無線傳感器網絡關鍵問題研究

劉皖蘇，董全德，徐 旭

（宿州學院 信息工程學院，安徽 宿州 234000）

無線傳感器網絡關鍵問題研究

劉皖蘇，董全德，徐 旭

（宿州學院 信息工程學院，安徽 宿州 234000）

物聯網(Internet of Things,IoT)作為一種能夠實現物與物之間廣泛和普遍互聯的新型網絡，正在受到世界各國越來越多的關注和重視.無線傳感器網絡(W ireless Sensor Networks,WSNs)是物聯網最重要的基礎支撐技術之一，是一種新型的網絡技術，也得到了廣泛的研究.然而，無線傳感器網絡在傳感器、節能、可靠性以及安全方面仍然受到很多限制，許多技術和問題還有待進一步探索和研究.本文分析了無線傳感器網絡的一些關鍵問題，介紹了無線傳感器網絡的應用領域，指出了無線傳感器網絡的發展趨勢.

無線傳感器網絡；物聯網；數據融合

物聯網這個術語首先由Kevin Ashton在1999年提出的.進入21世紀以來，隨著信息技術、網絡通信技術以及傳感技術等技術的發展,作為物聯網重要基礎技術的無線傳感器網絡由于擁有廣闊的應用前景，得到了國內外廣泛的關注和研究.無線傳感器網絡涉及到網絡通信、微電子以及嵌入式計算等技術，是當前國際上備受關注的、多學科交叉的前沿熱點領域.目前，國內外很多企業和科研院所對進行了廣泛的研究，美國《商業周刊》認為WSN是全球未來四大高技術產業之一，是21世紀世界最具有影響力的4項技術之一!（高效計算、傳感器網絡、塑料電子學和仿生人體器官），他們認為這一技術將對未來社會進步和人類的生活產生巨大的影響.國內的很多高校開設了物聯網和網絡工程等專業，這使的無線傳感器網絡技術走向教學和實踐環節.

無線傳感器網絡是由部署在監測區域內大量傳感器節點相互通信形成的多跳自組織網絡系統，是構成物聯網的重要技術形式[1]，一個典型的無線傳感器網絡體系結構可以用圖1來表示，從圖1可以看到無線傳感器網絡主要由簇頭節點（Sensor node）、匯聚節點（Sink node）、有線/無線網絡和監控終端組成.隨著無線通信網絡、傳感器技術和微電子等技術的日趨成熟，WSNs可以在任何時間、任何地點、任何環境條件下獲取人們所需信息，為物聯網的發展奠定基礎.通過無線傳感器網絡人類可以直接感知客觀世界，可以極大的提高人類認識和改造世界的能力.因此,無線傳感器網絡在軍用領域和民用領域都有著廣泛的應用.在軍事領域，無線傳感器網絡可以用于戰場監視、戰場偵查、目標定位、目標識別等方面；在民用領域，無線傳感器網絡可以用于工業控制、醫療健康、公共安全等方面[2].

1 無線傳感器網絡的路由協議（Routing Protocol）

無線傳感器網絡是由大量傳感節點組成的一種分布式自組織網絡.與傳統無線網絡相比，無線傳感器網絡具有節點能量有限、多對一傳輸和高數據冗余等不同特征，這些特征使得傳統的無線網絡路由協議不能直接用于無線傳感網絡.

1.1 路由協議的分類

路由協議的作用是尋找一條或多條滿足一定條件的，從源節點到目的節點的路徑，然后把分組從源節點發送到目的節點.因此，路由協議的作用主要有兩個：一是尋找從源節點到目的節點的最有路徑；另一個作用是轉發分組.與傳統無線網絡相比，無線傳感器網絡具有節點能量受限、以數據為中心、高數據冗余等特征，這些特征使得傳統的無線網絡路由協議不能直接用在無線傳感器網絡.無線傳感器網絡路由協議的設計，不但要考慮服務質量和網絡的傳輸性能，還要考慮降低網絡的能量消耗，提高網絡的能量利用率.

圖1 一個典型的無線傳感器網絡體系結構

根據路由協議的本身特點和應用等，可以把路由協議分為如下幾個類型[3]：

（1）以數據為中心的路由協議

（2）基于層次結構（樹結構）的路由協議

（3）基于地理信息路由協議

（4）基于多路徑的路由協議：Flooding和Gossiping兩個路由協議是傳統網絡中最為經典和簡單的路由協議，它們都是基于洪泛機制的路由協議，也可以應用到無線傳感器網絡中.

1.2 路由協議設計的關鍵問題

無線傳感器網絡的路由協議設計面臨著一些關鍵性的問題和技術挑戰，可以歸納為以下幾個方面[4].

1.2.1 能量損耗均衡問題

由于傳感器網絡節點的能量受限，所以在路由選擇中如何有效地均衡網絡負載和能量消耗，延長網絡的生存時間，是無線傳感器網絡路由協議設計必須考慮的問題.

1.2.2 協議的復雜度問題

在無線傳感器網絡的路由協議設計中，提高網絡的能量效率和傳輸性能往往通過需要增加協議的復雜度來實現.但是，由于傳感節點在能量、處理、存儲和通信等方面的限制，無線網絡的協議不能設計的過于復雜.否則將增加協議的開銷，造成不必要的能量浪費.

