林曉鵬

摘 要：簡要介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念、組成結(jié)構(gòu)和技術(shù)體系，分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量效率、定位技術(shù)、時(shí)間同步、數(shù)據(jù)融合、安全技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)及研究現(xiàn)狀，對存在問題及未來發(fā)展進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；體系結(jié)構(gòu)；關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號：TP919.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號：A 文章編號：2095-2163（2015）01-

Abstract： The concept， structural composition and architecture of wireless sensors network are briefly presented in the paper. Then some key technologies including energy-efficient， localization， time synchronization， and security are analyzed in detail. Finally， the problems and further development of wireless sensor networks are respectively described.

Keywords： WSN； Architecture； Key Technologies

0 引 言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[1]（Wireless Sensors Network，WSN）是在監(jiān)測區(qū)域范圍內(nèi)通過部署大量傳感器節(jié)點(diǎn)，并以無線通信方式形成的單跳或多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，以此協(xié)同感知、采集和處理監(jiān)測區(qū)域中的被感知對象信息，再第一時(shí)間將其發(fā)送給觀察者。近年來，隨著傳感器技術(shù)、SoC片上系統(tǒng)、微機(jī)電系統(tǒng)、低功耗無線傳輸技術(shù)的日臻完善，使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也得到了重點(diǎn)研究及飛速發(fā)展。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能顯著提高人類對物理環(huán)境的遠(yuǎn)端監(jiān)視和控制能力，從而實(shí)現(xiàn)信息世界、物理現(xiàn)實(shí)與人類社會(huì)的互聯(lián)互通，因此在國防軍事、環(huán)境監(jiān)測、智能交通、醫(yī)療保健、物流管理、農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)等方面發(fā)揮了重要而廣泛的作用，并可稱為本世紀(jì)最具影響力的21項(xiàng)技術(shù)之一[2]。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)

1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念與結(jié)構(gòu)

隨著技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)涵與外延也在不斷地?cái)U(kuò)展深入，同時(shí)也拓展出多種實(shí)際的應(yīng)用模式。電信標(biāo)準(zhǔn)化部門（ITU-T）認(rèn)為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由智能傳感節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)，能夠以“任何地點(diǎn)、任何時(shí)間、任何人、任何物”的形式實(shí)施部署。國內(nèi)傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化工作組關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義則可描述為：“利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)及其他網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，對物理世界進(jìn)行信息采集并對采集的信息進(jìn)行傳輸和處理，以及為用戶提供服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)化信息系統(tǒng)”。

雖然學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對無線傳感網(wǎng)絡(luò)還沒有形成完全統(tǒng)一的概念，但從理論上已經(jīng)認(rèn)定無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般具有信息感知、信息處理、信息傳輸和信息服務(wù)提供等功能，而且通常是由大量廉價(jià)傳感節(jié)點(diǎn)、一個(gè)或多個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)所組成的有機(jī)自治整體，其結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)則如圖1所示。

由圖1可知，傳感節(jié)點(diǎn)能自組織地形成無線網(wǎng)絡(luò)，利用協(xié)作方式采集數(shù)據(jù)，并經(jīng)多跳方式傳輸給匯聚節(jié)點(diǎn)（Sink）；匯聚節(jié)點(diǎn)對來自多個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)的信息進(jìn)行融合、處理、選擇、分發(fā)，進(jìn)一步地傳輸給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；而網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)則可實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有的以太網(wǎng)、無線局域網(wǎng)或移動(dòng)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的良好、全面互通。

1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的模型

由于基礎(chǔ)設(shè)施的差異和無線傳感器應(yīng)用類型之多樣，使得無線傳感器的體系也不盡相同，如美國的兩層體系架構(gòu)，以及歐盟的五層體系架構(gòu)。而我國則在2005年提出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三層體系架構(gòu)，并于2008年國際傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化第一次大會(huì)上提交了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)提案，其體系架構(gòu)即如圖2所示。

由圖2可知，底層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量低成本、低功耗的傳感節(jié)點(diǎn)組成，以此實(shí)現(xiàn)靜態(tài)參數(shù)監(jiān)測和動(dòng)態(tài)目標(biāo)探測，并且通過多跳等組網(wǎng)方式將各傳感節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)。圖2中的中層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要由匯聚節(jié)點(diǎn)、接入節(jié)點(diǎn)（AP）和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量較大的高端傳感器組成，能夠?qū)崿F(xiàn)對來自底層傳感節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理，而且亦能實(shí)現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)或電信網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通。而高層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)則是利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，借以承載無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)應(yīng)用業(yè)務(wù)。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)方案主要包括網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)、協(xié)同信息處理技術(shù)、管理技術(shù)三個(gè)方面，如圖3所示。其中，網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從傳感節(jié)點(diǎn)到用戶端的有效傳輸；協(xié)同信息處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)從復(fù)雜信息中獲取有效的分析結(jié)果，包括信號特征提取、模式識(shí)別與分類、協(xié)同感知、目標(biāo)跟蹤等；管理技術(shù)則是對分布的傳感節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理和協(xié)調(diào)，并依據(jù)功能可將其分為能量管理、拓?fù)涔芾怼⒁苿?dòng)管理和任務(wù)管理等。

