无线传感器网络研究与发展

无线传感器网络研究与发展

摘 要： 无线传感器网络作为一种新兴的网络，具备传统网络不具备的特点，能极大的拓展人们信息获取的能力，越来越受到国内外研究学者的广泛关注。本文在简要介绍无线传感器网络历史起源和研究现状的基础上，总结和归纳了无线传感网的核心技术，其中重点归纳分析了现有无线传感网路由协议，并在分析的基础上，结合无线传感网的特点，提出了对无线传感器网络未来发展的几点研究设想。

A Survey of Research and Development for Wireless Sensor Networks

Abstract: As a newly developed network, the wireless sensor networks have received widely attentions since it can greatly improve our ability of acquiring the information and has different characters compared with traditional networks. Based on the introduction of history sources and research development of wireless sensor networks, core technology of wireless sensor networks are summarized and analyzed in the paper, focusing the introduction and conclusion on routing protocols for wireless sensor networks. At last, several future research directions are put forward based on the analysis of core technology and characters of wireless sensor networks.

1. 引言

随着传感器、微机电系统（micro-electro -mechanism system，MEMS）和网络三种技术的飞速发展，一种颠覆传统网络模式的新型网络－无线传感器网络随之产生。由于其综合了多种技术的特点，能极大的增强人们获取信息的能力，具有广泛的应用前景，自其诞生以来，越来越受到人们的关注。

与传统无线网络（如WLAN 和蜂窝移动电话网络）相比，无线传感器网络有着不同的设计目标，因为它们通常运行在人无法接近的恶劣甚至危险的远程环境中，以获取数据，传输数据为目的，且能源无法替换，所以设计有效的策略延长网络的生命周期成为无线传感器网络的核心问题，而前者是以数据为中心，在高度移动环境中通过优化路由和资源管理策略最大化带宽的利用率，同时保证服务质量的无线网络。

本文根据无线传感器网络的特点，介绍了无线传感器网络历史起源和研究现状，总结了无线传感器网络核心技术，并在总结分析基础上，提出了自己对无线传感网未来发展的几点研究设想。

2. 无线传感器网络的研究与应用现状

1998年，美国加州大学洛杉矶分校和Rockwell研究中心在DARPA支持下进行的WINS（Wireless Integrated Sensor Network）实验是无线传感器网络研究的开端[1]。无线传感器网络作为一种新兴的技术，最早的代表性论述出现在1999年，题为“传感器走向无线时代”。随后在美国的移动计算和网络国际会议上，提出了无线传感器网络是下一个世纪面临的发展机遇[2][3]。2003年，美国《技术评论》杂志论述未来新兴十大技术时，无线传感器网络被列为第一项未来新兴技术。同年，美国《商业周刊》未来技术专版，论述四大新技术时，无线传感器网络也列入其中。美国《今日防务》杂志更认为无线传感器网络的应用和发展，将引起一场划时代的军事技术革命和未来战争的变革。2004年《IEEE Spectrum》杂志发表一期专集《传感器的国度》，论述无线传感器网络的发展和可能的广泛应用。可以预计，无线传感器网络的发展和广泛应用，将对人们的社会生活和产业变革带来极大的影响和产生巨大的推动[4]。

再者，在2000年，美国国防部把Smart Sensor Web定位国防部科学技术五个尖端领域之一。2001年在DARPA支持之下UC Berkeley 开始进行“Smart Dust”研究计划[5]。2002年5月美国Sandia

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国家实验室与美国能源部合作，共同研究能够尽早发现以地铁、车站等场所为目标的生化武器袭击的无线传感网系统。Intel公司在2002年10月24日发布“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”。NASA的JPL实验室为将来的火星探测研制Sensor Webs。而美国国家自然科学基金委员会于2003年投入3400万美元支持无线传感网基础研究[6]。

在国内，无线传感器网络的研究几乎与发达国家同步启动、同步发展，但相对于国外，针对WSN的研究还是较为薄弱。无线传感器网络首次正式出现于1999年中国科学院《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，项目名称为：重点地区灾害实时监测、预警和决策支持示范系统[6]。2001年中科院依托上海微系统所成立微系统研究与发展中心，并通过该中心在无线传感器网络方向上陆续部署了若干重大研究项目和方向性项目, 进而初步建立传感网络系统研究平台[7]。2002年，清华大学、哈尔滨工业大学和黑龙江大学分别在时钟同步与定位，传感器数据管理系统方面开展了研究工作。与此同时，重庆大学也开始在嵌入式无线传感器网络节点、可重构技术、无线传感器中的定位等方面开展了研究工作[8][9][10][11]。2004年中国国家自然科学基金委员会将无线传感器网络列为重点研究项目。我国国家自然科学基金2005年将网络传感器中的基础理论和关键技术列入计划。2006年国家自然科学基金将水下移动传感器网络的关键技术列为重点研究[12]。

