無線傳感器網絡的研究內容綜述

摘要：無線傳感器網絡具有廣泛的應用前景，且能夠實現多種功能，因而是當前學術研究的一個重點領域。本文介紹了無線傳感器網絡的體系結構和組網特點，詳細分析了當前無線傳感器網絡中各層次的通信協議。

關鍵詞：無線傳感器網絡 體系結構 組網特點 通信協議

1 無線傳感器網絡結構

無線傳感器網絡的典型結構為自組多跳網絡。該網絡中的節點同時具有傳感、信息處理以及無線通信功能，每個節點通過多跳路由連接到無線網關，通過無線網關實現與監控終端的通信。鑒于節點的屬性限制，其通信距離較短，因此必須使用多跳路由，且節點數量要多，分布要密集。

2 無線傳感器網絡特點

無線傳感器網絡具有如下幾方面特點。①硬件功能有限。由于節點體積較小、價格相對低廉且要求運行的功耗較低，故其在性能方面要比通用的計算設備差很多。②續航時間有限。該方式為電池供電，且節點體積較小，分部環境較復雜，因而無法為電池充電或者為節點更換電池，一旦能源消耗完畢，該節點也就死亡，因此在傳感器網絡的設計中，一切以節能為前提。③自組織性。無線傳感器網絡的覆蓋都是由節點自助完成的，不需要依賴任何支撐網絡設施。④無中心性。網絡中所有節點都是相對獨立和平等的，任意節點的離開或加入都不會影響整個網絡的運行。⑤多跳路由。無線傳輸網絡中的節點只能在小范圍內進行通信，因而若希望實現與網關或者外圍監控終端的通信則必須通過其他節點進行路由實現。⑥節點數量龐大，網絡分布密集。在某一區域進行無線傳感器網絡部署時需要使用大量的節點來維持網絡的容錯性和抗毀性。

3 無線傳感器網絡協議層次

無線傳感器網絡的通信協議主要分為物理層、鏈路層、網絡層和傳輸層。對于這些協議需要進行具體討論，現有的如IEEE802.1x協議無法在無線傳感器網絡中應用。

3.1 物理層 物理層的主要作用為產生載波對所需傳輸的數據進行調制與解調。當前時期對物理層節點的設計思路主要有兩種，一種為使用MEMS和集成電路技術等對節點的微處理器、傳感器等模塊進行設計；另一種為使用現有的商業元器件進行節點構建。

在物理層的無線通信方面，可選擇的載波媒體有紅外線、激光、電磁波等。其中，紅外線頻段為開放頻段，無電磁干擾，具有性價比優勢；激光則在通信保密性能和傳輸速度方面具有優勢，但是這兩種方式均要求發送端和接收端在視線范圍內，很難在實際中應用實現，因而通常情況還是使用電磁波進行無線通信。

在載波頻段選擇中有902MHz、2.4GHz和5.8GHz等多個ISM頻段，基于這些頻段的電磁波特性對節點進行設計是一個無線傳感器網絡的研究方向。

3.2 鏈路層 鏈路層的主要作用是對節點通信進行控制。其中主要涉及媒體訪問控制協議（MAC協議）和錯誤控制算法。

其中媒體訪問控制協議可以在節點之間建立通信鏈路，維持節點之間使用平等有效的帶寬進行數據傳輸。通常這些協議可以分為基于隨機競爭和基于預約的兩種協議。

基于競爭的MAC協議以IEEE802.11協議為代表，該類協議可以依靠射頻接收部分的偵聽功能對網絡中的節點進行通信控制，但是該類協議需要通信設備處于持續監聽狀態，故能源消耗較高。為解決該問題，一類低功耗喚醒射頻通信協議被研究應用到無線傳感器網絡中，該協議使用載波偵聽多路訪問/沖突避免技術保證節點在進行通信時維持在喚醒狀態，通信完畢進入睡眠狀態，當其他節點需要使用該節點進行路由時，該節點可以被喚醒。

基于預約的MAC協議主要是基于時分多址的協議，如自組織媒體訪問控制協議等。使用該協議的節點可以發現臨近節點，并與其建立通信鏈路。當前節點使用一個TDMA協議框架在時隙時間內與臨近節點進行數據通信，完成通信后進入睡眠狀態。

錯誤控制算法則是對網絡傳輸信號進行差錯控制，保證通信的可靠性。在無線傳感器網絡中使用的錯誤控制算法主要有兩種，一種是前向糾正，一種是自動重復請求。前向糾正算法是在數據幀中添加冗余信息，當接收端接收到的信息具有錯誤時可以使用冗余信息進行錯誤糾正；自動重復請求算法則是對接收的信息進行回復，若兩者之間信息不符則重新進行數據發送，若信息相同則認為數據傳輸無誤。

3.3 網絡層 網絡層協議主要負責對路由進行維護和發現，并設計適當的路由協議對傳輸數據進行路由。

無線傳感器網絡為拓撲結構，按照路由協議不同可以分為平面路由協議和分級路由協議。其中平面路由協議中的各節點處于平等地位，但會產生大量的控制信息，可控性能較差；而分級路由協議可以有效控制網絡路由信息數量，可控性能較好，但是其在群頭節點方面的缺陷限制了無線傳感網絡的規模。

4 總結

鑒于無線傳感器網絡具有其獨特性，且硬件投入和資源配置方面的限制使其無法應用成熟的通用協議，故目前無線傳感器網絡的研究主要集中在MAC協議和路由協議等方面。

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