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【摘要】本文在对其网络特点进行分析的基础上,介绍了无线传感器网络的通信体系、中间件和应用系统三大层次的概念和特点, 并概述了无线传感器网络及其媒介访问控制协议、路由协议、传输层协议等通信体系的热点问题研究现状及展望。
关键词：无线传感器网络；体系结构；通信体系；MAC协议；路由协议；传输层协议
[Abstract] This paper is based on the analysis of network characteristics. The paper introduces the concept and characteristics of communication system, wireless sensor network middleware and application system of three levels, and an overview of wireless sensor networks and media access control protocol, routing protocol, such as transport protocol communication system research and prospect.
Keywords: wireless sensor networks; architecture; communication system; MAC protocol; routing protocol; transport layer protocol
中图分类号：E965文献标识码：A 文章编号：
无线传感器网络是由大量无处不在的、具有无线通信与计算能力的微小传感器节点构成的自组织分布式网络系统, 是能根据环境自主完成指定任务的“智能”系统, 是一项涉及多门前沿学科发展的综合性技术。MEMS 将多种传感器集成为一体, 制造小型化、低成本、多功能的传感器节点; 大量的MEMS 传感器节点只有通过低功耗的无线通信技术联成网络才能够发挥其整体和综合作用; 具有群体智能的自主自治系统的行为实现和控制是自动控制和人工智能领域的前沿研究内容。
1、体系结构
无线传感器网络与移动专用网络( Mobile Adho c Netw ork, MANET ) 相比, 具有节点数量多、分布密集, 通信采用广播方式, 拓扑结构变化频繁, 能量、计算和存储能力有限, 没有统一的标识等特点。这对无线传感器网络在设计上提出了新的要求和挑战, 即资源受限、可扩展性、容错性、自组织、实时性和安全性等。其中, 资源受限, 尤其是能量有限是无线传感器网络的一个重要特征。由于传感器节点多采用电池供电, 而且一旦部署就无人值守, 更换电池成本过大, 在设计无线传感器网络时,必须尽可能采用低功耗的器件、节能的协议算法和管理策略, 以便减少传感器节点的能耗, 延长整个网络的寿命。
组网与通信是通信体系的主要功能, 这一层包括开放系统互联OSI 七层模型中的物理层, 数据链路层, 网络层和传输层。无线传感器网络的计算模型涉及网络的组织、管理和服务框架, 信息传输路径的建立机制、面向需求的分布信息处理模式等问题,是无线传感器网络发展需要首先解决的问题。通信协议是核心内容, 包括无线信道调制、共享信道分配、路由构建及与因特网互联等。
2、通信体系
在通信体系的四层协议栈中, 物理层负责数据的调制、发送与接收, 涉及传输的媒介、频段的选择、载波产生、信号检测、调制解调方式、数据加密和硬件设计等。WSNs 采用的传输媒体主要有: 射频( RF) 、可见光、红外线等, 其中, 射频是最常用的。到目前为止, 物理层已基本完成了无线传感器网络节点的设计开发, 代表性的节点有U CLA 和Rockwell 自动化中心研制的WINS, MIT 研制的µAMPS, U C Berkeley 的Smar t Dust 和Mo tes。在这些平台中, Mo tes 硬件平台和其配套的TinyOS操作系统应用最为广泛, 为全球300 多家研究机构所采用。目前, 物理层的工作主要集中于低功耗低成本高可靠性的模块特别是通信模块的研制和片上系统SoC 的设计。
3 MAC协议
3.1 基于调度算法的MAC协议
在基于调度算法的MAC 协议中, 传感器节点可发送数据的时间通过一个调度算法来决定。这样, 多个传感器节点就可以同时、没有冲突的在无线信道发送数据。这类协议中, 主要的调度算法是时分多复用T DMA, 即将时间分成多个时间片, 几个时间片组成一个帧, 在每一帧中, 分配给传感器节点至少一个时间片来发送数据。这类协议的调度算法通常寻找一个尽可能最近的用于发送数据的帧来达到高的空间利用率和低的数据包等待时间。
典型的协议有SMACS, DE-MAC和EMACS。基于调度的MA C 协议都是分布式的, 因此需要时间同步机制, 而不需要全局信息。这样, 就可以在高动态变化的环境比如网络拓扑改变的情况下充分适应并保持最佳的特性。这类协议提供了信道的公平使用, 与合适的调度算法配合就可以避免冲突的发生。但是许多基于T DMA 的协议必须使用较为精确的时间同步来调度, 增加了网络的负载。另外, 有些T DMA 协议仍然存在一定的冲突, 导致很难控制这些冲突来保证实时性和节省能耗。
3.2非碰撞的MAC协议
