無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)狀研究

摘要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著廣泛的實(shí)際應(yīng)用。近年來出現(xiàn)的體積小、價(jià)格便宜并帶有智能處理能力的傳感器節(jié)點(diǎn)，使得可以用大量的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)建無線通信網(wǎng)絡(luò)，完成指定的任務(wù)。本文首先介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)近年來在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用以及取得的成果，回顧了有關(guān)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，同時(shí)展望了關(guān)鍵技術(shù)的幾個(gè)未來發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；定位；覆蓋；時(shí)間同步；網(wǎng)絡(luò)安全

引言
    近年來，由于微電子技術(shù)、計(jì)算技術(shù)和無線通信技術(shù)的進(jìn)步，使得大量低功耗、多功能、低成本的無線傳感器問世，由多個(gè)傳感器共同構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)吸引了大量學(xué)者的興趣。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)就是在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)布置大量具有信息采集、數(shù)據(jù)處理及無線通信能力的節(jié)點(diǎn)，整體形成一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，共同完成某些功能，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通運(yùn)輸、醫(yī)療等領(lǐng)域的科學(xué)研究中得到廣泛應(yīng)用。
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn)通常配備一個(gè)或多個(gè)不同類型的傳感器，用于完成不同物理數(shù)據(jù)的采集。同時(shí)節(jié)點(diǎn)上還配置有微處理器、存儲(chǔ)器、電源、射頻收發(fā)器和執(zhí)行器等。與傳統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)不同，WSN體積小，價(jià)格便宜，因而節(jié)點(diǎn)的能量(如存儲(chǔ)空間、計(jì)算能力、通信帶寬、通信范圍等)相對(duì)較弱。此外，WSN節(jié)點(diǎn)常常由電池供電，并且常常工作于惡劣的環(huán)境甚至是敵方區(qū)域，不能提供電池補(bǔ)給或更換，因而電源也是約束傳感器節(jié)點(diǎn)的一個(gè)重要因素。節(jié)點(diǎn)通常由無線通信設(shè)備通過多跳的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到基站，再由基站傳送到指揮中心。
    WSN領(lǐng)域的研究目標(biāo)是滿足上述約束條件的同時(shí)完成指定任務(wù)。引入新的設(shè)計(jì)理念，開發(fā)或改進(jìn)現(xiàn)有的協(xié)議，開創(chuàng)新的應(yīng)用領(lǐng)域，開發(fā)新的算法，都成為WSN研究熱點(diǎn)。本文總結(jié)了近年來WSN關(guān)鍵支持技術(shù)新的協(xié)議、算法以及應(yīng)用。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由許多不同類型的節(jié)點(diǎn)(如地震、低采樣率電磁傳感器、溫度、視覺、紅外聲音和雷達(dá)等)構(gòu)成。WSN的應(yīng)用如圖1所示，可以分為監(jiān)測(cè)和追蹤兩類。監(jiān)測(cè)應(yīng)用包括室外室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)、健康狀況監(jiān)測(cè)、庫存監(jiān)測(cè)、工廠生產(chǎn)過程自動(dòng)化、自然環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面。跟蹤的應(yīng)用有目標(biāo)跟蹤、動(dòng)物跟蹤、汽車跟蹤、人的跟蹤等。

1．1 公共衛(wèi)生
    WSN可用于殘疾人監(jiān)測(cè)、病人監(jiān)測(cè)、診斷、醫(yī)院藥品管理系統(tǒng)。C．R．Badker等人指出，在公共衛(wèi)生醫(yī)療監(jiān)測(cè)中應(yīng)用WSN能提高現(xiàn)有衛(wèi)生和病人監(jiān)測(cè)狀況。文中提出了4種應(yīng)用原型：嬰兒監(jiān)測(cè)、提醒聾人、血壓監(jiān)測(cè)與追蹤、消防員身體特征信號(hào)監(jiān)測(cè)。這些原型采用了SHIMME和T-mote節(jié)點(diǎn)。
