无线传感器网络热点的研究

　　随着微电子机械系统（ Micro Electro-MechanicalSystem， MEMS） 、低功耗无线电通信技术、嵌入式计算技术、微型传感器技术及集成电路技术的飞速发展和日益成熟， 使得由大量低成本、低功耗、小体积、短距离通信多功能的微型传感器通过无线链路自组织为无线传感器网络（ wireless sensor network， WSN） 成为现实。WSN 已经广泛应用于军事、交通、环境监测和预报、卫生保健、空间探索等各个领域， 在当前国际上备受关注， 涌现了许多研究热点领域。

　　1 无线传感器网络的节点结构

　　传感器节点的基本组成和功能包括如下几个单元： 传感单元、处理单元、无线通信单元和供电单元等，如图1 所示。此外， 其他可以选择的功能部分有定位系统、移动系统以及电源供电系统等。

　　传感器单元由传感器和数/ 模转换模块组成， 用于感知、获取监测区域内的信息， 并将其转换为数字信号; 处理单元由嵌入式系统构成， 包括处理器、存储器等， 负责控制和协调节点各部分的工作， 存储和处理自身采集的数据以及其他节点发来的数据; 无线通信单元由无线通信模块组成， 负责与其他传感器节点进行通信， 交换控制信息和收发采集数据; 供电单元通常采用微型电池， 为传感器节点提供正常工作所必需的能源。

　　2 无线传感器网络的特点

　　人们一度认为成熟的Ad-hoc网络机制和技术可以应用到无线传感器网络。但随着深入的研究发现， 无线传感器网络有的技术要求和应用目标明显不同于Ad-hoc 网络。Ad-ho c 网络致力于为用户提供高质量的数据传输服务， 是以传输数据为目的; 无线传感器网络将能源的高效使用作为首要设计目标， 是以数据为中心。无线传感器网络具有许多区别于Ad-hoc 网络的独有特征。

　　①规模大、密度高。无线传感器网络与Ad-ho c 网络不同， 通常密集部署在大片的监测区域， 为了获取更精确、完整的信息， 需要部署规模很大、密度很高的传感器节点， 以便通过大量冗余节点的协同工作来提高系统的工作质量。

　　②以数据为中心。在无线传感器网络中， 终端用户不会具体关心单个节点的监测数据， 通常只关心某个区域内某个监测指标的数值。

　　③可靠性差。与Ad-hoc 网络相比， 无线传感器网络节点出现故障的可能性要大得多。传感器节点是通过随机撒播的方式部署在指定的恶劣环境或无人区域， 在无人值守状态下工作， 网络维护变得十分困难。

　　④传感器节点的能力有限。传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力都是十分有限的。

　　⑤ 与应用相关。无线传感器网络是通过感知客观世界来获取外界的信息。由于不同的应用关心的信息不同， 使得无线传感器网络只能针对每一个具体的应用来开展设计工作， 不能像Internet 那样有统一的通信协议平台。由于应用的不同， 无线传感器网络对网络系统的要求也不同， 硬件平台、软件系统和通信协议都会有很大的差异。

　　⑥动态变化快。无线传感器网络一般都在比较恶劣的环境下工作， 不断变化的外界环境， 如突发事件、节点能量耗尽、无线通信链路断续等， 都会严重影响系统功能， 这就要求传感器节点调整自身的工作状态及网络的拓扑结构， 以适应环境的变化。

　　3 无线传感器网络的研究热点

　　无线传感器网络作为当今信息领域新的研究热点， 综合了传感技术、微电子技术、网络技术、无线通信技术、嵌入式技术、分布式计算处理技术等多种技术的交叉学科， 涉及的范围十分广泛， 因而相关的研究内容也十分丰富， 目前世界各国均对其各方面开展了研究。

　　同时， 无线传感器网络又有着工作环境较差、节点数目众多、节点能量不易补充等特点， 对它的研究又有着与一般网络不同的要求。从体系结构上分， 可分为基础层研究问题、网络层研究问题、数据管理与处理层研究问题、应用开发环境层研究问题、应用层研究问题。从功能上分， 可分为能量节省问题、传感器节点的定位问题、网络组织管理问题、网络传输问题、软硬件设计与制造问题、信号的协作处理问题、网络安全性问题等。

　　下面从功能的角度对各个热点分别给予介绍。

　　3.1 无线传感器网络的节点定位

　　无线传感器网络的节点通常是采用大炮发射、飞机撒播等随机布置的方法部署到监测区域中的， 因为无法预先确定节点部署后的位置， 只能在部署完成后采用一定的方法定位。目前使用最广泛的定位方法是采用全球定位系统GPS（ Global Posit ioning System） 。

