无线传感网络的发展现状及研究中的关键技术教学内容

随着无线通信、集成电路、传感器、微机电系统等技术的飞速发展，低成本、低功耗、小体积、多功能的微型传感器的大量生产成为可能。之所以称为微型传感器，是因为传感器小到可以像灰尘一样在空气中浮动，所以又可称之为“智能尘埃（Smart Dust）”[1]。传感器节点借助于内置的微型传感器，可以测量周围环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波信号、温度、湿度、光强度、压力、土壤成分、移动物理大小、速度和方向等人们感兴趣的物理现象。无线传感网络( Wireless Sensor Network, WSN) 是集分布式信息采集、信息传输和信息处理技术于一体的网络信息系统，IEEE1451.5无线标准为无线传感器网络提供了各种基于协议和需求的无线应用标准。在WSN中，无线传感器节点常常被随机地布置在许多人类无法接近的场合，通过自组织的方式来构成一个快速、有效可靠的无线网络。传感器节点往往是同构的，并且由于其低能耗（甚至不需要换电池）的特点，它适用于无人看守的各种应用场景等特点，从而被公认为是未来改变人们生活的十大技术之一。本文针对无线传感网络的特点、应用、关键技术及各种研究进行了论述和分析，在研究人员进行应用场景的选择、课题申报，特别是对做WSN的MAC层研究的人员有一定的参考价值。

1 无线传感器网络的特点

目前常见的无线通信网络包括移动通信网、无线局域网、蓝牙网络、AdHoc 网络等, 无线传感器网络与无线通信网络有着本质的区别:无线通信网络的主要功能是提供网络上点对点的建立连接、互相通信和操作, 为数据共享提供正确、可靠的传输, 而由微型传感器节点构成的无线传感器网络则一般是为了某个特定的需要设计的自组织网络, 能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息, 并对这些数据进行处理, 从而获得详尽而准确的信息, 将其传送到汇聚节点。无线传感器网络相对于Ad hoc网络具有以下特点[2]:

(1) 节点更多, 分布更密集, 网络规模更大。为了在某个地理区域上进行监测, 通常有成百上千甚至上万的节点被布置在该区域, 如果单个节点或者局部几个节点出现故障是不会导致网络瘫痪的, 所以利用节点之间的高度连接性可以保证系统的容错性和抗毁性。

(2) 节点处理信息能力受限。由于受价格、体积和功耗的限制, 传感器网中的传感器节点一般采用嵌入式处理器和存储器。这些传感器都具有计算能力,可以完成一些信息处理工作。但是, 由于嵌入式处理器的能力和存储器的容量有限, 因此传感器的处理能力也相对受限，所以在设计WSN的各种协议时要力求简单有效。

(3) 能量节省更为重要。由于受到硬件条件的影响, 无线传感器节点通常采用电池供电, 而无线传感网络通常是不需更换电池的，相对于Ad hoc网络,电池的更换更为不便，而多数传感器网又往往要求长时间工作, 所以能量节省更为重要。受到发射能量的限制，无线传感网络节点的通信距离可能会短些, 一般只有几十米, 甚至更短。

(4)无线传感器网络中的节点相对而言处于静止状态，移动的节点有限，所以在考虑MAC层协议时，往往不需考虑节点移动的特性。而Ad hoc网络中的节点必须考虑移动特性。

(5)以数据为中心。在无线传感网络中，人们常常只关心某个区域内某个观测指标的数值，而不会去关心单个节点的观测数据。它不同于传统网络的寻址过程，能够快速有效地组织起各个节点的信息并融合提取出有用的信息来传送到用户。

2 无线传感网络中的关键技术

无线传感网络作为当今信息领域的研究热点，涉及多个学科的交叉，所需要研究的内容可以分为四个部分，网络通信协议、核心支撑技术、自组织管理、开发与应用。每个部分都有一些关键技术需要解决。

