无线传感器网络体系结构和关键技术研究

基金项目：国家自然科学基金(60572120)

1 无线传感器网络体系架构
      无线传感器网络包括分布式传感器节点、接收和发送器、互联网以及用户接口界面等，其中传感器节点是基本和核心单元，它由传感单元、处理单元、通信单元和电源等组成[1]。无线传感器网络一般采用分层体系结构。分层协议由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成，其中物理层可以采用先进的无线射频传输技术，如正交频分复用(OFDM)、超宽带(UWB)、多输入多输出(MIMO)，甚至码分多址(CDMA)技术等，也可以采用传统的红外线传输技术；数据链路层主要任务是保证物理层传输的数据尽量正确，同时提高系统频谱效率；网络层的功能包括分组路由、拥塞控制等；传输层主要用于提供可靠的额外开销合理的数据传输服务；应用层提供各种具体的增值业务应用，同时也提供时间同步和节点定位功能。

      与无线传感器网络分层协议对应的是控制管理技术，由于目前还没有标准化，所以各种协议结构五花八门，本文提出一种跨层的无线传感器网络管理机制(如图1所示)。

      在无线传感器网络中，为了节约能源，延长电池的使用时间，当无数据发送、接收以及转发时，网络中的节点会很快自动调整为休眠状态，这使得系统的路由拓扑结构发生变化，需要重新建立路由。为了避免网络拓扑结构的不稳定，建议网络节点变为休眠状态前，检查是否会造成网络路由结构变化，如果发生变化，禁止该节点转为休眠状态。

      由于节点容易进行活动状态和休眠状态转变，同时无线链路易遭受时间选择性衰落、频率选择性衰落、空间选择性衰落、干扰和噪声等因素的共同影响，需要把物理层的信号质量及时汇报给媒体接入控制(MAC)层，而且MAC层也需要及时和网络层、传输层以及应用层进行信息交互，所以传统的分层协议体系管理模式在无线传感器网络中并不是最佳的，因此跨层的网络管理成了保证无线传感器网络高效工作的先进技术之一。与跨层协议结构相对应的控制技术包括：能源管理、服务质量(QoS)管理、无线资源管理、移动性管理。作为一种分布式网络，为了保证不同层协议的安全性，其安全性管理和网络管理应该在各层同时共存。

      为了能够可靠地进行数据传输，需要节点能够提供具有特定QoS要求的各种无线业务，其中的QoS技术必须具有充分的灵活性和自适应特性。

      能源管理对于无线传感器网络来说非常重要，由于节点的耗电量不能太大，所以和传统的无线通信网络相比，能量在无线传感器网络中是最重要的资源之一，牵涉到分布式无线网络的功率控制问题。功率控制的好处在于：

      (1)采用尽可能小的发送功率或者减少不必要的功率发射能延长电池的使用期限，并且能增大网络容量。

      (2)降低发射功率能减少链路冲突。

      (3)当系统流量负荷较高时，低发射功率能获得更小的端到端时延；当负荷较低时，高发射功率能获得更小的时延。功率控制系统根据负荷大小确定功率的分配，通常与网络层的路由技术联合进行优化设计。

      无线资源管理实际上包括前面所述的功率控制，还包括容量和负载管理以及资源分配和调度机制等。无线资源管理一方面能满足各种业务的QoS要求，另外一方面能保证珍贵的无线资源得到高效使用。由于在无线传感器网络底层会采用OFDM、MIMO或者UWB等先进物理层技术，这使得无线资源管理算法必须能从传统的一维资源管理变为时空二维、时频二维或者时空频三维。此外除了需要进行发射功率控制与分配、速率分配与调整等基本无线资源管理操作外，还需要紧密结合物理层采用的技术，例如对于MIMO需要进行天线选择和空分复用管理，对于OFDM需要进行子载波分配。
移动性管理是为了让无线传感器网络中的某些节点具有慢速移动的功能，从而拓宽无线传感器网络的应用范围。为了支持移动性，必须在物理层进行测量，在MAC层进行切换控制操作，在网络层进行路由调整和维护，而在更上层需要进行数据缓存和拥塞解决等。

