無線傳感器網絡設計的幾個問題芻議

75706部隊16分隊傳輸室 雷治安

無線傳感器網絡設計的幾個問題芻議

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無線傳感器網絡技術發(fā)展前景廣闊，但在進行網絡設計時，要對其優(yōu)勢和不足加以綜合考慮分析，方能實現網絡優(yōu)化。

無線傳感器網絡；設計；問題

無線傳感器網絡（wireless Sensor Networks，WSN）是以自組織方式構成的無線網絡。該技術綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、網絡技術、分布式信息處理技術和通信技術，在軍事、工業(yè)、醫(yī)療、交通、環(huán)保等諸多方面有著巨大的應用價值，受到人們的普遍關注。WSN具有其他信息探測系統和網絡系統所不具備的獨特優(yōu)勢，同時也具有一定局限性。因而在進行WSN設計時，以下幾個問題是需要我們認真加以考慮的。

一、網絡安全問題

（一）安全路由

WSN監(jiān)測區(qū)域分布的是大量地位平等的傳感器節(jié)點，每個傳感器節(jié)點可以隨時加入或離開網絡，而不會影響整個網絡的正常運行。當某些傳感器節(jié)點由于環(huán)境干擾或人為破壞而不能正常工作時，隨機分布的大量傳感器節(jié)點之間可以協調互補，動態(tài)連接成新的網絡系統，保證局部節(jié)點的損壞不會影響到全局。因此，WSN具有生存能力強的特點。但它也有兩面性，WSN中，大量的傳感器節(jié)點密集分布在一個區(qū)域里，消息可能需要經過若干節(jié)點才能到達目的地，而且傳感器網絡具有動態(tài)性和多跳結構，要求每個節(jié)點都應具有路由功能。由于每個節(jié)點都是潛伏在的路由節(jié)點，加上采用的是無線傳輸信道，因此更易受到攻擊，網絡存在竊聽、惡意路由、消息篡改等安全問題。網絡層路由協議為整個WSN提供了的路由服務，安全的路由算法會直接影響WSN安全性和可用性。安全路由協議一般采用鏈路層加密和認證、多路徑路由、身份認證、雙向連接認證和認證廣播等機制，有效提高網絡抵御外部攻擊的能力，增強路由的安全性。

（二）安全協議

在安全保障方面主要有密鑰管理和安全組播兩種方式。一種是密鑰管理。無線傳感器網絡有諸多限制，例如節(jié)點能力限制，使其中只能使用對稱密鑰和Hash技術。電源能力限制，應使其在無線傳感器網絡中盡量減少通信，因為通信的耗電將大于計算的耗電。傳感器網絡還應考慮匯聚等減少數據冗余的問題。在部署節(jié)點前，將密鑰預先配置在節(jié)點中，通常，預配置的密鑰通過預存的秘密信息計算會話密鑰，由于節(jié)點存儲和能量的限制，預配置密鑰管理方案必須考慮節(jié)省存儲空間和減少通信開銷。另一種是安全組播。無線傳感器網絡可能設置在敵對環(huán)境中，為防止供給者向網絡注入偽造信息，需要在無線傳感器網絡中實現基于源端認證的安全組播。在安全協議方面，出現了大量的研究成果，如傳感器網絡保密協議（Secure Network Encryption Protocol，SNEP），對廣播數據監(jiān)權協議（U TESLA）。安全協議就是從路由安全的角度出發(fā)，尋找盡可能安全的路由以保證網絡安全。

二、能量有限問題

首先是WSN能量的有限性。WSN中傳感器節(jié)點體積微小，一般依賴能量有限的電池供電。其特殊的應用領域和大規(guī)模的應用數量，決定使用中很難對其進行能量更新，一旦電池耗盡該節(jié)點便隨即“死亡”。其次是通信能力的有限性。由于無線通信所需能量與通信距離的n次方成正比，隨通信距離的增加，WSN中傳感器節(jié)點的能耗將急劇增加。受能量的約束，節(jié)點必須在滿足通信暢通和生命周期正常的條件下考慮提高通信距離。同時，受外界地理條件、自然環(huán)境等的影響，無線通信性能可能經常變化，會頻繁出現通信中斷等現象，這也使WSN系統的通信能力受到很大的限制。因此，在WSN設計過程中如何提高能量使用效率和節(jié)點生命周期，是需要考慮的首個重要因素。如何在不影響功能的前提下，盡可能節(jié)約無線傳感器網絡的電池能量成為無線傳感器網絡軟硬件設計中的核心問題?，F在，已有一些解決方法，在大多數網絡應用中，由于傳感器節(jié)點監(jiān)測事件的偶發(fā)性，沒有必要讓所有單元均工作在正常狀態(tài)下，可采用休眠模式，能自適應的休眠和喚醒，進行突發(fā)工作，節(jié)省能量。還可將所有功耗單元有機組合，形成不同狀態(tài)，讓傳感器節(jié)點能根據需要在不同狀態(tài)間切換，這樣既可滿足系統需要，又節(jié)省能量。還可以動態(tài)調節(jié)電壓節(jié)省能量，根據負載狀態(tài)動態(tài)調節(jié)供電電壓，形成一個閉環(huán)控制系統，節(jié)省能量。例如，數據融合技術，就能保證在向匯聚節(jié)點發(fā)送數據前，處理掉大量冗余的數據信息，從而節(jié)省網內節(jié)點能量?？傊?，在滿足系統要求的情況下，采用各種方法降低耗電量非常必要。

