無線傳感器網絡的體系結構與關鍵技術

朱祥賢 孫岐峰 楊 永

[摘 要]無線傳感器網絡(WSN)是通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網絡。它綜合了微傳感器、微機電系統(MEMS)、嵌入式、網絡通信和分布式信息處理等技術,是集信息采集、信息傳輸、信息處理于一體的智能化信息系統。本文主要介紹了無線傳感器網絡的體系結構、傳感器節點的組成、協議棧和關鍵技術。

[關鍵詞]無線傳感器網絡 體系結構 協議棧 關鍵技術

[中圖分類號]TQ114[文獻標識碼]A[文章編號]1007-9416(2009)11-0042-03

The Architecture and Key Techniques of Wireless Sensor Network

Zhu Xiangxian, Sun Qifeng, Yang Yong

Huaian College of Information Technology, Huaian , 223003,China

[Abstract]Wireless sensor network is a self-organized network by the wireless communication way. It is a intellectualized information system with information collecting, processing and transmitting, which integrated the technologies of micro-sensor, micro-electron mechanical system, embedded chip, network communication and distributed information processing. This paper introduces the architecture, sensor node, protocol stack of wireless sensor network, describes its key techniques.

[Keywords]Wireless Sensor Network,Architecture,Protocol Stack,Key Techniques

無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network, WSN)是當前在國際上倍受關注的、涉及多學科高度交叉、知識高度集成的前沿熱點領域。它以網絡為支撐,綜合了微智能傳感器技術、微機電系統、嵌入式計算技術、無線通信技術、分布式低功耗信息處理等技術,由部署在檢測區域內大量廉價的微型傳感器節點,通過無線通信的方式形成的一個多跳的自組織的網絡系統,執行一種全新的信息獲取和處理模式,可以完成數據的采集、存儲、處理以及進行無線通信,協作地將感知對象的信息發送給用戶。

無線傳感網絡是信息技術的新領域,美國商業周刊和MIT技術評論在預測未來技術發展的報告中,分別將無線傳感器網絡列為二十一世紀最有影響的二十一項技術和改變世界的十大技術之一,其廣泛應用是一種必然趨勢,它必將會給人類社會帶來極大的變革。

1 無線傳感器網絡的體系結構

微傳感器技術、微電子技術和無線通信技術的進步,推動了低功耗多功能無線傳感器網絡的快速發展,使其在微小體積內能夠集成信息獲取、數據處理和無線通信等多種功能。

1.1 無線傳感器網絡系統架構

無線傳感器網絡系統架構如圖1所示,無線傳感器網絡系統通常包括傳感器節點(sensor node)、匯聚節點(sink node)和管理節點。大量傳感器節點隨機部署在監測區域(sensor field),以無線自組織的方式構成網絡。傳感器節點采集的數據通過其它傳感器節點逐跳地在網絡中傳輸,經過多跳后路由到匯聚節點,最后通過互聯網或者衛星到達數據處理中心管理節點。用戶通過管理節點沿著相反的方向對傳感器網絡進行配置和管理,發布監測任務以及收集監測數據。

(1)傳感器節點

無線傳感器網絡是由大量的傳感器節點組成的網絡系統,每個傳感器節點通常是一個微型的嵌入式系統,它具有感知能力、處理能力、存儲能力和通信能力。傳感器節點一般包括數據采集模塊、處理控制模塊、無線通信模塊和能量供應模塊。其中,數據采集模塊負責對感知對象的信息進行采集和數據轉換;處理控制模塊負責控制整個傳感器節點的操作,存儲與處理自身采集的數據以及其他節點發來的數據;無線通信模塊負責與其他傳感器節點通信,交互控制信息和收發數據業務;能量供應模塊為傳感器節點提供運行所需的能量,一般采用電池供電,一旦電源耗盡,節點就失去了工作能力。見圖2。

(2)匯聚節點

匯聚節點處理能力、存儲能力和通信能力相對較強,它連接傳感器網絡和Internet等外部網絡,實現兩種協議棧之間的通信協議的轉換,同時發布管理節點的監測任務,并把收集的數據轉發到外部網絡上。匯聚節點既可以是一個具有增強功能的傳感器節點,有足夠的能量供給和更多的內存與計算資源,也可以是沒有監測功能僅帶有無線通信接口的特殊網關設備.

