75706部隊(duì)16分隊(duì)傳輸室 雷治安

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的幾個問題芻議

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無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展前景廣闊，但在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時，要對其優(yōu)勢和不足加以綜合考慮分析，方能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；設(shè)計(jì)；問題

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless Sensor Networks，WSN）是以自組織方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)。該技術(shù)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和通信技術(shù)，在軍事、工業(yè)、醫(yī)療、交通、環(huán)保等諸多方面有著巨大的應(yīng)用價值，受到人們的普遍關(guān)注。WSN具有其他信息探測系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)所不具備的獨(dú)特優(yōu)勢，同時也具有一定局限性。因而在進(jìn)行WSN設(shè)計(jì)時，以下幾個問題是需要我們認(rèn)真加以考慮的。

一、網(wǎng)絡(luò)安全問題

（一）安全路由

WSN監(jiān)測區(qū)域分布的是大量地位平等的傳感器節(jié)點(diǎn)，每個傳感器節(jié)點(diǎn)可以隨時加入或離開網(wǎng)絡(luò)，而不會影響整個網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。當(dāng)某些傳感器節(jié)點(diǎn)由于環(huán)境干擾或人為破壞而不能正常工作時，隨機(jī)分布的大量傳感器節(jié)點(diǎn)之間可以協(xié)調(diào)互補(bǔ)，動態(tài)連接成新的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，保證局部節(jié)點(diǎn)的損壞不會影響到全局。因此，WSN具有生存能力強(qiáng)的特點(diǎn)。但它也有兩面性，WSN中，大量的傳感器節(jié)點(diǎn)密集分布在一個區(qū)域里，消息可能需要經(jīng)過若干節(jié)點(diǎn)才能到達(dá)目的地，而且傳感器網(wǎng)絡(luò)具有動態(tài)性和多跳結(jié)構(gòu)，要求每個節(jié)點(diǎn)都應(yīng)具有路由功能。由于每個節(jié)點(diǎn)都是潛伏在的路由節(jié)點(diǎn)，加上采用的是無線傳輸信道，因此更易受到攻擊，網(wǎng)絡(luò)存在竊聽、惡意路由、消息篡改等安全問題。網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議為整個WSN提供了的路由服務(wù)，安全的路由算法會直接影響WSN安全性和可用性。安全路由協(xié)議一般采用鏈路層加密和認(rèn)證、多路徑路由、身份認(rèn)證、雙向連接認(rèn)證和認(rèn)證廣播等機(jī)制，有效提高網(wǎng)絡(luò)抵御外部攻擊的能力，增強(qiáng)路由的安全性。

（二）安全協(xié)議

在安全保障方面主要有密鑰管理和安全組播兩種方式。一種是密鑰管理。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有諸多限制，例如節(jié)點(diǎn)能力限制，使其中只能使用對稱密鑰和Hash技術(shù)。電源能力限制，應(yīng)使其在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中盡量減少通信，因?yàn)橥ㄐ诺暮碾妼⒋笥谟?jì)算的耗電。傳感器網(wǎng)絡(luò)還應(yīng)考慮匯聚等減少數(shù)據(jù)冗余的問題。在部署節(jié)點(diǎn)前，將密鑰預(yù)先配置在節(jié)點(diǎn)中，通常，預(yù)配置的密鑰通過預(yù)存的秘密信息計(jì)算會話密鑰，由于節(jié)點(diǎn)存儲和能量的限制，預(yù)配置密鑰管理方案必須考慮節(jié)省存儲空間和減少通信開銷。另一種是安全組播。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可能設(shè)置在敵對環(huán)境中，為防止供給者向網(wǎng)絡(luò)注入偽造信息，需要在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)基于源端認(rèn)證的安全組播。在安全協(xié)議方面，出現(xiàn)了大量的研究成果，如傳感器網(wǎng)絡(luò)保密協(xié)議（Secure Network Encryption Protocol，SNEP），對廣播數(shù)據(jù)監(jiān)權(quán)協(xié)議（U TESLA）。安全協(xié)議就是從路由安全的角度出發(fā)，尋找盡可能安全的路由以保證網(wǎng)絡(luò)安全。

二、能量有限問題

首先是WSN能量的有限性。WSN中傳感器節(jié)點(diǎn)體積微小，一般依賴能量有限的電池供電。其特殊的應(yīng)用領(lǐng)域和大規(guī)模的應(yīng)用數(shù)量，決定使用中很難對其進(jìn)行能量更新，一旦電池耗盡該節(jié)點(diǎn)便隨即“死亡”。其次是通信能力的有限性。由于無線通信所需能量與通信距離的n次方成正比，隨通信距離的增加，WSN中傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗將急劇增加。受能量的約束，節(jié)點(diǎn)必須在滿足通信暢通和生命周期正常的條件下考慮提高通信距離。同時，受外界地理?xiàng)l件、自然環(huán)境等的影響，無線通信性能可能經(jīng)常變化，會頻繁出現(xiàn)通信中斷等現(xiàn)象，這也使WSN系統(tǒng)的通信能力受到很大的限制。因此，在WSN設(shè)計(jì)過程中如何提高能量使用效率和節(jié)點(diǎn)生命周期，是需要考慮的首個重要因素。如何在不影響功能的前提下，盡可能節(jié)約無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的電池能量成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟硬件設(shè)計(jì)中的核心問題?，F(xiàn)在，已有一些解決方法，在大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，由于傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測事件的偶發(fā)性，沒有必要讓所有單元均工作在正常狀態(tài)下，可采用休眠模式，能自適應(yīng)的休眠和喚醒，進(jìn)行突發(fā)工作，節(jié)省能量。還可將所有功耗單元有機(jī)組合，形成不同狀態(tài)，讓傳感器節(jié)點(diǎn)能根據(jù)需要在不同狀態(tài)間切換，這樣既可滿足系統(tǒng)需要，又節(jié)省能量。還可以動態(tài)調(diào)節(jié)電壓節(jié)省能量，根據(jù)負(fù)載狀態(tài)動態(tài)調(diào)節(jié)供電電壓，形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，節(jié)省能量。例如，數(shù)據(jù)融合技術(shù)，就能保證在向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)前，處理掉大量冗余的數(shù)據(jù)信息，從而節(jié)省網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)能量?？傊跐M足系統(tǒng)要求的情況下，采用各種方法降低耗電量非常必要。

