无线传感器网络研究进展

无线传感器网络研究进展计算机研究与发展 !""#$%%%&$’()／*#$$&$+++／,- ./01234/5*/670891:9;931?9@94/76928 A’（$）：$B(!$+A，’%%C 收稿日期：’%%AD$’D%E 基金项目：中国科学院计算技术研究所创新基金项目（’%%AB%A%）；“百人计划启动基金”项目（’%%(A%’%）无线传感器网络研究进展崔莉$ 鞠海玲$，’ 苗勇$，’ 李天璞$，’ 刘巍$，’ 赵泽$ $（中国科学院计算技术研究所北京 $%%%E%） ’（中国科学院研究生院北京 $%...

计算机研究与发展 !""#$%%%&$’()／*#$$&$+++／,- ./01234/5*/670891:9;931<=32>?9@94/76928 A’（$）：$B(!$+A，’%%C 收稿日期：’%%AD$’D%E 基金项目：中国科学院计算技术研究所创新基金项目（’%%AB%A%）；“百人计划启动基金”项目（’%%(A%’%）无线传感器网络研究进展崔莉$ 鞠海玲$，’ 苗勇$，’ 李天璞$，’ 刘巍$，’ 赵泽$ $（中国科学院计算技术研究所北京 $%%%E%） ’（中国科学院研究生院北京 $%%%()）（4<0F"F<8G3N=3/N9$ $（!"#$%$&$’()*(+,&$%"-.’/0"(1(-2，*0%"’#’3/45’+2()6/%’"/’#，7’%8%"-$%%%E%） ’（9:45&4$’6/0((1()$0’*0%"’#’3/45’+2()6/%’"/’#，7’%8%"-$%%%()） 12+/$34/ K/1932>6/193<3>96F<19;931<=91;32>79/74951/6F2>0;81O31992J3J9>F2>9@94/7F2JPF1949;; ;92;/1298P/1Q;>098/8=9J193871/6F;932>7/8928F34PF8=@31F/0;3774F<38F/2;G,=F;73791>9;<1FR9;8=9 R3;F<=31>P31974385/165/1;92;/1298P/1QG,=928=9298P/1Q71/8/PF8=R1F95F281/>0<8F/2/593<=F2>F@F>03419;931<=F;;09F2@/4@9>G?983F49>71/J19;;F2359P6/;8 F67/1832819;931<=3193;F;34;/>F;<0;;9>，F2<40>F2J>3834F2Q43O9171/8/298P/1Q;F60438F/28//4G 5#6&’$7+ PF1949;;;92;/1298P/1Q;；298P/1Q 71/8/3834F2Q43O9171/8///协议、蓝牙协议以及 &-> 通信方式等! 典型的节点包括 >/.*/0/? @23/1， ’/)12.(7-AB’，>/.*/0/?%(62)28/1，@AC!D@%1， ’E7.3@/19F513 E23/，A)3/0(@23/［<］以及 A)3/0 G’670/)28/1，A$C$D’／HI&’C的>&F’［J，#］等! 传感器网络有着巨大的应用前景，建筑在各类传感网络节点平台上的、面向海陆空全方位应用需求的各类研究项目更是层出不穷!以下仅列出其中几个代表典型应用的项目为例，比如用于环境监测、气象现象的观测和天气预报［K］、生物群落的微观观测［L］、洪灾的预警［M］、农田管理［:］、智能家居［N］、智能交通［";］、辐射监测［""］的研究，用于定位的 $.(6*/3［"<］和 O692［"J］，以及用于医疗的 ’’A@ 项目［"#］等!相信随着研究工作的不断深入和发展，各种传感器网络将最终遍布我们的生活环境，从而真正实现“无处不在的计算”! " 无线传感器网络协议体系结构网络体系结构是网络的协议分层以及网络协议的集合，是对网络及其部件所应完成功能的定义和描述!对无线传感器网络来说，其网络体系结构不同于传统的计算机网络和通信网络［"，<，"K""M］!通过 #L" 计算机研究与发展 <;;K，#<（"）总结大量文献的研究工作，并结合我们自己的体会，本文提出了如图!