（1）网络通信协议

由于传感器节点能量很受限，其计算、存储和通信能力十分有限，每个节点只能获取局部网络的信息，因而节点上所运行的网络通信协议不能太复杂；同时，WSN拓扑结构和外界环境也是不断地变化，对通信协议的设计也提出了更高的要求。WSN通信协议包括物理层、数据链路层、网络层和传输层，它们相互配合运行。

（2）核心支撑技术

WSN里的核心支撑技术使用网络通信协议提供的服务，并通过应用服务接口来屏蔽底层网络的细节，使终端用户可以方便地对WSN进行操作。它的核心技术包括：能量挖掘、能量节省管理、拓扑控制、节点定位、时间同步、网内信息处理、网络安全等。

节点的能量成为无线传感器网络发挥效能的瓶颈。无线网络传感器节点的能量供应系统应根据自身特点进行设计, 传感器节点功耗较低, 但功耗变化范围比较大。如果利用能量挖掘技术从环境中挖掘能量, 使节点具有能量补充的能力, 这将从根本上解决节点的能量供给问题。典型方法是利用能量挖掘装置, 可以挖掘各类能量如风能、太阳能、温差、振动等形式的能量。

在能量管理方面，由于无线传感器网络节点多, 覆盖范围大, 工作环境复杂, 能源无法替代, 设计有效的策略延长网络的生命周期成为无线传感器网络的核心问题。休眠机制是节省能源的最有效方式之一, 如何进行休眠调度而不影响传感器网络的正常运行十分重要。

定位技术主要指的是节点定位, 即确定传感器的每个节点的相对位置或绝对位置。它是无线传感器网络研究领域中非常重要的一个研究方向, 特别是军事应用的基础。WSN系统可以智能地选择一些特定的节点来完成任务, 从而大大降低整个系统的能耗, 提高系统的存活时间。典型的基于距离的定位算法分别利用RSSI、TOA、TDOA、AOA 测距来定位节点。距离无关的定位机制无需测量节点间的绝对距离或方位, 因而降低了对节点硬件的要求,使得节点成本更适合于大规模无线传感器网络, 典型的距离无关的定位算法包含质心法、DV2Hop、Amorphous 和APIT 算法。

当然，安全问题是也无线传感网络面临的一个关键的问题。无线传感网络大部分采用无线射频连接,无线电电磁的干扰使信噪比变差导致无法通信。而人为的干扰可以采用被动的方式监听网络中传送的数据包, 还可以对监听到的数据包进行解析, 主动发出入侵数据包以非法窃取或者修改某些重要信息, 或者针对无线传感网络能量有限性的特点, 发送大量无用的数据包导致能量耗尽而瘫痪。无线传感网络中的两种专用安全协议:SNEP 和uTESLA。SNEP 的功能是提供节点到接收机之间数据的鉴权、加密、刷新, uTESLA的功能是对广播数据的鉴权。当前对无线传感网络安全方面的研究集中在基于计算能力以及通信能力有限状态下的自适应安全机制。这类研究致力于加密与消息认证机制, 及在密钥组管理。

（3）自组织管理

多变的网络状态及外在环境要求无线传感器网络要具有自组织能力，能够自动组网运行、自行配置维护、适时转发监测数据。自组织管理技术使用网络通信协议提供的服务，通过网络管理接口来屏蔽底层的细节，使终端用户可以方便地管理资源分配。其自组织管理技术包括：节点管理、资源和任务管理、数据管理、初始化与系统维护等。

（4）开发与应用

作为一种源于应用而又服务于应用的现行网络技术，WSN还要有完整的软硬件设计原则，高效的开发平台以及一系列别具特色的应用实例。其内容包括：仿真平台的建立，硬件系统开发、操作系统、软件开发、环境监测应用、目标追踪应用等。

3 无线传感器网络的应用

传感器网络有着巨大的应用前景，美国商业周刊和MIT技术评论在预测未来技术发展的报告中，分别将无线传感器网络列为21世纪最有影响的21项技术和改变世界的10大技术之一。无线传感器网络，塑料电子科学和仿生人体器官又被称为全球未来三大高科技