無線傳感器網絡協議探究

張海絨

(山西農業大學信息學院，山西晉中，030600)

無線傳感器網絡協議探究

張海絨

(山西農業大學信息學院，山西晉中，030600)

隨著物聯網技術的深入發展，無線傳感器網絡的應用也越來越廣泛。然而，無線傳感器網絡的技術還有待進一步的發展，也促使人們對于無線傳感器網絡協議的深入探究。本文針對無線傳感器網絡協議的網絡層協議和MAC層協議的分類做了詳細的描述和總結，為后續人們進一步研究做好鋪墊。

MAC無線傳感器；網絡層協議；物聯網

0 引言

自從九十年代以來，物聯網的概念已經遍及全球，世界各國都在紛紛開始研究物聯網，我國也漸漸進入了物聯網研究階段。但是，全球對物聯網的研究也只是起步階段。盡管如此，物聯網的發展趨勢炙手可熱，因為物聯網給我們的生活帶來了意想不到的方便和快捷。

國際電信聯盟建議將物聯網采用分層模型，其中最底層的感知層采用傳感器技術，利用傳感器節點采集數據，傳輸數據，實現各網絡節點之間的通信。這就形成了對于新技術的探究——無線傳感器網絡協議是如何實現的。

無線傳感器網絡還可用于危險、特殊的環境，不需要固定的網絡支持，它的重要性不言而喻，引起了國內外的普遍關注，發展勢頭也相當迅猛。美國、日本、英國、意大利、加拿大、德國以及歐盟的各大高校及研究機構在無線傳感器網絡領域的研究成果顯著，提出了無線傳感器網絡協議，類似于TCP/IP協議，采用分層模型進行研究和實現。文獻中指出，我國自1999年在《知識創新工程試點領域方向研究》的“信息與自動化領域研究報告”中由中國科學院第一次提出傳感器網絡后，國內各個單位及各大院校積極投入傳感器網絡的研究，并取得突出成績。并且國內許多企業也紛紛加入對無線傳感器網絡的探究和實現，比如，Zig-Bee的提出及相關應用等。無線傳感器網絡發展至今，已經應用在生活中的各個領域。在實踐中遇到的各種問題又需要我們來解決和改進。

1 無線網絡傳感器特點

與傳統的無線網絡、移動網絡和通信網絡相比，無線傳感器網絡有其不同的特點。

（1）能量限制。由于傳感器節點都是電池供應電能，所有能源有限，對能源效率要求比較高。

（2）動態。傳感器各節點的位置狀態可能隨天氣情況、周圍環境的變化而變化，網絡拓撲結構會不定時發生變化。又比如某些節點會因為某些原因推出網絡，或者有新的節點加入，都會導致整個網絡的變化情況。

（3）自適應性。傳感器網絡各節點通過飛機撒播等方式播入需要監控的區域，各節點位置比較隨意，要求網絡有自適應性，能夠自己配置協調網絡，組成一個能夠采集數據、傳遞信息、完成通信等功能的網絡。

（4）轉發。傳感器網絡中的每個節點都是一個路由器，都有轉發的功能，每個節點都只能向相鄰的節點轉發信息，該節點繼續將信息轉發給它相鄰節點，最終到達目的節點，發給遠程網絡，對數據進行分析。

2 無線傳感器節點

鑒于上述無線傳感器網絡的特點，采用無線傳感器網絡體系結構的方式研究。本文主要介紹網絡層和MAC層協議，這兩種協議隨后介紹。這里先說一下傳感器節點。

傳感器節點總體由四部分組成：傳感器模塊、處理模塊、無線通信模塊和能量供應模塊。傳感器模塊由傳感器和AC/AD組成，傳感器負責采集數據，主要有溫度感應、廣度感應等，AC/AD是信號轉換器，將收集到的信號轉換為處理模塊可以處理的信號。處理模塊由處理器和存儲器組成，用來存儲數據、處理數據、控制節點的操作，完成通信協議等功能。無線通信模塊由網絡網絡、MAC和收發器組成，負責采集信息，實現各節點之間的無線通信。能量供應模塊提供傳感器節點運行時所需要的能量。

傳感器節點通過向鄰近節點轉發信息，最終發送到匯聚節點，匯聚節點通過互聯網或衛星通信，傳給用戶觀察分析。這就是無線傳感器網絡體系結構。

3 MAC協議和網絡路由協議

傳感器網絡體系結構中分層為：MAC層和網絡層，其中的熱點問題有：MAC協議和網絡路由協議。

網絡路由協議主要有以下幾種。

（1）Flooding協議。Flooding協議是一種平面協議。源點向相鄰通過的方式傳遞信息，這種方式造成的弊端容易引起“內爆”問題。“內爆”問題指的是同一個節點可以接收到很多相鄰節點傳來的信息。為了解決“內爆”問題，產生了Gossiping協議。Gossiping協議是對Flooding協議的一種改進，是將源節點發出的信息隨機轉發給相鄰的一個節點，而不是廣播方式，這樣就減輕了“內爆”。Flooding協議和Gossiping協議不需要設置路由信息，不用維護路由表，這樣節省了資源。