所示的网络体系结构框架"该网络体系结构由分层的网络通信协议、传感器网络管理以及应用支撑技术#部分组成"分层的网络通信协议结构类似于$%&／’&协议体系结构；传感器网络管理技术主要是对传感器节点自身的管理以及用户对传感器网络的管理；在分层协议和网络管理技术的基础上，支持了传感器网络的应用支撑技术" 以下分别叙述各组成部分的功能以及相关研究的最新进展" ()*"! +),-.-///-0/1,0-231,45,67)2-628,-" 图! 无线传感器网络体系结构 !"# 分层的网络通信协议分层的网络通信协议由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成"物理层的功能包括信道的选择、无线信号的监测、信号的发送与接收等" 传感器网络采用的传输媒体主要有无线电、红外线、光波等"物理层的设计目标是以尽可能少的能量损耗获得较大的链路容量"文献［9:］对主要的物理层协议进行了介绍，包括窄带、扩频和超宽带技术"数据链路层的主要任务是加强物理层传输原始比特的功能，使之对网络显现为一条无错链路［9;］"该层又可细分为媒体访问控制（<=%）子层和逻辑链路控制子层"其中媒体访问控制 <=%层规定了不同的用户如何共享可用的信道资源"文献［!>］对 <=%的设计提出了一些规则"逻辑链路控制子层负责向网络提供统一的服务接口"网络层的主要功能包括分组路由［!9］、网络互联、拥塞控制等"传输层负责数据流的传输控制，提供可靠的、开销合理的数据传输服务" !"$ 传感器网络管理技术能量管理［!!!!?］：在传感器网络中，电源能量是各个节点最宝贵的资源"为了使传感器网络的使用时间尽可能的长，必须合理有效地利用能量"传感器网络的能量管理部分控制节点对能量的使用" 拓扑管理［!@!!A］：在传感器网络中，为了节约能量，某些节点在某些时刻会进入休眠状态，导致网络的拓扑结构不断变化"为了使网络能够正常运行，必须进行拓扑管理，控制各节点状态的转换，使网络保持畅通，数据能够有效传输" B1C支持［!:，!;］：是网络与用户之间以及网络上互相通信的用户之间关于信息传输与共享的质量的约定"为满足用户要求，传感器网络必须能够为用户提供足够的资源，以用户可以接受的性能指标工作" 网络管理：网络管理是对网络上的设备及传输系统进行有效的监视、控制、诊断和测试所采用的技术和方法"网络管理功能主要有故障管理、计费管理、配置管理、性能管理和安全管理" 网络安全［#>］：传感器网络多用于军事、商业领域，安全性是其重要的研究内容"由于传感器网络中节点随机部署、网络拓扑的动态性以及信道的不稳定性，使传统的安全机制无法适用"因此需要设计新型的网络安全机制"可借鉴扩频通信、接入认证／鉴权、数据水印、数据加密等技术［#9］" 移动控制［#!］：某些应用环境中，有一部分节点可以移动"移动控制负责检测和控制节点的移动，维护到汇聚点的路由，还可使传感器节点能够跟踪它的邻居" 远程管理：对于某些应用环境，传感器网络处于人不容易访问的地点，为了对传感器网络进行管理，采用远程管理是十分必要的"通过远程管理，可以修正系统的D8*，系统升级，关闭子系统，监控环境 @E9崔莉等：无线传感器网络研究进展的变化等，使传感器网络工作更有效! !"! 应用支撑技术传感器网络的应用支撑技术为用户提供了各种具体的应用支持!包括时间同步、节点定位，以及向用户提供协同应用服务接口! 时间同步［""，"#］：传感器网络的通信协议和应用要求各节点间的时钟必须保持同步!多个传感器节点相互配合工作，确定节点休眠也要求时钟同步! 节点定位［"$!"%］：节点定位是确定传感器的每个节点的相对位置或绝对位置!节点定位在军事侦察、环境检测、紧急救援等应用中尤其重要!节点定位分为集中定位方式和分布定位方式! 分布式协同应用服务接口［&］：传感器网络的应用是多种多样的，为了适应不同的应用环境，人们提出了各种应用层的协议，该研究领域目前比较活跃，已提出的协议有：任务安排和数据分发协议 ’()(* （’+,-(,,./01203+04)+3+(45263.,21203*6737879）、传感器查询和数据分发协议:;))*（:20,76;<26=+04 )+3+).,,21.0+3.70*6737879）［#>］等! 分布式网络管理接口：主要是传感器管理协议 :?*（:20,76?+0+/21203*6737879）［&］，把数据传输到应用层! 