3. 无线传感器网络的关键技术

传感器网络的研究大致分为两个阶段。第一阶段主要偏重利用MEMS 技术设计小型化的节点设备，代表性的研究项目有WINS[13]和Smart Dust。第二个阶段是对于网络本身问题的关注和研究。目前正在成为无线网络研究领域的一个热点。从网络分层模型的角度分析，每一层都有需要结合传感器网络的特点进行细致研究的问题，就已有的研究而言，主要集中在网络层和链路层[8]。下面我们对无线传感器网中网络层的关键技术－路由协议进行了归纳总结。 3.1 现有无线传感网路由协议

文献[14][15]对现有的无线传感网路由协议进行了总结。目前对路由协议的分类方法也很多。一般的分类方法把无线传感网路由协议分为平面型路由协议、层次型路由协议。所谓平面型路由协议是指无线传感网中各个节点的地位作用相同，通过平等的相互合作把数据传送到汇聚节点，代表协议有SPIN、DD(Directed Diffusion)等。而层次型路由协议是指在传感网中各个节点的地位作用并不相同。不同的节点可能作用的层面并不相同。代表协议有LEACH、TEEN、MECN等。 3.1.1平面型路由协议

平面型路由协议是指在传感器网络中各个节点的地位作用相同，网络结构为扁平型。由于节点的数目较多且容易失效，因此很难给每个节点一个全局的ID，所以这类的路由协议一般都是以数据为中心的路由协议。平面型路由协议管理开销较少，比较适用于在节点数目不多的情况，但其网络管理结构难以应付节点数据庞大的网络。

Heinzelman等人提出了SPIN路由协议(Sensor protocols for information via negotiation )[16]。该协议可使得信息快速而有效的扩散到整个网络。这样监视者就可以快速知道任何节点的状态和数据。在SPIN协议中，节点首先发送对其预发送数据的一个描述，称为Meta-Data，发送给其邻居节点。如果某个邻居节点没有此类数据，或对此类数据感兴趣，则回复一个消息给发送节点，这个过程称为协商过程。然后节点再发送完整数据给它。Meta-data是对所发送数据的一个描述，长度比真正的数据要小得多，而且并不是每个节点都要回复消息给发送节点，因而协商过程的消耗并不是很多。

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在发送过程中，节点只是把数据发给回复过它的节点，也不是每个节点，因而与洪泛路由相比，它节省了比较多的能量，又保证了需要这些数据的节点都能收到数据，因此与闲聊路由相比减少很多延迟。如图2所示：节点A接收到了数据以后，将这个数据的一个描述发送给其邻居节点。这里假设B接收到了这个描述信息，然后它回复一个REQ给A，表示自己需要这个数据，请求A发送给它。A收到了这个请求以后就把完整的数据发送给B。到了B以后，B一样向它的邻居节点发送描述信息，可能会有感兴趣的节点也可能此节点对该数据没有兴趣。其中感兴趣节点回复B，然后获得完整的数据。在图2中，就有一个B的节点没有回复，因而B也没有发送数据给它。

ADVAADATABBAREQBADVADATAAREQABBB

图2 SPIN 示意图

在SPIN路由协议中，节点只需知道其邻居节点的信息，因此拓扑变化对其影响较小。与洪泛路由相比，SPIN协议大约减少了3.5倍的能量消耗，同时通过协商机制避免了洪泛协议中的信息盲目性和重叠问题。但是，这种协商机制并不能保证信息传送到所有需要的节点。例如节点处于远处，它本身对某个数据是感兴趣的，但是由于中间节点对这些数据并不是感兴趣，因而数据就有可能传送不到它那里[16]。

C.Intanagonwiwat等人提出一种Directed Diffusion路由[17]。该路由协议对于以数据为中心的路由协议中有重大意义。该协议采取汇聚节点广播兴趣消息到整个网络，节点采集到这些信息后再发送到汇聚节点的方式。该路由协议分为3个步骤，即兴趣发布阶段、数据传播阶段和路径加强阶段。Directed Diffusion路由协议对一个任务或事件描述是采用属性－属性值对的方式。例如在一个动物监测中，对发现一只四腿动物事件的一个描述可以写成：类型：4腿动物；实例：大象；位置：[125,220]；信号强度：0.6；时间：02:20:40。