(3)管理節點

即用戶節點,用戶通過管理節點對傳感器網絡進行配置和管理,發布監測任務以及收集監測數據。

拋撒在監測區域的傳感器節點以自組織方式構成網絡,采集數據之后以多跳中繼方式將數據傳回sink節點,由sink節點將收集到的數據通過互聯網或移動通信網絡傳送到遠程監控中心進行處理。在這個過程中,傳感器節點既充當感知節點,又充當轉發數據的路由器。目前傳感器節點的軟硬件技術是無線傳感器網絡研究的重點。

1.2 無線傳感器網絡的協議棧

無線傳感器網絡的協議棧包括物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層,還包括能量管理、移動管理和任務管理等平臺。這些管理平臺使得傳感器節點能夠按照能源高效的方式協同工作,在節點移動的傳感器網絡中轉發數據,并支持多任務和資源共享。

圖3所示為協議棧模型,定位和時間子層在協議棧中的位置比較特殊,它們既要依賴于數據傳輸通道進行協作定位和時間同步協商,同時又要為各層網絡協議提供信息支持,如基于時分復用的MAC協議、基于地理位置的路由協議等都需要定位和同步信息。

物理層:負責數據傳輸的介質規范,規定了工作頻段、工作溫度、數據調制、信道編碼、定時、同步等到標準。無線傳感器網絡的傳輸介質可以是無線、紅外和激光,實現為數據終端設備提供傳送數據的通路和完成數據傳輸。為了確保能量的有效利用,保持網絡生存時間的平滑性能,物理層與介質訪問控制(MAC)子層就密切關聯使用。物理層的設計直接影響到電路的復雜度和傳輸能耗等問題,研究目標是設計低成本、低功耗和小體積的傳感器節點。

數據鏈路層:負責數據流的多路復用、數據幀檢測、媒體介入和差錯控制,以保證無線傳感器網絡中節點之間的連接。由于網絡無信道的特性,環境噪聲、節點移動和多點沖突等現象在所難免,而能量問題又是傳感器網絡的核心問題。因此,該層最主要的是設計一個適合于傳感器網絡的介質訪問控制方法(MAC)。介質訪問控制方法是否合理與高效,直接決定了傳感器節點間協調的有效性和對網絡拓撲結構的適應性,合理與高效的介質訪問控制方法能夠有效的減少傳感器節點收發控制性數據的比率,進而減少能量損耗。

網絡層:負責路由發現、路由維護和路由選擇,實現數據融合,使得傳感器節點可以實現有效的相互通信。路由算法執行效率的高低,直接決定了傳感器節點收發控制性數據與有效采集數據的比率。路由算法設計時需要特別考慮能耗的問題。根據路由轉發的原理不同,傳感器網絡的路由協議又可以分為平面路由和層次路由兩種。

傳輸控制層:負責數據流的傳輸控制,實現將傳感器網絡的數據提供給外部網絡,是保證通信服務質量的重要部分。由于傳感器網絡的研究還處于初期階段,還沒有一個專門的傳感器網絡傳輸層協議。如果傳感器網絡要通過現有的Internet網絡或衛星與外界通信,必然需要將傳感器網絡內部以數據為基礎的尋址,變換為外界的以IP地址為基礎的尋址,即必需進行數據格式的轉換。

應用層:包括一系列基于監測任務的應用層軟件。與傳輸層類似,應用層研究也相對較少。應用層的傳感器管理協議、任務分配和數據廣播管理協議以及傳感器查詢和數據傳播管理協議是傳感器網絡應用層需要解決的三個潛在問題。

傳感器網絡的應用支撐服務包括時間同步和定位,其中時間同步服務為協同工作的傳感器節點提供本地時鐘同步;節點定位服務依靠有限的已知節點,確定其他節點的位置,在系統中建立起一定的空間關系。

在各層設計中還要考慮能量、安全等。拓撲管理主要是為了節約能量,制定節點的休眠策略,保證網絡暢通;QoS的服務主要是為用戶提供高質量的服務;網絡管理主要是實現在傳感器網絡的環境下對各種資源的管理,為上層應用服務的提供一個集成的網絡環境。

2 無線傳感器網絡的關鍵技術

無線傳感器網絡是一個綜合智能信息系統,其構建是一個龐大的系統工程,涉及到的研究工作和需要解決的問題在每一個層面上都很多:

