張海絨

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，山西晉中，030600)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議探究

張海絨

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，山西晉中，030600)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的深入發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用也越來越廣泛。然而，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)還有待進(jìn)一步的發(fā)展，也促使人們對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的深入探究。本文針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和MAC層協(xié)議的分類做了詳細(xì)的描述和總結(jié)，為后續(xù)人們進(jìn)一步研究做好鋪墊。

MAC無線傳感器；網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議；物聯(lián)網(wǎng)

0 引言

自從九十年代以來，物聯(lián)網(wǎng)的概念已經(jīng)遍及全球，世界各國都在紛紛開始研究物聯(lián)網(wǎng)，我國也漸漸進(jìn)入了物聯(lián)網(wǎng)研究階段。但是，全球?qū)ξ锫?lián)網(wǎng)的研究也只是起步階段。盡管如此，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢炙手可熱，因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)給我們的生活帶來了意想不到的方便和快捷。

國際電信聯(lián)盟建議將物聯(lián)網(wǎng)采用分層模型，其中最底層的感知層采用傳感器技術(shù)，利用傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的通信。這就形成了對于新技術(shù)的探究——無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是如何實(shí)現(xiàn)的。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還可用于危險(xiǎn)、特殊的環(huán)境，不需要固定的網(wǎng)絡(luò)支持，它的重要性不言而喻，引起了國內(nèi)外的普遍關(guān)注，發(fā)展勢頭也相當(dāng)迅猛。美國、日本、英國、意大利、加拿大、德國以及歐盟的各大高校及研究機(jī)構(gòu)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究成果顯著，提出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，類似于TCP/IP協(xié)議，采用分層模型進(jìn)行研究和實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)中指出，我國自1999年在《知識創(chuàng)新工程試點(diǎn)領(lǐng)域方向研究》的“信息與自動化領(lǐng)域研究報(bào)告”中由中國科學(xué)院第一次提出傳感器網(wǎng)絡(luò)后，國內(nèi)各個(gè)單位及各大院校積極投入傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究，并取得突出成績。并且國內(nèi)許多企業(yè)也紛紛加入對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的探究和實(shí)現(xiàn)，比如，Zig-Bee的提出及相關(guān)應(yīng)用等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展至今，已經(jīng)應(yīng)用在生活中的各個(gè)領(lǐng)域。在實(shí)踐中遇到的各種問題又需要我們來解決和改進(jìn)。

1 無線網(wǎng)絡(luò)傳感器特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)、移動網(wǎng)絡(luò)和通信網(wǎng)絡(luò)相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有其不同的特點(diǎn)。

（1）能量限制。由于傳感器節(jié)點(diǎn)都是電池供應(yīng)電能，所有能源有限，對能源效率要求比較高。

（2）動態(tài)。傳感器各節(jié)點(diǎn)的位置狀態(tài)可能隨天氣情況、周圍環(huán)境的變化而變化，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會不定時(shí)發(fā)生變化。又比如某些節(jié)點(diǎn)會因?yàn)槟承┰蛲瞥鼍W(wǎng)絡(luò)，或者有新的節(jié)點(diǎn)加入，都會導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的變化情況。

（3）自適應(yīng)性。傳感器網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)通過飛機(jī)撒播等方式播入需要監(jiān)控的區(qū)域，各節(jié)點(diǎn)位置比較隨意，要求網(wǎng)絡(luò)有自適應(yīng)性，能夠自己配置協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)，組成一個(gè)能夠采集數(shù)據(jù)、傳遞信息、完成通信等功能的網(wǎng)絡(luò)。

（4）轉(zhuǎn)發(fā)。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是一個(gè)路由器，都有轉(zhuǎn)發(fā)的功能，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都只能向相鄰的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)信息，該節(jié)點(diǎn)繼續(xù)將信息轉(zhuǎn)發(fā)給它相鄰節(jié)點(diǎn)，最終到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)，發(fā)給遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 無線傳感器節(jié)點(diǎn)

鑒于上述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的方式研究。本文主要介紹網(wǎng)絡(luò)層和MAC層協(xié)議，這兩種協(xié)議隨后介紹。這里先說一下傳感器節(jié)點(diǎn)。