1.2.3 動態環境下的協議性能問題

無線傳感網絡的一個具有挑戰性的問題是路由協議如何自適應拓撲結構的動態變化，快速的確定和建立備用路由，保證網絡正常的工作和傳輸性能.

2 無線傳感器網絡的傳輸協議（Transport Protocol）

許多無線傳感器網絡的應用要求傳感器網絡具有可靠的端到端的數據傳輸功能.傳統IP網絡主要使用OSI參考模型中的UDP和TCP協議控制數據傳輸.UDP協議是面向無連接的傳輸協議,不提供對數據包的流量控制及錯誤恢復;TCP協議則提供了可靠的傳輸保證,如利用滑動窗口機制進行擁塞控制[7].但由于傳感節點在能量、計算、存儲等方面的限制，傳統的TCP協議不能直接用于WSN[5][6].

2.1 無線傳感器網絡傳輸協議的特點

跟傳統的網絡相比，無線傳感網絡協議的設計必須考慮無線傳感器網絡自身的特點，具體表現為以下幾個方面的特點.

2.1.1 節能優先

由于傳感節點的能量是由電池供應的，而電池一般不可替代，如果能量耗盡那么節點就會死亡，甚至會造成網絡無法正常工作.為了使網絡具有更好長的生存時間，無線傳感器網絡協議設計必須考慮減少能量消耗問題.

2.1.2 多對一傳輸模式

傳統的通信網絡一般采用端到端的通信方式，無線傳感網絡則是面向信息感知的多對一傳輸模式，這樣做的目的是把傳感節點感知到到的數據傳到匯聚節點.

2.1.3 以數據為中心

無線傳感器網絡是任務驅動的網絡，相比某個具體節點所產生的數據，用戶通常只關心與任務相關的數據.因此，傳輸協議可以不針對某個具體的節點數據的傳輸，而只需保證可靠地完成整個任務相關的數據的傳輸.

2.2 無線傳感器網絡傳輸協議的分類

無線傳感器網絡傳輸協議的分類有多種方法，一般來說根據功能可以分為擁塞控制協議和可靠傳輸協議[8]. 2.2.1擁塞控制協議

該協議主要用來防止網絡擁塞的產生，或者是當網絡中發生擁塞的時候消除擁塞或者緩解擁塞.

2.2.2 可靠傳輸協議

該協議用來保證傳感節點感知的數據能夠有序、無丟失和無差錯的傳輸到匯聚節點，向用戶提供可靠的數據傳輸服務.

3 無線傳感器網絡的數據融合技術 （Data Aggregation Technology）

無線傳感器網絡由大量傳感節點組成，這些節點感知檢測的環境并把信息發給Sink節點.為了完成所需要的任務，傳感節點要采集大量的數據，通常來說要部署的傳感節點密度比較大，所以很多相鄰的節點所采集到的數據具有某些相關性甚至是相同的，這容易造成網絡中存在大量的信息冗余，從而增加通信的能量消耗，降低了網絡的通信率，從而導致網絡壽命的降低.因此，無線傳感器網絡需要采用數據融合技術來降低網絡的數據冗余，提高網絡的通信效率，延長網絡的壽命.數據融合可以看作是把許多來自傳感節點的數據融合成有意義的信息的集合[15].在傳統的網絡里，數據融合技術得到了廣泛的研究[11-14].目前，無線傳感器網絡所采用的數據融合處理方法有以下幾種[9].

3.1 綜合平均法

綜合平均法把來自多個傳感節點的數據進行綜合平均，也就是把一組傳感節點提供的數據進行加權平均，把得到的結果作為融合值.

3.2 貝葉斯估計法

貝葉斯估計法是根據概率原則對多個傳感節點觀測的數據進行融合，觀測到的數據的不確定性用條件概率表示.該方法適用于靜態環境中多傳感節點的數據的融合.

3.3 神經網絡法

神經網絡法是模擬人類大腦行為的一種信息處理技術.它采用神經單元來處理采集到的信息.該方法的自適應能力和學習能力較強，它的較強的非線性處理能力能夠很好的滿足多傳感節點數據融合技術的要求.

3.4 統計決策法

統計決策法是一種基于統計決策理論的方法，其觀測的不確定性為可加噪聲，使得不確定性的使用范圍更廣.

4 無線傳感器網絡的應用領域

作為一種新型的智能信息技術，無線傳感器網絡可以用在環境檢測、國防軍事、健康醫療、智能家居、以及工業控制等領域[3][4][10].

4.1 無線傳感網網絡在環境檢測中的應用

環境檢測是無線傳感器網絡早期的應用之一.無線傳感器網絡可以用來檢測自然災害，可以部署在野生動植物棲息地來檢測野生動植物的生存狀況，也可以部署在地面或水下來檢測空氣或水的質量.

