無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)中的關(guān)鍵性問(wèn)題

一、引言 

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是一種獨立出現的計算機網(wǎng)絡(luò )，它的基本組成單位是節點(diǎn)，這些節點(diǎn)集成了傳感器、微處理器、無(wú)線(xiàn)接口和電源四個(gè)模塊。傳統的計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)中業(yè)已成熟的解決方案可以借鑒到無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中來(lái)。但是基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )自身的用途和優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)發(fā)專(zhuān)用的通信協(xié)議和路由算法已經(jīng)成為了當前無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )領(lǐng)域內急待研究的課題。 

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

1、 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )包括了大面積的空間分布 

　　比如在軍事應用方面，可以將無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )部署在戰場(chǎng)上跟蹤敵人的軍事行動(dòng)，智能化的終端可以被大量地裝在宣傳品、子彈或炮彈殼中，在目標地點(diǎn)撒落下去，形成大面積的監視網(wǎng)絡(luò )。 

2、 能源受限制 

　　網(wǎng)絡(luò )中每個(gè)節點(diǎn)的電源是有限的，網(wǎng)絡(luò )大多工作在無(wú)人區或者對人體有傷害的惡劣環(huán)境中，更換電源幾乎是不可能的事，這勢必要求網(wǎng)絡(luò )功耗要小以延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )的壽命，而且要盡最大可能的節省電源消耗。 

3、 網(wǎng)絡(luò )自動(dòng)配置，自動(dòng)識別節點(diǎn) 

　　這包括自動(dòng)組網(wǎng)、對入網(wǎng)的終端進(jìn)行身份驗證、防止非法用戶(hù)入侵。相對于那些布置在預先指定地點(diǎn)的傳感器網(wǎng)絡(luò )而言，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )可以借鑒ad hoc方式來(lái)配置，當然前提是要有一套合適的通信協(xié)議保證網(wǎng)絡(luò )在無(wú)人干預情況下自動(dòng)運行。 

4、 網(wǎng)絡(luò )的自動(dòng)管理和高度協(xié)作性 

　　在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，數據處理由節點(diǎn)自身完成，這樣做的目的是減少無(wú)線(xiàn)鏈路中傳送的數據量，只有與其他節點(diǎn)相關(guān)的信息才在鏈路中傳送。以數據為中心的特性是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的又一個(gè)特點(diǎn)，由于節點(diǎn)不是預先計劃的，而且節點(diǎn)位置也不是預先確定的，這樣就有一些節點(diǎn)由于發(fā)生較多錯誤或者不能執行指定任務(wù)而被中止運行。為了在網(wǎng)絡(luò )中監視目標對象，配置冗余節點(diǎn)是必要的，節點(diǎn)之間可以通信和協(xié)作，共享數據，這樣可以保證獲得被監視對象比較全面的數據。 

　　對用戶(hù)來(lái)說(shuō)，向所有位于觀(guān)測區內的傳感器發(fā)送一個(gè)數據請求，然后將采集的數據送到指定節點(diǎn)處理，可以用一個(gè)多播路由協(xié)議把消息送到相關(guān)節點(diǎn)，這需要一個(gè)唯一的地址表，對于用戶(hù)而言，不需要知道每個(gè)傳感器的具體身份號，所以可以用以數據為中心的組網(wǎng)方式。 

5、與移動(dòng)ad hoc網(wǎng)絡(luò )的區別 

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )作為一種分布式傳感器網(wǎng)絡(luò )，和移動(dòng)ad hoc網(wǎng)絡(luò )有相似點(diǎn)，但又有很多不同。移動(dòng)ad hoc網(wǎng)絡(luò )可以用于沒(méi)有無(wú)線(xiàn)基礎設施存在或出于費用和安全方面的考慮不方便設置無(wú)線(xiàn)基礎設施的場(chǎng)合，而傳感器很多時(shí)候被布置在近地環(huán)境中，地波吸收現象不能被忽視，并且高密度布置的傳感器網(wǎng)絡(luò )中的多用戶(hù)接口也造成了很高的誤比特率。作為移動(dòng)通信的兩種基本組網(wǎng)模式之一，移動(dòng)ad hoc網(wǎng)絡(luò )中的傳輸模型是典型的多對多式，而傳感器網(wǎng)中的傳輸模型更偏向于分層次模型（多對一傳輸）。一般來(lái)說(shuō)，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的節點(diǎn)比典型的移動(dòng)終端或手持設備有更多的資源受限要求，但對于計算的要求則是可有可無(wú)的，當需要執行計算任務(wù)時(shí)，如果通信成本比計算成本低，計算任務(wù)就被送到中心節點(diǎn)去執行。 

