无线传感器网络的体系结构与关键技术

朱祥贤 孙岐峰 杨 永

[摘 要]无线传感器网络(WSN)是通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。它综合了微传感器、微机电系统(MEMS)、嵌入式、网络通信和分布式信息处理等技术,是集信息采集、信息传输、信息处理于一体的智能化信息系统。本文主要介绍了无线传感器网络的体系结构、传感器节点的组成、协议栈和关键技术。

[关键词]无线传感器网络 体系结构 协议栈 关键技术

[中图分类号]TQ114[文献标识码]A[文章编号]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

无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)是当前在国际上倍受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点领域。它以网络为支撑,综合了微智能传感器技术、微机电系统、嵌入式计算技术、无线通信技术、分布式低功耗信息处理等技术,由部署在检测区域内大量廉价的微型传感器节点,通过无线通信的方式形成的一个多跳的自组织的网络系统,执行一种全新的信息获取和处理模式,可以完成数据的采集、存储、处理以及进行无线通信,协作地将感知对象的信息发送给用户。

无线传感网络是信息技术的新领域,美国商业周刊和MIT技术评论在预测未来技术发展的报告中,分别将无线传感器网络列为二十一世纪最有影响的二十一项技术和改变世界的十大技术之一,其广泛应用是一种必然趋势,它必将会给人类社会带来极大的变革。

1 无线传感器网络的体系结构

微传感器技术、微电子技术和无线通信技术的进步,推动了低功耗多功能无线传感器网络的快速发展,使其在微小体积内能够集成信息获取、数据处理和无线通信等多种功能。

1.1 无线传感器网络系统架构

无线传感器网络系统架构如图1所示,无线传感器网络系统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署在监测区域(sensor field),以无线自组织的方式构成网络。传感器节点采集的数据通过其它传感器节点逐跳地在网络中传输,经过多跳后路由到汇聚节点,最后通过互联网或者卫星到达数据处理中心管理节点。用户通过管理节点沿着相反的方向对传感器网络进行配置和管理,发布监测任务以及收集监测数据。

(1)传感器节点

无线传感器网络是由大量的传感器节点组成的网络系统,每个传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统,它具有感知能力、处理能力、存储能力和通信能力。传感器节点一般包括数据采集模块、处理控制模块、无线通信模块和能量供应模块。其中,数据采集模块负责对感知对象的信息进行采集和数据转换;处理控制模块负责控制整个传感器节点的操作,存储与处理自身采集的数据以及其他节点发来的数据;无线通信模块负责与其他传感器节点通信,交互控制信息和收发数据业务;能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量,一般采用电池供电,一旦电源耗尽,节点就失去了工作能力。见图2。

(2)汇聚节点

汇聚节点处理能力、存储能力和通信能力相对较强,它连接传感器网络和Internet等外部网络,实现两种协议栈之间的通信协议的转换,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,有足够的能量供给和更多的内存与计算资源,也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备.

(3)管理节点

即用户节点,用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理,发布监测任务以及收集监测数据。

抛撒在监测区域的传感器节点以自组织方式构成网络,采集数据之后以多跳中继方式将数据传回sink节点,由sink节点将收集到的数据通过互联网或移动通信网络传送到远程监控中心进行处理。在这个过程中,传感器节点既充当感知节点,又充当转发数据的路由器。目前传感器节点的软硬件技术是无线传感器网络研究的重点。

1.2 无线传感器网络的协议栈

无线传感器网络的协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层,还包括能量管理、移动管理和任务管理等平台。这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作,在节点移动的传感器网络中转发数据,并支持多任务和资源共享。

图3所示为协议栈模型,定位和时间子层在协议栈中的位置比较特殊,它们既要依赖于数据传输通道进行协作定位和时间同步协商,同时又要为各层网络协议提供信息支持,如基于时分复用的MAC协议、基于地理位置的路由协议等都需要定位和同步信息。

物理层:负责数据传输的介质规范,规定了工作频段、工作温度、数据调制、信道编码、定时、同步等到标准。无线传感器网络的传输介质可以是无线、红外和激光,实现为数据终端设备提供传送数据的通路和完成数据传输。为了确保能量的有效利用,保持网络生存时间的平滑性能,物理层与介质访问控制(MAC)子层就密切关联使用。物理层的设计直接影响到电路的复杂度和传输能耗等问题,研究目标是设计低成本、低功耗和小体积的传感器节点。

数据链路层:负责数据流的多路复用、数据帧检测、媒体介入和差错控制,以保证无线传感器网络中节点之间的连接。由于网络无信道的特性,环境噪声、节点移动和多点冲突等现象在所难免,而能量问题又是传感器网络的核心问题。因此,该层最主要的是设计一个适合于传感器网络的介质访问控制方法(MAC)。介质访问控制方法是否合理与高效,直接决定了传感器节点间协调的有效性和对网络拓扑结构的适应性,合理与高效的介质访问控制方法能够有效的减少传感器节点收发控制性数据的比率,进而减少能量损耗。

