无线传感器网络协议探究

张海绒

(山西农业大学信息学院，山西晋中，030600)

无线传感器网络协议探究

张海绒

(山西农业大学信息学院，山西晋中，030600)

随着物联网技术的深入发展，无线传感器网络的应用也越来越广泛。然而，无线传感器网络的技术还有待进一步的发展，也促使人们对于无线传感器网络协议的深入探究。本文针对无线传感器网络协议的网络层协议和MAC层协议的分类做了详细的描述和总结，为后续人们进一步研究做好铺垫。

MAC无线传感器；网络层协议；物联网

0 引言

自从九十年代以来，物联网的概念已经遍及全球，世界各国都在纷纷开始研究物联网，我国也渐渐进入了物联网研究阶段。但是，全球对物联网的研究也只是起步阶段。尽管如此，物联网的发展趋势炙手可热，因为物联网给我们的生活带来了意想不到的方便和快捷。

国际电信联盟建议将物联网采用分层模型，其中最底层的感知层采用传感器技术，利用传感器节点采集数据，传输数据，实现各网络节点之间的通信。这就形成了对于新技术的探究——无线传感器网络协议是如何实现的。

无线传感器网络还可用于危险、特殊的环境，不需要固定的网络支持，它的重要性不言而喻，引起了国内外的普遍关注，发展势头也相当迅猛。美国、日本、英国、意大利、加拿大、德国以及欧盟的各大高校及研究机构在无线传感器网络领域的研究成果显著，提出了无线传感器网络协议，类似于TCP/IP协议，采用分层模型进行研究和实现。文献中指出，我国自1999年在《知识创新工程试点领域方向研究》的“信息与自动化领域研究报告”中由中国科学院第一次提出传感器网络后，国内各个单位及各大院校积极投入传感器网络的研究，并取得突出成绩。并且国内许多企业也纷纷加入对无线传感器网络的探究和实现，比如，Zig-Bee的提出及相关应用等。无线传感器网络发展至今，已经应用在生活中的各个领域。在实践中遇到的各种问题又需要我们来解决和改进。

1 无线网络传感器特点

与传统的无线网络、移动网络和通信网络相比，无线传感器网络有其不同的特点。

（1）能量限制。由于传感器节点都是电池供应电能，所有能源有限，对能源效率要求比较高。

（2）动态。传感器各节点的位置状态可能随天气情况、周围环境的变化而变化，网络拓扑结构会不定时发生变化。又比如某些节点会因为某些原因推出网络，或者有新的节点加入，都会导致整个网络的变化情况。

（3）自适应性。传感器网络各节点通过飞机撒播等方式播入需要监控的区域，各节点位置比较随意，要求网络有自适应性，能够自己配置协调网络，组成一个能够采集数据、传递信息、完成通信等功能的网络。

（4）转发。传感器网络中的每个节点都是一个路由器，都有转发的功能，每个节点都只能向相邻的节点转发信息，该节点继续将信息转发给它相邻节点，最终到达目的节点，发给远程网络，对数据进行分析。

2 无线传感器节点

鉴于上述无线传感器网络的特点，采用无线传感器网络体系结构的方式研究。本文主要介绍网络层和MAC层协议，这两种协议随后介绍。这里先说一下传感器节点。

传感器节点总体由四部分组成：传感器模块、处理模块、无线通信模块和能量供应模块。传感器模块由传感器和AC/AD组成，传感器负责采集数据，主要有温度感应、广度感应等，AC/AD是信号转换器，将收集到的信号转换为处理模块可以处理的信号。处理模块由处理器和存储器组成，用来存储数据、处理数据、控制节点的操作，完成通信协议等功能。无线通信模块由网络网络、MAC和收发器组成，负责采集信息，实现各节点之间的无线通信。能量供应模块提供传感器节点运行时所需要的能量。

传感器节点通过向邻近节点转发信息，最终发送到汇聚节点，汇聚节点通过互联网或卫星通信，传给用户观察分析。这就是无线传感器网络体系结构。

3 MAC协议和网络路由协议

传感器网络体系结构中分层为：MAC层和网络层，其中的热点问题有：MAC协议和网络路由协议。

网络路由协议主要有以下几种。

（1）Flooding协议。Flooding协议是一种平面协议。源点向相邻通过的方式传递信息，这种方式造成的弊端容易引起“內爆”问题。“內爆”问题指的是同一个节点可以接收到很多相邻节点传来的信息。为了解决“內爆”问题，产生了Gossiping协议。Gossiping协议是对Flooding协议的一种改进，是将源节点发出的信息随机转发给相邻的一个节点，而不是广播方式，这样就减轻了“內爆”。Flooding协议和Gossiping协议不需要设置路由信息，不用维护路由表，这样节省了资源。