三、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中的關(guān)鍵性問(wèn)題 

1、 網(wǎng)絡(luò )安全協(xié)議問(wèn)題 

　　傳感器網(wǎng)絡(luò )受到的安全威脅和移動(dòng)ad hoc網(wǎng)絡(luò )所受到的安全威脅不同，所以現有的網(wǎng)絡(luò )安全機制不適合此領(lǐng)域，需要開(kāi)發(fā)針對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的專(zhuān)門(mén)協(xié)議。 

　　一種思想是從維護路由安全的角度出發(fā)，尋找盡可能安全的路由以保證網(wǎng)絡(luò )的安全。文獻[1]指出，如果路由協(xié)議被破壞導致傳送的消息被篡改，那么對于應用層上的數據包來(lái)說(shuō)沒(méi)有任何的安全性可言。文中介紹了一種方法叫“有安全意識的路由”（SAR），其思想是找出真實(shí)值和節點(diǎn)之間的關(guān)系，然后利用這些真實(shí)值去生成安全的路由。該方法解決了兩個(gè)問(wèn)題，即如何保證數據在安全路徑中傳送和路由協(xié)議中的信息安全性。文中假設兩個(gè)軍官利用按需距離矢量路由(Ad Hoc On Demand Distance Vector Routing，AODV)協(xié)議通過(guò)ad hoc網(wǎng)絡(luò )來(lái)通信，他們的通信基于Bell-La安全模型（PadulaBell-La Padula Confidentiality Model） [2]，這種模型中，當節點(diǎn)的安全等級達不到要求時(shí)，其就會(huì )自動(dòng)的從路由選擇中退出以保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的路由安全。文獻[3]指出，可以通過(guò)多徑路由算法改善系統的穩健性（robustness），數據包通過(guò)路由選擇算法在多徑路徑中向前傳送，在接收端內通過(guò)前向糾錯技術(shù)得到重建。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中傳感器的數量眾多并且功能有限，移動(dòng)ad hoc網(wǎng)絡(luò )中的路由方案不能直接應用到無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，所以該文給出了一種網(wǎng)狀多徑路由協(xié)議。此協(xié)議中應用了選擇性向前傳送數據包和端到端的前向糾錯解碼技術(shù)，配合適合傳感器網(wǎng)絡(luò )的網(wǎng)狀多徑搜索機制，能減少信號開(kāi)支（signaling overhead），簡(jiǎn)化節點(diǎn)數據庫，增大系統的吞吐量，相對數據包復制或者有限泛洪法來(lái)說(shuō)，這種方法消耗更少的系統資源(比如信道帶寬和電能)。 

　　另一種思想是把著(zhù)重點(diǎn)放在安全協(xié)議方面，在此領(lǐng)域也出現了大量的研究成果。在文獻[4]中，作者假定傳感器網(wǎng)絡(luò )的任務(wù)是為高級政要人員提供安全保護的，提供一個(gè)安全解決方案將為解決這類(lèi)安全問(wèn)題帶來(lái)一個(gè)普適的模型。在具體的技術(shù)實(shí)現上，先假定基站總是正常工作的，并且總是安全的，滿(mǎn)足必要的計算速度、存儲器容量，基站功率滿(mǎn)足加密和路由的要求；通信模式是點(diǎn)到點(diǎn)，通過(guò)端到端的加密保證了數據傳輸的安全性；射頻層總是正常工作?；谝陨锨疤?，典型的安全問(wèn)題可以總結為： 

