無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵問題研究

劉皖蘇，董全德，徐 旭

（宿州學(xué)院 信息工程學(xué)院，安徽 宿州 234000）

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵問題研究

劉皖蘇，董全德，徐 旭

（宿州學(xué)院 信息工程學(xué)院，安徽 宿州 234000）

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things,IoT)作為一種能夠?qū)崿F(xiàn)物與物之間廣泛和普遍互聯(lián)的新型網(wǎng)絡(luò)，正在受到世界各國越來越多的關(guān)注和重視.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(W ireless Sensor Networks,WSNs)是物聯(lián)網(wǎng)最重要的基礎(chǔ)支撐技術(shù)之一，是一種新型的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，也得到了廣泛的研究.然而，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在傳感器、節(jié)能、可靠性以及安全方面仍然受到很多限制，許多技術(shù)和問題還有待進一步探索和研究.本文分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一些關(guān)鍵問題，介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域，指出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢.

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；物聯(lián)網(wǎng)；數(shù)據(jù)融合

物聯(lián)網(wǎng)這個術(shù)語首先由Kevin Ashton在1999年提出的.進入21世紀(jì)以來，隨著信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)以及傳感技術(shù)等技術(shù)的發(fā)展,作為物聯(lián)網(wǎng)重要基礎(chǔ)技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于擁有廣闊的應(yīng)用前景，得到了國內(nèi)外廣泛的關(guān)注和研究.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)涉及到網(wǎng)絡(luò)通信、微電子以及嵌入式計算等技術(shù)，是當(dāng)前國際上備受關(guān)注的、多學(xué)科交叉的前沿?zé)狳c領(lǐng)域.目前，國內(nèi)外很多企業(yè)和科研院所對進行了廣泛的研究，美國《商業(yè)周刊》認為WSN是全球未來四大高技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一，是21世紀(jì)世界最具有影響力的4項技術(shù)之一!（高效計算、傳感器網(wǎng)絡(luò)、塑料電子學(xué)和仿生人體器官），他們認為這一技術(shù)將對未來社會進步和人類的生活產(chǎn)生巨大的影響.國內(nèi)的很多高校開設(shè)了物聯(lián)網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)工程等專業(yè)，這使的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)走向教學(xué)和實踐環(huán)節(jié).

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量傳感器節(jié)點相互通信形成的多跳自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)的重要技術(shù)形式[1]，一個典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)可以用圖1來表示，從圖1可以看到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要由簇頭節(jié)點（Sensor node）、匯聚節(jié)點（Sink node）、有線/無線網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控終端組成.隨著無線通信網(wǎng)絡(luò)、傳感器技術(shù)和微電子等技術(shù)的日趨成熟，WSNs可以在任何時間、任何地點、任何環(huán)境條件下獲取人們所需信息，為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展奠定基礎(chǔ).通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)人類可以直接感知客觀世界，可以極大的提高人類認識和改造世界的能力.因此,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍用領(lǐng)域和民用領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用.在軍事領(lǐng)域，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以用于戰(zhàn)場監(jiān)視、戰(zhàn)場偵查、目標(biāo)定位、目標(biāo)識別等方面；在民用領(lǐng)域，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以用于工業(yè)控制、醫(yī)療健康、公共安全等方面[2].

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議（Routing Protocol）

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量傳感節(jié)點組成的一種分布式自組織網(wǎng)絡(luò).與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有節(jié)點能量有限、多對一傳輸和高數(shù)據(jù)冗余等不同特征，這些特征使得傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議不能直接用于無線傳感網(wǎng)絡(luò).

1.1 路由協(xié)議的分類

路由協(xié)議的作用是尋找一條或多條滿足一定條件的，從源節(jié)點到目的節(jié)點的路徑，然后把分組從源節(jié)點發(fā)送到目的節(jié)點.因此，路由協(xié)議的作用主要有兩個：一是尋找從源節(jié)點到目的節(jié)點的最有路徑；另一個作用是轉(zhuǎn)發(fā)分組.與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有節(jié)點能量受限、以數(shù)據(jù)為中心、高數(shù)據(jù)冗余等特征，這些特征使得傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議不能直接用在無線傳感器網(wǎng)絡(luò).無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的設(shè)計，不但要考慮服務(wù)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能，還要考慮降低網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，提高網(wǎng)絡(luò)的能量利用率.

圖1 一個典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

根據(jù)路由協(xié)議的本身特點和應(yīng)用等，可以把路由協(xié)議分為如下幾個類型[3]：

（1）以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議

（2）基于層次結(jié)構(gòu)（樹結(jié)構(gòu)）的路由協(xié)議

（3）基于地理信息路由協(xié)議

（4）基于多路徑的路由協(xié)議：Flooding和Gossiping兩個路由協(xié)議是傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中最為經(jīng)典和簡單的路由協(xié)議，它們都是基于洪泛機制的路由協(xié)議，也可以應(yīng)用到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中.