在兴趣发布阶段，例如用户要发布“在x区域是否有4腿动物出现？”一个任务，汇聚节点就按上面的描述把这些属性－属性值对发给它的邻居节点。收到这些兴趣的节点记录下这个兴趣和它的发送者，把它放入本地列表以建立该节点向汇聚节点传递数据的梯度关系。

在数据传播阶段，当传感器节点采集到或接收到与兴趣相匹配的数据时，把数据发送到梯度上的邻居节点，并按照梯度上的数据传输速率设置传感器模块采集数率。由于在兴趣发布阶段可能有多个节点收到兴趣消息，因此在汇聚节点处可能收到多条路径传回来的消息。

在路径加强阶段，汇聚节点可以有选择性的加强某条路径上的信息。由于数据可能有多条路径到达汇聚节点，所以在收到数据以后，汇聚节点可以根据本地准则（比如说速度优先），选择加强某条路径。具体步骤如下：汇聚节点找出第一个到达数据的邻居节点，然后向其发送一个相同兴趣但是速率有所提高，该节点收到消息后，知道这是一个路径加强信息，然后找出第一个发送数据到它的节点，也发送一个路径加强消息，进而这条路径得到了加强。

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EventInterestSourceSinkEventEventGradientSourceSink图3 DD示意图

Sink

与SPIN路由协议不同，DD协议采用的是一种按需查询机制。汇聚节点根据不同的应用需求定义不同的兴趣消息，通过洪泛在网络中发布。在SPIN协议中，是由传感器节点提供已有的数据，对其有兴趣的节点可以查询。这种查询方式使得DD路由协议在一些需要连续监测的应用中无法使用。 3.1.2层次型路由协议

与平面型路由协议中的各个节点具有地位作用相同的特性相比，层次型路由协议中各个节点的地位和作用不再相同。层次型路由协议是把一张大网通过分层分域变成很多张小网，这样路由的建立，使得网络管理与仅是一张大网时候相比变得更加容易，特别是在网络节点数很多的情况下。

LEACH路由协议(low-energy adaptive clustering hierarchy)是一种典型的层次型无线传感网路由协议[18]。其基本思想是通过节点信号的强弱来把节点分成簇，然后通过每个簇的簇头把信息路由到汇聚节点。优化过后的LEACH路由协议可以使簇头节点占整个网络节点数的5%左右。从而，路由就在簇头节点之间进行，使得整个网络能量节省。

在簇内部，由于节点都比较靠近，因而有较大信息冗余，进而可进行数据融合。一个簇的簇头可以随机变化，以防某个节点由于担任簇头过久而能量消耗过大。节点通过簇头选举算法产生簇头。算法描述如下：每个节点产生一个0到1之间的随机数，如果这个随机数小于门限值T(n)，那么这个节点可以成为本轮簇头节点；否则，则为普通节点。T(n)通过下面公式确定：

T(n)?p1?p*(rmod1/p) ， if(n?G) （1）

T(n)?0(otherw i) s e

其中p为所期望的簇头节点占总节点数的百分比，r为当前轮数，G为在前几轮中不是簇头的节点。当簇头选出以后，广播自己簇头的消息，其余节点根据接收到这个广播信号强弱来决定自己加入哪个簇。然后簇头根据自己簇内节点数目情况建立簇内TDMA通信机制，为每个节点分配时隙。节点采集到的信息在簇头处进行数据融合后，由簇头传送回汇聚节点。LEACH周期性的重新进行簇头选举，建立新簇以适应拓扑变化及平衡网络能量。但是LEACH路由协议周期性的选举簇头增加能量消耗，而且其假定所有节点都可以直接与汇聚节点联系，这样也限制了LEACH的应用范围。

文献[19]提出了TEEN路由协议(Threshold sensitive Energy Efficient sensor Network protocol)。TEEN协议对网络监测对象突发变化具有良好的反应时间。其网络结构见下图。相邻节点形成簇，簇头之间也可以形成簇，直到到达汇聚节点。簇形成之后，簇头向簇内广播两个门限值(软门限和硬门限)。硬门限是指当监测对象属性值达到的最小值，传感器节点才开始传送信息。软门限是指当对象属性值过了硬门限过后，其值的变化超过最小值时，节点才开始传送。这两个门限值用户都可调。进而，整个网络中信息传送的次数就少了很多，但对于突发事件却不损失信息，因此能够很大的节省能源，延长整个网络的生命期。

