1.4 无线传感器网络的关键技术

近年来，人们对无线传感器网络的研究不断深入，无线传感器网络得到了很大的发展，也产生了越来越多的实际应用。例如，微型传感器网络最终可能将家用电器、个人计算机和其他日常用品同互联网相连，实现远距离跟踪；家庭采用无线传感器网络负责安全调控、节电等。未来，无线传感器网络将是一个无处不在、十分庞大的网络，国内企业应该抓住商机，加大投入力度，推动整个行业的发展。

1.4.1 技术组成

（1）网络拓扑控制

对于无线的自组织的传感器网络而言，网络拓扑控制具有特别重要的意义。通过拓扑控制自动生成良好的网络结构，能够提高路由协议和MAC协议的效率，可以为数据融合、时间同步和目标定位等很多方面奠定基础，有利于节省节点的能量来延长网络的生存期，所以，拓扑控制是无线传感器网络研究的核心技术之一。

（2）网络协议

由于传感器节点的计算能力、存储能力、通信能力以及携带的能量都十分有限，每个节点只能获取局部网络的拓扑信息，其上运行的网络协议也不能太复杂；同时，传感器拓扑结构动态变化，网络资源也在不断变化，这些都对网络协议提出了更高的要求。传感器网络协议负责使各个独立的节点形成一个多跳的数据传输网络，目前研究的重点是网络层协议和数据链路层协议。网络层的路由协议决定监测信息的传输路径；数据链路层的介质访问控制协议用来构建底层的基础结构，控制传感器节点的通信过程和工作模式。

（3）时间同步

时间同步是需要协同工作的传感器网络系统的一个关键机制，如测量移动车辆速度需要计算不同传感器检测事件的时间差，通过波束阵列确定声源位置节点间的时间同步。网络时间协议（Network Time Protocol，NTP）是互联网上广泛使用的，但只适用于结构相对稳定、链路很少失败的有线网络系统；全球定位系统（GPS）能够以纳秒级精度与世界标准时间UTC保持同步，但需要配置固定的高成本接收机，同时在室内、森林或水下等有掩体的环境中无法使用GPS。因此，它们都不适用于传感器网络。

（4）定位技术

位置信息是传感器节点采集数据中不可缺少的部分，没有位置信息的监测消息通常毫无意义，确定事件发生的位置或采集数据的节点位置是传感器网络最基本的功能之一。为了提供有效的位置信息，随机部署的传感器节点必须能够在布置后确定自身位置。由于传感器节点存在资源有限、随机部署、通信易受环境干扰甚至节点失效等特点，定位机制必须满足自组织性、健壮性、能量高效、分布式计算等要求。

（5）数据融合

传感器网络存在能量约束。减少传输的数据量能够有效地节省能量，因此在从各个传感器节点收集数据的过程中，可利用节点的本地计算和存储能力处理数据的融合，去除冗余信息，从而达到节省能量的目的。由于传感器节点的易失效性，传感器网络也需要通过数据融合技术对多份数据进行综合，提高信息的准确度。

（6）网络安全

无线传感器网络作为任务型网络，不仅要进行数据的传输，而且要进行数据的采集和融合、任务的协同控制等，如何保证任务执行的机密性、数据产生的可靠性、数据融合的高效性以及数据传输的安全性，就成为无线传感器网络安全问题需要全面考虑的内容。

（7）数据管理

从数据存储的角度看，无线传感器网络可被视为一种分布式数据库。以数据库的方法在无线传感器网络中进行数据管理，可以将存储在网络中的数据的逻辑视图与网络中的实现进行分离，使得网络中的用户只需要关心数据查询的逻辑结构，无须关心实现细节。虽然对网络中所存储的数据进行抽象会在一定程度上影响执行效率，但可以显著增强无线传感器网络的易用性。美国加州大学伯克利分校的TinyDB系统和康奈尔大学的Cougar系统是目前具有代表性的无线传感器网络数据管理系统。

（8）应用层技术

无线传感器网络由各种面向应用的软件系统构成，分别执行多种任务。应用层的研究主要是各种无线传感器网络应用系统的开发和多任务之间的协调，如作战环境侦察与监控系统、军事侦察系统、情报获取系统、战场监测与指挥系统、环境监测系统、交通管理系统、灾难预防系统、危险区域监测系统、有灭绝危险的动物或珍贵动物的跟踪监护系统、民用和工程实施的安全性监测系统、生物医学监测、治疗系统和智能维护等。

无线传感器网络应用开发环境的研究旨在为应用系统的开发提供有效的软件开发环境和软件工具，需要解决的问题包括程序设计语言、程序设计方法、软件开发环境和工具、软件测试工具的研究。

1.4.2 面临的挑战

无线传感器网络除了具有Ad hoc网络的移动性、自组织性等共同特征以外，还具有很多其他鲜明的特点，这些特点同时也需要不断地探索和挑战。

1）因为节点的数量巨大，而且还处在随时变化的环境中，这就使它有着不同于普通传感器网络的独特“个性”。首先是无中心和自组网特性。在无线传感器网络中，所有节点的地位都是平等的，没有预先指定的中心，各节点通过分布式算法来相互协调，在无人值守的情况下，节点能自动组织起一个测量网络；而正因为没有中心，网络便不会因为单个节点的脱离而受到损害。

2）网络拓扑的动态变化性。网络中的节点处于不断变化的环境中，它们的状态也在相应地发生变化，加之无线通信信道的不稳定性，网络拓扑也在不断地调整变化，而这种变化方式是无法准确预测的。

3）传输能力的有限性。无线传感器网络通过无线电波进行数据传输，虽然省去了布线的烦恼，但是相对于有线网络，低带宽则成为它的天生缺陷；同时，信号之间还存在相互干扰，信号自身也在不断地衰减。不过因为单个节点传输的数据量并不算大，这个缺点还是能忍受的。

4）能量的限制。为了测量真实世界的具体值，各个节点会密集地分布于待测区域内，人工补充能量的方法已经不再适用，每个节点都要储备可供长期使用的能量，或者自己从外界汲取能量。

5）安全问题。无线信道、有限的能量、分布式控制都使得无线传感器网络更容易受到攻击，被动窃听、主动入侵、拒绝服务则是这些攻击的常见方式。因此，安全性在网络的设计中至关重要。

6）生产成本。由于无线传感器网络由大量的传感器节点组成，单个节点的成本是衡量网络整体成本的重要指标。如果网络的成本比部署传统的单一传感器设备更昂贵，那么传感器网络的成本将是不合理的，因此，每个传感器节点的成本必须保持在低水平。例如，蓝牙的成本通常低于10美元，因此，一个传感器节点的成本应该低于1美元，以使传感器网络是实际可行的。然而，目前传感器设备的价格都远远高于蓝牙。此外，根据应用需求，传感器节点还可以配备定位系统、移动装置或电源，这些都增加了传感器设备的成本。