无线传感器网络与自组织网络的研究现状

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无线传感器网络与自组织网络的研究现状
A Survey on Wireless Sensor Network and Ad Hoc Network
盛敏,田野,李建东  

摘要：传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术，是计算机科学技术的一个新的研究领域；自组织网络是一种移动、多跳、自律式系统，两者均具有十分广阔的应用前景。文章对传感器网络和自组织网络的概念、特征和发展动态等问题进行了介绍，重点分析了目前这两种网络的关键技术和研究现状。文章认为：传感器网络在特殊领域有着传统技术不可比拟的优势，而无线自组织网络通过临时组网的方式在恶劣环境中支持移动节点之间的无线传输，应用范围广阔。对这些网络的研究是中国未来高技术民用和军事发展的需要。

关键词：无线传感器网络；自组织网络；分布式结构

Abstract:Sensor network, which is made by the convergence of sensor, embedded computing system, distributed information processing and wireless communication technologies, is a novel technology about acquiring and processing information. Ad hoc network is a mobile, multi-hop and autonomous decentralized system. Both networks have great application potential. The concepts, characteristics and development status of the sensor networks and Ad hoc networks are introduced. The paper thinks that the sensor network dominates in special application fields while the Ad hoc network without fixed infrastructure supports wireless transmission between mobile nodes under bad environments. The research on the sensor and Ad hoc networks arenecessary for the development of high technologies in both civil and military fields of China.

Key words:wireless sensor network; Ad hoc network; distributed architecture



基金项目：国家自然科学基金和微软亚洲研究院联合资助项目(60372048)；国家自然科学基金重大项目第6子课题(60496316)

    未来移动通信网络除了以低成本实现数据的高速传输外，还要求在无专用通信基础设施的场景下，网络具有适应性和生存能力，因此无线传感器网络和自组织网络将因其灵活性而在未来移动通信网络中起到重要作用。


    无线传感器网络[1]是由分布在给定局部区域内足够多的无线传感器节点构成的一种新型信息获取系统。每一个传感器节点具有一种或多种感知器(例如声感应器、红外线感应器、磁感应器等)并且具有一定的计算能力。各节点之间通过专用网络协议实现信息的交流、汇集和处理，从而实现给定局部区域内目标的探测、识别、定位与跟踪。随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟，具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器开始在世界范围内出现，由这些微型传感器构成的传感器网络引起了人们的极大关注。


    无线自组织网络[2]是一种没有预定基础设施支撑的自组织可重构的多跳无线网络，在该网络中，网络的拓扑、信道的环境、业务的模式随节点的移动而动态改变。无线自组织网络可以快速地为民用和军事应用建立通信平台。


1 无线传感器网络
    无线器传感器网络的研究和使用最早可追溯到冷战时期，当时美国为了能检测前苏联核潜艇的行踪建立了海底声响监视系统。随后建立了雷达防空网络。为使传感器网络能在军事和民用领域被广泛应用，美国国防预研局(DARPA)在1979年提出了“分布式传感器网络计划——DSN”。随后美国国防预研局又提出了“传感器信息技术计划——SensIT”[3]，该计划于2002年结束。这两个计划的根本目的是研究传感器网络的理论和实现方法，并在此基础上研制具有实用目的的传感器网络。


    传感器网络作为一种新型的信息获取系统，具有极其广阔的应用前景。在民用领域，传感器网络可用于探测、安全、空中交通管制、道路交通监视、工业生产自动化、分布式机器人、生态环境监测、住宅安全监测等方面。在军事领域，传感器网络主要应用于国土安全、战场监视、战场侦察、目标定位、目标识别、目标跟踪等方面。

1.1  无线传感器网络的组成及基本 特点
    传感器网络是由大量体积小，成本低，具有无线通信、传感、数据处理能力的传感器节点组成的，传感器节点一般由传感单元、处理单元、收发单元、电源单元等功能模块组成。除此之外根据具体应用的需要，可能还会有定位系统、电源再生单元和移动单元等等。


    在传感器网络中，每个节点的功能都是相同的，大量传感器节点被布置在整个观测区域中，各个传感器节点将所探测到的有用信息通过初步的数据处理和信息融合之后传送给用户，数据传送的过程是通过相邻节点接力传送的方式传送回基站，然后再通过基站以卫星信道或者有线网络连接的方式传送给最终用户[4]。传感器网络与其他传统的网络相比有一些独有的特点，正是由于这些特点使得传感器网络存在很多新问题，提出了很多新的挑战。传感器网络的主要特点有：网络的节点数量大、密度高，节点有一定的故障率，节点在电池能量、计算能力和存储容量等方面有限制，网络的拓扑结构变化很快，以数据为中心。