APTEEN路由协议(Adaptive Threshold sensitive Energy Efficient sensor Network protocol)是对

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TEEN协议的一个改进[20]。为了适应各种应用模式(周期采集数据，查询数据等)，APTEEN在簇形成后，簇头向簇内广播不仅两个门限，而且还包括一个计数值，当一个节点在这个计数值时间范围内没有达到两个门限而没有发送数据时，将会强制的采集数据并发送一次。这样APTEEN就能适应按需查询和连续监测等多种应用模型。

模拟实验表明，TEEN和APTEEN性能超过LEACH，但APTEEN性能比TEEN稍差，其原因是改进后协议能适应更多的应用但却带来了一定的复杂性和开销。

Base StadionSimple NodeClusters1st Level Cluster Head2nd Level Cluster Head

图4 TEEN 结构图

4．未来无线传感网的发展趋势

4.1无线传感网路由协议研究与发展

基于上述，我们认为无线传感网的路由协议设计应该满足下面原则：

1. 保持全网全局能量负载平衡：通过路由策略，让各个节点分担数据传输，平衡节点的剩余能量，

提高整个网络的生存时间。

2. 以数据为中心，路由协议将继续向基于数据、基于位置的方向发展。

3. 具有一定的容错性和网络自愈功能：无线传感网络容易发生故障，因此应尽量利用节点易获得

的网络信息来计算路由，以确保出现故障时能够尽快地修复。

4. 应具有安全性：无线传感网络的固有特性，路由协议极易受到安全威胁，因此在一些应用中必

须考虑设计具有安全机制的路由协议。

其中如何设计能量负载均衡的网络路由我认为是未来发展的重点之一，因为无线传感网采用多跳无线通信技术，各节点将采集到的数据利用多跳接力的方式发至汇聚节点，这必将导致部分节点承担数据发送量较重，能量消耗过快，如果节点在选择路由时，不考虑下跳节点的能量消耗情况，某些关键节点将因过重负载而能量耗尽，最终导致无线传感网络被切割成几个孤立小岛，有效覆盖面积降低等严重后果。因此，作者认为对于无线传感网的路由协议研究一个重要问题是：路由的选择一定要结合节点能量信息，使得网络中节点的能量消耗达到近似全局均衡，进而延长网络生命周期。

4.2无线传感网安全分析

对于无线传感网，除了节点能量有限的限制需要分析，由于无线传感网是无线通信，攻击者可轻易在该网络的任务域里监听信道，向信道里注射比特流，重放以前监听到的数据包，且传感器节点是随机部署在无人值守的外部空间的（比如敌方阵营），攻击者可轻易捕获该节点，重写内存，或者用自己的恶意节点来替代该节点，通过冒充以获得数据信息，所以无线传感网安全受到前所未有

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的挑战，同时也刺激无线传感网安全研究热点的出现，作者认为如何保护无线传感网安全必将成为其未来发展的另一个重点。

路由技术作为网络构成的关键技术，其安全性也需要重点考虑，如何建立有效的安全路由协议一直是无线传感网络研究的重点。网络层上，现在无线传感网络面临着虚假路由信息，选择性的转发Sinkhole攻击[25]，Sybil攻击[26]，Wormholes攻击[27]。目前，国内外关于无线传感网络的安全路由研究刚刚开始起步，并且提出了一些安全路由协议，这些安全路由协议一般采用多路径路由、身份认证、双向连接认证和认证广播等机制来有效地抵御外部伪造的路由信息、Sybil等攻击，并可以直接应用到现有的路由协议，从而提高路由协议的安全性。

所以在针对无线传感网的攻击中，虽然可以采用密码技术抵抗大部分安全攻击，但是由于无线传感网节点其自身资源限制，并不是适合做过多的大计算量密码计算，此外，有些安全攻击并不能完全用密码体制来抵抗，需要路由算法本身具有一定的内在安全特性。综上，作者认为，如何在保证节点能量负载均衡的情况下，如何设计保护无线传感网安全策略必将成为未来无线传感网研究发展的重中之重。

5．结论

无线传感器网络是一种新的信息获取和处理技术。在某些特殊领域，它有着传统技术不可比拟的优势，势必也必将开辟出不少有价值的商业用途。在本文中，我们简要介绍了无线传感器网络历史起源和研究现状，总结和归纳了无线传感网的核心技术，其中重点分析和总结了现有无线传感网路由协议，并在分析的基础上，结合无线传感网的特点，提出了自己对无线传感网未来发展的几点研究设想。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/q6u7.html