未来无线通信新领域

• 传感器网络是由“侦测”功能发展而来的网络架构模式
  
• 能量控制、容错机制、路由选择以及数据的采集与处理是传感器网络技术的研究重点
  
• 传感器网络属于无线个人网(WPAN)，可能采用IEEE 802.15.4标准

    随着传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术的飞速发展和日益成熟，出现了具有感知、计算、处理和无线通信能力的微型传感器。而由这些微型传感器所构成的传感器网络(SN)也引起了人们极大的关注。

    传感器网络是一种由“侦测”功能发展出来的网络架构模式。传感器网络除了感知和采集信息外，还可依据所收集的信息，进行存储、计算和传输，并使管理者依此做出适当的回应。因为上述特征，传感器网络可以广泛应用于军事、环境、健康等领域。

    传感器网络的研究起步于20世纪90年代末期，由于其巨大的应用价值，作为一个全新的研究领域已经引起了世界许多国家军事部门、工业界和学术界的极大关注，在基础理论和工程技术两个层面提出了大量极具挑战性的研究课题。

1 传感器网络的研究重点

1.1 能量控制
    传感器的电源能量极其有限，网络中的传感器节点由于电源能量问题经常失效或废弃，因此电源能量限制是阻碍传感器网络应用的重要问题。在传感器网络应用中，数据传送是网络中能量消耗最大的部分，为节省能源，可以设计网络进行短距离数据传送，并降低发送功率。由于监测事件具有很强的偶发性，传感器节点上所有工作单元没有必要时刻保持在正常工作状态，因此可以为收发器设置休眠/唤醒状态来节约能源。

1.2 容错机制
    传感器经常会由于周围环境或电源耗尽等原因而失效；同时，传感器多为嵌入式系统装置，故障出现的可能性较高；此外，传感器网络中节点数量大、分布广的特点也使得网络维护十分困难甚至不可维护，所有这些都要求传感器网络必须具有很强的容错性能。针对不同的应用，传感器网络对容错性能的要求也有所不同，可以采用不同的机制。例如在家庭应用上，传感器网络所在的环境较佳，因此对于容错机制要求的标准较低，相对而言，应用于战场上时则要求非常严格的容错机制。所以，如何在传感器发生故障时，整个网络仍能进行正常的感测工作，并将正确的资料送回基地台，是容错机制的主要研究目标。

1.3 路由选择
    传感器节点可以随机或者特定地分布在目标环境当中，节点之间通过特定的协议自组织起来，以获取周围环境的信息并且相互协同工作完成特定任务。现有的无线Ad hoc网络架构是最为接近传感器网络的结构，研究人员也一度认为成熟的Internet技术加上Ad hoc路由机制就完成了对传感器网络的设计。事实上，虽然无线Ad hoc网络和传感器网络同为无固定基础结构型网络，但现有的无线Ad hoc网络路由协议及算法大多

    无法直接应用在传感器网络上，主要原因如下：

• 传感器网络的节点数量通常是Ad hoc网络的数十倍至数千倍。
• 传感器网络的节点密度高，故障频率也很大。
• 传感器节点移动性不强，但由于故障频繁，网络拓扑变化频繁。
• 传感器网络主要使用广播通信，而Ad hoc网络较多使用点对点方式通信。
• 传感器节点在能量、计算能力以及存储能力上都有很大的限制。
• 由于传感器节点数目众多而且大多进行相同的监测任务，因此没有配备类似Internet中的IP地址来作为统一识别号。
  

    鉴于以上原因，必须设计适合传感器网络本身特点的路由协议。目前已经提出的方案有基于信息协商的路由算法(SPIN)、低功耗自适应聚类路由算法(LEACH)和定向扩散(DD)等。SPIN是以数据为中心的自适应路由协议，通过协商机制来解决泛洪算法中的“内爆”和“重叠”问题。传感器节点仅广播采集数据的描述信息，当有相应的请求时，才向目的地发送数据信息；LEACH是麻省理工学院(MIT)的Chandrakasan等人为无线传感器网络设计的低功耗自适应聚类路由算法，与一般的平面多跳路由协议和静态聚类算法相比，LEACH通过随机选择聚类首领，平均分担中继通信业务来实现路由选择；定向扩散模型是Estrin等人专门为传感器网络设计的路由策略，以数据为中心，通过应用来唤起选路，与已有的路由算法有着截然不同的实现机制。

