无线传感器网络设计的几个问题刍议

75706部队16分队传输室 雷治安

无线传感器网络设计的几个问题刍议

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无线传感器网络技术发展前景广阔，但在进行网络设计时，要对其优势和不足加以综合考虑分析，方能实现网络优化。

无线传感器网络；设计；问题

无线传感器网络（wireless Sensor Networks，WSN）是以自组织方式构成的无线网络。该技术综合了传感器技术、嵌入式计算技术、网络技术、分布式信息处理技术和通信技术，在军事、工业、医疗、交通、环保等诸多方面有着巨大的应用价值，受到人们的普遍关注。WSN具有其他信息探测系统和网络系统所不具备的独特优势，同时也具有一定局限性。因而在进行WSN设计时，以下几个问题是需要我们认真加以考虑的。

一、网络安全问题

（一）安全路由

WSN监测区域分布的是大量地位平等的传感器节点，每个传感器节点可以随时加入或离开网络，而不会影响整个网络的正常运行。当某些传感器节点由于环境干扰或人为破坏而不能正常工作时，随机分布的大量传感器节点之间可以协调互补，动态连接成新的网络系统，保证局部节点的损坏不会影响到全局。因此，WSN具有生存能力强的特点。但它也有两面性，WSN中，大量的传感器节点密集分布在一个区域里，消息可能需要经过若干节点才能到达目的地，而且传感器网络具有动态性和多跳结构，要求每个节点都应具有路由功能。由于每个节点都是潜伏在的路由节点，加上采用的是无线传输信道，因此更易受到攻击，网络存在窃听、恶意路由、消息篡改等安全问题。网络层路由协议为整个WSN提供了的路由服务，安全的路由算法会直接影响WSN安全性和可用性。安全路由协议一般采用链路层加密和认证、多路径路由、身份认证、双向连接认证和认证广播等机制，有效提高网络抵御外部攻击的能力，增强路由的安全性。

（二）安全协议

在安全保障方面主要有密钥管理和安全组播两种方式。一种是密钥管理。无线传感器网络有诸多限制，例如节点能力限制，使其中只能使用对称密钥和Hash技术。电源能力限制，应使其在无线传感器网络中尽量减少通信，因为通信的耗电将大于计算的耗电。传感器网络还应考虑汇聚等减少数据冗余的问题。在部署节点前，将密钥预先配置在节点中，通常，预配置的密钥通过预存的秘密信息计算会话密钥，由于节点存储和能量的限制，预配置密钥管理方案必须考虑节省存储空间和减少通信开销。另一种是安全组播。无线传感器网络可能设置在敌对环境中，为防止供给者向网络注入伪造信息，需要在无线传感器网络中实现基于源端认证的安全组播。在安全协议方面，出现了大量的研究成果，如传感器网络保密协议（Secure Network Encryption Protocol，SNEP），对广播数据监权协议（U TESLA）。安全协议就是从路由安全的角度出发，寻找尽可能安全的路由以保证网络安全。

二、能量有限问题

首先是WSN能量的有限性。WSN中传感器节点体积微小，一般依赖能量有限的电池供电。其特殊的应用领域和大规模的应用数量，决定使用中很难对其进行能量更新，一旦电池耗尽该节点便随即“死亡”。其次是通信能力的有限性。由于无线通信所需能量与通信距离的n次方成正比，随通信距离的增加，WSN中传感器节点的能耗将急剧增加。受能量的约束，节点必须在满足通信畅通和生命周期正常的条件下考虑提高通信距离。同时，受外界地理条件、自然环境等的影响，无线通信性能可能经常变化，会频繁出现通信中断等现象，这也使WSN系统的通信能力受到很大的限制。因此，在WSN设计过程中如何提高能量使用效率和节点生命周期，是需要考虑的首个重要因素。如何在不影响功能的前提下，尽可能节约无线传感器网络的电池能量成为无线传感器网络软硬件设计中的核心问题。现在，已有一些解决方法，在大多数网络应用中，由于传感器节点监测事件的偶发性，没有必要让所有单元均工作在正常状态下，可采用休眠模式，能自适应的休眠和唤醒，进行突发工作，节省能量。还可将所有功耗单元有机组合，形成不同状态，让传感器节点能根据需要在不同状态间切换，这样既可满足系统需要，又节省能量。还可以动态调节电压节省能量，根据负载状态动态调节供电电压，形成一个闭环控制系统，节省能量。例如，数据融合技术，就能保证在向汇聚节点发送数据前，处理掉大量冗余的数据信息，从而节省网内节点能量。总之，在满足系统要求的情况下，采用各种方法降低耗电量非常必要。

