無線感測器網路的研究

1.引言
    隨著微電子技術、通信技術和感測器技術的發展，使得能夠在微小感測器內集成信息採集、數據處理和無線通信等多種功能。感測器網路就是由大量的微型低功耗的感測器節點組成的網路系統，每個感測器節點具有數據採集、簡單的數據處理、短距離無線通信和自動組網的能力。
    與無線自組網、蜂窩等無線網路相比，無線感測器網路有如下主要要求:第一，能量高效:感測器節點通常由能量十分有限的微小電池通電，由於感測器節點個數多、價格低廉、分佈廣且環境較複雜，感測器節點更換電池或充電非常困難，或者沒有必要，因此感測器網路存在著嚴重的節點能量約束問題:第二，自組織:大量感測器節點隨機放置，甚至通過飛機撤播，如戰場、地震或火災現場等，感測器節點要能夠自動形成網路系統，在有些應用中還要支持感測器節點的移動;第三，可擴展性:感測器網路的節點數目可能上千甚至上萬:節點能量耗盡或環境因素容易造成節點失效，節點失效或環境干擾使得感測器網路拓撲結構動態變化，因此，感測器網路應該具有可擴展性。

2.感測器網路的結構和特點
2.1感測器網路的結構
    感測器網路包括匯聚點(sink)和感測器(sensor)節點。感測器節點數目往往巨大，分佈在監測區域(sensor field)內，每個節點除了進行環境信息的收集，還具有數據處理和轉發路由的功能，是感測器網路研究的重點。匯聚點的個數通常很少，具有發布監測命令和收集數據的功能，還可以實現與Internet的通信。
 
圖1 感測器網路的體系結構

2.2 感測器節點
    感測器節點由感測器、處理、無線通信和能量供應四個模塊部分(圖2)。感測器模塊負責環境信息的採集和數據轉換;處理模塊控制整個感測器節點的操作，處理本身採集的數據和其它節點發來的數據，運行網路協議使感測器節點互聯為網路以便協作工作;通信模塊負責與其它感測器節點進行通信，交換控制消息和數據消息:能量供應模塊為感測器節點提供運行所需的能量，通常是微型蓄電池。
 
圖2 感測器節點的體系結構
2.3 感測器網路的特點
    感測器網路是以數據為中心的網路:相當於分散式的網路資料庫，要查詢的數據分佈在所有或部分節點中。感測器網路中每個感測器節點具有端節點和路由器兩者的作用。由於感測器網路關注的是具有某種特性的數據，感測器節點數目巨大和節點放置的隨機性，感測器節點沒有必要採用IP地址，可以使用局部能夠區分的標號標識 。
    感測器網路是應用相關的網路:感測器網路是針對某個或某些應用而專門設計的。相鄰節點因監測的可能是同一個事件而存在信息的冗餘性，在數據傳輸路徑上的中間感測器節點需要針對應用情況，對收到其它節點轉發來的數據以及本身採集的數據進行數據融合，以便有效地節省網路資源。

3.感測器網路的關鍵技術
3.1路由機制
    路由機制選擇採集信息和控制消息的傳輸路徑，就是決定哪些節點形成轉發路徑，路徑上的所有節點都要消耗一定的能量來轉發數據。如何動態地形成基於能量高效的優化路由一直是感測器網路的核心問題之一。提出的路由機制有早期的能量路由、基於協商的SPIN路由、定向擴散DD路由，以及層次式的LEACH路由、TEEN路由、多路徑路由和能量感知路由等。下面介紹幾個代表性的路由機制。

3.1.1 SPIN路由(Sensor Protocol for Information via Negoitation)
    SPIN 路由假設所有感測器節點都可能是希望獲得數據的匯聚節點，每個感測器節點知道自己是否需要數據或在數據源到匯聚節點的路徑上。它是對傳統洪泛(flooding)路由的改進，感測器節點在發送數據前先進行協商，僅把數據發送到需要的相鄰節點。
    SPIN 協議使用ADV,REQ和DATA 種類型消息，採用三次握手方式。當節點有新數據時，廣播ADV消息通告給它的所有鄰居，其中包括DATA的描述信息:當鄰居節點收到這個廣播消息時，如果對這個數據感興趣，先檢查其是否已經有該數據，沒有就發送REQ消息請求新數據:源節點在收到REQ消息后，發送數據給請求節點。這些鄰居節點重複以上過程，從而可以使使網路中所有對這條數據感興趣的感測器節點都能獲得該數據。該協議的優點在於簡單性，節點僅需要知道鄰居節點，無需其它拓撲信息。

