基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信體系的分析

張 君

（太原航空儀表有限公司，山西 太原 030006）

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述及特點(diǎn)

1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念

無線傳感器由多個(gè)低廉的小型傳感器部件構(gòu)成，多個(gè)傳感器可以組成一個(gè)多級(jí)傳感互聯(lián)系統(tǒng)，其被稱為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[1]。傳感器網(wǎng)絡(luò)涵蓋了傳感器、感應(yīng)目標(biāo)以及監(jiān)察部分3個(gè)方面，其關(guān)鍵功能是感應(yīng)、搜集以及處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋領(lǐng)域內(nèi)所接收到的目標(biāo)信息，并將信息轉(zhuǎn)移到監(jiān)察部分。現(xiàn)如今，無線傳感器綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)以及通信技術(shù)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到了多個(gè)領(lǐng)域，如軍事、醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)以及空間探索等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成及應(yīng)用與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)有著很大的差別，其應(yīng)用前景非常廣闊。

1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有其顯著的特質(zhì)，其重點(diǎn)特質(zhì)包括以下4個(gè)方面。

1.2.1 規(guī)模化

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)會(huì)在應(yīng)用范圍里放置多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，如大范圍的森林防火監(jiān)控，為了提取準(zhǔn)確的信息數(shù)據(jù)，會(huì)在森林監(jiān)控的范圍里會(huì)投放多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而獲取更多信息。傳感器網(wǎng)絡(luò)的規(guī)?；刭|(zhì)分成兩類，第一類是在監(jiān)測(cè)范圍空間較大的監(jiān)測(cè)環(huán)境里需要安置更多的傳感器節(jié)點(diǎn)，第二類是在監(jiān)測(cè)范圍空間較小的監(jiān)測(cè)環(huán)境里需要安置密集化的傳感器節(jié)點(diǎn)。

1.2.2 主動(dòng)組織性

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)一般任意安置在沒有基本構(gòu)架的環(huán)境里，每一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的定點(diǎn)都是不明確的，節(jié)點(diǎn)間的聯(lián)系也是未知的。例如，在森林中運(yùn)用飛機(jī)自天空任意拋出一定數(shù)目的傳感器，或者將傳感器隨機(jī)安置到一些人為不可達(dá)的危險(xiǎn)領(lǐng)域。這時(shí)就需要無線傳感器節(jié)點(diǎn)的主動(dòng)組織性，利用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和拓?fù)湔{(diào)控構(gòu)造自動(dòng)組成的無線數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，自己安置定點(diǎn)位置并自我管理。

1.2.3 動(dòng)態(tài)化

一般的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)造會(huì)因?yàn)橐恍┪粗囊匕l(fā)生改變，如傳感器節(jié)點(diǎn)能源耗盡產(chǎn)生的傳感器節(jié)點(diǎn)失靈、其他新傳感器節(jié)點(diǎn)的融入或者外界自然條件的變化造成無線通信網(wǎng)絡(luò)的變化等，因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要適應(yīng)此類要素，隨機(jī)應(yīng)變。

1.2.4 有效性

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)適用于人為不可達(dá)的危險(xiǎn)地區(qū)，傳感器節(jié)點(diǎn)一般是任意安置且顯露在自然中，可能會(huì)遭到自然力量、人為以及動(dòng)物的破壞。為了獲取準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并確保其實(shí)時(shí)性，傳感器節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造要不易被破壞，體現(xiàn)出有效性的特質(zhì)。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多信道通信體系

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)在其輸送、收集以及處置信息時(shí)，很可能會(huì)受到其他因素的影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)令整體傳感器網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)誤區(qū)，從而影響整體通信的精準(zhǔn)性和有效性。多信道通信技術(shù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造中的使用非常廣泛，散布在不同通道的各部分節(jié)點(diǎn)能夠通過多信道通信技術(shù)傳遞資訊，降低傳感器受外部影響的概率。如此看來，在無線傳感器中應(yīng)用多信道通信技術(shù)可以增強(qiáng)通信品質(zhì)、確保傳感器網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的平穩(wěn)性和有效性以及改善通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造。

2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信存在的具體問題

2.1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層問題

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層主要包括擁塞攻擊和物理纂改兩個(gè)方面的問題。擁塞攻擊指的是攻擊方多次向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送信息包，使傳感器間的通信無法正常開展，物理篡改指的是攻擊方一旦搜索到了傳感器節(jié)點(diǎn)并獲得了對(duì)應(yīng)的隱私資料，那么其就能夠輕松獲取到高層信息。

