無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議研究

【摘要】 隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)水平的不斷提高和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的推廣普及，無線傳感器開始在國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，其中最主要的應(yīng)用就是在航空航天領(lǐng)域，本文從網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議角度出發(fā)，結(jié)合無線傳感器應(yīng)用實(shí)際，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議進(jìn)行深入的研究和探討。

【關(guān)鍵詞】 無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)通信 通信協(xié)議

隨著通信技術(shù)、嵌入式計(jì)算機(jī)和微型傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展和普及推廣，具有動態(tài)感知能力、智能分析能力和數(shù)據(jù)通信能力的微型傳感器產(chǎn)生，并在世界范圍內(nèi)的相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用。由這些無線傳感器為節(jié)點(diǎn)組成的無線感知網(wǎng)絡(luò)，開始受到各國軍方和大型技術(shù)企業(yè)的關(guān)注。

一、DSN概念與挑戰(zhàn)

DSN是由大量部署在各自作用區(qū)內(nèi)的微型傳感器作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，組成的一種分布式智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，這種傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有節(jié)點(diǎn)信息互通迅速的特點(diǎn)，相互之間的聯(lián)系方式多選擇多跳（multi-hop）、對等（peer to peer）的無線通信方式。DSN可以作為局域網(wǎng)絡(luò)在脫機(jī)情況下進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)行，也可以連接在Internet上利用互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程登陸和遠(yuǎn)程控制。

隨著DSN網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)的進(jìn)步和發(fā)展，給通信協(xié)議的設(shè)計(jì)提出了一些新的挑戰(zhàn)：第一，資源受限，在DSN中每個微型傳感器也就是網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，因?yàn)槭仟?dú)立工作狀態(tài)，所以只能攜帶有限的不可更換的電源，在電量和電壓供應(yīng)上沒有保障，導(dǎo)致微型傳感器的運(yùn)算能力和存儲能力都較弱；第二，可擴(kuò)展性要求，DSN系統(tǒng)規(guī)模龐大，而且應(yīng)用的領(lǐng)域并不確定，所以需要通信協(xié)議具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性，能夠根據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行實(shí)時調(diào)整；第三，環(huán)境適應(yīng)性，創(chuàng)造DSN網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)的目的，就是要將它應(yīng)用在長期無人值守條件下工作，在惡劣環(huán)境下微型傳感器遭遇惡劣環(huán)境和人為毀壞的幾率極大，要求通信協(xié)議能夠適應(yīng)傳感器的這種高損失率，在有微型傳感器損失的情況下，依然能依靠現(xiàn)有傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息處理和交互；第四，安全性，安全是系統(tǒng)可用的前提，DSN系統(tǒng)要在保證通信安全的前提下，降低系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用，研究節(jié)能的安全算法；第五，實(shí)時性，DSN系統(tǒng)是一種信息的快速響應(yīng)系統(tǒng)，一般被應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療等重要領(lǐng)域，在這種關(guān)系到人民群眾切身利益的行業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用，就一定要保證信息傳輸?shù)膶?shí)時性、保證信息的時效性[1]。

二、通信協(xié)議研究進(jìn)展

2.1物理層協(xié)議

在當(dāng)前的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，無線電傳輸是DSN的主流傳輸方式，運(yùn)用無線電進(jìn)行信息傳輸面臨的主要問題是，無線電頻段的選擇、編碼的節(jié)能化和調(diào)制算法設(shè)計(jì)。

在頻率選擇方面，ISM頻段由于其自身無需注冊的系統(tǒng)開放性和頻段的大范圍可選擇性，成為當(dāng)前無線電傳輸?shù)闹髁鳎谶@一頻段的無線電傳輸中共有433MHz和915MHz兩種頻段的收發(fā)器設(shè)計(jì)方法[2]。

2.2數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議

2.2.1拓?fù)渖?/p>

DSN的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以分為兩種，一種是平面結(jié)構(gòu)，一種是層次結(jié)構(gòu)。

