無(wú)線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)（WSAN）的研究

左是+劉竹林+劉甘霖

摘 要： 文章以無(wú)線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor and Actuator Networks，WSAN）為研究對(duì)象，與純粹傳感器網(wǎng)絡(luò)相比，融入執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)的無(wú)線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)有著明顯的優(yōu)勢(shì)，WSAN節(jié)點(diǎn)協(xié)同特征將顯著提升網(wǎng)絡(luò)性能，可生存性、協(xié)作通信和拓?fù)淇刂频燃夹g(shù)將使網(wǎng)絡(luò)在受限節(jié)點(diǎn)性能下，促進(jìn)WSAN在生命周期、網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量、拓?fù)鋵哟?、功率控制等方面的?yōu)化。

關(guān)鍵詞： 無(wú)線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)；節(jié)點(diǎn)協(xié)同；可生存性；協(xié)作通信；拓?fù)淇刂?/p>

中圖分類(lèi)號(hào)： TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-8153（2017）05-0099-04

1 溯源和發(fā)展

卡耐基梅隆大學(xué)（CMU，Carnegie Mellon University）曾受美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA，Defense Advanced Research Projects Agency）資助進(jìn)行分布式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究項(xiàng)目，于1978年首次提出無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN，Wireless Sensor Network）這一概念[1]。當(dāng)前，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）已經(jīng)在國(guó)防、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療監(jiān)控、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，順應(yīng)需求的日益多元化，帶有執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)的無(wú)線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)[2]（Wireless Sensor and Actuator Networks，WSAN*）應(yīng)運(yùn)而生。

WSAN通常是由一組傳感器節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)組成，傳感器節(jié)點(diǎn)用于信息采集，而執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)用于改變環(huán)境的行為。從工程角度看，執(zhí)行器是一種轉(zhuǎn)換器，也是一種高級(jí)的傳感器，能夠接收信號(hào)并能產(chǎn)生物理動(dòng)作。傳感器和執(zhí)行器之間存在無(wú)線鏈路，傳感器節(jié)點(diǎn)感知并報(bào)告環(huán)境狀態(tài)信息，而執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)收集數(shù)據(jù)并作用于環(huán)境[3]。

無(wú)線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中包含聯(lián)網(wǎng)的傳感器和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)，它們可以進(jìn)行無(wú)線鏈路通訊以完成分布式感知和執(zhí)行任務(wù)。執(zhí)行器具有資源優(yōu)勢(shì)，且可能具有移動(dòng)性，因而可以參與決策，且能夠?qū)ψ陨?、傳感器?或環(huán)境采取適當(dāng)?shù)膭?dòng)作。無(wú)線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)能夠在無(wú)人值守環(huán)境中自治地進(jìn)行工作。它們既可以直接互聯(lián)，又可以針對(duì)匯聚節(jié)點(diǎn)控制網(wǎng)絡(luò)中的用戶迅速作出反應(yīng)。一個(gè)或多個(gè)執(zhí)行器同樣能夠充當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)的作用。實(shí)際應(yīng)用中，匯聚節(jié)點(diǎn)可以看作是一種特殊的執(zhí)行器。與匯聚節(jié)點(diǎn)相比，執(zhí)行器不僅能夠作用于環(huán)境，（移動(dòng)執(zhí)行器）還可以作用于傳感器。

WSAN正在成長(zhǎng)為下一代無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，也可以稱(chēng)之為物聯(lián)網(wǎng)。WSAN在WSN基礎(chǔ)上重要的變革是：WSAN能夠改變自然和物理世界，而WSN不能[4]。與傳感器節(jié)點(diǎn)相比，執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)通常在數(shù)據(jù)處理、無(wú)線通信和電源方面有顯著的優(yōu)化。因此，在數(shù)量上與部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域的一般傳感器節(jié)點(diǎn)相比，執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)不需要這樣的規(guī)模，因?yàn)樗鼜?qiáng)大的性能能夠作用更大的區(qū)域。

2 無(wú)線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)的特征——節(jié)點(diǎn)協(xié)同

協(xié)同是WSAN重要特征[2]，圖1所示為協(xié)同結(jié)構(gòu)的示意圖。節(jié)點(diǎn)間的協(xié)同在WSAN體現(xiàn)在傳感器/執(zhí)行器之間能夠協(xié)同通信，以實(shí)現(xiàn)WSAN應(yīng)用本身所設(shè)定的目標(biāo)。