2 无线传感器网络MAC层协议研究
      数据链路层是无线传感器网络保证数据无误传输的核心，常用的MAC层协议包括：传感器-媒体接入控制(S-MAC)[2]和时间到达-媒体接入控制(T-MAC)[3]，在发送数据时采用带冲突检测的载波监听多址接入(CSMA/CD)协议来避免冲突。S-MAC协议将时间分帧，帧长度由应用程序灵活确定，每帧又分工作时间和休眠时间，为了更好地支持数据突发属性，工作时间的长度是可调节的。为了避免碰撞，S-MAC协议采用了请求发送(RTS)/准备接收(CTS)/数据(DATA)/确认(ACK)机制进行数据发送。该协议的优点是可扩展性好，适应网络拓扑结构的变化；缺点是协议实现复杂，额外开销较大，由于无线传感器网络可用资源较少，所以该协议的频谱效率低是其最大的“瓶颈”。T-MAC协议与最新的S-MAC协议相似，也将时间分帧，帧长是固定的，每帧分工作时间和休眠时间两阶段，工作时间长度是可变的。但和S-MAC不同的是它增加定义了5种事件和一个计时器(TA)。5种事件分别是：帧长度超时、节点接收到数据、数据传输发生冲突、节点数据发送完毕、邻节点完成数据交互。如果计时器TA没有侦听到这5种事件中的任何一种，就认为信道进入了空闲状态，为了节能，节点关闭射频模块，转入休眠时间段。为了减少空闲侦听时的功耗，有人对以上两种MAC协议进行了改进，分别为WiseMAC[4]和Berkeley-MAC[5]协议，这两种协议在空闲侦听阶段采用了低功耗侦听技术，并且在发送数据时采用载波侦听多址接入协议(CSMA)。上述各种MAC层协议都较复杂，实现难度较大，并且不符合无线分布式网络的特性。下面介绍3种IEEE规定的MAC层协议，无线传感器网络是这些协议的主要应用领域之一。

2.1 基于IEEE 802.15.4的MAC层协议
      作为一种比较成熟的无线个域网(WPAN)协议，IEEE 802.15.4具有复杂度低、成本极小、功耗很低的特点，以及能在低成本设备(固定、便携或可移动的)之间进行低数据速率的传输等特性[6]。IEEE 802.15.4提供两种物理层选择(频段为868 MHz/915 MHz和2.4 GHz)。物理层与MAC层的协作扩大了网络应用的范畴。这两种物理层都采用直接序列扩频(DSSS)技术，以降低数字集成电路的成本，并且都使用相同的包结构，以便低作业周期、低功耗地运作。2.4 GHz物理层的数据传输率为250 kb/s，868 MHz/915 MHz物理层的数据传输率分别是20 kb/s、40 kb/s。

      IEEE 802.15.4协议采用载波监听/冲突避免思想，节点定期侦听信道，接收其中的信标(Beacon)帧，在没有数据发送和接收时进入休眠状态(具体如图2所示)。网络协调器缓存发给休眠节点的数据，之后周期地发送信标帧，帧中携带这些数据的目的地址信息。当休眠节点发现有发给自己的数据信息，则向网络协调器发送轮循(Poll)帧，表示自己可以接收数据。网络协调器收到Poll信息后，首先向原节点发送ACK帧，随后发送缓存中的数据。目的节点收到了数据后，向协调器发送ACK帧信息。

