无线传感器网络技术发展综述

于硕

摘 要：无线传感器网络技术融合了多种技术手段，兼具低功耗、低成本、多功能的优点，已经成为当代热门前沿技术。该文主要介绍了无线传感器网络技术的研究现状与关键技术，并对目前无线传感器网络改进算法进行了综述，主要涉及路由协议、MAC协议以及物理层3个方面。同时剖析了无线传感器网络的研究动态，其后在新时代的发展背景下为无线传感器网络描绘了美好的愿景。

关键词：无线传感器网络 路由协议 MAC协议 物理层

中图分类号：TP212.9 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）02（b）-0047-02

无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是一个自组织的多跳的网络结构，其网状的内部结构是以大量传感器作为节点[1]。无线传感器网络的组成节点可以实时获取，传递节点所在区域内的有效信息，并通过传输协议将信息传输给接收端[2]。WSN具有分布式、自组织性、灵活性强、可扩展等优点[3]。然而，因为无线传感器网络具有节点能量有限和结构简单的不足，导致了其容易因发生故障或能量耗尽而无法继续工作，降低了WSN的工作寿命，影响了WSN的稳定性。WSN特点是节点能量有限，网络中存在大量数据冗余，带宽资源有限。

WSN目前还没有广泛的应用于商业，目前大多集中在科学研究和实验中。例如目标跟踪、火山监测、医疗健康等。仅仅这几点就能透露出WSN的无限潜能，也预示了良好的商业应用前景。

1 最新优化技术

以下是最新发表的关于节点能量有限的优化技术，分别从路由协议、MAC协议以及物理层3个方面入手，对已有的算法进行优化，实现WSN有效工作时间的增加。

1.1 基于LEACH的改进算法

低能耗自适应递阶分簇算法（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy，LEACH），基本原理是改变簇头的轮流筛选机制，使每个传感器节点都平均地参与信息传递，从而达到低功耗，增加网络工作时间的目的。LEACH路由算法易理解，效果明显，许多基于路由协议的改进算法继承了LEACH算法的基本思想和流程。

许广键[4]以节点残余能量为主要参考依据对其进行改进，提出了应用策略选取区域最优簇头数的方法，以解决原算法的簇头选择失衡导致的低效传递，并加入到最近的周围簇中，从而避免了节点能量不充足难以传递消息的情况。

张志艳[5]基于最短有效转发距离提出了多跳分簇无线传感器网络路由算法（Restriction Distance based Multi-hop Clustering，RDMC）。其主要思想是：（1）改善簇头选举机制，簇首优先选择剩余能量多，邻居节点密度大的节点成为簇头节点；（2）进行数据转发时，簇头节点按照最节省能量的最优跳数，均衡网络消耗；（3）同时缩短了有效转发距离，使节点的电路开销降到最低。

1.2 基于功率控制的无线传感器网络MAC协议

无线传感器网络MAC层需要解决的主要问题就是如何去共享无线信道[6]。实验结果表明，WSN节点的能量消耗集中在无线通信部分，而MAC协议直接控制数据的收发。合理地改进MAC协议，进而控制节点的通信距离能够有效降低无线传感器网络的功耗。通过一定的有效设计来提高网络生命时长，因此要求降低能耗，提高系统吞吐率。

自适应功率控制的MAC协议[7]（Adaptive Power Control MAC，APC-MAC）在此基础上被提出。该协议主要围绕着计算最优发射功率，建立功率调度表和筛选干扰节点。首先获取全局节点的调度表，按照此進行分配，提高了信道利用率；使判断为干扰的节点进入休眠，从而加速网络的传递消息的有效性和准确率。

1.3 基于物理层和硬件的收发器能耗优化

节点是无线传感器网络能耗的主要问题，所以大部分的优化方案从路由协议入手，但是很少从物理层和硬件方面考虑。姚信威等[8]联系物理层和节点硬件电路来降低数据传输能耗。其方案重点在于通信模块。建立收发器能量消耗模型，在发送器端，能量消耗在发送数据和发送电路。

通过对电路的分析和使用模拟软件得到以下结论：最佳通信距离随干扰噪声呈单调递减特性，而单位距离能耗递增。从底层能耗出发，进一步降低物理层和节点硬件能耗能从整体上提升WSN的续航时间。提出了重传机制下单位比特数据成功传输能耗最小化通用优化模型，通过能耗值在多种情况下的变化，计算出多种网络环境下的最优通信间隔。

2 发展趋势

总体上，未来无线传感器网络的研究可能主要集中于以下几点。

（1）能耗问题，是WSN走向实际应用的主要受制约项。因为节点的能量是有限的，代表着可工作时间，因此功耗问题是非常重要的。这一方向已经成为了无线传感器网络研究的主攻课题。目前许多以低功耗为目标的无线传感器网络协议已经被提出，用来应对节点能量困难，相信未来将会取得更大的进步。

（2）微型节点，利用现在的微电子通信技术，将传感器节点设计成体积十分小，而且寿命长是一个重要的方向。

（3）低成本，随着科技不断进步，尽管微型传感器的单价已经降低许多，但完整的WSN可能需要百万个节点，这仍旧是很大一笔开支。如果能够有效地降低节点的支出金额，将会大大推动WSN的发展。

（4）安全性问题和抗干扰问题，WSN也与普通无线网络一样存在这样的问题，如数据加密。还有如何在毁损或受干扰的情况下准确地完成执行的目标，也是一个重要的研究方向。

（5）自动配置节点，未来将重点放在如何在多节点根据一定的规则形成的网络。当有节点发生错误时，网络上可以很快的找到这些节点，并不会影响网络的正常使用。

3 结语

毋庸置疑，无线传感器网络将是当今时代最具应用价值的前沿技术。无线传感器网络的实际应用将会为人类带来无限便捷。目前，WSN只有少部分投入使用，离大规模地服务于人类还有一定距离。许多协议还停留在理论上，仅仅通过仿真软件模拟等，科研人员正在抓紧脚步争取新的突破。不过终将有一天，无线传感器网络会走入千家万户，医疗、出行、购物，无一不体现科技带来的方便快捷，军事、工业、环境也将进入全新的世界。

参考文献

[1] 王塞博，刘素凯，毛先柏.无线传感器网络综述[J].信息通信，2014（8）：61-62.

[2] 徐晶晶，张欣慧，许必宵，等.无线传感器网络分簇算法综述[J].计算机科学，2017（2）：31-36.

[3] 覃智.关于无线传感器网络WSN的关键技术的探究[J].科技资讯，2017（12）：4-5.

[4] 许广健.无线传感器网络路由算法的研究与实现[D].南京邮电大学，2011.

[5] 张志艳.无线传感器网络LEACH路由算法研究与改进[D].西南交通大学，2014.

[6] 吴文平.无线传感器网络WSN的MAC协议的分析与研究[J].阴山学刊，2017（4）：71-73.

[7] WooS，Kim K.APC-MAC/TA： Adaptive power controlled MAC protocol with traffic awareness for wireless sensor networks[A].IEICE Transactions on Communications[C].2010：91-96.

[8] 姚信威，王万良，吴腾超，等.不同调制机制下无线传感网收发器能耗优化模型[J].传感技术学报，2013（8）：1140-1146.