基于無線傳感器網絡通信體系的分析

張 君

（太原航空儀表有限公司，山西 太原 030006）

1 無線傳感器網絡概述及特點

1.1 無線傳感器網絡的概念

無線傳感器由多個低廉的小型傳感器部件構成，多個傳感器可以組成一個多級傳感互聯系統，其被稱為無線傳感器網絡[1]。傳感器網絡涵蓋了傳感器、感應目標以及監察部分3個方面，其關鍵功能是感應、搜集以及處理網絡覆蓋領域內所接收到的目標信息，并將信息轉移到監察部分。現如今，無線傳感器綜合了計算機技術、傳感器技術、信息處理技術以及通信技術，已經被廣泛應用到了多個領域，如軍事、醫療、環境監測以及空間探索等。無線傳感器網絡的組成及應用與傳統網絡有著很大的差別，其應用前景非常廣闊。

1.2 無線傳感器網絡的特點

與傳統的無線傳感器網絡相比，無線傳感器網絡具有其顯著的特質，其重點特質包括以下4個方面。

1.2.1 規模化

無線傳感器網絡會在應用范圍里放置多個傳感器節點，如大范圍的森林防火監控，為了提取準確的信息數據，會在森林監控的范圍里會投放多個傳感器節點，進而獲取更多信息。傳感器網絡的規模化特質分成兩類，第一類是在監測范圍空間較大的監測環境里需要安置更多的傳感器節點，第二類是在監測范圍空間較小的監測環境里需要安置密集化的傳感器節點。

1.2.2 主動組織性

無線傳感器網絡中，傳感器節點一般任意安置在沒有基本構架的環境里，每一個傳感器節點的定點都是不明確的，節點間的聯系也是未知的。例如，在森林中運用飛機自天空任意拋出一定數目的傳感器，或者將傳感器隨機安置到一些人為不可達的危險領域。這時就需要無線傳感器節點的主動組織性，利用網絡協議和拓撲調控構造自動組成的無線數據監測系統，自己安置定點位置并自我管理。

1.2.3 動態化

一般的無線傳感器網絡拓撲構造會因為一些未知的要素發生改變，如傳感器節點能源耗盡產生的傳感器節點失靈、其他新傳感器節點的融入或者外界自然條件的變化造成無線通信網絡的變化等，因此無線傳感器網絡需要適應此類要素，隨機應變。

1.2.4 有效性

無線傳感器網絡適用于人為不可達的危險地區，傳感器節點一般是任意安置且顯露在自然中，可能會遭到自然力量、人為以及動物的破壞。為了獲取準確的監測數據并確保其實時性，傳感器節點的構造要不易被破壞，體現出有效性的特質。

2 無線傳感器網絡的多信道通信體系

無線傳感器網絡各節點在其輸送、收集以及處置信息時，很可能會受到其他因素的影響，嚴重時會令整體傳感器網絡出現誤區，從而影響整體通信的精準性和有效性。多信道通信技術在無線傳感器網絡構造中的使用非常廣泛，散布在不同通道的各部分節點能夠通過多信道通信技術傳遞資訊，降低傳感器受外部影響的概率。如此看來，在無線傳感器中應用多信道通信技術可以增強通信品質、確保傳感器網絡運行的平穩性和有效性以及改善通信協議和網絡構造。

2.1 無線傳感器網絡通信存在的具體問題

2.1.1 無線傳感器網絡物理層問題

無線傳感器網絡物理層主要包括擁塞攻擊和物理纂改兩個方面的問題。擁塞攻擊指的是攻擊方多次向無線傳感器網絡發送信息包，使傳感器間的通信無法正常開展，物理篡改指的是攻擊方一旦搜索到了傳感器節點并獲得了對應的隱私資料，那么其就能夠輕松獲取到高層信息。

2.1.2 鏈路層問題

鏈路層的攻擊形式包括碰撞攻擊和非公平競爭等。關于碰撞攻擊問題可以表述為當兩個傳感器同時發送數據時，發送的信號就會同時出現，而接收方的設備無法識別此類信息，那么兩者就會出現沖突，在網絡中此信息就會被自動忽略。在發送方發送數據過程中，攻擊方趁機也發送信息，開展碰撞攻擊，這樣很大概率會造成碰撞沖突，導致信息無法順利發送。關于非公平競爭問題，其屬于風險性較高的攻擊，防范較為困難。例如，攻擊方會找到發送方其中的一個傳感器，了解到網絡的MAC協議，進而向無線傳感器網絡輸送比發送方級別更高的信息包，由此進行非公平競爭。