2.2 基于IEEE 802.15.3的MAC层协议
      IEEE 802.15.3协议作为一种新型的无线个域网(WPAN)标准[7]，物理层主要采用了多带正交频分复用(MB-OFDM)UWB和直扩码分多址(DS-CDMA)UWB两种技术。协议允许245个无线用户设备同时在几厘米到100 m的范围内以最高达55 Mb/s的速率接入网络。为固定和移动设备提供在2.4 GHz频段上的高速率无线连接。IEEE 802.15.3规定了5个原始数据速率，即：11 Mb/s、22 Mb/s 、33 Mb/s、44 Mb/s和 55 Mb/s。所选择的传输速率将会影响到传输距离，如距离为50 m时传输速率为55 Mb/s，距离为100 m时传输速率为22 Mb/s。较高速率(如55 Mb/s)可以提供低延迟的多媒体连接和大文件传送业务，较低速率(如11 Mb/s、22 Mb/s)可以提供音频设备间长距离的连接。该标准包含了可靠QoS所需的所有元素，使用时分多址(TDMA)技术分配设备间的信道，以避免冲突。

      IEEE 802.15.3只定义了物理层和MAC层协议，MAC层协议是从IEEE 802.11无线局域网(WLAN)的MAC层协议发展来的，所以在自组织网(Ad hoc)结构的基础上，还带有星形网的痕迹(如图3所示)。基于IEEE 802.15.3的无线传感器网络以PicoNet为基本单元，其中的主设备被称为PicoNet协调器(PNC)。PNC负责提供同步时钟、QoS控制、省电模式和接入控制。作为一种Ad hoc网络，PicoNet只有在需要通信时才存在，通信结束，网络也随之消失。网内的其他设备为无线传感器网络中的通信节点。无线传感器网络的数据交换在通信节点之间直接进行，但网络的控制信息由PNC发出。

      基于IEEE 802.15.3的无线传感器网络的超帧结构如图4所示，一个超帧包含如下3部分：

      (1)信标(Beacon)：包含时钟分配与通信管理信息。
      (2)竞争接入段(CAP)：用于交换命令和异步传送数据。
      (3)信道时间分配段(CTAP)：包含若干信道时间分配单元(CTA)，其中有些是管理信道时间分配单元(MCTA)。

      一个PicoNet从PNC发射信标开始形成，信标携带关于此PicoNet的信息。即使没有通信节点存在，一个发射信标的PNC也可以被看作一个PicoNet。当PicoNet开始建立的时候，PNC首先查找到一个可用的信道，发出信标来确定这是一个空的信道，然后在这个信道中建立起PicoNet。在一个PicoNet建立后，仍然可以通过切换控制操作改变PNC。但是IEEE 802.15.3协议不支持将两个PicoNet融合成一个的功能。

      PNC通过发送信标对空中资源进行分配，信标载有网络的控制参数(网络同步、最大传输功率等)、信道时隙分配、超帧中传输的针对每一个业务流的指示信息等。竞争接入段(CAP)使用防碰撞载波检测多址(CSMA/CA)接入的MAC机制，在信道时间分配段(CTAP)可以使用基本的TDMA方式分配给各个设备，管理信道时间分配单元(MCTA)可以采取TDMA方式分配或由各设备共享(基于ALOHA协议)。

      IEEE 802.15.3 MAC协议由于从IEEE 802.11 MAC演变而来，虽然数据在无线传感器设备(主要是指UWB设备)之间直接传送，但需要中心控制。这种星形网络结构适用于以PC(处理能力强、存储空间大)为中心的无线传感器网络，但对消费电子(CE)设备和通信设备支持差，后两种应用需要更简单的支持移动性的连接方式。因此，新的MAC层协议仍在演进中。一方面，IEEE 802.15工作组计划在IEEE 802.15.3b开展新MAC层的研究；另一方面，MB-OFDM的支持和推动厂家以及研究机构：多带正交频分复用联盟(MBOA)也在制订自己的MAC层协议。为了更好地支持CE和通信设备，MBOA协议在支持中心控制网络结构的基础上，也支持分布式网络拓扑结构，将具有如下特点：

      (1)任何设备都可以创建网络。
      (2)可功率控制以减小干扰。
      (3)接入和数据传送协议简单。
      (4)可快速建立无线链路/断开无线链路(小于1 s)。
      (5)安装简单(零设置)。
      (6)支持网络的融合和分裂。
      (7)支持跨网移动。
      (8)支持网络间的相互协调。
      (9)更省电。
      (10)支持同步和异步业务。
      (11)支持无线网状网(Mesh)拓扑结构。