傳感器節(jié)點(diǎn)總體由四部分組成：傳感器模塊、處理模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊。傳感器模塊由傳感器和AC/AD組成，傳感器負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，主要有溫度感應(yīng)、廣度感應(yīng)等，AC/AD是信號轉(zhuǎn)換器，將收集到的信號轉(zhuǎn)換為處理模塊可以處理的信號。處理模塊由處理器和存儲器組成，用來存儲數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、控制節(jié)點(diǎn)的操作，完成通信協(xié)議等功能。無線通信模塊由網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)、MAC和收發(fā)器組成，負(fù)責(zé)采集信息，實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間的無線通信。能量供應(yīng)模塊提供傳感器節(jié)點(diǎn)運(yùn)行時(shí)所需要的能量。

傳感器節(jié)點(diǎn)通過向鄰近節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)信息，最終發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星通信，傳給用戶觀察分析。這就是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。

3 MAC協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議

傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中分層為：MAC層和網(wǎng)絡(luò)層，其中的熱點(diǎn)問題有：MAC協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。

網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議主要有以下幾種。

（1）Flooding協(xié)議。Flooding協(xié)議是一種平面協(xié)議。源點(diǎn)向相鄰?fù)ㄟ^的方式傳遞信息，這種方式造成的弊端容易引起“內(nèi)爆”問題?！皟?nèi)爆”問題指的是同一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以接收到很多相鄰節(jié)點(diǎn)傳來的信息。為了解決“內(nèi)爆”問題，產(chǎn)生了Gossiping協(xié)議。Gossiping協(xié)議是對Flooding協(xié)議的一種改進(jìn)，是將源節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信息隨機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)給相鄰的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，而不是廣播方式，這樣就減輕了“內(nèi)爆”。Flooding協(xié)議和Gossiping協(xié)議不需要設(shè)置路由信息，不用維護(hù)路由表，這樣節(jié)省了資源。

（2）SPIN協(xié)議。SPIN協(xié)議是采用數(shù)據(jù)方式的協(xié)議。源點(diǎn)向相鄰節(jié)點(diǎn)通過ADV消息發(fā)送，需要該消息的節(jié)點(diǎn)發(fā)出REQ請求消息，再通過DATA消息將信息傳送給請求節(jié)點(diǎn)。這樣命名方式減輕了“內(nèi)爆”問題和“重疊”問題。

（3）LEACH協(xié)議。LEACH協(xié)議是第一個(gè)采用層次路由的協(xié)議。LEACH協(xié)議分為兩個(gè)階段：第一階段是建立簇頭；第二個(gè)階段是數(shù)據(jù)傳送。第二個(gè)階段比第一個(gè)階段時(shí)間長，這樣節(jié)省能源。建立簇頭可以循環(huán)進(jìn)行，每循環(huán)一次稱為一輪，每一輪建立新的簇頭。對于如何選擇新的簇頭，應(yīng)根據(jù)節(jié)點(diǎn)的位置、剩余能量等綜合評估，也可以隨機(jī)選定。數(shù)據(jù)傳送階段可以單跳傳送到基站，也可以多跳轉(zhuǎn)發(fā)多個(gè)簇頭，最終將信息傳送到基站。關(guān)于簇頭和簇頭轉(zhuǎn)發(fā)，更高能源效率更適于自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的算法已經(jīng)有專家提出。

（4）PEGASIS協(xié)議。對于簇頭的選擇采用動態(tài)選舉方式：設(shè)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)有N個(gè)節(jié)點(diǎn)，對每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號，從1——N。第j輪選擇的簇頭編號是i=jModN。對于轉(zhuǎn)發(fā)方式，每個(gè)節(jié)點(diǎn)利用貪心算法找出離它最近的節(jié)點(diǎn)，組成一條鏈，將信息沿著該鏈轉(zhuǎn)發(fā)到基站。這種協(xié)議叫做PEGASIS協(xié)議。PEGASIS協(xié)議有效的利用了能量，采用多跳轉(zhuǎn)發(fā)的方式。但是傳送信息時(shí)間長，如果對實(shí)時(shí)性要求比較高，不建議采用PEGASIS協(xié)議。

