无线传感器网络：物联网的末梢神经

也许传感器网络对于我们大多数人来说，还是很陌生，其实她己经是二十多岁的“青年人”，只是一开始她就在军事与特种领域“服役”。但是现在她已经“转业”到地方，成为我们感知物理世界的网络——一物联网的神经末梢。

1.无线网络的基本概念

1.1无线网络技术的分类

无线网络是网络技术研究与发展的另一条主线，它的研究、发展与应用将对21世纪信息技术与产业发展产生重要的影响。从是否需要基础设施的角度来看，可以分为两大类：基于基础设施的无线网络与无基础设施的无线网络。图4-1给出了无线网络的分类。

1.2无线分组网与无线自组网

1972年在美国国防部高级研究计划署启动ARPANET的研究计划后，又启动将分组交换技术移植到军用无线分组网(PacketRadi。NETw。rk，PRNET)的项目。该项目研究战场环境中无线分组交换技术在数据通信中的应用。无线分组网的研究成果为无线自组网的发展奠定了良好的基础。

在无线分组网项目结束后，DARPA认为尽管无线分组网的可行性得到验证，但还是不能支持大型网络环境的需要，无线移动自组网络还有几个关键技术没有解决。在这样的背景下，DARPA在1983年启动残存性自适应网络(SURvivableAdaptiveNetwork，SURAN)项目。该项目研究如何将无线分组网技术用于支持更大规模的网络，并开发能适应战场快速变化的自适应网络协议。

在无线分组网的基础上发展起来的无线自组网是一种特殊的自组织、对等式、多跳、无线移动网络，在军事、特殊应用领域有重要的应用前景。

20世纪70年代末，美国海军研究实验室完成短波自组织网络(HF-ITF)系统的研究。该系统是采用跳频方式组网的低速无线自组网络。HF-ITF使用短波频段，采用随机信道访问控制方法，可以将500公里范围内的舰只、飞机、潜艇组成一个无线移动自组网络。

1994年美国DARPA启动全球移动信息系统(GlobelMobileinformationsystem，GloMo)计划一GloMo计划的研究范围几乎覆盖无线通信的所有相关领域。其中，无线自适应移动信息系统(WAMIS)是在无线分组网的基础上，研究的一种在多跳、移动环境下支持实时多媒体业务的高速分组无线网。另一个与无线自组网有关的项目是启动于1996年的WINGs研究，其主要目标是如何将无线移动自组网与互联网无缝连接。

1.3无线自组网与无线传感器网络

IEEE将无线自组网的网络定义为一种特殊的自组织、对等式、多跳、无线移动网络，称为移动无线自组网络(MobileAdhocNETwork，MANET)，它是在无线分组网的基础上发展起来的。

无线传感器网络的研究起步于20世纪90年代末期，随着无线自组网技术的日趋成熟，无线通信、微电子、传感器技术也得到快速发展，如何在军事领域中将无线自组网与传感器技术结合起来的研究课题被提出，即开始了无线传感器网络的研究。无线传感器网络可以用于对敌方兵力和装备的监控，战场的实时监视，目标的定位、战场评估以及对核攻击和生物化学攻击的监测和搜索。

近年来，无线传感器网络引起学术、军事和工业界的极大关注，美国和欧洲相继启动很多有关无线传感器网络的研究计划。无线传感器网络研究将涉及传感器、微电子芯片制造、无线传输、计算机网络、嵌入式计算、网络安全与软件等技术，是一个必须由多个学科专家参加的交叉学科研究领域。

1.4无线自组网与无线网状网

无线自组网技术逐渐成熟并进入实际应用阶段时，通常还是局限于军事领域，在民用领域应用无线自组网技术还只是一个研究课题。人们很快就发现，如果将无线自组网技术作为无线局域网与无线城域网等无线接入技术的一种补充，应用于互联网无线接入网中，是一个很有发展前途的课题。在这样的背景下，开始了无线网状网技术的研究。-

无线网状网(WirelessMeshNetwork，WMN)是无线自组网在接入领域的一种应用。WMN也称为无线网格网，它作为对无线局域网、无线城域网技术的补充，将成为解决无线接人“最后一公里”问题的重要技术手段。

