无线传感器网络通信与路由研究

肖　军　李　科　王建华

摘要：随着无线通信和数字电子技术的发展，由低成本、低功耗、多功能的无线传感器节点组成的无线传感网络得到迅速发展。无线传感网络是由很多无线传感器节点密集分布组成的，它具有以下特性：各传感器节点位置随机分布，具有自组织特性；各节点共同协作完成数据收集、路由任务，具有很好的协作特性。无线传感网络的这些特性使得它在医疗、环境监测、军事和智能家庭等领域有了广泛的应用。

本文从介绍无线传感器网络的发展入手，分析了无线传感器的网络结构，节点结构，节点的限制，网络特点，在此基础上继续分析了无线传感器网络的路由协议以及现有的路由协议分类。

关键词：无线传感器；路由；节点；协议

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)18-20ppp-0c

The Research of Communications and Route of Wireless Sensor Network

XIAO Jun,LI Ke, WANG Jian-hua

（Northwest institute of nuclear engineering, Xi'an Shanxi province 710024, China）

Abstract:With the advances of wireless communication and micro-processor technologies, it becomes possible for large amounts of low-cost, low-power, multifunctional sensor nodes to build high-quality wireless sensor networks. These nodes have many specific features: densely distributing in working field with random location and self-organization ability; adaptively collaborating with other nodes for data routing and transmission. All these advantages enable broad use of wireless sensor networks in the fields of Health-care, Environment Monitoring, Military and Smart Home.

This article obtains from the wireless sensor network communications research, and study the framework, characteristic of the wireless sesor network, then analyse the framework of the netnote and the limiting condition of the netnote; at last , this paper study the router protocol of the wireless sensor network.

Keyword: the wireless sensor; route; node; protocol

近年来随着微电子技术、传感器技术及通信技术的发展，无线传感器网络技术发展迅猛[1]，进展很快。无线传感器网络是由一组传感器节点通过无线连接构成的无线网络，它布置大量微型的智能传感器节点，通过节点的协同工作来采集和处理网络覆盖区域中的目标信息。

无线传感器网络无论是在国家安全，还是国民经济等方面均有着广泛的应用前景。未来，传感器网络将向天、空、海、陆、地下一体化综合传感器网络的方向发展，最终将成为现实世界和数字世界的接口，深入到人们生活的各个层面，像互联网一样改变人们的生活方式。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。本文主要有武定县传感器网络的特点入手，着重介绍传感器的网络机构，节点的布置结构及其限制条件，以及对应此结构的路由协议的介绍。

1 无线传感器网络的特点

无线传感器网络是一种新兴技术，它是将传感器技术，通信技术以及网络技术结合的产物，相较于传统的网络以及传感器，它具有突出的特点：

(1)大规模网络[2]

为了获取精确信息，在监测区域通常部属大量传感器节点，传感器节点数量可能达到上万个，甚至更多。传感器网络的大规模包含两个含义：一是分布的地理区域大，如一片森林；二是节点分布密集，在一个面积不大的空间内可能有大量的节点。

(2)自组织网络

布置传感器节点时，节点的位置通常不能预先精确设定，节点之间的邻居关系也不能预先知道。这样就要求传感器节点有自组织的能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成多跳无线网络。

(3)动态性网络

传感器网络的拓扑结构可能由于如下原因而改变：1.环境因素和电能耗尽造成节点出现故障或失效；2.环境条件变化造成无线通信链路带宽变化，甚至时断时续；3.传感器节点、感知对象、观察者可能都具有移动性；4.新节点的加入。因此，在设计传感器网络时，就要求考虑网络具有能适应这种变化的能力。

(4)可靠的网络

传感器网络通常部属在恶劣的环境下，或者人类不宜到达的区域。这就要求节点比较坚固，能适应各种恶劣环境条件。另外由于不能进行人工维护，网络的通信保密性和安全性也十分重要。

