無線傳感器網絡及關鍵技術綜述

林曉鵬

摘 要：簡要介紹了無線傳感器網絡的概念、組成結構和技術體系，分析了無線傳感器網絡的能量效率、定位技術、時間同步、數據融合、安全技術等關鍵技術及研究現狀，對存在問題及未來發展進行了探討。

關鍵詞：無線傳感器網絡；體系結構；關鍵技術

中圖分類號：TP919.2 文獻標識號：A 文章編號：2095-2163（2015）01-

Abstract： The concept， structural composition and architecture of wireless sensors network are briefly presented in the paper. Then some key technologies including energy-efficient， localization， time synchronization， and security are analyzed in detail. Finally， the problems and further development of wireless sensor networks are respectively described.

Keywords： WSN； Architecture； Key Technologies

0 引 言

無線傳感器網絡[1]（Wireless Sensors Network，WSN）是在監測區域范圍內通過部署大量傳感器節點，并以無線通信方式形成的單跳或多跳的自組織網絡系統，以此協同感知、采集和處理監測區域中的被感知對象信息，再第一時間將其發送給觀察者。近年來，隨著傳感器技術、SoC片上系統、微機電系統、低功耗無線傳輸技術的日臻完善，使得無線傳感器網絡也得到了重點研究及飛速發展。

無線傳感器網絡能顯著提高人類對物理環境的遠端監視和控制能力，從而實現信息世界、物理現實與人類社會的互聯互通，因此在國防軍事、環境監測、智能交通、醫療保健、物流管理、農牧業生產等方面發揮了重要而廣泛的作用，并可稱為本世紀最具影響力的21項技術之一[2]。

1 無線傳感器網絡的特點及結構

1.1 無線傳感器網絡的概念與結構

隨著技術的發展進步，無線傳感器網絡的內涵與外延也在不斷地擴展深入，同時也拓展出多種實際的應用模式。電信標準化部門（ITU-T）認為無線傳感器網絡是由智能傳感節點組成的網絡，能夠以“任何地點、任何時間、任何人、任何物”的形式實施部署。國內傳感器網絡標準化工作組關于無線傳感器網絡的定義則可描述為：“利用無線傳感器網絡節點及其他網絡基礎設施，對物理世界進行信息采集并對采集的信息進行傳輸和處理，以及為用戶提供服務的網絡化信息系統”。

雖然學術界和工業界對無線傳感網絡還沒有形成完全統一的概念，但從理論上已經認定無線傳感器網絡一般具有信息感知、信息處理、信息傳輸和信息服務提供等功能，而且通常是由大量廉價傳感節點、一個或多個匯聚節點和網關所組成的有機自治整體，其結構實現則如圖1所示。

由圖1可知，傳感節點能自組織地形成無線網絡，利用協作方式采集數據，并經多跳方式傳輸給匯聚節點（Sink）；匯聚節點對來自多個傳感節點的信息進行融合、處理、選擇、分發，進一步地傳輸給網關節點；而網關節點則可實現無線傳感器網絡與現有的以太網、無線局域網或移動數據通信網絡的良好、全面互通。

1.2 無線傳感器網絡的模型

由于基礎設施的差異和無線傳感器應用類型之多樣，使得無線傳感器的體系也不盡相同，如美國的兩層體系架構，以及歐盟的五層體系架構。而我國則在2005年提出無線傳感器網絡的三層體系架構，并于2008年國際傳感器網絡標準化第一次大會上提交了相關的標準提案，其體系架構即如圖2所示。

由圖2可知，底層無線傳感器網絡由大量低成本、低功耗的傳感節點組成，以此實現靜態參數監測和動態目標探測，并且通過多跳等組網方式將各傳感節點的監測數據傳送到匯聚節點。圖2中的中層無線傳感器網絡主要由匯聚節點、接入節點（AP）和數據業務流量較大的高端傳感器組成，能夠實現對來自底層傳感節點的數據處理，而且亦能實現與互聯網或電信網絡的互聯互通。而高層無線傳感器網絡則是利用現有的網絡基礎設施，借以承載無線傳感器網絡的相關應用業務。

2 無線傳感器網絡的技術實現

無線傳感器網絡的實現方案主要包括網絡與通信技術、協同信息處理技術、管理技術三個方面，如圖3所示。其中，網絡與通信技術實現數據從傳感節點到用戶端的有效傳輸；協同信息處理技術實現從復雜信息中獲取有效的分析結果，包括信號特征提取、模式識別與分類、協同感知、目標跟蹤等；管理技術則是對分布的傳感節點進行管理和協調，并依據功能可將其分為能量管理、拓撲管理、移動管理和任務管理等。