    每年很多嬰兒死于嬰兒猝死癥(SIDS)，睡眠安全原型則是設(shè)計(jì)用于監(jiān)測(cè)監(jiān)視嬰兒睡覺狀態(tài)。用傳感器監(jiān)測(cè)嬰兒的睡姿，一旦嬰兒俯臥就及時(shí)提醒家長。SHIMMER節(jié)點(diǎn)中有一個(gè)重力三軸加速度計(jì)，用于監(jiān)測(cè)嬰兒相對(duì)位置。T—Mote節(jié)點(diǎn)則將該數(shù)據(jù)發(fā)送到基站，根據(jù)檢測(cè)值和設(shè)定值的比較判斷嬰兒的睡姿。Baby Glove原型設(shè)計(jì)用于監(jiān)測(cè)嬰兒的生命體征如溫度、水合程度以及脈搏。Fireline是一種無線心率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于消防員火災(zāi)救援過程中實(shí)時(shí)心率和壓力異常監(jiān)測(cè)。Heart@Home是一種無線血壓監(jiān)測(cè)和跟蹤系統(tǒng)。除此之外，Listen采集環(huán)境中的音頻信息，從而提醒聽力受損的人。
1．2 工業(yè)應(yīng)用
    石油冶煉工廠中安裝的WSN由4個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和一個(gè)執(zhí)行節(jié)點(diǎn)組成，可以降低成本，提高效率。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)包通過以太網(wǎng)發(fā)送給計(jì)算單元，再由計(jì)算單元將結(jié)果發(fā)送到分布式控制系統(tǒng)中?？刂葡到y(tǒng)向執(zhí)行節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令，完成整個(gè)控制過程。該試驗(yàn)測(cè)試了網(wǎng)絡(luò)噪聲對(duì)RSSI和LQI的影響，結(jié)果表明工業(yè)環(huán)境中的噪聲對(duì)WSN的性能有很大的影響。
    WSN也用于半導(dǎo)體制造工廠和油輪的設(shè)備維護(hù)和監(jiān)測(cè)。傳感器節(jié)點(diǎn)通過采集振動(dòng)信號(hào)來預(yù)測(cè)設(shè)備的故障，這有利于設(shè)備的維護(hù)和保養(yǎng)。
1．3 環(huán)境應(yīng)用
    傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用包括跟蹤生物，如鳥類、小動(dòng)物和昆蟲的遷移，監(jiān)測(cè)影響農(nóng)作物和莊稼的環(huán)境，以及大海、土壤及森林火災(zāi)等的監(jiān)測(cè)。美國加利福尼亞州索諾馬縣應(yīng)用WSN研究紅木樹林的現(xiàn)狀。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)用于測(cè)量空氣溫度、相對(duì)濕度以及光合有效輻射作用。在樹的不同高度放置節(jié)點(diǎn)，生物學(xué)家可以追蹤紅木樹林小氣候的空間漸變情況，從而驗(yàn)證其生物學(xué)理論。
    哈佛大學(xué)Matt welsh等人將傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于火山的監(jiān)測(cè)。他們分別于2004年和2005年對(duì)厄瓜多爾的Tungurahua和Reventodaor兩座火山進(jìn)行監(jiān)測(cè)。該網(wǎng)絡(luò)由16個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)傳感器間隔200～400 m不等。在19天的觀測(cè)中，網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)到230次噴發(fā)和其他事件。在肯尼亞構(gòu)建的ZebraNet系統(tǒng)是一個(gè)移動(dòng)傳感網(wǎng)絡(luò)，用于追蹤動(dòng)物的遷移。該系統(tǒng)將跟蹤節(jié)點(diǎn)安裝在斑馬的項(xiàng)圈上，目標(biāo)在于準(zhǔn)確記錄斑馬的位置，用于生物行為分析。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)
2．1 定位
    定位方法可以分為距離相關(guān)(range-based)定位算法和距離無關(guān)(range-free)定位算法兩大類。距離相關(guān)定位算法通常利用測(cè)距技術(shù)得到節(jié)點(diǎn)間距離，再利用三邊測(cè)量法、三角測(cè)量法或極大似然估計(jì)法計(jì)算出未知節(jié)點(diǎn)的位置。常用的測(cè)距技術(shù)包括接收信號(hào)強(qiáng)度(RSSI)技術(shù)、信號(hào)傳輸時(shí)間(TOA)技術(shù)、信號(hào)到達(dá)時(shí)間差(TDOA)技術(shù)和信號(hào)到達(dá)角度(AOA)技術(shù)。