（1）信息被非法用戶(hù)截獲； 

（2）一個(gè)節點(diǎn)遭破壞； 
（3）識別偽節點(diǎn)； 
（4）如何向已有傳感器網(wǎng)絡(luò )添加合法的節點(diǎn)。 

　　作者提出的方案不采用任何的路由機制。在此方案中，每個(gè)節點(diǎn)和基站分享一個(gè)唯一的64位密匙Keyj和一個(gè)公共的密匙KeyBS，當節點(diǎn)和基站距離超出了預定距離時(shí)，網(wǎng)絡(luò )會(huì )在節點(diǎn)和基站之間選擇一個(gè)節點(diǎn)作為媒介節點(diǎn)進(jìn)行接力；發(fā)送端會(huì )對數據進(jìn)行加密，接收端接收到數據后根據數據中的地址選擇相應的密匙對數據進(jìn)行解密。這種雙加密方式可以防止暴露節點(diǎn)數目和地址，也可以防止數據被非法截獲，即使個(gè)別節點(diǎn)被破譯，也只有它自己的密匙泄漏，整個(gè)網(wǎng)絡(luò )仍然可以正常工作。文獻[5]中介紹了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中的兩種專(zhuān)用安全協(xié)議：SNEP(Sensor Network Encryption Protocol)和µ;TESLA。SNEP的功能是提供節點(diǎn)到接收機之間數據的鑒權、加密、刷新，µ;TESLA的功能是對廣播數據的鑒權。 

2、 大規模傳感器網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)移動(dòng)性管理 

　　這個(gè)問(wèn)題實(shí)質(zhì)上就是沒(méi)有無(wú)線(xiàn)基礎設施的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)查詢(xún)問(wèn)題。最簡(jiǎn)單的資源查詢(xún)方式是全局泛洪法，但是對于資源有限的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )不適用，因此在設計工作中應該盡量避免使用全局泛洪法。擴展環(huán)搜索法（expanding ring search）用增加生存時(shí)間（Time-To-Live， TTL）的方式重復泛洪，這種方式和由此派生出來(lái)的方式也不適合無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。在改善泛洪法的效率方面，文獻[6]中提出的方案是通過(guò)減少查詢(xún)每個(gè)節點(diǎn)時(shí)出現的多余消息去減少泛洪法固有的冗余，在沒(méi)有出現明顯的冗余情況下，這種方案對提高效率沒(méi)有太多貢獻。在ad hoc網(wǎng)絡(luò )中，查詢(xún)節點(diǎn)是通過(guò)基于簇（clusters）和界標（landmarks）的層次表來(lái)實(shí)現的，這種方式需要在節點(diǎn)之間設置復雜的協(xié)調機制，當節點(diǎn)移動(dòng)時(shí)或者簇頭（cluster-head）或界標失敗時(shí)，層次表需要重新配置。而且，通常簇頭會(huì )成為一個(gè)瓶頸，所以我們通常避免這種分層次的協(xié)調表，也避免使用簇頭。 

　　GLS[7]中提出的技術(shù)是基于一種所有節點(diǎn)都已知的網(wǎng)絡(luò )網(wǎng)格圖。節點(diǎn)使用位置服務(wù)器保存它們的位置，并用一種基于ID號的算法去更新它們的位置，當節點(diǎn)尋找指定ID號的節點(diǎn)位置時(shí)，也用這種算法去服務(wù)器尋找目標節點(diǎn)的位置。對于知道網(wǎng)絡(luò )的網(wǎng)格圖和它們自己的位置并且知道目標節點(diǎn)的ID號的節點(diǎn)，這種方法是一個(gè)好方法。 

　　文獻[8]中介紹了一種針對大規模移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò )的查詢(xún)方法，這種方法借用了小世界（small worlds）的概念，利用節點(diǎn)的移動(dòng)性去提高查詢(xún)效率，并引入了關(guān)聯(lián)（contacts）的概念。其工作原理是首先在相鄰節點(diǎn)間建立關(guān)聯(lián)，當它們移動(dòng)時(shí)，再關(guān)聯(lián)新的相鄰節點(diǎn)，這樣提高了查詢(xún)的效率。與傳統的路由查詢(xún)方式不同，這種設計基本目標不是去優(yōu)化路由或者響應延時(shí)，而是去減少通信的系統開(kāi)銷(xiāo)，這一點(diǎn)在能量受限的環(huán)境中非常重要，特別是對于傳感器數量眾多的網(wǎng)絡(luò )中的一次性查詢(xún)(通信的生存時(shí)間很短)。文中給出的協(xié)議是可升級的（scalable）、自動(dòng)配置的，非常適應節點(diǎn)的移動(dòng)性要求。仿真結果顯示它比邊緣泛洪法提高效率60-70％，比泛洪法提高效率80-90％，比擴展環(huán)搜索法則有更大的改善。 