2.1.2 鏈路層問題

鏈路層的攻擊形式包括碰撞攻擊和非公平競(jìng)爭(zhēng)等。關(guān)于碰撞攻擊問題可以表述為當(dāng)兩個(gè)傳感器同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送的信號(hào)就會(huì)同時(shí)出現(xiàn)，而接收方的設(shè)備無法識(shí)別此類信息，那么兩者就會(huì)出現(xiàn)沖突，在網(wǎng)絡(luò)中此信息就會(huì)被自動(dòng)忽略。在發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)過程中，攻擊方趁機(jī)也發(fā)送信息，開展碰撞攻擊，這樣很大概率會(huì)造成碰撞沖突，導(dǎo)致信息無法順利發(fā)送。關(guān)于非公平競(jìng)爭(zhēng)問題，其屬于風(fēng)險(xiǎn)性較高的攻擊，防范較為困難。例如，攻擊方會(huì)找到發(fā)送方其中的一個(gè)傳感器，了解到網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議，進(jìn)而向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)輸送比發(fā)送方級(jí)別更高的信息包，由此進(jìn)行非公平競(jìng)爭(zhēng)。

2.1.3 路由層問題

大部分對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的攻擊，都是針對(duì)路由層開展的，主要可分為內(nèi)部攻擊和外部攻擊。內(nèi)部攻擊有變更路由信息和攻擊方偽裝成網(wǎng)絡(luò)中的路由等，外部攻擊有直接對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開展攻擊等。傳感器屬于一個(gè)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)擁有路由功能，會(huì)直接轉(zhuǎn)發(fā)接收到的信息，攻擊方會(huì)根據(jù)這一特質(zhì)攔截信息，使節(jié)點(diǎn)無法轉(zhuǎn)發(fā)信息。例如，大部分攻擊方會(huì)運(yùn)用女巫攻擊，其主要是對(duì)多節(jié)點(diǎn)的路由層造成威脅。多個(gè)節(jié)點(diǎn)要想正常的運(yùn)轉(zhuǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)必須擁有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)身份，而女巫攻擊指的是偽裝一個(gè)重復(fù)的身份，使原身份失效，這樣將要獲取的信息，都會(huì)被這個(gè)偽裝身份攔截，然后攻擊方會(huì)發(fā)送偽裝信息給其他節(jié)點(diǎn)，其他的節(jié)點(diǎn)就會(huì)認(rèn)為這個(gè)偽裝信息是正確的，從而攻擊方就會(huì)阻礙整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.2 針對(duì)傳感器通信問題提出的對(duì)策

2.2.1 無線傳感器物理層擁塞攻擊和物理篡改的防范對(duì)策

擁塞攻擊對(duì)單頻點(diǎn)的傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生威脅，要想處理好此問題，可以利用寬頻和調(diào)頻等辦法。例如，攻擊方運(yùn)用全頻段的攻擊形式，要想確保各個(gè)節(jié)點(diǎn)的安全，就要更改信號(hào)輸送的形式，通過紅外線來代替無線電傳播。

關(guān)于物理篡改攻擊的處理辦法，不能在網(wǎng)絡(luò)上直接實(shí)施，只能加固各節(jié)點(diǎn)的安全防范，如在節(jié)點(diǎn)設(shè)置完之后打開自我維護(hù)功能，不論怎樣被篡改，節(jié)點(diǎn)感應(yīng)到威脅就自動(dòng)刪除內(nèi)部信息并斷開網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)對(duì)不可刪除的信息展開加密，使得攻擊方即便獲得了信息，也無法解密。

2.2.2 鏈路層碰撞攻擊和非公平競(jìng)爭(zhēng)的防范對(duì)策

碰撞攻擊的防范策略主要包括糾錯(cuò)編碼和信息包重新上傳等，應(yīng)用糾錯(cuò)編碼來恢復(fù)信息，以降低碰撞的干擾。如果碰撞攻擊只是短時(shí)間攻擊，且干擾的數(shù)據(jù)很少，那么應(yīng)用糾錯(cuò)編碼是有效的，但如果是長(zhǎng)時(shí)間的干擾，這樣會(huì)損壞更多的信息，在此狀況下糾錯(cuò)編碼就不可以充分恢復(fù)信息，而且糾錯(cuò)編碼策略也會(huì)提高開銷。此外可以采用信息包重新上傳策略，即基于競(jìng)爭(zhēng)的退避算法，以此降低碰撞的幾率。在鏈路層安設(shè)一個(gè)重新上傳次數(shù)，當(dāng)高于這個(gè)既定次數(shù)時(shí)，就會(huì)消除信息，但此類對(duì)策不能完全規(guī)避沖突，因此還需要深入研究。

