無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )熱點(diǎn)的研究

　　隨著(zhù)微電子機械系統（ Micro Electro-MechanicalSystem， MEMS） 、低功耗無(wú)線(xiàn)電通信技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、微型傳感器技術(shù)及集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展和日益成熟， 使得由大量低成本、低功耗、小體積、短距離通信多功能的微型傳感器通過(guò)無(wú)線(xiàn)鏈路自組織為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )（ wireless sensor network， WSN） 成為現實(shí)。WSN 已經(jīng)廣泛應用于軍事、交通、環(huán)境監測和預報、衛生保健、空間探索等各個(gè)領(lǐng)域， 在當前國際上備受關(guān)注， 涌現了許多研究熱點(diǎn)領(lǐng)域。

　　1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的節點(diǎn)結構

　　傳感器節點(diǎn)的基本組成和功能包括如下幾個(gè)單元： 傳感單元、處理單元、無(wú)線(xiàn)通信單元和供電單元等，如圖1 所示。此外， 其他可以選擇的功能部分有定位系統、移動(dòng)系統以及電源供電系統等。

　　傳感器單元由傳感器和數/ 模轉換模塊組成， 用于感知、獲取監測區域內的信息， 并將其轉換為數字信號; 處理單元由嵌入式系統構成， 包括處理器、存儲器等， 負責控制和協(xié)調節點(diǎn)各部分的工作， 存儲和處理自身采集的數據以及其他節點(diǎn)發(fā)來(lái)的數據; 無(wú)線(xiàn)通信單元由無(wú)線(xiàn)通信模塊組成， 負責與其他傳感器節點(diǎn)進(jìn)行通信， 交換控制信息和收發(fā)采集數據; 供電單元通常采用微型電池， 為傳感器節點(diǎn)提供正常工作所必需的能源。

　　2 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)

　　人們一度認為成熟的Ad-hoc網(wǎng)絡(luò )機制和技術(shù)可以應用到無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。但隨著(zhù)深入的研究發(fā)現， 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )有的技術(shù)要求和應用目標明顯不同于A(yíng)d-hoc 網(wǎng)絡(luò )。Ad-ho c 網(wǎng)絡(luò )致力于為用戶(hù)提供高質(zhì)量的數據傳輸服務(wù)， 是以傳輸數據為目的; 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )將能源的高效使用作為首要設計目標， 是以數據為中心。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )具有許多區別于A(yíng)d-hoc 網(wǎng)絡(luò )的獨有特征。

　?、僖幠４?、密度高。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )與Ad-ho c 網(wǎng)絡(luò )不同， 通常密集部署在大片的監測區域， 為了獲取更精確、完整的信息， 需要部署規模很大、密度很高的傳感器節點(diǎn)， 以便通過(guò)大量冗余節點(diǎn)的協(xié)同工作來(lái)提高系統的工作質(zhì)量。

　?、谝詳祿橹行?。在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中， 終端用戶(hù)不會(huì )具體關(guān)心單個(gè)節點(diǎn)的監測數據， 通常只關(guān)心某個(gè)區域內某個(gè)監測指標的數值。

　?、劭煽啃圆?。與Ad-hoc 網(wǎng)絡(luò )相比， 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)出現故障的可能性要大得多。傳感器節點(diǎn)是通過(guò)隨機撒播的方式部署在指定的惡劣環(huán)境或無(wú)人區域， 在無(wú)人值守狀態(tài)下工作， 網(wǎng)絡(luò )維護變得十分困難。

　?、軅鞲衅鞴濣c(diǎn)的能力有限。傳感器節點(diǎn)具有的能量、處理能力、存儲能力和通信能力都是十分有限的。

　?、?與應用相關(guān)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是通過(guò)感知客觀(guān)世界來(lái)獲取外界的信息。由于不同的應用關(guān)心的信息不同， 使得無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )只能針對每一個(gè)具體的應用來(lái)開(kāi)展設計工作， 不能像Internet 那樣有統一的通信協(xié)議平臺。由于應用的不同， 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )對網(wǎng)絡(luò )系統的要求也不同， 硬件平臺、軟件系統和通信協(xié)議都會(huì )有很大的差異。

　?、迍?dòng)態(tài)變化快。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )一般都在比較惡劣的環(huán)境下工作， 不斷變化的外界環(huán)境， 如突發(fā)事件、節點(diǎn)能量耗盡、無(wú)線(xiàn)通信鏈路斷續等， 都會(huì )嚴重影響系統功能， 這就要求傳感器節點(diǎn)調整自身的工作狀態(tài)及網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構， 以適應環(huán)境的變化。

