楊自強(qiáng)，呂 偉

（河南省信息咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究有限公司，鄭州　450008）

1　引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorNetworks，WSNs）是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量傳感器節(jié)點(diǎn)相互通信形成的多跳自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是物聯(lián)網(wǎng)底層網(wǎng)絡(luò)的重要技術(shù)形式。傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸?shù)娜N功能，而這正對(duì)應(yīng)著現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)技術(shù)，即傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)。

2　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)

WSNs作為當(dāng)今信息科學(xué)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，其關(guān)鍵技術(shù)具有跨學(xué)科交叉、多技術(shù)融合等特點(diǎn)，每項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)都需要亟待突破。WSNs的關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在3個(gè)方面，即信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)支持和網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議設(shè)計(jì)。

2.1　信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)于一個(gè)在WSNs中工作的傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，有一些重要的系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要利用有效的WSNs網(wǎng)絡(luò)模型、系統(tǒng)平臺(tái)和操作系統(tǒng)支持等一系列關(guān)鍵技術(shù)完成。

（1）WSNs網(wǎng)絡(luò)模型：根據(jù)不同的通信功能，數(shù)據(jù)傳輸模型和網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性將WSNs進(jìn)行分類，宏觀描述網(wǎng)絡(luò)模型建立過(guò)程。一種基于元胞自動(dòng)機(jī)的WSNs建模觀點(diǎn)：元胞自動(dòng)機(jī)（CellularAutomata，CA）是一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，根據(jù)一定的局部規(guī)則在離散時(shí)間域中演變，本質(zhì)上可以定義為由元胞組成的元胞空間，元胞帶有離散和有限的狀態(tài)。該方法基本的目標(biāo)和思想是確保WSNs的連續(xù)性和有效工作，這樣的模型結(jié)構(gòu)不僅僅保證了網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的公平性，實(shí)現(xiàn)能量的均衡分布，而且保證了動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錀l件下的強(qiáng)收斂性。

（2）傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)其他關(guān)鍵技術(shù)分析：不同的節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)存在差異，而原始數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理對(duì)于資源受限的節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)同樣需要解決WSNs操作系統(tǒng)必須支持相應(yīng)的傳感器平臺(tái)，這樣能保證感知數(shù)據(jù)處理的高效性；WSNs需要利用低功耗短距離無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，而IEEE802.15.4具有低功耗、低成本的特性，該標(biāo)準(zhǔn)的許多特征與WSNs無(wú)線傳輸要求具有相似之處，因此，眾多廠商將該技術(shù)作為WSNs的無(wú)線通信平臺(tái)；由于傳感器節(jié)點(diǎn)資源受限，所以一個(gè)有效的存儲(chǔ)模型對(duì)于滿足資源限制和查詢需求是十分必要的。目前的WSNs數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)研究工作集中在網(wǎng)絡(luò)外部存儲(chǔ)、本地存儲(chǔ)和以數(shù)據(jù)為中心的存儲(chǔ)3個(gè)方面。

2.2　網(wǎng)絡(luò)服務(wù)支持

數(shù)據(jù)管理和控制服務(wù)在WSNs中扮演了重要角色，因?yàn)樗鼈兲峁┝吮匾闹虚g件服務(wù)支持，如時(shí)間同步、數(shù)據(jù)壓縮和融合、安全保障、跨層優(yōu)化等。WSNs作為一種功能性很強(qiáng)的應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，不僅要完成數(shù)據(jù)傳輸，而且還有對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的融合、壓縮和控制，如何保證任務(wù)執(zhí)行的機(jī)密性、數(shù)據(jù)融合的可靠性以及傳輸?shù)陌踩允荳SNs的關(guān)鍵技術(shù)服務(wù)。

