趙 荷

?

分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議分析

趙 荷

成都東軟學(xué)院計科系，四川 都江堰 611844

在以往分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議研究成果的基礎(chǔ)上，對于分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的各個協(xié)議體系進行了進一步的闡述，并對于通信協(xié)議體系結(jié)構(gòu)中的新的分布體系結(jié)構(gòu)以及當(dāng)前在分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的最近研究進展進行了系統(tǒng)性的介紹，對于在協(xié)議研究中的相關(guān)應(yīng)用案例以及其他國家的相關(guān)研究情況也做了具體介紹，綜合分析了我國目前的分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議研究的現(xiàn)狀，并對未來的發(fā)展方向提出了一些建議。

分布式無線傳感技術(shù)；網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議；研究與進展

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸技術(shù)已經(jīng)越來越引起人們的重視。無線傳感器網(wǎng)路由于自身強大的對數(shù)據(jù)的處理能力、計算通信能力以及存儲感知能力，使得這一技術(shù)很快受到社會的認可[1]。目前已在多領(lǐng)域進行應(yīng)用，比如軍事領(lǐng)域、環(huán)保領(lǐng)域甚至是在醫(yī)療和商務(wù)領(lǐng)域。無線傳感器在分布空間中采用多節(jié)點分布的方式，對于監(jiān)測區(qū)域的物理信號會迅速做出反應(yīng)，以一種多跳的傳輸方式向主基站傳輸數(shù)據(jù)。在傳輸過程中，由于自身的分簇式拓撲組織結(jié)構(gòu)，減少了大量的能量消耗，同時提高了傳輸?shù)男屎唾|(zhì)量，擴展了網(wǎng)絡(luò)空間。當(dāng)前，對于分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究最廣的是美國，并且在應(yīng)用領(lǐng)域也取得了一系列的成果，設(shè)立了很多關(guān)于DNS（分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)）的研究計劃，比如著名的Smart Dust 和 SCADDS研究計劃。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義

分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種利用自身的微型傳感器對監(jiān)測區(qū)域進行作業(yè)的現(xiàn)代智能系統(tǒng)。在作業(yè)過程中，分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用多節(jié)點分布，大大節(jié)省了傳輸時間，提高了傳輸效率，在傳輸過程中采用多跳、對等的傳輸方式，并利用自身的分簇式拓撲組織結(jié)構(gòu)，可以獨立的在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)展開工作。同時也可以將分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)連入到互聯(lián)網(wǎng)中，借助互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠程控制。分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與其他的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)相比，具有明顯的優(yōu)勢。首先，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用的是多節(jié)點分布的方式，而且節(jié)點規(guī)模巨大，在空間中分布的密度非常高，這保證能夠?qū)τ谖锢韺ο蟮膶嵤┓浅Ｓ行У谋O(jiān)測，它的節(jié)點數(shù)量比其他網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)高幾個數(shù)量級以上。而且分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，分布節(jié)點之間的計算能力、能量消耗以及存儲能力都嚴格的受到基站的控制。保證了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對于傳輸數(shù)據(jù)的傳輸效率與質(zhì)量[2]。但是由于無線傳感器能夠網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點分布過多，非常容易損壞，節(jié)點之間采用的不是點對點的通信方式，在傳輸精確性上存在一些瑕疵，且沒有統(tǒng)一的標識，導(dǎo)致拓撲結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，頻繁的發(fā)生一些變化。這些問題也是在未來的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議發(fā)展中面對的主要挑戰(zhàn)。

2 通信協(xié)議與研究進展分析

（1）物理層通信協(xié)議分析:在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，采用的物理層協(xié)議主要涉及到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸介質(zhì)、頻段選擇和調(diào)制方式。在傳輸介質(zhì)的選擇中，目前主要采用的是無線電、紅外線和光波三種。相比較而言，采用無線電傳輸要比選擇紅外線和光波傳輸更有效率、因此無線電傳輸也是目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層協(xié)議中的主要傳輸方式。紅外線傳輸和光波傳輸多應(yīng)用在一些特殊的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，其傳輸過程中不需要復(fù)雜的解調(diào)制過程，而對接收器的要求也不高，數(shù)據(jù)傳輸過程中損耗功率低，目前在光通信以及一些激光二極管通信中廣泛使用[3]。

