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1、无线传感器网络体系结构和关键技术研究Study on Architecture and Key Techniques of Wireless Sensor Networks彭木根,王英杰,王文博摘要：文章介绍了无线传感器网络的体系结构，提出了一种基于跨层设计的管理控制机制；在对无线传感器网络的关键技术，如媒体接入控制(MAC)技术和无线路由协议，分别进行阐述和比较的基础上，提出了一种把简单的IEEE 802 MAC协议应用于无线传感器网络的思想；为了提高系统容量，提出了多信道策略，可以用来有效减少系统碰撞阻塞率，减少接入时延；认为虽然无线传感器网络的应用前景非常广阔，但是仍存在很多问题，除了要
2、尽量减少功耗外，必须提高系统容量，减少碰撞阻塞率，以加快无线传感器网络实用化的进程。关键词：无线传感器网络；媒体接入控制层；无线路由协议；系统容量Abstract:This paper introduces the architecture of wireless sensor networks, presents a network management and control mechanism, which is based on the cross-layer design concept. The key techniques, such as Medium Access Contr
3、ol (MAC) and wireless routing protocols, are discussed and compared respectively. An idea is proposed that the simple IEEE 802 MAC protocol can be used for the wireless sensor networks. In order to improve the system capacity, the multi-channel strategy can be adopted to effectively reduce system bl
4、ock and shorten the time delay of access. The application of wireless sensor network will be promising, but there are many problems to be solved. Measures for reducing power consumption to the lowest level, as well as increasing system capacity and reducing system block should be taken in order to p
5、romote the commercial application of wireless sensor networks.Key words:wireless sensor network; MAC layer; wireless routing protocol; system capacity基金项目：国家自然科学基金(60572120)1 无线传感器网络体系架构 无线传感器网络包括分布式传感器节点、接收和发送器、互联网以及用户接口界面等，其中传感器节点是基本和核心单元，它由传感单元、处理单元、通信单元和电源等组成1。无线传感器网络一般采用分层体系结构。分层协议由物理层、数据链路层、网络
6、层、传输层和应用层组成，其中物理层可以采用先进的无线射频传输技术，如正交频分复用(OFDM)、超宽带(UWB)、多输入多输出(MIMO)，甚至码分多址(CDMA)技术等，也可以采用传统的红外线传输技术；数据链路层主要任务是保证物理层传输的数据尽量正确，同时提高系统频谱效率；网络层的功能包括分组路由、拥塞控制等；传输层主要用于提供可靠的额外开销合理的数据传输服务；应用层提供各种具体的增值业务应用，同时也提供时间同步和节点定位功能。 与无线传感器网络分层协议对应的是控制管理技术，由于目前还没有标准化，所以各种协议结构五花八门，本文提出一种跨层的无线传感器网络管理机制(如图1所示)。 在无线传感器网
7、络中，为了节约能源，延长电池的使用时间，当无数据发送、接收以及转发时，网络中的节点会很快自动调整为休眠状态，这使得系统的路由拓扑结构发生变化，需要重新建立路由。为了避免网络拓扑结构的不稳定，建议网络节点变为休眠状态前，检查是否会造成网络路由结构变化，如果发生变化，禁止该节点转为休眠状态。 由于节点容易进行活动状态和休眠状态转变，同时无线链路易遭受时间选择性衰落、频率选择性衰落、空间选择性衰落、干扰和噪声等因素的共同影响，需要把物理层的信号质量及时汇报给媒体接入控制(MAC)层，而且MAC层也需要及时和网络层、传输层以及应用层进行信息交互，所以传统的分层协议体系管理模式在无线传感器网络中并不是最
8、佳的，因此跨层的网络管理成了保证无线传感器网络高效工作的先进技术之一。与跨层协议结构相对应的控制技术包括：能源管理、服务质量(QoS)管理、无线资源管理、移动性管理。作为一种分布式网络，为了保证不同层协议的安全性，其安全性管理和网络管理应该在各层同时共存。 为了能够可靠地进行数据传输，需要节点能够提供具有特定QoS要求的各种无线业务，其中的QoS技术必须具有充分的灵活性和自适应特性。 能源管理对于无线传感器网络来说非常重要，由于节点的耗电量不能太大，所以和传统的无线通信网络相比，能量在无线传感器网络中是最重要的资源之一，牵涉到分布式无线网络的功率控制问题。功率控制的好处在于： (1)采用尽可能
