無線傳感器網絡技術發展綜述

于碩

摘 要：無線傳感器網絡技術融合了多種技術手段，兼具低功耗、低成本、多功能的優點，已經成為當代熱門前沿技術。該文主要介紹了無線傳感器網絡技術的研究現狀與關鍵技術，并對目前無線傳感器網絡改進算法進行了綜述，主要涉及路由協議、MAC協議以及物理層3個方面。同時剖析了無線傳感器網絡的研究動態，其后在新時代的發展背景下為無線傳感器網絡描繪了美好的愿景。

關鍵詞：無線傳感器網絡 路由協議 MAC協議 物理層

中圖分類號：TP212.9 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）02（b）-0047-02

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN）是一個自組織的多跳的網絡結構，其網狀的內部結構是以大量傳感器作為節點[1]。無線傳感器網絡的組成節點可以實時獲取，傳遞節點所在區域內的有效信息，并通過傳輸協議將信息傳輸給接收端[2]。WSN具有分布式、自組織性、靈活性強、可擴展等優點[3]。然而，因為無線傳感器網絡具有節點能量有限和結構簡單的不足，導致了其容易因發生故障或能量耗盡而無法繼續工作，降低了WSN的工作壽命，影響了WSN的穩定性。WSN特點是節點能量有限，網絡中存在大量數據冗余，帶寬資源有限。

WSN目前還沒有廣泛的應用于商業，目前大多集中在科學研究和實驗中。例如目標跟蹤、火山監測、醫療健康等。僅僅這幾點就能透露出WSN的無限潛能，也預示了良好的商業應用前景。

1 最新優化技術

以下是最新發表的關于節點能量有限的優化技術，分別從路由協議、MAC協議以及物理層3個方面入手，對已有的算法進行優化，實現WSN有效工作時間的增加。

1.1 基于LEACH的改進算法

低能耗自適應遞階分簇算法（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy，LEACH），基本原理是改變簇頭的輪流篩選機制，使每個傳感器節點都平均地參與信息傳遞，從而達到低功耗，增加網絡工作時間的目的。LEACH路由算法易理解，效果明顯，許多基于路由協議的改進算法繼承了LEACH算法的基本思想和流程。

許廣鍵[4]以節點殘余能量為主要參考依據對其進行改進，提出了應用策略選取區域最優簇頭數的方法，以解決原算法的簇頭選擇失衡導致的低效傳遞，并加入到最近的周圍簇中，從而避免了節點能量不充足難以傳遞消息的情況。

張志艷[5]基于最短有效轉發距離提出了多跳分簇無線傳感器網絡路由算法（Restriction Distance based Multi-hop Clustering，RDMC）。其主要思想是：（1）改善簇頭選舉機制，簇首優先選擇剩余能量多，鄰居節點密度大的節點成為簇頭節點；（2）進行數據轉發時，簇頭節點按照最節省能量的最優跳數，均衡網絡消耗；（3）同時縮短了有效轉發距離，使節點的電路開銷降到最低。

1.2 基于功率控制的無線傳感器網絡MAC協議

無線傳感器網絡MAC層需要解決的主要問題就是如何去共享無線信道[6]。實驗結果表明，WSN節點的能量消耗集中在無線通信部分，而MAC協議直接控制數據的收發。合理地改進MAC協議，進而控制節點的通信距離能夠有效降低無線傳感器網絡的功耗。通過一定的有效設計來提高網絡生命時長，因此要求降低能耗，提高系統吞吐率。

自適應功率控制的MAC協議[7]（Adaptive Power Control MAC，APC-MAC）在此基礎上被提出。該協議主要圍繞著計算最優發射功率，建立功率調度表和篩選干擾節點。首先獲取全局節點的調度表，按照此進行分配，提高了信道利用率；使判斷為干擾的節點進入休眠，從而加速網絡的傳遞消息的有效性和準確率。

1.3 基于物理層和硬件的收發器能耗優化

節點是無線傳感器網絡能耗的主要問題，所以大部分的優化方案從路由協議入手，但是很少從物理層和硬件方面考慮。姚信威等[8]聯系物理層和節點硬件電路來降低數據傳輸能耗。其方案重點在于通信模塊。建立收發器能量消耗模型，在發送器端，能量消耗在發送數據和發送電路。

通過對電路的分析和使用模擬軟件得到以下結論：最佳通信距離隨干擾噪聲呈單調遞減特性，而單位距離能耗遞增。從底層能耗出發，進一步降低物理層和節點硬件能耗能從整體上提升WSN的續航時間。提出了重傳機制下單位比特數據成功傳輸能耗最小化通用優化模型，通過能耗值在多種情況下的變化，計算出多種網絡環境下的最優通信間隔。

2 發展趨勢

總體上，未來無線傳感器網絡的研究可能主要集中于以下幾點。

（1）能耗問題，是WSN走向實際應用的主要受制約項。因為節點的能量是有限的，代表著可工作時間，因此功耗問題是非常重要的。這一方向已經成為了無線傳感器網絡研究的主攻課題。目前許多以低功耗為目標的無線傳感器網絡協議已經被提出，用來應對節點能量困難，相信未來將會取得更大的進步。

（2）微型節點，利用現在的微電子通信技術，將傳感器節點設計成體積十分小，而且壽命長是一個重要的方向。

（3）低成本，隨著科技不斷進步，盡管微型傳感器的單價已經降低許多，但完整的WSN可能需要百萬個節點，這仍舊是很大一筆開支。如果能夠有效地降低節點的支出金額，將會大大推動WSN的發展。

（4）安全性問題和抗干擾問題，WSN也與普通無線網絡一樣存在這樣的問題，如數據加密。還有如何在毀損或受干擾的情況下準確地完成執行的目標，也是一個重要的研究方向。

（5）自動配置節點，未來將重點放在如何在多節點根據一定的規則形成的網絡。當有節點發生錯誤時，網絡上可以很快的找到這些節點，并不會影響網絡的正常使用。

3 結語

毋庸置疑，無線傳感器網絡將是當今時代最具應用價值的前沿技術。無線傳感器網絡的實際應用將會為人類帶來無限便捷。目前，WSN只有少部分投入使用，離大規模地服務于人類還有一定距離。許多協議還停留在理論上，僅僅通過仿真軟件模擬等，科研人員正在抓緊腳步爭取新的突破。不過終將有一天，無線傳感器網絡會走入千家萬戶，醫療、出行、購物，無一不體現科技帶來的方便快捷，軍事、工業、環境也將進入全新的世界。

參考文獻

[1] 王塞博，劉素凱，毛先柏.無線傳感器網絡綜述[J].信息通信，2014（8）：61-62.

[2] 徐晶晶，張欣慧，許必宵，等.無線傳感器網絡分簇算法綜述[J].計算機科學，2017（2）：31-36.

[3] 覃智.關于無線傳感器網絡WSN的關鍵技術的探究[J].科技資訊，2017（12）：4-5.

[4] 許廣健.無線傳感器網絡路由算法的研究與實現[D].南京郵電大學，2011.

[5] 張志艷.無線傳感器網絡LEACH路由算法研究與改進[D].西南交通大學，2014.

[6] 吳文平.無線傳感器網絡WSN的MAC協議的分析與研究[J].陰山學刊，2017（4）：71-73.

[7] WooS，Kim K.APC-MAC/TA： Adaptive power controlled MAC protocol with traffic awareness for wireless sensor networks[A].IEICE Transactions on Communications[C].2010：91-96.

[8] 姚信威，王萬良，吳騰超，等.不同調制機制下無線傳感網收發器能耗優化模型[J].傳感技術學報，2013（8）：1140-1146.