無線傳感器網(wǎng)絡技術中的關鍵性問題

一、引言 

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

二、無線傳感器網(wǎng)絡的特點 

1、 無線傳感器網(wǎng)絡包括了大面積的空間分布 

　　比如在軍事應用方面，可以將無線傳感器網(wǎng)絡部署在戰(zhàn)場上跟蹤敵人的軍事行動，智能化的終端可以被大量地裝在宣傳品、子彈或炮彈殼中，在目標地點撒落下去，形成大面積的監(jiān)視網(wǎng)絡。 

2、 能源受限制 

　　網(wǎng)絡中每個節(jié)點的電源是有限的，網(wǎng)絡大多工作在無人區(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)絡功耗要小以延長網(wǎng)絡的壽命，而且要盡最大可能的節(jié)省電源消耗。 

3、 網(wǎng)絡自動配置，自動識別節(jié)點 

　　這包括自動組網(wǎng)、對入網(wǎng)的終端進行身份驗證、防止非法用戶入侵。相對于那些布置在預先指定地點的傳感器網(wǎng)絡而言，無線傳感器網(wǎng)絡可以借鑒ad hoc方式來配置，當然前提是要有一套合適的通信協(xié)議保證網(wǎng)絡在無人干預情況下自動運行。 

4、 網(wǎng)絡的自動管理和高度協(xié)作性 

　　在無線傳感器網(wǎng)絡中，數(shù)據(jù)處理由節(jié)點自身完成，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)點相關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)絡的又一個特點，由于節(jié)點不是預先計劃的，而且節(jié)點位置也不是預先確定的，這樣就有一些節(jié)點由于發(fā)生較多錯誤或者不能執(zhí)行指定任務而被中止運行。為了在網(wǎng)絡中監(jiān)視目標對象，配置冗余節(jié)點是必要的，節(jié)點之間可以通信和協(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)內的傳感器發(fā)送一個數(shù)據(jù)請求，然后將采集的數(shù)據(jù)送到指定節(jié)點處理，可以用一個多播路由協(xié)議把消息送到相關節(jié)點，這需要一個唯一的地址表，對于用戶而言，不需要知道每個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ad hoc網(wǎng)絡的區(qū)別 

　　無線傳感器網(wǎng)絡作為一種分布式傳感器網(wǎng)絡，和移動ad hoc網(wǎng)絡有相似點，但又有很多不同。移動ad hoc網(wǎng)絡可以用于沒有無線基礎設施存在或出于費用和安全方面的考慮不方便設置無線基礎設施的場合，而傳感器很多時候被布置在近地環(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)絡中的多用戶接口也造成了很高的誤比特率。作為移動通信的兩種基本組網(wǎng)模式之一，移動ad hoc網(wǎng)絡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)絡的節(jié)點比典型的移動終端或手持設備有更多的資源受限要求，但對于計算的要求則是可有可無的，當需要執(zhí)行計算任務時，如果通信成本比計算成本低，計算任務就被送到中心節(jié)點去執(zhí)行。 

三、無線傳感器網(wǎng)絡中的關鍵性問題 

1、 網(wǎng)絡安全協(xié)議問題 

　　傳感器網(wǎng)絡受到的安全威脅和移動ad hoc網(wǎng)絡所受到的安全威脅不同，所以現(xiàn)有的網(wǎng)絡安全機制不適合此領域，需要開發(fā)針對無線傳感器網(wǎng)絡的專門協(xié)議。 

　　一種思想是從維護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)絡的安全。文獻[1]指出，如果路由協(xié)議被破壞導致傳送的消息被篡改，那么對于應用層上的數(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），其思想是找出真實值和節(jié)點之間的關系，然后利用這些真實值去生成安全的路由。該方法解決了兩個問題，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。文中假設兩個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，當節(jié)點的安全等級達不到要求時，其就會自動的從路由選擇中退出以保證整個網(wǎng)絡的路由安全。文獻[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，在接收端內通過前向糾錯技術得到重建。無線傳感器網(wǎng)絡中傳感器的數(shù)量眾多并且功能有限，移動ad hoc網(wǎng)絡中的路由方案不能直接應用到無線傳感器網(wǎng)絡中，所以該文給出了一種網(wǎng)狀多徑路由協(xié)議。此協(xié)議中應用了選擇性向前傳送數(shù)據(jù)包和端到端的前向糾錯解碼技術，配合適合傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)狀多徑搜索機制，能減少信號開支（signaling overhead），簡化節(jié)點數(shù)據(jù)庫，增大系統(tǒng)的吞吐量，相對數(shù)據(jù)包復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放在安全協(xié)議方面，在此領域也出現(xiàn)了大量的研究成果。在文獻[4]中，作者假定傳感器網(wǎng)絡的任務是為高級政要人員提供安全保護的，提供一個安全解決方案將為解決這類安全問題帶來一個普適的模型。在具體的技術實現(xiàn)上，先假定基站總是正常工作的，并且總是安全的，滿足必要的計算速度、存儲器容量，基站功率滿足加密和路由的要求；通信模式是點到點，通過端到端的加密保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?；射頻層總是正常工作?；谝陨锨疤幔湫偷陌踩珕栴}可以總結為： 