9、小的发送功率或者减少不必要的功率发射能延长电池的使用期限，并且能增大网络容量。 (2)降低发射功率能减少链路冲突。 (3)当系统流量负荷较高时，低发射功率能获得更小的端到端时延；当负荷较低时，高发射功率能获得更小的时延。功率控制系统根据负荷大小确定功率的分配，通常与网络层的路由技术联合进行优化设计。 无线资源管理实际上包括前面所述的功率控制，还包括容量和负载管理以及资源分配和调度机制等。无线资源管理一方面能满足各种业务的QoS要求，另外一方面能保证珍贵的无线资源得到高效使用。由于在无线传感器网络底层会采用OFDM、MIMO或者UWB等先进物理层技术，这使得无线资源管理算法必须能从传统的一维资源
10、管理变为时空二维、时频二维或者时空频三维。此外除了需要进行发射功率控制与分配、速率分配与调整等基本无线资源管理操作外，还需要紧密结合物理层采用的技术，例如对于MIMO需要进行天线选择和空分复用管理，对于OFDM需要进行子载波分配。移动性管理是为了让无线传感器网络中的某些节点具有慢速移动的功能，从而拓宽无线传感器网络的应用范围。为了支持移动性，必须在物理层进行测量，在MAC层进行切换控制操作，在网络层进行路由调整和维护，而在更上层需要进行数据缓存和拥塞解决等。2 无线传感器网络MAC层协议研究 数据链路层是无线传感器网络保证数据无误传输的核心，常用的MAC层协议包括：传感器-媒体接入控制(S-M
11、AC)2和时间到达-媒体接入控制(T-MAC)3，在发送数据时采用带冲突检测的载波监听多址接入(CSMA/CD)协议来避免冲突。S-MAC协议将时间分帧，帧长度由应用程序灵活确定，每帧又分工作时间和休眠时间，为了更好地支持数据突发属性，工作时间的长度是可调节的。为了避免碰撞，S-MAC协议采用了请求发送(RTS)/准备接收(CTS)/数据(DATA)/确认(ACK)机制进行数据发送。该协议的优点是可扩展性好，适应网络拓扑结构的变化；缺点是协议实现复杂，额外开销较大，由于无线传感器网络可用资源较少，所以该协议的频谱效率低是其最大的“瓶颈”。T-MAC协议与最新的S-MAC协议相似，也将时间分帧，
12、帧长是固定的，每帧分工作时间和休眠时间两阶段，工作时间长度是可变的。但和S-MAC不同的是它增加定义了5种事件和一个计时器(TA)。5种事件分别是：帧长度超时、节点接收到数据、数据传输发生冲突、节点数据发送完毕、邻节点完成数据交互。如果计时器TA没有侦听到这5种事件中的任何一种，就认为信道进入了空闲状态，为了节能，节点关闭射频模块，转入休眠时间段。为了减少空闲侦听时的功耗，有人对以上两种MAC协议进行了改进，分别为WiseMAC4和Berkeley-MAC5协议，这两种协议在空闲侦听阶段采用了低功耗侦听技术，并且在发送数据时采用载波侦听多址接入协议(CSMA)。上述各种MAC层协议都较复杂，实
13、现难度较大，并且不符合无线分布式网络的特性。下面介绍3种IEEE规定的MAC层协议，无线传感器网络是这些协议的主要应用领域之一。2.1 基于IEEE 802.15.4的MAC层协议 作为一种比较成熟的无线个域网(WPAN)协议，IEEE 802.15.4具有复杂度低、成本极小、功耗很低的特点，以及能在低成本设备(固定、便携或可移动的)之间进行低数据速率的传输等特性6。IEEE 802.15.4提供两种物理层选择(频段为868 MHz/915 MHz和2.4 GHz)。物理层与MAC层的协作扩大了网络应用的范畴。这两种物理层都采用直接序列扩频(DSSS)技术，以降低数字集成电路的成本，并且都使用
14、相同的包结构，以便低作业周期、低功耗地运作。2.4 GHz物理层的数据传输率为250 kb/s，868 MHz/915 MHz物理层的数据传输率分别是20 kb/s、40 kb/s。 IEEE 802.15.4协议采用载波监听/冲突避免思想，节点定期侦听信道，接收其中的信标(Beacon)帧，在没有数据发送和接收时进入休眠状态(具体如图2所示)。网络协调器缓存发给休眠节点的数据，之后周期地发送信标帧，帧中携带这些数据的目的地址信息。当休眠节点发现有发给自己的数据信息，则向网络协调器发送轮循(Poll)帧，表示自己可以接收数据。网络协调器收到Poll信息后，首先向原节点发送ACK帧，随后发送缓存
15、中的数据。目的节点收到了数据后，向协调器发送ACK帧信息。2.2 基于IEEE 802.15.3的MAC层协议 IEEE 802.15.3协议作为一种新型的无线个域网(WPAN)标准7，物理层主要采用了多带正交频分复用(MB-OFDM)UWB和直扩码分多址(DS-CDMA)UWB两种技术。协议允许245个无线用户设备同时在几厘米到100 m的范围内以最高达55 Mb/s的速率接入网络。为固定和移动设备提供在2.4 GHz频段上的高速率无线连接。IEEE 802.15.3规定了5个原始数据速率，即：11 Mb/s、22 Mb/s 、33 Mb/s、44 Mb/s和 55 Mb/s。所选择的传输速
16、率将会影响到传输距离，如距离为50 m时传输速率为55 Mb/s，距离为100 m时传输速率为22 Mb/s。较高速率(如55 Mb/s)可以提供低延迟的多媒体连接和大文件传送业务，较低速率(如11 Mb/s、22 Mb/s)可以提供音频设备间长距离的连接。该标准包含了可靠QoS所需的所有元素，使用时分多址(TDMA)技术分配设备间的信道，以避免冲突。 IEEE 802.15.3只定义了物理层和MAC层协议，MAC层协议是从IEEE 802.11无线局域网(WLAN)的MAC层协议发展来的，所以在自组织网(Ad hoc)结构的基础上，还带有星形网的痕迹(如图3所示)。基于IEEE 802.15.3的无线传感器网络以PicoNet为基本单元，其中的主设备被称为PicoNe
