无线传感器网络关键技术浅析

刘建顺 赵岚光 郭全

摘要：无线传感器网络（Wireless Sensor Networks ） 是计算、通信和传感器这三项技术相结合的产物， 目前成为计算机科学领域一个活跃的研究分支。本文针对目前无线传感器网络关键技术及挑战进行综述性分析，对无线传感器网络的进一步研究起到积极引导作用。

关键词：无线传感器 定位 时间同步 数据融合

1. 引言

无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式所形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中得感知对象信息，并发送给观察者。无线传感器网络具有低成本、容错性好、快速部署、无需固定网络支持、可长期执行监测任务等特点，在环境监测、医疗卫生、军事、灾难拯救以及商业等方面具有广泛的应用前景。[1]

2. 无线传感器网络关键技术

2.1定位

确定传感器节点自身位置以及事件发生的位置是无线传感器网络的基本功能之一，定位技术对无线传感器网络的各种应用都有着重要的作用，是一项值得研究的关键技术。文献[1]针对户外消极追踪问题。提出了一种利用光传感器和光源对WSN中的移动目标进行追踪的方法。文中设计了光追踪协议来计算目标移动的方式[1]。文献[2]从无线摄像传感器网络中目标定位的角度，分析覆盖问题，提出一种方向定位传感模式，在此基础上应用贝叶斯估计理论，提出了方向定位的覆盖概念（L覆盖），根据摄像传感器分布密度和L覆盖率关系，得到对期望的L覆盖率的密度要求[2]。

2.2时间同步

在无线传感器网络应用中，传感器节点通常需要协调操作共同完成传感任务，时间同步技术显得尤为重要。传统的网络时间同步的方法，成本较高且能耗较大，在恶劣的环境下同步精度还会受到很大影响，因此，研究适合于传感器网络的精确节能的时钟同步算法也是目前国内外研究的一个热点方向。

2.3覆盖

在传感器网络资源受限的情况下，通过节点部署策略以及路由选择等手段，可以使无线传感器网络的各种资源得到优化分配，因此，覆盖也是目前研究的热点方向。文献[3]提出了一种基于新颖的蚁群优化算法解决能量有效覆盖问题的方法，[3]该算法使用三种类型的信息索来解决能量有效覆盖问题，而传统的蚁群优化算法只使用一种类型的信息索，进一步，文中提出了两种具体解决办法：1、可能传感器侦测模式；2、在连续空间中使用不同类型的传感器。实验表明，该算法能很好地延长整个网络生命周期。

2.4网络安全

由于无线传感器网络受能耗、数据处理和通信能力的限制，使得无线传感器网络受到的安全威胁，现有的网络安全机制不适合于无线传感器网络，需要开发针对该领域的专门协议。文献[4]针对双层传感器网络中存储节点被攻击问题，[4]该文提出了一种防止被攻击的协议SafeQ，使节点在采集数据，和存储节点向sink节点传输数据更为安全。

2.5数据融合

邻近节点报告的信息存在很大的相似性和冗余性，各个节点单独传送数据会浪费通信带宽，缩短网络生存时间，加速节点的能量消耗。而数据融合技术有助于提高数据的准确性和数据的收集效率。因此，数据融合技术成为无线传感器网络的一项关键技术。文献[5]针对于无线传感器网络中对环境的监测，提出了一种面向时间相关性的复杂框架，[5]该框架可以对数据压缩的损失进行优化，进而提出了在噪声环境下动态减少能量损失的数据聚集协议。文献[6]针对无线多媒体传感器网络数据压缩所产生的数据冗余问题，[6]该文提出了一种信息数据压缩框架，将采集到的视觉信息最大化的完整压缩。并在此基础上，结合优先进化遗传机制，提出DMCP协议，减少压缩过程的数据冗余。

2.6网络协议

路由协议不仅关系到单个节点的能耗，而且直接影响到网络的生命周期，所以，网络协议也成为无线传感器网络的一项研究热点。文献[7]提出了一种任播路由算法保证数据包准确传到水面SEA传感器。[7]通过任播路由协议，将水下不同深度的水压传给SEA，再由SEA传给检测中心。该协议采用新颖的机会路由机制，选择最大贪婪进程的代理子集，限制信道干扰。

2.7网络拓扑控制

对于无线传感器网络而言，良好的拓扑结构有利于节省节点的能量来延长网络的生存期，提高路由协议和MAC协议的效率，所以拓扑控制也是无线传感器网络的核心技术之一。

3. 无线传感器网络所面临的挑战

传感器网络是由众多节点组成的、采用无线通信方式、动态组网的多跳移动性对等网络。与传统网络相比，传感器网络的发展受到了如下几方面限制与挑战：

（1）电源能量有限

传感器网络的首要设计目标就是能源利用问题，如何高效使用能量来最大化网络生命周期是传感器网络所面临的首要挑战，也是传感器网络和传统网络最重要的区别之一。

（2）通信能力有限

在通信环境和节点有限通信能力的情况下，如何设计网络通信机制以满足传感器网络的通信需求是传感器网络面临的又一挑战。

（3）计算和存储能力有限

传感器节点需要完成检测数据的采集和转换、数据的管理和处理、应该汇聚节点的任务请求和节点控制等多种工作，如何利用有限的计算和存储资源完成诸多协同任务，成为传感器网络设计的一个无法回避的问题。

4.结束语

无线传感器网络作为新兴前沿热点研究领域，在众多应用领域具有重要的科研价值和巨大实用价值，本文对无线传感器网络的关键技术及所面临的挑战进行了归纳分析，并对其今后研究起到积极引导作用。

参考文献：

[1]Xufei Mao，ShaoJie Tang，Xiaohua Xu，Xiang-Yang Li，Huadong Ma.iLight： Indoor Device-Free Passive Tracking Using Wireless Sensor Networks.IEEE INFOCOM 2011：126-130.

[2]Liang Liu，Xi Zhang，and Huadong Ma.Localization-Oriented Coverage in Wireless Camera Sensor Networks.IEEE TRANSACTIONS ON WIRELESS COMMUNICATIONS.FEBRUARY 2011：168-172.

[3]Joon-Woo Lee.Energy-Ef?cient Coverage of Wireless Sensor Networks Using Ant Colony Optimization With Three Types of Pheromones.IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL INFORMATICS.AUGUST 2011：102-106.

[4]孙大洋，刘衍珩，王爱民.“一种基于能耗度量的融合树构建算法”.计算机研究与发展.2008年，第45卷，第一期：104-109。

[5]于海斌，曾鹏，梁晔.智能无线传感器网络系统[M].北京：科学出版社，2006：8-11.

[6]马祖长，孙怡宁，梅涛.无线传感器网络综述[J].通信学报，2004，25（4）：

114-124.

[7]任丰原，黄海宁，林闯.无线传感器网络.软件学报[J]，2003，14（7）：1282-1291.

作者简介：刘建顺，男，沈阳建筑大学信息与工程学院，高级工程师，主要研究无线传感技术及工业自动化。