所謂的平面結(jié)構(gòu)就是所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)中處于平等地位，節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間不存在相互從屬的關(guān)系，這種網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單維護(hù)方便的特點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)都有自己固定的算法，所有的平等節(jié)點(diǎn)統(tǒng)屬控制系統(tǒng)管理，是一種典型的扁平化的節(jié)點(diǎn)管理方式，但是這種管理方式也存在著自身的缺陷，那就是因?yàn)橄到y(tǒng)中管理節(jié)點(diǎn)的缺失，節(jié)點(diǎn)之間協(xié)同的算法復(fù)雜，對協(xié)同信息的反應(yīng)比較慢。

層次結(jié)構(gòu)是與平面結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)通常以簇的形式存在，所謂的簇就是一個傳感器節(jié)點(diǎn)的集合，在這一集合中集結(jié)了很多的節(jié)點(diǎn)，每個簇都以自身內(nèi)部存在的邏輯規(guī)則約束簇內(nèi)的信息節(jié)點(diǎn)，并結(jié)合簇的應(yīng)用方向選擇出稱為簇首的節(jié)點(diǎn)，簇首模仿自身的算法機(jī)制對簇中的其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理，這樣的根據(jù)應(yīng)用目標(biāo)不同以協(xié)議的形式，將信息節(jié)點(diǎn)約束成簇的節(jié)點(diǎn)管理方式極大的提高了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，方便了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的管理[3]。

2.2.2信道介入方式

現(xiàn)有的信道介入方法協(xié)議——MAC協(xié)議，由于在信息傳輸過程中復(fù)雜程度較高和能耗的問題無法解決，已經(jīng)不適合在DSN中應(yīng)用，研究人員基于對DSN系統(tǒng)特點(diǎn)的分析為DSN設(shè)置了特定的信道協(xié)議。研究人員針對DSN系統(tǒng)的特點(diǎn)開發(fā)出了SMACS協(xié)議和EAR協(xié)議，由這兩個通信協(xié)議進(jìn)行信息管理，其中SMACS協(xié)議負(fù)責(zé)系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)的自動組網(wǎng)工作，EAR協(xié)議負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的移動節(jié)點(diǎn)的接入工作。這樣一動一靜兩個信道協(xié)議將網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)起來。

2.3傳輸層協(xié)議

DSN系統(tǒng)自身的設(shè)計(jì)更加偏重于無線傳感節(jié)點(diǎn)的管理與控制，所以在信息傳輸和通信可靠性上存在弱點(diǎn)，其中最大的問題就是傳輸中出現(xiàn)錯誤的恢復(fù)機(jī)制。因?yàn)闊o線傳感器傳輸過程中信息錯誤是必不可免的，那么相關(guān)的錯誤恢復(fù)機(jī)制也在DSN設(shè)計(jì)時就已經(jīng)存在，但是經(jīng)過實(shí)踐的驗(yàn)證，DSN自身的錯誤恢復(fù)機(jī)制，在信道通信質(zhì)量下降的同時糾錯機(jī)制也開始出現(xiàn)糾錯率的下降。針對這一現(xiàn)象研究人員提出了逐跳（hop by hop）的錯誤恢復(fù)機(jī)制，讓數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹虚g節(jié)點(diǎn)參與到錯誤恢復(fù)中來，讓信息傳輸?shù)拿恳惶紝ι弦惶纬傻男畔㈠e誤進(jìn)行糾正，這樣的糾錯機(jī)制極大的提高了系統(tǒng)糾錯的效率，同時也避免了錯誤累積導(dǎo)致的通信質(zhì)量下降。

三、結(jié)論

隨著社會生產(chǎn)的大規(guī)模集成化，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用將會越來越廣泛，而在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)過程中，通信協(xié)議的質(zhì)量對信息網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量有著直接的影響，一定要在需求分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行通信協(xié)議的編寫，保障無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在社會生產(chǎn)中的積極作用發(fā)揮。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]唐甲東. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究-LEACH路由協(xié)議的改進(jìn)[D].江南大學(xué)，2013.

[2]劉長江. 基于能耗優(yōu)化的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)LEACH協(xié)議研究與改進(jìn)[D].廣西大學(xué)，2012.

[3]李蔚. 基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議棧設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].電子科技大學(xué)，2012.