無線傳感器網(wǎng)絡(luò)熱點(diǎn)的研究

　　隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)（ Micro Electro-MechanicalSystem， MEMS） 、低功耗無線電通信技術(shù)、嵌入式計(jì)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(luò)（ wireless sensor network， WSN） 成為現(xiàn)實(shí)。WSN 已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍事、交通、環(huán)境監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)、衛(wèi)生保健、空間探索等各個(gè)領(lǐng)域， 在當(dāng)前國(guó)際上備受關(guān)注， 涌現(xiàn)了許多研究熱點(diǎn)領(lǐng)域。

　　1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

　　傳感器節(jié)點(diǎn)的基本組成和功能包括如下幾個(gè)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(dòng)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(cè)區(qū)域內(nèi)的信息， 并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào); 處理單元由嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成， 包括處理器、存儲(chǔ)器等， 負(fù)責(zé)控制和協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)各部分的工作， 存儲(chǔ)和處理自身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù); 無線通信單元由無線通信模塊組成， 負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)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(diǎn)提供正常工作所必需的能源。

　　2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

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

　?、僖?guī)模大、密度高。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與Ad-ho c 網(wǎng)絡(luò)不同， 通常密集部署在大片的監(jiān)測(cè)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(diǎn)， 以便通過大量冗余節(jié)點(diǎn)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(luò)中， 終端用戶不會(huì)具體關(guān)心單個(gè)節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)， 通常只關(guān)心某個(gè)區(qū)域內(nèi)某個(gè)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的數(shù)值。

　?、劭煽啃圆睢ＥcAd-hoc 網(wǎng)絡(luò)相比， 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障的可能性要大得多。傳感器節(jié)點(diǎn)是通過隨機(jī)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(luò)維護(hù)變得十分困難。

　?、軅鞲衅鞴?jié)點(diǎn)的能力有限。傳感器節(jié)點(diǎn)具有的能量、處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力都是十分有限的。

　?、?與應(yīng)用相關(guān)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是通過感知客觀世界來獲取外界的信息。由于不同的應(yīng)用關(guān)心的信息不同， 使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)只能針對(duì)每一個(gè)具體的應(yīng)用來開展設(shè)計(jì)工作， 不能像Internet 那樣有統(tǒng)一的通信協(xié)議平臺(tái)。由于應(yīng)用的不同， 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的要求也不同， 硬件平臺(tái)、軟件系統(tǒng)和通信協(xié)議都會(huì)有很大的差異。

　　⑥動(dòng)態(tài)變化快。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)能量耗盡、無線通信鏈路斷續(xù)等， 都會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)功能， 這就要求傳感器節(jié)點(diǎn)調(diào)整自身的工作狀態(tài)及網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 以適應(yīng)環(huán)境的變化。

　　3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究熱點(diǎn)

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

　　同時(shí)， 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)又有著工作環(huán)境較差、節(jié)點(diǎn)數(shù)目眾多、節(jié)點(diǎn)能量不易補(bǔ)充等特點(diǎn)， 對(duì)它的研究又有著與一般網(wǎng)絡(luò)不同的要求。從體系結(jié)構(gòu)上分， 可分為基礎(chǔ)層研究問題、網(wǎng)絡(luò)層研究問題、數(shù)據(jù)管理與處理層研究問題、應(yīng)用開發(fā)環(huán)境層研究問題、應(yīng)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(diǎn)的定位問題、網(wǎng)絡(luò)組織管理問題、網(wǎng)絡(luò)傳輸問題、軟硬件設(shè)計(jì)與制造問題、信號(hào)的協(xié)作處理問題、網(wǎng)絡(luò)安全性問題等。

　　下面從功能的角度對(duì)各個(gè)熱點(diǎn)分別給予介紹。

　　3.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)定位

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)通常是采用大炮發(fā)射、飛機(jī)撒播等隨機(jī)布置的方法部署到監(jiān)測(cè)區(qū)域中的， 因?yàn)闊o法預(yù)先確定節(jié)點(diǎn)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(jià)格、功耗、適用范圍及體積等方面的制約， 考慮到費(fèi)用問題， 每個(gè)節(jié)點(diǎn)都帶有定位系統(tǒng)是不現(xiàn)實(shí)的。一般采用的方法是使5%~10% 的節(jié)點(diǎn)帶有GPS， 這種節(jié)點(diǎn)稱為導(dǎo)標(biāo)節(jié)點(diǎn)（ beaco n nodes） 或錨節(jié)點(diǎn)（ 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(diǎn)提供的位置信息和其他節(jié)點(diǎn)通信之間的約束， 估算出普通節(jié)點(diǎn)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(dòng)機(jī)器人研制中也具有很重要的意義。