4.2 無線傳感器網絡在農業中的應用

傳感器網絡的出現能夠實時提供土壤溫濕度、空氣變更、酸堿度、二氧化碳濃度，動植物病蟲害信息、生長信息，農作物灌溉情況等，這些信息幫助人們及時發現農業生產中的問題，從而采取相應的措施. 4.3無線傳感器網絡在智能交通中的應用

智能交通應用的傳感器可分為侵入式傳感器和非侵入式兩種方式.圖2為一個無線傳感器網絡在智能交通系統應用實例的網絡架構.

圖2 無線傳感器網絡在智能交通系統應用實例

4.4 無線傳感器網絡在健康醫療方面的應用

在健康醫療方面，無線傳感器網絡可以用來檢測病人的身體狀況，跟蹤他們的活動，從而達到醫療保健的目的. 4.5無線傳感器網絡在工業控制中的應用

無線傳感器網絡可以用在工業控制中來監控生產過程或者機器設備的工作狀況，從而達到提高生產效率，降低設備維護成本的目的.

5 無線傳感器網絡的發展趨勢

隨著近些年來物聯網的興起，對無線傳感網網絡的研究和應用不斷的深入，無線傳感器網絡呈現出多種發展趨勢.首先是應用多樣性，無線傳感網網絡在環境檢測、工業控制、健康醫療、智能家居、公共安全等很多領域具有廣泛的應用前景，并且在一些領域也取得了部分應用.其次是可管理性，當前已經出現了一些面向無線傳感器網絡的管理模型和系統的出現.例如，MANNA[9]采用簡單網絡管理協議（Simple Network Management Protocol,SNMP）的管理思路，通過建立無線傳感器網絡信息模型，把網絡中需要管理的內容映射到信息模型中，由代理（agent）進行信息的更新和維護.未來無線傳感器網絡將是一個可以支持多應用、多平臺、覆蓋范圍大小不等的異構網絡（Heterogeneous Network）.該異構網絡與傳統的有線網絡和蜂窩無線移動通信相比，在設計上有根本的區別.保羅·薩福曾說:“就如同個人電腦是八十年代的標志，萬維網是九十年代的標志一樣，下一個巨大的變化，將會是廉價傳感器的到來！”

〔1〕Liu Q,Huang X H,and Leng S P.Deployment strategy of w ireless sensor networks for Internet of Things [J].China Communications,2011,8(8):111-120.

〔2〕C-Y Chong，S P Kumar．Sensor Networks:Evaluation, Opportunities,and Challenges[J]．Proceedings of the IEEE，2003，91(8)：1247-1256．

〔3〕Akyildiz I F，Su W,Sankarasubramaniam Y,Cayirci E．W ireless sensor networks:A survey[J]．Computer networks,2002,38(4):393-422．

〔4〕鄭軍，張寶賢．無線傳感器網絡技術[M]．北京：高等教育出版社，2012.6.

〔5〕Karl H,W illig A.Protocols and Architectures for W ireless Sensor Networks.England:John W iley & Sons,2005.

〔6〕Li L,Zhou XS,Li SN,Li ZG,Zheng Y.Study and comparison of congestion control algorithms in w ireless sensor network.Application Research of Computers, 2006,23(3):11-13.

〔7〕方維維,錢德沛,劉軼.無線傳感器網絡傳輸控制協議[J].軟件學報，2008,19(6)：1439-1451.

〔8〕C W ang,B Li,K Sohraby,et al.A Survey of Transport Protocols for W ireless Sensor Networks[J].IEEE Network,2006,20(3):34-40.

〔9〕L B Ruiz,JM Nogueira,A A F Loureiro.MANNA: Management Architecture for W ireless Sensor Networks [J].IEEE Communications Magazine,2003,41(2):116-125.

〔10〕王汝傳，孫力娟.無線傳感器網絡技術及應用[M].人民郵電出版社，2011.4.

〔11〕C.Joo,J.Choi,and N.Shroff, “Delay Performance of Scheduling w ith Data Aggregation in W ireless Sensor Networks”,INFOCOM,March 14-19,2010,pp. 1-9.

〔12〕B.Yu,and J.Li, “M inimum-time aggregation scheduling in multi-sink sensor networks”,SECON, June 27-33,2011,pp.422-430.

〔13〕M.Yan,J.He,S.Ji,and Y.Li, “M inimum Latency Scheduling for Multi-Regional Query in W ireless Sensor Networks”,IPCCC,November 17-19,2011.

〔14〕M.Bagaa,A.Derhab,N.Lasla,A.Ouadjaout,and N. Badache, “Sem istructured and unstructured data aggregation scheduling in w ireless sensor networks”,INFOCOM,O rlando,Florida USA,March 25-30,2012,pp. 2671-2675.

〔15〕W.R.Heinzelman,A.Chandrakasan,H.Balakrishnan,“Energy-efficient communication protocol for w ireless m icrosensor networks”,IEEE Proceedings of the Hawaii International Conference on System Sciences, January2000,pp.1–10.

TP393

A

1673-260X（2014）04-0024-03

2012年宿州學院教授(博士)科研啟動基金項目（2012jb01）；省教育廳自然科學一般項目（KJ2012Z400，KJ2013B285）；省級專業綜合改革試點項目（2012ZY075）