海上通信环境中无线传感器网络基础设施研究

王涵

摘 要：无线传感器网络基础构架受不同应用环境的影响，具有动态性和适用性，如何构建一个适用特定环境的无线传感器网络一直以来都是大多研究人员关心的难点问题。文章首先综述了无线传感器网络的相关基础知识，进一步介绍了关于该网络基础设施的主要研究内容，最后探讨了如何构建适用海上通信环境下的无线传感器网络基础设施。文章只是做了一个探讨性研究，希望对后续的相关研究能有一定的启发作用。

关键词：无线传感器网络；海上通信；基础设施

无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）与传统网络技术不同，它是通过利用各类传感器，对处于该传感网络范围内的传感器节点，进行节点信息的监测与收集并对其处理，然后将处理的信息通过自组织网发给观测者。随着电子通信技术的高速发展，特别是5G和物联网等前沿技术发展，无线传感器网络得到了越来越多企业和学术界的广泛关注，已成为新一代技术中的研究热点[1]。无线传感器网络可以应用在多个领域，包括环境监测、医疗卫生领域、军事领域、车辆监控等[2]。由于传感器节点自身特点，如：节点能量小、节点的通信距离受限、自身计算能力受限、节点分布广、无线传感网络具有动态性等，这些使得无线传感器网络的研究面临一些挑战，同时由于其所具备的一些优势特性，给无线传感器网络研究带来了机遇和挑战[3]。对WSN技术方面的研究主要有网络通信、基础设施、中间件即使、数据管理技术及节点技术等。然而，在现有的研究资料中，基于海上通信环境的无线传感器网络的研究相对较少，本文主要对海上环境中的无线传感器网络基础设施进行了探讨性研究。

1 WSN 基础设施的关键技术

本节研究主要包括有拓扑控制、节点定位、时间同步、路由安全、能量管理、QoS管理等。本节主要是对这些进行了分类讨论。

1.1 拓扑控制

无线传感器网络中拓扑控制的关键在于如何在满足网络覆盖度和连通度的前提下，最小化网络的能量消耗，这些是通过功率控制或拓扑控制来实现的。首先，从功率控制定义出发：在一定前提下，即满足给定的网络覆盖和连通的情况下，控制无线传感器网络节点发射功率，使得网络节点的功率消耗最小。功率控制问题在传感器节点部署在更高维度时，更为复杂。

1.2 节点定位

在无线传感器网络应用中，至关重要的一个方面是位置信息，缺失位置信息的数据毫无意义。由此可知，WSN中的节点定位是其关键技术。现阶段主要有两类传感器节点定位方法：一种是基于测量距离的定位方法；另一种是与测量距离无关的定位方法。

前者是利用测距技术测量相邻节点间的实际距离或方位，然后利用相关计算方法进行准确定位。后者则是基于其他的原理。

1.3 时间同步

无线传感器网络中的节点都具有相应的时钟。由于存在环境干扰以及不同节点的晶体振荡器频率存在误差，因此时间误差不可避免，只可能存在时间同步精度上的问题。时间同步在无线传感器网络的协同工作中发挥着重要作用。由于传统其他系统中的时间同步机制并不适用于无线传感器网络，关于传感器网络时间同步问题需要进一步研究。

1.4 路由安全

现有的无线传感器网络中的路由协议易受攻击。路由安全與否决定网络信息的是否可以正常传递。关于路由安全方面受到很多学者的关注。文献[4]中，作者采用认证抵御恶意注入的方法，提出一种新的路由安全方法。文献[5]提出了一种随机化广播加密（Randomized Broadcast Encryption，RBE）方案。文献[6]中，作者提出了一种基于广播基站随机检测节点是否能接收到其广播信息的方法。

2 海上环境中的无线自组织网络基础设施

海上通信环境中，如何才能在保证正常网络连接和覆盖下实现更好的通信、最大限度节约能量，是海上WSN拓扑控制的研究重点。关于功率控制方面，已经研究学者提出了统一功率分配算法[7]和基于节点度数的算法[8]等。关于层次拓扑控制方面，现阶段已有的方法包括成簇算法、虚拟地理网格分簇算法。在研究分析了各算法的优缺点后，考虑到海上环境的特殊海情，网络覆盖面积广，节点距离远，因此，WSN的节点功率要求较高，连通的难度也更大，因此，考虑在WSN拓扑控制上采用统一功率分配算法和虚拟地图网格分簇算法，最大程度综合网络覆盖和连通的要求。

时间同步的关键问题上，海上的网络节点密度小，为保证同步精度与能力有效性之间的平衡，因此，可以考虑采用文献[9]提出的同步机制，该方法对比原先的参考广播同步算法能降低能耗，该方式通常不需要时间同步，仅当检测到事件发生时才采用相关机制进行时间同步。这种同步机制也非常适用于海上环境的WSN网络。

海上环境中，节点位置会受风浪、海流等的影响发生变动，因此，对它的节点定位不能采用那种固定的基于测量距离的定位方法。节点的拓扑是动态的，各节点距离时刻发生变化，文献[10]提出了定位算法报文最大生存时间（Maximum Segment Lifetime，MSL），它适于静止和移动节点组合的无线传感器网络，所需节点密度低，定位时间短，精度高，但需要耗费更大。可以考虑通过对该算法的改进研究，得出适用于海上环境的节点定位算法。

基于海上环境无线传感器网络安全问题研究相对较少，还需解决的问题还很多，如：如何利用有限内存空间管理大量预分配密钥、支持新节点加入的密钥预分配技术、安全路由方法、低能耗加密方法、安全网内数据处理技术等问题。由于知识有限，所以对这方面未进行较多探讨，但是基于安全路由方面，结合之前的一些研究结论，可以考虑利用上述方法来展开海上的无线传感网络路由安全研究。

3 结语

目前WSN研究工作主要集中在网络技术和通信协议方面。本文对WSN中基础设施的关键技术问题进行了分析，包括拓扑控制、时间同步、节点定位、能量管理、路由安全、QoS管理。在现有的研究基础上，结合海上通信环境这一特定场景，讨论了海上环境下的WSN基础设施相关技术，并得出相关结论。

[参考文献]

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[3]任彦，王博，张思东.动态无线传感器网络基础设施建模方法及分析[J].铁道学报，2009（2）：54-58.

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[5]SCOTT C H，DU D Z.New constructions on broadcast encryption and key pre-distribution schemes[C].New York：IEEE Int1 Conference on Computer Communications（INFOCOM 2005），2005.

[6]YING J，CHEN S G，ZHANG Z，et al.Protecting receiver location privacy in wireless sensor network [C].Alaska：IEEE Int1 Conference on Computer Communications（INFOCOM 2007），2007.

[7]李建中，李金寶，石胜飞.WSN与感知数据管理的概率、问题与研究进展[J].软件学报，2003（10）：1717-1728.

[8]于海滨，曾鹏，王忠锋，等.分布式WSN通信协议研究[J].通信学报，2004（10）：102-110.

[9]JEREMY E，DEBORAH E.Time synchronization for wireless sensor networks[C].San Francisco：The 15th Int1 Parallel and Distributed Processing Symposium，2001.

[10]MASOOMEH R，SUPRAKASH D.Localization in wireless sensor networks[C].Massachusetts：Int1 Conference on Information Processing in Sensor Networks，2007.