综上所述，涉及无线传感器网络各个方面的研究工作都正在展开，由于很多问题都尚未得到彻底解决，因此研究空间是很大的!以下将就几个研究热点的进展做比较详细的介绍! # 传感器网络 $%&协议传感器网络研究的核心问题之一是功耗管理! 通过对现有系统的分析可知，射频模块是节点中最大的耗能部件［#&］，是优化的主要目标!?(@协议直接控制射频模块，对节点功耗有重要影响! 传感器节点无效功耗主要有以下 # 个来源［#A，#"］!"空闲侦听：节点不知道邻居节点何时向自己发送数据，射频模块必须一直处于接收状态，消耗大量的能源!这是无效功耗的最主要来源；#冲突：同时向同一节点发送多个数据帧，信号相互干扰，接收方无法准确接收，重发造成能量浪费；$串扰（7526B2+6.0/）：接收和处理发往其他节点的数据属于无效功耗；%控制开销：控制报文不传送有效数据，消耗的能量对用户来说是无效的! 目前，?(@协议在降低功耗方面主要采用的方法有减少数据流量，增加射频模块休眠时间和冲突避免等!其中，减少数据流量是最根本的解决方案，目前主要靠在网络层或者在数据链路层上增加一个数据融合层来实现，但在 ?(@层是否能够进行数据融合以及如何进行数据融合是目前研究较少的领域，还没有成熟的研究成果!此外，节点在没有数据接发时，关闭射频模块，转入休眠状态!这种方法可以降低工作占空比，减少串扰和空闲侦听带来的能量浪费，代价是增加延迟和降低系统的吞吐率!目前的研究主要集中在工作／休眠策略制定，突发数据流的自适应，节点同步机制等!冲突避免主要采用 C’:／@’:／)(’(／(@D［##］握手机制，既解决了隐藏节点引起的冲突，又实现了链路层的可靠传输，但也增加了控制开销!目前已有的 ?(@协议，大多综合使用了这些手段，只是具体实现方法不同! 早期提出的 ?(@ 协议，如 *.87C+4.7［A>］， :?(@:［#$］等，大多采用多信道!多信道模式中，控制信道与数据信道分离，节点有多个射频模块或一个射频模块在不同的信道采用不同的频率，可以有效地减少冲突，但是增加了节点复杂性、成本和功耗! 出于整个网络成本的考虑，必须降低节点价格，则节点结构和功能必须简单!目前常用的节点，例如 EF7G公司的 ?.8+系列［#H］，都只有一个射频模块，并且只用一个频率工作!因此，近期提出的 ?(@协议多采用单一信道!下面介绍几个比较有代表性的协议!:I?(@和’I?(@协议在发送数据时采用带冲突检测的载波侦听多路访问［##，#J］，避免冲突! K.,2?(@和LI?(@协议在发送数据时采用载波侦听多路访问（@:?(）［#M］!K.,2?(@通过增加载波侦听的范围来解决隐藏节点问题，代价是增加了功耗；在LI?(@中，C’:／@’:握手可由高层通过 ?(@协议提供的控制接口实现!L?(协议借鉴了 NO(@P［#%］的分簇思想!)I?(@在分析自适应工作／休眠调度的基础上，发现了数据转发中断问题，提出了一个新颖的解决方案!QOOOM>A!&$!#是美国电气电子工程师学会（QOOO）制定的标准，传感器网络是它的主要应用领域之一，目前市场上已经可以购买到符合该标准的产品化射频芯片! （&）:20,76I?(@（:I?(@）［#A，#H］ :I?(@协议将时间分帧，帧长度由应用程序确定!帧内分为工作阶段和休眠阶段，如图"所示!在 A>>A年版本中，工作阶段持续时间是固定的!A>># 年版本为了更好地支持数据突发，协议将工作阶段改为长度可调!在休眠阶段，节点关闭射频模块，缓存这期间采集到的数据，在工作阶段集中发送!在 HH& 计算机研究与发展 A>>$，#A（&）工作阶段的开始，节点发送同步消息，之后通过 !"#／$"#／%&"&／&$’机制发送数据，避免冲突造成的能量浪费(通过同步消息，相邻节点可以采用相同的工作／休眠策略，新节点也可以加入进来，这种机制在协议中称为虚拟簇( )*+(, #-.&$/0121314( 图, 协议周期性的工作和休眠 #-.&$协议采用消息传递（56778+6/877*9+）技术，很好地支持长消息发送(对于无线信道，传输差错与包长度成正比，短包成功传输的概率要大于长包(消息传递技术根据这一原理，将长消息分为若干短包，采用一次!"