　　針對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中的分布式定位，文獻[9]比較了三種定位算法：ad hoc、魯棒定位、N跳多向法（N-hop multilateration）。具體選擇哪種算法要取決于某些網(wǎng)絡(luò )參數，比如差錯分布和連通性等。 

3、 網(wǎng)絡(luò )的自動(dòng)配置和自動(dòng)康復和維持系統能量有效性 

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )被布置在無(wú)人值守的環(huán)境中時(shí)，更換能源幾乎不可能，為了節約能源，發(fā)射功率要盡可能小，傳輸距離要短，節點(diǎn)間通信需要中間節點(diǎn)作為中繼。在地震救災或者是無(wú)人飛行器中，網(wǎng)絡(luò )的自動(dòng)配置和自動(dòng)康復功能顯得異常重要，而大規模的多跳無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統的可測量性（scalability）也是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。實(shí)現可測量性的一種方法是“分而治之（divide and conquer）”，或者說(shuō)是分層控制（hierarchical），即用某種簇標準將網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)分成簇組（clusters），在每個(gè)簇中選出一個(gè)作為簇頭（leader），它在比較高的層次上代表本簇；同樣的機制也應用到簇頭中，使之形成一個(gè)層次，這個(gè)層次中，每個(gè)級別應用當地控制（local control）去實(shí)現某個(gè)全局目標。大多數無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中的分類(lèi)思想認為網(wǎng)絡(luò )與地理位置無(wú)關(guān)，分類(lèi)的標準是簇里的節點(diǎn)數量和簇間的邏輯直徑（相對于地理直徑而言）。但是，當簇頭（cluster leader）和簇內其它節點(diǎn)間的鏈路很長(cháng)，相鄰簇間地理位置交迭很大，且不同的簇間路由消息載荷（routing traffic load）不平衡時(shí)，一個(gè)非簇頭（non-leader）節點(diǎn)和它的簇頭節點(diǎn)之間通過(guò)它們之間僅有的長(cháng)鏈路通信將要消耗更多的能量，并且相鄰簇間的并行通信沖突頻發(fā)，簇間能量消耗不平衡，由此帶來(lái)的結果是網(wǎng)絡(luò )的壽命和通信質(zhì)量與有效性都大幅減小。因此，為了節約能量和改善通信質(zhì)量和有效性，在設計簇算法時(shí)，簇的地理半徑應該考慮。文獻[10]提出，在傳感器節點(diǎn)內用一種簡(jiǎn)單的細胞聚類(lèi)結構去構成路由協(xié)議，這樣可以維持一種可測量的能量有效的系統，其關(guān)鍵的問(wèn)題是使這種細胞簇結構具有自動(dòng)康復性。作者針對大規模多跳傳感器網(wǎng)絡(luò )的自動(dòng)配置和自動(dòng)康復提出了一種分布式算法，這種算法可以保證網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)在二維空間里自動(dòng)配置成細胞簇結構，其細胞單元有緊湊的地理半徑，細胞單元之間的交疊也很小。這種結構在各種擾動(dòng)下是自動(dòng)康復的，比如節點(diǎn)加入、離開(kāi)、死亡、移動(dòng)、被敵方捕獲等。文獻[11]給出了一種針對簇的分布式算法LEACH，它是通過(guò)全局上重復簇操作來(lái)處理擾動(dòng)的，但這種算法既不能保證系統中簇的定位也不能保證簇的數量。文獻[12]給出了另外一種簇算法，它僅考慮了簇的邏輯半徑，而不考慮地理半徑，當簇間存在比較大的交迭時(shí)，這種方法會(huì )降低無(wú)線(xiàn)傳輸的有效性。另外，它的康復不在本地處理，而是依賴(lài)于消息在整個(gè)系統中的多次循環(huán)。文獻[13]中給 
出了一種基于訪(fǎng)問(wèn)的簇算法，這種算法注重簇的穩定性，不考慮簇的大小，要求每個(gè)節點(diǎn)都有全球定位系統（GPS）的支持。 

