海上通信環境中無線傳感器網絡基礎設施研究

王涵

摘 要：無線傳感器網絡基礎構架受不同應用環境的影響，具有動態性和適用性，如何構建一個適用特定環境的無線傳感器網絡一直以來都是大多研究人員關心的難點問題。文章首先綜述了無線傳感器網絡的相關基礎知識，進一步介紹了關于該網絡基礎設施的主要研究內容，最后探討了如何構建適用海上通信環境下的無線傳感器網絡基礎設施。文章只是做了一個探討性研究，希望對后續的相關研究能有一定的啟發作用。

關鍵詞：無線傳感器網絡；海上通信；基礎設施

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks，WSN）與傳統網絡技術不同，它是通過利用各類傳感器，對處于該傳感網絡范圍內的傳感器節點，進行節點信息的監測與收集并對其處理，然后將處理的信息通過自組織網發給觀測者。隨著電子通信技術的高速發展，特別是5G和物聯網等前沿技術發展，無線傳感器網絡得到了越來越多企業和學術界的廣泛關注，已成為新一代技術中的研究熱點[1]。無線傳感器網絡可以應用在多個領域，包括環境監測、醫療衛生領域、軍事領域、車輛監控等[2]。由于傳感器節點自身特點，如：節點能量小、節點的通信距離受限、自身計算能力受限、節點分布廣、無線傳感網絡具有動態性等，這些使得無線傳感器網絡的研究面臨一些挑戰，同時由于其所具備的一些優勢特性，給無線傳感器網絡研究帶來了機遇和挑戰[3]。對WSN技術方面的研究主要有網絡通信、基礎設施、中間件即使、數據管理技術及節點技術等。然而，在現有的研究資料中，基于海上通信環境的無線傳感器網絡的研究相對較少，本文主要對海上環境中的無線傳感器網絡基礎設施進行了探討性研究。

1 WSN 基礎設施的關鍵技術

本節研究主要包括有拓撲控制、節點定位、時間同步、路由安全、能量管理、QoS管理等。本節主要是對這些進行了分類討論。

1.1 拓撲控制

無線傳感器網絡中拓撲控制的關鍵在于如何在滿足網絡覆蓋度和連通度的前提下，最小化網絡的能量消耗，這些是通過功率控制或拓撲控制來實現的。首先，從功率控制定義出發：在一定前提下，即滿足給定的網絡覆蓋和連通的情況下，控制無線傳感器網絡節點發射功率，使得網絡節點的功率消耗最小。功率控制問題在傳感器節點部署在更高維度時，更為復雜。

1.2 節點定位

在無線傳感器網絡應用中，至關重要的一個方面是位置信息，缺失位置信息的數據毫無意義。由此可知，WSN中的節點定位是其關鍵技術?，F階段主要有兩類傳感器節點定位方法：一種是基于測量距離的定位方法；另一種是與測量距離無關的定位方法。

前者是利用測距技術測量相鄰節點間的實際距離或方位，然后利用相關計算方法進行準確定位。后者則是基于其他的原理。

1.3 時間同步

無線傳感器網絡中的節點都具有相應的時鐘。由于存在環境干擾以及不同節點的晶體振蕩器頻率存在誤差，因此時間誤差不可避免，只可能存在時間同步精度上的問題。時間同步在無線傳感器網絡的協同工作中發揮著重要作用。由于傳統其他系統中的時間同步機制并不適用于無線傳感器網絡，關于傳感器網絡時間同步問題需要進一步研究。

1.4 路由安全

現有的無線傳感器網絡中的路由協議易受攻擊。路由安全與否決定網絡信息的是否可以正常傳遞。關于路由安全方面受到很多學者的關注。文獻[4]中，作者采用認證抵御惡意注入的方法，提出一種新的路由安全方法。文獻[5]提出了一種隨機化廣播加密（Randomized Broadcast Encryption，RBE）方案。文獻[6]中，作者提出了一種基于廣播基站隨機檢測節點是否能接收到其廣播信息的方法。

2 海上環境中的無線自組織網絡基礎設施

海上通信環境中，如何才能在保證正常網絡連接和覆蓋下實現更好的通信、最大限度節約能量，是海上WSN拓撲控制的研究重點。關于功率控制方面，已經研究學者提出了統一功率分配算法[7]和基于節點度數的算法[8]等。關于層次拓撲控制方面，現階段已有的方法包括成簇算法、虛擬地理網格分簇算法。在研究分析了各算法的優缺點后，考慮到海上環境的特殊海情，網絡覆蓋面積廣，節點距離遠，因此，WSN的節點功率要求較高，連通的難度也更大，因此，考慮在WSN拓撲控制上采用統一功率分配算法和虛擬地圖網格分簇算法，最大程度綜合網絡覆蓋和連通的要求。

時間同步的關鍵問題上，海上的網絡節點密度小，為保證同步精度與能力有效性之間的平衡，因此，可以考慮采用文獻[9]提出的同步機制，該方法對比原先的參考廣播同步算法能降低能耗，該方式通常不需要時間同步，僅當檢測到事件發生時才采用相關機制進行時間同步。這種同步機制也非常適用于海上環境的WSN網絡。

海上環境中，節點位置會受風浪、海流等的影響發生變動，因此，對它的節點定位不能采用那種固定的基于測量距離的定位方法。節點的拓撲是動態的，各節點距離時刻發生變化，文獻[10]提出了定位算法報文最大生存時間（Maximum Segment Lifetime，MSL），它適于靜止和移動節點組合的無線傳感器網絡，所需節點密度低，定位時間短，精度高，但需要耗費更大?？梢钥紤]通過對該算法的改進研究，得出適用于海上環境的節點定位算法。

基于海上環境無線傳感器網絡安全問題研究相對較少，還需解決的問題還很多，如：如何利用有限內存空間管理大量預分配密鑰、支持新節點加入的密鑰預分配技術、安全路由方法、低能耗加密方法、安全網內數據處理技術等問題。由于知識有限，所以對這方面未進行較多探討，但是基于安全路由方面，結合之前的一些研究結論，可以考慮利用上述方法來展開海上的無線傳感網絡路由安全研究。

3 結語

目前WSN研究工作主要集中在網絡技術和通信協議方面。本文對WSN中基礎設施的關鍵技術問題進行了分析，包括拓撲控制、時間同步、節點定位、能量管理、路由安全、QoS管理。在現有的研究基礎上，結合海上通信環境這一特定場景，討論了海上環境下的WSN基礎設施相關技術，并得出相關結論。

[參考文獻]

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