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1、计算机研究与发展ISSN 1000 -1239PCN 11 -1777PTP Journal of Computer Research and Development45(1): 1 15, 2008收稿日期: 2007-11-08基金项目: 国家/ 九七三0重点基础研究发展规划基金项目( 2006CB303000) ; 国家自然科学基金重点项目( 60533110) ; 国家自然科学基金项目( 60473075) ; 国家教育部新世纪优秀人才支持计划基金项目( NCET-05 -0333)无线传感器网络的研究进展李建中 高 宏( 哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院 哈尔滨 150001) (
2、 lijzh hit1edu1cn)Survey on Sensor Network ResearchLi Jianzhong and Gao Hong ( School of Computer Science and Technology, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001)Abstract Recent advances in sensing techniques, embedded computing techniques, distributed information processing techniques and com
3、munication techniques have enabled the development of wireless sensor net - works1 As there is a bright future in their application, wireless sensor networks have become a new research area in the 21 century1 There are large numbers of challenge problems in science and engineering in thewireless sen
4、sor network area1 Since 2000, more and more researchers have been engaged in the research work on wireless sensor networks and a lot of research results have already been obtained1 Suiveyed in this paper is the research work on wireless sensor networks, including the wireless sensor network communic
5、a - tion techniques, infrastructure techniques, middleware techniques,data management techniques, sensor node and embedded software techniques1 The existing problems in the current research work and the new research issues are also discussed1 At the end of the paper, many significant references are
6、listed for the re - searchers1Key words sensor node; sensor network; communication protocol; infrastructure; middleware; data man - agement摘 要 随着传感器技术、 嵌入式计算技术、 分布式信息处理技术和通信技术的迅速发展, 无线传感器网络应运而生 1 由于无线传感器网络的广阔应用前景, 它已经成为 21 世纪的一个新研究领域, 在基础理 论和工程技术两个层面向科技工作者提出了大量挑战性问题1 从 2000 年开始, 国内外无线传感器网络 的研究日趋热烈,
7、取得了大量研究成果1 从无线传感器网络的网络通信技术、 基础设施技术、 中间件技 术、 数据管理技术、 节点及其嵌入式软件技术等 5 个方面系统综述了无线传感器网络的研究进展, 讨论 目前存在的问题和需要进一步研究的方向, 并提供了广泛的参考文献 1关键词 传感器节点; 传感器网络; 通信协议; 基础设施; 中间件; 数据管理中图法分类号 TP393随着通信技术、 嵌入式计算技术和传感器技术 的飞速发展和日益成熟, 人们研制出了各种具有感知能力、 计算能力和通信能力的微型传感器1 由许多微型传感器构成的无线传感器网络( WSN) 引起了人们的极大关注 1 WSN 综合了传感器技术、 嵌入式计算
8、技术、 分布式信息处理技术和通信技术, 能够协作实时监测、 感知、 采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息, 并对这些信息进行处理, 获得 详尽准确的信息, 传送到需要这些信息的用户1WSN 可以使人们在任何时间、 地点和任何环境条件下获取大量详实可靠的物理世界的信息, 并可以被广泛应用于国防军事、 国家安全、 环境监测、 交通管理、 医疗卫生、 制造业、 反恐抗灾等领域1 WSN 是信息感知和采集的一场革命, 在新一代网络中具有关键作用1 美国5商业周刊6认为 WSN 是全球未来四大高技术产业之一, 是 21 世纪世界最具有影响力的21 项技术之一1 MIT 新技术评论认为, WSN