#／$"#握手，集中连续发送全部短包(既可以提高发送成功率，又有效地减少了控制开销( 该协议的扩展性较好，可以适应网络拓扑结构的变化；缺点是协议实现非常复杂，需要占用大量的存储空间，这在资源受限的传感器节点中显得尤为突出( （:）"*561;2-.&$（"-.&$）［<=］ "-.&$协议与:==>版的#-.&$协议工作方式大体相同，也将时间分帧，帧长度固定，工作阶段长度可变(协议定义了<种事件和一个计时器"&，据此确定工作阶段的结束时间(<种事件分别为! 帧长度超时；"节点接收到数据；#数据传输发生冲突；$节点数据或确认发送完成；%邻居节点完成数据交换(如果在"&内，射频模块没有侦听到这<种事件中的任何一种，就认为信道进入空闲状态(节点关闭射频模块，转入休眠阶段( 由于"-.&$的实现机制与:==>版的#-.&$ 基本相同，它们的性能也很接近( 协议（,）（>）为减少空闲侦听功耗，采用了低功率侦听技术（?1@A1@60?*7269*9+）［!#，!$）(其中，!是节点时钟漂移速度，#为从上次确认包到现在的时间，!$ 是所有节点侦听信道的时间间隔( C*76.&$可以很好地适应网络流量变化，它是和 C*76EF"超低功耗#G$芯片结合设计的(但由于节点需要存储邻居节点的信道侦听时间，会占用宝贵的存储空间，增加协议实现复杂度，尤其是在节点密度高的网络内这个问题尤为突出( （>）H60I646J-.&$（H-.&$）［<>］ H-.&$协议使用信道评估和退避算法分配信道，通过链路层确认保证传输可靠性，利用低功率侦听技术减少空闲侦听，实现低功率通信( 信道评估通过对接收信号强度!##K采用指数加权滑动平均算法求出信道的平均噪声，再将一小段时间内的最小!##K值与平均噪声比较，以确定信道状态(退避算法包括初始退避和拥塞退避两种，可由应用程序设置( 该协议最主要的贡献在于，它向上层协议提供了一系列双向接口，例如762A0685L46?69+2M等(通过设置这些接口，.&$协议可应用于多种不同流量类型的网络( （<）H.&［<<］ H.&协议分为两个阶段，簇建立阶段和稳定状态阶段(在簇建立阶段，节点根据剩余能量多少选举簇头(所有当选的簇头通过非持续$#.&方式，向其他节点广播当选通告(其余节点根据收到信号的强度，决定加入哪个簇(之后系统进入稳定状态阶段(稳定状态阶段由若干定长会话组成，每个会话由争用周期、数据传输周期和空闲周期组成(在争用周期，所有节点打开射频模块，争用数据传输周期(在争用周期之后，簇头建立并向簇内节点广播数据发送调度策略，每个需要发送数据的节点获得一个确定的发送时间(节点只在自己的发送时间之内打开射频模块，向簇头发送数据，其余时间进入休眠状态(如果在一个会话内没有节点发送数据，那么数据传输周期长度为=(簇头收到簇内节点的数据之后，进行数据融合，并向#*9I节点发送( （N）%828-+82M60*9+.&$（%-.&$）［层和物理层/<=>层采用>0<=／>= 接入，物理层有?种频率选择：6@6G帧，随后发送缓存的数据/在收到数据之后，节点向网络协调者发送=>G帧/ H1$/; 4555678/9:/;+&F"F,F./ 图; 4555678/9:/;节能方案 ! 路由协议路由协议的任务是在传感器节点和012)节点之间建立路由，可靠地传递数据/由于传感器网络资源严重受限，因此路由协议要遵循的设计原则包括不能执行太复杂的计算、不能在节点保存太多的状态信息、节点间不能交换太多的路由信息等［:6］/ 为了有效地完成上述任务，已经提出了很多种路由协议［:C］，大都利用了无线传感器网络的以下特点：!传感器节点按照数据属性寻址，而不是4I寻址；"传感器节点监测到的数据往往被发送到012) 节点；#原始监测数据中有大量冗余信息，路由协议可以合并数据、减少冗余性，从而降低带宽消耗和发射功耗；$传感器节点的计算速度、存储空间、发射功率、电源能量有限，需要节约这些资源/ 传感器网络路由协议可以归纳为以下几个类别：（9）以数据为中心的路由协议这类路由协议基于数据查询服务，对监测数据按照属性命名，对相同属性的数据在传输过程中进行融合，从而减少冗余数据的传输/这类协议同时集成了网络层路由任务和应用层数据管理任务/这类路由协议的典型代表包括H.FF’12$与DF!!1+12$［@7］、 0I4J协议［@9］、定向扩散（’1&%,"%’’1KK*!1F2）协议［@8］/ （8）基于簇（,.