    距離無關(guān)定位算法利用節(jié)點(diǎn)間的連通情況來估測(cè)自己的位置。其中一部分距離無關(guān)算法采用集中式計(jì)算模式，再用優(yōu)化方法來提高定位精度，如凸規(guī)劃算法和MDS—MAP算法，但是集中計(jì)算方式需要網(wǎng)絡(luò)中有中心節(jié)點(diǎn)支持，會(huì)導(dǎo)致中心節(jié)點(diǎn)通信量大，能量耗盡快，網(wǎng)絡(luò)癱瘓。
絕大多數(shù)距離無關(guān)定位算法采取分布式計(jì)算模式，擴(kuò)展性好，通信量小。
    Blumenthal等人提出了質(zhì)心定位算法和加權(quán)質(zhì)心定位算法，根據(jù)ZigBee／IEEE802．15．4傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)射接收距離或連接質(zhì)量為每一個(gè)接收坐標(biāo)分配不同的權(quán)重。Behnke和Timmermann通過使用連接質(zhì)量的歸一化值推廣了WCL機(jī)制。Schuhmann推導(dǎo)了室內(nèi)發(fā)射接收距離的指數(shù)逆相關(guān)的固定參數(shù)集和對(duì)應(yīng)于與WCL，的權(quán)重。這些方法假設(shè)接收機(jī)與發(fā)射機(jī)的距離不是很遠(yuǎn)，發(fā)射接收距離至少有一個(gè)接收器是提前預(yù)知的。
2．2 同步
    時(shí)間同步是WSN應(yīng)用的重要組成部分，傳感器數(shù)據(jù)融合、傳感器節(jié)點(diǎn)自身定位等都要求節(jié)點(diǎn)間的時(shí)鐘保持同步。時(shí)間的不準(zhǔn)確會(huì)嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)的生命周期。全局時(shí)間同步允許節(jié)點(diǎn)按照指定的方式發(fā)送數(shù)據(jù)，配合同步工作?，F(xiàn)有的時(shí)間同步協(xié)議更多關(guān)注的是準(zhǔn)確地估計(jì)時(shí)間不確定性和網(wǎng)絡(luò)中局部節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間同步。
    TPSN算法是S．Ganeriwal等人提出的成對(duì)同步協(xié)議，分為發(fā)現(xiàn)階段和同步階段。發(fā)現(xiàn)階段建立網(wǎng)絡(luò)分層的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，確定每個(gè)節(jié)點(diǎn)的層號(hào)；同步階段由根節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)同步階段的初始化。每個(gè)節(jié)點(diǎn)僅與其上層中一個(gè)節(jié)點(diǎn)同步，最終與根節(jié)點(diǎn)同步從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的同步。FTSP算法是由Branislav Kusy等人提出的基于sender—receiver的單向同步算法。該算法使用單向廣播消息實(shí)現(xiàn)發(fā)送節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間同步。
    RATSS協(xié)議是一種自適應(yīng)同步協(xié)議。首先建立兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間長期時(shí)鐘漂移，從而最小化占空比負(fù)擔(dān)。該方法使用長期的時(shí)間測(cè)量評(píng)估和分析3種影響時(shí)間同步的主要因素。測(cè)量這些參數(shù)用于設(shè)計(jì)速率自適應(yīng)能效同步算法。RATS的目標(biāo)是最大化同步采樣周期，同時(shí)在用戶定誤差范圍內(nèi)設(shè)定預(yù)測(cè)誤差。
    RFA算法是一種分散式時(shí)間同步。該算法按照螢火蟲同步的方法，內(nèi)部設(shè)置一個(gè)振蕩器周期為T，在時(shí)刻T節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)類似螢火蟲的信號(hào)，能觀測(cè)到該信號(hào)的鄰居節(jié)點(diǎn)則縮短其自身的發(fā)送螢火蟲信號(hào)的時(shí)間，縮短的時(shí)間由firing函數(shù)和常數(shù)ε決定。經(jīng)過一定時(shí)間，網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)將會(huì)達(dá)到同步。RFA是一種具有魯棒性的算法，能夠適應(yīng)數(shù)據(jù)丟失、節(jié)點(diǎn)增加、鏈接改變等網(wǎng)絡(luò)的變化。
2．3 覆蓋
