,A A F Loureiro.MANNA: Management Architecture for W ireless Sensor Networks [J].IEEE Communications Magazine,2003,41(2):116-125.

〔10〕王汝传，孙力娟.无线传感器网络技术及应用[M].人民邮电出版社，2011.4.

〔11〕C.Joo,J.Choi,and N.Shroff, “Delay Performance of Scheduling w ith Data Aggregation in W ireless Sensor Networks”,INFOCOM,March 14-19,2010,pp. 1-9.

〔12〕B.Yu,and J.Li, “M inimum-time aggregation scheduling in multi-sink sensor networks”,SECON, June 27-33,2011,pp.422-430.

〔13〕M.Yan,J.He,S.Ji,and Y.Li, “M inimum Latency Scheduling for Multi-Regional Query in W ireless Sensor Networks”,IPCCC,November 17-19,2011.

〔14〕M.Bagaa,A.Derhab,N.Lasla,A.Ouadjaout,and N. Badache, “Sem istructured and unstructured data aggregation scheduling in w ireless sensor networks”,INFOCOM,O rlando,Florida USA,March 25-30,2012,pp. 2671-2675.

〔15〕W.R.Heinzelman,A.Chandrakasan,H.Balakrishnan,“Energy-efficient communication protocol for w ireless m icrosensor networks”,IEEE Proceedings of the Hawaii International Conference on System Sciences, January2000,pp.1–10.

TP393

A

1673-260X（2014）04-0024-03

2012年宿州学院教授(博士)科研启动基金项目（2012jb01）；省教育厅自然科学一般项目（KJ2012Z400，KJ2013B285）；省级专业综合改革试点项目（2012ZY075）