网络层:负责路由发现、路由维护和路由选择,实现数据融合,使得传感器节点可以实现有效的相互通信。路由算法执行效率的高低,直接决定了传感器节点收发控制性数据与有效采集数据的比率。路由算法设计时需要特别考虑能耗的问题。根据路由转发的原理不同,传感器网络的路由协议又可以分为平面路由和层次路由两种。

传输控制层:负责数据流的传输控制,实现将传感器网络的数据提供给外部网络,是保证通信服务质量的重要部分。由于传感器网络的研究还处于初期阶段,还没有一个专门的传感器网络传输层协议。如果传感器网络要通过现有的Internet网络或卫星与外界通信,必然需要将传感器网络内部以数据为基础的寻址,变换为外界的以IP地址为基础的寻址,即必需进行数据格式的转换。

应用层:包括一系列基于监测任务的应用层软件。与传输层类似,应用层研究也相对较少。应用层的传感器管理协议、任务分配和数据广播管理协议以及传感器查询和数据传播管理协议是传感器网络应用层需要解决的三个潜在问题。

传感器网络的应用支撑服务包括时间同步和定位,其中时间同步服务为协同工作的传感器节点提供本地时钟同步;节点定位服务依靠有限的已知节点,确定其他节点的位置,在系统中建立起一定的空间关系。

在各层设计中还要考虑能量、安全等。拓扑管理主要是为了节约能量,制定节点的休眠策略,保证网络畅通;QoS的服务主要是为用户提供高质量的服务;网络管理主要是实现在传感器网络的环境下对各种资源的管理,为上层应用服务的提供一个集成的网络环境。

2 无线传感器网络的关键技术

无线传感器网络是一个综合智能信息系统,其构建是一个庞大的系统工程,涉及到的研究工作和需要解决的问题在每一个层面上都很多:

2.1 网络通信协议

由于传感器节点的计算能力、存储能力、通信能量以及携带的能量都十分有限,每个节点只能获取局部网络的拓扑信息,因而节点上所运行的网络通信协议也不能太复杂。同时,传感器网络拓扑结构与周边环境动态变化,网络资源也在不断变化,这些都对网络协议提出了更高的要求。传感器网络的通信协议包括物理层、数据链路层、网络层和传输层,它们相互配合运行使得若干独立的传感器节点能够形成一个多跳的动态的数据采集与处理网络。传感器网络的MAC协议首先要考虑节省能源和扩展性,其次才考虑公平性、利用率和实时性等。路由协议不仅关心单个节点的能量消耗,更关心整个网络能量的均衡消耗,这样才能延长整个网络的生存期。

2.2 核心支撑技术

无线传感器网络的核心支撑技术包括拓扑控制、节点定位、时间同步、网内信息处理、网络安全等。无线传感器网络的核心支撑技术使用网络通信协议提供的服务,并通过应用服务接口来屏蔽底层网络的细节,使终端用户可以方便地对无线传感器网络进行操作。

通过拓扑控制自动生成的良好的网络拓扑结构,能够提高路由协议和MAC协议的效率,可为数据融合、时间同步和目标定位等很多方面奠定基础,有利于节省节点的能量来延长网络的生存期;确定事件发生的位置或采集数据的节点位置是传感器网络最基本的功能之一。为了提供有效的位置信息,随机部署的传感器节点必须能够在布置后确定自身位置,定位机制必须满足自组织性、健壮性、能量高效、分布式计算等要求;时间同步是需要协同工作的传感器网络系统的一个关键机制。如测量移动车辆速度需要计算不同传感器检测事件时间差,通过波束阵列确定声源位置节点间时间同步;网络安全包括通信安全和信息安全,常采用密钥管理、安全路由、安全组播、数据融合和入侵检测等策略防范和抵御攻击。

2.3 自组织管理

多变的网络状况及外在环境要求无线传感器网络具有自组织能力,能够自动组网运行、自动配置维护、适时转发监测数据等,包括节点管理、数据管理、任务管理和系统维护等。

节点管理内容包括:节点休眠/唤醒机制中保证网络覆盖度的各种算法、节点自身的计算和传感资源的动态管理、功率管理中的网络连通性控制算法等,要力求降低算法复杂度,降低信息收集过程的协议开销;数据管理包括:数据模式、数据存储、数据索引、数据查询等;任务管理则包括:任务分配、任务调度、负载均衡等。

2.4 开发与应用

无线传感器网络的开发与应用包括仿真平台、硬件系统开发、操作系统开发、应用软件开发等。

3 结语

无线传感器网络是一种新的信息获取和处理技术,随着传感器技术、无线通信技术、嵌入式计算技术的飞速发展和完善,具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器节点不断更新,很多公司和研究机构相应推出了很多无线传感器网络的软件,无线传感器网络将会在军事战场监控、环境监测、工业生产、企业管理、交通、医疗保健等领域得到十分广泛的应用。

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