无线传感器网络技术发展现状

无线传感器网络技术发展现状DevelopmentStatusofWirelessSensorNetwork2009-09-25作者:朱红松,孙利民摘要:在对无线传感器网路(WSN)产生和发展、技术成熟程度分析的基础上，文章分析了WSN组网模式、拓扑控制、媒体访问控制(MAC)和链路控制、路由与数据转发及跨层设计、时间同步技术、自定位和目标定位技术等组网关键技术和应用支撑技术方面的研究内容。基于应用中的典型实用和示范系统，文章对WSN的应用进行了分类。关键字:无线传感器网络；自组织网络；无线Mesh网络；分簇控制；能量效率；移动控制英文摘要:Thearticleintroducesthestartup,roadmapofWirelessSensorNetwork(WSN),anditsmaturityintechniquesandmarket,andsurveyskeyresearchtopicsandtechniquessupportingapplicationsinthisarea,includingnetworkingmodel,topologycontrol,mediaaccessandlinkcontrol,routing,dataforwardingandcross-layerdesigntechnique,timesynchronization,nodepositioning,objecttracking,etc.Basedonpracticalapplicationanddemonstrationofthetypicalsystems,thepaperclassifiesapplicationsofWSN.英文关键字:wirelesssensornetwork;Adhocnetwork;wirelessmeshnetworks;clusteringcontrol;energyefficiency;motioncontrol基金项目：国家重点基础研究发展规划(“973”计划)项目(2006CB303000)；国家自然科学基金资助项目(60773055)无线传感器网络(WSN)是信息科学领域中一个全新的发展方向，同时也是新兴学科与传统学科进行领域间交叉的结果。无线传感器网络经历了智能传感器、无线智能传感器、无线传感器网络3个阶段。智能传感器将计算能力嵌入到传感器中，使得传感器节点不仅具有数据采集能力，而且具有滤波和信息处理能力；无线智能传感器在智能传感器的基础上增加了无线通信能力，大大延长了传感器的感知触角，降低了传感器的工程实施成本；无线传感器网络则将网络技术引入到无线智能传感器中，使得传感器不再是单个的感知单元，而是能够交换信息、协调控制的有机结合体，实现物与物的互联，把感知触角深入世界各个角落，必将成为下一代互联网的重要组成部分。1无线传感器网络技术发展背景1996年，美国UCLA大学的WilliamJKaiser教授向DARPA提交的“低能耗无线集成微型传感器”揭开了现代WSN网络的序幕。1998年，同是UCLA大学的GregoryJPottie教授从网络研究的角度重新阐释了WSN的科学意义。在其后的10余年里，WSN网络技术得到学术界、工业界乃至政府的广泛关注，成为在国防军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物结构监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理以及机场、大型工业园区的安全监测等众多领域中最有竞争力的应用技术之一。美国商业周刊将WSN网络列为21世纪最有影响的技术之一，麻省理工学院(MIT)技术评论则将其列为改变世界的10大技术之一。1.1WSN相关的会议和组织WSN网络技术一经提出，就迅速在研究界和工业界得到广泛的认可。1998年到2003年，各种与无线通信、AdHoc网络、分布式系统的会议开始大量收录与WSN网络技术相关的文章。2001年，美国计算机学会(ACM)和IEEE成立了第一个专门针对传感网技术的会议InternationalConferenceonInformationProcessinginSensorNetwork(IPSN)，为WSN网络的技术发展开拓了一片新的技术园地。2003年到2004年，一批针对传感网技术的会议相继组建。ACM在2005年还专门创刊ACMTransactiononSensorNetwork，用来出版最优秀的传感器网络技术成果。2004年，Boston大学与BP、Honeywell、InetcoSystems、Invensys、MillennialNet、Radianse、SensicastSystems等公司联合创办了传感器网络协会，旨在促进WSN技术的开发。2006年10月，在中国北京，中国计算机学会传感器网络专委会正式成立，标志着中国WSN技术研究开始进入一个新的历史阶段。1.2相关科研和工程项目美国从20世纪90年代开始，就陆续展开分布式传感器网络(DSN)、集成的无线网络传感器(WINS)、智能尘埃(SmartDust)、?滋AMPS、无线嵌入式系统(WEBS)、分布式系统可升级协调体系结构研究(SCADDS)、嵌入式网络传感(CENS)等一系列重要的WSN网络研究项目。自2001年起，美国国防部远景研究计划局(DARPA)每年都投入千万美元进行WSN网络技术研究，并在C4ISR基础上提出了C4KISR计划，强调战场情报的感知能力、信息的综合能力和利用能力，把WSN网络作为一个重要研究领域，设立了SmartSensorWeb、灵巧传感器网络通信、无人值守地面传感器群、传感器组网系统、网状传感器系统等一系列的军事传感器网络研究项目。在美国自然科学基金委员会的推动下，美国如麻省理工学院、加州大学伯克利分校、加州大学洛杉矶分校、南加州大学、康奈尔大学、伊利诺斯大学等许多著名高校也进行了大量WSN网络的基础理论和关键技术的研究。