無線傳感器網(wǎng)絡熱點的研究

　　隨著微電子機械系統(tǒng)（ Micro Electro-MechanicalSystem， MEMS） 、低功耗無線電通信技術(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無線鏈路自組織為無線傳感器網(wǎng)絡（ wireless sensor network， WSN） 成為現(xiàn)實。WSN 已經(jīng)廣泛應用于軍事、交通、環(huán)境監(jiān)測和預報、衛(wèi)生保健、空間探索等各個領(lǐng)域， 在當前國際上備受關(guān)注， 涌現(xiàn)了許多研究熱點領(lǐng)域。

　　1 無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點結(jié)構(gòu)

　　傳感器節(jié)點的基本組成和功能包括如下幾個單元： 傳感單元、處理單元、無線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(tǒng)、移動系統(tǒng)以及電源供電系統(tǒng)等。

　　傳感器單元由傳感器和數(shù)/ 模轉(zhuǎn)換模塊組成， 用于感知、獲取監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的信息， 并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號; 處理單元由嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成， 包括處理器、存儲器等， 負責控制和協(xié)調(diào)節(jié)點各部分的工作， 存儲和處理自身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù); 無線通信單元由無線通信模塊組成， 負責與其他傳感器節(jié)點進行通信， 交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù); 供電單元通常采用微型電池， 為傳感器節(jié)點提供正常工作所必需的能源。

　　2 無線傳感器網(wǎng)絡的特點

　　人們一度認為成熟的Ad-hoc網(wǎng)絡機制和技術(shù)可以應用到無線傳感器網(wǎng)絡。但隨著深入的研究發(fā)現(xiàn)， 無線傳感器網(wǎng)絡有的技術(shù)要求和應用目標明顯不同于Ad-hoc 網(wǎng)絡。Ad-ho c 網(wǎng)絡致力于為用戶提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸服務， 是以傳輸數(shù)據(jù)為目的; 無線傳感器網(wǎng)絡將能源的高效使用作為首要設計目標， 是以數(shù)據(jù)為中心。無線傳感器網(wǎng)絡具有許多區(qū)別于Ad-hoc 網(wǎng)絡的獨有特征。

　?、僖?guī)模大、密度高。無線傳感器網(wǎng)絡與Ad-ho c 網(wǎng)絡不同， 通常密集部署在大片的監(jiān)測區(qū)域， 為了獲取更精確、完整的信息， 需要部署規(guī)模很大、密度很高的傳感器節(jié)點， 以便通過大量冗余節(jié)點的協(xié)同工作來提高系統(tǒng)的工作質(zhì)量。

　?、谝詳?shù)據(jù)為中心。在無線傳感器網(wǎng)絡中， 終端用戶不會具體關(guān)心單個節(jié)點的監(jiān)測數(shù)據(jù)， 通常只關(guān)心某個區(qū)域內(nèi)某個監(jiān)測指標的數(shù)值。

　?、劭煽啃圆睢ＥcAd-hoc 網(wǎng)絡相比， 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點出現(xiàn)故障的可能性要大得多。傳感器節(jié)點是通過隨機撒播的方式部署在指定的惡劣環(huán)境或無人區(qū)域， 在無人值守狀態(tài)下工作， 網(wǎng)絡維護變得十分困難。

　　④傳感器節(jié)點的能力有限。傳感器節(jié)點具有的能量、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)。無線傳感器網(wǎng)絡是通過感知客觀世界來獲取外界的信息。由于不同的應用關(guān)心的信息不同， 使得無線傳感器網(wǎng)絡只能針對每一個具體的應用來開展設計工作， 不能像Internet 那樣有統(tǒng)一的通信協(xié)議平臺。由于應用的不同， 無線傳感器網(wǎng)絡對網(wǎng)絡系統(tǒng)的要求也不同， 硬件平臺、軟件系統(tǒng)和通信協(xié)議都會有很大的差異。

　?、迍討B(tài)變化快。無線傳感器網(wǎng)絡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(jié)點能量耗盡、無線通信鏈路斷續(xù)等， 都會嚴重影響系統(tǒng)功能， 這就要求傳感器節(jié)點調(diào)整自身的工作狀態(tài)及網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)， 以適應環(huán)境的變化。