（2）SPIN协议。SPIN协议是采用数据方式的协议。源点向相邻节点通过ADV消息发送，需要该消息的节点发出REQ请求消息，再通过DATA消息将信息传送给请求节点。这样命名方式减轻了“內爆”问题和“重叠”问题。

（3）LEACH协议。LEACH协议是第一个采用层次路由的协议。LEACH协议分为两个阶段：第一阶段是建立簇头；第二个阶段是数据传送。第二个阶段比第一个阶段时间长，这样节省能源。建立簇头可以循环进行，每循环一次称为一轮，每一轮建立新的簇头。对于如何选择新的簇头，应根据节点的位置、剩余能量等综合评估，也可以随机选定。数据传送阶段可以单跳传送到基站，也可以多跳转发多个簇头，最终将信息传送到基站。关于簇头和簇头转发，更高能源效率更适于自适应网络的算法已经有专家提出。

（4）PEGASIS协议。对于簇头的选择采用动态选举方式：设监控区域内有N个节点，对每个节点进行编号，从1——N。第j轮选择的簇头编号是i=jModN。对于转发方式，每个节点利用贪心算法找出离它最近的节点，组成一条链，将信息沿着该链转发到基站。这种协议叫做PEGASIS协议。PEGASIS协议有效的利用了能量，采用多跳转发的方式。但是传送信息时间长，如果对实时性要求比较高，不建议采用PEGASIS协议。

（5）TEEN协议。该协议每轮随机选取一个簇头，并设置一个门限值，数据通过门限值才能转发，继而达到过滤的功能，减少能源的浪费。

（6）SAR协议。该协议是一种基于QoS的协议，QoS是服务质量。从源节点到sink节点组成树结构，在创建树结构时考虑服务质量的一些参数（时延、丢包率等）。从源点发送信息时，可以选择多条路径或一条路径。SAR协议的缺点是，需要维护路由信息，消耗相关资源。

基于QoS的协议还有SPEED协议、ELIOoS协议、QoS-GBP协议、MMSPEED协议、OEDSR协议、地理位置路由协议、ReInForM协议、ADPROC协议等。

此外，无线传感器网络路由协议还有Directed Diffusion协议、Rumor协议、GPRS协议、TBF协议、TTDD协议、TimyOS Beaconing协议等。

MAC协议，指的是medium access control，是无线传感器网络中的介质访问控制。

传统的无线网络MAC协议已经不能满足无线传感器网络，各高校研究所研究适合于传感器网络的MAC协议。无线传感器网络MAC协议与传统的无线网络MAC协议相比，不同之处在于无线传感器网络能量有限，MAC协议对于功耗要求极高，须做到尽可能保存能量，减少能耗的散尽，延长相关设备的使用寿命。目前已经研究出的MAC协议有以下几种。

（1）S-MAC协议。S-MAC协议采用周期睡眠调度的方法节能，达到了预期的效果。但是S-MAC协议空闲侦听时间与网络负载有关。网络负载越小，侦听时间越长，造成的通信时间越长，不适用于对实时要求较高的无线传感器网络。

（2）T-MAC协议。为了克服S-MAC协议的缺点，产生了T-MAC协议。T-MAC协议采用未来请求发送和满缓冲区优先两种方案，但都有相关的缺点。

（3）B-MAC、WseMAC和X-MAC。这三种协议采用前导码方式来降低通信功耗，以节能的目的。

（4）基于调度的MAC协议。该类协议采用TDMA访问方式，主要有Cluster-Based MAC、TRAMA、TDMA-W、Data gathering tree-base MAC、LouseMAC&TightMAC、EMACs及LMAC、ArDeZ等。

（5）将竞争协议和调度协议综合在一起的MAC协议，有Z-MAC、Funneling-MAC。

综上所述，无线传感器网络网络路由层协议和MAC层协议发展过程中还有相对的缺陷，希望后续对相关协议进行进一步的探究。

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[5]任丰原,黄海宁,林闯.无线传感器网络.软件学报.2003,14(7).

Research on wireless sensor network protocol

Zhang Hairong
（School of information, Shanxi Agricultural University，Jinzhong Shaanxi,030600）

With the further development of Internet technology, the application of wireless sensor network is becoming more and more widely. Wireless sensor network technology, however, remains to be further development, has also encouraged people to delve into wireless sensor network protocol. Aiming at the network layer protocol of wireless sensor network protocol and the classification of the MAC layer protocol has made the detailed description and summary, for further study on the following people.

MAC;wireless sensor；network layer protocol;Internet of things

张海绒（1985-10），女，硕士研究生，助教，研究方向为计算机网络。