（2）SPIN協議。SPIN協議是采用數據方式的協議。源點向相鄰節點通過ADV消息發送，需要該消息的節點發出REQ請求消息，再通過DATA消息將信息傳送給請求節點。這樣命名方式減輕了“內爆”問題和“重疊”問題。

（3）LEACH協議。LEACH協議是第一個采用層次路由的協議。LEACH協議分為兩個階段：第一階段是建立簇頭；第二個階段是數據傳送。第二個階段比第一個階段時間長，這樣節省能源。建立簇頭可以循環進行，每循環一次稱為一輪，每一輪建立新的簇頭。對于如何選擇新的簇頭，應根據節點的位置、剩余能量等綜合評估，也可以隨機選定。數據傳送階段可以單跳傳送到基站，也可以多跳轉發多個簇頭，最終將信息傳送到基站。關于簇頭和簇頭轉發，更高能源效率更適于自適應網絡的算法已經有專家提出。

（4）PEGASIS協議。對于簇頭的選擇采用動態選舉方式：設監控區域內有N個節點，對每個節點進行編號，從1——N。第j輪選擇的簇頭編號是i=jModN。對于轉發方式，每個節點利用貪心算法找出離它最近的節點，組成一條鏈，將信息沿著該鏈轉發到基站。這種協議叫做PEGASIS協議。PEGASIS協議有效的利用了能量，采用多跳轉發的方式。但是傳送信息時間長，如果對實時性要求比較高，不建議采用PEGASIS協議。

（5）TEEN協議。該協議每輪隨機選取一個簇頭，并設置一個門限值，數據通過門限值才能轉發，繼而達到過濾的功能，減少能源的浪費。

（6）SAR協議。該協議是一種基于QoS的協議，QoS是服務質量。從源節點到sink節點組成樹結構，在創建樹結構時考慮服務質量的一些參數（時延、丟包率等）。從源點發送信息時，可以選擇多條路徑或一條路徑。SAR協議的缺點是，需要維護路由信息，消耗相關資源。

基于QoS的協議還有SPEED協議、ELIOoS協議、QoS-GBP協議、MMSPEED協議、OEDSR協議、地理位置路由協議、ReInForM協議、ADPROC協議等。

此外，無線傳感器網絡路由協議還有Directed Diffusion協議、Rumor協議、GPRS協議、TBF協議、TTDD協議、TimyOS Beaconing協議等。

MAC協議，指的是medium access control，是無線傳感器網絡中的介質訪問控制。

傳統的無線網絡MAC協議已經不能滿足無線傳感器網絡，各高校研究所研究適合于傳感器網絡的MAC協議。無線傳感器網絡MAC協議與傳統的無線網絡MAC協議相比，不同之處在于無線傳感器網絡能量有限，MAC協議對于功耗要求極高，須做到盡可能保存能量，減少能耗的散盡，延長相關設備的使用壽命。目前已經研究出的MAC協議有以下幾種。

（1）S-MAC協議。S-MAC協議采用周期睡眠調度的方法節能，達到了預期的效果。但是S-MAC協議空閑偵聽時間與網絡負載有關。網絡負載越小，偵聽時間越長，造成的通信時間越長，不適用于對實時要求較高的無線傳感器網絡。

（2）T-MAC協議。為了克服S-MAC協議的缺點，產生了T-MAC協議。T-MAC協議采用未來請求發送和滿緩沖區優先兩種方案，但都有相關的缺點。

（3）B-MAC、WseMAC和X-MAC。這三種協議采用前導碼方式來降低通信功耗，以節能的目的。

（4）基于調度的MAC協議。該類協議采用TDMA訪問方式，主要有Cluster-Based MAC、TRAMA、TDMA-W、Data gathering tree-base MAC、LouseMAC&TightMAC、EMACs及LMAC、ArDeZ等。

（5）將競爭協議和調度協議綜合在一起的MAC協議，有Z-MAC、Funneling-MAC。

綜上所述，無線傳感器網絡網絡路由層協議和MAC層協議發展過程中還有相對的缺陷，希望后續對相關協議進行進一步的探究。

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[5]任豐原,黃海寧,林闖.無線傳感器網絡.軟件學報.2003,14(7).

Research on wireless sensor network protocol

Zhang Hairong
（School of information, Shanxi Agricultural University，Jinzhong Shaanxi,030600）

With the further development of Internet technology, the application of wireless sensor network is becoming more and more widely. Wireless sensor network technology, however, remains to be further development, has also encouraged people to delve into wireless sensor network protocol. Aiming at the network layer protocol of wireless sensor network protocol and the classification of the MAC layer protocol has made the detailed description and summary, for further study on the following people.

MAC;wireless sensor；network layer protocol;Internet of things

張海絨（1985-10），女，碩士研究生，助教，研究方向為計算機網絡。