随着无线通信、集成电路、传感器、微机电系统等技术的飞速发展，低成本、低功耗、小体积、多功能的微型传感器的量产成为可能。微型传感器之所以被称为微型传感器，是因为它们小到可以像尘埃一样漂浮在空中，因此又被称为“智能尘埃”[1]。借助内置的微型传感器，传感器节点可以测量周围环境中感兴趣的物理现象，如热量、红外、声纳、雷达和地震波信号、温度、湿度、光强度、压力、土壤成分、移动物理大小、速度和方向等。无线传感器网络（WSN）是集成了分布式信息收集、信息传输和信息处理技术的网络信息系统。无线标准根据协议和要求为无线传感器网络提供了各种无线应用标准。在WSN中，无线传感器节点往往随机排列在人类无法触及的许多地方，通过自组织形成快速、有效、可靠的无线网络。 传感器节点往往是同构的，由于其能耗低（甚至不需要更换电池），适合于各种无人值守的应用场景，被公认为未来改变人们生活的十大技术之一。本文对无线传感器网络的特点、应用、关键技术及各类研究进行了探讨和分析，对科研人员选择应用场景、申请项目具有一定的参考价值，特别是对从事WSN MAC层研究的科研人员具有一定的参考价值。

1 无线传感器网络的特点

目前常见的无线通信网络有移动通信网络、无线局域网、蓝牙网络、Ad Hoc网络等。无线传感器网络与无线通信网络有着本质的区别：无线通信网络的主要功能是提供网络上点对点的连接、相互通信和操作，为数据共享提供正确、可靠的传输；而由微型传感器节点组成的无线传感器网络一般是为了某种特定需要而设计的自组织网络，它们能够实时协作地监测、感知和收集网络分布区域内各种环境或监测对象的信息网络营销公司，并对这些数据进行处理，得到详细、准确的信息并传送给汇聚节点。与Ad hoc网络相比，无线传感器网络有以下特点[2]：

（1）节点更多，分布更密集，网络规模更大。为了监控某一地理区域，通常要在该区域部署数百、数千甚至数万个节点。如果单个节点或少数局部节点发生故障，网络不会瘫痪。因此，节点间的高连通性可以保证系统的容错性和抗破坏性。

（2）节点处理信息的能力有限。由于价格、体积、功耗等因素的限制，传感器网络中的传感器节点一般采用嵌入式处理器和存储器，这些传感器具有计算能力，可以完成一些信息处理任务。但由于嵌入式处理器和存储器容量有限，传感器的处理能力也相对有限。因此，在设计各种WSN协议时，要力求简单、有效。

（3）节能更为重要。由于受硬件条件的影响，无线传感器节点通常采用电池供电，而无线传感器网络通常不需要更换电池。与Ad hoc网络相比，电池更换较为不便，且多数传感器网络往往需要长时间运行，因此节能更为重要。由于传输能量的限制，无线传感器网络节点的通信距离可能较短，一般只有几十米，甚至更短。

(4)无线传感器网络中的节点相对静止，移动节点的数量有限，因此在考虑MAC层协议时，往往不需要考虑节点的移动特性，但在Ad hoc网络中必须考虑节点的移动特性。

（5）以数据为中心。在无线传感器网络中，人们往往只关心某个区域内某个观测指标的数值，而不关心单个节点的观测数据，不同于传统网络的寻址过程，它能够快速有效地组织各个节点的信息，提取有用的信息传送给用户。

2 无线传感器网络关键技术

无线传感器网络是当前信息领域的热点问题，涉及多个学科的交叉，其研究内容可分为网络通信协议、核心支撑技术、自组织管理、开发应用四个部分化妆品网络营销策划方案，每个部分都有一些关键技术需要解决。

（1）网络通讯协议

由于传感器节点的能量十分有限，其计算、存储和通信能力十分有限，每个节点只能从本地网络获取信息化妆品网络营销策划方案，因此运行在节点上的网络通信协议不能过于复杂；同时网络营销公司，WSN的拓扑结构和外界环境也在不断变化，这也对通信协议的设计提出了更高的要求。WSN通信协议包括物理层、数据链路层、网络层和传输层，它们共同协作。