目前，无线自组网技术向两个方向发展的趋势已经清晰，一个是向军事和特定行业发展和应用的无线传感器网络；另一个是向民用的接入网领域发展的无线网状网。由于无线网络问题的研究涉及多个学科领域，本章主要介绍与网络技术相关的研究工作。

2．无线局域网与协议

2.1无线局域网的应用领域

随着无线局域网技术的发展，人们越来越深刻地认识到，无线局域网不仅能够满足移动和特殊应用领域网络的要求，还能覆盖有线网络难以涉及的范围。它们主要有以下四个方面：

（1）作为传统局域网的扩充

传统的局域网用非屏蔽双绞线实现10Mbps，甚至更高速率的传输。使得结构化布线技术得到广泛应用。很多建筑物在建设过程中已预先布好双绞线，但是在某些特昧的环境中，无线局域网却能发挥传统局域网起不到的作用，例如在建筑物群之间、工厂建筑物之间的连接，股票交易等场所的活动结点，以及不能布线的历史古建筑，临时性的大型报告会与展览会。在上述的情况中，无线局域网提供一种更有效的联网方式。在大多数情况下，传统的局域网用来连接服务器和一些固定的工作站，而移动和不易于布线的结点可以通过无线局域网接入。图4-3给出了典型的无线局域网结构。

（2）特殊无线网络

无线自组网络采用不需要基站的“对等结构”移动通信模式，该网络中没有固定的路由器，它的所有用户都可以移动，并且支持动态配置和动态流量控制；每个系统都具备动态搜索、定位和恢复连接的能力。这些行为特征可以用“移动分布式多跳无线网络”或“移动的网络”来描述：例如，员工每人有一个带有天线的笔记本，他们被召集在一间房间里开会，计算机可以连接到一个暂时的网络，会议完毕后网络将不再存在。

2.2无线局域网协议

1987年，IEEE802.4组开始进行无线局域网的研究。最初的目标是希望开发一个基于无线网令牌总线协议。在进行一段时间的研究后，发现令牌总线并不适合于无线电信道。在1990年，IEEE802委员会成立新的802.11工作组，专门从事无线局域网的研究，并开发一个无线信道访问控制子层协议和物理介质标准。1997年形成第1个无线局域网标准802.11，以后又出现两个扩展版本。802.11定义使用红外、跳频扩频与直接序列扩频技术，数据传输速率为1Mbps或2Mbps的无线局域网标准。802.1lb定义使用跳频扩频技术，传输速率为1、2、5.5与11Mbps的无线局域网标准。802.11a将传输速率提高到54Mbps。无线局域网是当前网络研究的一个热点问题，当前802.11标准已从802.11b、802.11a发展为802.11j，对多种频段无线传输技术的物理层、MAC层、无线网桥，以及QoS管理、安全与身份认证做出一系列的规定。致力于WLAN技术推广的wi-Fi联盟是由业界成员参加，它的作用是促进802.11无线局域网标准的推广与应用。

3．无线城域网与IEEE802.16协议

3.1宽带无线接入的基本概念

802．11无线局域网作为局域网接入方式的一种补充，已在个人计算机无线接人中发挥重要作用。在无线通信技术应用广泛的背景下，如何在城域网中应用无线通信技术的课题就被提出。对于城市区域的一些大楼、分散的社区，架设电缆与铺设光纤的费用往往要大于架设无线通信设备，人们开始研究在市区范围的高楼之间利用无线通信手段解决局域网、固定或移动的个人用户计算机接入互联网的问题。图4．4给出了802．16宽带城域网结构。

1999年7月，IEEE802委员会成立一个工作组，专门研究宽带无线城域网标准问题。2002年，公布IEEE802.16宽带无线城域网标准。802.16标准的全称是“固定带宽无线访问系统空间接口”(AirInterfaceforFixedBroadbandWirelessAccessSystem)，也称为无线城域网(WirelessMAN,WMAN)或本地环路(wirelesslocalloop)标准。

.2IEEE802.16标准体系

尽管802.1l与802.16标准都针对无线环境，但是由于两者的应用对象不同，因此在采用的技术与协议解决问题的重点也不同。802.11标准的重点在于解决局域网范围的移动结点通信问题，而802.16标准的重点是解决城市范围内建筑物之间的数据通信问题。

