无线传感器网络的发展与路由需求

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摘要　无线传感器网络是满足恶劣条件和特殊需求的重要网络技术，随着网络的发展，他已经成为学术界和工业界的热门研究领域。本文探讨了无线传感器网络的多应用化和异构性的发展方向，并在此基础上分析了现有路由技术的不足，提出了发展异构无线传感器网络对路由技术的需求。
1、引言
无线传感器网络（Wireless Sensor Network）是由大规模部署的成百上千的节点构成。这些微传感器节点具有感知能力、无线通信能力以及计算能力。无线传感器网络的发展得益于微机电系统以及处理器、存储技术的发展，这些发展使得制造低功率、微体积、低成本的微传感器节点逐步成为现实。无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，各个节点能够协同地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并将处理后的信息传送到需要这些信息的用户（观察者）。
由于无线传感器网络具有可快速部署、可自组织和高容错性的特点，因此非常适合在军事上应用。比如通过飞机将传感器节点撒播在战场上，可以组成网络对战场中化学武器的使用、敌方车辆和士兵的运动进行及时的监测和报告。同时，无线传感器网络对于比较恶劣的环境和人不宜到达的场所也非常适用，比如荒岛上的环境和生态监控，原始森林的防火和动物活动情况监测，污染区域以及地震和火灾等突发灾难现场的监控。另外，它还可用于城市的交通监测，医疗机构的病员及环境监测，大型车间原材料和仓库货物进出情况的监测，以及机场、大型工业园区的安全监测。无线传感器网络可以使人们在任何时间、地点和任何环境条件下获取大量信息。因此，这种网络系统可以被广泛地应用于国防军事、国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐抗灾等领域。可以说无线传感器网络是信息感知和采集的一场革命，是21世纪最重要的技术之一。
2、无线传感器网络
在讨论无线传感器网络之前，有必要了解无线传感器网络的组成和协议框架。典型的无线传感器网络如图1所示。

图1　无线传感器网络的典型结构

无线传感器网络的协议框架如图2所示，包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。物理层负责载波频率的产生，信号的调制、解调等；数据链路层负责媒体接入和差错控制，媒体接入协议可以在通信网络中确保点对点和点对多点的连接；差错控制则保证源节点发出的信息可以完整、无误地到达目标节点；网络层协议负责路由发现与维护，在无线传感器网络中占据着重要的地位，可以说路由协议的选择是无线传感器网络设计成功与否的关键。在无线传感器网络中，大多数节点无法与汇聚网关/节点直接进行通信，因此需要利用中间节点进行路由转发，以完成数据传送。基于网络组建的目的，需要在应用层上开发和使用不同的软件系统。应用层管理协议使低层的硬件、软件对于传感器网络的管理应用是透明的。当前主要的无线传感器网络协议有传感器管理协议SMP（Sensor Management Protocol），任务分配和数据通知协议TADAP（Task Assignment and Data Advertisement Protocol），传感器查询和数据分发协议SQDDP（Sensor Query and Data Dissemination Protocol）。

