D2D技術(shù)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)比較研究

姜 冰，吳韶波，李雨謙，王明浩

（北京信息科技大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，北京 100101）

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的新興技術(shù)不斷涌現(xiàn)，智能化時(shí)代的到來也要求智能終端與時(shí)俱進(jìn)，D2D技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)都是當(dāng)下的熱門技術(shù)，它們既相似，又不同。作為智能化發(fā)展不可或缺的技術(shù)，詳細(xì)分析其技術(shù)特點(diǎn)及未來的發(fā)展?fàn)顟B(tài)十分必要。

1 技術(shù)概述

1.1 WSN概述

WSN（Wireless Sensor Network，WSN）是由大量靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)[1]，并最終將這些信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)所有者，具有大規(guī)模、自組織、動態(tài)性、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，以數(shù)據(jù)為中心，具有密集的節(jié)點(diǎn)布置。WSN的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 WSN體系結(jié)構(gòu)圖

從圖1中可以看出，大量傳感節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布，通過自組織方式構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，協(xié)助形成感知現(xiàn)場。當(dāng)傳感節(jié)點(diǎn)檢測到目標(biāo)信號后，會做一些簡單的處理，如將目標(biāo)信號通過相鄰近的傳感節(jié)點(diǎn)多跳傳輸?shù)接^測節(jié)點(diǎn)。用戶和遠(yuǎn)程任務(wù)管理單元通過外部網(wǎng)絡(luò)與觀測節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交換。

1.2 D2D技術(shù)概述

D2D（Device to Device）指設(shè)備到設(shè)備的通信[2]，是一種在系統(tǒng)控制下，終端用戶之間通過復(fù)用小區(qū)資源直接進(jìn)行通信的技術(shù)。作為面向以“萬物互聯(lián)”為主題的5G關(guān)鍵候選技術(shù)[3,4]，它工作在授權(quán)頻段，可以提升蜂窩通信系統(tǒng)頻譜的利用率，D2D通信模型如圖2所示。

圖2 蜂窩系統(tǒng)下D2D通信模型

圖2中左邊兩個小區(qū)的通信都是經(jīng)過基站的傳統(tǒng)通信形式，右側(cè)小區(qū)中用戶之間采用D2D通信，陰影部分表示可能存在的干擾較大的區(qū)域。

2 技術(shù)比較

D2D技術(shù)與WSN大都應(yīng)用于短距離通信，無需通過基站組建網(wǎng)絡(luò)，且節(jié)點(diǎn)位置不固定，相對靈活，可根據(jù)需求進(jìn)行移動等，但在相同之中也各有特點(diǎn)。

2.1 提出目的不同

WSN起步于20世紀(jì)90年代，由美國軍方提出，最初應(yīng)用于軍事部署，可通過布置大量節(jié)點(diǎn)采集周圍環(huán)境信息，收集并處理這些信息。隨著無線通信系統(tǒng)的不斷演進(jìn)，移動通信系統(tǒng)的頻譜資源越來越緊張[5,6]，已無法滿足無線通信的發(fā)展需求，因此D2D技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

2.2 節(jié)點(diǎn)所處環(huán)境不同

D2D設(shè)備既可以是Human-to-Human通信中的手機(jī)電話或其他設(shè)備，也可以是Machine-to-Machine通信中的機(jī)器設(shè)備，一般情況下與人處于同一環(huán)境，所在環(huán)境較安全穩(wěn)定。而WSN設(shè)備一般是具有數(shù)據(jù)采集處理并將數(shù)據(jù)融合經(jīng)多跳路由傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)，最后經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)或其他通信網(wǎng)絡(luò)傳送到觀察者處等功能的傳感器節(jié)點(diǎn)，適合分撒在環(huán)境條件惡劣或人類不適宜到達(dá)的地方。節(jié)點(diǎn)可能需在室外工作，不僅會遭受惡劣天氣的影響，甚至?xí)獾饺嘶騽游锏钠茐摹Ｒ虼诵枰獋鞲衅鞴?jié)點(diǎn)具有堅(jiān)固、不易被損壞等特點(diǎn)，能夠適應(yīng)各種環(huán)境。

