關(guān)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN的關(guān)鍵技術(shù)的探究

覃智

摘 要：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）解決了數(shù)據(jù)的采集、處理與傳輸工作，與通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)共同構(gòu)成信息技術(shù)的三大支柱。它通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，以協(xié)作感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域內(nèi)有效信息，并最終發(fā)送給信息搜集者。它可以快速組網(wǎng)并實(shí)時(shí)感應(yīng)、獲取預(yù)先設(shè)定的各種有價(jià)值信息，使人們可以在更大范圍內(nèi)感知世界，盡可能多地獲取信息。WSN在通信、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化等領(lǐng)域都有涉獵，并融合了傳感器技術(shù)、無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、分布式系統(tǒng)技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)等技術(shù)。由此來(lái)看，無(wú)線傳感器已然成為了多科學(xué)交叉前沿研究熱點(diǎn)，吸引了眾多科技工作者的同時(shí)，對(duì)于他們的專(zhuān)業(yè)能力的要求也很高。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 關(guān)鍵技術(shù) 節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP212.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）04（c）-0004-02

傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN），而無(wú)線通信又將這些傳感器節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)。在當(dāng)代社會(huì)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的優(yōu)點(diǎn)逐漸顯露出來(lái)，吸引了越來(lái)越多的科學(xué)技術(shù)從業(yè)者參與到了該工程的研究工作當(dāng)中，并努力將這一新興交叉研究成果盡可能廣泛地應(yīng)用到社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域中。而由于這一研究工作對(duì)于工作人員的專(zhuān)業(yè)素質(zhì)要求極高，涉獵范圍廣、難度大、需要的技術(shù)支持復(fù)雜且規(guī)模大，注定了這必將是一長(zhǎng)期奮斗的過(guò)程，而這一過(guò)程中，做好對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的發(fā)展現(xiàn)狀以及其發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)的研究極其重要。

1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）基本現(xiàn)狀

1.1 特點(diǎn)

與其他的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)相比，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）有其自身的顯著特點(diǎn)，并在其不斷地發(fā)展一個(gè)新規(guī)程中顯露出來(lái)。分布式、自組織性：它是由對(duì)等節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，不存在中心控制，靈活性強(qiáng)，不依賴(lài)固定的基礎(chǔ)設(shè)施和人為手段；健壯性：隨機(jī)分布大量節(jié)點(diǎn)，應(yīng)對(duì)節(jié)點(diǎn)損壞問(wèn)題，具有較強(qiáng)的整體性；可擴(kuò)展性：可兼容新增節(jié)點(diǎn)；動(dòng)態(tài)拓?fù)洌好鎸?duì)環(huán)傳感器節(jié)點(diǎn)故障或失效等傳感器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能發(fā)生變化的問(wèn)題，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）具有動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)可重構(gòu)性；應(yīng)用相關(guān)：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）不能像因特網(wǎng)那樣具有統(tǒng)一的通信協(xié)議平臺(tái)，必須針對(duì)其具體應(yīng)用來(lái)研究傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；規(guī)模大：這一點(diǎn)包含了兩方面：一方面是傳感器節(jié)點(diǎn)分布在大的地理區(qū)域范圍內(nèi)；另一方面是傳感器節(jié)點(diǎn)部署很密集；高冗余：大量冗余節(jié)點(diǎn)的存在，是系統(tǒng)具有很強(qiáng)的容錯(cuò)性；以數(shù)據(jù)為中心：傳感器網(wǎng)絡(luò)通常以數(shù)據(jù)本身作為查詢(xún)或傳輸線索，不需要點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。

除了以上這些自身的優(yōu)點(diǎn)以外，它也存在一些局限性。比如節(jié)點(diǎn)自身的大小也有其要求，過(guò)大容易被發(fā)現(xiàn)，過(guò)小自身的內(nèi)存也受限，不能完美的發(fā)揮無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的作用；或者所部署網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境過(guò)于惡劣，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的一個(gè)重要作用就是幫助人類(lèi)更大范圍的感知世界、獲取信息，而由于所處的環(huán)境因素，對(duì)其要求也更是嚴(yán)苛；各種局限性也時(shí)刻要求著科技工作者們對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）進(jìn)行更深入的研究。

1.2 應(yīng)用

美國(guó)是第一個(gè)從事無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）研究的，并將其應(yīng)用到了軍事領(lǐng)域，在我國(guó)該領(lǐng)域研究起步較晚，但到21世紀(jì)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）基本上已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但由于受科學(xué)技術(shù)發(fā)展的局限，其應(yīng)用的范圍也有限。在當(dāng)代社會(huì)，世界各國(guó)基本已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）在環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療護(hù)理、目標(biāo)跟蹤、軍事領(lǐng)域。國(guó)防安全、工業(yè)領(lǐng)域安全監(jiān)測(cè)以及工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)等領(lǐng)域。

2 無(wú)線傳感器關(guān)鍵技術(shù)

