无线传感器网络的研究领域概述

（一）无线传感器网络的主要研究进展

1.军事领域

海湾战争中，美军使用“智能灰尘”无线传感器节点，对所处区域的声音、光影、温度等进行数据搜集，从而帮助美军实现快速锁定目标、精确打击的目的。随着无线传感器网络相关技术的不断成熟，它的应用范围也在逐渐扩大。美军于2001年提出了“灵巧传感器网络通信”计划（SSNC），灵巧传感器网络通信的目标是建立一个通用的通信基础结构，支援前方部署，例如，将添加智能系统的弹药、无线传感器节点和未来战斗系统所用的机器人系统连成网络的一套灵巧网络和装备，使战场指挥官能根据汇总的网络中的数据更好、更快地做出决策，从而提高战场的生存能力。这种思想的形成，来源于未来战斗系统可能没有重型装甲防护。未来战斗系统可能将依赖于前方布设的传感器提供信息。这些传感器大多是无人值守的，其中包括一些机器人和微型无人飞行器。传感器本身并无多大价值，但只要开始用网络将它们联在一起，并把信息传递给需要的人，他们就可以对这些信息做出反应。SSNC将重点采用“抛弃式”传感器，即可以完全抛弃和散布在战场周围的声响和震动传感器。它们将是能力更强的无人值守传感器的基础。

2.民用领域

美国交通部提出了智能交通系统，这个系统使用无线传感器网络以及RFID体系对交通进行管理，不仅可以使前后车距自动地保持一定的距离，也可以提醒汽车按照适合当时路况的最佳的速度行驶，而且还可以提供其形势区域及目的地区域道路交通状况的最新情况。利用无线传感器网络，还可以对候鸟、群居性动物等进行种群和迁徙情况的研究。美国加州大学伯克利分校和大西洋学院，联合在大鸭岛部署了一个分层次的无线传感器网络系统，用以监测海燕的生活习性。

智能医疗体系，除了可以监测目标的各项生理情况，远距离帮助医疗工作者提供实时的数据信息外，也有其他重要作用。人工视网膜是生物医学的一种重要应用，美国的第二视觉公司，正在尝试使用微型无线传感器节点替换模拟正常的视网膜，替代失去功能的视网膜，帮助失明患者重新获得基本的视觉，它和人工耳蜗的工作原理类似，使用电流刺激依然没有损坏的神经，让大脑能够接收到信号，模拟正常器官与大脑之间的正常交流。美国INTEL公司在俄勒冈州葡萄园试验基地部署无线传感器——智能尘粒（MOTE），每个智能尘粒每个小时会记录一次当前时间的温度，并将其传递给控制中心，以便其汇总一段时间内葡萄园内的温度变化。

（二）无线传感器网络的主要关键技术

目前无线传感器网络的研究领域主要涉及通信、组网、管理、分布式信息处理等多个方面。无线传感器网络的发展潜力巨大，但是也有许多亟待解决的关键技术。下面列出部分关键技术。

1.网络拓扑结构

有别于传统网络，无线传感器网络是自组织的，一个优秀的网络拓扑控制机制，对于提高路由协议和MAC协议的使用效率能起到非常大的作用，同样有利于延长整个无线传感器网络的工作寿命。目前，主要的研究方向是通过合理的路由路径选择，生成一个可以高效高速传递信息的网络拓扑结构。主流的拓扑控制一般分为两种，一种是分层型拓扑控制，另一种是节点功率控制。前一种方法，分层型拓扑控制一般采用簇头节点机制，即一些处理能力和存储能力比普通无线传感器节点强大的无线传感器节点会被选作簇头，它将作为一簇节点的中心，簇内每个无线传感器节点采集到的信息都要通过它来传递，即簇头节点可以被当成路由。而后一种方法，节点功率控制，是控制每个无线传感器节点的发射功率，合理调控节点单跳可达的邻居节点数目。(www.xing528.com)

2.网络协议

因为传感器节点的硬件资源有限，同时，每个无线传感器节点都只能获得其所处的有限范围内的网络拓扑信息，因此，在无线传感器节点上运行的所有网络协议也要尽量设计得轻量级。目前主要的研究方向依然集中在数据链路层和网络。数据链路层一般包括逻辑链路控制（LLC）子层和媒体访问控制（MAC）子层，其中LLC层负责向网络层提供服务接口，MAC层规定了用户如何共享信道资源。在此层，网络协议设计的重点主要集中在MAC层上，MAC层协议除了负责访问控制，还需要控制无线传感器节点的通信过程和工作模式。在设计无线传感器网络的MAC协议时，在以节能为前提的同时，也要考虑协议的可扩展性、公平性和带宽利用率。由于能耗主要发生在空闲监听，重复传递和接收垃圾和冗余数据等方面，MAC层协议的研究也主要在减少上述三种情况而降低能耗的同时，如何延长网络和无线传感器节点的使用寿命。网络层中，路由协议是最重要的，它主要控制信息的传输路径。优秀的路由协议不仅可以考虑到每个节点的能耗，还可以调整整个网络的能耗均衡，使得整个网络的使用寿命可以延长。

3.安全问题

无线传感器网络的网络安全问题主要从三个方面考虑：①协议安全方面，此领域也出现了大量的研究成果，主要包括身份验证、访问控制、成员频繁变动时整个系统的抗干扰性和稳定性等。②从路由安全的角度出发，尽可能寻找安全的路由以保证信息的安全传递，如果路由协议被破坏导致传送的消息被篡改或者重放，那么对于传递的信息来说，没有任何的安全性可言。③无线传感器节点本身的安全性，主要涉及存储在节点内部信息的安全性，尤其是被捕获后，隐私信息的安全性。

4.定位

无线传感器节点的位置信息是其采集数据中非常重要的一部分，没有位置信息的数据信息将没有任何参考价值，同时，如何保护位置信息不被破解也是目前隐私保护的主要研究热点之一。定位技术是确定无线传感器网络中的每个无线传感器节点的相对位置或绝对位置。无线传感器节点的定位技术在军事领域、环境监测、紧急情况（例如灾难发生）和智能交通等应用中尤其重要。定位一般分为集中定位方式和分布定位方式。定位机制主要有两种方式：基于距离的定位和距离无关的定位。其中基于距离的定位对无线传感器节点所用硬件要求比较高，当然，精度也会更高。距离无关的定位对无线传感器节点硬件要求较小，受环境因素的影响也较小，不过误差比较大，但是其精度已经可以满足大多数无线传感器网络的要求。

5.时间同步

时间同步技术是无线传感器网络中极其重要的一项基础服务，是实现定位技术、数据融合、移动目标监测等技术的基础之一。另外，传感器网络中的通信协议和应用，比如时间敏感的网络协议，也要求无线传感器节点间的时钟必须保持同步。同时，保证时间同步性，也是防止无线传感器网络被重放、篡改攻击等延迟攻击方式的有效措施。