3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)及研究現(xiàn)狀

多數(shù)情況下，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要大規(guī)模地部署于野外環(huán)境，其節(jié)點(diǎn)的計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源都十分有限，且往往采用開放的無線通信方式，因此在可靠性、安全性等方面都面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)?；诖耍芰啃?、定位技術(shù)、時(shí)間同步、數(shù)據(jù)融合和安全技術(shù)即均為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)需著重考慮的關(guān)鍵技術(shù)。下面對其展開逐一的分析與闡述。

3.1 能量效率

無線傳感節(jié)點(diǎn)一般由電池驅(qū)動(dòng)，因而能量配備有限，而且對于大多數(shù)的應(yīng)用場合，進(jìn)行能量補(bǔ)給幾乎是零可能，這就使得能量效率將直接影響著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間，也必然成為設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先考慮的重要約束。目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量消耗主要散布在信息感應(yīng)、數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)處理這三個(gè)過程。為了提高能量效率，時(shí)下在傳感節(jié)點(diǎn)上可采用動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)和動(dòng)態(tài)能量管理的功能設(shè)計(jì)；在數(shù)據(jù)通信過程則使用諸如μIP、6LowPAN、Rime等[3]低能耗的通信協(xié)議。同時(shí)系統(tǒng)還應(yīng)具有包括休眠內(nèi)容的能量管理模式，即在不需要工作時(shí)可使節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)。

3.2 定位技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用于事件監(jiān)測，只有事件數(shù)據(jù)和位置信息相結(jié)合才能產(chǎn)生有效的信息，而且路由協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)管理等也需要本地節(jié)點(diǎn)的位置信息，因此定位技術(shù)即成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的研究基礎(chǔ)。但由于測量誤差、計(jì)算約束，以及各類應(yīng)用場合對定位技術(shù)的魯棒性、可擴(kuò)展性、連同定性精度所提出的不同需求，相應(yīng)提出了多種定位方法，如基于測距的Ad Hoc定位技術(shù)（AHLoS）[4]、基于時(shí)間的TPS[5]定位技術(shù)，以及CPE[6]、APIT[7]等基于預(yù)留的定位技術(shù)等。

3.3 時(shí)間同步

無線傳感器節(jié)點(diǎn)均配備有本地時(shí)鐘，節(jié)點(diǎn)對事件感知、目標(biāo)跟蹤、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)通信等操作都與本地時(shí)序信息密切相關(guān)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)間就需要相應(yīng)進(jìn)行本地時(shí)鐘信息的高頻交互，以達(dá)到且保持全局時(shí)間的協(xié)調(diào)一致，并為上層的協(xié)同機(jī)制提供技術(shù)支撐。時(shí)間同步時(shí)主要需要考慮隨機(jī)時(shí)延的影響，現(xiàn)有的同步協(xié)議有傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步協(xié)議TPSN[8]、時(shí)鐘擴(kuò)散同步協(xié)議TDP[9]、基于速度擴(kuò)散協(xié)議RDP[10]等。

3.4 數(shù)據(jù)融合

由于傳感器節(jié)點(diǎn)采用大規(guī)模、分布式部署，相鄰節(jié)點(diǎn)所產(chǎn)生的感知數(shù)據(jù)往往帶有高度的相關(guān)性，這就產(chǎn)生一定的冗余數(shù)據(jù)，因而需要數(shù)據(jù)融合技術(shù)以對相鄰節(jié)點(diǎn)所采集的大量原始數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，而只將處理后的少量有效結(jié)果傳輸給匯聚節(jié)點(diǎn)。經(jīng)過數(shù)據(jù)融合可以顯著降低傳輸數(shù)據(jù)量，節(jié)省中間節(jié)點(diǎn)的能量和帶寬，從而減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，并延長網(wǎng)絡(luò)壽命。有關(guān)方面的研究主要有基于生產(chǎn)樹的數(shù)據(jù)融合，如最短路徑樹（SPT）、貪心增長樹（GTI）、E-Span算法[11]等；基于網(wǎng)絡(luò)性能考慮的數(shù)據(jù)融合，如AIDA算法[12]；以及基于安全的數(shù)據(jù)融合等[13]。

3.5 安全技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多會(huì)部署于開放的物理空間，因而不僅要適應(yīng)嚴(yán)苛的自然環(huán)境，可能還需面對敵方的主動(dòng)攻擊。另外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的自身資源也處于嚴(yán)重受限，且節(jié)點(diǎn)間通信常常采用廣播的無線信號，這就使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全性隨接成為亟需解決的重要問題。目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層方面均已開發(fā)相應(yīng)的安全防御策略[14]。如在物理層采用各種擴(kuò)頻通信技術(shù)；在鏈路層上采用信道監(jiān)聽與重傳機(jī)制、糾錯(cuò)編碼等；以及采用SPINS[15]網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議。

4結(jié)束語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域，已成為信息技術(shù)研究中各方矚目的重點(diǎn)研究課題之一，并在國防軍事、環(huán)境監(jiān)測、智能交通、公共安全等方面獲得廣泛應(yīng)用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為人們提供了一種全新的信息獲取方式，但其大規(guī)模的使用卻也相應(yīng)面臨著一系列的技術(shù)挑戰(zhàn)，需要從能耗、成本、安全性等方面加以均衡考慮，從而獲得對其完整、全面解決。本文即對此類研究提供了有益的引導(dǎo)和參考。

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