3 無線傳感器網絡的關鍵技術及研究現狀

多數情況下，無線傳感器網絡需要大規模地部署于野外環境，其節點的計算資源和存儲資源都十分有限，且往往采用開放的無線通信方式，因此在可靠性、安全性等方面都面臨嚴峻挑戰。基于此，能量效率、定位技術、時間同步、數據融合和安全技術即均為無線傳感器網絡設計需著重考慮的關鍵技術。下面對其展開逐一的分析與闡述。

3.1 能量效率

無線傳感節點一般由電池驅動，因而能量配備有限，而且對于大多數的應用場合，進行能量補給幾乎是零可能，這就使得能量效率將直接影響著無線傳感器網絡的生存時間，也必然成為設計時優先考慮的重要約束。目前，無線傳感器網絡的能量消耗主要散布在信息感應、數據通信和數據處理這三個過程。為了提高能量效率，時下在傳感節點上可采用動態電壓調節和動態能量管理的功能設計；在數據通信過程則使用諸如μIP、6LowPAN、Rime等[3]低能耗的通信協議。同時系統還應具有包括休眠內容的能量管理模式，即在不需要工作時可使節點進入休眠狀態。

3.2 定位技術

無線傳感器網絡主要應用于事件監測，只有事件數據和位置信息相結合才能產生有效的信息，而且路由協議、網絡管理等也需要本地節點的位置信息，因此定位技術即成為無線傳感器網絡穩定、可靠運行的研究基礎。但由于測量誤差、計算約束，以及各類應用場合對定位技術的魯棒性、可擴展性、連同定性精度所提出的不同需求，相應提出了多種定位方法，如基于測距的Ad Hoc定位技術（AHLoS）[4]、基于時間的TPS[5]定位技術，以及CPE[6]、APIT[7]等基于預留的定位技術等。

3.3 時間同步

無線傳感器節點均配備有本地時鐘，節點對事件感知、目標跟蹤、數據處理和數據通信等操作都與本地時序信息密切相關，各個節點間就需要相應進行本地時鐘信息的高頻交互，以達到且保持全局時間的協調一致，并為上層的協同機制提供技術支撐。時間同步時主要需要考慮隨機時延的影響，現有的同步協議有傳感器網絡時間同步協議TPSN[8]、時鐘擴散同步協議TDP[9]、基于速度擴散協議RDP[10]等。

3.4 數據融合

由于傳感器節點采用大規模、分布式部署，相鄰節點所產生的感知數據往往帶有高度的相關性，這就產生一定的冗余數據，因而需要數據融合技術以對相鄰節點所采集的大量原始數據進行實時處理，而只將處理后的少量有效結果傳輸給匯聚節點。經過數據融合可以顯著降低傳輸數據量，節省中間節點的能量和帶寬，從而減輕網絡負荷，并延長網絡壽命。有關方面的研究主要有基于生產樹的數據融合，如最短路徑樹（SPT）、貪心增長樹（GTI）、E-Span算法[11]等；基于網絡性能考慮的數據融合，如AIDA算法[12]；以及基于安全的數據融合等[13]。

3.5 安全技術

無線傳感器網絡多會部署于開放的物理空間，因而不僅要適應嚴苛的自然環境，可能還需面對敵方的主動攻擊。另外，無線傳感器網絡中各節點的自身資源也處于嚴重受限，且節點間通信常常采用廣播的無線信號，這就使得無線傳感器網絡的安全性隨接成為亟需解決的重要問題。目前，無線傳感器網絡在物理層、鏈路層、網絡層方面均已開發相應的安全防御策略[14]。如在物理層采用各種擴頻通信技術；在鏈路層上采用信道監聽與重傳機制、糾錯編碼等；以及采用SPINS[15]網絡安全協議。

4結束語

無線傳感器網絡作為多學科交叉的研究領域，已成為信息技術研究中各方矚目的重點研究課題之一，并在國防軍事、環境監測、智能交通、公共安全等方面獲得廣泛應用。無線傳感器網絡為人們提供了一種全新的信息獲取方式，但其大規模的使用卻也相應面臨著一系列的技術挑戰，需要從能耗、成本、安全性等方面加以均衡考慮，從而獲得對其完整、全面解決。本文即對此類研究提供了有益的引導和參考。

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