无线传感器网络及其路由协议研究.pdf

http://www.paper.edu.cn无线传感器网络及其路由协议研究王泽玉1，张蓄瀛2，李辉11哈尔滨工程大学自动化学院，黑龙江哈尔滨(157001)2北京邮电大学信息工程学院，北京(100876)E-mail：[e-mail]摘要：由于微电子技术、计算机技术和无线通信技术的进步，无线传感器网络获得了巨大的发展，现在已成为IT领域中的研究热点之一。由于自身条件和部署环境的限制，传感器网络对能量有效性、网络周期性、容错性和可扩展性等方面提出了较高的要求。路由协议是无线传感器网络网络层研究的主要内容。本文首先介绍了无线传感器网络的概念、应用范围、发展现状以及体系结构。然后重点阐述了无线传感器网络的路由协议的分类和设计要求，并列举了几种典型的路由协议并对其进行了详细的分析。关键词：无线传感器网络；路由协议；分类中图分类号：TP212.61.引言无线传感器网络WSN（WirelessSensorNetwork）是随着无线通信技术、传感器技术、移动计算技术和嵌入式信息处理技术的发展而新兴的研究课题。所谓传感器网络，可以定义为部署在待监控区域附近的大量传感器节点所组成的无线网络，该网络能够协作地实时监测、感知、采集和处理节点分布区域内的各种环境或检测对象的信息，并将处理后的数据传送到网络中的特定位置。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21世纪最有影响的技术和改变世界的技术之一。与传统无线通讯网络AdHoc网络相比，WSN的自组织性、动态性、可靠性和以数据为中心等特点，使其可以应用到人员无法到达的地方，比如战场，沙漠等。因此，可以断定未来的无线传感器网络将有更为广泛的前景。无线传感器网络与传统的无线网络（如WLAN和蜂窝移动电话网络）有着不同的设计目标，后者在高度移动的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，同时为用户提供一定的服务质量保证。在无线传感器网络中，除了少数节点需要移动以外，大部分节点都是静止的。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，能源无法更换，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。目前，无线传感器网络在军事、环境科学、医疗健康、空间探索、建筑及城市管理等众多领域中都有广泛的应用。但是，现在所有的一些研究成果大多处于起步阶段，距离实际需求还相差甚远。总体而言，我国在无线传感器网络方面的研究工作还很少，由于无线传感器网络是一门新兴技术，国内与国际水平的差距并不很大，及时开展这项对人类未来生活影响深远的前沿科技的研究，对整个国家的社会、经济将有重大的战略意义。网络数据传输离不开路由协议，但是，传统的无线AdHoc网络路由协议却不能适用于无线传感器网络，我们必须设计全新的、适合于无线传感器网络特点的路由协议。美国的麻省理工学院、康奈尔大学、南加州大学等很多大学开展了无线传感器网络通信协议的研究。2.无线传感器网络体系结构无线传感器网络体系结构[1]如图1所示，传感器网络通常包括传感器节点，汇聚节点和管理节点。传感器节点任意的分布在某一监测区域内，节点以自组织的形式构成网络，通过多跳中继方式将监测数据传送到汇聚节点，最后通过Internet或其他网络通讯方式将监测信-1-http://www.paper.edu.cn息传送到管理节点。同样的，用户可以通过管理节点进行命令的发布，告知传感器节点收集监测信息。Internet传感器节点汇聚节点任务管理节点图1无线传感器网络体系结构图传感器节点是一个具有信息收集和处理能力的微系统，集成了传感器模块、信息处理模块、无线通讯模块和能量供应模块。其结构体系如图2所示。MemorySensorAC/DCNETMAC收发器CPU传感器模块无线通讯模块信息处理能量供应模块图2传感器节点体系结构传感器模块负责监测区域内信息的采集和转换，信息处理模块负责管理整个传感器节点、存储和处理自身采集的数据或者其他节点发送来的数据，无线通讯模块负责与其他传感器节点进行通讯，能量供应模块负责对整个传感器网络的运行进行能量的供应。传感器节点能量的供应是采用电池，节点能量有限，考虑尽可能的延长整个传感器网络的生命周期，在设计传感器节点时，保证能量供应的持续性是一个重要的设计原则。传感器节点能量消耗的模块主要是包括传感器模块、信息处理模块和无线通讯模块，而绝大部分的能量消耗是集中在无线通讯模块上，约占整个传感器节点能量消耗的80%。因此，目前提出的传感器节点通讯路由协议主要是围绕着减少能量消耗延长网络生命周期而进行设计的。在无线传感器网络中，路由协议不仅关心单个节点的能量消耗，更关心整个网能量的均衡消耗，这样才能延长整个网络的生存期。同时，无线传感器网络是以数据为中心的，这在路由协议中表现的