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无线传感网通信技术及协议综述摘要：无线传感器网络涉及传感器技术、网络通讯技术、无线传输技 术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术、微电子制造技术、软件 编程技术等研究领域，具有鲜明的跨学科特点。微型传感器技术和节 点间的无线通信能力为传感器网络赋予了广阔的应用前景，主要表现 在军事、民防、环境、生态、农业、健康、家庭和其他商业领域。在 空间探索和灾难拯救等特殊的领域，传感器网络也有其得天独厚的技 术优势。本文主要介绍无线传感网络，其通信技术以及所用的协议。 关键词：传感器协议网络无线传感器网络的标准定义是这样的：传感器网络是大量的静止或移动 的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，其目的是协作地感 知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息，并 报告给用户。它的英文是Wireless Sensor Network,简称WSN。无线网络分为两种：1、无线蜂窝网，是一种有基础设施的网络， 需要固定基点（无线局域网也是）2、无基础设施网，又称无线Ad Hoc 网络，节点是分布式的，没有固定基点Ad Hoc分为两类:移动Ad Hoc 网络，无线传感器网络传感器网络的五层协议：物理层、数据链路 层、网络层、传输层和应用层3、无线传感器的组成：传感器、感知 对象和用户是传感器网络的三个基本元素。4、传感器网络节点的体 系：由分层的网络通信协议、网络管理平台、应用支撑平台组成（1） 网络通信协议:物理层、数据链路层、网络层、传输层、（应用层）（2） 网络管理平台：拓扑控制、服务质量管理、能量管理、安全管理、移 动管理、网络管理 （3）应用支撑平台：时间同步、定位、应用服 务接口、网络管理接口 5、传感器网络与现有无线网络的区别： 无 线自组网是由几十到上百个结点组成的、采用无线通信方式的、动态 组网的、多跳的移动性对等网络。传感器网络是集成了监测、控制和 无线通信的网络系统，结点数目更为庞大；它的结点分布更为密集; 由于环境影响和能量耗尽，结点更容易出现故障；环境干扰和结点故 障易照成网络拓扑结构的变化；通常情况下大多数传感器的结点是固 定不动的。另外，传感器结点具有的能量、处理能力、存储能力和通 信能力等都十分有限。传统的无线网络的首要设计目标是提供高质量 服务和高效带宽利用，其次才考虑节约能源；而传感器网络的首要设 计目标是能源的高效使用。6、传感器网络与现场总线的区别：现 场总线是应用在生产现场和微机化测量控制设备之间、实现双向单行 多结点数字通信的系统，也被称为开放化、数字化、多点通信的底层 控制网络。由于现场总线通过报告传感器数据从而控制物理环境，所 以从某种程度上说它与传感器网络非常相似。我们甚至可以将无线传 感器网络看作是无线现场总线的实例。但是两者的区别是明显的，无 线传感器网络关注的焦点不是数十毫秒范围内的实时性，而是具体的 业务应用，这些应用能够容许较长时间的延迟和抖动。另外，基于传 感器网络的一些自适应协议在现场总线中并不需要，如多跳、自组织 的特点，而且现场总线及其协议也不考虑节约能源问题。7、传感 器结点的限制条件：1、电源能量的有限2、通信能力受限3、计算和存储能力受限8、组网特点：1、自组织性2、以数据为中心3、应用相关性4、动态性5、网络规模大6、高可靠性一个典型的无线传感器网络的系统架构，包括分布式无线传感器节 点（群）、接收发送器汇聚节点、互联网或通信卫星和任务管理节点 等。分布式无线传感器节点群，这些节点群随机部署在监测区域内部 或附近，能够通过自组织方式构成网络。这些节点通常是一个微型的 嵌入式系统，它们的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过 携带有限能量的电池供电。从功能上看这些节点，它们不仅要对本地 提供的信息进行收集及处理，而且要对其他节点转发来的数据进行存 储、管理和融合等处理，同时与其他节点协作完成一些特定的任务。 汇聚节点的各方面能力相对于上述节点群而言相比照拟强，它连接传 感器网络、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，并把提供的数据转发到外部网络 上。当我们设计无线传感器网络体系结构时要注重以下几个方面：1. 节点资源的有效利用。由于大量低本钱微型节点的资源有限，怎样有 效地管理和使用这些资源，并最大限度地延长网络寿命是WSN研究 面临的一个关键技术挑战，需要在体系结构的层面上给予系统性的考 虑。可供着手的方面有：工选择低功耗的硬件设备，设计低功耗的 MAC协议和路由协议。2各功能模块间保持必要地同步，即同步休眠 与唤醒。3从系统的角度设计能耗均衡的路由协议，而不是一味的 追求低功耗的路由协议，这就需要体系结构提供跨层设计的便利。