9、是 改变世界的十大新技术之一1WSN 作为一种新的计算模式正在推动科技发展和社会进步, 关系到国家经济和社会安全, 已成为 国际竞争的制高点, 引起了世界各国军事部门、 工业界和学术界的极大关注1 美国自然科学基金委员会2003 年制定了 WSN 研究计划, 投资 3400 万美元支持相关基础理论的研究1 美国国防部和各军事部门 都对 WSN 给予高度重视, 把 WSN 作为一个重要研究领域, 设立了一系列的军事 WSN 研究项目1 英特尔公司、 微软公司等信息工业界巨头也纷纷设立或 启动相应的行动计划1 世界很多国家都纷纷展开了该领域的研究工作1我国最近几年也开始重视 WSN 技术的研究1国
10、家自然科学基金委员会资助了很多 WSN 研究项 目, 包括重点项目和面上项目1 在/ 中国未来 20 年技术预见研究0报告中, 有 7 项技术课题直接论述了传感网络 1 2006 年初发布的5国家中长期科学与技 术发展规划纲要6为信息技术确定了 3 个前沿方向,其中有两个与 WSN 研究直接相关1由于 WSN 电源能量有限、 通信能力有限、 节点计算能力有限、 传感器节点数量大且分布范围广、 网 络动态性强、 感知数据流巨大、 以数据为中心等特点, WSN 已经成为 21 世纪的一个新研究领域, 在基础理论和工程技术两个层面向科技工作者提出了大 量挑战性问题1 从 2000 年开始, 国内外的
11、 WSN 研究皆日趋热烈, 取得了很多研究成果1 本文从 WSN的网络通信、 基础设施、 中间件技术、 数据管理技术、节点技术及其嵌入式软件系统等 5个方面综述 WSN 的研究进展 11 WSN网络通信技术的研究进展111 物理层研究进展目前, 物理层通信协议的研究主要集中在传输介质选择、 传输频段选择、 无线电收发器的设计、 调 制方式等 4 个方面, 核心问题是能量有效性或节省能量1WSN 使用的传输介质目前主要包括无线电、 红外线、 光波等 1 无线电是目前最主要的 WSN 传输介 质, 需要解决频段选择、 调制方式的选择等问题 1ISM 频段已经被人们普遍采用1 文献 1 -2 给出了
12、基于433MHz 和 915MHz这两个频段的无线电收发器的设计方法1 传感器节点 L AMPS 使用了基于214GHz 频段的无线电收发器 31 文献 4 给出的传 感器节点使用了基于 916MHz 频段的无线电收发器1文献 3, 5 -6 研究了调制方式选择问题1 文献 3, 5 对二元和多元调制方式进行了比较分析1 文 献 3 得出结论: 在系统启动能量消耗占主导地位的条件下, 二元调制方式比多元调试方式节省能量1文献 6 提出了一种适用于 WSN 的低能量调制方式 1 文献 7 提出, UWB( Ultra wide band) 可用于 WSN1 红外线和光波传输不需要复杂的调制解调机
13、制, 接收器简单, 数据传输功耗小, 但是易受非透明物阻碍, 仅能用于特殊环境下的 WSN1 文献 8 提出了两种光波传输机制1小结: WSN 的物理层研究比较薄弱, 还有很多问题待解决, 如简单低能耗的 WSN 的超带宽和通带宽调制机制设计问题、 微小低能耗低费用的无线 电收发器的硬件设计问题1112 数据链路层研究进展数据链路层的研究主要集中在 MAC 协议方 面1 WSN 的 MAC 协议旨在为资源( 特别是能量) 受限的大量传感器节点建立具有自组织能力的多跳通信链路, 实现公平有效的通信资源共享, 处理数据包之间的碰撞, 研究重点是如何节省能量1 1) 基于随机竞争的 MAC 协议文献
14、 9 提出了 MAC 协议 S -MAC, 原理如下:周期性侦听P 睡眠工作方式, 使节点尽可能处于睡眠 状态, 降低能量消耗; 邻居节点由一致性协商睡眠调度机制形成虚拟簇, 减少节点空闲侦听时间; 通过流量自适应侦听机制, 减少消息在网络中的传输延迟;采用带内信令减少重传和避免监听不必要数据; 通 过消息分割和突发传递机制减少控制消息的开销和消息传递延迟1 在 S -MAC 基础上, 文献 10 提出了T-MAC 协议, 根据通信流量动态调整传感器节点的活动时间, 用突发方式发送信息,减少空闲侦听时间 1 文献 11 提出了一种事件驱矾的 MAC 协议Sift, 其原理是当共享无线信道的 N
15、 个传感器节点同时监测到同一事件吮, 希望 R 个节点( R N )能 够在最小时间内无冲突地成功发送出事件监测消息, 抑制剩余(N - R)个节点的消息发送 12) 基于 TDMA 的 MAC 协议文献 12 提出了一种支持聚簇 WSN 的基于 TDMA 的 MAC 协议1 所有节点被划分成多个簇,每个簇具有一个簇头1 簇头负责为簇内所有节点分2计算机研究与发展 2008, 45(1)配时槽, 收集和处理簇内节点发来的数据, 并将数据发送给 Sink 节点1文献 13 提出了协议 DEANA, 把一个数据传 输周期分为调度访问阶段和随机访问阶段1 调度访问阶段由多个连续的数据传输时槽组成1
16、每个数据传输时槽分配给特定节点, 用来发送数据1 随机访 问阶段由多个连续的信令交换时槽组成, 用于处理节点的添加、 删除以及时间同步等1文献 14 针对周期性发送数据的特定 WSN, 提出了基于周期性消息调度的 MAC 协议, 采用周期 性的消息发送模型, 构建节点周期性消息发送调度机制, 保证节点之间无冲突地使用无线信道1文献 15 提出流量自适应的协议 T RAMA, 将 时间划分为连续时槽, 根据两跳内的邻居节点信息,采用分布式选举机制确定每个时槽的无冲突发送者 1文献 16 提出了基于数据采集树的 DMAC 协议 1 数据采集树是以 Sink 为根节点的树型网络结 构, 所有节点都向 Sink 转发数据1 该协议把节点周期划分为接收时间、 发送时间和睡眠时间1 接收时间和发送时间均为发送一个数据包的时间1 下层节 点的发送时间对应上层节点的接收时间1 该协议采用ACK 应答机制1文献 17 提出了一种基于 TDMA 的协议, 不需要全局时钟同步, 结合了异步低能耗侦听机制, 能量 消耗很低
