1.4 無線傳感器網絡的關鍵技術

近年來，人們對無線傳感器網絡的研究不斷深入，無線傳感器網絡得到了很大的發展，也產生了越來越多的實際應用。例如，微型傳感器網絡最終可能將家用電器、個人計算機和其他日常用品同互聯網相連，實現遠距離跟蹤；家庭采用無線傳感器網絡負責安全調控、節電等。未來，無線傳感器網絡將是一個無處不在、十分龐大的網絡，國內企業應該抓住商機，加大投入力度，推動整個行業的發展。

1.4.1 技術組成

（1）網絡拓撲控制

對于無線的自組織的傳感器網絡而言，網絡拓撲控制具有特別重要的意義。通過拓撲控制自動生成良好的網絡結構，能夠提高路由協議和MAC協議的效率，可以為數據融合、時間同步和目標定位等很多方面奠定基礎，有利于節省節點的能量來延長網絡的生存期，所以，拓撲控制是無線傳感器網絡研究的核心技術之一。

（2）網絡協議

由于傳感器節點的計算能力、存儲能力、通信能力以及攜帶的能量都十分有限，每個節點只能獲取局部網絡的拓撲信息，其上運行的網絡協議也不能太復雜；同時，傳感器拓撲結構動態變化，網絡資源也在不斷變化，這些都對網絡協議提出了更高的要求。傳感器網絡協議負責使各個獨立的節點形成一個多跳的數據傳輸網絡，目前研究的重點是網絡層協議和數據鏈路層協議。網絡層的路由協議決定監測信息的傳輸路徑；數據鏈路層的介質訪問控制協議用來構建底層的基礎結構，控制傳感器節點的通信過程和工作模式。

（3）時間同步

時間同步是需要協同工作的傳感器網絡系統的一個關鍵機制，如測量移動車輛速度需要計算不同傳感器檢測事件的時間差，通過波束陣列確定聲源位置節點間的時間同步。網絡時間協議（Network Time Protocol，NTP）是互聯網上廣泛使用的，但只適用于結構相對穩定、鏈路很少失敗的有線網絡系統；全球定位系統（GPS）能夠以納秒級精度與世界標準時間UTC保持同步，但需要配置固定的高成本接收機，同時在室內、森林或水下等有掩體的環境中無法使用GPS。因此，它們都不適用于傳感器網絡。

（4）定位技術

位置信息是傳感器節點采集數據中不可缺少的部分，沒有位置信息的監測消息通常毫無意義，確定事件發生的位置或采集數據的節點位置是傳感器網絡最基本的功能之一。為了提供有效的位置信息，隨機部署的傳感器節點必須能夠在布置后確定自身位置。由于傳感器節點存在資源有限、隨機部署、通信易受環境干擾甚至節點失效等特點，定位機制必須滿足自組織性、健壯性、能量高效、分布式計算等要求。

（5）數據融合

傳感器網絡存在能量約束。減少傳輸的數據量能夠有效地節省能量，因此在從各個傳感器節點收集數據的過程中，可利用節點的本地計算和存儲能力處理數據的融合，去除冗余信息，從而達到節省能量的目的。由于傳感器節點的易失效性，傳感器網絡也需要通過數據融合技術對多份數據進行綜合，提高信息的準確度。

（6）網絡安全

無線傳感器網絡作為任務型網絡，不僅要進行數據的傳輸，而且要進行數據的采集和融合、任務的協同控制等，如何保證任務執行的機密性、數據產生的可靠性、數據融合的高效性以及數據傳輸的安全性，就成為無線傳感器網絡安全問題需要全面考慮的內容。

（7）數據管理

從數據存儲的角度看，無線傳感器網絡可被視為一種分布式數據庫。以數據庫的方法在無線傳感器網絡中進行數據管理，可以將存儲在網絡中的數據的邏輯視圖與網絡中的實現進行分離，使得網絡中的用戶只需要關心數據查詢的邏輯結構，無須關心實現細節。雖然對網絡中所存儲的數據進行抽象會在一定程度上影響執行效率，但可以顯著增強無線傳感器網絡的易用性。美國加州大學伯克利分校的TinyDB系統和康奈爾大學的Cougar系統是目前具有代表性的無線傳感器網絡數據管理系統。

（8）應用層技術

無線傳感器網絡由各種面向應用的軟件系統構成，分別執行多種任務。應用層的研究主要是各種無線傳感器網絡應用系統的開發和多任務之間的協調，如作戰環境偵察與監控系統、軍事偵察系統、情報獲取系統、戰場監測與指揮系統、環境監測系統、交通管理系統、災難預防系統、危險區域監測系統、有滅絕危險的動物或珍貴動物的跟蹤監護系統、民用和工程實施的安全性監測系統、生物醫學監測、治療系統和智能維護等。

無線傳感器網絡應用開發環境的研究旨在為應用系統的開發提供有效的軟件開發環境和軟件工具，需要解決的問題包括程序設計語言、程序設計方法、軟件開發環境和工具、軟件測試工具的研究。

1.4.2 面臨的挑戰

無線傳感器網絡除了具有Ad hoc網絡的移動性、自組織性等共同特征以外，還具有很多其他鮮明的特點，這些特點同時也需要不斷地探索和挑戰。

1）因為節點的數量巨大，而且還處在隨時變化的環境中，這就使它有著不同于普通傳感器網絡的獨特“個性”。首先是無中心和自組網特性。在無線傳感器網絡中，所有節點的地位都是平等的，沒有預先指定的中心，各節點通過分布式算法來相互協調，在無人值守的情況下，節點能自動組織起一個測量網絡；而正因為沒有中心，網絡便不會因為單個節點的脫離而受到損害。

2）網絡拓撲的動態變化性。網絡中的節點處于不斷變化的環境中，它們的狀態也在相應地發生變化，加之無線通信信道的不穩定性，網絡拓撲也在不斷地調整變化，而這種變化方式是無法準確預測的。

3）傳輸能力的有限性。無線傳感器網絡通過無線電波進行數據傳輸，雖然省去了布線的煩惱，但是相對于有線網絡，低帶寬則成為它的天生缺陷；同時，信號之間還存在相互干擾，信號自身也在不斷地衰減。不過因為單個節點傳輸的數據量并不算大，這個缺點還是能忍受的。

4）能量的限制。為了測量真實世界的具體值，各個節點會密集地分布于待測區域內，人工補充能量的方法已經不再適用，每個節點都要儲備可供長期使用的能量，或者自己從外界汲取能量。

5）安全問題。無線信道、有限的能量、分布式控制都使得無線傳感器網絡更容易受到攻擊，被動竊聽、主動入侵、拒絕服務則是這些攻擊的常見方式。因此，安全性在網絡的設計中至關重要。

6）生產成本。由于無線傳感器網絡由大量的傳感器節點組成，單個節點的成本是衡量網絡整體成本的重要指標。如果網絡的成本比部署傳統的單一傳感器設備更昂貴，那么傳感器網絡的成本將是不合理的，因此，每個傳感器節點的成本必須保持在低水平。例如，藍牙的成本通常低于10美元，因此，一個傳感器節點的成本應該低于1美元，以使傳感器網絡是實際可行的。然而，目前傳感器設備的價格都遠遠高于藍牙。此外，根據應用需求，傳感器節點還可以配備定位系統、移動裝置或電源，這些都增加了傳感器設備的成本。