美国的一些大型IT公司(如Intel、HP、Rockwell、TexasInstruments等)通过与高校合作的方式逐渐介入该领域的研究开发工作，并纷纷设立或启动相应的研发计划，在无线传感器节点的微型化、低功耗设计、网络组织、数据处理与管理以及WSN网络应用等方面都取得了许多重要的研究成果。DustNetworks和CrossbowTechnologies等公司的智能尘埃、Mote、Mica系列节点已走出实验室，进入应用测试阶段。除美国以外，日本、英国、意大利、巴西等国家也对传感器网络表现出了极大的兴趣，并各自展开了该领域的研究工作。中国现代意义的WSN网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动，首先被记录在1999年发表的中国科学院《知识创新工程试点领域方向研究》的信息与自动化领域研究报告中。2001年，中国科学院成立了微系统研究与发展中心，挂靠中科院上海微系统所，旨在整合中科院内部的相关单位，共同推进传感器网络的研究。从2002年开始，中国国家自然科学基金委员会开始部署传感器网络相关的课题。截至2008年底，中国国家自然基金共支持面上项目111项、重点项目3项；国家“863”重点项目发展计划共支持面上项目30余项，国家重点基础研究发展计划“973”也设立2项与传感器网络直接相关的项目；国家发改委中国下一代互联网工程项目(CNGI)也对传感器网络项目进行了连续资助。“中国未来20年技术预见研究”提出的157个技术课题中有7项直接涉及无线传感器网络。2006年初发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》为信息技术确定了3个前沿方向，其中2个与无线传感器网络研究直接相关。最值得一提的是，中国工业与信息化部在2008年启动的“新一代宽带移动通信网”国家级重大专项中，有第6个子专题“短距离无线互联与无线传感器网络研发和产业化”是专门针对传感器网络技术而设立的。该专项的设立将大大推进WSN网络技术在应用领域的快速发展。1.3WSN技术的成熟度分析Gartner信息技术研究与咨询公司从2005年到2008年对WSN网络的技术追踪和评估。2005年，Gartner认为WSN技术的关注度已经越过了膨胀高峰并回归理性，表现为以美国为首的科研人员开始理性反思这种技术模式是不是有进一步推广和发展的机会。当时的预期比较乐观，认为该技术将在2～5年内走向成熟。2006年，Gartner的评估认为该技术正按照预定曲线前行，但成熟时间要更长一些；而到了2007年，Gartner发现对该技术的关注度又有大幅度回升，但其市场并没有走向高产能期，而是似乎又回到了技术膨胀期。同时，距离成熟的时间仍然是10年以上。超过5年的市场预测往往意味公司对该项技术缺乏准确的判断。从这一点上看，WSN技术从市场的角度上看还有些扑朔迷离。Gartner的2008年技术预测报告中没有对该领域进行预测也正是基于这一点。这种结果的可能原因是杀手级应用所需的几项关键性的支撑技术目前难于突破，微型化、可靠性、能量供给在目前看来是制约应用的最大问题。另外，这些技术之间还彼此制约。首先，微型化使节点通信距离变短，路径长度增加，数据延迟难于预期；其次，能量获取和存储容量与设备体积(表面积)呈正比，充足的能源和微型化设计之间的矛盾难于调和；再有，现有电子技术还很难做到可降解的绿色设计，微型化给回收带来困难，从而威胁到环境健康。市场不会向技术妥协，如果一项技术不能在方方面面做到完美就很难被市场所接受。无线传感器网络技术要想在未来十几年内有所发展，一方面要在这些关键的支撑技术上有所突破；另一方面，就要在成熟的市场中寻找应用，构思更有趣、更高效的应用模式。值得庆幸的是，WSN技术在中国找到了发展机会。政府引导、研究人员推动和企业的积极参与大大加快了WSN技术的市场化进程。中国必将在WSN技术和市场推进中发挥重要作用。2WSN技术体系及其发展现状WSN技术是多学科交叉的研究领域，因而包含众多研究方向，WSN技术具有天生的应用相关性，利用通用平台构建的系统都无法达到最优效果。WSN技术的应用定义要求网络中节点设备能够在有限能量(功率)供给下实现对目标的长时间监控，因此网络运行的能量效率是一切技术元素的优化目标。下面从核心关键技术和关键支撑技术两个层面分别介绍应用系统所必须的设计和优化的技术要点。2.1核心关键技术2.1.1组网模式在确定采用无线传感器网络技术进行应用系统设计后，首先面临的问题是采用何种组网模式。是否有基础设施支持，是否有移动终端参与，汇报频度与延迟等应用需求直接决定了组网模式。(1)扁平组网模式所有节点的角色相同，通过相互协作完成数据的交流和汇聚。最经典的定向扩散路由(DirectDiffusion)研究的就是这种网络结构。(2)基于分簇的层次型组网模式节点分为普通传感节点和用于数据汇聚的簇头节点，传感节点将数据先发送到簇头节点，然后由簇头节点汇聚到后台。簇头节点需要完成更多的工作、消耗更多的能量。如果使用相同的节点实现分簇，则要按需更换簇头，避免簇头节点因为过渡消耗能量而死亡。(3)网状网(Mesh)模式Mesh模式在传感器节点形成的网络上增加一层固定无线网络，用来收集传感节点数据，另一方面实现节点之间的信息通信，以及网内融合处理。AkyildizLF等[1]总结了无线Mesh网络的应用模式。(4)移动汇聚模式移动汇聚模式是指使用移动终端收集目标区域的传感数据，并转发到后端服务器。移动汇聚可以提高网络的容量，但数据的传递延迟与移动汇聚节点的轨迹相关。如何控制移动终端轨迹和速率是该模式研究的重要目标。Kim等[2]提出的SEAD分发协议就是针对这种组网模式。BiY等[3-4]研究了多种Sink的移动汇聚模式。此外，还有其他类型的网络。如当传感节点全部为移动节点，通过与固定的Mesh网络进行数据通信(移动产生的通信机会)，可形成目前另一个研究热点，即机会通信模式。2.1.2拓扑控制组网模式决定了网络的总体拓扑结构，但为了实现WSN网络的低能耗运行，还需要对节点连接关系的时变规律进行细粒度控制。目前主要的拓扑控制技术分为时间控制、空间控制和逻辑控制3种。时间