2.1.3 路由層問題

大部分對無線傳感器網絡的攻擊，都是針對路由層開展的，主要可分為內部攻擊和外部攻擊。內部攻擊有變更路由信息和攻擊方偽裝成網絡中的路由等，外部攻擊有直接對無線傳感器網絡開展攻擊等。傳感器屬于一個節點，同時擁有路由功能，會直接轉發接收到的信息，攻擊方會根據這一特質攔截信息，使節點無法轉發信息。例如，大部分攻擊方會運用女巫攻擊，其主要是對多節點的路由層造成威脅。多個節點要想正常的運轉，每個節點必須擁有一個網絡身份，而女巫攻擊指的是偽裝一個重復的身份，使原身份失效，這樣將要獲取的信息，都會被這個偽裝身份攔截，然后攻擊方會發送偽裝信息給其他節點，其他的節點就會認為這個偽裝信息是正確的，從而攻擊方就會阻礙整個傳感器網絡的運轉。

2.2 針對傳感器通信問題提出的對策

2.2.1 無線傳感器物理層擁塞攻擊和物理篡改的防范對策

擁塞攻擊對單頻點的傳感器網絡產生威脅，要想處理好此問題，可以利用寬頻和調頻等辦法。例如，攻擊方運用全頻段的攻擊形式，要想確保各個節點的安全，就要更改信號輸送的形式，通過紅外線來代替無線電傳播。

關于物理篡改攻擊的處理辦法，不能在網絡上直接實施，只能加固各節點的安全防范，如在節點設置完之后打開自我維護功能，不論怎樣被篡改，節點感應到威脅就自動刪除內部信息并斷開網絡，同時對不可刪除的信息展開加密，使得攻擊方即便獲得了信息，也無法解密。

2.2.2 鏈路層碰撞攻擊和非公平競爭的防范對策

碰撞攻擊的防范策略主要包括糾錯編碼和信息包重新上傳等，應用糾錯編碼來恢復信息，以降低碰撞的干擾。如果碰撞攻擊只是短時間攻擊，且干擾的數據很少，那么應用糾錯編碼是有效的，但如果是長時間的干擾，這樣會損壞更多的信息，在此狀況下糾錯編碼就不可以充分恢復信息，而且糾錯編碼策略也會提高開銷。此外可以采用信息包重新上傳策略，即基于競爭的退避算法，以此降低碰撞的幾率。在鏈路層安設一個重新上傳次數，當高于這個既定次數時，就會消除信息，但此類對策不能完全規避沖突，因此還需要深入研究。

非公平競爭問題的防范策略主要包括短幀策略和非優先級策略。短幀策略即在鏈路層中不允許運用過長的信息傳輸，這樣每一節點只在短時間內傳遞信息，當網絡中有長消息傳遞時，短幀策略就會提高開銷。非優先級策略即弱化優先級之間的差距，應用時分復用的形式開展信息傳遞，但要考慮網絡中的耗能問題。

2.2.3 路由層內外部問題的防范對策

路由層內部攻擊的防范較為困難，如在節點內很難找到女巫攻擊的偽裝身份。關于其防范對策，可以給每個傳感器都設置密碼，在每次信息輸送之前，基站要對密碼展開檢測。關于路由層外部攻擊的防范，可以運用共享密碼和鏈路層的加密系統加密輸送的資料，增加攻擊方破解的難度，此外網絡中安排對應的信息認證，充分預防女巫攻擊。

3 無線傳感器網絡通信體系的應用

3.1 智能交通測速系統中的應用

交通監管不合理會造成社會能源耗費和交通效率低下等一系列問題，怎樣協調路人、汽車以及道路3者之間的聯系，提高社會交通通行速率，是交管單位急需解決的問題。交通信號監管是社會交通監管活動的關鍵一環，交叉路口的信號燈是交通網絡中的關鍵設施。交通信號燈主要以有線連接為主，具有能源消耗大、二次發掘不便以及不便移植等方面的缺點。而無線傳感器網絡具有反應快和設備價格低的優點，可以捕捉和監察車輛，符合社會交通網絡的監管需要。其中，ZigBee技術是交通管理應用無線傳感器網絡的關鍵技術，具有操作簡易、損耗低、價格低以及有效性高的特質，是一類雙向的無線傳感器網絡技術，此外其活動頻段很低，能夠在未使用的狀況下保持靜止狀態，降低能源消耗[2,3]。如今，ZigBee技術逐漸被廣泛地使用在車輛監察等方面。基于ZigBee技術組建的無線傳感器網絡組成方式多樣，和普通網絡相比不用有線連接、修補率低且具有極強的靈活性，不僅能夠搜集汽車和道路的信息，還能夠按照現實需要拓展內容。