非碰撞的MAC 协议通过消除碰撞来节能。好的非碰撞协议能够潜在地提高吞吐量, 减少时延, 提供实时性保证。当前存在的问题是多信道的使用。这需要对无线传感器网络的节点硬件设计上提出了一个附加的要求( 有些节点必须有两个收发器) 。另一个问题是协议的复杂性( 因为节点的计算能力有限, 传感器网络的协议总是越简单越好) 。
3.3基于竞争的MAC协议
多数分布式MAC 协议采用载波监听或冲突避免的机制并采用附加的信令控制消息来处理隐藏和暴露节点问题。基于竞争的协议对无线信道的访问采用竞争机制。比如: S-MAC , T-MA C ,ARC-MA C 。基于竞争的协议通常很难提供实时性保证, 而且由于冲突的存在, 浪费了能量。基于竞争的协议在有些应用场合( 比如主要考虑节能而不太关心时延的可预测性时) 有较大的应用。基于竞争的协议需要解决的是提供一个实时性的统计上界。根据这类协议的分布式和随机的补偿特性, 基于竞争的协议没有确切的保证不同节点的数据包的优先级。因此, 有必要限制优先级倒置的概率以建立统计上的端到端的时延保证。
3.4混合的MAC协议
混合協议主要是将多种机制结合起来, 以获取一个优缺点的折衷。比如: 物理层驱动协议, 混合TDMA-FDMA 的MAC , 以及CAT-MAC 。混合协议糅合了多种机制的协议, 可以在很大程度上满足传感器网络的需求, 但是必须注意消除各种机制的缺点。
通过对现有MA C 协议的分析, 我们认为可以在分析现有的非碰撞协议, 对其性能的提高与其硬件成本的增加进行权衡, 找到一个平衡点, 开发一种既有较高实时性和能量有效性, 又不因为硬件设备的附加而增加很多成本的协议; 改进现有的非碰撞协议, 降低其复杂度, 以便更易于在传感器网络实现; 结合其他机制, 提出一种混合的协议, 以满足传感器网络的需要。
4 、路由协议
由于传感器网络具有不同于传统无线ad-hoc网络的特点, 因此对它的路由的研究非常有挑战性。首先, 由于节点众多, 不可能建立一个全局的地址机制; 其次, 产生的数据有显著的冗余性, 因此可以利用数据聚合来提高能量和带宽的利用率; 第三, 节点的能量和处理能力有限, 因此需要精细的资源管理;最后, 由于网络拓扑变化频繁, 需要路由协议有很好的鲁棒性和可扩展性。
4.1以数据为中心的路由协议
这类协议是建立在对目标数据的命名和查询上, 并通过数据聚合减少重复的数据传送。和传统的基于地址的路由有显著的差异。以数据为中心的路由协议主要有SPIN, DD , Rumo r Ro uting , Gr adient-based Rout ing , CADR ,
COU GAR 等。
4.2 分层次的路由协议
分层次路由协议的主要思想是让节点参与特定的节点集群( cluster) 内的多跳通信, 集群首领再进行数据聚合, 减少向sink 节点传送的消息数量, 从而达到节省能量和提高可扩展性的目的。典型的集群形成是基于节点的能量储备及节点同集群首领的接近程度。分层次的路由协议主要有: LEACH ,Hierarchica-l PEGASIS, TEEN , EARCSN 等。
4.3基于位置的路由协议
基于位置的路由协议利用节点的位置信息通过把数据传送到指定区域而不是整个网络, 来降低能耗。这方面的协议主要来源于移动Ad Hoc 网络,设计时都考虑了节点的移动性。但在节点移动性很少或者根本不移动的情况下, 它们也非常适用。基于位置的协议有: MECN , GAF , GEAR 等。
4.4基于网络流的路由协议
基于网络流的路由协议的目标是: 在实现路由功能的同时, 考虑端对端的时延要求, 满足一些网络QoS 要求。这类路由协议主要有MLER , MCF , SAR , SPEED 等。
5、传输层协议
无线传感器网络的传输层协议主要实现与Internet 或其它的网络进行互联。由于可扩展性、以数据为中心的路由等特性和能耗、硬件资源的限制等问题, 传感器节点无法像Internet 上的服务器一样存储大量的数据, 而确认( ACK) 在无线传感器网络中的代价太过于昂贵, 导致TCP 和U DP 无法直接应用到无线传感器网络上。
6、結语
总而言之， 无线传感器网络及其应用系统的研究还有众多的科学和技术问题尚待突破和解决。随着各项技术的成熟和发展, 无线传感器网络的研究将会取得更大的进步, 无线传感器网络也将会得到越来越广泛的应用。
关键词：无线传感器网络；体系结构；通信体系；MAC协议；路由协议；传输层协议
[Abstract] This paper is based on the analysis of network characteristics. The paper introduces the concept and characteristics of communication system, wireless sensor network middleware and application system of three levels, and an overview of wireless sensor networks and media access control protocol, routing protocol, such as transport protocol communication system research and prospect.
