浅谈无线传感网络

董卓亚

摘要：无线传感网络是在电系统(Micro-Electro-Mechanism System, MEMS)、片上系统（SOC， System on Chip）、无线通信和低功耗嵌入式技术的之上孕育而出的一种新技术。他集成了传感器、微机电系统和网络三大技术而形成的，是一种全新的信息获取和处理技术。本文通过对无线传感网络基础的简单介绍，进而探讨了无线传感器网络的几项关键技术。

关键字：无线传感网络，无线传感器，关键技术

一、 引言

近年来，随着计算机技术、网络技术与无线通信技术的高速发展和广泛应用，人们开始将无线网络技术与传感器技术相结合，提供和了无线网络化传感器的概念。无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革。无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。

二、 无线传感网络中的关键技术

到现在为止，传感器网络的研究大致经过了两个阶段．第 1阶段主要偏重利用MEMS技术设计小型化的节点设备，代表性的研究项目有WINS和SmartDust．对于网络本身问题的关注和研究可以认为是传感器网络研究的第 2个阶段，目前正在成为无线网络研究领域的一个不小的热点．下面就从物理层开始分析无线传感网络的几个关键技术。

4.1、物理层技术

无线传感器网络是一个开放系统互联，按照国际标准化组织（ISO）的规定，为数据流传输所需的物理连接的建立、维护和释放提供的机械的、电气的、功能和规程性的模块就叫做物理层。从这个定义可以看出，物理层需要承担为数据终端提供数据传输通路、传输数据和完成管理工作的职责。

在物理层面上，无线传感器网络遵从的主要是IEEE 802.15.4标准。依照此标准，物理层主要进行如下工作：激活和去活无线收发器，检测当前信道的能量，发送指示，信道频率的选择，数据发送与接收。物理层的设计目标是以尽可能少的能量损耗获得较大的链路容量。

IEEE 802.15.4标准规划了几个工作频段(可以作为专业内容加入论文中，不同状态下自适应的设置工作频段)。其中，2.4GHz频段的物理层可提供250Kb/s的数据传输率，适用于高吞吐量、低延时或低作业周期的场合；工作在869/915MHz频段的物理层则能提供20Kb/s的数据传输率，适用于低速率、高灵敏度和大覆盖面积的场合。

依据IEEE 802.15.4标准的协议被称为Zigbee，其传输带宽虽然没有Wi-Fi和Blue Tooth大，但是能耗较低，非常适合无线传感器网络。

4.2、 链路层技术

链路层协议用于建立可靠的点到点或点到多点通信链路，而其主要任务是加权物理层传输原始比特的功能，使之对上层显现一条无差错的链路，该层一般包括媒体访问控制（MAC）子层与逻辑链路控制（LLC）子层，其中MAC层规定了不同用户如何共享信道资源，LLC层负责向网络层提供同意的服务接口。就实现机制而言，MAC协议分3类：确定性分配、竞争占用和随机访．前两者不是传感器网络的理想选择．因为TDMA固定时隙的发送模式功耗过大，为了节省功耗，空闲状态应关闭发射机；竞争占用方案需要实时监测信道状态，也不是一种合理的选择：随机介质访问模式比较适合于无线传感网络的节能要求。蜂窝电话网络、Ad．hoe和蓝牙技术是当前主流的无线网络技术，但它们各自的MAC协议不适合无线传感器网络．GSM和 CDMA中的介质访问控制主要关心如何满足用户的QoS要求和节省带宽资源，功耗是第二位的；Ad-hoc网络则考虑如何在节点具有高度移动性的环境中建立彼此间的链接，同时兼顾一定的QoS要求，功耗也不是其首要关心的；而蓝牙采用了主从式的星型拓扑结构，这本身就不适合传感器网络自组织的特点．

基于以上两个方面的原因，需要为传感器网络设计新的低功耗MAC协议．下面我们简单介绍一种已有的典型方案．

4.2.1 基于CSMA的介质访问控制

传统的载波侦听／多路访f~(CSMA)机制不适合传感器网络的原因有二：其一，持续侦听信道的过量功耗；其二，倾向支持独立的点到点通信业务，这样容易导致临近网关的节点获得更多的通信机会，而抑制多跳业务流量，造成不公平．为了弥补这些缺陷，Woo和Culler从两个方面对传统的CSMA进行了改进，以适应传感器网络的技术要求：(1)采用固定时间间隔的周期性侦听方案节省功耗；(2)设计自适应传输速率控制(adaptive transmission rate control，简称ARC)策略，有针对性地抑制单跳通信业务量，为中继业务提供更多的服务机会，提高公平性。相似的工作还有Wei Ye等人设计的SMAC(sensor media access contro1)协议．它也是利用周期性侦 听机制节省功耗，但没有考虑公平性问题，而是在PAMAS(power aware multi．access protocol with signalling)的启发下，精简了用于同步和避免冲突的信令机制．以上两种基于 CSMA 改进的传感器网络MAC协议都在 TinyOS微操作系统上进行了实现，并分SmartDust硬件平台上进行TSd试，比802．1l标准定义的MA C协 议节省了1~5倍的功耗，基本上可为传感器网络所用．

五、结束语

无线传感器网络是新兴的通信应用网络，其应用可以涉及到和人类息息相关的很多领域，因此无线传感网络在未来有很好的发展前景。尽管现在无线传感网络技术还处于发展的初步阶段，在很多方面还需要我们的科研人员去完善，去探索，但其独特的优势和良好的发展前景是毋庸置疑的。相信在不久的将来，这项技术一定会有新的突破和发展。

参考文献：

【1】 崔逊学,左从菊.无线传感器网络简明教程.北京:清华大学出版社,2009

【2】 马建庆.无线传感器网络安全的关键技术研究.上海:复旦大学计算机信息与技术系,2007