　　3 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的研究熱點(diǎn)

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )作為當今信息領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)， 綜合了傳感技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)、分布式計算處理技術(shù)等多種技術(shù)的交叉學(xué)科， 涉及的范圍十分廣泛， 因而相關(guān)的研究?jì)热菀彩重S富， 目前世界各國均對其各方面開(kāi)展了研究。

　　同時(shí)， 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )又有著(zhù)工作環(huán)境較差、節點(diǎn)數目眾多、節點(diǎn)能量不易補充等特點(diǎn)， 對它的研究又有著(zhù)與一般網(wǎng)絡(luò )不同的要求。從體系結構上分， 可分為基礎層研究問(wèn)題、網(wǎng)絡(luò )層研究問(wèn)題、數據管理與處理層研究問(wèn)題、應用開(kāi)發(fā)環(huán)境層研究問(wèn)題、應用層研究問(wèn)題。從功能上分， 可分為能量節省問(wèn)題、傳感器節點(diǎn)的定位問(wèn)題、網(wǎng)絡(luò )組織管理問(wèn)題、網(wǎng)絡(luò )傳輸問(wèn)題、軟硬件設計與制造問(wèn)題、信號的協(xié)作處理問(wèn)題、網(wǎng)絡(luò )安全性問(wèn)題等。

　　下面從功能的角度對各個(gè)熱點(diǎn)分別給予介紹。

　　3.1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的節點(diǎn)定位

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的節點(diǎn)通常是采用大炮發(fā)射、飛機撒播等隨機布置的方法部署到監測區域中的， 因為無(wú)法預先確定節點(diǎn)部署后的位置， 只能在部署完成后采用一定的方法定位。目前使用最廣泛的定位方法是采用全球定位系統GPS（ Global Posit ioning System） 。

　　由于數目眾多， 在價(jià)格、功耗、適用范圍及體積等方面的制約， 考慮到費用問(wèn)題， 每個(gè)節點(diǎn)都帶有定位系統是不現實(shí)的。一般采用的方法是使5%~10% 的節點(diǎn)帶有GPS， 這種節點(diǎn)稱(chēng)為導標節點(diǎn)（ beaco n nodes） 或錨節點(diǎn)（ anchor nodes） ， 它們可以通過(guò)衛星來(lái)確定自身的位置。目前主要的研究方向是如何利用這些錨節點(diǎn)提供的位置信息和其他節點(diǎn)通信之間的約束， 估算出普通節點(diǎn)的位置。定位問(wèn)題除了定位本身的意義外， 在路由選擇上也有很大的幫助。此外在移動(dòng)機器人研制中也具有很重要的意義。

　　3.2 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的拓撲管理

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )拓撲管理主要研究的內容是： 在保證網(wǎng)絡(luò )的覆蓋度和連通性的前提下， 設置或調整節點(diǎn)的發(fā)射功率， 并按照一定原則選擇合適節點(diǎn)成為骨干節點(diǎn)參與網(wǎng)絡(luò )中數據的處理和傳輸， 達到優(yōu)化網(wǎng)絡(luò )拓撲結構的目的。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中拓撲管理可以分為兩個(gè)研究方向： 功率管理和層次拓撲結構管理。功率管理機制均衡節點(diǎn)的直接鄰居數目， 調整網(wǎng)絡(luò )中每個(gè)節點(diǎn)的發(fā)射功率， 保證網(wǎng)絡(luò )連通， 同時(shí)降低節點(diǎn)之間的通信干擾。層次拓撲管理是利用分簇思想， 依據一定的算法使網(wǎng)絡(luò )中的部分節點(diǎn)處于激活狀態(tài)并且成為簇首節點(diǎn)， 然后由這些簇首節點(diǎn)構建一個(gè)連通的網(wǎng)絡(luò )來(lái)處理和傳輸網(wǎng)絡(luò )中的數據; 其他節點(diǎn)則處于非激活狀態(tài)，關(guān)閉其通信模塊以降低能量消耗， 并定期或不定期地重新選擇簇首節點(diǎn)， 以均衡網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)的能量消耗。