非公平競(jìng)爭(zhēng)問題的防范策略主要包括短幀策略和非優(yōu)先級(jí)策略。短幀策略即在鏈路層中不允許運(yùn)用過長(zhǎng)的信息傳輸，這樣每一節(jié)點(diǎn)只在短時(shí)間內(nèi)傳遞信息，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有長(zhǎng)消息傳遞時(shí)，短幀策略就會(huì)提高開銷。非優(yōu)先級(jí)策略即弱化優(yōu)先級(jí)之間的差距，應(yīng)用時(shí)分復(fù)用的形式開展信息傳遞，但要考慮網(wǎng)絡(luò)中的耗能問題。

2.2.3 路由層內(nèi)外部問題的防范對(duì)策

路由層內(nèi)部攻擊的防范較為困難，如在節(jié)點(diǎn)內(nèi)很難找到女巫攻擊的偽裝身份。關(guān)于其防范對(duì)策，可以給每個(gè)傳感器都設(shè)置密碼，在每次信息輸送之前，基站要對(duì)密碼展開檢測(cè)。關(guān)于路由層外部攻擊的防范，可以運(yùn)用共享密碼和鏈路層的加密系統(tǒng)加密輸送的資料，增加攻擊方破解的難度，此外網(wǎng)絡(luò)中安排對(duì)應(yīng)的信息認(rèn)證，充分預(yù)防女巫攻擊。

3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信體系的應(yīng)用

3.1 智能交通測(cè)速系統(tǒng)中的應(yīng)用

交通監(jiān)管不合理會(huì)造成社會(huì)能源耗費(fèi)和交通效率低下等一系列問題，怎樣協(xié)調(diào)路人、汽車以及道路3者之間的聯(lián)系，提高社會(huì)交通通行速率，是交管單位急需解決的問題。交通信號(hào)監(jiān)管是社會(huì)交通監(jiān)管活動(dòng)的關(guān)鍵一環(huán)，交叉路口的信號(hào)燈是交通網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵設(shè)施。交通信號(hào)燈主要以有線連接為主，具有能源消耗大、二次發(fā)掘不便以及不便移植等方面的缺點(diǎn)。而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有反應(yīng)快和設(shè)備價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)，可以捕捉和監(jiān)察車輛，符合社會(huì)交通網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)管需要。其中，ZigBee技術(shù)是交通管理應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)，具有操作簡(jiǎn)易、損耗低、價(jià)格低以及有效性高的特質(zhì)，是一類雙向的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，此外其活動(dòng)頻段很低，能夠在未使用的狀況下保持靜止?fàn)顟B(tài)，降低能源消耗[2,3]。如今，ZigBee技術(shù)逐漸被廣泛地使用在車輛監(jiān)察等方面?；赯igBee技術(shù)組建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組成方式多樣，和普通網(wǎng)絡(luò)相比不用有線連接、修補(bǔ)率低且具有極強(qiáng)的靈活性，不僅能夠搜集汽車和道路的信息，還能夠按照現(xiàn)實(shí)需要拓展內(nèi)容。

3.2 智能家居系統(tǒng)中的應(yīng)用

智能家居系統(tǒng)運(yùn)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等信息化技術(shù)將各類智能家具串接起來，以此給大眾生活打造出更為便捷和舒適的家居生活[4-6]。如今，運(yùn)用的較為普遍的家居傳感器通常都是運(yùn)用有線調(diào)控這一辦法，但整體設(shè)備的組裝價(jià)格及今后保養(yǎng)所需要的資本通常都較為高昂，而且建成之后移動(dòng)使用的幾率較低，而將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)這一發(fā)達(dá)的技術(shù)引入到家庭生活中，其可以對(duì)家具生活的整個(gè)狀態(tài)展開檢驗(yàn)并進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。

