无线传感器网络中的资源优化
发布时间：
第１９卷第３期
２００６年６月
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无线传感器网络中的资源优化
刘丽萍，王
智，孙优贤
（浙江大学工业控制技术国家重点实验室，杭州３１００２７）
摘要：无线传感器网络是一种新兴的技术，与传统的网络相比最突出的特点就是超大规模，无人值守，应用环境变化频繁。
解决能量受限问题，适应变化频繁的拓扑结构是目前无线传感器网络面临的最大挑战。针对这一特点，本文以优化网络资源
和延长网络寿命为目标，归纳了无线传感器网络部署、任务分配、信息处理和中间件定位中的优化问题，并分别对这些具体问
题进行了探讨，对一些可能的研究方向进行了简要的阐述，为以后的研究奠定了基础。
关键词：无线传感器网络；能量受限；网络寿命；优化
中图分类号：Ｔｌ，２１２；ＴＰ３９３．０９文献标识码：Ａ文章编号：ｌ∞４一１６９９（２∞６）０３－０９１７－０９当中，具有很大的灵活性和移动性。基于这些优点，无线传感器网络在军事、环境监测、医疗卫生、智能家庭等方面有很大的潜在应用价值，尤其在无人监测或环境恶劣情况下的事件监测和事件跟踪中显示了很大的优势。同时，在商业方面也呈现出很好的应用前景（办公建筑的环境控制、汽车防盗、库存管理、控制产品质量等）［１］。
无线传感器网络作为一种新兴的技术在集成现有技术的同时，也对目前的技术提出了更高的要求。
无线传感器网络是随着无线通信和嵌入式计算技术、传感器技术、微机电技术的发展而发展起来的一种新兴的信息获取技术；是由大量无处不在的、具有无线通信与计算能力的微小传感器节点构成的自组织分布式网络系统，是能根据环境自主完成指定任务的“智能”系统。网络中的每个节点都含有一个体积小、价格便宜、低能耗、支持短距离通信的多功能传感器。每个传感器节点具备信号采集、数据处理、相互通信的功能，直接嵌入到相应的设备或环境
收稿日期：２００５—０９—２６
基金项目：国家自然科学基金重点项目资助（ＮＳＦＣ－６０４３４０３０）；中法先进研究计划资助（ＰＲＡＳ１０３一０２）；高等学校博士学科点
专项科研基金资助（２００５０３３５０２０）；中国博士后科学基金资助（２００５０３８６３２）
作者简介：刘丽萍（１９７９一），女，博士生，主要研究方向为无线传感器网络部署、数据处理和协调控制，１ｐｌｉｕ＠ｉｉｐｃ．ｚｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ；
王智（１９６９一），男，工学博士，副教授，主要研究方向为实时与工业通信、网络控制和传感器网络；
孙优贤（１９４０一），男，教授，博士生导师，中国工程院院土，从事复杂系统理论、分布控制系统以及企业综合自动化等。
万方数据
９１８
传感技术学报
２００６年
无线传感器网络节点数量多，通常工作在无人监控或者环境恶劣的环境下。这就使得节点的更换以及电源的更换成为突出的问题，加之环境因素对通信的影响，迫切需要合理有效的任务分配方案和冗余控制方法，这些我们统称为资源优化问题，主要包括两方面：①硬件资源的合理调用：保证网络运行的节点位置分布，任务节点的调度等；②网络能源的优化，对网络中能量的消耗进行优化，并且尽量保持网络中节点的能量消耗平衡，该问题也称为网络寿命的优化。本文以节约资源和延长网络寿命为目标，从网络部署、任务分配、信息处理、以及中间件定位技术４个层面讨论在网络具体操作中的优化问
题。
戈０：ＮＳＦ、ＤＡＲＰＡ，ＷＩＮＳ，ＳｍａｒｔＤｕｓｔ，“ＡＭＰＳ，
ＳｅｎｓＩＴ，ＳｅａＷｅｂ等，在产业界，Ｍｏｔｏｒｏｌａ、ＩＮＴＥＩ。、Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ等著名公司发起成立了ＺｉｇＢｅｅ产业联盟，致力于此项技术的研发和推广。
