无线传感网络技术简介

摘　要：

摘　要：无线传感器网络(WSN)是信息科学领域中一个全新的发展方向，同时也是新兴学科与传统学科进行领域间交叉的产物。文章主要分析了WSN的特点、组网关键技术、应用支撑技术等关键技术。

关键词：

关键词：无线传感网络(WSN);组网关键技术;应用支撑技术

　　一、引言

　　无线传感器网络(WSN)是信息科学领域中一个全新的发展方向，同时也是新兴学科与传统学科进行领域间交叉的结果。无线传感器网络经历了智能传感器、无线智能传感器、无线传感器网络三个阶段。智能传感器将计算能力嵌入到传感器中，使得传感器节点不仅具有数据采集能力，而且具有滤波和信息处理能力;无线智能传感器在智能传感器的基础上增加了无线通信能力，大大延长了传感器的感知触角，降低了传感器的工程实施成本;无线传感器网络则将网络技术引入到无线智能传感器中，使得传感器不再是单个的感知单元，而是能够交换信息、协调控制的有机结合体，实现物与物的互联，把感知触角深入世界各个角落，必将成为下一代互联网的重要组成部分。

　　二、无线传感网络的特点

　　无线传感网络(WSN)是信息采集，信息传输，信息处理于一体的综合智能信息系统。它综合了微电子技术，嵌入式计算技术，现代网络及无线通信技术，分布式信息处理技术等先进的技术，能够协同的实时监测，感知和采集网络覆盖区域中各种环境或检测对象的信息，并对其进行处理，处理后的信息经过无线方式发送出去，并以自组多跳的网络方式传送给观察者。无线传感网络(WSN)是无线网络和数据网络的结合，与传统的计算机网络相比，它更多的是以通信为中心。

　　(一)基于应用的网络

　　与传统网络“以一适全”模式不同的是，针对不同的应用，无线传感网络需要调整自身的配置。例如根据不同的应用使用不用的数据融合，节点密度，自适应协议等具体配置。

　　(二)硬件资源的有限性

　　由于节点往往受到价格，体积，功能的限制，其计算能力不可能很强、很全面，能运行的程序的大小以及内存空间都不可能与普通计算机相提并论，所以这就决定了无线传感网络的节点设计不能太复杂，必须综合各个方面的考虑，用最节省的方式实现自己需要的功能，还有就是协议的层次不能像普通网络一样那么细致，需以满足功能要求为前提。

　　(三)网络的自组织，自维护

　　传感器节点可以通过随机撒播自组织成网络，从而形成大面积的监控区域，，且用adhoc方式进行自我配置，必须能够自己组网。任一时刻，每个传感器的节点中运行的算法都能计算出该节点和服务器之间的跳数，并判断出哪一个相邻节点能提供出最有效率的路由。由于传感器节点自身的特点，传感器节点失效、损坏的情况不可避免，加上检测对象自身可能发生的变化，都会影响到即成网络的拓扑结构，所以要求网络需要有维护动态路由的功能，从而保证网络部分特征发生变化，计算和传输仍能进行。

　　(四)电池能量的有限

　　网络节点由电池供电，但电池的容量一般都不是很大。而且由于无线传感节点往往撒播在山林，湖泊等人不易进出的恶劣环境中，所以更换电池就不可能，一旦电池用完，这个节点也就随之失去作用，因此在无线传感网络的设计中，任何技术和协议必须要以节能为前提。

　　(五)以数据为中心

　　在无线传感网络中，能源消耗最大的过程是通信过程，因为在有限的能源内，不可能传输大量的信息，所以要求在保证通信质量的前提下，尽可能的减少信息传输量，再者，用户关心的是目标的信息，而不在意具体是哪个节点传来的，所以无线传感网络的设计需集中在对数据的管理和处理上来。

　　三、关键技术

　　(一)核心关键技术

　　(1)组网模式

　　在确定采用无线传感器网络技术进行应用系统设计后，首先面临的问题是采用何种组网模式。是否有基础设施支持，是否有移动终端参与，汇报频度与延迟等应用需求直接决定了组网模式。

