海上通信環(huán)境中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施研究

王涵

摘 要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)構(gòu)架受不同應(yīng)用環(huán)境的影響，具有動態(tài)性和適用性，如何構(gòu)建一個(gè)適用特定環(huán)境的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一直以來都是大多研究人員關(guān)心的難點(diǎn)問題。文章首先綜述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)基礎(chǔ)知識，進(jìn)一步介紹了關(guān)于該網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的主要研究內(nèi)容，最后探討了如何構(gòu)建適用海上通信環(huán)境下的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。文章只是做了一個(gè)探討性研究，希望對后續(xù)的相關(guān)研究能有一定的啟發(fā)作用。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；海上通信；基礎(chǔ)設(shè)施

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不同，它是通過利用各類傳感器，對處于該傳感網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)信息的監(jiān)測與收集并對其處理，然后將處理的信息通過自組織網(wǎng)發(fā)給觀測者。隨著電子通信技術(shù)的高速發(fā)展，特別是5G和物聯(lián)網(wǎng)等前沿技術(shù)發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)得到了越來越多企業(yè)和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，已成為新一代技術(shù)中的研究熱點(diǎn)[1]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以應(yīng)用在多個(gè)領(lǐng)域，包括環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域、車輛監(jiān)控等[2]。由于傳感器節(jié)點(diǎn)自身特點(diǎn)，如：節(jié)點(diǎn)能量小、節(jié)點(diǎn)的通信距離受限、自身計(jì)算能力受限、節(jié)點(diǎn)分布廣、無線傳感網(wǎng)絡(luò)具有動態(tài)性等，這些使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究面臨一些挑戰(zhàn)，同時(shí)由于其所具備的一些優(yōu)勢特性，給無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究帶來了機(jī)遇和挑戰(zhàn)[3]。對WSN技術(shù)方面的研究主要有網(wǎng)絡(luò)通信、基礎(chǔ)設(shè)施、中間件即使、數(shù)據(jù)管理技術(shù)及節(jié)點(diǎn)技術(shù)等。然而，在現(xiàn)有的研究資料中，基于海上通信環(huán)境的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究相對較少，本文主要對海上環(huán)境中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行了探討性研究。

1 WSN 基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵技術(shù)

本節(jié)研究主要包括有拓?fù)淇刂?、?jié)點(diǎn)定位、時(shí)間同步、路由安全、能量管理、QoS管理等。本節(jié)主要是對這些進(jìn)行了分類討論。

1.1 拓?fù)淇刂?/p>

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中拓?fù)淇刂频年P(guān)鍵在于如何在滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋度和連通度的前提下，最小化網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，這些是通過功率控制或拓?fù)淇刂苼韺?shí)現(xiàn)的。首先，從功率控制定義出發(fā)：在一定前提下，即滿足給定的網(wǎng)絡(luò)覆蓋和連通的情況下，控制無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率，使得網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的功率消耗最小。功率控制問題在傳感器節(jié)點(diǎn)部署在更高維度時(shí)，更為復(fù)雜。

1.2 節(jié)點(diǎn)定位

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，至關(guān)重要的一個(gè)方面是位置信息，缺失位置信息的數(shù)據(jù)毫無意義。由此可知，WSN中的節(jié)點(diǎn)定位是其關(guān)鍵技術(shù)?，F(xiàn)階段主要有兩類傳感器節(jié)點(diǎn)定位方法：一種是基于測量距離的定位方法；另一種是與測量距離無關(guān)的定位方法。

前者是利用測距技術(shù)測量相鄰節(jié)點(diǎn)間的實(shí)際距離或方位，然后利用相關(guān)計(jì)算方法進(jìn)行準(zhǔn)確定位。后者則是基于其他的原理。

1.3 時(shí)間同步

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)都具有相應(yīng)的時(shí)鐘。由于存在環(huán)境干擾以及不同節(jié)點(diǎn)的晶體振蕩器頻率存在誤差，因此時(shí)間誤差不可避免，只可能存在時(shí)間同步精度上的問題。時(shí)間同步在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同工作中發(fā)揮著重要作用。由于傳統(tǒng)其他系統(tǒng)中的時(shí)間同步機(jī)制并不適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，關(guān)于傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步問題需要進(jìn)一步研究。