三、容錯機(jī)制問題

任何一個實(shí)用網(wǎng)絡(luò)都必須有很好的容錯機(jī)制，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也是如此。在實(shí)際應(yīng)用中，由于傳感器節(jié)點(diǎn)經(jīng)常處于惡劣的自然環(huán)境中，有時甚至?xí)L時間離線工作，同時，傳感器多為嵌入式系統(tǒng)裝置，自身出現(xiàn)故障的可能性較高，而且有時節(jié)點(diǎn)的電池會沒電，此外，傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量大、分布廣的特點(diǎn)也使網(wǎng)絡(luò)維護(hù)十分困難甚至無法維護(hù)。為了保障系統(tǒng)性能，傳感器網(wǎng)絡(luò)必須具有很強(qiáng)的容錯性能?，F(xiàn)在有很多容錯機(jī)制，例如可采用局部恢復(fù)、多徑多備份及利用編碼理論等，但采用這些措施都要付出一定代價。可針對不同的應(yīng)用環(huán)境和要求，采用不同的容錯機(jī)制。另外，WSN系統(tǒng)對傳感器節(jié)點(diǎn)這種需要大規(guī)模部署的微型嵌入式系統(tǒng)的要求非常高，包括體積小、價格低、功耗小等。受這些要求的限制，傳感器節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力、程序空間和內(nèi)存空間非常有限，同時面向WSN的算法計(jì)算設(shè)計(jì)也要盡可能簡單，便于在傳感器節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)。

四、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)問題

首先要分析的是WSN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可擴(kuò)展性強(qiáng)的一面。WSN是一個動態(tài)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)隨時可能因?yàn)榉N種原因退出或加入網(wǎng)絡(luò)。此時，原有的WSN可以有效地容納或剔除變化的節(jié)點(diǎn)，快速形成新的網(wǎng)絡(luò)并繼續(xù)原來的工作，無需外界幫助。其次要分析的是WSN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)自組織能力強(qiáng)的一面。WSN是一個節(jié)點(diǎn)對等網(wǎng)絡(luò)，每個節(jié)點(diǎn)都具有路由功能，網(wǎng)絡(luò)中不存在嚴(yán)格的中心控制節(jié)點(diǎn)。其工作的展開不依賴于任何預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，節(jié)點(diǎn)開機(jī)后就可以通過自我協(xié)調(diào)、自動布置，快速、自動地組成一個獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)。

基于以上兩方面原因，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有星形、網(wǎng)狀和混合三種方式，至于采用哪種結(jié)構(gòu)，取決于數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)目、頻率、傳輸距離、電池的生命期要求及節(jié)點(diǎn)變化的水平和靈活性。

在星形結(jié)構(gòu)中，業(yè)務(wù)流只發(fā)生在基站與節(jié)點(diǎn)之間，基站負(fù)責(zé)傳輸數(shù)據(jù)和各種命令消息，并負(fù)責(zé)與更高水平的網(wǎng)絡(luò)之間的通信。星形結(jié)構(gòu)耗能少，但受限于直傳距離。

網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是多跳的系統(tǒng)，業(yè)務(wù)流可發(fā)生在各個節(jié)點(diǎn)之間，每個節(jié)點(diǎn)都能與網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)建立直接的通信鏈路。這些鏈路的建立可基于每個節(jié)點(diǎn)具有等價權(quán)利的分布式算法，或基于基站擁有優(yōu)先權(quán)的集中式算法，也可是兩者的結(jié)合。該結(jié)構(gòu)具備很強(qiáng)的健壯性，因?yàn)槊總€節(jié)點(diǎn)都有多條鏈路連接到其他節(jié)點(diǎn)或基站，一旦某個節(jié)點(diǎn)失敗，網(wǎng)絡(luò)馬上會在這個節(jié)點(diǎn)周圍進(jìn)行重配，保持節(jié)點(diǎn)之間的連接。由于每個節(jié)點(diǎn)都要關(guān)心鏈路變化消息，增加了處理負(fù)擔(dān)，加大了能量消耗。

圖1

星形與網(wǎng)狀混合方式既保持了星形結(jié)構(gòu)低能耗和簡單的優(yōu)點(diǎn)，又具備網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展范圍和自修復(fù)功能，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。

設(shè)置一些節(jié)點(diǎn)以星形方式圍繞在路由器或中繼器周圍，這些路由器或中繼器以網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)組網(wǎng)。這樣，路由器擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，提供了更強(qiáng)的健壯性。無線傳感器的節(jié)點(diǎn)可連接到多個路由器，當(dāng)某路由器失敗或某鏈路失敗時，網(wǎng)絡(luò)就會利用剩余的路由器重新配置，以保持節(jié)點(diǎn)之間連接的連續(xù)性。該結(jié)構(gòu)為節(jié)點(diǎn)提供了極高的靈活性及對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目快速變化的適應(yīng)性，并能使擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋帶來的能量消耗最小，因此，混合組網(wǎng)是自組織無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的較好選擇。

總之，WSN安全機(jī)制、容錯機(jī)制、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、能量問題是網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，需要高度重視，解決了這些問題，方能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，進(jìn)而成功進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，并對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模走向應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。