（5）TEEN協(xié)議。該協(xié)議每輪隨機(jī)選取一個(gè)簇頭，并設(shè)置一個(gè)門限值，數(shù)據(jù)通過門限值才能轉(zhuǎn)發(fā)，繼而達(dá)到過濾的功能，減少能源的浪費(fèi)。

（6）SAR協(xié)議。該協(xié)議是一種基于QoS的協(xié)議，QoS是服務(wù)質(zhì)量。從源節(jié)點(diǎn)到sink節(jié)點(diǎn)組成樹結(jié)構(gòu)，在創(chuàng)建樹結(jié)構(gòu)時(shí)考慮服務(wù)質(zhì)量的一些參數(shù)（時(shí)延、丟包率等）。從源點(diǎn)發(fā)送信息時(shí)，可以選擇多條路徑或一條路徑。SAR協(xié)議的缺點(diǎn)是，需要維護(hù)路由信息，消耗相關(guān)資源。

基于QoS的協(xié)議還有SPEED協(xié)議、ELIOoS協(xié)議、QoS-GBP協(xié)議、MMSPEED協(xié)議、OEDSR協(xié)議、地理位置路由協(xié)議、ReInForM協(xié)議、ADPROC協(xié)議等。

此外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議還有Directed Diffusion協(xié)議、Rumor協(xié)議、GPRS協(xié)議、TBF協(xié)議、TTDD協(xié)議、TimyOS Beaconing協(xié)議等。

MAC協(xié)議，指的是medium access control，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的介質(zhì)訪問控制。

傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議已經(jīng)不能滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，各高校研究所研究適合于傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議與傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議相比，不同之處在于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量有限，MAC協(xié)議對于功耗要求極高，須做到盡可能保存能量，減少能耗的散盡，延長相關(guān)設(shè)備的使用壽命。目前已經(jīng)研究出的MAC協(xié)議有以下幾種。

（1）S-MAC協(xié)議。S-MAC協(xié)議采用周期睡眠調(diào)度的方法節(jié)能，達(dá)到了預(yù)期的效果。但是S-MAC協(xié)議空閑偵聽時(shí)間與網(wǎng)絡(luò)負(fù)載有關(guān)。網(wǎng)絡(luò)負(fù)載越小，偵聽時(shí)間越長，造成的通信時(shí)間越長，不適用于對實(shí)時(shí)要求較高的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

（2）T-MAC協(xié)議。為了克服S-MAC協(xié)議的缺點(diǎn)，產(chǎn)生了T-MAC協(xié)議。T-MAC協(xié)議采用未來請求發(fā)送和滿緩沖區(qū)優(yōu)先兩種方案，但都有相關(guān)的缺點(diǎn)。

（3）B-MAC、WseMAC和X-MAC。這三種協(xié)議采用前導(dǎo)碼方式來降低通信功耗，以節(jié)能的目的。

（4）基于調(diào)度的MAC協(xié)議。該類協(xié)議采用TDMA訪問方式，主要有Cluster-Based MAC、TRAMA、TDMA-W、Data gathering tree-base MAC、LouseMAC&TightMAC、EMACs及LMAC、ArDeZ等。

（5）將競爭協(xié)議和調(diào)度協(xié)議綜合在一起的MAC協(xié)議，有Z-MAC、Funneling-MAC。

綜上所述，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)路由層協(xié)議和MAC層協(xié)議發(fā)展過程中還有相對的缺陷，希望后續(xù)對相關(guān)協(xié)議進(jìn)行進(jìn)一步的探究。

[1]劉強(qiáng),崔莉,陳海明.物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用【J】計(jì)算機(jī)科學(xué).2010,37(6).

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[5]任豐原,黃海寧,林闖.無線傳感器網(wǎng)絡(luò).軟件學(xué)報(bào).2003,14(7).

Research on wireless sensor network protocol

Zhang Hairong
（School of information, Shanxi Agricultural University，Jinzhong Shaanxi,030600）

With the further development of Internet technology, the application of wireless sensor network is becoming more and more widely. Wireless sensor network technology, however, remains to be further development, has also encouraged people to delve into wireless sensor network protocol. Aiming at the network layer protocol of wireless sensor network protocol and the classification of the MAC layer protocol has made the detailed description and summary, for further study on the following people.

MAC;wireless sensor；network layer protocol;Internet of things

張海絨（1985-10），女，碩士研究生，助教，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。