無線傳感器網絡通信技術與標準化研究

【摘要】 隨著我國通信技術的飛速發展，無線傳感器網絡通信技術使用的日趨廣泛，在應用當中能夠采用單一的信道進行通信，并且網絡節點是在相同的頻率下進行傳輸，但是這種方式存在一定缺陷，而使用多信道通信則能夠提高網絡通信資源的利用率，提高系統抗干擾能力。本文主要對無線傳感器網絡通信技術以及標準化研究進行了分析，從而表現我國網絡通信技術的發展趨勢。

【關鍵詞】 無線傳感器 網絡通信技術 通信技術

隨著集成電路技術的不斷演進與完善，無線傳感器網絡通信協議已經能夠實現資源、能源的節約，實現芯片等成本的降低，使無線鏈路變得安全、可靠。為此，無線傳感器網絡通信技術能夠在諸多領域中應用，比如，軍事、工業、農業、醫療等。下面就對其技術以及標準化進行研究。

一、無線傳感器網絡多信道通信技術

在無線傳感器網絡通信中，單一的信道節點能夠進行無線電波的傳輸，節點之間不易產生干擾，并能夠將噪聲降低。下圖1表示的是無線信號的節點活動方式，節點D、F在一跳范圍內，能夠同時進行通信，并不會產出干擾。而隨著芯片的廣泛使用，多信道得到了發展。如下圖2所示，在多信道條件下，一跳中的信號節點能夠進行統一的通信，并不會產生干擾。比起單一信道，多信道通信能夠實現大量網絡信息的保留與傳輸[1]。無線傳感器網絡當中使用多信道通信在信道發生干擾以后，依然能夠正常實現通信。

1.1多信道MAC協議

多信道通信當中，網絡節點可以同時利用多個信道內的資源，并采用分布式分配方法，分布式分配較為簡單，并且不用單獨劃分管理者，擴展方便，實現了全局的優化，節點具有隨機效果，而多信道通信下能夠實現對信道節點的選擇，降低了協議的復雜性。

1.2信道頻普感知

因為無線傳感器在進行多信道通信過程中，要想較少信道干擾，就要具有頻譜感知效果。無線傳感器網絡通信能夠使用ISM頻率段進行通信，并且應用這種公用頻段在傳感器網絡運行當中能夠變得方便。可以在信道空余時通過使用信道資源實現信息的傳輸。

1.3安全同步

時間的同步協議作為無線傳感器網絡通信當中的一個重要組成，在各個應用領域中，都需要借助時間同步，比如，目標的設定、跟蹤、信息的查詢等，并且時間同步協議也是通信協議中最為基礎的內容[2]。為此，要能夠從系統的穩定性、安全性方面考慮并設定時間同步協議，這是多信道通信能夠穩定運行的前提。

二、無線傳感器網絡通信標準

以 IEEE802.15.4標準為例，IEEE802.15.4是無線傳感器網絡通信系統當中的一個標準，能夠在一個POS中實現無線通信的設備集合。功能設備與精簡的設備要共同使用、運作，采用RFD相關聯設備，PAN網絡協調器能夠實現成員身份的確認、信息的管理以及分組形式的轉發。網絡協調其能夠有效供電，適合在家庭中計算機外圍設備中使用。該標準的特征是任意兩個設備之間能夠進行通訊，實現跳躍式的數據傳輸，為此，適合在工業檢測控制中使用。可見，無線傳感器網絡通信標準化研究是實現系統應用的前提，相比其他標準更有效率。

三、無線傳感器網絡并行協商多信道MAC協議

MAC協議能夠對資源進行充分利用，在多個信道上進行通信，能夠將干擾降到最低，使性能增強。分段的跳頻信道在分配上分為協商時段與通信時段，當處于協商時段時，通信節點信道能夠進行協商，而對應的通信時段能夠切換到選擇好的信道上進行通信，在完成了通信后，就可以返回到控制的信道上，分階段的信道切換能夠在不同的信道上進行通信，但是卻過于依賴控制信道，導致所有的協商都需要集中到控制信道中，容易使信道出現飽和狀態，并且控制信道容易出現干擾，降低了整個通信網絡的安全性與穩定性。基于上述不足，研究人員設計出了并行協商MAC協議，該協議能夠劃分出若干個時間片段，并且每一個時間片段都能夠組成一個特定的超幀[3]，可以在超幀上選擇一個時間段完成信息接受。這種并行的協商MAC協議優點體現在：能夠減少節點消失現象，在RTMAC協議中，發送節點以及接收節點會處在一個時間片段中，在完成了一個節點的發送以后，就要等下一個超幀，在蘇醒期，不同時間片就可以進行信息發送，避免出現節點消失問題。此外，還具有降低通信開銷優勢，偽隨機序列能夠將MAC作為地址種子，通過隨機算法產生。這樣一來，其他節點只需要獲取MAC地址就可以。

四、無線傳感器網絡多信道頻譜感知

4.1無線認知傳感器網絡

一般來說，未經授權的頻段會經常出現擁擠的現象，并且能夠分配給無線系統中的頻譜在時間上與空間上都能呈現出不同程度的閑置現象，著就形成了“頻譜的空洞”現象[4]。但是充分利用這些閑置的資源，卻能夠為多信道通信提供可利用的資源，并且，在接入了這種動態的信道以后，會與傳感器的網絡事件驅動相適應。無線認知傳感器逐漸出現在人們的視野當中，對其的研究也在增多。無線認知傳感器在應用到了無線傳感網絡當中以后能夠使人更好的感知到周圍的環境變化，并且在通過調整其工作狀態的參數以后，能夠達到最優的工作狀態。應用這種無線電頻譜感知技術能夠感知到無線信道工作時的狀態，對多信道進行適當的調整，才能使通信資源消耗率降低，通信變得可靠。