图2　无线传感器网络的协议框架

由于无线传感器网络通常是为特定应用设计的专用无线网络，其各层次的协议设计得以在能量分配、移动控制及应用优化等各方面优化，以获得网络的最佳性能。能量分配是延长网络可用时间的必要需求，由于无线传感器节点通常由电池供电，能量分配在网络设计中尤其重要。移动管理完成检测和注册传感器节点的移动，维护到汇聚点的路由，使得传感器节点能够跟踪它的邻居。应用优化根据具体的应用需求，管理应用实施，并在一个给定的部署区域内达到平衡并调度应用任务的目的。
与现有的IP网络不同，传感器网的突出特色是以数据为中心，有处理能力和传输能力限制，这使得其设计与现有IP网络有很多不同。传统的Internet网络中为每个节点分配一个惟一的标识符，但在传感器网络中，由于传感器节点被大量部署，为每个节点维护一个全局惟一的标识符将会带来很大的额外开销。对于无线传感器网络而言，最重要的是传感数据能被成功地发送到观察者，而无线传感器网络节点的标识相对不太重要。
3、发展方向
大规模的传感器网络将产生海量的、各具特征的传感数据。通常传感数据经单跳或多跳路由的方式，被发送到数据基站节点（Base Station Node）或数据接收发器，进而传送到观察者（任务管理节点）。除了感知物理现象之外，传感器节点通常还需承担路由器节点的功能，为别的传感器收集到的传感数据提供转发功能。由于被感知的物理现象的周围可能存在多个传感器节点，因此传感器感知到的数据通常是非常冗余的，在适当的时机完成冗余数据的网内聚合（in-Network Data Aggregation），对于减少通信量、节省能源是非常重要的，而减少通信量、节省能源则是无线传感器网络长期依赖的重要发展方向。另外，近些年对无线传感器网络的研究和实践表明，无线传感器网络还在向多应用和异构化方向发展。
3.1　多应用
随着无线传感器网络的发展，同一传感器网络将从支持单一应用向支持多种不同应用发展，大规模的无线传感器网络中将包括大量的异构的传感器节点。作为以数据为中心的网络，这样的无线传感器网络中将产生具有不同属性的、海量的传感数据。例如，在一个综合型大楼内采用大规模的传感网，可要求传感器网提供以下的服务：温度和湿度传感器负责监测大楼各部分的温度和湿度，并为中央空调提供调节的依据；需要移动目标监测传感器，监测大楼内部的人员分布情况，为分布式空调调节提供依据；需要视频传感器用于大楼安全。可以独立地部署这些传感器，也可以将不同的传感功能集合到同一传感器节点。所用传感器节点的功能不一定相同，它们产生的传感数据种类可能不同，同时由于需要满足不同的服务质量要求，传感数据的分发速率也可能不同。
3.2　异构化
随着无线传感器网的发展，传感器网内部的异构性（Heterogeneous）逐渐突出。除了传感器种类的不同导致传感数据种类不同之外，传感器节点的异构性还体现在节点的能源状况、通信能力、通信愿望、数据处理能力和数据处理愿望等。通信能力包括节点发送、接收数据的能力，转发（路由）数据的能力。通信愿望是指节点当前是否愿意参与网络通信；当节约能源不够充裕或者是因为当前周围环境很差、能够成功通信的概率很小时，节点可主动暂时退出网络通信。数据处理能力是指传感器节点是否能够完成网内数据聚合。部分节点可能不具有网内数据处理能力，或者为了节能或其它原因，暂时不参与网内数据处理。传感器节点之间的无线通信链路也不一定相同。
4、路由需求
路由问题是无线传感器网络的一个非常重要的问题，长期依赖是无线传感器网络研究的重点。现有的路由方法可以从网络体系结构上分为两种类型：平面型路由和分级路由算法。
平面型路由算法中，采用多跳方式完成数据从源节点到基站节点的传送。节点不仅同构，并且承担相同的角色：既感知环境收集传感数据，又作为路由器完成路由查询和数据转发。平面型路由算法中，最著名的是基于谈判的SPIN算法和定向发布算法。
SPIN算法假定每个节点都是潜在的基站节点，需要将每个节点的传感数据向其它节点分发。用户在查询任意节点时，都能很快得到所需要的数据。SPIN算法中引入了谈判机制，能够避免洪泛型路由为传感网带来过量的传感数据，从而节约能源。其改进算法SPIN-2能够根据自己的能源状况，决定是否减少参与转发其它节点的数据。SPIN最大的问题在于无法保证数据的送达。如果对某些传感数据感兴趣的节点远离感知数据的源节点，而源节点与目的节点之间的中间节点对这些数据不感兴趣，数据将不能被送达目的节点。所以SPIN算法不可能提供服务质量的保证。定向发布算法也是一种典型的多通路算法，采用洪泛的方式将查询注入网络，在产生传感数据的源节点和收集数据的基站节点间建立多条通路。多条通路的使用能够提高网络的可靠，提供鲁棒的数据路由。但是冗余数据在多条通路中传送会导致通信量大增，定向扩散算法引入了网内数据聚合来去掉冗余数据，减少通信量，节约能源。很多研究者在定向发布算法的基础上提出了改进，以提高能源利用率、降低能源消耗、防止部分节点的能源过度消耗。
上述的无线传感器网络中数据路由的研究主要针对同构的传感器节点相互协作，进行数据收集、处理和路由，完成传感任务。收集网络状态信息是实现数据路由的基础，但是网络的异构发展为异构无线传感网中收集网络状态信息带来了更大的挑战。描述异构的节点、链路的状态信息需要更多的数据量。由于整个网络中可能存在大量的传感器节点，对应着大量的资源状态信息，要将所有节点、链路的所有信息完整、及时地发送到每个节点是不现实的。在网络中发送洪泛信息将消耗大量的能源，甚至可能造成网络的拥塞，使异构无线传感器网络无法完成传感数据的传送。因此，研究高效、动态地汇聚、分发和更新网络资源状态信息的协议对异构无线传感器网络是非常重要的。
很多传感应用中对传感数据的路由有服务质量要求，比如监测环境温度的无线传感器网络，必须将感知到的异常的温度数据（比如火灾发生时）及时传送到观察者。如果不能及时传送到，观察者和决策系统就无法作出及时的响应，传感数据就失去了采集的意义。在同构的无线传感器网络中，在为有传输时延限制的传感数据寻找路由时，通常只需考虑通信链路的时延。在异构的无线传感器网络中，在选择路由时，还必须将潜在的通路中各个节点的不同通信能力、通信愿望以及通信链路的质量等因素纳入考虑范围。因此，需要研究异构无线传感器网络中支持服务质量的数据路由算法。
在无线传感器网络中，传感器节点经常由于环境的变化或电源耗尽而失效。同时由于传感器节点的通信能力有限，而无线传感器网又常常部署在恶劣的环境中，传感器节点之间的通信容易受各种自然因素的影响而导致失败。这些都会导致网络拓扑的变化。异构传感器网络的信息是海量的，这些信息来源于异构动态变化的网络，存在大量的冗余数据和不可靠的数据，研究鲁棒路由算法，对支持传感数据被可靠、正确地转发到基站节点是非常必要的。在异构无线传感器网络中，不同的传感器节点可能具有不同的通信愿望和通信能力，这使得可靠、正确地发送传感数据变得更为困难。特别地，当缺乏网络状态信息（甚至有关信息有）时，异构无线传感器网络需要鲁棒性很强的路由算法来保证数据的可靠发送。
5、结束语
在本文中我们探讨了无线传感器网络的结构和协议框架，指出了现有传感器网络的发展已经显现了异构性和多应用化的发展趋势，分析了未来无线传感器网络的路由改进需求。

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