2.1 路由協(xié)議

設(shè)計(jì)傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議主要是為了尋找建立高效路徑和傳感器節(jié)點(diǎn)到接收器節(jié)點(diǎn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ǎM可能地延長(zhǎng)其使用的年限。與傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)和蜂窩式無(wú)線網(wǎng)絡(luò)不同，由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）中沒(méi)有基礎(chǔ)設(shè)施和統(tǒng)一的面向全網(wǎng)的控制中心，因而在這種無(wú)中心控制的狀態(tài)下路由機(jī)制可以廣泛的獲悉網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)拓?fù)湫畔ⅲ⒁砸欢ǚ椒ㄓ?jì)算路徑并維護(hù)路徑，使其正常運(yùn)行。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）中路由協(xié)議的主要任務(wù)是建立一個(gè)源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)化路徑，并通過(guò)這個(gè)優(yōu)化路徑傳輸信息。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）中，路由協(xié)議具備以下幾點(diǎn)特點(diǎn)：第一，能量?jī)?yōu)先。由于在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)的能量是有限的，延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的使用年限是當(dāng)前亟需解決的主要問(wèn)題。因此，才設(shè)計(jì)路由協(xié)議的過(guò)程中，應(yīng)將著手點(diǎn)擋在解決節(jié)點(diǎn)能量過(guò)快消耗這一問(wèn)題上，建立一個(gè)可以高效的利用節(jié)點(diǎn)能量的機(jī)制；第二，基于局部拓?fù)湫畔ⅰＭǔＧ闆r下，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）為了節(jié)省通信能量，多采用多跳的通信模式，而有限的節(jié)點(diǎn)不能存儲(chǔ)大量的信息，也不能進(jìn)行更深層次的路由計(jì)算。面對(duì)這一情況，建立一個(gè)簡(jiǎn)單高效的路由機(jī)制對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)具有十分重要的意義；第三，可擴(kuò)展性。面對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）節(jié)點(diǎn)失效或者新增節(jié)點(diǎn)的問(wèn)題，或者面對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）所部署的外部環(huán)境因素的影響，路由協(xié)議的可擴(kuò)展性（也可以稱(chēng)其為兼容性）可以十分有彈性的解決一系列可能出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)拓?fù)鋯?wèn)題；第四，應(yīng)用相關(guān)。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的應(yīng)用單位以及場(chǎng)所的不同，造成了數(shù)據(jù)通信模式不同，每個(gè)應(yīng)用都需要特定的路由機(jī)制。設(shè)計(jì)者應(yīng)該具體問(wèn)題具體分析，特定的應(yīng)用建立特定的路由機(jī)制。

2.2 安全技術(shù)

安全問(wèn)題是一個(gè)系統(tǒng)正常平穩(wěn)運(yùn)行的基礎(chǔ)，且這一問(wèn)題關(guān)乎到數(shù)據(jù)的安全性，對(duì)其自身系統(tǒng)的發(fā)展也發(fā)揮著重要作用。而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用就是為了為人力所不便，這一系統(tǒng)多數(shù)應(yīng)用在人煙稀少的地區(qū)或者敵方地區(qū)，過(guò)分開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和開(kāi)放的傳播媒介，使得該系統(tǒng)部署區(qū)域潛藏著各種各樣的安全問(wèn)題，極易受到各種各樣的攻擊。這也就解釋了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）需要安全技術(shù)來(lái)支持其自身正常運(yùn)轉(zhuǎn)的原因，也正是如此，安全技術(shù)對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的正常運(yùn)行、快速發(fā)展具有重要意義。針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）安全問(wèn)題，該領(lǐng)域研究工作的出發(fā)點(diǎn)是解決信息的機(jī)密性、完整性、消息認(rèn)證、組播/廣播認(rèn)證、信息新鮮度、入侵檢測(cè)以及訪問(wèn)控制問(wèn)題。其中安全技術(shù)主要包括密鑰算法、安全協(xié)議、密鑰管理、認(rèn)證、安全路由、入侵檢測(cè)、拒絕服務(wù)攻擊（DOS攻擊）和訪問(wèn)控制等，在部署無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）時(shí)可利用實(shí)體認(rèn)證、密鑰管理等技術(shù)，確保任務(wù)的安全性（保密性）以及信息安全，并在相對(duì)安全的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下完成任務(wù)。密鑰算法，也稱(chēng)為密碼算法，由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）缺乏網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、節(jié)點(diǎn)數(shù)量有限造成的資源受限、因是新興技術(shù)科技不能支持其正常運(yùn)行，在這一系統(tǒng)中許多現(xiàn)有的密碼算法都不能直接使用。目前主要使用對(duì)稱(chēng)密碼算法，有時(shí)也會(huì)使用非對(duì)稱(chēng)的密碼算法。由于密碼算法成本低，使得許多該領(lǐng)域的研究工作者都投入到這一技術(shù)的研究當(dāng)中；SNEP是A.Perrig.等專(zhuān)門(mén)為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）打造的一個(gè)能夠有效保障數(shù)據(jù)的機(jī)密性、完整性以及新鮮性安全協(xié)議；作為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的安全基礎(chǔ)，密鑰管理的重要性也是不言而喻。本著解決無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）安全問(wèn)題的原則，所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不能夠共享一個(gè)主密鑰方式。是以目前許多研究者有針對(duì)性地提出了幾個(gè)可行的密鑰管理方式，其中包括：每對(duì)節(jié)點(diǎn)之間都共享一對(duì)密鑰；每個(gè)節(jié)點(diǎn)與基站之間共享一對(duì)密鑰；基本的隨機(jī)密鑰分配模型以及使用部署知識(shí)的密鑰分配模型等。當(dāng)然，這種多方式的密鑰管理機(jī)制所需的研究工作任務(wù)繁重，對(duì)人才的專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)水平要求也是極高。認(rèn)證技術(shù)主要分為三種：一是內(nèi)部實(shí)體之間認(rèn)證；二是網(wǎng)絡(luò)和用戶(hù)之間認(rèn)證；三是廣播認(rèn)證。對(duì)于內(nèi)部實(shí)體之間的認(rèn)證，傳感器網(wǎng)絡(luò)密鑰管理是其實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，在這一方面它和上一關(guān)鍵技術(shù)密鑰管理技術(shù)緊密相關(guān)，都是利用對(duì)稱(chēng)密碼學(xué)來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部實(shí)體之間的認(rèn)證，使共享密鑰的內(nèi)部實(shí)體能夠相互認(rèn)證。用戶(hù)是利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）收集數(shù)據(jù)、采集信息的主體，當(dāng)這一信息采集指令需要被實(shí)現(xiàn)時(shí)，就需要通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)證，這就是所謂的網(wǎng)絡(luò)和用戶(hù)之間的認(rèn)證。廣播認(rèn)證，可以說(shuō)是效率較高、最節(jié)約能量的一種通信方式。研究傳感器網(wǎng)絡(luò)廣播認(rèn)證，保證廣播實(shí)體和消息的合法性，對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的研發(fā)具有重要意義。