在協(xié)同結(jié)構(gòu)中，傳感器節(jié)點(diǎn)能夠以單跳或多跳方式向執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)傳輸感知數(shù)據(jù)。執(zhí)行器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在采取行動(dòng)前與匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)商。也就是說(shuō)執(zhí)行器可以使用對(duì)等網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行決策，然后采取行動(dòng)，可能還會(huì)告知匯聚節(jié)點(diǎn)（任務(wù)管理器）通過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)控制網(wǎng)絡(luò)[3]。一個(gè)或多個(gè)執(zhí)行器也可以充當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)的角色，這正是執(zhí)行器區(qū)別于普通傳感器具備的強(qiáng)大功能。傳感器向某個(gè)已選執(zhí)行器報(bào)告數(shù)據(jù)時(shí)，當(dāng)消息目標(biāo)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化后，也可由另一個(gè)執(zhí)行器來(lái)完成未盡的任務(wù)。匯聚節(jié)點(diǎn)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并與傳感器和執(zhí)行器進(jìn)行通信，當(dāng)傳感器檢測(cè)到環(huán)境中的事件發(fā)生后，事件數(shù)據(jù)將在本地進(jìn)行處理，并傳輸?shù)綀?zhí)行器，執(zhí)行器負(fù)責(zé)收集、處理，最終重構(gòu)數(shù)據(jù)。

3 無(wú)線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)（WSAN）的關(guān)鍵技術(shù)

據(jù)作者查閱的國(guó)內(nèi)外有關(guān)無(wú)線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)的文獻(xiàn)，其關(guān)鍵技術(shù)目前看來(lái)主要包含可生存性、協(xié)作通信和拓?fù)淇刂频热齻€(gè)方面。

3.1 可生存性

在一般意義下，要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的可生存性必須具有如下四個(gè)要求：

抵御——抵御非法入侵，傳統(tǒng)方式又如：認(rèn)證加密和容錯(cuò)；

識(shí)別——對(duì)網(wǎng)絡(luò)攻擊和系統(tǒng)損壞程度的識(shí)別和恢復(fù)上；

恢復(fù)——無(wú)論是否受到攻擊或是出現(xiàn)故障，系統(tǒng)及其服務(wù)都要得到保護(hù)。因此重要的是對(duì)影響的評(píng)估和系統(tǒng)的恢復(fù)，而不是響應(yīng)的快慢；

進(jìn)化——對(duì)相同或相似攻擊的適應(yīng)，以及網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)化以減少發(fā)生或再次發(fā)生。

如表1給出的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可生存性的研究發(fā)展歷程來(lái)看，網(wǎng)絡(luò)從“有界”向“無(wú)界”發(fā)展，無(wú)限極大網(wǎng)絡(luò)由于缺少全局管理、難以修復(fù)容易成為攻擊的目標(biāo)。WSAN更是如此，如在突發(fā)事件的環(huán)境監(jiān)測(cè)場(chǎng)景下，節(jié)點(diǎn)一旦布置，單一節(jié)點(diǎn)的供電能力受到限制，且節(jié)點(diǎn)也受所處環(huán)境影響，因而可生存性不僅僅體現(xiàn)在“生存”本身，也對(duì)WSAN在明確的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場(chǎng)景下有更好的網(wǎng)絡(luò)整體應(yīng)用能力提出要求。

3.2 協(xié)作通信

Cooperate來(lái)源于拉丁詞根co-和operate意為著“一同工作”，意味著一組實(shí)體為達(dá)到共同/各自的目標(biāo)一起工作，信息技術(shù)的發(fā)展將世界幾乎都超鏈接在一起，每個(gè)節(jié)點(diǎn)（實(shí)體）?？梢酝ㄟ^(guò)有線/無(wú)線的方式連接在一起，形成一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，協(xié)作起重要推動(dòng)作用。

即使是一般意義上傳統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，隨著數(shù)據(jù)量增大，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不能滿足高速傳輸?shù)男枨?，傳輸速率甚至接近在隨機(jī)發(fā)生誤碼的信道上的最大無(wú)差錯(cuò)傳輸速率，亟待新解決方案來(lái)克服這一問(wèn)題。而在WSAN中，恰可利用無(wú)線通信技術(shù)自身的特點(diǎn)——開(kāi)放性空域和廣播模式的信息傳輸，來(lái)解決傳統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信中的新問(wèn)題。圖2將通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)例來(lái)說(shuō)明協(xié)作通信將是新方案的重要手段。endprint

