关于无线传感器网络WSN的关键技术的探究

覃智

摘 要：无线传感器网络（WSN）解决了数据的采集、处理与传输工作，与通信技术和计算机技术共同构成信息技术的三大支柱。它通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统，以协作感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内有效信息，并最终发送给信息搜集者。它可以快速组网并实时感应、获取预先设定的各种有价值信息，使人们可以在更大范围内感知世界，尽可能多地获取信息。WSN在通信、计算机、自动化等领域都有涉猎，并融合了传感器技术、无线自组织网络技术、分布式系统技术、嵌入式系统技术等技术。由此来看，无线传感器已然成为了多科学交叉前沿研究热点，吸引了众多科技工作者的同时，对于他们的专业能力的要求也很高。

关键词：无线传感器网络 关键技术 节点结构

中图分类号：TP212.9 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）04（c）-0004-02

传感器节点构成了无线传感器网络（WSN），而无线通信又将这些传感器节点连接起来。在当代社会，无线传感器网络（WSN）的优点逐渐显露出来，吸引了越来越多的科学技术从业者参与到了该工程的研究工作当中，并努力将这一新兴交叉研究成果尽可能广泛地应用到社会生活的各个领域中。而由于这一研究工作对于工作人员的专业素质要求极高，涉猎范围广、难度大、需要的技术支持复杂且规模大，注定了这必将是一长期奋斗的过程，而这一过程中，做好对无线传感器网络（WSN）的发展现状以及其发展的关键技术的研究极其重要。

1 无线传感器网络（WSN）基本现状

1.1 特点

与其他的无线通信网络相比，无线传感器网络（WSN）有其自身的显著特点，并在其不断地发展一个新规程中显露出来。分布式、自组织性：它是由对等节点构成的网络，不存在中心控制，灵活性强，不依赖固定的基础设施和人为手段；健壮性：随机分布大量节点，应对节点损坏问题，具有较强的整体性；可扩展性：可兼容新增节点；动态拓扑：面对环传感器节点故障或失效等传感器拓扑结构可能发生变化的问题，无线传感器网络（WSN）具有动态的系统可重构性；应用相关：无线传感器网络（WSN）不能像因特网那样具有统一的通信协议平台，必须针对其具体应用来研究传感器网络技术；规模大：这一点包含了两方面：一方面是传感器节点分布在大的地理区域范围内；另一方面是传感器节点部署很密集；高冗余：大量冗余节点的存在，是系统具有很强的容错性；以数据为中心：传感器网络通常以数据本身作为查询或传输线索，不需要点对点通信。

除了以上这些自身的优点以外，它也存在一些局限性。比如节点自身的大小也有其要求，过大容易被发现，过小自身的内存也受限，不能完美的发挥无线传感器网络（WSN）的作用；或者所部署网络的环境过于恶劣，无线传感器网络（WSN）的一个重要作用就是帮助人类更大范围的感知世界、获取信息，而由于所处的环境因素，对其要求也更是严苛；各种局限性也时刻要求着科技工作者们对无线传感器网络（WSN）进行更深入的研究。

1.2 应用

美国是第一个从事无线传感器网络（WSN）研究的，并将其应用到了军事领域，在我国该领域研究起步较晚，但到21世纪，无线传感器网络（WSN）基本上已经得到广泛应用，但由于受科学技术发展的局限，其应用的范围也有限。在当代社会，世界各国基本已经实现了将无线传感器网络（WSN）在环境监测、医疗护理、目标跟踪、军事领域。国防安全、工业领域安全监测以及工业自动化生产等领域。

2 无线传感器关键技术

2.1 路由协议

设计传感器网络路由协议主要是为了寻找建立高效路径和传感器节点到接收器节点可靠的数据传输的方法，尽可能地延长其使用的年限。与传统的有线网络和蜂窝式无线网络不同，由于无线传感器网络（WSN）中没有基础设施和统一的面向全网的控制中心，因而在这种无中心控制的状态下路由机制可以广泛的获悉网络动态拓扑信息，并以一定方法计算路径并维护路径，使其正常运行。无线传感器网络（WSN）中路由协议的主要任务是建立一个源节点到目的节点的最优化路径，并通过这个优化路径传输信息。在无线传感器网络（WSN）中，路由协议具备以下几点特点：第一，能量优先。由于在无线传感器网络中，节点的能量是有限的，延长整个网络系统的使用年限是当前亟需解决的主要问题。因此，才设计路由协议的过程中，应将着手点挡在解决节点能量过快消耗这一问题上，建立一个可以高效的利用节点能量的机制；第二，基于局部拓扑信息。通常情况下，无线传感器网络（WSN）为了节省通信能量，多采用多跳的通信模式，而有限的节点不能存储大量的信息，也不能进行更深层次的路由计算。面对这一情况，建立一个简单高效的路由机制对无线传感器网络设计具有十分重要的意义；第三，可扩展性。面对无线传感器网络（WSN）节点失效或者新增节点的问题，或者面对无线传感器网络（WSN）所部署的外部环境因素的影响，路由协议的可扩展性（也可以称其为兼容性）可以十分有弹性的解决一系列可能出现的动态拓扑问题；第四，应用相关。由于无线传感器网络（WSN）的應用单位以及场所的不同，造成了数据通信模式不同，每个应用都需要特定的路由机制。设计者应该具体问题具体分析，特定的应用建立特定的路由机制。

