分布式無線傳感器網絡通信協議分析

趙 荷

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分布式無線傳感器網絡通信協議分析

趙 荷

成都東軟學院計科系，四川 都江堰 611844

在以往分布式無線傳感器網絡通信協議研究成果的基礎上，對于分布式無線傳感器網絡協議中的各個協議體系進行了進一步的闡述，并對于通信協議體系結構中的新的分布體系結構以及當前在分布式無線傳感器網絡通信協議的最近研究進展進行了系統性的介紹，對于在協議研究中的相關應用案例以及其他國家的相關研究情況也做了具體介紹，綜合分析了我國目前的分布式無線傳感器網絡通信協議研究的現狀，并對未來的發展方向提出了一些建議。

分布式無線傳感技術；網絡通信協議；研究與進展

隨著互聯網技術的發展，無線傳感器網絡的傳輸技術已經越來越引起人們的重視。無線傳感器網路由于自身強大的對數據的處理能力、計算通信能力以及存儲感知能力，使得這一技術很快受到社會的認可[1]。目前已在多領域進行應用，比如軍事領域、環保領域甚至是在醫療和商務領域。無線傳感器在分布空間中采用多節點分布的方式，對于監測區域的物理信號會迅速做出反應，以一種多跳的傳輸方式向主基站傳輸數據。在傳輸過程中，由于自身的分簇式拓撲組織結構，減少了大量的能量消耗，同時提高了傳輸的效率和質量，擴展了網絡空間。當前，對于分布式無線傳感器網絡研究最廣的是美國，并且在應用領域也取得了一系列的成果，設立了很多關于DNS（分布式無線傳感器網絡）的研究計劃，比如著名的Smart Dust 和 SCADDS研究計劃。

1 無線傳感器網絡的定義

分布式無線傳感器網絡是一種利用自身的微型傳感器對監測區域進行作業的現代智能系統。在作業過程中，分布式無線傳感器網絡采用多節點分布，大大節省了傳輸時間，提高了傳輸效率，在傳輸過程中采用多跳、對等的傳輸方式，并利用自身的分簇式拓撲組織結構，可以獨立的在監測區域內展開工作。同時也可以將分布式無線傳感器網絡連入到互聯網中，借助互聯網技術實現對無線傳感器網絡的遠程控制。分布式無線傳感器網絡與其他的無線傳輸網絡相比，具有明顯的優勢。首先，無線傳感器網絡采用的是多節點分布的方式，而且節點規模巨大，在空間中分布的密度非常高，這保證能夠對于物理對象的實施非常有效的監測，它的節點數量比其他網絡結構高幾個數量級以上。而且分布式無線傳感器網絡采用網絡拓撲結構，分布節點之間的計算能力、能量消耗以及存儲能力都嚴格的受到基站的控制。保證了無線傳感器網絡對于傳輸數據的傳輸效率與質量[2]。但是由于無線傳感器能夠網絡的節點分布過多，非常容易損壞，節點之間采用的不是點對點的通信方式，在傳輸精確性上存在一些瑕疵，且沒有統一的標識，導致拓撲結構不穩定，頻繁的發生一些變化。這些問題也是在未來的無線傳感器網絡通信協議發展中面對的主要挑戰。

2 通信協議與研究進展分析

（1）物理層通信協議分析:在無線傳感器網絡中，采用的物理層協議主要涉及到無線傳感器網絡的傳輸介質、頻段選擇和調制方式。在傳輸介質的選擇中，目前主要采用的是無線電、紅外線和光波三種。相比較而言，采用無線電傳輸要比選擇紅外線和光波傳輸更有效率、因此無線電傳輸也是目前無線傳感器網絡物理層協議中的主要傳輸方式。紅外線傳輸和光波傳輸多應用在一些特殊的無線傳感器網絡中，其傳輸過程中不需要復雜的解調制過程，而對接收器的要求也不高，數據傳輸過程中損耗功率低，目前在光通信以及一些激光二極管通信中廣泛使用[3]。