（1）信息被非法用戶截獲； 

（2）一個節(jié)點遭破壞； 
（3）識別偽節(jié)點； 
（4）如何向已有傳感器網(wǎng)絡添加合法的節(jié)點。 

　　作者提出的方案不采用任何的路由機制。在此方案中，每個節(jié)點和基站分享一個唯一的64位密匙Keyj和一個公共的密匙KeyBS，當節(jié)點和基站距離超出了預定距離時，網(wǎng)絡會在節(jié)點和基站之間選擇一個節(jié)點作為媒介節(jié)點進行接力；發(fā)送端會對數(shù)據(jù)進行加密，接收端接收到數(shù)據(jù)后根據(jù)數(shù)據(jù)中的地址選擇相應的密匙對數(shù)據(jù)進行解密。這種雙加密方式可以防止暴露節(jié)點數(shù)目和地址，也可以防止數(shù)據(jù)被非法截獲，即使個別節(jié)點被破譯，也只有它自己的密匙泄漏，整個網(wǎng)絡仍然可以正常工作。文獻[5]中介紹了無線傳感器網(wǎng)絡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)點到接收機之間數(shù)據(jù)的鑒權、加密、刷新，µ;TESLA的功能是對廣播數(shù)據(jù)的鑒權。 

2、 大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點移動性管理 

　　這個問題實質上就是沒有無線基礎設施的無線傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點查詢問題。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)絡不適用，因此在設計工作中應該盡量避免使用全局泛洪法。擴展環(huán)搜索法（expanding ring search）用增加生存時間（Time-To-Live， TTL）的方式重復泛洪，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。在改善泛洪法的效率方面，文獻[6]中提出的方案是通過減少查詢每個節(jié)點時出現(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。在ad hoc網(wǎng)絡中，查詢節(jié)點是通過基于簇（clusters）和界標（landmarks）的層次表來實現(xiàn)的，這種方式需要在節(jié)點之間設置復雜的協(xié)調機制，當節(jié)點移動時或者簇頭（cluster-head）或界標失敗時，層次表需要重新配置。而且，通常簇頭會成為一個瓶頸，所以我們通常避免這種分層次的協(xié)調表，也避免使用簇頭。 

　　GLS[7]中提出的技術是基于一種所有節(jié)點都已知的網(wǎng)絡網(wǎng)格圖。節(jié)點使用位置服務器保存它們的位置，并用一種基于ID號的算法去更新它們的位置，當節(jié)點尋找指定ID號的節(jié)點位置時，也用這種算法去服務器尋找目標節(jié)點的位置。對于知道網(wǎng)絡的網(wǎng)格圖和它們自己的位置并且知道目標節(jié)點的ID號的節(jié)點，這種方法是一個好方法。 

　　文獻[8]中介紹了一種針對大規(guī)模移動傳感器網(wǎng)絡的查詢方法，這種方法借用了小世界（small worlds）的概念，利用節(jié)點的移動性去提高查詢效率，并引入了關聯(lián)（contacts）的概念。其工作原理是首先在相鄰節(jié)點間建立關聯(lián)，當它們移動時，再關聯(lián)新的相鄰節(jié)點，這樣提高了查詢的效率。與傳統(tǒng)的路由查詢方式不同，這種設計基本目標不是去優(yōu)化路由或者響應延時，而是去減少通信的系統(tǒng)開銷，這一點在能量受限的環(huán)境中非常重要，特別是對于傳感器數(shù)量眾多的網(wǎng)絡中的一次性查詢(通信的生存時間很短)。文中給出的協(xié)議是可升級的（scalable）、自動配置的，非常適應節(jié)點的移動性要求。仿真結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％，比擴展環(huán)搜索法則有更大的改善。 

　　針對無線傳感器網(wǎng)絡中的分布式定位，文獻[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)絡參數(shù)，比如差錯分布和連通性等。 