　　3 無線傳感器網(wǎng)絡的研究熱點

　　無線傳感器網(wǎng)絡作為當今信息領(lǐng)域新的研究熱點， 綜合了傳感技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)、無線通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)、分布式計算處理技術(shù)等多種技術(shù)的交叉學科， 涉及的范圍十分廣泛， 因而相關(guān)的研究內(nèi)容也十分豐富， 目前世界各國均對其各方面開展了研究。

　　同時， 無線傳感器網(wǎng)絡又有著工作環(huán)境較差、節(jié)點數(shù)目眾多、節(jié)點能量不易補充等特點， 對它的研究又有著與一般網(wǎng)絡不同的要求。從體系結(jié)構(gòu)上分， 可分為基礎層研究問題、網(wǎng)絡層研究問題、數(shù)據(jù)管理與處理層研究問題、應用開發(fā)環(huán)境層研究問題、應用層研究問題。從功能上分， 可分為能量節(jié)省問題、傳感器節(jié)點的定位問題、網(wǎng)絡組織管理問題、網(wǎng)絡傳輸問題、軟硬件設計與制造問題、信號的協(xié)作處理問題、網(wǎng)絡安全性問題等。

　　下面從功能的角度對各個熱點分別給予介紹。

　　3.1 無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點定位

　　無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點通常是采用大炮發(fā)射、飛機撒播等隨機布置的方法部署到監(jiān)測區(qū)域中的， 因為無法預先確定節(jié)點部署后的位置， 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(tǒng)GPS（ Global Posit ioning System） 。

　　由于數(shù)目眾多， 在價格、功耗、適用范圍及體積等方面的制約， 考慮到費用問題， 每個節(jié)點都帶有定位系統(tǒng)是不現(xiàn)實的。一般采用的方法是使5%~10% 的節(jié)點帶有GPS， 這種節(jié)點稱為導標節(jié)點（ beaco n nodes） 或錨節(jié)點（ anchor nodes） ， 它們可以通過衛(wèi)星來確定自身的位置。目前主要的研究方向是如何利用這些錨節(jié)點提供的位置信息和其他節(jié)點通信之間的約束， 估算出普通節(jié)點的位置。定位問題除了定位本身的意義外， 在路由選擇上也有很大的幫助。此外在移動機器人研制中也具有很重要的意義。

　　3.2 無線傳感器網(wǎng)絡的拓撲管理

　　無線傳感器網(wǎng)絡拓撲管理主要研究的內(nèi)容是： 在保證網(wǎng)絡的覆蓋度和連通性的前提下， 設置或調(diào)整節(jié)點的發(fā)射功率， 并按照一定原則選擇合適節(jié)點成為骨干節(jié)點參與網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)的處理和傳輸， 達到優(yōu)化網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的目的。無線傳感器網(wǎng)絡中拓撲管理可以分為兩個研究方向： 功率管理和層次拓撲結(jié)構(gòu)管理。功率管理機制均衡節(jié)點的直接鄰居數(shù)目， 調(diào)整網(wǎng)絡中每個節(jié)點的發(fā)射功率， 保證網(wǎng)絡連通， 同時降低節(jié)點之間的通信干擾。層次拓撲管理是利用分簇思想， 依據(jù)一定的算法使網(wǎng)絡中的部分節(jié)點處于激活狀態(tài)并且成為簇首節(jié)點， 然后由這些簇首節(jié)點構(gòu)建一個連通的網(wǎng)絡來處理和傳輸網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù); 其他節(jié)點則處于非激活狀態(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(jié)點， 以均衡網(wǎng)絡中節(jié)點的能量消耗。