*!"%&）的路由协议在这类路由协议中，将传感器节点划分到一个个簇，监测数据首先传到簇首领，簇首领可以对采样数据进行融合，然后再转发到012)节点，以减少网络流量/这类路由协议的典型代表包括L5=>A［@?］和M55J［@;］/ （?）基于位置的路由协议这类路由协议利用位置信息将数据中转到目标区域，从而不必为了找到目标节点向全网广播数据/ 在很多情况下，利用位置信息可测量一对节点之间的距离，以便为数据报选择更节省能量的传输路径［@:，@@］/ （;）基于数据流模型和服务质量要求的路由协议这类路由协议力图在提供数据路由功能的同时 6@9 计算机研究与发展 877:，;8（9）满足通信服务质量要求!其中有的协议［"#］通过计算各节点的剩余能量、发送数据报所需要的能量，来为数据流仔细选择发送路线，以求延长全网的寿命! 有的协议［"$］借用与%&’()&(’中相似的*+,措施，为数据流选择能保证传输延时的路径! 除了前面几类经典的路由协议设计方法，近年又出现了很多针对传感器网络的新路由协议和设计方法，路由协议研究正逐渐深入和务实!例如，文献［"-］中利用图论中流量优化的方法来为采样数据报选择路由!文献［#.］中将 /01层和路由层协议捆绑设计，用跨层优化技术来进一步节省功耗!文献［#2］的路由能对随机部署的传感器网络进行自适应调整网络拓扑，并让冗余节点经常处于睡眠状态! ! 协议栈优化和能量管理的跨层设计在保证一定的系统通信性能（如传输速率、延迟、丢包率等）的前提下，优化的协议栈设计会直接支持网络能量管理的优化，决定网络是否具有实用价值!优化设计需要统观全局跨层进行!值得强调的是，无线传感器网络的协议栈设计必须首先考虑网络的应用特点，并结合对容错性、抗干扰性、节能指标等关键指标的具体要求来开展!通过借鉴现代网络及无线通信、信息处理等领域的研究方法，当前传感器网络已经有了一些阶段性研究成果［#3，#4］!但是，也有很多的传感器网络研究项目，由于对网络应用的多样性和固有特点认识不足，试图设计通用的传感器网络通信协议和分布式数据处理算法!这些设计为了兼顾通用性而执行效率低下、资源浪费严重，容易成为纸上谈兵、缺乏实用性和可行性!因此，需要对传感器网络按应用进行分类，并针对不同类别的特点设计和优化网络实现机制!分类依据包括［#4，#5］：（2）动态性!传感器节点、,6&7网关、以及被观察对象三者间相对位置是否变化以及变化频繁程度如何!基于动态性进行网络设计，可以采用更合理的网络路由更新频率，在保证路由协议正常功能的同时减少路由维护的开销、降低功耗以及更合理地在不同节点之间分配和协调观察任务! （3）数据传输模式!基于考虑网络上需要传输什么类型的数据流以及按照什么方式传播!比如向 ,6&7节点发送的环境参数采样数据流，按照发送的时机可分为连续型、事件驱动型、查询驱动型以及混合型几种!数据传播方式也有广播、组播、单播等方式之分! （4）实时性!不同的应用对于监测数据实时性的要求显然是不同的! （5）节点布撒方式!采用人工方式可以按照预定规则来安排节点间的位置关系，系统设计时可以对网络拓扑做一些合理假设；如果采用随机方式，则节点密度和节点间距就很难预测，这就要求系统设计能适应各种网络拓扑；如需要支持新节点随时加入，则要求具有保证不中断系统正常运行的机制! 同样，传感器网络的能量管理和低功耗设计也必须结合实际跨层进行，这里除了强调协议栈的优化设计支持外，还必须要考虑节点级的低功耗技术! 为了达到减少传感器节点的功耗从而延长整个网络使用寿命的目的，需要设计和实现超低功耗的传感器、微处理器，特别是射频通信的超低功耗芯片! ,81也是发展的必然方向，而且还要进行,81芯片和 /01协议的软硬件协同设计［93，94，9#］! 总之，有实用价值的传感器网络实现方案及其能量管理方案，必须要满足具体应用的要求!不少现有研究（如文献［#9］）都是在系统通信性能和系统能耗的设计过程中为特定类型的应用寻找合适的折衷点，以达到整体优化! " 无线传感器网络的仿真平台对于一般的计算机网络，我们通常是采用模拟仿真和实际的物理测量结合来衡量一个新的协议和方法的适用性!但是对于无线传感器网络，由于其自身的特点，物理测量在很多环境下是行不通的，此时计算机的模拟仿真就变成传感器网络性能评价的重要手段!