關于無線傳感器網絡WSN的關鍵技術的探究

覃智

摘 要：無線傳感器網絡（WSN）解決了數據的采集、處理與傳輸工作，與通信技術和計算機技術共同構成信息技術的三大支柱。它通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織網絡系統，以協作感知、采集、處理和傳輸網絡覆蓋地理區域內有效信息，并最終發送給信息搜集者。它可以快速組網并實時感應、獲取預先設定的各種有價值信息，使人們可以在更大范圍內感知世界，盡可能多地獲取信息。WSN在通信、計算機、自動化等領域都有涉獵，并融合了傳感器技術、無線自組織網絡技術、分布式系統技術、嵌入式系統技術等技術。由此來看，無線傳感器已然成為了多科學交叉前沿研究熱點，吸引了眾多科技工作者的同時，對于他們的專業能力的要求也很高。

關鍵詞：無線傳感器網絡 關鍵技術 節點結構

中圖分類號：TP212.9 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）04（c）-0004-02

傳感器節點構成了無線傳感器網絡（WSN），而無線通信又將這些傳感器節點連接起來。在當代社會，無線傳感器網絡（WSN）的優點逐漸顯露出來，吸引了越來越多的科學技術從業者參與到了該工程的研究工作當中，并努力將這一新興交叉研究成果盡可能廣泛地應用到社會生活的各個領域中。而由于這一研究工作對于工作人員的專業素質要求極高，涉獵范圍廣、難度大、需要的技術支持復雜且規模大，注定了這必將是一長期奮斗的過程，而這一過程中，做好對無線傳感器網絡（WSN）的發展現狀以及其發展的關鍵技術的研究極其重要。

1 無線傳感器網絡（WSN）基本現狀

1.1 特點

與其他的無線通信網絡相比，無線傳感器網絡（WSN）有其自身的顯著特點，并在其不斷地發展一個新規程中顯露出來。分布式、自組織性：它是由對等節點構成的網絡，不存在中心控制，靈活性強，不依賴固定的基礎設施和人為手段；健壯性：隨機分布大量節點，應對節點損壞問題，具有較強的整體性；可擴展性：可兼容新增節點；動態拓撲：面對環傳感器節點故障或失效等傳感器拓撲結構可能發生變化的問題，無線傳感器網絡（WSN）具有動態的系統可重構性；應用相關：無線傳感器網絡（WSN）不能像因特網那樣具有統一的通信協議平臺，必須針對其具體應用來研究傳感器網絡技術；規模大：這一點包含了兩方面：一方面是傳感器節點分布在大的地理區域范圍內；另一方面是傳感器節點部署很密集；高冗余：大量冗余節點的存在，是系統具有很強的容錯性；以數據為中心：傳感器網絡通常以數據本身作為查詢或傳輸線索，不需要點對點通信。

除了以上這些自身的優點以外，它也存在一些局限性。比如節點自身的大小也有其要求，過大容易被發現，過小自身的內存也受限，不能完美的發揮無線傳感器網絡（WSN）的作用；或者所部署網絡的環境過于惡劣，無線傳感器網絡（WSN）的一個重要作用就是幫助人類更大范圍的感知世界、獲取信息，而由于所處的環境因素，對其要求也更是嚴苛；各種局限性也時刻要求著科技工作者們對無線傳感器網絡（WSN）進行更深入的研究。

1.2 應用

美國是第一個從事無線傳感器網絡（WSN）研究的，并將其應用到了軍事領域，在我國該領域研究起步較晚，但到21世紀，無線傳感器網絡（WSN）基本上已經得到廣泛應用，但由于受科學技術發展的局限，其應用的范圍也有限。在當代社會，世界各國基本已經實現了將無線傳感器網絡（WSN）在環境監測、醫療護理、目標跟蹤、軍事領域。國防安全、工業領域安全監測以及工業自動化生產等領域。

2 無線傳感器關鍵技術

2.1 路由協議

設計傳感器網絡路由協議主要是為了尋找建立高效路徑和傳感器節點到接收器節點可靠的數據傳輸的方法，盡可能地延長其使用的年限。與傳統的有線網絡和蜂窩式無線網絡不同，由于無線傳感器網絡（WSN）中沒有基礎設施和統一的面向全網的控制中心，因而在這種無中心控制的狀態下路由機制可以廣泛的獲悉網絡動態拓撲信息，并以一定方法計算路徑并維護路徑，使其正常運行。無線傳感器網絡（WSN）中路由協議的主要任務是建立一個源節點到目的節點的最優化路徑，并通過這個優化路徑傳輸信息。在無線傳感器網絡（WSN）中，路由協議具備以下幾點特點：第一，能量優先。由于在無線傳感器網絡中，節點的能量是有限的，延長整個網絡系統的使用年限是當前亟需解決的主要問題。因此，才設計路由協議的過程中，應將著手點擋在解決節點能量過快消耗這一問題上，建立一個可以高效的利用節點能量的機制；第二，基于局部拓撲信息。通常情況下，無線傳感器網絡（WSN）為了節省通信能量，多采用多跳的通信模式，而有限的節點不能存儲大量的信息，也不能進行更深層次的路由計算。面對這一情況，建立一個簡單高效的路由機制對無線傳感器網絡設計具有十分重要的意義；第三，可擴展性。面對無線傳感器網絡（WSN）節點失效或者新增節點的問題，或者面對無線傳感器網絡（WSN）所部署的外部環境因素的影響，路由協議的可擴展性（也可以稱其為兼容性）可以十分有彈性的解決一系列可能出現的動態拓撲問題；第四，應用相關。由于無線傳感器網絡（WSN）的應用單位以及場所的不同，造成了數據通信模式不同，每個應用都需要特定的路由機制。設計者應該具體問題具體分析，特定的應用建立特定的路由機制。