Keywords: wireless sensor networks; architecture; communication system; MAC protocol; routing protocol; transport layer protocol
中图分类号：E965文献标识码：A 文章编号：
无线传感器网络是由大量无处不在的、具有无线通信与计算能力的微小传感器节点构成的自组织分布式网络系统, 是能根据环境自主完成指定任务的“智能”系统, 是一项涉及多门前沿学科发展的综合性技术。MEMS 将多种传感器集成为一体, 制造小型化、低成本、多功能的传感器节点; 大量的MEMS 传感器节点只有通过低功耗的无线通信技术联成网络才能够发挥其整体和综合作用; 具有群体智能的自主自治系统的行为实现和控制是自动控制和人工智能领域的前沿研究内容。
1、体系结构
无线传感器网络与移动专用网络( Mobile Adho c Netw ork, MANET ) 相比, 具有节点数量多、分布密集, 通信采用广播方式, 拓扑结构变化频繁, 能量、计算和存储能力有限, 没有统一的标识等特点。这对无线传感器网络在设计上提出了新的要求和挑战, 即资源受限、可扩展性、容错性、自组织、实时性和安全性等。其中, 资源受限, 尤其是能量有限是无线传感器网络的一个重要特征。由于传感器节点多采用电池供电, 而且一旦部署就无人值守, 更换电池成本过大, 在设计无线传感器网络时,必须尽可能采用低功耗的器件、节能的协议算法和管理策略, 以便减少传感器节点的能耗, 延长整个网络的寿命。
组网与通信是通信体系的主要功能, 这一层包括开放系统互联OSI 七层模型中的物理层, 数据链路层, 网络层和传输层。无线传感器网络的计算模型涉及网络的组织、管理和服务框架, 信息传输路径的建立机制、面向需求的分布信息处理模式等问题,是无线传感器网络发展需要首先解决的问题。通信协议是核心内容, 包括无线信道调制、共享信道分配、路由构建及与因特网互联等。
2、通信体系
在通信体系的四层协议栈中, 物理层负责数据的调制、发送与接收, 涉及传输的媒介、频段的选择、载波产生、信号检测、调制解调方式、数据加密和硬件设计等。WSNs 采用的传输媒体主要有: 射频( RF) 、可见光、红外线等, 其中, 射频是最常用的。到目前为止, 物理层已基本完成了无线传感器网络节点的设计开发, 代表性的节点有U CLA 和Rockwell 自动化中心研制的WINS, MIT 研制的µAMPS, U C Berkeley 的Smar t Dust 和Mo tes。在这些平台中, Mo tes 硬件平台和其配套的TinyOS操作系统应用最为广泛, 为全球300 多家研究机构所采用。目前, 物理层的工作主要集中于低功耗低成本高可靠性的模块特别是通信模块的研制和片上系统SoC 的设计。
3 MAC协议
3.1 基于调度算法的MAC协议
在基于调度算法的MAC 协议中, 传感器节点可发送数据的时间通过一个调度算法来决定。这样, 多个传感器节点就可以同时、没有冲突的在无线信道发送数据。这类协议中, 主要的调度算法是时分多复用T DMA, 即将时间分成多个时间片, 几个时间片组成一个帧, 在每一帧中, 分配给传感器节点至少一个时间片来发送数据。这类协议的调度算法通常寻找一个尽可能最近的用于发送数据的帧来达到高的空间利用率和低的数据包等待时间。
典型的协议有SMACS, DE-MAC和EMACS。基于调度的MA C 协议都是分布式的, 因此需要时间同步机制, 而不需要全局信息。这样, 就可以在高动态变化的环境比如网络拓扑改变的情况下充分适应并保持最佳的特性。这类协议提供了信道的公平使用, 与合适的调度算法配合就可以避免冲突的发生。但是许多基于T DMA 的协议必须使用较为精确的时间同步来调度, 增加了网络的负载。另外, 有些T DMA 协议仍然存在一定的冲突, 导致很难控制这些冲突来保证实时性和节省能耗。
3.2非碰撞的MAC协议
非碰撞的MAC 协议通过消除碰撞来节能。好的非碰撞协议能够潜在地提高吞吐量, 减少时延, 提供实时性保证。当前存在的问题是多信道的使用。这需要对无线传感器网络的节点硬件设计上提出了一个附加的要求( 有些节点必须有两个收发器) 。另一个问题是协议的复杂性( 因为节点的计算能力有限, 传感器网络的协议总是越简单越好) 。