      基于MBOA的无线传感器网络拓扑结构以信标组(BG)为单位，所有无线传感器网络节点的超帧帧长统一，但各BG的帧结构不同。无线传感器网络节点改变帧结构就可从一个BG漫游到另一个BG。节点也可以同时跟踪两种帧结构，从而成为两个BG共有的成员。此外节点可以在两个中继站之间转发数据。一个真正的无线格状网(Mesh)网络结构由此构成。

      在基于MBOA的MAC协议的超帧结构中，每个设备都发射信标(休眠设备除外)。信标周期可变，以容纳不同数量的设备。设备先搜索其他设备的信标，如未找到则创建新的信标，如找到则加入信标并始终使用同一时隙。设备通过在信标中标示不同等级的资源预留来实现不同的QoS。异步数据采用有优先级的竞争接入机制。

2.3 基于IEEE 802.16的Mesh MAC层协议
      无线Mesh网络最初是为美国军方战争中军事通信的需要而建立的，它以移动Ad hoc对等网络的形式出现，致力于满足军事通信中对于宽带数据传输、支持端到端IP、支持语音和视频信息、支持不采用全球定位系统(GPS)但同样可达相应精确度的定位要求。健壮性、灵活性和高速率数据传输是Mesh网络重要的特征。

      无线Mesh的提出主要是扩展集中式控制网络的覆盖范围，采用类似移动Ad hoc的多跳技术，把集中式控制和分布式控制技术有机地结合起来。无线Mesh的调度方式可以是集中式调度也可以是分布式调度，或者两者的结合，其组网方式如图5所示，其中的无线Ad hoc网络和无线传感器网络都是无线Mesh网络的一种应用，相当于非协调分布式的无线Mesh网络。

      无线Mesh帧采用时分复用的帧结构(如图6所示)，由控制子帧和数据子帧两部分组成，其中控制子帧分为两种：网络控制子帧和调度控制子帧。网络控制子帧用于进行网络控制，发送网络接入消息和网络配置消息两种消息，其主要功能是创建和保持不同系统间的一致，包括管理网络节点的连接、链路的选择、节点和链路的控制信息等；调度控制子帧包括集中式调度消息和分布式调度消息，用于决定对链路上资源数量的分配，完成系统间数据发送的协调调度。数据子帧用来传输用户数据，在不与协调式调度发生冲突的情况下，还有可能发送分布式非协调调度消息[8]。

      在IEEE 802.16协议中，对Mesh网络建议物理层采用OFDM技术。每帧用12比特的帧号来标识以便寻址，帧可分为256个微时隙(Minislot)，其中网络控制子帧是周期产生的，而其他所有帧都有一个调度控制子帧。控制子帧的长度是固定的，由无线Mesh基站(BS)安排并通过变量L进行指示。每一个控制子帧中包含L×7个OFDM符号。为了发送网络的控制和调度消息，协议中将控制子帧按照发送机会进行了划分：网络控制子帧中，第一组7个OFDM符号是MSH-NENT发送机会，用于网络接入；接下来的(L－１)×７个符号是MSH-NCFG发送机会，用来通告网络配置信息。调度控制子帧中，无线Mesh BS决定调度控制子帧中分布式调度消息的数量，通过参数N来对该信息进行表征。

      在IEEE 802.16中使用MSH-NENT消息来为新节点提供网络接入。网络接入调度协议要求高层协议提供一个不可靠机制(Unreliable Mechanism)来接入网络入口时隙，使得还没有成为网络的一个完全功能成员的新节点可以和网络中的完全功能成员进行通信。在网络入口时隙，节点按照以下步骤发MSH-NENT消息：

      (1)在目标负责节点发送MSH-NCFG后，新节点在紧接着MSH-NENT发送机会的空闲网络入口发送时隙中随机发送，此时会存在竞争和碰撞。另外发送初始的信息中包含请求信息单元(IE)的MSH-NENT包，如果该消息中负责节点MAC地址为十六进制值000000000000，表示该负责节点是可用的。