4 由于节点上计算资源与存储资源有限，不适合进行复杂计算与大量数 据的缓存，因此一些空间复杂度和时间复杂度高的协议与算法不适 合于WSN的应用。5随着无线通信技术的进步，带宽不断增加，例 如超宽带（UWB）技术支持近百兆的带宽。WSN在不远的将来可以 胜任视频音频传输，因此我们在体系结构上设计时需要考虑到这一趋 势，不能仅仅停留在简单的数据应用上。2.支持网内数据处理。 传感器网络与传统网络有着不同的技术要求，前者以数据为中心（遵 循“端对端”的边缘论思想），后者以传输数据为目的。传统网络中 间节点不实现任何与分组内容相关的功能，只是简单的用存储/转发 的模式为用户传送分组。而WSN仅仅实现分组传输功能是不够的， 有时特别需要“网内数据处理”的支持（在中间节点上进行一定的聚 合、过滤或压缩）。同时减少分组传输还能协助处理拥塞控制和流量 控制。3.支持协议跨层设计。各个层次的研究人员为了同一性能 优化目标（如节省能耗、提高传输效率、降低误码率等）而进行的协 作将非常普遍。这种优化工作使得网络体系中各个层次之间的耦合更 加紧密，上层协议需要了解下层协议（不局限于相邻的下层）所提供 的服务质量，而下层协议需得到上层协议（不局限于相邻的上层）的 建议和指导。而作为比照，传统网络只是相邻层才可以进行消息交互 的约定。虽然这种协议的跨层设计会增加体系结构设计的复杂度，但 实践证明它是提高系统整体性能的有效方法。4.增强安全性。由 于WSN采用无线通信方式，信道缺少必要的屏蔽和保护，更容易受 到攻击和窃听。因此要WSN要将安全方面的考虑提升到一个重要的 位置，设计一定的安全机制，确保所提供服务的安全性和可靠性。这 些安全机制必须是自下而上地贯穿于体系结构的各个层次，除了类似 于Ipsec这种网络层的安全隧道之外，还需对节点身份标识、物理地 址、控制信息（路由表等）提供必要的认证和审计体质来加强对使用 网络资源的管理。5.支持多协议。互联网依赖于同一的IP协议实 现端对端的通信，而WSN的形式与应用具有多样性，除了转发分组 外，更重要的是负责“以任务为中心”的数据处理，这就需要多协议 来支持。例如在子网内部工作时，采用广播或者组播的方式，当接入 外部的互联网时又需要屏蔽内部协议实现无缝信息交互技术手段。6.支持有效地资源发现机制。在设计WSN时需要考虑提供定位WSN 监测信息的类型、覆盖地域的范围，并获得具体监测信息的访问接口。 传感器资源发现又包括网络自组织、网络编址和路由等。由于拓扑网 络的自动生成性，如果依据单一符号（IP地址或者ID节点）来编址 效率不高。因此可以考虑根据节点采集数据的多种属性来进行编址。 7.支持可靠的低延时通信。在各种类型的传感器网络节点在工作于 监测区域内，物理环境的各种参数动态变化是很快的，需要网络协议 的实时性。8.支持容忍延时的非面向连接的通信。由于传感器应 用需求不一样，有些任务对实时性要求不高（针对于第7点而言）例 如：海洋勘测，生态环境监测等。有些应用随时可能出现拓扑动态变 化，移动性使得节点保持长期稳定的连通性较为困难。因此引入非面 向连接的通信，及时在连通性无法保持的状态下也能进行通信。9.开放性。近年来WSN衍生出来的水声传感器网络和无线地下传感器 网络使得WSN结构应该具备充分的开放性来包容这些已经出现或未 来可能出现的新型同类网络。现有的无线传感器网络体系由分层的网络通信协议、网络管理平台 以及应用支撑平台这3局部组成。L物理层：负责信号的调制和数据的收发，所采用的传输介质主要有 无线电、红外线、光波等。WSN推荐使用免许可证频段（ISM）。物 理层的设计既有不利因素，例如传播损耗因子较大，也有有利的方面, 例如高密度部署的无线传感器网络具有分集特性，可以用来克服阴影 效应和路径损耗。2 .数据链路层：负责数据成帧、帧监测、媒体接入和过失控制。其 中，媒体接入协议保证可靠的点对点和点对多点通信；过失控制那么保 证源节点发出的信息可以完整无误地到达目标节点。3 .网络层：负责路由的发现和维护，由于大多数节点无法直接与网 关通信，因此需要通过中间节点以多跳路由的方式将数据传送至汇聚 节点。而这就需要在WSN节点与接收器节点之间多跳的无线路由协 议。4 .传输层：负责数据流的传输控制，主要通过汇聚节点采集传感器 网络内的数据，并使用卫星、移动通信网络、Internet或者其他的链 路与外部网络通信，是保证通信服务质量的重要局部。5.应用层： 由各种面向应用的软件系统构成。主要研究的是各种传感器网络应用 的具体系统的开发，例如：作战环境侦查与监控系统，情报获取系统， 灾难预防系统等等。无线传感器通信技术是当今非常先进的技术，被誉为21世纪改变 世界十大技术之首。由它组成的网络也是一个庞大的网络，以上只 是从系统概念性的描述了它的组成。正是因为其网络复杂，所以其 中的协议也较为多，目前尚未有统一的标准。局部无线传感通信技 术还尚未成熟，但是随着时间的推移，我们终将掌握并熟练运用这 项技术来造福人类。参考文献：