無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的關(guān)鍵性問題

一、引言 

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種獨(dú)立出現(xiàn)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，它的基本組成單位是節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)集成了傳感器、微處理器、無線接口和電源四個(gè)模塊。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中業(yè)已成熟的解決方案可以借鑒到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中來。但是基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身的用途和優(yōu)點(diǎn)，開發(fā)專用的通信協(xié)議和路由算法已經(jīng)成為了當(dāng)前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域內(nèi)急待研究的課題。 

二、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn) 

1、 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括了大面積的空間分布 

　　比如在軍事應(yīng)用方面，可以將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署在戰(zhàn)場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(biāo)地點(diǎn)撒落下去，形成大面積的監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)。 

2、 能源受限制 

　　網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的電源是有限的，網(wǎng)絡(luò)大多工作在無人區(qū)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)功耗要小以延長網(wǎng)絡(luò)的壽命，而且要盡最大可能的節(jié)省電源消耗。 

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

　　這包括自動(dòng)組網(wǎng)、對入網(wǎng)的終端進(jìn)行身份驗(yàn)證、防止非法用戶入侵。相對于那些布置在預(yù)先指定地點(diǎn)的傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以借鑒ad hoc方式來配置，當(dāng)然前提是要有一套合適的通信協(xié)議保證網(wǎng)絡(luò)在無人干預(yù)情況下自動(dòng)運(yùn)行。 

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

　　在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)處理由節(jié)點(diǎn)自身完成，這樣做的目的是減少無線鏈路中傳送的數(shù)據(jù)量，只有與其他節(jié)點(diǎn)相關(guān)的信息才在鏈路中傳送。以數(shù)據(jù)為中心的特性是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的又一個(gè)特點(diǎn)，由于節(jié)點(diǎn)不是預(yù)先計(jì)劃的，而且節(jié)點(diǎn)位置也不是預(yù)先確定的，這樣就有一些節(jié)點(diǎn)由于發(fā)生較多錯(cuò)誤或者不能執(zhí)行指定任務(wù)而被中止運(yùn)行。為了在網(wǎng)絡(luò)中監(jiān)視目標(biāo)對象，配置冗余節(jié)點(diǎn)是必要的，節(jié)點(diǎn)之間可以通信和協(xié)作，共享數(shù)據(jù)，這樣可以保證獲得被監(jiān)視對象比較全面的數(shù)據(jù)。 

　　對用戶來說，向所有位于觀測區(qū)內(nèi)的傳感器發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)請求，然后將采集的數(shù)據(jù)送到指定節(jié)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(jié)點(diǎn)，這需要一個(gè)唯一的地址表，對于用戶而言，不需要知道每個(gè)傳感器的具體身份號，所以可以用以數(shù)據(jù)為中心的組網(wǎng)方式。 

5、與移動(dòng)ad hoc網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別 

　　無線傳感器網(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)可以用于沒有無線基礎(chǔ)設(shè)施存在或出于費(fèi)用和安全方面的考慮不方便設(shè)置無線基礎(chǔ)設(shè)施的場合，而傳感器很多時(shí)候被布置在近地環(huán)境中，地波吸收現(xiàn)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）。一般來說，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)比典型的移動(dòng)終端或手持設(shè)備有更多的資源受限要求，但對于計(jì)算的要求則是可有可無的，當(dāng)需要執(zhí)行計(jì)算任務(wù)時(shí)，如果通信成本比計(jì)算成本低，計(jì)算任務(wù)就被送到中心節(jié)點(diǎn)去執(zhí)行。 

三、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵性問題 

1、 網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議問題 

　　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(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制不適合此領(lǐng)域，需要開發(fā)針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的專門協(xié)議。 

　　一種思想是從維護(hù)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(xiàn)[1]指出，如果路由協(xié)議被破壞導(dǎo)致傳送的消息被篡改，那么對于應(yīng)用層上的數(shù)據(jù)包來說沒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(jié)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)問題，即如何保證數(shù)據(jù)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(shè)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ad hoc網(wǎng)絡(luò)來通信，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(dāng)節(jié)點(diǎn)的安全等級達(dá)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(xiàn)[3]指出，可以通過多徑路由算法改善系統(tǒng)的穩(wěn)健性（robustness），數(shù)據(jù)包通過路由選擇算法在多徑路徑中向前傳送，在接收端內(nèi)通過前向糾錯(cuò)技術(shù)得到重建。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器的數(shù)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(yīng)用到無線傳感器網(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(yīng)用了選擇性向前傳送數(shù)據(jù)包和端到端的前向糾錯(cuò)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(jī)制，能減少信號開支（signaling overhead），簡化節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫，增大系統(tǒng)的吞吐量，相對數(shù)據(jù)包復(fù)制或者有限泛洪法來說，這種方法消耗更少的系統(tǒng)資源(比如信道帶寬和電能)。 