高效准确的仿真工具对推动网络技术的发展作用很大［#"］!例如，:,;3［##］网络仿真工具采用了一系列面向对象的设计方法，通过大量的仿真模块，提供了对广泛使用的网络协议的仿真分析，并取得了非常直观的系统性能分析，类似的还有8<:=>［#$］以及专门用于移动通信仿真的?@+A+,6A［#-］等! 无线传感器网络的出现开拓了很多新的应用领域，同时也提出了很多新的、在以前有线和无线网络中未曾遇见的问题!在有线网络仿真中，广泛使用的:,;3和8<:=>在无线传感器网络的性能分析都不是十分适用，因此现在也出现了一些针对无线传感器网络特点开发的新型并行仿真语言和仿真工具!下面将分别介绍! -"2崔莉等：无线传感器网络研究进展 !"# 无线传感器网络的仿真特点无线传感器网络是高度面向应用的网络类型，其仿真特点在以下几个方面明显不同于现有的有线和无线网络的仿真分析! （"）仿真规模对于传统的有线网络，利用有限的具有代表性的节点拓扑就可以相当大程度地模拟整个网络的性能，但是对于无线传感器网络，由于其大冗余度，高密度节点拓扑构造类型，因此无法用有限的节点数目来分析其整体性能，因此在仿真规模上必须考虑大量节点的并行运算! （#）仿真目标传统的有线和无线网络主要仿真分析的是网络的吞吐量、端对端延迟和丢包率等 $%&指标，而这些在大部分无线传感器网络的应用中都不是最主要的分析目标!相反，在以往网络模型中不是那么被注意的节点寿命分析、节点能耗分析倒成为非常重要的分析目标! （’）业务特点在传统网络中，仿真分析的实际环境类型比较固定，譬如多媒体通信主要就是考虑实时信息量在恒定比特流情况下网络的性能；数据报网络主要就是考虑泊松分布的随机数据报的产生和传送!但是对于无线传感器网络，其业务类型是以随机事件驱动，其使用是高度面向不同应用的，因此不存在一个固定的业务模型!事件的产生也是随机的，甚至事件在网络存在的整个生命周期内都不会发生，因此不能套用任何一种现存的网络业务模型进行建模! （(）节点特点无线传感器网络是与物理世界高度交互的系统，因此受到突发事件的影响非常严重!这点不仅仅体现在自身受到的噪声、干扰和认为破坏等因素，更体现在节点的不稳定性!由于节点自身能力有限加上其易失效性（例如节点能量耗尽引起），这些都加剧了网络的不确定情况，而这些情况是在以往系统中很少见到的! （)）无线传感器网络的其他特点除了上面的几个方面外，无线传感器网络在许多其他方向都引入了其自身的独特性，比如网络节点自身的操作系统应该是十分精简的，这点不同于传统的路由器节点和个人微机节点中的操作系统! 另外，以往的网络仿真系统一般由固定的层次模块组合而成，比如 *+,层使用-.#协议族，传输层使用/,0／120协议等，但是在无线传感器网络中，由于其高度面向不同应用的特点，根本就没有一个统一固定的协议组合，因此如何在仿真中建立比较精确的节点模型与协议抽象也是一个值得探讨的问题! !"$ 无线传感器网络模拟仿真的发展状况尽管目前存在各种成熟的网络仿真平台，如3&4 #，5*36/77［-.］，5038/，9:%*%&;<和$=>:36?，但是由于无线传感器网络的极其特殊性，这些仿真平台都具有某些使用的局限性，因此许多学者都投入大量精力专门研究适用于传感器网络的仿真工具，比较有代表性的成果有以下几项! （"）&83&8项目 &83&8［-"］是为了解决传统网络仿真工具在无线传感器网络领域使用的缺陷而开发的一款仿真程序!&83&8是针对 3&4#做出必要修改后得来的! &83&8使用了面向模块的系统结构，模块间利用了可重用性原理，只要模块间的接口符合要求，模块既可以重用也可以进行替换，甚至可以在&83&8的基础上完全开发出新的应用仿真程序!与其他仿真软件的不同之处是&83&8使用了并行仿真和串行仿真可选方式，其系统默认是串行仿真!这点是考虑到软件模拟的并行仿真在很多情况下造成了低效率，因此赋予用户根据自己需要进行适当选择的机会! （#）/5&&@*项目 /5&&@*［-#］是建立在/;AB5&系统上的一种仿真工具，其特点是建立了/;AB5&的底层部分硬件的软件抽象，并增加了仿真必须的事件模型和外部通信机制!/5&&@* 已经使用在/;AB5&节点的性能分析中，并通过仿真运行发现解决了/;AB5&系统内部的部分缺陷!