　　在有些應用中， 無線傳感器網(wǎng)絡的各個節(jié)點可能分布在廣大的地理區(qū)域， 如果把整個應用組成一個網(wǎng)絡， 即不現(xiàn)實也難于管理。網(wǎng)絡的組織管理的關(guān)鍵是如何把網(wǎng)絡有效地劃分為許多小局域網(wǎng)， 保證每一個小的局域網(wǎng)中都有一個節(jié)點代理負責管理每一個小的局域網(wǎng)， 該節(jié)點可稱之為簇首。解決該問題可用以下兩種方法： 一是放置代理， 每個代理節(jié)點負責管理一定數(shù)目的普通節(jié)點， 如何使每個代理管理節(jié)點的數(shù)目基本相同并使管理網(wǎng)絡有著基本相同的網(wǎng)絡半徑是研究的重點問題; 二是產(chǎn)生簇首， 所有的節(jié)點都是對等的節(jié)點，這時根據(jù)每個節(jié)點能量情況、連接情況選擇合適簇首，負責數(shù)據(jù)的匯總及初步處理， 為了節(jié)省能量， 需要定期或不定期選舉產(chǎn)生新的簇首。此外， 網(wǎng)絡的管理形式、拓撲結(jié)構(gòu)等都是需要研究的重要問題。

　　3.3 數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡中的傳輸

　　無線傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸是一個熱點問題， 由于數(shù)據(jù)傳輸將消耗掉節(jié)點大量的能量， 傳統(tǒng)網(wǎng)絡的很多方案不能直接使用， 它的設計需要針對具體應用來進行。目前， 很多無線傳感器網(wǎng)絡中路由算法基本上都是以Flooding 算法為基礎， 通過增加一定的約束條件而形成的。然而每個傳感器節(jié)點所帶的電量有限，無線通信、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)采集等過程都要消耗能量，其中網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸（ 即無線通信模塊） 消耗節(jié)點的大部分能量， 需要通過采用適當?shù)穆酚伤惴ǎ?減少網(wǎng)絡中的通信量和計算量， 有效延長網(wǎng)絡的壽命。

　　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傳感器節(jié)點協(xié)同工作。這些節(jié)點采用一定的算法交換信息， 對所獲得的數(shù)據(jù)進行加工、匯總和過濾。僅靠單個的傳感器節(jié)點無法完成這些工作。因此， 節(jié)點間數(shù)據(jù)的傳遞和信息協(xié)作都影響到網(wǎng)絡算法的設計和能量的消耗。

　　3.5 硬件、軟件的設計和制造

　　無線傳感器網(wǎng)絡另一個研究重要課題是： 如何利用已經(jīng)發(fā)展起來的電源、微電子、微電機、微無線通信等技術(shù)， 合理地構(gòu)成微體積、長壽命的節(jié)點。國外有些研究所已經(jīng)開始進入了裝置設計階段， 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)絡節(jié)點的壽命需要合理優(yōu)化設計硬件和軟件資源。厘米級和毫米級的傳感器節(jié)點成為當今的主要研究目標。

　　3.6 無線傳感器網(wǎng)絡安全性問題

　　與普通的網(wǎng)絡一樣， 傳感器接收命令和傳送信息也面臨著安全性的考驗。無線傳感器網(wǎng)絡是通過無線方式進行通信的， 信道更容易被竊聽， 辨別非法消息及非法節(jié)點更加不易。而傳感器節(jié)點本身運算能力有限，如何利用較少的能量和較小的計算量來完成數(shù)據(jù)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也是一個重要的研究課題。

　　另外， 無線傳感器網(wǎng)絡還涉及到能量控制、容錯機制、路由選擇等方面的研究。

　　4 結(jié)束語

　　無線傳感器網(wǎng)絡的應用前景十分廣闊。除了在軍事、監(jiān)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。本文對無線傳感器網(wǎng)絡的研究熱點進行分析和總結(jié)， 無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展還面臨許多的問題， 比如能量節(jié)省問題、傳感器節(jié)點的定位問題、網(wǎng)絡組織管理問題、網(wǎng)絡傳輸問題、軟硬件設計與制造問題、信號的協(xié)作處理問題、網(wǎng)絡安全性問題等。隨著各項技術(shù)的成熟和發(fā)展， 無線傳感器網(wǎng)絡的研究也將取得突破性的進展， 其業(yè)務和應用將更加廣泛和成熟。