    覆蓋控制作為WSN中的一個(gè)基本問題，反映了網(wǎng)絡(luò)所能提供的感知質(zhì)量，從而優(yōu)化WSN空間資源得到優(yōu)化分配，進(jìn)而更好地完成環(huán)境感知、信息獲取和有效傳輸?shù)娜蝿?wù)。按照WSN節(jié)點(diǎn)配置方式的不同，覆蓋問題分為確定性覆蓋、隨機(jī)覆蓋兩大類。如果WSN的狀態(tài)相對(duì)固定或是WSN環(huán)境已知，就可以根據(jù)預(yù)先配置的節(jié)點(diǎn)位置確定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淝闆r或增加關(guān)鍵區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)密度，這種情況被稱為確定性覆蓋問題。
    X．Wang等人提出了一種分布式網(wǎng)絡(luò)配置協(xié)議(CCP)。該協(xié)議規(guī)定網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)一共有三種狀態(tài)，分別為休眠、活動(dòng)和監(jiān)聽。監(jiān)聽狀態(tài)時(shí)，節(jié)點(diǎn)采集鄰居節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息，執(zhí)行K覆蓋算法。K覆蓋算法確定該節(jié)點(diǎn)處于何種工作狀態(tài)，還可以事先指定的任意的覆蓋度。G．Veltri等人提出最小最大暴露路徑算法。最小暴露路徑可以看成是傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋的最差情況，文中給出單傳感器情況下閉合形式解。此解可以看作是快速的近似計(jì)算的基礎(chǔ)。最大暴露路徑算法可以看成是網(wǎng)絡(luò)的最佳覆蓋情況，并證明了最大暴露路徑問題是NP難問題，還給出了幾種近似解算法。Megerian等人提出了最壞最佳覆蓋算法。首先定義了最大支撐路徑(maximal support path)和最大突破路徑。分別使得路徑上的點(diǎn)到周圍最近傳感器的最小距離最大化以及最大距離最小化。通過Voronoi圖和Delaunay三角形查找最大突破和支撐路徑。根據(jù)兩個(gè)極限情況，得到臨界的網(wǎng)絡(luò)路徑結(jié)果完成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的配置。
2．4 數(shù)據(jù)融合
    大多數(shù)無線WSN應(yīng)用都是由大量傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的，共同完成信息收集、目標(biāo)監(jiān)視和感知環(huán)境的任務(wù)。在信息采集過程中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)直接傳輸數(shù)據(jù)到匯聚節(jié)點(diǎn)的方法顯然是不合適的。通過數(shù)據(jù)融合技術(shù)，將多份數(shù)據(jù)或信息進(jìn)行處理，能夠組合出更高效、更符合用戶需求的數(shù)據(jù)。
    數(shù)據(jù)融合中，集中式融合方法容易帶來網(wǎng)絡(luò)擁塞，帶寬受限，容錯(cuò)能力差。因而，設(shè)計(jì)合理有效的分布式的濾波算法已成為當(dāng)前無線傳感網(wǎng)絡(luò)研究的熱點(diǎn)問題之一。最早提出的全分散卡爾曼濾波器證明分散融合結(jié)果與集中融合結(jié)果相同，但是要求所有節(jié)點(diǎn)之間都有通信。Xi-ao等人在傳感器網(wǎng)絡(luò)提出了分布式一致濾波方法，采用加權(quán)最小二乘近似估實(shí)現(xiàn)計(jì)靜態(tài)參數(shù)狀態(tài)。R．O．Saber等人提出了一種動(dòng)態(tài)分布一致估計(jì)方法，該方法將集中卡爾曼濾波分解為n個(gè)微卡爾曼濾波器。文中證明的濾波結(jié)果與集中濾波的結(jié)果相同。參考文獻(xiàn)中提出的一致濾波器直接作用于狀態(tài)空間變量的估計(jì)值，因而又稱為卡爾曼一致性濾波器(KCF)。
2．5 網(wǎng)絡(luò)安全
    缺乏有效的安全機(jī)制已經(jīng)成為應(yīng)用的主要障礙。加密是網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)中最基本的方法。為了建立傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全機(jī)制和協(xié)議，需要在通信節(jié)點(diǎn)對(duì)之間設(shè)立共享密鑰。鄰居節(jié)點(diǎn)不確定，以及網(wǎng)絡(luò)中任何一對(duì)節(jié)點(diǎn)有唯一的密鑰需要足夠的存儲(chǔ)資源，因而是不合適的。