802.16标准的主要目标是制定工作在2～66GHz频段的无线接人系统的物理层与介质访问控制层规范。802.16是一个点对多点的视距条件下的标准，用于大数据量的传输。802.16a增加非视距和对无线网状网结构的支持。802.16与802.16a经过修订后，被统一命名为802.16d，于2004年5月正式公布。

按802.16标准建立的无线网络覆盖一个城市的部分区域，同时由于建筑物位置是固定的，它需要在每个建筑物上建立基站，基站之间采用全双工、宽带通信方式工作。802.16标准提供两个物理层标准802.16d与802.16e。802.16d主要针对固定的无线网络部署，802.16e针对火车、汽车等移动物体的无线通信标准问题。

与IEEE802.16标准工作组对应的论坛组织为WiMAx，与致力于WLAN推广应用的Wi-Fi联盟很类似，它是由业界成员参加的，致力于IEEE802.16标准的推广与应用。无线接入技术以投资少、建网周期短、提供业务快等优势，已经引起产业界的高度重视。

4.蓝牙、无线个人区域网与ZigBee

4．1蓝牙技术与协议

4.1.1蓝牙技术的基本概念

1994年，Ericsson公司对于如何在无电缆的情况下，将移动电话和其他设备(例如PDA)连接起来产生浓厚的兴趣。Ericsson公司与IBM、Intel、Nokia和Toshiba等公司发起一个项目，开发一个用于将计算机与通信设备、附加部件和外部设备，通过短距离的、低功耗的、低成本的无线信道连接的无线标准。这个项目被命名为蓝牙(Bluetooth)。

对于“蓝牙”这个名字，有一个已被普遍接受的说法，那就是它与一位丹麦国王的名字有关，即公元940～985年间的丹麦国王HaraldBlatand。据说在他统治期间统一了丹麦和挪威，并把基督教带入斯堪的纳维亚地区，因此就将“Blatand”近似翻译成“Bluetooth”，中文直译为“蓝牙”。由于这项技术是在斯堪的纳维亚地区产生，因此技术的创始人就用这样名字命名，表达他们要像当年的丹麦国王统一多国一样，统一世界很多公司“短距离无线通信”技术和产品的初衷。

蓝牙无线通信技术是作为一个技术规范出现，该规范是蓝牙特别兴趣小组SIG中很多公司合作的结果。1998年5月，SIG由Ericsson、Intel、IBM、Nokia和Toshiba等公司发起。SlG不是由任何一个公司控制，而是由其成员通过法定协定来管理。目前，SIG共有1800多个成员，包括消费类电子产品制造商、芯片制造厂家与电信业等。SIG的主要任务是致力于发展蓝牙规范，但是它也许不会发展成一个正式的标准化组织。

4.1.2蓝牙规范与IEEE802.15标准

1999年7月，SIG公布蓝牙规范1.0版，卷1是核心规范，卷2是协议子集，整个规范长达1500页。虽然蓝牙技术最初的目标只是解决近距离数字设备之间的无线连接，但是很快扩大到无线局域网的工作领域中。尽管这样的转变使该标准更有应用价值，但是也造成它与IEEE802.11标准竞争的局面。

在蓝牙规范1.O版发表后不久，IEEE802.15标准组决定采纳蓝牙规范作为基础，并开始对它进行修订。这件事情从一开始就不协调，蓝牙规范已经有细致的规范，而且它是针对整个系统的。从网络体系结构的角度来看，它覆盖从物理层到应用层的全部内容。IEEE802.15标准组仅对物理层和数据链路层进行标准化，蓝牙规范的其他部分并没有被纳入该标准。

尽管像IEEE这样的中立机构来管理一个开放的标准，往往有助于一项技术的推广和应用，但是如果在一项事实上的工业标准出现后，又出现一个与它不兼容的新规范，对于技术发展来说未必是一件好事。