三、容錯機制問題

任何一個實用網絡都必須有很好的容錯機制，無線傳感器網絡也是如此。在實際應用中，由于傳感器節(jié)點經常處于惡劣的自然環(huán)境中，有時甚至會長時間離線工作，同時，傳感器多為嵌入式系統裝置，自身出現故障的可能性較高，而且有時節(jié)點的電池會沒電，此外，傳感器網絡中節(jié)點數量大、分布廣的特點也使網絡維護十分困難甚至無法維護。為了保障系統性能，傳感器網絡必須具有很強的容錯性能。現在有很多容錯機制，例如可采用局部恢復、多徑多備份及利用編碼理論等，但采用這些措施都要付出一定代價?？舍槍Σ煌膽铆h(huán)境和要求，采用不同的容錯機制。另外，WSN系統對傳感器節(jié)點這種需要大規(guī)模部署的微型嵌入式系統的要求非常高，包括體積小、價格低、功耗小等。受這些要求的限制，傳感器節(jié)點的計算能力、程序空間和內存空間非常有限，同時面向WSN的算法計算設計也要盡可能簡單，便于在傳感器節(jié)點上實現。

四、網絡結構問題

首先要分析的是WSN網絡結構可擴展性強的一面。WSN是一個動態(tài)網絡，網絡內節(jié)點隨時可能因為種種原因退出或加入網絡。此時，原有的WSN可以有效地容納或剔除變化的節(jié)點，快速形成新的網絡并繼續(xù)原來的工作，無需外界幫助。其次要分析的是WSN網絡結構自組織能力強的一面。WSN是一個節(jié)點對等網絡，每個節(jié)點都具有路由功能，網絡中不存在嚴格的中心控制節(jié)點。其工作的展開不依賴于任何預設的網絡基礎設施，節(jié)點開機后就可以通過自我協調、自動布置，快速、自動地組成一個獨立的網絡。

基于以上兩方面原因，無線傳感器網絡采用的網絡拓撲結構有星形、網狀和混合三種方式，至于采用哪種結構，取決于數據傳輸的數目、頻率、傳輸距離、電池的生命期要求及節(jié)點變化的水平和靈活性。

在星形結構中，業(yè)務流只發(fā)生在基站與節(jié)點之間，基站負責傳輸數據和各種命令消息，并負責與更高水平的網絡之間的通信。星形結構耗能少，但受限于直傳距離。

網狀結構是多跳的系統，業(yè)務流可發(fā)生在各個節(jié)點之間，每個節(jié)點都能與網絡中的其他節(jié)點建立直接的通信鏈路。這些鏈路的建立可基于每個節(jié)點具有等價權利的分布式算法，或基于基站擁有優(yōu)先權的集中式算法，也可是兩者的結合。該結構具備很強的健壯性，因為每個節(jié)點都有多條鏈路連接到其他節(jié)點或基站，一旦某個節(jié)點失敗，網絡馬上會在這個節(jié)點周圍進行重配，保持節(jié)點之間的連接。由于每個節(jié)點都要關心鏈路變化消息，增加了處理負擔，加大了能量消耗。

圖1

星形與網狀混合方式既保持了星形結構低能耗和簡單的優(yōu)點，又具備網狀結構的擴展范圍和自修復功能，其網絡拓撲如圖1所示。

設置一些節(jié)點以星形方式圍繞在路由器或中繼器周圍，這些路由器或中繼器以網狀結構組網。這樣，路由器擴展了網絡的覆蓋范圍，提供了更強的健壯性。無線傳感器的節(jié)點可連接到多個路由器，當某路由器失敗或某鏈路失敗時，網絡就會利用剩余的路由器重新配置，以保持節(jié)點之間連接的連續(xù)性。該結構為節(jié)點提供了極高的靈活性及對網絡節(jié)點數目快速變化的適應性，并能使擴展網絡覆蓋帶來的能量消耗最小，因此，混合組網是自組織無線傳感器網絡的較好選擇。

總之，WSN安全機制、容錯機制、網絡結構、能量問題是網絡設計的關鍵技術，需要高度重視，解決了這些問題，方能實現網絡優(yōu)化，進而成功進行網絡設計，并對無線傳感器網絡大規(guī)模走向應用具有重要的現實意義。