（1）時(shí)間同步機(jī)制：目前的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步算法通常只專注于最小化同步誤差，而并沒有考慮到通信和計(jì)算方面的限制。一般來(lái)講，在WSNs中絕大多數(shù)節(jié)點(diǎn)都需要通過(guò)時(shí)間同步算法交換時(shí)間同步消息來(lái)保證網(wǎng)絡(luò)時(shí)間的同步。在研究WSNs時(shí)間同步算法時(shí)，需要從擴(kuò)展性、穩(wěn)定性、能量有效和魯棒性等幾個(gè)方面來(lái)綜合考慮設(shè)計(jì)因素，保證時(shí)間最大精度和最小能耗的折中。時(shí)間同步機(jī)制作為WSNs的一項(xiàng)核心支撐技術(shù)，在多傳感器數(shù)據(jù)融合、節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理、低能耗MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)、測(cè)距定位安全性等方面起著關(guān)鍵作用。

（2）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位：目前，最專業(yè)的定位系統(tǒng)是GPS，其具有全天候、高精度、自動(dòng)化等顯著特點(diǎn)。GPS功能強(qiáng)大，但需要專門的客戶端設(shè)備才能使用，不利于民用普及，并且衛(wèi)星信號(hào)無(wú)法穿透建筑物，不能滿足室內(nèi)環(huán)境應(yīng)用。所以大量應(yīng)用場(chǎng)合迫切需要研究者攻克一種新型定位技術(shù)代替GPS。由于WSNs定位不同于傳統(tǒng)的蜂窩定位和無(wú)線局域網(wǎng)定位，具有低功耗、低成本、分布式、自組織、能提供較高的定位精度等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)前無(wú)線定位技術(shù)的研究熱點(diǎn)。

（3）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓采w：WSNs網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂萍夹g(shù)在達(dá)到網(wǎng)絡(luò)連通性和覆蓋度的要求下，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)選擇策略，避免節(jié)點(diǎn)間的冗余通信鏈路，從而形成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。現(xiàn)有的算法通常只是針對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞哪骋环矫孢M(jìn)行了優(yōu)化和設(shè)計(jì)，相關(guān)研究缺乏系統(tǒng)性。所以WSNs的拓?fù)淇刂蒲芯窟€處于理論研究階段，隨著相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展，拓?fù)溲芯康姆诸悈^(qū)分并不明顯，多種方式的結(jié)合往往可以取得良好的效果，所以通過(guò)引入啟發(fā)式或者計(jì)算幾何算法等機(jī)制，可以達(dá)到降低網(wǎng)絡(luò)能耗、加速拓?fù)湫纬梢约疤岣呔W(wǎng)絡(luò)魯棒性等目的。

（4）數(shù)據(jù)融合與壓縮：WSNs中的數(shù)據(jù)收集模式：基于查詢的數(shù)據(jù)收集模式、基于周期匯報(bào)的數(shù)據(jù)收集模式和基于事件匯報(bào)的數(shù)據(jù)收集模式。其中基于查詢的數(shù)據(jù)收集只有當(dāng)網(wǎng)絡(luò)接收到用戶端發(fā)來(lái)的查詢指令時(shí)才進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，并隨之將收集結(jié)果上報(bào)給用戶，通常適用于用戶突然對(duì)某處監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)感興趣的情況或者用戶需要了解一段時(shí)間內(nèi)被監(jiān)測(cè)對(duì)象的變化趨勢(shì)等；基于周期匯報(bào)的數(shù)據(jù)收集是指用戶不需要向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送查詢指令，網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)持續(xù)收集數(shù)據(jù)，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的匯報(bào)周期向用戶匯報(bào)監(jiān)測(cè)結(jié)果的數(shù)據(jù)收集方式，通常適用于遠(yuǎn)距離大范圍的監(jiān)控；基于事件匯報(bào)的數(shù)據(jù)收集模式是指當(dāng)被監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)有特殊情況發(fā)生（如某種數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)值超出了設(shè)定的閾值）時(shí)，網(wǎng)絡(luò)主動(dòng)收集并上報(bào)數(shù)據(jù)的情況，一般適用于災(zāi)難預(yù)警等突發(fā)狀態(tài)的匯報(bào)。