2.3 主要工作頻段不同

WSN主要工作在ISM頻段（如2.4 GHz頻段），該頻段屬于非授權(quán)頻段，通信連接穩(wěn)定性、可靠性不高。D2D使用運(yùn)營商的授權(quán)頻段，干擾在一定范圍內(nèi)可以控制，數(shù)據(jù)傳輸也具有更高的可靠性。

2.4 組網(wǎng)方式不同

D2D技術(shù)主要是在基站的指導(dǎo)下建立終端間的通信連接，從而達(dá)到復(fù)用資源提高頻譜利用率的目的，而WSN往往需基于節(jié)點(diǎn)所在位置信息和所處環(huán)境要求而采用不同的組網(wǎng)方式。

2.5 面臨的安全威脅不同

D2D技術(shù)主要面臨的安全威脅是在D2D設(shè)備發(fā)現(xiàn)過程中，請求或響應(yīng)消息被非法重放，在D2D設(shè)備配置過程中，惡意冒充配置服務(wù)器進(jìn)行錯誤匹配，修改刪除配置數(shù)據(jù)，D2D設(shè)備通信過程遭攻擊者竊聽，偽造通信數(shù)據(jù)等。而WSN面臨的安全威脅[7]在其四層架構(gòu)上各有不同，物理層面臨直接的襲擊，如數(shù)據(jù)被竊取，硬件被修改等；鏈路層面臨的威脅主要是動態(tài)主機(jī)配置協(xié)議（Dynamic Host Configuration Protocol，DHCP）服務(wù)器欺騙和DHCP地址耗盡等；網(wǎng)絡(luò)層主要面臨著路由欺騙信息、選擇性轉(zhuǎn)發(fā)、陷阱攻擊等。當(dāng)前，蠕蟲、間諜軟件等使得應(yīng)用層的應(yīng)用更加危險(xiǎn)。

2.6 與其他網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合

D2D是通信網(wǎng)的補(bǔ)充，可以看作蜂窩網(wǎng)的拓展，即可與通信網(wǎng)結(jié)合的應(yīng)用都可與D2D結(jié)合。而WSN主要提供智慧感知能力，未來主要是為物聯(lián)網(wǎng)提供感知服務(wù)。當(dāng)然，WSN也可作為獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)對環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控。

3 應(yīng)用前景比較

3.1 D2D技術(shù)應(yīng)用分析

D2D技術(shù)主要被應(yīng)用在如下四個方面：

（1）本地通信業(yè)務(wù)：用戶的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)可以不經(jīng)網(wǎng)絡(luò)側(cè)而直接在本地傳輸。如一些大型音樂會的視頻服務(wù)[8]，商場大型促銷活動等。這種方式比通過小區(qū)基站提供服務(wù)要更加便捷，同時(shí)還減少了小區(qū)基站的負(fù)載。

（2）應(yīng)急通信：當(dāng)一些自然災(zāi)害發(fā)生并破壞了傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)，可以引入D2D技術(shù)，使得此時(shí)的終端仍能進(jìn)行，保障災(zāi)害現(xiàn)場可正常通信，為災(zāi)后救援提供幫助。

（3）物聯(lián)網(wǎng)增強(qiáng)：隨著具有物聯(lián)網(wǎng)特征的智能終端的大量接入，D2D技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合十分必要。最能體現(xiàn)這一點(diǎn)的應(yīng)用就是車聯(lián)網(wǎng)中的V2V（Vehicle-to-Vehicle）[9]通信，如車輛在行駛過程中，可以通過D2D發(fā)現(xiàn)技術(shù)及時(shí)發(fā)現(xiàn)和識別專用車輛，并為它們讓出通道，避免浪費(fèi)救援時(shí)間。車輛在高速行駛過程中，若想要減速或變道，可通過D2D通信發(fā)出預(yù)警，同時(shí)接收其他車輛發(fā)出的預(yù)警，提前準(zhǔn)備，降低交通事故的發(fā)生率。