1.4 数据采集与处理
    传感器网络与传统网络有着明显不同的技术要求，前者以数据为中心，后者以传输数据为目的。以数据为中心的传感器网络的基本思想是把传感器当作感知数据流或感知数据源，把传感器网络当作数据空间或感知数据库，把数据采集和处理作为网络的应用目标。传感器网络的设计应以数据采集和处理为中心，把数据库技术和网络技术结合起来，从逻辑概念和软、硬件技术两方面实现一个高性能的以数据为中心的网络系统。为用户或管理者提供一个有效的感知数据空间或感知数据库管理和处理系统，方便用户在传感器网络上进行感知数据的采集和处理。

2 传感器网络的标准
    作为与IrDA、IEEE 802.11 WLAN、蓝牙(Bluetooth)、HomeRF以及ESTI HiperLAN等并列的无线网络技术，传感器网络还没有制订专门的标准，但目前研究中的IEEE 802.15.4低速无线个域网标准有可能成为其适用标准，IEEE l451工作组正在考虑以此为基础实现传感器网络。

    IEEE 802.15.4是为了满足低功耗、低成本的无线网络要求而专门开发的低速率的WPAN(LR-WPAN)标准。它具有复杂度低、成本极少、功耗很小的特点，能在低成本设备(固定的、便携的或可移动的)之间进行低速率传输。IEEE 802.15.4的特有特征决定了其适合传感器网络使用。IEEE 802.15.4有如下优点：

(1)网络能力强
    IEEE 802.15.4具有卓越的网络能力，可对多达254个网络设备进行动态设备寻址。
(2)适应性好
    IEEE 802.15.4可与现有控制网络标准无缝集成。通过网络协调器可自动建立网络，采用载波侦听多路访问/冲突防止(CSMA-CA)方式进行信道存取。
(3)可靠性高
    IEEE 802.15.4提供全握手协议，能可靠地传递数据。

    IEEE 802.15.4将提供一个低成本的用于数据采集和传输的网状网络，网络上的每个监测节点只需在有限的时间内发送几个比特的数据，数据流是异步的并在数据等待时间上限制极小，这些因素都利于电源使用寿命的延长。

    对于IEEE 802.15.4来说，一个完整的系统需要由多个部分组成，标准中定义了两类装置：精简功能装置(RFD)或完整功能装置(FFD)。由多个节点构成的网络，称作个人操作范围(POS)，POS内部每个节点都依照WPAN的协议标准进行数据交换，其最重要的指标为处理数据能力。

    预计IEEE 802.15.4的早期客户将是高端工业用户，这是由于早期IEEE 802.15.4主要应用于工业控制、远程监控和楼宇自动化领域；后期IEEE 802.15.4的市场将转向消费者和家庭用户，主要应用于家庭自动化、安全和交互式玩具，其市场的动力将来自其低造价、小功耗以及便于使用的特点，最终每个IEEE 802.15.4发射接收机的价格将低于5美元。

    将传感器和IEEE 802.15.4 WPAN设备组合，进行数据采集、处理和分析，就可以决定是否需要或何时需要用户操作。IEEE 802.15.4 WPAN网络可以极大地降低传感器网络的安装成本并简化对现有网络的扩充。

3 传感器网络研究展望
    普通网络化孕育的传感器网络是一种崭新的信息获取和处理技术，2003年2月美国《技术评论》杂志评出对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术，传感器网络被列为第一。传感器网络的灵活性、容错性、高感知能力、低费用以及快速布局等特点决定了它的应用领域极为广泛，但正是上述特征使得传感器网络同样面临着许多难题，虽然目前针对这些难题已经有多个解决方案提出，但尚不成熟。由于传感器网络本身的特点，使得它与现有的传统网络技术之间存在较大的区别，向人们提出了很多新的技术挑战。

    传感器网络对国家和社会发展意义重大，国外对于传感器网络的研究非常热门，国内也有部分研究机构开始对此进行研究，但尚未取得显著成果，希望在不久的将来传感器网络这一新兴技术能够得到国内学术界和工业界的重视，从而推动这一具有战略意义的新技术的研究和发展。