      (2)负责节点在MSH-NCFG消息中广播新节点MAC地址后，新节点则可在紧接着MSH-NENT的发送机会里发送MSH-NENT消息。

3 无线传感器网络路由协议研究
      目前，基于无线自组织网络(MANET)的路由协议研究较多，但是考虑到无线传感器网络特性，这些为自组织网络制订的路由协议不能直接用于无线传感器网络中。路由协议的任务就是在传感器节点和中心转发节点之间建立路由，可靠地传输数据。无线传感器网络资源严重受限，每个节点不能执行太复杂的计算，其缓存较少，不能在节点保存太多的路由信息，并且节点间不能进行太多的路由信息交互。

      无线路由协议严格来说可分为两种类型：表驱动和按需驱动，表驱动路由协议的特点是持续更新，每个节点维护一个或多个表来存储路由信息，网络拓扑改变时广播更新信息。表驱动路由协议主要有目的排序距离矢量(DSDV)、簇头网关交换路由(CGSR)和无线路由协议(WRP)。按需驱动路由协议相对来说是一种动态协议，采用按需驱动路由算法，节点需要一个到新的目的节点的路由时，必须找到该路由。通常采用Ad hoc按需距离矢量(AODV)、动态源路由(DSR)和临时排序路由算法(TORA)等完成。

      利用无线传感器网络中节点是按照数据属性寻址，以及每个节点检测的数据往往先发送到中心转发节点，并且节点移动性不大等特点，可以优先选择按需驱动的路由协议。路由协议必须保证在满足服务质量的前提下整个系统的能量损耗最小，以保证能量管理要求。

      传统无线自组织分布式网络所定义的路由协议根本设计目标是在无需基础设施的条件下具备正常运行的能力，而无线传感器网络的目标是提供多节点的数据可靠传输。因此，通过固定节点多跳中继的无线传感器网络不需要复杂的分布式路由算法，但仍需保持灵活性以便在链路状态或流量模式改变后能相应地及时改变路由。

      现有的自组织网络路由协议很多是以寻找最少跳数的路由为目的，这种路由度量标准的最大优点是简单。一旦网络拓扑确定，很容易计算跳数，并找到源和目的节点间的最少跳数路由，且计算跳数不需要额外的参数度量。但这种度量标准的最大缺点是没有考虑数据包丢失率和带宽，只考虑跳数最少并不足以找到延时、吞吐量和可靠性均相对理想的有效链路。跳数最少的路由不一定是吞吐量最大的路由，因为其中可能包含距离较远或丢失率较高的无线链路。例如，一个两跳、可靠的高速率路由的性能会优于一个一跳、丢失率低的低速率路由的性能。

      为了发掘高效的无线传感器网络的路由算法，一种方法是最好采用交叉层设计方法，使无线Mesh网络中的路由选择能够结合物理层的测量以及MAC层的无线资源管理要素作为选择的依据，探索能量节省、干扰最少和路由跳数尽量小的无线路由度量标准，从而使系统性能得到改善。

4 无线传感器网络的容量和时延研究
      对于无线传感器网络来说，其传感器节点需要和中心转发节点进行通信，即传感器节点是通过单跳或者多跳的方式连接中心转发节点。因此中心转发节点覆盖区域内的所有节点必须受MAC协议控制共同竞争信道的容量。系统容量与节点规模n、覆盖面积A、传输功率p以及中心转发节点、传感器节点分布等多种因素有关。一方面，当节点增多时，不仅节点之间的信号干扰增加，而且链路底层的链路冲突在所难免，这将导致单节点吞吐量相对于节点数目n近似为O(1/nα)，当α≥1时，单节点吞吐量急剧下降[9]，而整个网络的系统容量一般不会随着节点数增加而持续增加，甚至有可能容量减小甚至所有节点都发生了碰撞；另外一方面，当覆盖面积增大时，不仅意味着节点数量增加，而且因为平均数据传输机会减少从而导致系统吞吐量下降。