在家居系統(tǒng)的研發(fā)中，需要同時(shí)關(guān)注傳感器網(wǎng)絡(luò)的研發(fā)和使用，因?yàn)槠溲邪l(fā)和使用是家居生活體系的中心部分?；ヂ?lián)網(wǎng)路由器和信息的傳遞網(wǎng)絡(luò)是整體家居生活體系的重要構(gòu)成部分，利用路由器和協(xié)議設(shè)備的設(shè)計(jì)，可以最大程度地為家居系統(tǒng)節(jié)約網(wǎng)絡(luò)流量損耗，所以在整體設(shè)計(jì)活動(dòng)中需要關(guān)注傳感器功能的改善。無線傳感器需要對(duì)通信節(jié)點(diǎn)、電線、集中設(shè)備以及收集設(shè)備等展開專業(yè)的組裝測(cè)試，以保障新設(shè)備的有效運(yùn)行。設(shè)備組裝測(cè)試的進(jìn)程涵蓋了多個(gè)部分，若其中任意一個(gè)部分或節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生故障或者是與其他部分缺少充分的調(diào)試，都會(huì)造成整個(gè)體系的不和諧，從而干擾到其作用的實(shí)施，所以電力行業(yè)需意識(shí)到家具生活系統(tǒng)協(xié)調(diào)操作的重要意義，立足于整個(gè)家庭，配合科學(xué)辦法展開建造，對(duì)各部分展開全方位把控，確保家具系統(tǒng)建設(shè)可以一直協(xié)調(diào)穩(wěn)定，提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的有效性。

3.3 航空領(lǐng)域中的應(yīng)用

2007年，由工程和物理科學(xué)研究委員會(huì)（EPSRC）資助的無線互連和主動(dòng)控制系統(tǒng)（Wireless Interconnectivity and Control of Active Systems，WICAS）項(xiàng)目首次提出了WICAS體系結(jié)構(gòu)，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)翼[7]。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括應(yīng)用層、路由層、媒體訪問層以及物理層。其中，應(yīng)用層負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾?，采用聚類策略來定位網(wǎng)絡(luò)中的變化，同時(shí)配有睡眠/喚醒調(diào)度，以確?？煽啃院湍苄?。路由層負(fù)責(zé)使用單跳或多跳通過最佳節(jié)能路由將數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥康牡?。媒體訪問層負(fù)責(zé)避免無線介質(zhì)傳統(tǒng)上的噪聲影響，減少?zèng)_突以增加網(wǎng)絡(luò)的壽命。物理層使用了一種新型調(diào)制和解調(diào)技術(shù)負(fù)責(zé)使用特定載波頻率傳輸數(shù)據(jù)。

2013年，由洛克希德·馬丁公司（Lockheed Martin）開發(fā)的一種秘密的永久自供電的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以徹底改變監(jiān)視周圍環(huán)境的方式。該公司的自組織網(wǎng)絡(luò)（SPAN）系統(tǒng)是“現(xiàn)場(chǎng)即忘”的地面?zhèn)鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)，能夠進(jìn)行不干擾連續(xù)性的監(jiān)視，支持多種任務(wù)和應(yīng)用一同運(yùn)行。SPAN是自組織自修復(fù)傳感器的網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)，使用專有算法處理來自該網(wǎng)格的信息，可減少誤報(bào)，從而提供智能態(tài)勢(shì)感知。SPAN傳感器體量小，因此可以放置在偽裝外殼（如巖石的外殼）中，在整個(gè)區(qū)域中不會(huì)顯眼，從而降低了被發(fā)現(xiàn)和篡改的可能性，提高了持續(xù)監(jiān)視的有效性。此外，其具有極低的功率和良好的電源管理系統(tǒng)，可以從周圍環(huán)境中收集能量，解決了電池的壽命問題和成本問題，減少了人工維修的時(shí)間[8-12]。

SPAN還具有隱蔽性、低功耗自充電以及低誤報(bào)率等優(yōu)勢(shì)，可以很好地應(yīng)用于空天地一體化信息系統(tǒng)中，為飛行員提供更多的信息，便于其完成作戰(zhàn)和搜救任務(wù)。應(yīng)用SPAN的空天地一體化信息系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 應(yīng)用SPAN的空天地一體化信息系統(tǒng)示意圖

4 結(jié) 論

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不斷發(fā)展，其中的技術(shù)和理論還不夠健全，特別是在網(wǎng)絡(luò)安全部分還需要更多的關(guān)注度。由于不能及時(shí)良好地應(yīng)對(duì)其中不斷出現(xiàn)的問題，因此只能通過消耗網(wǎng)絡(luò)性能來提升無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能，但相信隨著社會(huì)信息化的不斷深入，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)和理論會(huì)逐漸健全，應(yīng)用領(lǐng)域也會(huì)逐步擴(kuò)大。