1.4 路由安全

現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的路由協(xié)議易受攻擊。路由安全與否決定網(wǎng)絡(luò)信息的是否可以正常傳遞。關(guān)于路由安全方面受到很多學(xué)者的關(guān)注。文獻(xiàn)[4]中，作者采用認(rèn)證抵御惡意注入的方法，提出一種新的路由安全方法。文獻(xiàn)[5]提出了一種隨機(jī)化廣播加密（Randomized Broadcast Encryption，RBE）方案。文獻(xiàn)[6]中，作者提出了一種基于廣播基站隨機(jī)檢測節(jié)點(diǎn)是否能接收到其廣播信息的方法。

2 海上環(huán)境中的無線自組織網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施

海上通信環(huán)境中，如何才能在保證正常網(wǎng)絡(luò)連接和覆蓋下實(shí)現(xiàn)更好的通信、最大限度節(jié)約能量，是海上WSN拓?fù)淇刂频难芯恐攸c(diǎn)。關(guān)于功率控制方面，已經(jīng)研究學(xué)者提出了統(tǒng)一功率分配算法[7]和基于節(jié)點(diǎn)度數(shù)的算法[8]等。關(guān)于層次拓?fù)淇刂品矫?，現(xiàn)階段已有的方法包括成簇算法、虛擬地理網(wǎng)格分簇算法。在研究分析了各算法的優(yōu)缺點(diǎn)后，考慮到海上環(huán)境的特殊海情，網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積廣，節(jié)點(diǎn)距離遠(yuǎn)，因此，WSN的節(jié)點(diǎn)功率要求較高，連通的難度也更大，因此，考慮在WSN拓?fù)淇刂粕喜捎媒y(tǒng)一功率分配算法和虛擬地圖網(wǎng)格分簇算法，最大程度綜合網(wǎng)絡(luò)覆蓋和連通的要求。

時(shí)間同步的關(guān)鍵問題上，海上的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度小，為保證同步精度與能力有效性之間的平衡，因此，可以考慮采用文獻(xiàn)[9]提出的同步機(jī)制，該方法對比原先的參考廣播同步算法能降低能耗，該方式通常不需要時(shí)間同步，僅當(dāng)檢測到事件發(fā)生時(shí)才采用相關(guān)機(jī)制進(jìn)行時(shí)間同步。這種同步機(jī)制也非常適用于海上環(huán)境的WSN網(wǎng)絡(luò)。

海上環(huán)境中，節(jié)點(diǎn)位置會受風(fēng)浪、海流等的影響發(fā)生變動，因此，對它的節(jié)點(diǎn)定位不能采用那種固定的基于測量距離的定位方法。節(jié)點(diǎn)的拓?fù)涫莿討B(tài)的，各節(jié)點(diǎn)距離時(shí)刻發(fā)生變化，文獻(xiàn)[10]提出了定位算法報(bào)文最大生存時(shí)間（Maximum Segment Lifetime，MSL），它適于靜止和移動節(jié)點(diǎn)組合的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，所需節(jié)點(diǎn)密度低，定位時(shí)間短，精度高，但需要耗費(fèi)更大?？梢钥紤]通過對該算法的改進(jìn)研究，得出適用于海上環(huán)境的節(jié)點(diǎn)定位算法。

基于海上環(huán)境無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全問題研究相對較少，還需解決的問題還很多，如：如何利用有限內(nèi)存空間管理大量預(yù)分配密鑰、支持新節(jié)點(diǎn)加入的密鑰預(yù)分配技術(shù)、安全路由方法、低能耗加密方法、安全網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)處理技術(shù)等問題。由于知識有限，所以對這方面未進(jìn)行較多探討，但是基于安全路由方面，結(jié)合之前的一些研究結(jié)論，可以考慮利用上述方法來展開海上的無線傳感網(wǎng)絡(luò)路由安全研究。

3 結(jié)語

目前WSN研究工作主要集中在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信協(xié)議方面。本文對WSN中基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了分析，包括拓?fù)淇刂?、時(shí)間同步、節(jié)點(diǎn)定位、能量管理、路由安全、QoS管理。在現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合海上通信環(huán)境這一特定場景，討論了海上環(huán)境下的WSN基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)技術(shù)，并得出相關(guān)結(jié)論。

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