/5&&@* 是高度面向/;AB5& 系统的仿真工具，可以进行比特级的仿真，而这点是目前大部分仿真工具所不具备的!目前/5&&@*项目的努力方向是扩充仿真模型，提供初级版本所没有的一些功能模块，例如电池性能分析模块、,01 运行时间模块等! （’）&6AC%D&;<项目 &6AC%D&;<［-’］是以 3&4#仿真工具为基础发展起来的，其思路是在 3&4#上建立适应无线传感器网络的模型库!&6AC%D&;< 分别使用功能模型（C6AC%DE=AF?;%A<%G6:）和能源模型（H%I6D<%G6:）来模拟节点的软件（各种协议栈，应用相关的程序）和硬件部分（,01、电源、射频接收电路和传感器）!其硬件模拟主要的思路是建立一个电源到各种物理硬 .J" 计算机研究与发展 #..)，(#（"）件的单对多映射关系，通过分析硬件使用电源的特点来总结整体节点的功耗问题!"#$%&’"()目前主要完成了电源和射频接收电路模型，其他方面的模型正在完善之中!"#$%&’"()项目的努力方向是模拟电池的间断特性来进一步细化电池的使用模型，另外还要继续完成模型库的建设包括各种传感器硬件特性的软件模拟工作! （*）+,+"项目 "-#./$012)/$，3/124/5($6/等在789#:;; 仿真平台的基础上进行了针对无线传感器网络特点的开发工作，并实现了一些已有协议的验证工作! 该项目是欧洲+,+"<’&=#>-中的重要内容［?*］! ! 结论本文对影响传感器网络设计和实现的几个关键热点研究问题进行了总结!可以看到，无线传感器网络在向实用化发展的进程中还有很多理论和工程方面的问题需要解决，因此在各个层面以及跨层设计上都有很大的研究和发展空间!相信随着许多相关问题的不断解决，无线传感器网络将最终进入到我们的生活中，并对社会进步发挥巨大的作用! 参考文献 @ A!BCD(2E(F，G!"1，,!"/$/C/’/%1H’/)/$(/)，!"#$!!G(’#2#%% %#$%&’$#-I&’C%：B%1’5#D!J&)<1-#’9#-I&’C%，KLLK，M?（*）： MNM!*KK K 0! J122/’，0! +%-’($，8! "-’5/%-/5/! 75#’5(#I &.%#$%&’ $#-I&’C!J&)<1-#’，KLL*，MO（?），*@!*N M P!J1(，Q! G/$6，4!P1&，!"#$!!B<#’5/%(5#%#$%&’$&E# /’>R(-#>-1’#!:R#AQA393J’L*G&’C%R&<&$S1(2E($6A$-#22(6#$- "#$%&’9#-I&’C%（SA"79’L*），G1R/$，KLL* * G!T/&，P!8!9(，U!V1!SP7""78"：BJB"／4WX":=&($- <’&=#>--&H1(2E2(6R-I#(6R-&<-()(F#E%#$%&’%D%-#)%&$/)/%%(5# %>/2#!:R#AQA393J’L*G&’C%R&<&$S1(2E($6A$-#22(6#$-"#$%&’ 9#-I&’C%（SA"79’L*），G1R/$，KLL* Y :!B’(>(，,! B2-1$H/%/C! BE/<-(5#%#$%($6.&’#$5(’&$)#$- )&$(-&’($61%($6I(’#2#%%%#$%&’$#-I&’C%!:R#A+++ G(’#2#%% J&))1$(>/-(&$%/$E9#-I&’C($6J&$.#’#$>#（GJ9J），B-2/$-/， TB，KLL* Z B!8/($I/’($6，0!J122#’，[!3&2/%-’#，!"#$!!G(’#2#%%"#$%&’ 9#-I&’C%.&’4/H(-/-8&$(-&’($6!:R#@%-BJ8A$-’2G&’C%R&< &$G(’#2#%%"#$%&’9#-I&’C%/$EB<<2(>/-(&$%，B-2/$-/，T#&’6(/， X"B，KLLK O Q2&&EG/’$($6:#>R$&2&6(#%!R--<：／／III!/2#’-%D%-#)%!&’6 ? W!B!0#2($，"!3![/>C%&$!:R#%#$%&’G#H：B$#I($%-’1)#$- >&$>#<-!"3A+’%（:R#A$-’2"&>(#-D.