（2）LEACH通信協議分析:LEACH協議在無線傳感器網絡通信過程中采用的是簇頭選舉的策略方式進行傳輸。這一階段主要可以分為簇頭選舉、簇的成型、穩定狀態和數據融合四個過程。在簇的選舉階段，由于無線傳感器網絡節點對于能力的消耗不足，所以必須要考慮到節點對當前能量的消耗，以及剩余能量的存儲。CKHS通過改進對簇頭選舉階段閾值的計算方式，對節點的剩余能量進行排序，進而使剩余能量高的節點當選為簇頭。這樣就解決了在簇頭選舉階段選出的簇頭能量供應不足進而對整個無線傳感器網絡造成重大影響的問題。在簇的成型階段，與簇頭選舉階段相反，這一階段要選擇分布節點中能量消消耗最小的簇節點。LEACH協議中對于簇頭的射頻一般不會考慮所分布的節點中能量消耗的多少，它會依據就近原則，選擇離自己最近簇頭進行廣播射頻。但是在無線傳感器網絡中，眾多的分布節點中每一個節點都有可能被選為簇頭，這就造成了較遠距離的簇頭在與基站進行信號傳輸過程中會消耗大量的能量，導致后面的工作無法進行。這會引起整個無線傳感器網絡的癱瘓。對于這一缺陷，EEWS進行了改變。在簇頭與基站通信過程中，通過改變權值來保證簇頭到基站之間的距離最短，進而保證能量消耗最下。在LEACH協議的通信過程中，對于出現的缺陷可以通過對無線傳感器網絡生命周期進行估計來達到優化的目的。在估計過程中，主要參考的依據就是節點平均能量的消耗。通過這種方式，對于在LEACH協議通信過程中簇頭的選擇、成型以及保持無線傳感器網絡穩定的拓撲結構，都有著非常重要的意義。在優化模型中，可以采用對分布節點壽命進行估計的方式來對網絡模型進行優化，也可以通過研究節點在空閑狀態和共做狀態下的能量消耗對節點的生命周期進行估計，從而對LEACH協議進行優化與改善[4]。

總之，目前分布式無線傳感器網絡已經在社會上多個領域廣泛應用。但是由于網絡通信協議限制，加之自身技術現在也不完善，在傳感器節點分布、無人值守等方面還需要繼續改進。對于無線傳感器網絡的應用現在還處于初始階段，隨著相關技術的進一步完善和網絡通信協議的技術更新，無線傳感器網絡技術必將在人類社會的生產中發揮更大的作用。

[1]于海斌,曾鵬,王忠鋒,梁英,尚志軍.分布式無線傳感器網絡通信協議研究[J].通信學報,2013,10:102-110.

[2]張馨,喬曉軍,劉恩,羅惠謙,王成.無線傳感器網絡技術研究[J].農機化研究,2011,04:57-62.

[3]景博,張劼,張宗麟,孫勇,李金梁.分布式無線傳感器網絡及其應用核心技術研究[J].測試技術學報,2012,02:181-185.

[4]陳旿,滕永達.傳感器無線網絡化接口模塊設計與實現[J].計算機測量與控制,2011,v.19;No.15508:2051-2054

Distributed Wireless Sensor Network Communication Protocol Analysis

Zhao He

Chengdu Neusoft Institute Project Department,Sichuan Dujiangyan 611844

On the basis of conventional distributed wireless sensor network communication protocol research results for distributed wireless sensor network protocol system for each protocol further elaborated, and the communication protocol architecture of the new architecture and the distribution of current recent Advances in distributed wireless sensor network communication protocol in a systematic introduction to the protocol for the study of related applications and case studies in other countries have also done a detailed information about the comprehensive analysis of China's current distributed wireless Situation sensor network communication protocol research, and the future direction of development put forward a number of recommendations.

distributed wireless sensor technology; network communication protocol; Research and Development

TP212.9;TN915.04

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1009-6434(2016)07-0045-02