　　3.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涔芾?/strong>

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾碇饕芯康膬?nèi)容是： 在保證網(wǎng)絡(luò)的覆蓋度和連通性的前提下， 設(shè)置或調(diào)整節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率， 并按照一定原則選擇合適節(jié)點(diǎn)成為骨干節(jié)點(diǎn)參與網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的處理和傳輸， 達(dá)到優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的目的。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中拓?fù)涔芾砜梢苑譃閮蓚€(gè)研究方向： 功率管理和層次拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)管理。功率管理機(jī)制均衡節(jié)點(diǎn)的直接鄰居數(shù)目， 調(diào)整網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率， 保證網(wǎng)絡(luò)連通， 同時(shí)降低節(jié)點(diǎn)之間的通信干擾。層次拓?fù)涔芾硎抢梅执厮枷耄?依據(jù)一定的算法使網(wǎng)絡(luò)中的部分節(jié)點(diǎn)處于激活狀態(tài)并且成為簇首節(jié)點(diǎn)， 然后由這些簇首節(jié)點(diǎn)構(gòu)建一個(gè)連通的網(wǎng)絡(luò)來處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù); 其他節(jié)點(diǎn)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(diǎn)， 以均衡網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量消耗。

　　在有些應(yīng)用中， 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)可能分布在廣大的地理區(qū)域， 如果把整個(gè)應(yīng)用組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)， 即不現(xiàn)實(shí)也難于管理。網(wǎng)絡(luò)的組織管理的關(guān)鍵是如何把網(wǎng)絡(luò)有效地劃分為許多小局域網(wǎng)， 保證每一個(gè)小的局域網(wǎng)中都有一個(gè)節(jié)點(diǎn)代理負(fù)責(zé)管理每一個(gè)小的局域網(wǎng)， 該節(jié)點(diǎn)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(gè)代理節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)管理一定數(shù)目的普通節(jié)點(diǎn)， 如何使每個(gè)代理管理節(jié)點(diǎn)的數(shù)目基本相同并使管理網(wǎng)絡(luò)有著基本相同的網(wǎng)絡(luò)半徑是研究的重點(diǎn)問題; 二是產(chǎn)生簇首， 所有的節(jié)點(diǎn)都是對(duì)等的節(jié)點(diǎn)，這時(shí)根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)能量情況、連接情況選擇合適簇首，負(fù)責(zé)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(luò)的管理形式、拓?fù)浣Y(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(luò)中的傳輸

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸是一個(gè)熱點(diǎn)問題， 由于數(shù)據(jù)傳輸將消耗掉節(jié)點(diǎn)大量的能量， 傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的很多方案不能直接使用， 它的設(shè)計(jì)需要針對(duì)具體應(yīng)用來進(jìn)行。目前， 很多無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中路由算法基本上都是以Flooding 算法為基礎(chǔ)， 通過增加一定的約束條件而形成的。然而每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的大部分能量， 需要通過采用適當(dāng)?shù)穆酚伤惴ǎ?減少網(wǎng)絡(luò)中的通信量和計(jì)算量， 有效延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的壽命。

　　3.4 信號(hào)的協(xié)作處理

　　為了完成對(duì)目標(biāo)的測(cè)量、跟蹤和識(shí)別， 需要具有一定屬性的多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)同工作。這些節(jié)點(diǎn)采用一定的算法交換信息， 對(duì)所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工、匯總和過濾。僅靠單個(gè)的傳感器節(jié)點(diǎn)無法完成這些工作。因此， 節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)的傳遞和信息協(xié)作都影響到網(wǎng)絡(luò)算法的設(shè)計(jì)和能量的消耗。

　　3.5 硬件、軟件的設(shè)計(jì)和制造

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)另一個(gè)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(jī)、微無線通信等技術(shù)， 合理地構(gòu)成微體積、長(zhǎng)壽命的節(jié)點(diǎn)。國(guó)外有些研究所已經(jīng)開始進(jìn)入了裝置設(shè)計(jì)階段， 它的研究設(shè)計(jì)需要考慮依距離遠(yuǎn)近發(fā)送一個(gè)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(luò)節(jié)點(diǎn)的壽命需要合理優(yōu)化設(shè)計(jì)硬件和軟件資源。厘米級(jí)和毫米級(jí)的傳感器節(jié)點(diǎn)成為當(dāng)今的主要研究目標(biāo)。

　　3.6 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全性問題

　　與普通的網(wǎng)絡(luò)一樣， 傳感器接收命令和傳送信息也面臨著安全性的考驗(yàn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是通過無線方式進(jìn)行通信的， 信道更容易被竊聽， 辨別非法消息及非法節(jié)點(diǎn)更加不易。而傳感器節(jié)點(diǎn)本身運(yùn)算能力有限，如何利用較少的能量和較小的計(jì)算量來完成數(shù)據(jù)加密、身份認(rèn)證等， 在破壞或受干擾的情況下可靠地完成任務(wù)也是一個(gè)重要的研究課題。

　　另外， 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還涉及到能量控制、容錯(cuò)機(jī)制、路由選擇等方面的研究。

　　4 結(jié)束語

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景十分廣闊。除了在軍事、監(jiān)控、應(yīng)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(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究熱點(diǎn)進(jìn)行分析和總結(jié)， 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)的定位問題、網(wǎng)絡(luò)組織管理問題、網(wǎng)絡(luò)傳輸問題、軟硬件設(shè)計(jì)與制造問題、信號(hào)的協(xié)作處理問題、網(wǎng)絡(luò)安全性問題等。隨著各項(xiàng)技術(shù)的成熟和發(fā)展， 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究也將取得突破性的進(jìn)展， 其業(yè)務(wù)和應(yīng)用將更加廣泛和成熟。