　　由于数目众多， 在价格、功耗、适用范围及体积等方面的制约， 考虑到费用问题， 每个节点都带有定位系统是不现实的。一般采用的方法是使5%~10% 的节点带有GPS， 这种节点称为导标节点（ beaco n nodes） 或锚节点（ anchor nodes） ， 它们可以通过卫星来确定自身的位置。目前主要的研究方向是如何利用这些锚节点提供的位置信息和其他节点通信之间的约束， 估算出普通节点的位置。定位问题除了定位本身的意义外， 在路由选择上也有很大的帮助。此外在移动机器人研制中也具有很重要的意义。

　　3.2 无线传感器网络的拓扑管理

　　无线传感器网络拓扑管理主要研究的内容是： 在保证网络的覆盖度和连通性的前提下， 设置或调整节点的发射功率， 并按照一定原则选择合适节点成为骨干节点参与网络中数据的处理和传输， 达到优化网络拓扑结构的目的。无线传感器网络中拓扑管理可以分为两个研究方向： 功率管理和层次拓扑结构管理。功率管理机制均衡节点的直接邻居数目， 调整网络中每个节点的发射功率， 保证网络连通， 同时降低节点之间的通信干扰。层次拓扑管理是利用分簇思想， 依据一定的算法使网络中的部分节点处于激活状态并且成为簇首节点， 然后由这些簇首节点构建一个连通的网络来处理和传输网络中的数据; 其他节点则处于非激活状态，关闭其通信模块以降低能量消耗， 并定期或不定期地重新选择簇首节点， 以均衡网络中节点的能量消耗。

　　在有些应用中， 无线传感器网络的各个节点可能分布在广大的地理区域， 如果把整个应用组成一个网络， 即不现实也难于管理。网络的组织管理的关键是如何把网络有效地划分为许多小局域网， 保证每一个小的局域网中都有一个节点代理负责管理每一个小的局域网， 该节点可称之为簇首。解决该问题可用以下两种方法： 一是放置代理， 每个代理节点负责管理一定数目的普通节点， 如何使每个代理管理节点的数目基本相同并使管理网络有着基本相同的网络半径是研究的重点问题; 二是产生簇首， 所有的节点都是对等的节点，这时根据每个节点能量情况、连接情况选择合适簇首，负责数据的汇总及初步处理， 为了节省能量， 需要定期或不定期选举产生新的簇首。此外， 网络的管理形式、拓扑结构等都是需要研究的重要问题。

　　3.3 数据在网络中的传输

　　无线传感器网络的网内数据传输是一个热点问题， 由于数据传输将消耗掉节点大量的能量， 传统网络的很多方案不能直接使用， 它的设计需要针对具体应用来进行。目前， 很多无线传感器网络中路由算法基本上都是以Flooding 算法为基础， 通过增加一定的约束条件而形成的。然而每个传感器节点所带的电量有限，无线通信、数据处理、数据采集等过程都要消耗能量，其中网内数据传输（ 即无线通信模块） 消耗节点的大部分能量， 需要通过采用适当的路由算法， 减少网络中的通信量和计算量， 有效延长网络的寿命。

　　3.4 信号的协作处理

　　为了完成对目标的测量、跟踪和识别， 需要具有一定属性的多个传感器节点协同工作。这些节点采用一定的算法交换信息， 对所获得的数据进行加工、汇总和过滤。仅靠单个的传感器节点无法完成这些工作。因此， 节点间数据的传递和信息协作都影响到网络算法的设计和能量的消耗。

　　3.5 硬件、软件的设计和制造

　　无线传感器网络另一个研究重要课题是： 如何利用已经发展起来的电源、微电子、微电机、微无线通信等技术， 合理地构成微体积、长寿命的节点。国外有些研究所已经开始进入了装置设计阶段， 它的研究设计需要考虑依距离远近发送一个比特位及每条指令所需的能量大小， 甚至不同地址编码所需能量的差异等。要有效地增加网络节点的寿命需要合理优化设计硬件和软件资源。厘米级和毫米级的传感器节点成为当今的主要研究目标。

　　3.6 无线传感器网络安全性问题

　　与普通的网络一样， 传感器接收命令和传送信息也面临着安全性的考验。无线传感器网络是通过无线方式进行通信的， 信道更容易被窃听， 辨别非法消息及非法节点更加不易。而传感器节点本身运算能力有限，如何利用较少的能量和较小的计算量来完成数据加密、身份认证等， 在破坏或受干扰的情况下可靠地完成任务也是一个重要的研究课题。

　　另外， 无线传感器网络还涉及到能量控制、容错机制、路由选择等方面的研究。

　　4 结束语

　　无线传感器网络的应用前景十分广阔。除了在军事、监控、应急、环境、防空等方面， 还将涉及家用、企业管理、保健、交通等新兴领域。本文对无线传感器网络的研究热点进行分析和总结， 无线传感器网络的发展还面临许多的问题， 比如能量节省问题、传感器节点的定位问题、网络组织管理问题、网络传输问题、软硬件设计与制造问题、信号的协作处理问题、网络安全性问题等。随着各项技术的成熟和发展， 无线传感器网络的研究也将取得突破性的进展， 其业务和应用将更加广泛和成熟。