（2）核心支撑技术

WSN中的核心支撑技术利用网络通信协议提供的服务，通过应用服务接口屏蔽底层网络细节，使终端用户能够轻松操作WSN。其核心技术包括：能量挖掘、节能管理、拓扑控制、节点定位、时间同步、网内信息处理、网络安全等。

节点的能源成为无线传感器网络的瓶颈，无线网络传感器节点的能源供给系统应根据自身特点进行设计，传感器节点功耗较低，但耗电范围较大，若采用能源挖掘技术从环境中挖掘能源，使节点具备补充能源的能力，将从根本上解决节点的能源供给问题。典型的方法是采用能源挖掘装置，可挖掘风能、太阳能、温差、振动等多种形式的能源。

在能量管理方面，由于无线传感器网络节点多、覆盖面积大、工作环境复杂、能源不可替代等特点，设计有效的策略延长网络的生命周期成为无线传感器网络的核心问题。休眠机制是节省能源最有效的方法之一，在不影响传感器网络正常运行的情况下调度休眠非常重要。

定位技术主要指节点定位，即确定各个传感器节点的相对位置或绝对位置，是无线传感器网络领域非常重要的研究方向，特别是军事应用的基础。WSN系统可以智能地选择一些特定的节点来完成任务，从而大大降低整个系统的能量消耗，提高系统的生存时间。典型的基于距离的定位算法采用RSSI、TOA、TDOA、AOA测距对节点进行定位。距离无关定位机制不需要测量节点间的绝对距离或方位，从而降低了对节点硬件的要求，使节点成本更适合大规模无线传感器网络。典型的距离无关定位算法有质心法、、APIT算法等。

当然，安全性也是无线传感器网络面临的一个关键问题。大多数无线传感器网络采用无线射频连接，无线电电磁干扰使信噪比恶化，导致无法通信。人为干扰可以被动地监听网络中传输的数据包，分析监听到的数据包，主动发送入侵数据包非法窃取或修改某些重要信息，或者发送大量无用数据包，使无线传感器网络由于能量有限而耗尽能量、瘫痪。无线传感器网络中有两种特殊的安全协议：SNEP和。SNEP的作用是提供节点和接收者之间数据的认证、加密和刷新，的作用是对广播数据进行认证。当前对无线传感器网络安全的研究主要集中在基于有限计算能力和通信能力的自适应安全机制上，这类研究致力于加密和消息认证机制，以及密钥组管理。

（3）自组织管理

不断变化的网络状况和外部环境要求无线传感器网络应具备自组织能力，能够自动组网和运行、自我配置和维护，并及时转发监测数据。自组织管理技术利用网络通信协议提供的服务，通过网络管理接口屏蔽底层细节，使终端用户能够方便地进行资源配置管理。其自组织管理技术包括：节点管理、资源和任务管理、数据管理、初始化和系统维护等。

（4）开发应用

WSN作为源于应用、服务于应用的现有技术，也需要完整的硬件和软件设计原理、高效的开发平台以及一系列独具特色的应用实例，其内容包括：仿真平台的建立、硬件系统开发、操作系统、软件开发、环境监测应用、目标跟踪应用等。

3 无线传感器网络的应用

传感器网络有着巨大的应用前景，美国《商业周刊》和《麻省理工技术评论》在预测未来技术发展的报告中，都将无线传感器网络列为21种最具影响力的技术之一和21世纪改变世界的10种技术。无线传感器网络与塑料电子科学、仿生人体器官并称为未来世界三大高科技产业。现有的和潜在的传感器应用领域包括：军事侦察、环境监测、医疗、楼宇监测等。随着传感器技术、无线通信技术、计算机技术的不断发展和完善，各种传感器网络将遍布我们的生活环境，从而真正实现“无所不在的计算”。