　　另一種思想是把著重點(diǎn)放在安全協(xié)議方面，在此領(lǐng)域也出現(xiàn)了大量的研究成果。在文獻(xiàn)[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(hù)的，提供一個(gè)安全解決方案將為解決這類安全問題帶來一個(gè)普適的模型。在具體的技術(shù)實(shí)現(xiàn)上，先假定基站總是正常工作的，并且總是安全的，滿足必要的計(jì)算速度、存儲(chǔ)器容量，基站功率滿足加密和路由的要求；通信模式是點(diǎn)到點(diǎn)，通過端到端的加密保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕簧漕l層總是正常工作。基于以上前提，典型的安全問題可以總結(jié)為： 

（1）信息被非法用戶截獲； 

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

　　作者提出的方案不采用任何的路由機(jī)制。在此方案中，每個(gè)節(jié)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(dāng)節(jié)點(diǎn)和基站距離超出了預(yù)定距離時(shí)，網(wǎng)絡(luò)會(huì)在節(jié)點(diǎn)和基站之間選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為媒介節(jié)點(diǎn)進(jìn)行接力；發(fā)送端會(huì)對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，接收端接收到數(shù)據(jù)后根據(jù)數(shù)據(jù)中的地址選擇相應(yīng)的密匙對數(shù)據(jù)進(jìn)行解密。這種雙加密方式可以防止暴露節(jié)點(diǎn)數(shù)目和地址，也可以防止數(shù)據(jù)被非法截獲，即使個(gè)別節(jié)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(xiàn)[5]中介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的兩種專用安全協(xié)議：SNEP(Sensor Network Encryption Protocol)和µ;TESLA。SNEP的功能是提供節(jié)點(diǎn)到接收機(jī)之間數(shù)據(jù)的鑒權(quán)、加密、刷新，µ;TESLA的功能是對廣播數(shù)據(jù)的鑒權(quán)。 

2、 大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性管理 

　　這個(gè)問題實(shí)質(zhì)上就是沒有無線基礎(chǔ)設(shè)施的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)查詢問題。最簡單的資源查詢方式是全局泛洪法，但是對于資源有限的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不適用，因此在設(shè)計(jì)工作中應(yīng)該盡量避免使用全局泛洪法。擴(kuò)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(fù)泛洪，這種方式和由此派生出來的方式也不適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。在改善泛洪法的效率方面，文獻(xiàn)[6]中提出的方案是通過減少查詢每個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)出現(xiàn)的多余消息去減少泛洪法固有的冗余，在沒有出現(xiàn)明顯的冗余情況下，這種方案對提高效率沒有太多貢獻(xiàn)。在ad hoc網(wǎng)絡(luò)中，查詢節(jié)點(diǎn)是通過基于簇（clusters）和界標(biāo)（landmarks）的層次表來實(shí)現(xiàn)的，這種方式需要在節(jié)點(diǎn)之間設(shè)置復(fù)雜的協(xié)調(diào)機(jī)制，當(dāng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)時(shí)或者簇頭（cluster-head）或界標(biāo)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(diào)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(jié)點(diǎn)都已知的網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)格圖。節(jié)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(dāng)節(jié)點(diǎn)尋找指定ID號的節(jié)點(diǎn)位置時(shí)，也用這種算法去服務(wù)器尋找目標(biāo)節(jié)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(biāo)節(jié)點(diǎn)的ID號的節(jié)點(diǎn)，這種方法是一個(gè)好方法。 

　　文獻(xiàn)[8]中介紹了一種針對大規(guī)模移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的查詢方法，這種方法借用了小世界（small worlds）的概念，利用節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性去提高查詢效率，并引入了關(guān)聯(lián)（contacts）的概念。其工作原理是首先在相鄰節(jié)點(diǎn)間建立關(guān)聯(lián)，當(dāng)它們移動(dòng)時(shí)，再關(guān)聯(lián)新的相鄰節(jié)點(diǎn)，這樣提高了查詢的效率。與傳統(tǒng)的路由查詢方式不同，這種設(shè)計(jì)基本目標(biāo)不是去優(yōu)化路由或者響應(yīng)延時(shí)，而是去減少通信的系統(tǒng)開銷，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(shù)量眾多的網(wǎng)絡(luò)中的一次性查詢(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(yīng)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性要求。仿真結(jié)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(kuò)展環(huán)搜索法則有更大的改善。 

　　針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的分布式定位，文獻(xiàn)[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(shù)，比如差錯(cuò)分布和連通性等。 

