摘要：本文介绍了无线传感器网络的定义和结构，针对路由、能量、跨层设计及安全等无线传感器网络中的关键问题，分析了国内外研究发展的现状，指出了进一步研发的方向，并总结了无线传感器网络的典型应用。

关键词：无线传感器网络；路由；能量；跨层；安全中图分类号：TP212.9

一、引言

无线传感器网络(WSN)被认为是21世纪最重要的技术之一，是众多的传感器通过无线通信的方式，相互联系，处理、传递信息的网络。该网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，可以实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，传送给所需用户。无线传感器网络在军事、工业、交通、安全、医疗、探测以及家庭和办公环境等很多方面都有着广泛的用途，其研究、开发和应用，关系到国家安全、经济发展等各个重大方面，近年来在国际上引起了广泛的重视和投入。

二、传感器网络结构

无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）结构如图1所示。传感器节点分布于网络的各个部分，用于收集数据，并且将数据路由至信息收集节点（Sink）。信息收集节点与信息处理节点通过广域网络（如Internet网络或者卫星网络）进行通信，从而对收集到的数据进行处理。

与其它网络一样，传感器网络的协议栈包括应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层[1]。在应用层采用不同的软件，就可以实现传感器网络不同的应用目的；传输层提供差错控制和流量控制等功能；网络层主要负责将传输层所提供的数据路由至信息收集节点；数据链路层主要负责节点接入，降低节点间的传输冲突；物理层进行比特流的传输。但与蜂窝网、无线局域网等其它无线通信网络相比，无线传感器网络有其自身的显著特点，主要包括节点（传感器）的低功率、低功耗和有限处理能力，网络的自组织性和容错性，网络的可扩展性要求，网络对能量的敏感性，以及以数据为中心的传输等等。针对这些特性，需要采用适于传感器网络的解决方案。比如，在物理层，可以采用低阶调制技术、超宽带（Ultra-Wideband, UWB）无线通信技术[2]、射标签（Radio Frequency Identification, RFID）技术等[3]；在媒体接入控制（Media Access Control频, MAC）层可以采用分布式接入控制算法、公平的资源分配算法等；在网络层，针对不同的准则，可采用各种节省能量的分布式路由算法和协议，以及数据融合的算法。

三、无线传感器网络的关键问题

1、路由问题

路由协议的目的是在源节点和目的节点之间建立可靠的路由，保证数据的传输。传感器网络由于节点数量多，为了避免由于节点地址带来的大量的负荷，不可能构造一个全球的地址方案；此外，由于节点能量受限且大都处于静止状态等特点，使得传感器网络不能采用传统的基于IP的路由协议，并且Adhoc网络中现有的路由协议，如动态源路由协议(Dynamic Source Routing, DSR)[4]和基于距离矢量的按需路由(Ad hoc On Demand Distance Vector, AODV) 协议[5]等，也不完全适用。

为传感器网络设计的路由协议可以分为两类：平面型路由协议和分层路由协议[6]。平面型路由协议中，各传感器节点在网络中的地位或作用是一样的，最典型的平面型无线传感器网络路由协议是信息协商传感器协议（Sensor Protocols for Information via Negotiation, SPIN）[7]和定向扩散（Directed Diffusion, DD）协议[8]，其它的许多平面型协议都是对这两个协议的某些方面进行的改进。而分层路由协议中，网络中节点的功能是不完全相同的。一般是将网络中的节点分成很多簇，每个簇有一个簇头（Cluster Header, CH）节点和许多一般节点。一般节点负责信息的采集和发送，簇头节点对收到的信息进行处理和转发，并可协调簇内一般节点的发送。低功耗自适应按簇分层（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy,                   LEACH）[9]协议就是一种典型的分层路由协议。下面分别简要介绍上述三种典型的路由协议，其它的一些协议，如基于梯度的路由（Gradient-Based Routing, GBR）协议[10]，自组织协议（Self-Organizing Protocol, SOP）[11],和双层数据传播（Two-Tier Data Dissemination,TTDD）协议[12]等，具有相似的基本特点和针对不同应用的特性，具体可参见所列的相应的参考文献。