      由于越靠近中心转发节点的传感器节点其转发流量负载越重，因而容易成为系统容量和可靠性的“瓶颈”，所以无线传感器网络在中心转发节点周围存在一个冲突区域，该区域内包含的节点必须为发送其转发和始发的流量竞争信道，而总的竞争流量近似正比于整个系统所有节点的始发流量之和。即在各节点始发流量相同并且保证公平接入的情况下，每个节点可能获得的吞吐量将只有O(1/n)。

      为了提高无线传感器网络的系统容量，减少碰撞阻塞率，可以采用并行传输技术，即提高处于中心转发节点的传感器并行传输和频谱复用的能力。另外还可以采用自适应功率控制、干扰消除(多用户检测)或干扰利用(分集接收以及MIMO)等先进技术，使得相邻节点并不只有一个信道可以使用，多信道使得原来的竞争变得简单，这更多属于资源调度的范畴。

      对于无线传感器网络来说，接入时延是其关键性能之一，多节点间的转发意味着处理时延增加。接入时延的大小主要取决于节点的转发处理时延和链路层竞争排队重传时延，前者与节点分布以及网络覆盖面积有关，后者与每个节点的平均竞争节点数以及这些竞争节点的流量大小有关。对于无线传感器网络来说，如果不采用合适的链路自适应策略(如功率控制和自适应编码调制)来提高接入点附近的链路容量，将会使得越靠近接入点，链路层竞争排队时延越长，从而形成时延约束“瓶颈”；另外，如果节点间的数据并行传输，则同一冲突区域内竞争节点数大大减少，并且可通过流量平衡技术，进一步减少链路层的冲突，从而使总的接入时延有可能较单跳接入网络更小。

5 结束语
      由于具有覆盖区域广泛、检测精度高、可远程监控、可快速部署、可自组织和高容错性能优点，加上传感器节点数量庞大、节点分布更密集等特点，使得无线传感器网络与传统的蜂窝网络以及无线自组织网络都有所不同。

      虽然无线传感器网络的应用前景非常广泛，但是仍存在很多问题，尽量减少节点的功耗是无线传感器网络首先需要解决的问题，可以通过联合路由协议和MAC协议来实现。另外，作为一种存在巨大节点数的分布式网络，必须提高系统容量，减少碰撞阻塞率，从而加快无线传感器网络实用化和商用化的进程。

6 参考文献
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[9] Jangenu J,Sichitiu M L. The Nominal Capacity of Wireless Mesh Networks [J]. IEEE Wireless Communications, 2003,10(5): 8—14.

收稿日期：2005-05-11

[摘要] 文章介绍了无线传感器网络的体系结构，提出了一种基于跨层设计的管理控制机制；在对无线传感器网络的关键技术，如媒体接入控制(MAC)技术和无线路由协议，分别进行阐述和比较的基础上，提出了一种把简单的IEEE 802 MAC协议应用于无线传感器网络的思想；为了提高系统容量，提出了多信道策略，可以用来有效减少系统碰撞阻塞率，减少接入时延；认为虽然无线传感器网络的应用前景非常广阔，但是仍存在很多问题，除了要尽量减少功耗外，必须提高系统容量，减少碰撞阻塞率，以加快无线传感器网络实用化的进程。

[关键词] 无线传感器网络；媒体接入控制层；无线路由协议；系统容量

[Abstract] This paper introduces the architecture of wireless sensor networks, presents a network management and control mechanism, which is based on the cross-layer design concept. The key techniques, such as Medium Access Control (MAC) and wireless routing protocols, are discussed and compared respectively. An idea is proposed that the simple IEEE 802 MAC protocol can be used for the wireless sensor networks. In order to improve the system capacity, the multi-channel strategy can be adopted to effectively reduce system block and shorten the time delay of access. The application of wireless sensor network will be promising, but there are many problems to be solved. Measures for reducing power consumption to the lowest level, as well as increasing system capacity and reducing system block should be taken in order to promote the commercial application of wireless sensor networks.

[Keywords] wireless sensor network; MAC layer; wireless routing protocol; system capacity