2.2 安全技术

安全问题是一个系统正常平稳运行的基础，且这一问题关乎到数据的安全性，对其自身系统的发展也发挥着重要作用。而无线传感器网络的应用就是为了为人力所不便，这一系统多数应用在人烟稀少的地区或者敌方地区，过分开放的网络环境和开放的传播媒介，使得该系统部署区域潜藏着各种各样的安全问题，极易受到各种各样的攻击。这也就解释了无线传感器网络（WSN）需要安全技术来支持其自身正常运转的原因，也正是如此，安全技术对于无线传感器网络（WSN）的正常运行、快速发展具有重要意义。针对无线传感器网络（WSN）安全问题，该领域研究工作的出发点是解决信息的机密性、完整性、消息认证、组播/广播认证、信息新鲜度、入侵检测以及访问控制问题。其中安全技术主要包括密钥算法、安全协议、密钥管理、认证、安全路由、入侵检测、拒绝服务攻击（DOS攻击）和访问控制等，在部署无线传感器网络（WSN）时可利用实体认证、密钥管理等技术，确保任务的安全性（保密性）以及信息安全，并在相对安全的网络环境下完成任务。密钥算法，也称为密码算法，由于无线传感器网络（WSN）缺乏网络基础设施、节点数量有限造成的资源受限、因是新兴技术科技不能支持其正常运行，在这一系统中许多现有的密码算法都不能直接使用。目前主要使用对称密码算法，有时也会使用非对称的密码算法。由于密码算法成本低，使得许多该领域的研究工作者都投入到这一技术的研究当中；SNEP是A.Perrig.等专门为无线传感器网络（WSN）打造的一个能够有效保障数据的机密性、完整性以及新鲜性安全协议；作为无线传感器网络（WSN）的安全基础，密钥管理的重要性也是不言而喻。本着解决无线传感器网络（WSN）安全问题的原则，所有网络节点不能够共享一个主密钥方式。是以目前许多研究者有针对性地提出了几个可行的密钥管理方式，其中包括：每对节点之间都共享一对密钥；每个节点与基站之间共享一对密钥；基本的随机密钥分配模型以及使用部署知识的密钥分配模型等。当然，这种多方式的密钥管理机制所需的研究工作任务繁重，对人才的专业素养水平要求也是极高。认证技术主要分为三种：一是内部实体之间认证；二是网络和用户之间认证；三是广播认证。对于内部实体之间的认证，传感器网络密钥管理是其实现的基础，在这一方面它和上一关键技术密钥管理技术紧密相关，都是利用对称密码学来实现内部实体之间的认证，使共享密钥的内部实体能够相互认证。用户是利用无线传感器网络（WSN）收集数据、采集信息的主体，当这一信息采集指令需要被实现时，就需要通过传感器网络的认证，这就是所谓的网络和用户之间的认证。广播认证，可以说是效率较高、最节约能量的一种通信方式。研究传感器网络广播认证，保证广播实体和消息的合法性，对于无线传感器网络（WSN）的研发具有重要意义。

2.3 无线传感器节点

在无线传感器网络（WSN）系统中，传感器节点（sensor）、汇聚节点（sink node）和管理节点作为三大基本要素在该系统中占据了主要作用。无线传感器网络节点通过自组织的动态拓扑方式，构成了整个无线网络系统，被传感器节点采集的数据通过其他传感器节点进行传输，并在传输过程中被多个带有不同指令的传感器节点处理，然后以多跳的方式汇聚到汇聚节点，最后这些数据会被卫星或者互联网汇聚到管理节点。在系统运行过程中，实体用户通过管理节点发布指令，并采集监测数据。传感器网络节点的组成和功能主要包括四个部分：传感单元、处理单元、通信单元以及电源部分。此外，可以选择的其他功能元素还包括：定位系统、运动系统以及发电装置等。针对节点的数量有限、能量有限、其能量无法补充这一短板，越来越多的工作人员从节省能量、发挥节点最大效益这一出发点出发，投身于对节点的研究工作当中，努力寻找一个既可以控制节点数量又可以有效利用节点的能量，使其可以最大限度地发挥作用，发挥自身的最大效益，并延长其使用年限，为此，无线传感器节点在网络运行过程中的作用也是至关重要，针对节电技术的研究也应该更加深入。

3 结语

除了上文提到的，无线传感器网络的关键技术还包括覆盖控制技术、数据融合技术、嵌入式系统等技术，他们也都对无线传感器网络的正常运行起到了技术支持作用。作为一门新兴技术，无线传感器网络（WSN）对当代社会以及未来社会的各种可能性还不为世人所知。随着科学技术的不断发展，人们对该领域的研究也不断加深，人们将要面对的问题也会不断浮现出来，这就需要该领域的研究人员们抓紧研究，解决已经出现的或者将来可能出现的问题。随着越来越多的领域应用到了无线传感器网络，这就意味着在将来社会这一技术可能会普及，目前我们能够做的就是对其发展加大关注力度，为实现无线传感器社会各方面的对接做出努力，从而使其更好地服务于人类，促进人类的进步。

參考文献

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