3、 網(wǎng)絡的自動配置和自動康復和維持系統(tǒng)能量有效性 

　　無線傳感器網(wǎng)絡被布置在無人值守的環(huán)境中時，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)點間通信需要中間節(jié)點作為中繼。在地震救災或者是無人飛行器中，網(wǎng)絡的自動配置和自動康復功能顯得異常重要，而大規(guī)模的多跳無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的可測量性（scalability）也是一個關鍵問題。實現(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），即用某種簇標準將網(wǎng)絡節(jié)點分成簇組（clusters），在每個簇中選出一個作為簇頭（leader），它在比較高的層次上代表本簇；同樣的機制也應用到簇頭中，使之形成一個層次，這個層次中，每個級別應用當?shù)乜刂疲╨ocal control）去實現(xiàn)某個全局目標。大多數(shù)無線網(wǎng)絡中的分類思想認為網(wǎng)絡與地理位置無關，分類的標準是簇里的節(jié)點數(shù)量和簇間的邏輯直徑（相對于地理直徑而言）。但是，當簇頭（cluster leader）和簇內其它節(jié)點間的鏈路很長，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，一個非簇頭（non-leader）節(jié)點和它的簇頭節(jié)點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，由此帶來的結果是網(wǎng)絡的壽命和通信質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量和有效性，在設計簇算法時，簇的地理半徑應該考慮。文獻[10]提出，在傳感器節(jié)點內用一種簡單的細胞聚類結構去構成路由協(xié)議，這樣可以維持一種可測量的能量有效的系統(tǒng)，其關鍵的問題是使這種細胞簇結構具有自動康復性。作者針對大規(guī)模多跳傳感器網(wǎng)絡的自動配置和自動康復提出了一種分布式算法，這種算法可以保證網(wǎng)絡節(jié)點在二維空間里自動配置成細胞簇結構，其細胞單元有緊湊的地理半徑，細胞單元之間的交疊也很小。這種結構在各種擾動下是自動康復的，比如節(jié)點加入、離開、死亡、移動、被敵方捕獲等。文獻[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簇操作來處理擾動的，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[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，當簇間存在比較大的交迭時，這種方法會降低無線傳輸?shù)挠行?。另外，它的康復不在本地處理，而是依賴于消息在整個系統(tǒng)中的多次循環(huán)。文獻[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，要求每個節(jié)點都有全球定位系統(tǒng)（GPS）的支持。 

4、 系統(tǒng)功耗問題 

　　無線傳感器網(wǎng)絡應用于特殊場合時，電源不可更換，因此功耗問題顯得至關重要。 

　　在系統(tǒng)的功耗模型中，我們最關心的是： 

（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，每個功能塊的功耗量，及它與哪些參數(shù)有關； 
（3）在發(fā)射功率受限的情況下，發(fā)射功率和系統(tǒng)功耗的映射關系； 
（4）從一種操作模式轉換到另外一種操作模式(假設可以直接轉換)的轉換時間及其功耗； 
（5）無線調制解調器的接收靈敏度和最大輸出功率； 
（6）附加的品質因數(shù)（如發(fā)射前端的溫漂和頻穩(wěn)度、接收信號場強指示(RSSI)信號的標準等）。 

　　基于以上考慮，文獻[14]提出了一種自組織低功耗網(wǎng)絡的協(xié)議i-Beans，并具體說明了此網(wǎng)絡的功耗。比如，用一個220mAh的小紐扣電池供電，網(wǎng)絡的平均消耗電流是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。 

　　為了克服遠程無線傳感器網(wǎng)絡面臨的電池工作時間短的問題，美國Millennial Net公司已經(jīng)將其i-Bean無線技術與來自新興公司Ferro Solutions的“能量獲得（energy harvesting）”技術結合在一起，雙方最近展示了一個靠感應振蕩能量轉換器工作的i-Bean無線發(fā)射機。這種轉換器能由在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，西安交通大學的黃進宏等在文獻[15]中提出了一種基于能量優(yōu)化的無線傳感網(wǎng)絡自適應組織結構和協(xié)議ALEP。與傳統(tǒng)的無線微傳感器網(wǎng)絡協(xié)議相比，ALEP更加充分地考慮到實際應用。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)絡的能量利用率，顯著延長了無線網(wǎng)絡的生命周期，增強了網(wǎng)絡的健壯性。通過對ALEP協(xié)議進行OPNET仿真，結果顯示該協(xié)議與傳統(tǒng)模式的無線微傳感器網(wǎng)絡協(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、結束語 

　　雖然無線傳感器網(wǎng)絡的應用前景十分美好，但由于當前若干技術難題，還不能走向廣泛應用。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峻的挑戰(zhàn)。文中提到的各種算法還有待于在工程實現(xiàn)中去檢驗它的實用性。 

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