3.1.2定向擴散DD (Directed Diffusion)
    定向擴散是基十查詢的按需路由，匯聚點發出查詢消息，形成反向的從數據源到匯聚點的數據擴散梯度，數據沿著梯度傳送到匯聚點。定向擴散包括周期性的以下基本操作過程(參見圖3):
 
圖3  定向擴散的基本操作

• 路徑建立 :匯聚點向網路中所有節點通過網路廣播任務，任務用含有任務類型、數據發送速率、時間戳等參數的興趣來描述。這些興趣是探測性質的，要求節點發送數據速率比較低。每個節點緩存接收的興趣，通過記錄相應的發來興趣的鄰居節點等信息建立梯度。隨著興趣在整個網路的傳播，就建立了從數據源節點到匯聚點的梯度。
• 數據發送 :當節點採集到匹配查詢的數據時，通過梯度路徑發向匯聚點。由於可能從多個鄰居節點收到興趣，(中間)節點向多個鄰居節點發送數據，匯聚點(或中間節點)可能收到經過多個鄰居節點的相同數據，中間節點需要實現數據的融合。
• 增強路徑 :匯聚點在收到這些低速率數據后，向數據到達最快的鄰居節點發送增強消息，增強消息表示匯聚點要求高速率發送數據。相應鄰居節點按照同樣的方式，依次傳遞增強信息給其鄰居節點，直到到達數據源，這樣將構建數據發送的主路徑。

3.1.3 LEACH路由(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)
    LEACH 是基於分簇的路由，它包括周期性的循環過程，每輪循環分為簇建立階段和時間較長的穩定的數據通信階段。在簇建立階段，相鄰節點動態地自動形成簇，隨機地產生簇首。在數據通信階段，簇內節點把數據發給簇首，簇首進行數據融合併把結果發送給匯聚點。由於簇首需要完成數據融合、與基站通信等工作，簇首的能量消耗非常高，各節點需要等概率地擔任簇首，這樣才能使網路中所有節點比較均衡地消耗能量，有利於延長整個網路的生存期。LEACH協議的特點是分簇和數據融合，分層利於網路的擴展性，數據融合能夠減少通信量。

3.1.4 TEEN (Threshold sensitive Energy Efficient sensor Network protocol)
    TEEN 路由把監測突發事件的感測器網路稱為反應網路，人們只對感測屬性值高於給定閾值的數據感興趣。TEEN協議是對LEACH協議的改進如下:在簇首選舉以後，簇首會把絕對閾值和相對閾值兩個參數廣播給其它成員。感測器節點持續的採集數據，當採集的數據第一次大於絕對閾值，節點把數據記錄下來，同時發送給簇首:在這個簇首周期的以後時間內，這個節點只有滿足採集的數據大於絕對閾值，而且與前一次記錄結果之差大於相對閾值時，才對數據進行記錄併發送給簇首。TEEN協議有兩個好處:第一，對於突發事件能夠及時響應;第二，對於持續的突發事件，相鄰兩次數據之差在不大於閾值時，無需不斷地發送數據，有效地減少通信流量。

3.2數據融合
    數據融合的作用是減少通信量，減輕網路擁塞，提高信息的精確度。

3.2.1數據融合的分類
    根據數據融合與感測器網路協議各層間的關係，可以分為三類。

• 依賴於應用的數據融合(Appilcation Dependent Data Aggergation,ADDA);
• 獨立於應用的數據融合(Application Independent Data Aggregation,AIDA) ;
• 結合以上來兩種技術的數據融合。

    ADDA 的操作需要跨協議層理解數據含義，並且經常會導致數據中丟失的信息過多;AIDA則保持了各網路協議層的獨立性，處於網路層與數據鏈路層之間，可以和其它協議層內的融合技術共存，並且本身不會導致信息丟失，也不會引入端到端傳輸延遲。

3.2.2數據融合的方法
    數據融合通常是應用相關的，影響縮減數據總量的因素包括探測數據的特性與表達形式、網路連接拓撲以及應用。在感測器網路的協議棧中，低層協議(包括數據鏈路層與物理層)是面向傳輸的，是保障網路中各節點之間通信的基礎。而在上面的三個協議層中，並不是所有的感測器網路都需要傳輸層，因而研究者把目光投向了應用層與網路層:在應用層開發了面嚮應用的數據融合介面:在網路層開發了與路由相結合的數據融合技術;在現有的協議層之外，又有獨立於應用的數據融合技術被提出，形成了在網路層與數據鏈路層之間的數據融合層。