通信目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)C通信，但若實(shí)際距離較遠(yuǎn)等原因可能無(wú)法產(chǎn)生直接通信鏈路，考慮節(jié)點(diǎn)B離節(jié)點(diǎn)C較節(jié)點(diǎn)A相對(duì)距離近，則可利用節(jié)點(diǎn)B實(shí)現(xiàn)協(xié)作中繼通信，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信數(shù)據(jù)傳輸。即使節(jié)點(diǎn)A離節(jié)點(diǎn)C距離不太遠(yuǎn)，假設(shè)有直接通信鏈路，也可能由于無(wú)線通信狀況不良，導(dǎo)致直接通信效果不佳。通過(guò)節(jié)點(diǎn)B協(xié)作，會(huì)有效改善節(jié)點(diǎn)A-> C的通信效果，還會(huì)獲得一定的分集增益。

為更好適應(yīng)與滿足通信日益倍增的需求，當(dāng)前的4G移動(dòng)通信技術(shù)的峰值傳輸速率將達(dá)到幾Gbit/s以上，然而由于可供移動(dòng)通信使用的頻段受限，所以多天線技術(shù)和協(xié)作通信技術(shù)備受重視。此外，協(xié)作通信技術(shù)還可以較好地與其他技術(shù)融合，如與正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)等。這也是協(xié)作通信在WSAN研究中備受重視的重要原因。

在無(wú)線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)（WSAN）中，傳感器節(jié)點(diǎn)與執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線鏈路進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交換。無(wú)論無(wú)線鏈路的方式是什么，節(jié)點(diǎn)之間都需要組網(wǎng)，并按某一路由協(xié)議執(zhí)行通信。在網(wǎng)絡(luò)資源受限情況下，臨近節(jié)點(diǎn)間協(xié)作通信顯得頗為重要。同時(shí)還可在受限的節(jié)點(diǎn)性能上，使用其他技術(shù)來(lái)改善和優(yōu)化通信質(zhì)量。反過(guò)來(lái)，這一特征正是在技術(shù)上凸顯WSAN的重要。

3.3 拓?fù)淇刂?/p>

表3列出WSAN與傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在特點(diǎn)和技術(shù)的差異，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的控制對(duì)于保證WSAN的QoS（Quantity of Service）至關(guān)重要。WSAN對(duì)于拓?fù)淇刂浦饕芯康姆矫嬖谟冢罕ＷCWSAN中工作節(jié)點(diǎn)的連通性和對(duì)設(shè)定區(qū)域覆蓋度的前提下設(shè)置或調(diào)整節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，并按照某機(jī)制選擇合適的節(jié)點(diǎn)成為匯聚節(jié)點(diǎn)參與網(wǎng)絡(luò)的信息傳遞和處理，以此達(dá)到優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的目的，籠統(tǒng)地來(lái)說(shuō)有二個(gè)研究方向?qū)印負(fù)鋵哟谓Y(jié)構(gòu)控制和功率控制[10]，前者對(duì)于傳感器節(jié)點(diǎn)部署的數(shù)量、結(jié)構(gòu)以及傳感器節(jié)點(diǎn)的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控，后者對(duì)于傳感器節(jié)點(diǎn)感知信息、數(shù)據(jù)傳輸和接收等能量方面進(jìn)行管理。

無(wú)論是無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)還是執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)，每個(gè)獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)本身性能、電能、壽命周期等基本特征相對(duì)于有線設(shè)備來(lái)說(shuō)都是受限的。但“無(wú)線”這一特征恰是其獨(dú)特的優(yōu)越性，比如節(jié)點(diǎn)部屬不受限制、成本低、自適應(yīng)能力強(qiáng)等等，因而在WSAN領(lǐng)域研究拓?fù)鋵哟慰刂坪凸β士刂普菑浹a(bǔ)缺陷的重要途徑。

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Research on Wireless Sensor and Actuator Networks

ZUO Shi，LIU Zhu-lin，LIN Gan-lin

（Department of Electronic Engineering，Hubei Industrial Polytechnic，Shiyan 442000，China）

Abstract： Comparing WSAN with traditional WSN，the former has obvious advantage in actuator nodes.The feature of nodes coordination can improve the function of networks obviously，and the techniques of survivability，cooperative communication，and topoloty control can optimize the WSAN in lifecycle，network quality，topological hierarchy，power control.

Key words： WSAN；nodes coordination；survivability；cooperative communication；topology controlendprint