（5）網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制：WSNs的安全策略包括安全路由、訪問控制、入侵檢測(cè)、認(rèn)證以及密鑰管理等。由于WSNs的自身特性能夠提供隨時(shí)隨地的連接，從而產(chǎn)生了許多新的服務(wù)項(xiàng)目和應(yīng)用領(lǐng)域，同時(shí)它也面臨著許多新的安全威脅。并且由于節(jié)點(diǎn)的能量有限，處理器的計(jì)算能力較低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)龐大復(fù)雜的加密算法，增加了被竊密的可能性；當(dāng)節(jié)點(diǎn)在野外時(shí)，由于缺乏足夠的安全保護(hù)措施，節(jié)點(diǎn)很可能被惡意侵占。因此，惡意攻擊除了來(lái)自網(wǎng)絡(luò)自身之外，很有可能來(lái)自網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部。為了獲得更高的安全性，WSNs應(yīng)該具備分布式安全結(jié)構(gòu)；大型的WSNs中包含成百上千個(gè)節(jié)點(diǎn)，因此安全策略應(yīng)該具有較好的可擴(kuò)展性，以滿足網(wǎng)絡(luò)規(guī)模日益增大的需求。

2.3　網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議設(shè)計(jì)

目前，WSNs通信協(xié)議棧研究的重點(diǎn)集中在數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層，以及它們之間的跨層交互。數(shù)據(jù)鏈路層通過(guò)介質(zhì)訪問控制來(lái)構(gòu)建底層基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，控制節(jié)點(diǎn)的工作模式。網(wǎng)絡(luò)層的路由協(xié)議決定感知信息的傳輸路徑。傳輸層確保了源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)處數(shù)據(jù)的可靠性和高效性。

（1）IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議：針對(duì)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中節(jié)點(diǎn)在信道接入時(shí)造成大量的冗余競(jìng)爭(zhēng)信息，導(dǎo)致信道的利用率降低，因此提出一種自適應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)控制策略。該策略采用記憶性的退避方案來(lái)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載并且動(dòng)態(tài)地調(diào)整退避窗的大小，以此可以用來(lái)解決IEEE802.15.4中的數(shù)據(jù)傳輸效率問題。為了解決網(wǎng)絡(luò)中的能量消耗和冗余，為節(jié)點(diǎn)推導(dǎo)出能量消耗模型，以該模型為基礎(chǔ)分析了如何通過(guò)調(diào)節(jié)異步喚醒間隔從而減少網(wǎng)絡(luò)的耗能和延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的生存時(shí)間。IEEE802.15.4的研究雖然取得一些進(jìn)展，但主要還停留在仿真論證階段，如何在實(shí)際改動(dòng)，并且對(duì)網(wǎng)絡(luò)的性能如能耗，延遲，吞吐量等有較大提高是個(gè)需要解決的問題。

（2）6LoWPAN協(xié)議：IPv6是下一代互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層的主導(dǎo)技術(shù)，在地址空間、報(bào)文格式、安全性方面具有較大的優(yōu)勢(shì)。所以在IP協(xié)議的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)底層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的相互融合是未來(lái)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的主要發(fā)展方向。然而，在6LoWPAN技術(shù)出現(xiàn)以前，將基于IEEE802.15.4通信協(xié)議的WSNs與基于IPv6協(xié)議的互聯(lián)網(wǎng)相互無(wú)縫鏈接幾乎是不可能完成的任務(wù)。在網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層之間引入的適配層，主要完成接入過(guò)程中的以下功能：（a）為了高效傳輸對(duì)IPv6數(shù)據(jù)包進(jìn)行分片與重組；（b）網(wǎng)絡(luò)地址自動(dòng)配置；（c）為了降低IPv6開銷對(duì)IPv6分組進(jìn)行報(bào)頭壓縮；（d）有效路由算法。

3　面向IoT的WSNs發(fā)展新思路

WSNs作為物聯(lián)網(wǎng)底層網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，未來(lái)的發(fā)展?jié)摿Σ粩嗉哟?。本文通過(guò)研究提出面向IoT的WSNs發(fā)展新思路：