１．１网络能量优化研究现状
对传感器网络来讲，在保证网络基本功能的基础上，节约能量是一个重要的优化过程。延长网络寿命，节约系统能量是无线传感器网络研究和设计永恒的主题。针对无线传感器网络的特点，增加传感器网络寿命的研究主要分为两种途径：①降低节点能耗，节点和物理链接必须尽量降低能耗；②节点间协同工作，节点问能量的协调控制［２］。目前，节点的硬件和物理连接的设计中的节能问题已经引起了很多学者的注意，并取得了一定的研究进展。同时在数据链路和路由传输方面，也出现了新的ＭＡＣ协议和路由协议。在无线传感器网络中，节约能量不仅要考虑节约网络整体的能量消耗总量，更重要的是能量消耗平衡问题，即能量消耗的均匀性问题。就应用层而言，延长网络寿命的方法根据侧重点不同分为两种，一种是节约节点能量，对冗余节点进行调度，通过使冗余节点休眠达到节约能量的目的。网络中的传感器节点一般都是有冗余的，如果节点全部处于工作状态，会造成能量的浪费。基于这一思想，Ｙｅ等［３］提出了探测密度控制算法
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１无线传感器网络研究现状
无线传感器网络与一般网络相比，具有以下三个显著的特点：超大规模，无人值守，拓扑变化频繁。因此，在设计和实现传感器网络系统时，面临着如下的挑战：①资源受限；②系统的容错性；③规模的可伸缩性；④节点的小型化和低成本；⑤动态的网络拓扑结构；⑥长期无人职守，需要有较高的自治能力。根据研究侧重点的不同，从２０世纪９０年代开始至今，无线传感器网络的发展历程大概可以划分为三个阶段。第一阶段主要致力于小型化、低功耗、低成本的传感器节点的开发和研制。硬件方面：传感技术研究着重于开发多种功能的传感器；微机电系统技术侧重于传感器节点微型化。第二阶段注重无线传感器网络作为通信网络的特性研究，特别是通信协议的设计和实现。这个阶段，研究学者们设计提出了许多的通信协议，特别是数据链路层的ＭＡＣ协议和网络层的路由协议。第三阶段，侧重于对无线传感器网络的群体智能行为的研究。如分布式信息处理技术着眼于信息的有效处理、查询等，系统的智能化研究使整个网络能够进行智能化的操作等。目前第二、第三阶段的研究越来越引起大家的注意。同样的，无线传感器网络巨大的应用前景及其潜在的技术挑战，也吸引许多大学、科研机构、
公司甚至政府投入大量人力物力。加州大学
ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）使节点密
集区域的一些节点进入休眠状态，Ｔｉａｎ和Ｇｅｏｒｇａ—ｎａｓ［４］提出了动态调度算法决定节点什么时候关闭什么时候要唤醒，另外在高密度节点的网络中，有些学者提出占空比（ｄｕｔｙｃｉｒｃｌｅ）的概念，通过动态管理节点的任务周期来节约能量。最后还有采用拓扑控制的节约能量消耗的方法，多采用划分局部网络的方法实现，如ＬＥＡＣＨ［５｜、ＳＰＡＮ［６］等。但是，片面的强调节约网络整体的能量，强制性让一些节点一直工作到能量耗尽，会导致网络中能量分配的不均衡，影响网络寿命。延长网络寿命的另一种方法就是平衡节点间的能量消耗。为加强能量平衡，ＳＰＥＥＤ协议［７］在多跳的路由中通过不确定性的发送包来平衡流量。Ｘｕ等［８］提出了在虚拟网格内的节点中，使用顺序轮流作子网首领的方法，平衡节点问能量的消耗。节约网络能量、兼顾能量消耗平衡、延长网络寿命，是网络中能源优化的目标。
下面章节我们将对照无线传感器网络应用层的功能结构图（图１），对部署、任务分配、信息处理以及中间件定位技术中的以延长网络寿命为目标的资 