（4）復(fù)用蜂窩通信資源：這是D2D技術(shù)發(fā)展的一大原因，其目的在于提高頻譜利用率，減少基站負(fù)載。

3.2 WSN應(yīng)用分析

WSN 主要被應(yīng)用在如下六個方面：

（1）軍事應(yīng)用：實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)區(qū)監(jiān)控，敵方軍力偵察，目標(biāo)追蹤，戰(zhàn)爭損傷評估等。

（2）生態(tài)環(huán)境監(jiān)測：WSN可以廣泛應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，如森林火災(zāi)監(jiān)測[10]、洪水監(jiān)測等。

（3）工業(yè)應(yīng)用：在工業(yè)安全方面，傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)常被用于危險(xiǎn)的工作環(huán)境，例如，監(jiān)控礦井工作環(huán)境[11]，確保工作人員的安全等。

（4）醫(yī)療應(yīng)用：近幾年，WSN在醫(yī)療系統(tǒng)和健康護(hù)理等方面已有非常多的應(yīng)用。一些生理指標(biāo)的遠(yuǎn)程監(jiān)控都可以通過WSN來實(shí)現(xiàn)。

（5）智能家居：WSN在家居自動化和智能化的發(fā)展中起到了重要作用。

（6）商務(wù)應(yīng)用：大廈環(huán)境監(jiān)控、交通監(jiān)控與車輛跟蹤、足球裁判輔助系統(tǒng)等都使用了無線傳感網(wǎng)絡(luò)。

3.3 D2D技術(shù)與WSN應(yīng)用前景比較

從以上分析中可以看出，D2D技術(shù)和WSN在應(yīng)用方面最大的相似點(diǎn)在于與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合。WSN作為物聯(lián)網(wǎng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)[12]，推動著物聯(lián)網(wǎng)不斷發(fā)展，不斷向智能化靠近，D2D技術(shù)用于物聯(lián)網(wǎng)的增強(qiáng)，與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合后，對物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展起輔助作用。

從它們各自的應(yīng)用場景和領(lǐng)域來看，D2D技術(shù)主要順應(yīng)了5G的發(fā)展，側(cè)重于解決無線資源極度短缺的問題；WSN現(xiàn)今發(fā)展較成熟，可應(yīng)用在各領(lǐng)域，但通過技術(shù)對比可以清楚地看出，由于技術(shù)的區(qū)別，其所應(yīng)用的場景和領(lǐng)域亦有不同。

4 結(jié) 語

通過近幾年的研究，人們對WSN特點(diǎn)的認(rèn)識已經(jīng)越來越清晰，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也被成功應(yīng)用，但從當(dāng)前來看，全球范圍內(nèi)的傳感網(wǎng)還比較分散，而且都是局部的專屬應(yīng)用，離“感知一切，充滿智慧”的物聯(lián)網(wǎng)還有一定距離，很多瓶頸尚待突破。隨著萬物互聯(lián)的5G時(shí)代到來，D2D技術(shù)還未完全成熟，仍有很大的發(fā)展空間，其雖可復(fù)用蜂窩資源，解決資源短缺等問題，但也在此過程中帶來了新的干擾，而如何抑制干擾也成了需要研究和解決的問題[13]。

WSN技術(shù)與D2D通信技術(shù)均適用于短距離通信，也各有特點(diǎn)，在未來的發(fā)展中，可以考慮將WSN網(wǎng)絡(luò)與D2D設(shè)備相結(jié)合，互補(bǔ)利用，充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，產(chǎn)生巨大的效益。

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