3.2 智能家居系統中的應用

智能家居系統運用無線傳感器網絡等信息化技術將各類智能家具串接起來，以此給大眾生活打造出更為便捷和舒適的家居生活[4-6]。如今，運用的較為普遍的家居傳感器通常都是運用有線調控這一辦法，但整體設備的組裝價格及今后保養所需要的資本通常都較為高昂，而且建成之后移動使用的幾率較低，而將無線傳感器網絡這一發達的技術引入到家庭生活中，其可以對家具生活的整個狀態展開檢驗并進行自動調節。

在家居系統的研發中，需要同時關注傳感器網絡的研發和使用，因為其研發和使用是家居生活體系的中心部分。互聯網路由器和信息的傳遞網絡是整體家居生活體系的重要構成部分，利用路由器和協議設備的設計，可以最大程度地為家居系統節約網絡流量損耗，所以在整體設計活動中需要關注傳感器功能的改善。無線傳感器需要對通信節點、電線、集中設備以及收集設備等展開專業的組裝測試，以保障新設備的有效運行。設備組裝測試的進程涵蓋了多個部分，若其中任意一個部分或節點產生故障或者是與其他部分缺少充分的調試，都會造成整個體系的不和諧，從而干擾到其作用的實施，所以電力行業需意識到家具生活系統協調操作的重要意義，立足于整個家庭，配合科學辦法展開建造，對各部分展開全方位把控，確保家具系統建設可以一直協調穩定，提高無線傳感器網絡的有效性。

3.3 航空領域中的應用

2007年，由工程和物理科學研究委員會（EPSRC）資助的無線互連和主動控制系統（Wireless Interconnectivity and Control of Active Systems，WICAS）項目首次提出了WICAS體系結構，將無線傳感器網絡應用于飛機機翼[7]。整個網絡系統結構包括應用層、路由層、媒體訪問層以及物理層。其中，應用層負責網絡拓撲管理，采用聚類策略來定位網絡中的變化，同時配有睡眠/喚醒調度，以確保可靠性和能效。路由層負責使用單跳或多跳通過最佳節能路由將數據傳輸到目的地。媒體訪問層負責避免無線介質傳統上的噪聲影響，減少沖突以增加網絡的壽命。物理層使用了一種新型調制和解調技術負責使用特定載波頻率傳輸數據。

2013年，由洛克希德·馬丁公司（Lockheed Martin）開發的一種秘密的永久自供電的無線傳感器網絡可以徹底改變監視周圍環境的方式。該公司的自組織網絡（SPAN）系統是“現場即忘”的地面傳感器網絡，能夠進行不干擾連續性的監視，支持多種任務和應用一同運行。SPAN是自組織自修復傳感器的網格網絡，使用專有算法處理來自該網格的信息，可減少誤報，從而提供智能態勢感知。SPAN傳感器體量小，因此可以放置在偽裝外殼（如巖石的外殼）中，在整個區域中不會顯眼，從而降低了被發現和篡改的可能性，提高了持續監視的有效性。此外，其具有極低的功率和良好的電源管理系統，可以從周圍環境中收集能量，解決了電池的壽命問題和成本問題，減少了人工維修的時間[8-12]。

SPAN還具有隱蔽性、低功耗自充電以及低誤報率等優勢，可以很好地應用于空天地一體化信息系統中，為飛行員提供更多的信息，便于其完成作戰和搜救任務。應用SPAN的空天地一體化信息系統如圖1所示。

圖1 應用SPAN的空天地一體化信息系統示意圖

4 結 論

無線傳感器網絡不斷發展，其中的技術和理論還不夠健全，特別是在網絡安全部分還需要更多的關注度。由于不能及時良好地應對其中不斷出現的問題，因此只能通過消耗網絡性能來提升無線傳感器網絡的性能，但相信隨著社會信息化的不斷深入，無線傳感器網絡的技術和理論會逐漸健全，應用領域也會逐步擴大。