收稿日期：2003-08-18；修订日期：2004-02-03
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马祖长等：无线传感器网络综述
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本文介绍了无线传感器网络体系结构、特点、应用领域以及传感器节点的硬件组成，分 析了无线传感器网络的物理层、数据链路层、网络层、传输层协议和节点定位算法的研究现 状，最后初步探讨了无线传感器网络领域内存在的问题和发展方向。
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无线传感器网络的应用领域
由于无线传感器网络的特殊性，其应用领域与普通通信网络有着显著的区别，主要包括 以下几类。 (1) 军事应用。军事应用是无线传感器网络技术的主要应用领域，由于其特有的无需架 设网络设施、可快速展开、抗毁性强等特点，是数字人战场无线数据通信的首选技术，是军 队在敌对区域中获取情报的重要技术手段。 (2) 紧急和临时场合。在发生了地震、水灾、强热带风暴或遭受其他灾难打击后，固定 的通信网络设施（如有线通信网络、蜂窝移动通信网络的基站等网络设施、卫星通信地球站 以及微波接力站等）可能被全部摧毁或无法正常工作，对于抢险救灾来说，这时就需要无线 传感器网络这种不依赖任何固定网络设施、能快速布设的自组织网络技术。边远或偏僻野外 地区、植被不能破坏的自然保护区，无法采用固定或预设的网络设施进行通信，也可以采用 无线传感器网络来进行信号采集与处理。无线传感器网络的快速展开和自组织特点，是这些 场合通信的最佳选择。 (3) 大型设备的监控：在一些大型设备中，需要对一些关键部件的技术参数进行监控， 以掌握设备的运行情况。在不便于安装有线传感器的情况下，无线传感器网络就可以作为一 个可选的通信手段。
摘
要：简要介绍了无线传感器网络体系结构、特点和应用领域。总结了无线传感器网络媒体访
问控制协议、节能路由算法和节点定位的研究成果，探讨了存在的问题和今后发展的方向。 关键词：无线传感器网络；综述；MAC 协议；多跳路由；节点定位1 中图分类号：TN919.2 文献标识码：A 文章编号：1000-436X(2004)04-0114-11
传感器 电池及电源管理电路 存储器
信号调理电路
AD 转换器 图2
微处理器
射频模块
无线传感器网络节点结构图
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无线传感器网络特点
目前常见的无线网络包括移动通信网、无线局域网、蓝牙网络、Ad hoc 网络等，与这些
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网络相比，无线传感器网络具有以下特点[1, 2]： (1) 硬件资源有限。节点由于受价格、体积和功耗的限制，其计算能力、程序空间和内 存空间比普通的计算机功能要弱很多。这一点决定了在节点操作系统设计中，协议层次不能 太复杂。 (2) 电源容量有限。网络节点由电池供电，电池的容量一般不是很大。其特殊的应用领 域决定了在使用过程中，不能给电池充电或更换电池，一旦电池能量用完，这个节点也就失 去了作用 （死亡） 。 因此在传感器网络设计过程中， 任何技术和协议的使用都要以节能为前提。 (3) 无中心。无线传感器网络中没有严格的控制中心，所有结点地位平等，是一个对等 式网络。结点可以随时加入或离开网络，任何结点的故障不会影响整个网络的运行，具有很 强的抗毁性。 (4) 自组织。网络的布设和展开无需依赖于任何预设的网络设施，节点通过分层协议和 分布式算法协调各自的行为，节点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。 (5) 多跳路由。网络中节点通信距离有限，一般在几百米范围内，节点只能与它的邻居 直接通信。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信， 则需要通过中间节点进行路由。 固定网络的多跳路由使用网关和路由器来实现，而无线传感器网络中的多跳路由是由普通网 络节点完成的，没有专门的路由设备。这样每个节点既可以是信息的发起者，也是信息的转 发者。 (6) 动态拓扑。无线传感器网络是一个动态的网络，节点可以随处移动；一个节点可能 会因为电池能量耗尽或其他故障，退出网络运行；一个节点也可能由于工作的需要而被添加 到网络中。 这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化，因此网络应该具有动态拓扑组织功能。 (7) 节点数量众多，分布密集。为了对一个区域执行监测任务，往往有成千上万传感器 节点空投到该区域。传感器节点分布非常密集，利用节点之间高度连接性来保证系统的容错 性和抗毁性。
网关
互联网、卫星或 移动通信网络
监控中心 检测区域 图1 传感器节点
无线传感器网络通信体系结构图
在不同的应用中，传感器节点设计也各不相同，但是它们的基本结构是一样的。节点的 典型硬件结构如图 2 所示，主要包括电池及电源管理电路、传感器、信号调理电路、AD 转 换器件、存储器、微处理器和射频模块等。节点采用电池供电，一旦电源耗尽，节点就失去 了工作能力。为了最大限度的节约电源，在硬件设计方面，要尽量采用低功耗器件，在没有 通信任务的时候，切断射频部分电源；在软件设计方面，各层通信协议都应该以节能为中心， 必要时可以牺牲其他的一些网络性能指标，以获得更高的电源效率。
Survey on wireless sensors network
MA Zu-chang1,2 , SUN Yi-ning1 , MEI Tao1
(1. Inst of Intelligent Machines, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031,China; 2. Dept of Precision Machinery and Instrumentation, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)
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无线传感器网络体系结构