2.1 網絡通信協議

由于傳感器節點的計算能力、存儲能力、通信能量以及攜帶的能量都十分有限,每個節點只能獲取局部網絡的拓撲信息,因而節點上所運行的網絡通信協議也不能太復雜。同時,傳感器網絡拓撲結構與周邊環境動態變化,網絡資源也在不斷變化,這些都對網絡協議提出了更高的要求。傳感器網絡的通信協議包括物理層、數據鏈路層、網絡層和傳輸層,它們相互配合運行使得若干獨立的傳感器節點能夠形成一個多跳的動態的數據采集與處理網絡。傳感器網絡的MAC協議首先要考慮節省能源和擴展性,其次才考慮公平性、利用率和實時性等。路由協議不僅關心單個節點的能量消耗,更關心整個網絡能量的均衡消耗,這樣才能延長整個網絡的生存期。

2.2 核心支撐技術

無線傳感器網絡的核心支撐技術包括拓撲控制、節點定位、時間同步、網內信息處理、網絡安全等。無線傳感器網絡的核心支撐技術使用網絡通信協議提供的服務,并通過應用服務接口來屏蔽底層網絡的細節,使終端用戶可以方便地對無線傳感器網絡進行操作。

通過拓撲控制自動生成的良好的網絡拓撲結構,能夠提高路由協議和MAC協議的效率,可為數據融合、時間同步和目標定位等很多方面奠定基礎,有利于節省節點的能量來延長網絡的生存期;確定事件發生的位置或采集數據的節點位置是傳感器網絡最基本的功能之一。為了提供有效的位置信息,隨機部署的傳感器節點必須能夠在布置后確定自身位置,定位機制必須滿足自組織性、健壯性、能量高效、分布式計算等要求;時間同步是需要協同工作的傳感器網絡系統的一個關鍵機制。如測量移動車輛速度需要計算不同傳感器檢測事件時間差,通過波束陣列確定聲源位置節點間時間同步;網絡安全包括通信安全和信息安全,常采用密鑰管理、安全路由、安全組播、數據融合和入侵檢測等策略防范和抵御攻擊。

2.3 自組織管理

多變的網絡狀況及外在環境要求無線傳感器網絡具有自組織能力,能夠自動組網運行、自動配置維護、適時轉發監測數據等,包括節點管理、數據管理、任務管理和系統維護等。

節點管理內容包括:節點休眠/喚醒機制中保證網絡覆蓋度的各種算法、節點自身的計算和傳感資源的動態管理、功率管理中的網絡連通性控制算法等,要力求降低算法復雜度,降低信息收集過程的協議開銷;數據管理包括:數據模式、數據存儲、數據索引、數據查詢等;任務管理則包括:任務分配、任務調度、負載均衡等。

2.4 開發與應用

無線傳感器網絡的開發與應用包括仿真平臺、硬件系統開發、操作系統開發、應用軟件開發等。

3 結語

無線傳感器網絡是一種新的信息獲取和處理技術,隨著傳感器技術、無線通信技術、嵌入式計算技術的飛速發展和完善,具有感知能力、計算能力和通信能力的微型傳感器節點不斷更新,很多公司和研究機構相應推出了很多無線傳感器網絡的軟件,無線傳感器網絡將會在軍事戰場監控、環境監測、工業生產、企業管理、交通、醫療保健等領域得到十分廣泛的應用。

[參考文獻]

[1] Akyildiz I F, Su W, Sankarasubramaniam Y, Cayirci E. Wireless Sensor Networks: a survey[J]. Computer Networks, 2002,38:393~422.

[2] Cullar D, Estrin D, Strvastava M. Overview of Sensor Network[J]. Computer,2004, 37(8).

[3] Callaway E H. Wireless Sensor Network: Architecture and Protocols[M].CRC Press LLC, 2004.

[4] 馬祖長,孫怡寧,等.無線傳感器網絡綜述[J].通信學報,2004.4.

[5] 李善倉,張克旺.無線傳感器網絡原理與應用[M].北京:機械工業出版社,2008.

[6] 李曉維,徐勇軍,等.無線傳感器網絡技術[M].北京:北京理工大學出版社,2007.

[7] 沙超,董挺挺,等.無線傳感器網絡硬件平臺的研究與設計[J].電子工程師,2006.5.

[8] 李方敏,徐文君,等.無線傳感器網絡功率控制技術[J].軟件學報,2008.3.

[9] 王殊,閻毓杰,等.無線傳感器網絡的理論及應用[M]. 北京:北京航空航天大學出版社,2007.

[10] 何滔,熊斌斌,等.無線傳感器網絡體系結構[J].中國計算機學會通信,2006.5.

[11] 于海濱,曾鵬,等.分布式無線傳感器網絡通信協議研究[J].通信學報,2004,25(10).

[12] 王磊,路建軍,等.無線傳感器網絡路由協議的節能研究與設計[J].計算機工程與設計,2007.12.