4.2協作頻譜感知技術

頻譜的感知技術作為無線電中的一項重要技術，在構建無線網絡方面有重要意義，也是用戶能夠有效利用信道資源的前提。按照不同感知節點的工作狀態，頻譜的感知技術可以分為單節點的感知以及協作方式的感知。單節點的感知能夠對能量進行檢測，并且匹配的濾波平衡感知方式是對單節點檢測的主要手段。能量的檢測在方法上以及計量上有優勢，不需要對信息進行檢驗[5]。但是，在檢測過程中會產生一定程度的噪音，不能對檢測信號或者是干擾信號進行區分。這種檢測方式的缺點是需要計算的內容非常多，并且在檢測信號時要先對特征信息進行驗證。為了使頻譜的檢測靈敏度提升，減少檢測的時間協作頻譜感知應運而生。

4.3基于DCN協作頻譜感知

DCN協作頻譜感知存在優勢：在這種協作頻譜的感知下，基于Wisart當中的矩陣DCN能夠被準確并清晰的構建出來，這樣能夠大大提高檢測的性能與效率，非常適合在噪聲較大的環境中使用；按照函數分布的系數矢量，可以構建出一個隨意維度的DCN函數表達式，這種表達式非常簡潔，并且較為準確。應用這種表達式進行計算能夠及時、快速的計算出閾值，提高了協作式頻譜的感知；隨意維度的DCN函數協作式頻譜感知系統的構建，對于傳感器的節點沒有過多的限制，非常適合在系統當中使用[6]。

五、無線傳感器網絡容錯時間同步協議

5.1無線傳感器網絡安全分析

隨著網絡運行當中資源的浪費逐漸增多，降低能耗對網絡運行來說是非常重要的事情，并且，在工業、物流、軍事、科技等方面無線傳感器都得到了廣泛利用。其中，無線傳感器在網絡安全方面的需求表現在以下幾個方面：1、機密性。機密性就是指沒有經過授權的人員不能隨意獲取到相關信息。因為無線傳感器在傳輸信息時會經常出現信號不能完全接收的現象。為此，對于一些機密性的信息可以進行物理攔截，平常人不能隨意獲取。對于商業機密、工業機密以及軍事機密等的保護有重要意義。2、完整性。無線傳感器在信息傳輸中，信息是能夠被篡改的，但是機密性的信息不能隨意外泄。但是有很多非法入侵者有破譯加密的能力，依然能夠對信息進行改動。但是，完整性卻能夠確保信息的接受者獲得完整的信息，一旦信息出現了篡改，接收者會及時發現。

5.2無線傳感器的網絡交錯時間同步協議

FTTSB可以采用分布式的運算方式，并且在諸多的網絡節點當中，時間同步消息能夠被同步交換、接受，能夠將時間的偏轉率大大降低，從而實現同步協議的目的。在出現了入侵形式的檢測以后，FTTSBP會分為攻擊檢測、系數形成、時間校驗等部分。下圖表示的是具體結構圖。

FTTSP協議的主要特點體現在以下幾個方面：

1、采用分布式的計算方法，不用考慮過多的參考節點，并且即使是單個節點在效益上降低了，也不會影響到整體網絡同步。2、節點晶振頻率能夠在時間上出現相關性，按照同一個節點的時間分布特征，將時間的估計值與產生的偏差值作為判斷依據，這樣在有惡意信息攻擊時能夠為其提供攻擊檢測。

FTTSP協議還能夠接收到不同來源節點的同步信息，并應用隨機的平均算法對數據進行融合，這樣能夠使惡意的信息攻擊減少，使信息的精確度提高，實現了容錯的標準。可以說，FTTSP協議在檢測惡性攻擊上還是非常有效的。

結語：本文主要對無線傳感器網絡通信技術以及標準化進行了研究，通過分析可以了解到，采用無線傳感器網絡多信道通信技術有諸多優勢，并且其標準化設計與研究對于無線傳感器網絡通信技術功能發揮有重要意義。

參 考 文 獻

[1]趙軍，陳祥光，劉春濤等.分布式多信道媒體訪問控制協議在無線傳感器網絡中的應用研究[J].兵工學報，2012，33（6）：695-701.

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[3]潘高峰.超寬帶無線傳感器網絡節能與中繼協作通信技術策略研究[D].西南交通大學，2011.

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[5]王偉東，朱清新.無線傳感器網絡中一種層次分簇算法及協作性分析[J].軟件學報，2010，17（5）：1157-1167.

[6]彭保，顧學邁，王帥等.無線傳感器網絡中適于協作定位的全局節點選擇[J].華南理工大學學報（自然科學版），2010，36（5）：75-79.

[7]岑雷.對一種分布式無線傳感器網絡跨層移動通信技術的研究[J].數字化用戶，2013（10）：11-11.

[8]曾文瀟，蔣同海，李曉等.基于分布式多分段區域檢查機制的無線傳感器網絡傳輸過程仿真[J].吉林大學學報（工學版），2014，44（1）：246-252.