(5)应用相关的网络

不同的应用背景对传感器网络的要求不同，其硬件平台、软件系统和网络协议也存在很大的差异。所以传感器网络不能像 Internet一样有统一的通信协议平台。开发传感器网络的应用时，要注意传感器网络的差异。只有让系统更贴近应用，才能做出更高效的应用。

(6)以数据为中心的网络

传感器网络是任务型的网络，脱离网络谈节点没有任何意义。用户使用传感器网络查询事件时，直接将事件告知网络，而不是告知某个节点。网络获得事件的信息后汇报给用户。这种以数据本身作为查询或传输线索的思想更接近自然语言交流的习惯。所以传感器网络是一个以数据为中心的网络。

2 无线传感器的网络结构

基于以上介绍的无线传感器网络的特点，一般传感器网络结构如图1，它通常包括传感器节点（sensor node）、汇聚节点（sink node）和管理节点。大量传感器节点随机部属在监测区域（sensor field）内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其它传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务和收集监测数据[3]。

传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过携带能量有限的电池供电。从网络功能上看，每个传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其它节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其它节点协作完成一些特定的任务。

图1 无线传感器网络的结构

汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对较强，它连接传感器网络与Internet等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同时发布管理节点的监测任务，并把收集的数据转发到外部网络上。汇聚节点既可以是一个具有增强功能的传感器节点，也可以是没有功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备。

3 无线传感器节点结构

传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成，如图2所示。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其它节点发来的数据；无线通信模块负责与其它传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池,具体的节点的机构如图2。

基于以上介绍的传感器网络节点的结构特性和功能特性，这样就存在一些对传感器的设计的限制条件

(1)电源能量有限：传感器节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池。而且传感器所分布的区域通常是人迹罕至的，所以通过更换电池的方式补充能量是不可能的。

图2 传感器节点的结构

(2)通信能力有限：无线通信的能量消耗与通信距离的关系[1]为：

其中参数a满足关系2

(3)计算和存储能力有限[4]：传感器节点是一种微型嵌入式设备，价格低功耗小，所以其处理器能力比较弱，存储容量比较小。

4 无线传感器网络的路由协议的特点

在无线传感器网络中，路由协议负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点，它主要包括两个方面的功能：寻找源节点和目的节点间的优化路径，将数据分组沿着优化路径正确转发。Adhoc、无线局域网等传统无线网络的首要目标是提供高服务质量和公平高效地利用网络带宽，这些网络路由协议的主要任务是寻找源节点到目的节点间通信延迟小的路径，同时提高整个网络的利用率，避免产生通信拥塞并均衡网络流量等，而能量消耗问题不是这类网络考虑的重点。

在无线传感器网络中，节点能量有限且一般没有能量补充，因此路由协议需要高效利用能量，同时传感器网络节点数目往往很大，节点只能获取局部拓扑结构信息，路由协议要能在局部网络信息的基础上选择合适的路径传输[14]。传感器网络具有很强的应用相关性，不同应用中的路由协议可能差别很大，没有一个通用的路由协议。此外，传感器网络的路由机制还经常与数据融合技术联系在一起，通过减少通信量而节省能量。因此，传统无线网络的路由协议不适应于无线传感器网络。

与传统网络的路由协议相比，无线传感器网络的路由协议具有以下特点：

(1)能量优先：传统路由协议在选择最优路径时，很少考虑节点的能量消耗问题。而无线传感器网络中节点的能量有限，延长整个网络的生存期成为传感器网络路由协议设计的重要目标，因此需要考虑节点的能量消耗以及网络能量均衡使用的问题。

(2)基于局部拓扑信息：无线传感器网络为了节省通信能量，通常采用多跳的通信模式，而节点有限的存储资源和计算资源，使得节点不能存储大量的路由信息，不能进行太复杂的路由计算。在节点只能获取局部拓扑信息和资源有限的情况下，如果实现简单高效的路由机制是无线传感器网络的一个基本问题。