4.1.3蓝牙技术的特点及应用

(1)蓝牙技术的特点

无线通信产品要能方便、快速地普及，那么它的通信频率在全球各国统一开放的频段上，该频段的产品无须事先申请和缴纳频率使用费。蓝牙技术将符合这个条件，它的工作频率在国际开放的ISM2.4GHz上。为了避免相同频率电子设备之间的干扰，蓝牙技术采用了调频扩展技术。

蓝牙技术在协议设计之初就确定了芯片轻、薄、小的特点。以典型的爱立信蓝牙芯片为例，它的体积只有10．2mm×14mlTl×16ram，发射功率控制在1mW，作用距离可以达到10m，可以嵌入在各种设备之中。芯片价格长期目标是控制在5美元以内。由于蓝牙的功耗很小，因此在设计蓝牙耳机的时候，不太考虑散热的问题。

(2)蓝牙技术的应用

正是因为蓝牙技术有十分突出的特点，所以可以应用于几乎所有的电子设备，例如移动电话、蓝牙耳机、笔记本计算机的鼠标、打印机、投影仪、数字相机、门禁系统、遥控开关、各种家用电器等。

蓝牙技术除了可以实现点-点通信，还支持点-多点通信。利用蓝牙技术可以在10m范围内实现7个活动蓝牙设备，以及最多255个处于待机蓝牙设备组成一个无线个人区域网络。因此，业界有一种说法，即开发蓝牙产品，更需要的是想象力和创造力。

4.2无线个人区域网与协议

随着手机、便携式计算机和移动办公设备的广泛应用，人们逐渐提出自身附近几米范围内的个人操作空间(PersonalOperatingSpace,POS)设备联网的需求。个人区域网络(PersonalAreaNetwork，PAN)与无线个人区域网络(WirelessPersonalAreaNetwork，WPAN)在这个背景下出现。

IEEE802.15工作组致力于个人区域网的标准化工作，它的任务组TG4制定IEEE802.15.4标准，主要考虑低速无线个人区域网络(Low-RateWPAN，LR-WPAN)应用问题。2003年，IEEE批准了LR-WPAN标准——IEEE802.15.4。它为近距离范围内不同设备之间低速互连提供统一标准。

与WLAN相比，LR-WPAN只需很少的基础设施，甚至不需要基础设施。LR-WPAN的特征与无线传感器网络有很多相似之处，很多研究机构也将它作为无线传感器网络的通信标准。

4.3ZigBee技术的特点

ZigBee是一种面向自动控制的低速、低功耗、低价格的无线网络技术。ZigBee的通信速率要求低于蓝牙，但要求由电池供电，在不更换电池情况下工作几个月，甚至几年。同时，ZigBee网络的结点数量、覆盖规模比由蓝牙技术支持的网络大得多。ZigBee无线设备工作在公共频道，在2.4GHz时传输速率为250kbps，在915Mbps时传输速率为40kbps。ZigBee的传输距离为10～75m。

ZigBee适应于数据采集与控制的点多、数据传输量不大、覆盖面广、造价低的应用领域，在家庭网络、安全监控、医疗保健、工业控制、无线定位等方面展现了重要的应用前景。

ZigBee技术的特点主要表现在：

1)ZigBee网络结点工作周期短、收发数据量小，不传输数据时处于“睡眠状态”。传输数据时由担任“协调器”的结点唤醒。采取这种工作模式的优点是节省电能，延长网络工作对间。

2)ZigBee采用碰撞避免机制并为需要固定带宽的通信业务预留专用时间片，以避免发送数据的冲突。由于在MAC层采用确认机制，保证结点之间通信的可靠性。

3)ZigBee协议结构简单，实现协议的专用芯片价格低廉，系统软件结构力求简单，从而降低系统的造价。通信模块芯片价格预期可以降到1.5～2.5美元。

4)ZigBee标准与蓝牙标准的延时参数相比，ZigBee结点的休眠／工作状态转换需要15ms，入网时间需要30ms，而蓝牙结点的入网时间需要3～10s。

5)1个ZigBee网络最多容纳1个主结点和254个从结点，1个区域中可以有100个ZigBee网络。

6)ZigBee提供了数据完整性检查与加密算法，以保障网络的安全。

基于ZigBee技术的无线传感器网络已成为产业界十分关注的一个研究方向。