&’7<-(>/2+$6($##’($6） "D)<&%(1)&$A$-#6’/-#E7<-(>%，"/$[&%#，JB，KLL@ N "!8#D#’，B!\/C&-&$(’/($D!B%1’5#D&.’#%#/’>R&$>&$-#]-^ /I/’#R&)#%!G&’C%R&<&$G#/’/H2#，A$5(%(H2#，J&$-#]-^BI/’#， B)H(#$-， 3#’5/%(5# /$E XH(_1(-&1% J&)<1-($6， BE#2/(E#， B1%-’/2(/，KLLM @L 9!W$/(/$!BI(’#2#%%%#$%&’$#-I&’C.&’%)/’-’&/EH#E%/$E ($-#22(6#$--’/$%<&’-/-(&$%D%-#)%：［8/%-#’-R#%(%］! S&%-&$： 8/%%/>R1%>--%A$%-(-1-#&.:#>R$&2&6D，KLLL @@ "! 8!S’#$$/$，B! 8! 8(#2C#，0! J! :&’$#D! \/E(/-(&$ E#-#>-(&$I(-RE(%-’(H1-#E%#$%&’$#-I&’C%!J&)<1-#’，KLL*，MO （?），YO!YN @K :R#J’(>C#-A$E&&’P&>/-(&$"D%-#)!R--<：／／>’(>C#-‘>%/(2‘)(-‘ #E1／ @M \![!Q&$-/$/，+!\(>R2#D，[!B!S/’$#D!J&))#’>(/2(F/-(&$&. /$12-’/I(E#H/$E<’#>(%(&$/%%#-2&>/-(&$%D%-#)!A+++J&$.!&$ X2-’/G(E#H/$E"D%-#)%/$E:#>R$&2&6(#%，\#%-&$，aB，KLLM @* P&’#$">RI(#H#’-，"/$E##R>R/22#$6#%($I(’#2#%%$#-I&’C%&.H(&)#E(>/2%#$%&’%! :R#O-R/$$1/2($-#’$/-(&$/2>&$.#’#$>#&$8&H(2#>&)<1-($6/$E $#I&’C($6，\&)#，A-/2D，KLL@ @Y A!Q!BCD(2E(F，!"#$!!B"1’5#D&$"#$%&’9#-I&’C%!A+++ J&))1$(>/-(&$%8/6/F($#，KLLK，（?）：@LK!@@* @Z 4&26#’W/’2，B$E’#/%G(22(6!B%R&’-%1’5#D&.I(’#2#%%%#$%&’ $#-I&’C%!:W9，:#>R\#<：:W9^LM^L@?，KLLM @O U#$63#$6，!"#$!!7$-R#/’>R(-#>-1’#/$E/<<2(>/-(&$%1<<&’-($6 -#>R$&2&6D&.E(%-’(H1-#EI(’#2#%%%#$%&’$#-I&’C!A$.&’)/-(&$/$E J&$-’&2，KLL*，MM（M）：MLO!M@M（($JR($#%#）（曾鹏，等!分布式无线传感器网络体系结构及应用支撑技术研究!信息与控制，KLL*，MM（M）：MLO!M@M） @? W!0! G&$6!3RD%(>/22/D#’>&$%(E#’/-(&$%.&’I(’#2#%%%#$%&’ $#-I&’C%$#-I&’C($6!A+++A$-’2J&$.!&$"#$%($6/$EJ&$-’&2， :/(<#(，KLL* @N P!J!UR&$6，[!\/H/#D，J!P!T1&，!"#$!!0/-/2($C2/D#’ E#%(6$ .&’ I(’#2#%% %#$%&’ $#-I&’C%! J&))1$(>/-(&$% .&’ 9#-I&’C^J#$-’(> 7<#’/-(&$%，J’#/-($6-R#A$.&’)/-(&$ Q&’>#， G/%R($6-&$，KLL@ KL J!T1&，P!J!UR&$6，[!8!\/H/#D!P&I<&I#’E(%-’(H1-#E 8BJ .&’ /E R&> %#$%&’ ’/E(& $#-I&’C%! A+++ T2&H/2 :#2#>&))1$(>/-(&$%J&$.!（TP7S+J78’L@），"/$B$-&$(&，:V X"B，KLL@ K@ b! 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