（1）军事应用

在军事领域，传感器网络将成为信息系统不可缺少的一部分[3]。该系统的目标是利用先进的高新技术，为未来现代战争设计一套集指挥、控制、通信、计算、情报、监视、侦察、定位于一体的战场指挥系统，受到军事发达国家的普遍重视。由于传感器网络是由密集、低成本、随机分布的节点组成，其自组织性和容错性使整个系统不会因某些节点在恶意攻击中受损而崩溃，这是传统传感器技术无法比拟的。在战场上，指挥员往往需要及时准确地了解部队、武器装备、军需物资的情况，所铺设的传感器会采集相应的信息，通过汇聚节点将数据发送到指挥所，再转发到总部，最后将各个战场的数据整合起来，形成我军完整的战区态势图。 当然，传感器节点也可以直接散布到敌方阵地，在敌方来得及反应之前，迅速收集有利于作战的信息。在军事应用上，与独立的卫星和地面雷达系统相比，传感器网络也具有潜在的不可比拟的优势。

（2）环境科学

用于环境监测的传感器网络一般具有部署简单、成本低、长期不用更换电池、不需派人到现场维护等优点。通过密集的节点布局，可以观察到微观的环境因素，为环境研究和环境监测提供了一种新的途径。传感器网络在环境监测领域的研究实例很多。这些应用实例包括：海岛鸟类生活规律的观察、气象现象的观测和天气预报、生物群落的微观观察、森林火灾和洪水预警、农田管理等。

（3）医疗保健

传感器网络在医疗领域也有一些成功的例子。在SSIM（Smart and）项目中，100个微型传感器被植入患者的眼睛，帮助盲人获得一定程度的视力。借助各种医疗传感器网络，人们可以享受更加便捷、舒适的医疗服务，例如远程健康监测、观察患病器官等。

（4）家庭、建筑与城市管理

各类无线传感器可以灵活、方便地部署在楼宇内，用于监测楼宇安全；也可以部署在房间内，用于获取室内环境参数，从而为室内环境控制、危险报警提供依据；还可以部署在道路之上，为旅行者提供信息服务，或对违法行为进行及时报警、记录等。

（5）工业应用

在一些危险的工作环境中，例如煤矿、石油钻井、核电站等，可以利用WSN来检测哪些员工在工作现场，他们在做什么，以及他们的安全问题。在机械制造和工业近控制过程中，也可以利用WSN来测量各种参数，形成统一的网络，及时利用各种参数，达到管理和自动控制的目的。

（6）其他应用

WSN还可应用到桥梁监测、防灾减灾、电子牧场、太空探索、地震救援、体育裁判、物流管理、海洋测量等各种场景。

4 传感器网络研究进展

传感器网络的研究源于美国军方的作战需求，1978年DARPA在卡内基梅隆大学成立了分布式传感器网络工作组。自20世纪90年代中期以来，WSN受到世界科研界的高度重视。进入21世纪以来，美国、欧洲相继启动了多项无线传感器网络研究计划，特别是美国通过国家自然科学基金、国防部等多种渠道投入巨资支持传感器网络技术的研究。

4.1 军事领域的进展

美国国防部及各军种部门很早就开始了传感器网络的研究小米网络营销策划方案，以C4ISR为基础提出计划，强调战场情报获取能力、信息集成能力和信息利用能力，把传感器网络作为重要的研究领域。DARPA最早意识到传感器网络的巨大应用价值，多年前就启动了分布式传感器网络计划（DSN）。随后，各部门建立了一系列军用传感器网络研究项目。美国陆军于2001年提出“智能传感器网络通信”计划，近期又成立了“无人值守传感器组”项目和“战场环境侦察监视系统”项目。美国海军近期成立了“传感器网络系统”研究项目。他们最近启动的协同作战能力（CEC）就是高效传感器网络和高性能作战网络的有机结合。2002年5月，美国国家实验室和美国能源部联合启动了将探测有毒气体的化学传感器与网络技术相结合的反恐项目。 网络嵌入式系统（NEST）战场应用实验是DARPA近期的重要项目，致力于为火控和制导提供精确的目标定位信息。该项目成功演示了可以准确定位敌方狙击手的无线传感器网络技术。这些传感器可以跟踪子弹产生的冲击波，并在节点范围内测量子弹发射时产生的声震和枪震时间，以确定子弹来源。三维空间中的定位精度可达1.5米，定位延迟可达2秒，甚至可以显示敌方射手是跪姿射击还是站姿射击的区别。

