无线传感器网络通信协议的分析中图分类号：tn711 文献标识码：a 文章编号：

【摘要】微机电系统、处理器、无线通信及存储技术的进步促进了无线传感器网络的飞速发展,使得无线传感器网络成为一种全新的信息获取和处理技术。在对其网络特点进行分析的基础上,介绍了无线传感器网络的通信体系、中间件和应用系统三大层次的概念和特点, 并概述了无线传感器网络及其媒介访问控制协议、路由协议、传输层协议等通信体系的热点问题研究现状及展望。

关键词：无线传感器网络；体系结构；通信体系；mac协议；路由协议；传输层协议

无线传感器网络是由大量无处不在的、具有无线通信与计算能力的微小传感器节点构成的自组织分布式网络系统, 是能根据环境自主完成指定任务的“智能”系统, 是一项涉及多门前沿学科发展的综合性技术。mems 将多种传感器集成为一体, 制造小型化、低成本、多功能的传感器节点; 大量的mems 传感器节点只有通过低功耗的无线通信技术联成网络才能够发挥其整体和综合作用; 具有群体智能的自主自治系统的行为实现和控制是自动控制和人工智能领域的前沿研究内容。

1、体系结构

无线传感器网络与移动专用网络( mobile adho c netw ork, manet ) 相比, 具有节点数量多、分布密集, 通信采用广播方式, 拓扑结构变化频繁, 能量、计算和存储能力有限, 没有统一的标识

等特点。这对无线传感器网络在设计上提出了新的要求和挑战, 即资源受限、可扩展性、容错性、自组织、实时性和安全性等。其中, 资源受限, 尤其是能量有限是无线传感器网络的一个重要特征。由于传感器节点多采用电池供电, 而且一旦部署就无人值守, 更换

电池成本过大, 在设计无线传感器网络时,必须尽可能采用低功耗

的器件、节能的协议算法和管理策略, 以便减少传感器节点的能耗, 延长整个网络的寿命。

组网与通信是通信体系的主要功能, 这一层包括开放系统互联osi 七层模型中的物理层, 数据链路层, 网络层和传输层。无线传感器网络的计算模型涉及网络的组织、管理和服务框架, 信息传输路径的建立机制、面向需求的分布信息处理模式等问题,是无线传

感器网络发展需要首先解决的问题。通信协议是核心内容, 包括无线信道调制、共享信道分配、路由构建及与因特网互联等。

2、通信体系

在通信体系的四层协议栈中, 物理层负责数据的调制、发送与

接收, 涉及传输的媒介、频段的选择、载波产生、信号检测、调制解调方式、数据加密和硬件设计等。wsns 采用的传输媒体主要有: 射频( rf) 、可见光、红外线等, 其中, 射频是最常用的。到目前为止, 物理层已基本完成了无线传感器网络节点的设计开发, 代

表性的节点有u cla 和rockwell 自动化中心研制的wins, mit 研制的µamps, u c berkeley 的smar t dust 和mo tes。在

这些平台中, mo tes 硬件平台和其配套的tinyos操作系统应用最

为广泛, 为全球300 多家研究机构所采用。目前, 物理层的工作主要集中于低功耗低成本高可靠性的模块特别是通信模块的研制和

片上系统soc 的设计。

3 mac协议

3.1 基于调度算法的mac协议

在基于调度算法的mac 协议中, 传感器节点可发送数据的时间

通过一个调度算法来决定。这样, 多个传感器节点就可以同时、没有冲突的在无线信道发送数据。这类协议中, 主要的调度算法是时分多复用t dma, 即将时间分成多个时间片, 几个时间片组成一个帧, 在每一帧中, 分配给传感器节点至少一个时间片来发送数据。这类协议的调度算法通常寻找一个尽可能最近的用于发送数据的

帧来达到高的空间利用率和低的数据包等待时间。

典型的协议有smacs, de-mac和emacs。基于调度的ma c 协议都是分布式的, 因此需要时间同步机制, 而不需要全局信息。这样, 就可以在高动态变化的环境比如网络拓扑改变的情况下充分适应

并保持最佳的特性。这类协议提供了信道的公平使用, 与合适的调度算法配合就可以避免冲突的发生。但是许多基于t dma 的协议必须使用较为精确的时间同步来调度, 增加了网络的负载。另外, 有些t dma 协议仍然存在一定的冲突, 导致很难控制这些冲突来保证实时性和节省能耗。

3.2非碰撞的mac协议

非碰撞的mac 协议通过消除碰撞来节能。好的非碰撞协议能够

潜在地提高吞吐量, 减少时延, 提供实时性保证。当前存在的问题是多信道的使用。这需要对无线传感器网络的节点硬件设计上提出了一个附加的要求( 有些节点必须有两个收发器) 。另一个问题是协议的复杂性( 因为节点的计算能力有限, 传感器网络的协议总

是越简单越好) 。

3.3基于竞争的mac协议

多数分布式mac 协议采用载波监听或冲突避免的机制并采用附加的信令控制消息来处理隐藏和暴露节点问题。基于竞争的协议对无线信道的访问采用竞争机制。比如: s-mac , t-ma c ,arc-ma c 。基于竞争的协议通常很难提供实时性保证, 而且由于冲突的存在, 浪费了能量。基于竞争的协议在有些应用场合( 比如主要考虑节能而不太关心时延的可预测性时) 有较大的应用。基于竞争的协议需要解决的是提供一个实时性的统计上界。根据这类协议的分布式和随机的补偿特性, 基于竞争的协议没有确切的保证不同节点的数

据包的优先级。因此, 有必要限制优先级倒置的概率以建立统计上的端到端的时延保证。

3.4混合的mac协议

混合协议主要是将多种机制结合起来, 以获取一个优缺点的折衷。比如: 物理层驱动协议, 混合tdma-fdma 的mac , 以及

cat-mac 。混合协议糅合了多种机制的协议, 可以在很大程度上满足传感器网络的需求, 但是必须注意消除各种机制的缺点。

通过对现有ma c 协议的分析, 我们认为可以在分析现有的非碰