    Basagni等人提出全局共享密鑰。該方法對(duì)存儲(chǔ)需求小，無需建立附加的密鑰，故無需節(jié)點(diǎn)問通信，是一種節(jié)能方法。然而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)節(jié)點(diǎn)遭受攻擊時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)都有可能遭到破壞。Tassos等人提出分簇密鑰管理，簇內(nèi)成員共享相同的密鑰，簇間通信則通過位于簇交界處的節(jié)點(diǎn)完成。這類節(jié)點(diǎn)中存儲(chǔ)多個(gè)密鑰并完成密鑰轉(zhuǎn)換，保證全網(wǎng)的安全通信。A．Wacker等人提出了分散化密鑰交換協(xié)議，即使攻擊者已入侵網(wǎng)絡(luò)中的一些節(jié)點(diǎn)仍能保證密鑰的安全。該協(xié)議在S連通圖中尋找S節(jié)點(diǎn)不相交路徑發(fā)送共享密鑰，并在路徑中建立鏈接，并將共享密鑰加密。一旦密鑰共享建立，如果不能訪問所有的共享密鑰，入侵者也無法恢復(fù)數(shù)據(jù)。

3 總結(jié)與展望
    與其他網(wǎng)絡(luò)不同，WSN可以廣泛地應(yīng)用在民用、環(huán)境監(jiān)測(cè)及工業(yè)等不同的領(lǐng)域。WSN針對(duì)不同的應(yīng)用有不同假設(shè)和需求。當(dāng)前已經(jīng)提出一系列協(xié)議，它們有各自的優(yōu)點(diǎn)和適用的環(huán)境，也存在一些不足。而隨著工藝、計(jì)算機(jī)及其網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，WSN必將得到越來越廣泛的應(yīng)用，迫切需要高效的支撐技術(shù)算法和協(xié)議。本文給出將來WSN的幾個(gè)發(fā)展方向：
    ①能效問題研究是無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的熱點(diǎn)研究問題。針對(duì)不同應(yīng)用的能效節(jié)點(diǎn)自定位算法、優(yōu)化覆蓋算法、時(shí)間同步算法都是值得進(jìn)一步深入研究的問題，進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)的性能，延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。
    ②在高密度網(wǎng)絡(luò)中，需要大范圍時(shí)間同步。時(shí)間同步可以減少事件碰撞、能量浪費(fèi)和統(tǒng)一更新?，F(xiàn)有的時(shí)間同步方案致力于同步網(wǎng)絡(luò)中的局部節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘以及較少的能量負(fù)擔(dān)。接下來的研究可以更多地關(guān)注最小化長時(shí)間的不確定性誤差，提高精度。
    ③WSN中布置了大量的節(jié)點(diǎn)，隨著時(shí)間發(fā)展會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)壓縮、融合和聚合技術(shù)能有效地減少數(shù)據(jù)傳送量?；谑录膲嚎s、融合、聚合方案和連續(xù)時(shí)間采集網(wǎng)絡(luò)也是具有挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)域。
    ④WSN的安全檢測(cè)問題。安全協(xié)議需要能監(jiān)視、檢測(cè)，同時(shí)應(yīng)對(duì)入侵者的攻擊?，F(xiàn)有的許多安全協(xié)議多數(shù)是針對(duì)網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層的。然而惡意攻擊可能出現(xiàn)在任何層中，不同層的安全檢測(cè)是一個(gè)值得研究的問題?？鐚拥陌踩珯z測(cè)是網(wǎng)絡(luò)安全研究中的又一具有挑戰(zhàn)性的課題。
    ⑤可擴(kuò)展性。保證網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性是WSN的另一項(xiàng)關(guān)鍵需求。由于能消耗盡、節(jié)點(diǎn)故障、通信故障等原因，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)常常會(huì)發(fā)生變化，如果沒有網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性保證，網(wǎng)絡(luò)的性能會(huì)隨著網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模增加或是隨著時(shí)間而顯著降低。
    ⑥WSN有著分層的體系結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致各層的優(yōu)化設(shè)計(jì)不能保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)最優(yōu)。將MAC與路由相結(jié)合進(jìn)行跨層設(shè)計(jì)可以有效節(jié)省能量，延長網(wǎng)絡(luò)的壽命。傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量管理、低功耗設(shè)計(jì)、時(shí)間同步和節(jié)點(diǎn)定位方面也可以結(jié)合實(shí)際，跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)。