無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network ，WSN）是一種新型的信息獲取以及處理網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它集傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)于一體，具有自動(dòng)組網(wǎng)、動(dòng)態(tài)智能和協(xié)同感知等功能。

如圖1所示，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作原理是利用各種類型的敏感元件構(gòu)成的傳感器，分布于需要覆蓋的領(lǐng)域內(nèi)，組成傳感器節(jié)點(diǎn)，用于收集數(shù)據(jù)，并且將數(shù)據(jù)路由送至信息收集節(jié)點(diǎn)“Sink”，信息收集節(jié)點(diǎn)與信息處理節(jié)點(diǎn)通過廣域網(wǎng)（如Internet網(wǎng)絡(luò)或衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)）將數(shù)據(jù)送至地面監(jiān)控中心進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和處理，并對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)估。

圖1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作原理圖
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn) ：

低速率 : 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，通常只需定期傳輸溫度、濕度、壓力、流量、電量等被測(cè)參數(shù)，相對(duì)而言，被測(cè)參數(shù)的數(shù)據(jù)量小，采集數(shù)據(jù)頻率較低。
低功耗 : 通常，傳感器節(jié)點(diǎn)利用電池供電，且分布區(qū)域復(fù)雜、廣闊，很難通過更換電池方式來補(bǔ)充能量，因此，要求傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的功耗要低，傳感器的體積要小。
低成本 : 應(yīng)用WSN時(shí)，監(jiān)測(cè)區(qū)域廣、傳感器的節(jié)點(diǎn)多，且有些區(qū)域環(huán)境的地形復(fù)雜，甚至連工作人員都無(wú)法進(jìn)入，一旦安裝傳感器則很難更換，因而要求傳感器的成本低廉。
短距離 : 為了組網(wǎng)和傳遞數(shù)據(jù)方便，兩個(gè)傳感器的節(jié)點(diǎn)之間的距離通常要求在幾十米到幾百米之間。
高可靠 : WSN的信息獲取是靠分布在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的各個(gè)傳感器檢測(cè)到的，如傳感器本身不可靠，則其信息的傳輸和處理是沒有任何意義的。
大容量 : 要求網(wǎng)絡(luò)能容納上千、上萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)。
動(dòng)態(tài)性 : 對(duì)于復(fù)雜環(huán)境的組網(wǎng)，其覆蓋區(qū)域往往會(huì)遇到各種電、磁環(huán)境的干擾，加之供電能量的不斷損耗，易引起傳感器節(jié)點(diǎn)故障， 因此要求傳感器網(wǎng)絡(luò)具有自組網(wǎng)、智能化和協(xié)同感知等功能。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著十分廣泛的應(yīng)用和發(fā)展前景。它不僅在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、環(huán)境、航空、航天和軍事等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用價(jià)值，在未來的許多新興領(lǐng)域也蘊(yùn)藏著巨大商機(jī)，如在家庭、防災(zāi)、保健、環(huán)保、反恐等領(lǐng)域也體現(xiàn)出許多的優(yōu)越性而大顯身手。另外，它還可以到達(dá)一些人類無(wú)法到達(dá)或無(wú)法工作的環(huán)境。

目前，業(yè)界普遍認(rèn)為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是人類面臨的一次發(fā)展機(jī)遇。它將改變?nèi)藗兊纳?，甚至將引起一?chǎng)劃時(shí)代的軍事技術(shù)革命和未來的戰(zhàn)爭(zhēng)變格。美國(guó)商業(yè)周刊MIT技術(shù)評(píng)論，在預(yù)測(cè)未來的技術(shù)發(fā)展報(bào)告中，分別將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為21世紀(jì)最有影響的21項(xiàng)技術(shù)和改變世界的四大技術(shù)之一。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器、塑料電子學(xué)和仿生人體器官被認(rèn)為是全球未來的三大高科技產(chǎn)業(yè)。我國(guó)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展也十分重視，《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》在重大專項(xiàng)、優(yōu)先發(fā)展主題以及前沿領(lǐng)域均將傳感器網(wǎng)絡(luò)列入，其中，重大專項(xiàng)“新一代寬帶移動(dòng)無(wú)線通信網(wǎng)”被列為其中的重要方向之一。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議機(jī)制

物理層研究

物理層研究主要集中在傳輸介質(zhì)的選擇。目前傳輸介質(zhì)主要有無(wú)線電、紅外線和光波三種；傳輸頻段選擇為通用頻段ISM，4.33MHz，915MHz和2.44GHz；調(diào)制方式為二元調(diào)制和多元調(diào)制。

數(shù)據(jù)鏈路層研究

數(shù)據(jù)鏈路層研究主要集中在MAC（Media Access Control）媒體訪問控制協(xié)議，該協(xié)議是保證WSN高效通信的關(guān)鍵協(xié)議之一，傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能如吞吐量、延遲性完全取決于網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議，與傳統(tǒng)的MAC協(xié)議不同，WSN的協(xié)議首先考慮能量節(jié)省問題，通常可分為下面幾類：

隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)類MAC

● S-MAC協(xié)議，周期性偵聽/睡眠方式，目的是節(jié)能；
● T-MAC協(xié)議，減少空間偵聽時(shí)間；
● Sift協(xié)議，N個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，同時(shí)檢測(cè)到同一事件時(shí)，希望R個(gè)節(jié)點(diǎn)（R=N）能夠在最小時(shí)間內(nèi)，無(wú)沖突地成功發(fā)出事件監(jiān)測(cè)信息，抑制剩余（N-R）個(gè)節(jié)點(diǎn)的消息發(fā)送。

時(shí)分復(fù)用（TDMA）類MAC協(xié)議

● DMAC協(xié)議，采用不同深度節(jié)點(diǎn)之問的活動(dòng)/睡眠的交錯(cuò)調(diào)度機(jī)制；
● DEANA協(xié)議，把一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸周期分為調(diào)度訪問階段和隨機(jī)回訪階段；
● TRAMA協(xié)議，將時(shí)間劃分為連續(xù)的時(shí)槽，根據(jù)兩跳內(nèi)鄰后節(jié)點(diǎn)信息，采用分布式選舉機(jī)制，確定每個(gè)時(shí)槽的無(wú)沖突發(fā)送者。

混合型MAC協(xié)議

● SMACS/EAR協(xié)議，為每對(duì)鄰居節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)特有頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；
● CSMA/CA和CDMA相結(jié)合，鏈路偵聽采用CSMA/CD機(jī)制，數(shù)據(jù)收發(fā)采用CDMA機(jī)制，不需要嚴(yán)格時(shí)間同步，但需要節(jié)點(diǎn)提供鏈路偵聽和數(shù)據(jù)收發(fā)兩個(gè)硬件模塊。

網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議研究。

網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)路由的發(fā)現(xiàn)和維護(hù)，遵照路由協(xié)議將數(shù)據(jù)分組，從源節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)，即尋找源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間的優(yōu)化路徑，然后將數(shù)據(jù)分組沿著優(yōu)化路徑正確轉(zhuǎn)發(fā)。

網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議的研究主要有：

基于聚簇的路由協(xié)議。首先根據(jù)某種規(guī)則把WSN的節(jié)點(diǎn)劃分為多個(gè)子集，如壓力子集、溫度子集、濕度子集等，每個(gè)子集成為一個(gè)簇，有一個(gè)簇頭。每個(gè)簇的簇頭負(fù)責(zé)全局的路由，其它節(jié)點(diǎn)通過簇頭接收或發(fā)送數(shù)據(jù)?；诰鄞氐穆酚蓞f(xié)議有：

● LEACH協(xié)議，隨機(jī)循環(huán)地為每一個(gè)簇選擇簇頭節(jié)點(diǎn)“Sink”；
● PEGASIS協(xié)議，所有傳感器節(jié)點(diǎn)被視為一個(gè)簇，所有傳感器節(jié)點(diǎn)把數(shù)據(jù)傳送到簇頭“Sink”；
● TEEN協(xié)議，通過抑制不必要的通信來實(shí)現(xiàn)節(jié)省能量。

基于地理位置的路由協(xié)議。該類協(xié)議假定每個(gè)節(jié)點(diǎn)都知道自己的地理位置及目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的地理位置。該類協(xié)議有“距離貪心路由協(xié)議”、“角度貪心路由協(xié)議”和GEM路由協(xié)議，即用虛擬極坐標(biāo)系表示W(wǎng)SN的拓樸結(jié)構(gòu)，構(gòu)造一個(gè)“Sink”為根的環(huán)樹，每個(gè)節(jié)點(diǎn)由其到樹根的跳步數(shù)以及與根的角度來表示，數(shù)據(jù)路由通過該有環(huán)樹進(jìn)行。

基于數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議。該類協(xié)議主要有Rumor-routing協(xié)議（克服定向協(xié)議開銷大的問題），支持移動(dòng)Sink以數(shù)據(jù)為中心的TTDD路由協(xié)議。

基于能量感知路由協(xié)議。GEAR協(xié)議，根據(jù)地理位置信息，建立“Sink”到監(jiān)測(cè)區(qū)域的優(yōu)化路徑，支持“Sink”向監(jiān)測(cè)區(qū)的所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送查詢命令，避免洪泛的傳播方式并減少路由建立的開銷。

傳輸層協(xié)議

傳輸層主要負(fù)責(zé)將WSN的數(shù)據(jù)提供給外部網(wǎng)絡(luò)，由于WSN的能量受限，節(jié)點(diǎn)命名機(jī)制以數(shù)據(jù)為中心特征會(huì)使得傳輸控制很困難。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，通常會(huì)采用特殊節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)關(guān)。然而引入特殊的節(jié)點(diǎn)可能會(huì)影響到傳感器節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)部署特性，給MAC協(xié)議和路由協(xié)議的設(shè)計(jì)帶來新的難題。網(wǎng)關(guān)通過通信衛(wèi)星、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、internal網(wǎng)或其它通信介質(zhì)與外部網(wǎng)絡(luò)通信。