1.2 路由協(xié)議設(shè)計的關(guān)鍵問題

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議設(shè)計面臨著一些關(guān)鍵性的問題和技術(shù)挑戰(zhàn)，可以歸納為以下幾個方面[4].

1.2.1 能量損耗均衡問題

由于傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的能量受限，所以在路由選擇中如何有效地均衡網(wǎng)絡(luò)負載和能量消耗，延長網(wǎng)絡(luò)的生存時間，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計必須考慮的問題.

1.2.2 協(xié)議的復(fù)雜度問題

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議設(shè)計中，提高網(wǎng)絡(luò)的能量效率和傳輸性能往往通過需要增加協(xié)議的復(fù)雜度來實現(xiàn).但是，由于傳感節(jié)點在能量、處理、存儲和通信等方面的限制，無線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議不能設(shè)計的過于復(fù)雜.否則將增加協(xié)議的開銷，造成不必要的能量浪費.

1.2.3 動態(tài)環(huán)境下的協(xié)議性能問題

無線傳感網(wǎng)絡(luò)的一個具有挑戰(zhàn)性的問題是路由協(xié)議如何自適應(yīng)拓撲結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化，快速的確定和建立備用路由，保證網(wǎng)絡(luò)正常的工作和傳輸性能.

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸協(xié)議（Transport Protocol）

許多無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用要求傳感器網(wǎng)絡(luò)具有可靠的端到端的數(shù)據(jù)傳輸功能.傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)主要使用OSI參考模型中的UDP和TCP協(xié)議控制數(shù)據(jù)傳輸.UDP協(xié)議是面向無連接的傳輸協(xié)議,不提供對數(shù)據(jù)包的流量控制及錯誤恢復(fù);TCP協(xié)議則提供了可靠的傳輸保證,如利用滑動窗口機制進行擁塞控制[7].但由于傳感節(jié)點在能量、計算、存儲等方面的限制，傳統(tǒng)的TCP協(xié)議不能直接用于WSN[5][6].

2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議的特點

跟傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)相比，無線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計必須考慮無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身的特點，具體表現(xiàn)為以下幾個方面的特點.

2.1.1 節(jié)能優(yōu)先

由于傳感節(jié)點的能量是由電池供應(yīng)的，而電池一般不可替代，如果能量耗盡那么節(jié)點就會死亡，甚至?xí)斐删W(wǎng)絡(luò)無法正常工作.為了使網(wǎng)絡(luò)具有更好長的生存時間，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計必須考慮減少能量消耗問題.

2.1.2 多對一傳輸模式

傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)一般采用端到端的通信方式，無線傳感網(wǎng)絡(luò)則是面向信息感知的多對一傳輸模式，這樣做的目的是把傳感節(jié)點感知到到的數(shù)據(jù)傳到匯聚節(jié)點.

2.1.3 以數(shù)據(jù)為中心

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是任務(wù)驅(qū)動的網(wǎng)絡(luò)，相比某個具體節(jié)點所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，用戶通常只關(guān)心與任務(wù)相關(guān)的數(shù)據(jù).因此，傳輸協(xié)議可以不針對某個具體的節(jié)點數(shù)據(jù)的傳輸，而只需保證可靠地完成整個任務(wù)相關(guān)的數(shù)據(jù)的傳輸.

2.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議的分類

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議的分類有多種方法，一般來說根據(jù)功能可以分為擁塞控制協(xié)議和可靠傳輸協(xié)議[8]. 2.2.1擁塞控制協(xié)議

該協(xié)議主要用來防止網(wǎng)絡(luò)擁塞的產(chǎn)生，或者是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生擁塞的時候消除擁塞或者緩解擁塞.

2.2.2 可靠傳輸協(xié)議

該協(xié)議用來保證傳感節(jié)點感知的數(shù)據(jù)能夠有序、無丟失和無差錯的傳輸?shù)絽R聚節(jié)點，向用戶提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù).

3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)融合技術(shù) （Data Aggregation Technology）

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量傳感節(jié)點組成，這些節(jié)點感知檢測的環(huán)境并把信息發(fā)給Sink節(jié)點.為了完成所需要的任務(wù)，傳感節(jié)點要采集大量的數(shù)據(jù)，通常來說要部署的傳感節(jié)點密度比較大，所以很多相鄰的節(jié)點所采集到的數(shù)據(jù)具有某些相關(guān)性甚至是相同的，這容易造成網(wǎng)絡(luò)中存在大量的信息冗余，從而增加通信的能量消耗，降低了網(wǎng)絡(luò)的通信率，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)壽命的降低.因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)來降低網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)冗余，提高網(wǎng)絡(luò)的通信效率，延長網(wǎng)絡(luò)的壽命.數(shù)據(jù)融合可以看作是把許多來自傳感節(jié)點的數(shù)據(jù)融合成有意義的信息的集合[15].在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)里，數(shù)據(jù)融合技術(shù)得到了廣泛的研究[11-14].目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所采用的數(shù)據(jù)融合處理方法有以下幾種[9].