2.2 安全技術

安全問題是一個系統正常平穩運行的基礎，且這一問題關乎到數據的安全性，對其自身系統的發展也發揮著重要作用。而無線傳感器網絡的應用就是為了為人力所不便，這一系統多數應用在人煙稀少的地區或者敵方地區，過分開放的網絡環境和開放的傳播媒介，使得該系統部署區域潛藏著各種各樣的安全問題，極易受到各種各樣的攻擊。這也就解釋了無線傳感器網絡（WSN）需要安全技術來支持其自身正常運轉的原因，也正是如此，安全技術對于無線傳感器網絡（WSN）的正常運行、快速發展具有重要意義。針對無線傳感器網絡（WSN）安全問題，該領域研究工作的出發點是解決信息的機密性、完整性、消息認證、組播/廣播認證、信息新鮮度、入侵檢測以及訪問控制問題。其中安全技術主要包括密鑰算法、安全協議、密鑰管理、認證、安全路由、入侵檢測、拒絕服務攻擊（DOS攻擊）和訪問控制等，在部署無線傳感器網絡（WSN）時可利用實體認證、密鑰管理等技術，確保任務的安全性（保密性）以及信息安全，并在相對安全的網絡環境下完成任務。密鑰算法，也稱為密碼算法，由于無線傳感器網絡（WSN）缺乏網絡基礎設施、節點數量有限造成的資源受限、因是新興技術科技不能支持其正常運行，在這一系統中許多現有的密碼算法都不能直接使用。目前主要使用對稱密碼算法，有時也會使用非對稱的密碼算法。由于密碼算法成本低，使得許多該領域的研究工作者都投入到這一技術的研究當中；SNEP是A.Perrig.等專門為無線傳感器網絡（WSN）打造的一個能夠有效保障數據的機密性、完整性以及新鮮性安全協議；作為無線傳感器網絡（WSN）的安全基礎，密鑰管理的重要性也是不言而喻。本著解決無線傳感器網絡（WSN）安全問題的原則，所有網絡節點不能夠共享一個主密鑰方式。是以目前許多研究者有針對性地提出了幾個可行的密鑰管理方式，其中包括：每對節點之間都共享一對密鑰；每個節點與基站之間共享一對密鑰；基本的隨機密鑰分配模型以及使用部署知識的密鑰分配模型等。當然，這種多方式的密鑰管理機制所需的研究工作任務繁重，對人才的專業素養水平要求也是極高。認證技術主要分為三種：一是內部實體之間認證；二是網絡和用戶之間認證；三是廣播認證。對于內部實體之間的認證，傳感器網絡密鑰管理是其實現的基礎，在這一方面它和上一關鍵技術密鑰管理技術緊密相關，都是利用對稱密碼學來實現內部實體之間的認證，使共享密鑰的內部實體能夠相互認證。用戶是利用無線傳感器網絡（WSN）收集數據、采集信息的主體，當這一信息采集指令需要被實現時，就需要通過傳感器網絡的認證，這就是所謂的網絡和用戶之間的認證。廣播認證，可以說是效率較高、最節約能量的一種通信方式。研究傳感器網絡廣播認證，保證廣播實體和消息的合法性，對于無線傳感器網絡（WSN）的研發具有重要意義。

2.3 無線傳感器節點

在無線傳感器網絡（WSN）系統中，傳感器節點（sensor）、匯聚節點（sink node）和管理節點作為三大基本要素在該系統中占據了主要作用。無線傳感器網絡節點通過自組織的動態拓撲方式，構成了整個無線網絡系統，被傳感器節點采集的數據通過其他傳感器節點進行傳輸，并在傳輸過程中被多個帶有不同指令的傳感器節點處理，然后以多跳的方式匯聚到匯聚節點，最后這些數據會被衛星或者互聯網匯聚到管理節點。在系統運行過程中，實體用戶通過管理節點發布指令，并采集監測數據。傳感器網絡節點的組成和功能主要包括四個部分：傳感單元、處理單元、通信單元以及電源部分。此外，可以選擇的其他功能元素還包括：定位系統、運動系統以及發電裝置等。針對節點的數量有限、能量有限、其能量無法補充這一短板，越來越多的工作人員從節省能量、發揮節點最大效益這一出發點出發，投身于對節點的研究工作當中，努力尋找一個既可以控制節點數量又可以有效利用節點的能量，使其可以最大限度地發揮作用，發揮自身的最大效益，并延長其使用年限，為此，無線傳感器節點在網絡運行過程中的作用也是至關重要，針對節電技術的研究也應該更加深入。

3 結語

除了上文提到的，無線傳感器網絡的關鍵技術還包括覆蓋控制技術、數據融合技術、嵌入式系統等技術，他們也都對無線傳感器網絡的正常運行起到了技術支持作用。作為一門新興技術，無線傳感器網絡（WSN）對當代社會以及未來社會的各種可能性還不為世人所知。隨著科學技術的不斷發展，人們對該領域的研究也不斷加深，人們將要面對的問題也會不斷浮現出來，這就需要該領域的研究人員們抓緊研究，解決已經出現的或者將來可能出現的問題。隨著越來越多的領域應用到了無線傳感器網絡，這就意味著在將來社會這一技術可能會普及，目前我們能夠做的就是對其發展加大關注力度，為實現無線傳感器社會各方面的對接做出努力，從而使其更好地服務于人類，促進人類的進步。

參考文獻

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