4.2 民用领域的进展

1995年，美国交通部提出了“国家智能交通系统项目计划”，预计2025年全面实施。该计划试图将先进的信息技术、数据通讯技术、传感器技术、控制技术和计算机处理技术有效整合并应用于整个地面交通管理，建立大规模、全方位、实时高效的综合交通管理系统。2002年10月24日，英特尔公司发布“基于微型传感器网络的新计算发展计划”，该计划宣称英特尔将致力于微型传感器网络在预防医学、环境监测、森林防火，甚至海地板块调查和行星探索等领域的应用。此外，2002年12月，美国加州大学洛杉矶分校启动了嵌入式传感器网络中心（CENS）项目，用于跟踪和识别环境变化和鸟类活动。欧洲于2002年启动了EYES研究计划，将于今年完成。 这是一个自组织、协作、节能的WSN计划，其目的是开发一个WSN平台。

学术界重点研究项目及会议

国际学术界对传感器网络的研究开始于20世纪90年代末，但2000年以后成为研究热点。一些国际著名学术期刊如IEEE on Areas in（2004，VOL.22，NO.6，2005，VOL.23，NO.4）、The IEEE（2003，Vol.91，N0.8）、IEEE（2004）、IEEE（2002年3月）等近年来均出版了专刊。国际上也召开了多次专题学术会议，讨论和总结传感器网络技术的发展及趋势。 2003年，美国国家科学基金会制定了5个传感器网络研究计划，在加州大学洛杉矶分校建立了传感器网络研究中心，并与加州大学伯克利分校、南加州大学等附近院校合作开展“嵌入式智能传感器”研究项目，旨在利用传感器网络实现对我们生活的物理世界的全面检测和控制，支持相关基础理论和关键技术的研究。这也是美国国情咨文中最重要的愿景计划之一。此外，加拿大、英国、德国、芬兰、日本、意大利等国的研究机构也加入了传感器网络的研究。在我国，哈尔滨工业大学、清华大学、中科院沈阳自动化研究所等机构也开展了这方面的研究。2004年、2006年，国家自然科学基金将无线传感器网络列为重点研究项目。 《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》将“传感器网络与智能信息处理”列入重点支持领域及其优先主题“信息产业与现代服务业”，并在前沿技术领域重点支持“自组织传感器网络技术”。2005年，我国国家自然科学基金将网络传感器基础理论与关键技术列入计划，2006年国家自然科学基金又将水下移动传感器网络关键技术列为重点研究对象。

4.4 相关标准的制定

2002年，IEEE开始制定两个与无线传感器网络相关的标准：15.4是低速率无线个域网（Low-Rate Area）标准，主要是物理层和MAC层标准；而15.4则是无线智能变送器的接口标准。上述两个标准一个定位为物理层标准，另一个定位为可互操作的应用层接口标准。但物理层与应用层之间的大量通信协议尚无相应的标准。目前，网络层协议的标准化工作正在进行中。标准的制定对无线传感器网络的推广和使用具有重要的作用。有了标准，不同厂家的传感器节点就可以互联互通、组网，开放的产品才有竞争力，而且也有可能量产，从而降低它们的成本。

基于知识产权，以下内容从略....有需要的朋友请留言。

7 结论

本文结合本人的研究方向，介绍并分析了无线传感器网络的特点、应用及研究现状，并介绍和分析了MIMO、OFDM、博弈论、无线感知等技术在WSN中的应用。最后重点介绍了WSN的MAC设计原则、方法及分类，并对本人认为相关且重要的MAC层协议进行了分析比较。

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