2.3 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）系統(tǒng)中，傳感器節(jié)點(diǎn)（sensor）、匯聚節(jié)點(diǎn)（sink node）和管理節(jié)點(diǎn)作為三大基本要素在該系統(tǒng)中占據(jù)了主要作用。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織的動(dòng)態(tài)拓?fù)浞绞?，?gòu)成了整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，被傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)通過(guò)其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸，并在傳輸過(guò)程中被多個(gè)帶有不同指令的傳感器節(jié)點(diǎn)處理，然后以多跳的方式匯聚到匯聚節(jié)點(diǎn)，最后這些數(shù)據(jù)會(huì)被衛(wèi)星或者互聯(lián)網(wǎng)匯聚到管理節(jié)點(diǎn)。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，實(shí)體用戶(hù)通過(guò)管理節(jié)點(diǎn)發(fā)布指令，并采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的組成和功能主要包括四個(gè)部分：傳感單元、處理單元、通信單元以及電源部分。此外，可以選擇的其他功能元素還包括：定位系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)以及發(fā)電裝置等。針對(duì)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量有限、能量有限、其能量無(wú)法補(bǔ)充這一短板，越來(lái)越多的工作人員從節(jié)省能量、發(fā)揮節(jié)點(diǎn)最大效益這一出發(fā)點(diǎn)出發(fā)，投身于對(duì)節(jié)點(diǎn)的研究工作當(dāng)中，努力尋找一個(gè)既可以控制節(jié)點(diǎn)數(shù)量又可以有效利用節(jié)點(diǎn)的能量，使其可以最大限度地發(fā)揮作用，發(fā)揮自身的最大效益，并延長(zhǎng)其使用年限，為此，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中的作用也是至關(guān)重要，針對(duì)節(jié)電技術(shù)的研究也應(yīng)該更加深入。

3 結(jié)語(yǔ)

除了上文提到的，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)還包括覆蓋控制技術(shù)、數(shù)據(jù)融合技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)等技術(shù)，他們也都對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行起到了技術(shù)支持作用。作為一門(mén)新興技術(shù)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）對(duì)當(dāng)代社會(huì)以及未來(lái)社會(huì)的各種可能性還不為世人所知。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)該領(lǐng)域的研究也不斷加深，人們將要面對(duì)的問(wèn)題也會(huì)不斷浮現(xiàn)出來(lái)，這就需要該領(lǐng)域的研究人員們抓緊研究，解決已經(jīng)出現(xiàn)的或者將來(lái)可能出現(xiàn)的問(wèn)題。隨著越來(lái)越多的領(lǐng)域應(yīng)用到了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，這就意味著在將來(lái)社會(huì)這一技術(shù)可能會(huì)普及，目前我們能夠做的就是對(duì)其發(fā)展加大關(guān)注力度，為實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器社會(huì)各方面的對(duì)接做出努力，從而使其更好地服務(wù)于人類(lèi)，促進(jìn)人類(lèi)的進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)

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