（2）LEACH通信協(xié)議分析:LEACH協(xié)議在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信過程中采用的是簇頭選舉的策略方式進行傳輸。這一階段主要可以分為簇頭選舉、簇的成型、穩(wěn)定狀態(tài)和數(shù)據(jù)融合四個過程。在簇的選舉階段，由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點對于能力的消耗不足，所以必須要考慮到節(jié)點對當(dāng)前能量的消耗，以及剩余能量的存儲。CKHS通過改進對簇頭選舉階段閾值的計算方式，對節(jié)點的剩余能量進行排序，進而使剩余能量高的節(jié)點當(dāng)選為簇頭。這樣就解決了在簇頭選舉階段選出的簇頭能量供應(yīng)不足進而對整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)造成重大影響的問題。在簇的成型階段，與簇頭選舉階段相反，這一階段要選擇分布節(jié)點中能量消消耗最小的簇節(jié)點。LEACH協(xié)議中對于簇頭的射頻一般不會考慮所分布的節(jié)點中能量消耗的多少，它會依據(jù)就近原則，選擇離自己最近簇頭進行廣播射頻。但是在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，眾多的分布節(jié)點中每一個節(jié)點都有可能被選為簇頭，這就造成了較遠距離的簇頭在與基站進行信號傳輸過程中會消耗大量的能量，導(dǎo)致后面的工作無法進行。這會引起整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。對于這一缺陷，EEWS進行了改變。在簇頭與基站通信過程中，通過改變權(quán)值來保證簇頭到基站之間的距離最短，進而保證能量消耗最下。在LEACH協(xié)議的通信過程中，對于出現(xiàn)的缺陷可以通過對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期進行估計來達到優(yōu)化的目的。在估計過程中，主要參考的依據(jù)就是節(jié)點平均能量的消耗。通過這種方式，對于在LEACH協(xié)議通信過程中簇頭的選擇、成型以及保持無線傳感器網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定的拓撲結(jié)構(gòu)，都有著非常重要的意義。在優(yōu)化模型中，可以采用對分布節(jié)點壽命進行估計的方式來對網(wǎng)絡(luò)模型進行優(yōu)化，也可以通過研究節(jié)點在空閑狀態(tài)和共做狀態(tài)下的能量消耗對節(jié)點的生命周期進行估計，從而對LEACH協(xié)議進行優(yōu)化與改善[4]。

總之，目前分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在社會上多個領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。但是由于網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議限制，加之自身技術(shù)現(xiàn)在也不完善，在傳感器節(jié)點分布、無人值守等方面還需要繼續(xù)改進。對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用現(xiàn)在還處于初始階段，隨著相關(guān)技術(shù)的進一步完善和網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的技術(shù)更新，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)必將在人類社會的生產(chǎn)中發(fā)揮更大的作用。

[1]于海斌,曾鵬,王忠鋒,梁英,尚志軍.分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議研究[J].通信學(xué)報,2013,10:102-110.

[2]張馨,喬曉軍,劉恩,羅惠謙,王成.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究[J].農(nóng)機化研究,2011,04:57-62.

[3]景博,張劼,張宗麟,孫勇,李金梁.分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用核心技術(shù)研究[J].測試技術(shù)學(xué)報,2012,02:181-185.

[4]陳旿,滕永達.傳感器無線網(wǎng)絡(luò)化接口模塊設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機測量與控制,2011,v.19;No.15508:2051-2054

Distributed Wireless Sensor Network Communication Protocol Analysis

Zhao He

Chengdu Neusoft Institute Project Department,Sichuan Dujiangyan 611844

On the basis of conventional distributed wireless sensor network communication protocol research results for distributed wireless sensor network protocol system for each protocol further elaborated, and the communication protocol architecture of the new architecture and the distribution of current recent Advances in distributed wireless sensor network communication protocol in a systematic introduction to the protocol for the study of related applications and case studies in other countries have also done a detailed information about the comprehensive analysis of China's current distributed wireless Situation sensor network communication protocol research, and the future direction of development put forward a number of recommendations.

distributed wireless sensor technology; network communication protocol; Research and Development

TP212.9;TN915.04

A

1009-6434(2016)07-0045-02