（1）普適環(huán)境下非應(yīng)用相關(guān)的研究趨勢(shì)：目前，不同的WSNs應(yīng)用背景要求不同的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)支持策略以及網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，對(duì)于面向不同應(yīng)用的WSNs開發(fā)，研究者更關(guān)心WSNs的差異性，這也是WSNs設(shè)計(jì)發(fā)展到現(xiàn)有階段區(qū)別于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)顯著特征。在物聯(lián)網(wǎng)普適環(huán)境模式下，用戶能夠在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、以任何方式進(jìn)行信息的獲取與處理。WSNs作為感知信息的有效載體，可以充分利用物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，建立統(tǒng)一的滿足多種需求的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)支持策略，從而屏蔽應(yīng)用相關(guān)帶來(lái)的WSNs設(shè)計(jì)差異復(fù)雜性。

（2）系統(tǒng)性低能耗設(shè)計(jì)研究趨勢(shì)：WSNs的節(jié)點(diǎn)通常體積微小，電源攜帶的的能量十分有限，所以如何最大限度地降低能量消耗提高網(wǎng)絡(luò)生命周期是WSNs面臨的最重要的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。WSNs需要軟硬件設(shè)計(jì)的協(xié)同合作才能保證將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能量消耗降低到最大限度，所以WSNs軟硬件協(xié)同低能耗設(shè)計(jì)應(yīng)從工作開始之前就考慮產(chǎn)生和控制的問題。主要環(huán)節(jié)為：WSNs輸入/輸出的系統(tǒng)能量估計(jì)；WSNs硬件模塊及功能性軟件模塊的系統(tǒng)設(shè)計(jì)劃分；WSNs器件設(shè)計(jì)的系統(tǒng)選擇。

（3）基于IP的上下文網(wǎng)絡(luò)聚合發(fā)展趨勢(shì)：WSNs所處的地理位置和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不盡相同，其采集和處理的信息和數(shù)據(jù)存在較大差異。研究者可以利用IP技術(shù)，使基于IEEE802.15.4通信協(xié)議的WSNs與基于IPv6協(xié)議的互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一尋址。通過(guò)此技術(shù)革新，WSNs中海量信息和資源在跨層上下文的基礎(chǔ)之上可以進(jìn)行深度挖掘、智能分類及挑選，從而為終端用戶提供更有價(jià)值、更有針對(duì)性的實(shí)用信息。

（4）基于多宿主的網(wǎng)絡(luò)傳輸發(fā)展趨勢(shì)：WSNs作為物聯(lián)網(wǎng)底層網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，基于多宿主的WSNs可以使底層網(wǎng)絡(luò)采集到的信息通過(guò)使用若干條有效鏈路接入到上層融合網(wǎng)絡(luò)中，上層網(wǎng)絡(luò)同樣通過(guò)有效的多宿主選擇機(jī)制可以將指令反饋給WSNs。多宿主網(wǎng)絡(luò)傳輸模型的研究，具有增強(qiáng)基于WSNs的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)可靠性和魯棒性、實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡、減少傳輸延遲、降低用戶開銷的實(shí)際意義。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)系統(tǒng)分析面向物聯(lián)網(wǎng)的WSNs，提出了未來(lái)WSNs發(fā)展的新思路。發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)不僅是提升信息產(chǎn)業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力、推動(dòng)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)、增創(chuàng)發(fā)展新優(yōu)勢(shì)的戰(zhàn)略選擇，也是改造提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、促進(jìn)兩化融合的重要手段。掌握和擁有更多的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，使WSNs逐步成為信息時(shí)代助推我國(guó)經(jīng)濟(jì)騰飛的新引擎。WSNs的快速發(fā)展對(duì)提高我國(guó)在高新技術(shù)領(lǐng)域的國(guó)際地位，帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的全面發(fā)展具有重要意義。

[1]錢志鴻，王義君；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用研究[J].電子學(xué)報(bào)，2012.