无线传感器网络典型的体系结构如图 1 所示。节点具有传感、信号处理和无线通信功能， 它们既是信息包的发起者，也是信息包的转发者。通过网络自组织和多跳路由，将数据向网 关发送。网关可以使用多种方式与外部网络通信，如 Internet、卫星或移动通信网络等等，大 规模的应用可能使用多个网关。 节点由于受到体积、价格和电源供给等因素的限制，通信距离较短，只能与自己通信范 围内的邻居交换数据。要访问通信范围以外的节点，必须使用多跳路由。为了保证网络内大 多数节点都可以与网关建立无线链路，节点的分布要相当的密集。
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简介
无线传感器网络是一种特殊的 Ad-hoc 网络[1]，可应用于布线和电源供给困难的区域、人 员不能到达的区域（如受到污染、环境不能被破坏或敌对区域）和一些临时场合（如发生自 然灾害时，固定通信网络被破坏）等。它不需要固定网络支持，具有快速展开，抗毁性强等 特点，可广泛应用于军事、工业、交通、环保等领域，引起了人们广泛关注。 无线传感器网络典型工作方式如下：使用飞行器将大量传感器节点（数量从几百到几千 个）抛撒到感兴趣区域，节点通过自组织快速形成一个无线网络。节点既是信息的采集和发 出者，也充当信息的路由者，采集的数据通过多跳路由到达网关。网关（一些文献也称为 Sink node）是一个特殊的节点，可以通过 Internet、移动通信网络、卫星等与监控中心通信。也可 以利用无人机飞越网络上空，通过网关采集数据。 目前无线传感器网络尚处于研究阶段，为了加快其实用化进程，国外建设了很多演示系 统，相关的理论研究成果也很多。近年来，国内一些科研院所和高校也开展了无线传感器网 络理论和应用的研究，从可以获得的文献资料来看，基本处于起步阶段。
Abstract: The architecture, characteristics and application fields of wireless sensors network are briefly introduced. Some hot spots including media access control protocols, power-aware routing schemes and nodes location are presented in detail. Open issues and development intends of sensors network are also discussed. Key words: wireless sensors network; survey; MAC protocols; multi-hop routing; nodes location
2004 年 4 月 第 25 卷 第 4 期
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JOURNAL OF CHINA INSTITUTE OF COMMUNICATIONS
Vol.25 No.4 April 2004
无线传感器网络综述
马祖长 1, 2 ，孙怡宁 1 ，梅涛 1
（1. 中科院合肥智能机械研究所，安徽 合肥 230031；2. 中国科学技术大学 精密仪器系，安徽 合肥 230026）
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(4) 卫生保健：可以在病人身上安装用于检测身体机能的传感器节点，这些信息汇总后， 传送给医生，进行及时处理，为远程医疗创造条件。
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无线传感器网络协议层次
自组织无线传感器网络通信协议主要包括物理层、数据链路层、网络层和传输层，无线 传感器网络自身的特点决定了它不能使用目前已经存在的一些标准协议，例如 IEEE 802.11 。 所以国外的研究工作者为无线传感器网络的各个层次都提出了一些解决方案， 但是总的来说， 到目前为止并没有形成被广泛认可的标准。 5.1 物理层 物理层负责载波频率产生、信号的调制解调等工作。节点的设计主要有两种方法，一种 是利用市场上可以获得的商业元器件构件传感器节点，如围绕 TinyOS 项目所设计的系列硬 件平台[3]；另一种方法是采用 MEMS 和集成电路技术，设计包含微处理器、通信电路、传感 器等模块的高度集成化传感器节点，如 智能尘埃(smart dust)[4]、 无线集成网络传感器(WINS)[5] 等。 无线传感器网络的载波媒体可能的选择包括红外线、激光和无线电波。为了提高网络的 环境适应性，所选择的传输媒体应该是在多数地区内都可以使用的。红外线的使用不需要申 请频段，不会受到电磁信号干扰，而且红外线收发器价格便宜。另外一种可能的通信方式是 激光，激光通信保密性强、速度快。但是红外线和激光通信的一个共同问题是要求发送器和 接收器在视线范围之内，这对于节点随机分布的无线传感器网络来说，难以实现，因而使用 受到了限制。 在国外已经建立起来的无线传感器网络中， 多数传感器节点的硬件设计多基于射频电路。 由于使用 902MHz 、2.4GHz 及 5.8GHz 的 ISM 频段在很多国家都不需要向无线电管理部门申 请，所以很多系统采用 ISM 频段作为载波频率。µAMPS[6]无线传感器节点使用与蓝牙兼容的 2.4GHz 射频收发器，其内部集成了频率震荡器。文献[4，7]介绍的低功率传感器节点都使用 916MHz 的射频收发器，无线集成网络传感器(WINS)采用的是 902~928MHz 和 2.4GHz 的载 波频率。 节点硬件的具体设计已经超过了本文的讨论范围，下面主要介绍无线传感器网络通信协 议的其他部分。 5.2 数据链路层 数据链路层负责媒体访问和错误控制。 媒体访问协议保证可靠的点对点和点对多点通信， 错误控制则保证源节点发出的信息可以完整、无误地到达目标节点。 5.2.1 媒体访问控制协议（MAC） 在传感区域内，成千上万的节点随机分布，MAC 协议要在节点之间建立链路，保证所 有的节点可以公平、有效的利用有限的带宽。传统的无线网络内，主要的评价指标有吞吐量、 带宽利用率、公平性和延时等，但是对于无线传感器网络来说，电源效率是第一位活跃的研究领域， 研究者已经提出了很多的建议方案，这些协议可以大致划分为以随机竞争为基础和基于预约 的媒体访问控制协议。 (1) 以竞争为基础的 MAC 协议 IEEE 802.11 的 MAC 协议就是以竞争为基础的协议，它可以简单可靠地处理多跳网络中