3.1 綜合平均法

綜合平均法把來自多個傳感節(jié)點的數(shù)據(jù)進行綜合平均，也就是把一組傳感節(jié)點提供的數(shù)據(jù)進行加權(quán)平均，把得到的結(jié)果作為融合值.

3.2 貝葉斯估計法

貝葉斯估計法是根據(jù)概率原則對多個傳感節(jié)點觀測的數(shù)據(jù)進行融合，觀測到的數(shù)據(jù)的不確定性用條件概率表示.該方法適用于靜態(tài)環(huán)境中多傳感節(jié)點的數(shù)據(jù)的融合.

3.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法是模擬人類大腦行為的一種信息處理技術(shù).它采用神經(jīng)單元來處理采集到的信息.該方法的自適應(yīng)能力和學(xué)習(xí)能力較強，它的較強的非線性處理能力能夠很好的滿足多傳感節(jié)點數(shù)據(jù)融合技術(shù)的要求.

3.4 統(tǒng)計決策法

統(tǒng)計決策法是一種基于統(tǒng)計決策理論的方法，其觀測的不確定性為可加噪聲，使得不確定性的使用范圍更廣.

4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域

作為一種新型的智能信息技術(shù)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以用在環(huán)境檢測、國防軍事、健康醫(yī)療、智能家居、以及工業(yè)控制等領(lǐng)域[3][4][10].

4.1 無線傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境檢測中的應(yīng)用

環(huán)境檢測是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)早期的應(yīng)用之一.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以用來檢測自然災(zāi)害，可以部署在野生動植物棲息地來檢測野生動植物的生存狀況，也可以部署在地面或水下來檢測空氣或水的質(zhì)量.

4.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)能夠?qū)崟r提供土壤溫濕度、空氣變更、酸堿度、二氧化碳濃度，動植物病蟲害信息、生長信息，農(nóng)作物灌溉情況等，這些信息幫助人們及時發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的問題，從而采取相應(yīng)的措施. 4.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能交通中的應(yīng)用

智能交通應(yīng)用的傳感器可分為侵入式傳感器和非侵入式兩種方式.圖2為一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能交通系統(tǒng)應(yīng)用實例的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu).

圖2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能交通系統(tǒng)應(yīng)用實例

4.4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在健康醫(yī)療方面的應(yīng)用

在健康醫(yī)療方面，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以用來檢測病人的身體狀況，跟蹤他們的活動，從而達到醫(yī)療保健的目的. 4.5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)控制中的應(yīng)用

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以用在工業(yè)控制中來監(jiān)控生產(chǎn)過程或者機器設(shè)備的工作狀況，從而達到提高生產(chǎn)效率，降低設(shè)備維護成本的目的.

5 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢

隨著近些年來物聯(lián)網(wǎng)的興起，對無線傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的研究和應(yīng)用不斷的深入，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出多種發(fā)展趨勢.首先是應(yīng)用多樣性，無線傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境檢測、工業(yè)控制、健康醫(yī)療、智能家居、公共安全等很多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，并且在一些領(lǐng)域也取得了部分應(yīng)用.其次是可管理性，當(dāng)前已經(jīng)出現(xiàn)了一些面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理模型和系統(tǒng)的出現(xiàn).例如，MANNA[9]采用簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（Simple Network Management Protocol,SNMP）的管理思路，通過建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息模型，把網(wǎng)絡(luò)中需要管理的內(nèi)容映射到信息模型中，由代理（agent）進行信息的更新和維護.未來無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將是一個可以支持多應(yīng)用、多平臺、覆蓋范圍大小不等的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（Heterogeneous Network）.該異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)和蜂窩無線移動通信相比，在設(shè)計上有根本的區(qū)別.保羅·薩福曾說:“就如同個人電腦是八十年代的標(biāo)志，萬維網(wǎng)是九十年代的標(biāo)志一樣，下一個巨大的變化，將會是廉價傳感器的到來！”

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TP393

A

1673-260X（2014）04-0024-03

2012年宿州學(xué)院教授(博士)科研啟動基金項目（2012jb01）；省教育廳自然科學(xué)一般項目（KJ2012Z400，KJ2013B285）；省級專業(yè)綜合改革試點項目（2012ZY075）