4、 系統功耗問(wèn)題 

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )應用于特殊場(chǎng)合時(shí)，電源不可更換，因此功耗問(wèn)題顯得至關(guān)重要。 

　　在系統的功耗模型中，我們最關(guān)心的是： 

（1） 微控制器的操作模式（休眠模式、操作模式、，潛在的減慢時(shí)鐘速率等），無(wú)線(xiàn)前端的工作模式（休眠、空閑、接收、發(fā)射等）； 
（2）在每種模式中，每個(gè)功能塊的功耗量，及它與哪些參數有關(guān)； 
（3）在發(fā)射功率受限的情況下，發(fā)射功率和系統功耗的映射關(guān)系； 
（4）從一種操作模式轉換到另外一種操作模式(假設可以直接轉換)的轉換時(shí)間及其功耗； 
（5）無(wú)線(xiàn)調制解調器的接收靈敏度和最大輸出功率； 
（6）附加的品質(zhì)因數（如發(fā)射前端的溫漂和頻穩度、接收信號場(chǎng)強指示(RSSI)信號的標準等）。 

　　基于以上考慮，文獻[14]提出了一種自組織低功耗網(wǎng)絡(luò )的協(xié)議i-Beans，并具體說(shuō)明了此網(wǎng)絡(luò )的功耗。比如，用一個(gè)220mAh的小紐扣電池供電，網(wǎng)絡(luò )的平均消耗電流是100µ;A，取樣率是每秒1次，則電池可以持續80天；如果抽樣率是每?jì)煞昼娨淮?，平均消耗電流降?.92µ;A，則電池壽命可以延長(cháng)到13.1年。 

　　為了克服遠程無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )面臨的電池工作時(shí)間短的問(wèn)題，美國Millennial Net公司已經(jīng)將其i-Bean無(wú)線(xiàn)技術(shù)與來(lái)自新興公司Ferro Solutions的“能量獲得（energy harvesting）”技術(shù)結合在一起，雙方最近展示了一個(gè)靠感應振蕩能量轉換器工作的i-Bean無(wú)線(xiàn)發(fā)射機。這種轉換器能由在50mg至100mg力作用下的28Hz至30Hz振蕩產(chǎn)生1.2mV至3.6mV的電壓，并允許在30m距離上以115Kb/s速率發(fā)送數據（無(wú)電池）。該公司還與其他公司合作開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能電池板來(lái)給無(wú)線(xiàn)傳感器供電。 

　　在能量?jì)?yōu)化研究方面，西安交通大學(xué)的黃進(jìn)宏等在文獻[15]中提出了一種基于能量?jì)?yōu)化的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )自適應組織結構和協(xié)議ALEP。與傳統的無(wú)線(xiàn)微傳感器網(wǎng)絡(luò )協(xié)議相比，ALEP更加充分地考慮到實(shí)際應用。它將一種高效能量控制算法引入組網(wǎng)協(xié)議，提高了網(wǎng)絡(luò )的能量利用率，顯著(zhù)延長(cháng)了無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的生命周期，增強了網(wǎng)絡(luò )的健壯性。通過(guò)對ALEP協(xié)議進(jìn)行OPNET仿真，結果顯示該協(xié)議與傳統模式的無(wú)線(xiàn)微傳感器網(wǎng)絡(luò )協(xié)議相比，在傳送相同的數據量的條件下有更高效的能量特性和信息傳輸特性。 

四、結束語(yǔ) 

　　雖然無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的應用前景十分美好，但由于當前若干技術(shù)難題，還不能走向廣泛應用。研究者們在將MEMS與其它電子器件集成到單一芯片的過(guò)程中遇到了嚴峻的挑戰。文中提到的各種算法還有待于在工程實(shí)現中去檢驗它的實(shí)用性。 

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