　　在有些應用中， 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的各個(gè)節點(diǎn)可能分布在廣大的地理區域， 如果把整個(gè)應用組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò )， 即不現實(shí)也難于管理。網(wǎng)絡(luò )的組織管理的關(guān)鍵是如何把網(wǎng)絡(luò )有效地劃分為許多小局域網(wǎng)， 保證每一個(gè)小的局域網(wǎng)中都有一個(gè)節點(diǎn)代理負責管理每一個(gè)小的局域網(wǎng)， 該節點(diǎn)可稱(chēng)之為簇首。解決該問(wèn)題可用以下兩種方法： 一是放置代理， 每個(gè)代理節點(diǎn)負責管理一定數目的普通節點(diǎn)， 如何使每個(gè)代理管理節點(diǎn)的數目基本相同并使管理網(wǎng)絡(luò )有著(zhù)基本相同的網(wǎng)絡(luò )半徑是研究的重點(diǎn)問(wèn)題; 二是產(chǎn)生簇首， 所有的節點(diǎn)都是對等的節點(diǎn)，這時(shí)根據每個(gè)節點(diǎn)能量情況、連接情況選擇合適簇首，負責數據的匯總及初步處理， 為了節省能量， 需要定期或不定期選舉產(chǎn)生新的簇首。此外， 網(wǎng)絡(luò )的管理形式、拓撲結構等都是需要研究的重要問(wèn)題。

　　3.3 數據在網(wǎng)絡(luò )中的傳輸

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的網(wǎng)內數據傳輸是一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題， 由于數據傳輸將消耗掉節點(diǎn)大量的能量， 傳統網(wǎng)絡(luò )的很多方案不能直接使用， 它的設計需要針對具體應用來(lái)進(jìn)行。目前， 很多無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中路由算法基本上都是以Flooding 算法為基礎， 通過(guò)增加一定的約束條件而形成的。然而每個(gè)傳感器節點(diǎn)所帶的電量有限，無(wú)線(xiàn)通信、數據處理、數據采集等過(guò)程都要消耗能量，其中網(wǎng)內數據傳輸（ 即無(wú)線(xiàn)通信模塊） 消耗節點(diǎn)的大部分能量， 需要通過(guò)采用適當的路由算法， 減少網(wǎng)絡(luò )中的通信量和計算量， 有效延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )的壽命。

　　3.4 信號的協(xié)作處理

　　為了完成對目標的測量、跟蹤和識別， 需要具有一定屬性的多個(gè)傳感器節點(diǎn)協(xié)同工作。這些節點(diǎn)采用一定的算法交換信息， 對所獲得的數據進(jìn)行加工、匯總和過(guò)濾。僅靠單個(gè)的傳感器節點(diǎn)無(wú)法完成這些工作。因此， 節點(diǎn)間數據的傳遞和信息協(xié)作都影響到網(wǎng)絡(luò )算法的設計和能量的消耗。

　　3.5 硬件、軟件的設計和制造

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )另一個(gè)研究重要課題是： 如何利用已經(jīng)發(fā)展起來(lái)的電源、微電子、微電機、微無(wú)線(xiàn)通信等技術(shù)， 合理地構成微體積、長(cháng)壽命的節點(diǎn)。國外有些研究所已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入了裝置設計階段， 它的研究設計需要考慮依距離遠近發(fā)送一個(gè)比特位及每條指令所需的能量大小， 甚至不同地址編碼所需能量的差異等。要有效地增加網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的壽命需要合理優(yōu)化設計硬件和軟件資源。厘米級和毫米級的傳感器節點(diǎn)成為當今的主要研究目標。

　　3.6 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )安全性問(wèn)題

　　與普通的網(wǎng)絡(luò )一樣， 傳感器接收命令和傳送信息也面臨著(zhù)安全性的考驗。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式進(jìn)行通信的， 信道更容易被竊聽(tīng)， 辨別非法消息及非法節點(diǎn)更加不易。而傳感器節點(diǎn)本身運算能力有限，如何利用較少的能量和較小的計算量來(lái)完成數據加密、身份認證等， 在破壞或受干擾的情況下可靠地完成任務(wù)也是一個(gè)重要的研究課題。

　　另外， 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )還涉及到能量控制、容錯機制、路由選擇等方面的研究。

　　4 結束語(yǔ)

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的應用前景十分廣闊。除了在軍事、監控、應急、環(huán)境、防空等方面， 還將涉及家用、企業(yè)管理、保健、交通等新興領(lǐng)域。本文對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的研究熱點(diǎn)進(jìn)行分析和總結， 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展還面臨許多的問(wèn)題， 比如能量節省問(wèn)題、傳感器節點(diǎn)的定位問(wèn)題、網(wǎng)絡(luò )組織管理問(wèn)題、網(wǎng)絡(luò )傳輸問(wèn)題、軟硬件設計與制造問(wèn)題、信號的協(xié)作處理問(wèn)題、網(wǎng)絡(luò )安全性問(wèn)題等。隨著(zhù)各項技術(shù)的成熟和發(fā)展， 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的研究也將取得突破性的進(jìn)展， 其業(yè)務(wù)和應用將更加廣泛和成熟。