　　①扁平组网模式

　　所有节点的角色相同，通过相互协作完成数据的交流和汇聚。最经典的定向扩散路由(Direct Diffusion)研究的就是这种网络结构。

　　②基于分簇的层次型组网模式

　　节点分为普通传感节点和用于数据汇聚的簇头节点，传感节点将数据先发送到簇头节点，然后由簇头节点汇聚到后台。簇头节点需要完成更多的工作、消耗更多的能量。如果使用相同的节点实现分簇，则要按需更换簇头，避免簇头节点因为过渡消耗能量而死亡。

　　③网状网(Mesh)模式

　　Mesh模式在传感器节点形成的网络上增加一层固定无线网络，用来收集传感节点数据，另一方面实现节点之间的信息通信，以及网内融合处理。

　　④移动汇聚模式

　　移动汇聚模式是指使用移动终端收集目标区域的传感数据，并转发到后端服务器。移动汇聚可以提高网络的容量，但数据的传递延迟与移动汇聚节点的轨迹相关。如何控制移动终端轨迹和速率是该模式研究的重要目标。

　　此外，还有其他类型的网络。如当传感节点全部为移动节点，通过与固定的Mesh网络进行数据通信(移动产生的通信机会)，可形成目前另一个研究热点，即机会通信模式。

　　(2)拓扑控制

　　组网模式决定了网络的总体拓扑结构，但为了实现WSN网络的低能耗运行，还需要对节点连接关系的时变规律进行细粒度控制目前主要的拓扑控制技术分为时间控制、空间控制和逻辑控制3种。时间控制通过控制每个节点睡眠、工作的占空比，节点间睡眠起始时间的调度，让节点交替工作，网络拓扑在有限的拓扑结构间切换;空间控制通过控制节点发送功率改变节点的连通区域，使网络呈现不同的连通形态，从而获得控制能耗、提高网络容量的效果;逻辑控制则是通过邻居表将不“理想的”节点排除在外，从而形成更稳固、可靠和强健的拓扑。WSN技术中，拓扑控制的目的在于实现网络的连通(实时连通或者机会连通)的同时保证信息的能量高效、可靠的传输。

　　(3)媒体访问控制和链路控制

　　媒体访问控制(MAC)和链路控制解决无线网络中普遍存在的冲突和丢失问题，根据网络中数据流状态控制临近节点，乃至网络中所有节点的信道访问方式和顺序，达到高效利用网络容量，减低能耗的目的。要实现拓扑控制中的时间和空间控制，WSN的MAC层需要配合完成睡眠机制、时分信道分配和空分复用等功能。

　　复杂环境的短距离无线链路特性与长距离完全不同，短距离无线射频在其覆盖范围内的过渡临界区宽度与通信距离的比例要大得多，因而更多链路呈现复杂的不稳定特性。链路特征同时也是在数据转发和汇聚中需要考虑的重要因素。

　　(4)路由、数据转发及跨层设计

　　WSN网络中的数据流向与Internet相反：在Internet网络中，终端设备主要从网络上获取信息;而在WSN网络中，终端设备是向网络提供信息。因此，WSN网络层协议设计有自己的独特要求。由于在WSN网络中对能量效率的苛刻要求，研究人员通常利用MAC层的跨层服务信息来进行转发节点、数据流向的选择。另外，网络在任务发布过程中一般要将任务信息传送给所有的节点，因此设计能量高效的数据分发协议也是在网络层研究的重点。

　　(5)QoS保障和可靠性设计

　　QoS保障和可靠性设计技术是传感器网络走向可用的关键技术之一。QoS保障技术包括通信层控制和服务层控制。传感器网络大量的节点如果没有质量控制，将很难完成实时监测环境变化的任务。可靠性设计技术目的则是保证节点和网络在恶劣工作条件下长时间工作。节点计算和通信模块的失效直接导致节点脱离网络，而传感模块的失效则可能导致数据出现岐变，造成网络的误警。如何通过数据检测失效节点也是关键研究内容之一。