三、容错机制问题

任何一个实用网络都必须有很好的容错机制，无线传感器网络也是如此。在实际应用中，由于传感器节点经常处于恶劣的自然环境中，有时甚至会长时间离线工作，同时，传感器多为嵌入式系统装置，自身出现故障的可能性较高，而且有时节点的电池会没电，此外，传感器网络中节点数量大、分布广的特点也使网络维护十分困难甚至无法维护。为了保障系统性能，传感器网络必须具有很强的容错性能。现在有很多容错机制，例如可采用局部恢复、多径多备份及利用编码理论等，但采用这些措施都要付出一定代价。可针对不同的应用环境和要求，采用不同的容错机制。另外，WSN系统对传感器节点这种需要大规模部署的微型嵌入式系统的要求非常高，包括体积小、价格低、功耗小等。受这些要求的限制，传感器节点的计算能力、程序空间和内存空间非常有限，同时面向WSN的算法计算设计也要尽可能简单，便于在传感器节点上实现。

四、网络结构问题

首先要分析的是WSN网络结构可扩展性强的一面。WSN是一个动态网络，网络内节点随时可能因为种种原因退出或加入网络。此时，原有的WSN可以有效地容纳或剔除变化的节点，快速形成新的网络并继续原来的工作，无需外界帮助。其次要分析的是WSN网络结构自组织能力强的一面。WSN是一个节点对等网络，每个节点都具有路由功能，网络中不存在严格的中心控制节点。其工作的展开不依赖于任何预设的网络基础设施，节点开机后就可以通过自我协调、自动布置，快速、自动地组成一个独立的网络。

基于以上两方面原因，无线传感器网络采用的网络拓扑结构有星形、网状和混合三种方式，至于采用哪种结构，取决于数据传输的数目、频率、传输距离、电池的生命期要求及节点变化的水平和灵活性。

在星形结构中，业务流只发生在基站与节点之间，基站负责传输数据和各种命令消息，并负责与更高水平的网络之间的通信。星形结构耗能少，但受限于直传距离。

网状结构是多跳的系统，业务流可发生在各个节点之间，每个节点都能与网络中的其他节点建立直接的通信链路。这些链路的建立可基于每个节点具有等价权利的分布式算法，或基于基站拥有优先权的集中式算法，也可是两者的结合。该结构具备很强的健壮性，因为每个节点都有多条链路连接到其他节点或基站，一旦某个节点失败，网络马上会在这个节点周围进行重配，保持节点之间的连接。由于每个节点都要关心链路变化消息，增加了处理负担，加大了能量消耗。

图1

星形与网状混合方式既保持了星形结构低能耗和简单的优点，又具备网状结构的扩展范围和自修复功能，其网络拓扑如图1所示。

设置一些节点以星形方式围绕在路由器或中继器周围，这些路由器或中继器以网状结构组网。这样，路由器扩展了网络的覆盖范围，提供了更强的健壮性。无线传感器的节点可连接到多个路由器，当某路由器失败或某链路失败时，网络就会利用剩余的路由器重新配置，以保持节点之间连接的连续性。该结构为节点提供了极高的灵活性及对网络节点数目快速变化的适应性，并能使扩展网络覆盖带来的能量消耗最小，因此，混合组网是自组织无线传感器网络的较好选择。

总之，WSN安全机制、容错机制、网络结构、能量问题是网络设计的关键技术，需要高度重视，解决了这些问题，方能实现网络优化，进而成功进行网络设计，并对无线传感器网络大规模走向应用具有重要的现实意义。