3.3基于竞争的MAC协议
多数分布式MAC 协议采用载波监听或冲突避免的机制并采用附加的信令控制消息来处理隐藏和暴露节点问题。基于竞争的协议对无线信道的访问采用竞争机制。比如: S-MAC , T-MA C ,ARC-MA C 。基于竞争的协议通常很难提供实时性保证, 而且由于冲突的存在, 浪费了能量。基于竞争的协议在有些应用场合( 比如主要考虑节能而不太关心时延的可预测性时) 有较大的应用。基于竞争的协议需要解决的是提供一个实时性的统计上界。根据这类协议的分布式和随机的补偿特性, 基于竞争的协议没有确切的保证不同节点的数据包的优先级。因此, 有必要限制优先级倒置的概率以建立统计上的端到端的时延保证。
3.4混合的MAC协议
混合協议主要是将多种机制结合起来, 以获取一个优缺点的折衷。比如: 物理层驱动协议, 混合TDMA-FDMA 的MAC , 以及CAT-MAC 。混合协议糅合了多种机制的协议, 可以在很大程度上满足传感器网络的需求, 但是必须注意消除各种机制的缺点。
通过对现有MA C 协议的分析, 我们认为可以在分析现有的非碰撞协议, 对其性能的提高与其硬件成本的增加进行权衡, 找到一个平衡点, 开发一种既有较高实时性和能量有效性, 又不因为硬件设备的附加而增加很多成本的协议; 改进现有的非碰撞协议, 降低其复杂度, 以便更易于在传感器网络实现; 结合其他机制, 提出一种混合的协议, 以满足传感器网络的需要。
4 、路由协议
由于传感器网络具有不同于传统无线ad-hoc网络的特点, 因此对它的路由的研究非常有挑战性。首先, 由于节点众多, 不可能建立一个全局的地址机制; 其次, 产生的数据有显著的冗余性, 因此可以利用数据聚合来提高能量和带宽的利用率; 第三, 节点的能量和处理能力有限, 因此需要精细的资源管理;最后, 由于网络拓扑变化频繁, 需要路由协议有很好的鲁棒性和可扩展性。
4.1以数据为中心的路由协议
这类协议是建立在对目标数据的命名和查询上, 并通过数据聚合减少重复的数据传送。和传统的基于地址的路由有显著的差异。以数据为中心的路由协议主要有SPIN, DD , Rumo r Ro uting , Gr adient-based Rout ing , CADR ,
COU GAR 等。
4.2 分层次的路由协议
分层次路由协议的主要思想是让节点参与特定的节点集群( cluster) 内的多跳通信, 集群首领再进行数据聚合, 减少向sink 节点传送的消息数量, 从而达到节省能量和提高可扩展性的目的。典型的集群形成是基于节点的能量储备及节点同集群首领的接近程度。分层次的路由协议主要有: LEACH ,Hierarchica-l PEGASIS, TEEN , EARCSN 等。
4.3基于位置的路由协议
基于位置的路由协议利用节点的位置信息通过把数据传送到指定区域而不是整个网络, 来降低能耗。这方面的协议主要来源于移动Ad Hoc 网络,设计时都考虑了节点的移动性。但在节点移动性很少或者根本不移动的情况下, 它们也非常适用。基于位置的协议有: MECN , GAF , GEAR 等。
4.4基于网络流的路由协议
基于网络流的路由协议的目标是: 在实现路由功能的同时, 考虑端对端的时延要求, 满足一些网络QoS 要求。这类路由协议主要有MLER , MCF , SAR , SPEED 等。
5、传输层协议
无线传感器网络的传输层协议主要实现与Internet 或其它的网络进行互联。由于可扩展性、以数据为中心的路由等特性和能耗、硬件资源的限制等问题, 传感器节点无法像Internet 上的服务器一样存储大量的数据, 而确认( ACK) 在无线传感器网络中的代价太过于昂贵, 导致TCP 和U DP 无法直接应用到无线传感器网络上。
6、結语
总而言之， 无线传感器网络及其应用系统的研究还有众多的科学和技术问题尚待突破和解决。随着各项技术的成熟和发展, 无线传感器网络的研究将会取得更大的进步, 无线传感器网络也将会得到越来越广泛的应用。