3.3 介質訪問控制協議
    介質訪問控制協議要滿足:第一，節省能源；第二，對於節點數目、節點分佈的密集和網路拓撲結構具有可擴展性；第三，公平和高效地利用鏈路帶寬等。目前普遍認為這三個方面的重要性依次遞減。目前提出了SMACS/EAR, DEANA, S-MAC和結合CSMA/CA和CDMA的協議等MAC協議，這些提出的MAC協議主要是對已有無線通信MAC協議的改進。

3.3.1 SMACS/EAR
    SMACS/EAR協議是結合TDMA和PDMA的分散式MAC協議，用來建立一個對等的網路結構。節點在啟動時廣播一個“邀請”消息，通知附近節點與本節點建立連接。接收到“邀請”消息的節點與發出“邀請”消息的節點交換信息，在二者之間分配一對時隙供二者以後通信。每對節點之間通信使用不同的頻段，以避免相互間的干擾。EAR協議用於少量運動節點與靜止節點之間進行通信。SMACS/EAR不需要所有節點的幀同步，可以避免複雜的耗能的同步操作。

3.3.2 DEANA (Distributed Energy-Aware Node Activation)協議
    幀分為調度訪問部分和隨機訪問部分，調度訪問部分由多個時隙組成，某個時隙協商為特定節點發送數據的時間，其他節點在該時隙內處於接收狀態或者睡眠狀態。為了進一步節省能量，每個時隙又細分為前部的控制部分和後部的數據部分，如果節點在其發送時隙內有數據需要發送，則在時隙的控制部分發出控制消息，指出接收數據的節點，然後在時隙的數據部分發送出數據。在控制部分，所有節點都處於接收狀態，如果節點不是數據接收者，則可以在隨後的數據發送部分進入睡眠狀態。DEANA協議能夠部分解決接收不必要數據的過度監聽問題。但是需要所有節點的幀同步，不能很好支持節點移動，可擴展性差。

3.3.3 S-MAC (Sensor-MAC)協議
    S-MAC(Sensor-MAC)協議針對節點耗能的主要環節，採用三方面措施:第一，周期性監聽和睡眠，每個節點獨立的周期性地轉入睡眠狀態，蘇醒后偵聽判斷是否需要通信;鄰居節點之間盡量周期性同步:每個節點廣播自己的調度信息，通過接收鄰居節點的調度信息來維持鄰居節點的調度表，用於非同步節點之間的通信。第二，避免碰撞和接收不必要的消息，採用802.11的虛徹物理載波監聽機制，以及RTS/CTS通告機制，但是，與802.11協議不同的是節點在不收發數據時進入睡眠狀態。第三，消息傳遞，考慮到感測器網路的數據融合和無線通道的容易出錯的特點，將一個長消息分割成幾個短消息，利用RTS/CTS機制一次預約發送整個長消息的時間。

3.4節能策略
    在應用低能耗組件的同時，在操作系統中使用能量感知方式管理系統資源能夠進一步減少能耗，其中動態能量管理(DPM,Dynamic Power Management)和動態電壓調節(DVS,D ynamicV oltageS cailng)是兩種主要的策略。DPM的原理是當感測器節點周圍沒有感興趣的事件發生時，部分模塊處於空閑狀態，把這些組件進入休眠狀態。感測器節點大部分時間處理負載都很低，DVS的原理是當處理負載較低時，通過降低微處理器的工作電壓和頻率，節約微處理器的能耗。很多處理器如StrongARM和Crusoe都支持電壓頻率調節。
    在感測器節點上，無線通信模塊消耗能量的比例是最大的，其節能的主要策略有:減少通信流量，包括本地計算、數據融合和減少碰撞等:增加通信模塊的休眠時間:使用多跳的短距離的無線通信方式;選擇適當的調製機制。

4.結束語
    感測器網路是一種新的信息獲取和處理技術，在軍事、環境和生態監測、地震和火災等突發災難現場的監控，以及醫療系統、城市交通和安全監控等方面具有非常廣泛的應用前景。本文歸納和總結了己有的研究，重點討論了當前感測器網路的路由、MAC.數據融合等和網路密切相關的研究熱點技術，期望能藉此推動國內對該新興無線網路技術的關注和研究。