(3)以数据为中心：传统的路由协议通常以地址作为节点的标识和路由的依据，而无线传感器网络中大量节点随机部署，所关注的是检测区域的感知数据，而不是具体哪个节点获取的信息，不依赖于全网唯一的标识。传感器网络通常包含多个传感器节点到少数汇聚节点的数据流，按照对感知数据的需求、数据通信模式和流向等，以数据为中心形成消息的转发路径。

(4)应用相关传感器网络的应用环境千差万别，数据通信模式不同，没有一个路由机制适合所有的应用，这是传感器网络应用相关性的一个体现。设计者需要针对每一个具体应用的需求，设计与之适应的特定路由机制。

5 无线传感器网络路由协议的分类

无线传感器网络路由协议的设计极负挑战性，它与传统的无线Adhoc网络有着无全局标识、多对一通信、数据冗余大、资源局限强等不同的特色[5]。针对无线传感器网络中数据传送的特点和难题，许多新的路由协议得到了提出。这些路由协议可以大致分为四类：能量感知路由协议，层次式路由协议，以数据为中心的路由协议，以及基于位置信息的路由协议。

(1)能量感知路由协议：高效利用网络能量是传感器网络路由协议的一个显著特点，能量感知路由协议从数据传输中的能量消耗出发，讨论最优能量消耗路径以及最长网络生存期等问题。

(2)层次式路由协议：它的基本思想是将传感器节点分簇，簇内通讯由簇头节点来完成，簇头节点进行数据聚集和合成减少传输信息量，最后簇头节点把聚集的数据传送给终端节点。这种方式能满足传感器网络的可扩展性，有效的维持传感器节点的能量消耗，从而延长网络生命周期。

(3)以数据为中心的路由协议：它提出对传感器网络中的数据用特定的描述方式命名，数据传送基于数据查询并依赖数据命名，所有的数据通信都限制局部范围内。这种方式的通信不再依赖特定的节点，而是依赖于网络中的数据，从而减少了网络中大量传送的重复冗余数据，降低了不必要的开销，从而延长网络生命周期。

(4)基于位置信息的路由协议：它利用节点的位置信息，把查询或者数据转发给需要的地域，从而缩减数据的传送范围。实际上许多传感器网络的路由协议都假设节点的位置信息为已知，所以可以方便的利用节点的位置信息将节点分为不同的域。基于域进行数据传送能缩减传送范围缓和中间节点，从而延长网络生命周期。

6 总结

近年来随着微电子技术、传感器技术及通信技术的发展，无线传感器网络技术发展迅猛，进展很快，而且在军事与民用方面的一些具体应用(如军事侦察、环境监测等)也取得了成功，使得无线传感器网络的应用前景一片光明。本文对无线传感器网络的基本概念、特点、体系结构、性能评价标准进行了研究和分析，在此基础上，研究了无线传感器网络的路由协议的特点及设计因素，为设计和建造无线传感器网络提供了必要的技术参考可实施依据。

参考文献：

[1] I.Akyildiz,W.Su,Y.Sankara subramaniam,E.Cayirci.Wirelesssensornetworks:a survey[j].Computer Networks (Elsevier),2002,38(4):393-422.

[2] 孙利民,李建中,陈渝等.无线传感器网络(第1版)[M].北京:清华大学出版社,2005,3-132.

[3] Sameer Tilak,Nael B.Abu-Ghazaleh and WendiHeinzelman.Ataxonomy of Wireless Micro-SensorNetwork Models[j].ACM Mobile Computing and Communications Review(MC2R),2002,6(2):1-8.

[4] IN AI-Karaki,AE Kamal.Routing techniques in wireless sensor Wireless Comm[j].2004(11):6-28.

[5] Kemal Akkaya et al.ASurveyonRoutingProtocols for Wireless SensorNetworks[j].In The Elsevier Ad HocNetworkJournal,2003(8).

收稿日期：2008-04-10

作者简介：肖军（1976-），陕西洛南，工程师，计算机与软件开发；李科（1983-）湖北天门，助理工程师，计算机与软件开发；王建华（1964-）江西定南，高级工程师，机电工程。