　　(二)关键支撑技术

　　(1)WSN网络的时间同步技术

　　时间同步技术是完成实时信息采集的基本要求，也是提高定位精度的关键手段。常用方法是通过时间同步协议完成节点间的对时，通过滤波技术抑制时钟噪声和漂移。最近，利用耦合振荡器的同步技术实现网络无状态自然同步方法也倍受关注，这是一种高效的、可无限扩展的时间同步新技术。

　　(2)基于WSN的自定位和目标定位技术

　　定位跟踪技术包括节点自定位和网络区域内的目标定位跟踪。节点自定位是指确定网络中节点自身位置，这是随机部署组网的基本要求。GPS技术是室外惯常采用的自定位手段，但一方面成本较高，另一方面在有遮挡的地区会失效。传感器网络更多采用混合定位方法：手动部署少量的锚节点(携带GPS模块)，其他节点根据拓扑和距离关系进行间接位置估计。目标定位跟踪通过网络中节点之间的配合完成对网络区域中特定目标的定位和跟踪，一般建立在节点自定位的基础上。

　　(3)分布式数据管理和信息融合

　　分布式动态实时数据管理是以数据中心为特征的WSN网络的重要技术之一。该技术通过部署或者指定一些节点为代理节点，代理节点根据监测任务收集兴趣数据。监测任务通过分布式数据库的查询语言下达给目标区域的节点。在整个体系中，WSN网络被当作分布式数据库独立存在，实现对客观物理世界的实时和动态的监测。信息融合技术是指节点根据类型、采集时间、地点、重要程度等信息标度，通过聚类技术将收集到的数据进行本地的融合和压缩，一方面排除信息冗余，减小网络通信开销，节省能量;另一方面可以通过贝叶斯推理技术实现本地的智能决策。

　　(4)WSN的安全技术

　　安全通信和认证技术在军事和金融等敏感信息传递应用中有直接需求。传感器网络由于部署环境和传播介质的开放性，很容易受到各种攻击。但受无线传感器网络资源限制，直接应用安全通信、完整性认证、数据新鲜性、广播认证等现有算法存在实现的困难。鉴于此，研究人员一方面探讨在不同组网形式、网络协议设计中可能遭到的各种攻击形式;另一方面设计安全强度可控的简化算法和精巧协议，满足传感器网络的现实需求。

　　(5)精细控制、深度嵌入的操作系统技术

　　作为深度嵌入的网络系统，WSN网络对操作系统也有特别的要求，既要能够完成基本体系结构支持的各项功能，又不能过于复杂。从目前发展状况来看，TinyOS是最成功的WSN专用操作系统。但随着芯片低功耗设计技术和能量工程技术水平的提高，更复杂的嵌入式操作系统，如Vxworks、Uclinux和Ucos等，也可能被WSN网络所采用。

　　(6)能量工程

　　能量工程包括能量的获取和存储两方面。能量获取主要指将自然环境的能量转换成节点可以利用的电能，如太阳能，振动能量、地热、风能等。2007年以来，在无线能量传递方面有了新的研究成果，通过磁场的共振传递技术将使远程能量传递，这项技术将对WSN技术的成熟和发展带来革命性的影响。在能量存储技术方面，高容量电池技术是延长节点寿命，全面提高节点能力的关键性技术。纳米电池技术是目前最有希望的技术之一。

　　四、结束语

　　WSN网络从机制研究、系统研发，到应用示范试点，正在努力走向技术和产业的成熟。在中国，政府的引导、研究人员的推动和企业的积极参与使WSN网络技术快速稳步发展。为了让WSN更快地进入应用产业，为更多人服务，必须在努力寻找独特的杀手锏应用的同时，更多地将目光转向改善成熟产业中对自动化监测、检验和管理的应用需求，为其量身订做协议、软件和产品，并努力做到与现有管理系统的无缝连接。只有在应用和市场上站稳脚跟，才能保持WSN在技术上的持续发展。

　　参考文献：

　　[1]朱红松,赵磊,徐勇军.基于精细梯度策略的MCFS多链路协同数据转发协议[J].软件学报, 2009, 29期.

　　[2]王汝传.无线传感器网络技术及其应用.北京:清华大学出版社,2011.