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

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被布置在無人值守的環(huán)境中時(shí)，更換能源幾乎不可能，為了節(jié)約能源，發(fā)射功率要盡可能小，傳輸距離要短，節(jié)點(diǎn)間通信需要中間節(jié)點(diǎn)作為中繼。在地震救災(zāi)或者是無人飛行器中，網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)配置和自動(dòng)康復(fù)功能顯得異常重要，而大規(guī)模的多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可測量性（scalability）也是一個(gè)關(guān)鍵問題。實(shí)現(xiàn)可測量性的一種方法是“分而治之（divide and conquer）”，或者說是分層控制（hierarchical），即用某種簇標(biāo)準(zhǔn)將網(wǎng)絡(luò)節(jié)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(jī)制也應(yīng)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(yīng)用當(dāng)?shù)乜刂疲╨ocal control）去實(shí)現(xiàn)某個(gè)全局目標(biāo)。大多數(shù)無線網(wǎng)絡(luò)中的分類思想認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)與地理位置無關(guān)，分類的標(biāo)準(zhǔn)是簇里的節(jié)點(diǎn)數(shù)量和簇間的邏輯直徑（相對于地理直徑而言）。但是，當(dāng)簇頭（cluster leader）和簇內(nèi)其它節(jié)點(diǎn)間的鏈路很長，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(jié)點(diǎn)和它的簇頭節(jié)點(diǎn)之間通過它們之間僅有的長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，由此帶來的結(jié)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(jié)約能量和改善通信質(zhì)量和有效性，在設(shè)計(jì)簇算法時(shí)，簇的地理半徑應(yīng)該考慮。文獻(xiàn)[10]提出，在傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)用一種簡單的細(xì)胞聚類結(jié)構(gòu)去構(gòu)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(tǒng)，其關(guān)鍵的問題是使這種細(xì)胞簇結(jié)構(gòu)具有自動(dòng)康復(fù)性。作者針對大規(guī)模多跳傳感器網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)配置和自動(dòng)康復(fù)提出了一種分布式算法，這種算法可以保證網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在二維空間里自動(dòng)配置成細(xì)胞簇結(jié)構(gòu)，其細(xì)胞單元有緊湊的地理半徑，細(xì)胞單元之間的交疊也很小。這種結(jié)構(gòu)在各種擾動(dòng)下是自動(dòng)康復(fù)的，比如節(jié)點(diǎn)加入、離開、死亡、移動(dòng)、被敵方捕獲等。文獻(xiàn)[11]給出了一種針對簇的分布式算法LEACH，它是通過全局上重復(fù)簇操作來處理擾動(dòng)的，但這種算法既不能保證系統(tǒng)中簇的定位也不能保證簇的數(shù)量。文獻(xiàn)[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(dāng)簇間存在比較大的交迭時(shí)，這種方法會(huì)降低無線傳輸?shù)挠行?。另外，它的康?fù)不在本地處理，而是依賴于消息在整個(gè)系統(tǒng)中的多次循環(huán)。文獻(xiàn)[13]中給 
出了一種基于訪問的簇算法，這種算法注重簇的穩(wěn)定性，不考慮簇的大小，要求每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有全球定位系統(tǒng)（GPS）的支持。 

4、 系統(tǒng)功耗問題 

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于特殊場合時(shí)，電源不可更換，因此功耗問題顯得至關(guān)重要。 

　　在系統(tǒng)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），無線前端的工作模式（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(shù)有關(guān)； 
（3）在發(fā)射功率受限的情況下，發(fā)射功率和系統(tǒng)功耗的映射關(guān)系； 
（4）從一種操作模式轉(zhuǎn)換到另外一種操作模式(假設(shè)可以直接轉(zhuǎn)換)的轉(zhuǎn)換時(shí)間及其功耗； 
（5）無線調(diào)制解調(diào)器的接收靈敏度和最大輸出功率； 
（6）附加的品質(zhì)因數(shù)（如發(fā)射前端的溫漂和頻穩(wěn)度、接收信號場強(qiáng)指示(RSSI)信號的標(biāo)準(zhǔn)等）。 

　　基于以上考慮，文獻(xiàn)[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(xù)80天；如果抽樣率是每兩分鐘一次，平均消耗電流降到1.92µ;A，則電池壽命可以延長到13.1年。 

　　為了克服遠(yuǎn)程無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的電池工作時(shí)間短的問題，美國Millennial Net公司已經(jīng)將其i-Bean無線技術(shù)與來自新興公司Ferro Solutions的“能量獲得（energy harvesting）”技術(shù)結(jié)合在一起，雙方最近展示了一個(gè)靠感應(yīng)振蕩能量轉(zhuǎn)換器工作的i-Bean無線發(fā)射機(jī)。這種轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)（無電池）。該公司還與其他公司合作開發(fā)太陽能電池板來給無線傳感器供電。 

　　在能量優(yōu)化研究方面，西安交通大學(xué)的黃進(jìn)宏等在文獻(xiàn)[15]中提出了一種基于能量優(yōu)化的無線傳感網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)組織結(jié)構(gòu)和協(xié)議ALEP。與傳統(tǒng)的無線微傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議相比，ALEP更加充分地考慮到實(shí)際應(yīng)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，顯著延長了無線網(wǎng)絡(luò)的生命周期，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的健壯性。通過對ALEP協(xié)議進(jìn)行OPNET仿真，結(jié)果顯示該協(xié)議與傳統(tǒng)模式的無線微傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議相比，在傳送相同的數(shù)據(jù)量的條件下有更高效的能量特性和信息傳輸特性。 

四、結(jié)束語 

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

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