1.2  无线传感器网络的研究现状
    在美国自然科学基金委员会的推动下，美国加州大学伯克力分校、麻省理工学院、康奈尔大学、加州大学洛杉矶分校等学校开始了传感器网络的基础理论和关键技术的研究。英国、日本、意大利等国家的一些大学和研究机构也纷纷开展了该领域的研究工作。中国的许多高校(如西安电子科技大学、哈尔滨工业大学等)也开始了对传感器网络的研究。目前的研究主要集中在传感器网络技术和通信协议的研究上，也开展了一些感知数据查询处理技术的研究，取得了一些初步研究结果[5]。


    (1)感器网络方面的研究
    加州大学伯克力分校提出了应用网络连通性重构传感器位置的方法，并研制了一个传感器操作系统——TinyOS[6]。加州大学洛杉矶分校开发了一个无线传感器网络和一个无线传感器网络模拟环境，用于考察传感器网络各方面的问题[7]。南加州大学提出了在生疏环境部署移动传感器的方法、传感器网络监视结构及其聚集函数计算方法、节省能源的计算聚集的树构造算法等[8]。麻省理工学院开始研究超低能源无线传感器网络的问题，试图解决超低能源无线传感器系统的方法学和技术问题[9]。


    (2)传感器网络通信协议的研究
    人们首先对已有的因特网和自组织无线网络的通信协议进行了研究，发现这些协议不适用于传感器网络。康奈尔大学、南加州大学等很多大学开展了传感器网络通信协议的研究，先后提出了几类新的通信协议，包括基于谈判类协议(如SPIN-PP协议、SPIN-EC协议、SPIN-BC协议、SPIN-RL协议)、定向发布类协议、能源敏感类协议、多路径类协议、传播路由类协议、介质存取控制类协议、基于Cluster的协议、以数据为中心的路由算法[10]。


    (3)感知数据查询处理技术研究
    康奈尔大学在感知数据查询处理技术方面开展的研究工作较多。他们研制了一个测试感知数据查询技术性能的COUGAR系统，探讨了如何把分布式查询处理技术应用于感知数据查询的处理。加州大学伯克力分校研究了传感器网络的数据查询技术，提出了实现可动态调整的连续查询的处理方法和管理传感器网络上多查询的方法，并研制了一个感知数据库系统TinyDB[11]。南加州大学研究了传感器网络上的聚集函数的计算方法，提出了节省能源的计算聚集的树构造算法，并通过实验证明了无线通信机制对聚集计算的性能有很大的影响[12]。


2 自组织网络
    自组织网络是一种没有预定基础设施支撑的自组织可重构的多跳无线网络。在该网络中，网络的拓扑、信道的环境、业务的模式是随节点的移动而动态改变的。该网络可以快速地为民用和军事应用建立通信平台。在2002年5月IEEE通信杂志为庆祝IEEE通信分会成立50周年出版的专刊上，Ramanathan和Redi博士为移动无线分布式网络进行了设想：“一个‘全球化的信息空间’的理想王国，在这里所有网络设备形成一个巨大的无线自组织网络，它使用非执照频谱资源并无须现有的网络设施作支撑。就如同互连网络在WEB服务出现的20年前就已经存在一样，也许一个令人意外的‘杀手级应用’就会打造出自组织网络的未来”[13]。自组织网络从产生至今(其历史可以追溯到1972年美国DoD(Department of Defense)支持的分组无线网(PRNET)[14]，一直得到了广泛的重视。目前自组织网络已经与2.5G和3G移动通信进行了有效的结合，而大规模宽带无线自适应自组织网络将会成为宽带无线通信或未来移动通信的重要形式。

2.1 自组织网络的特点
    与其他传统通信网络相比，自组织网络具有以下显著特点：
    (1)无中心和自组织性。自组织网络中没有绝对的控制中心，所有节点的地位平等，网络中的节点通过分布式算法来协调彼此的行为，无需人工干预和任何其他预置的网络设施，可以在任何时刻任何地方快速展开并自动组网。由于网络的分布式特征、节点的冗余性和不存在单点故障点，使得网络的健壮性和抗毁性很好。


    (2)动态变化的网络拓扑。自组织网络中，移动终端能够以任意速度和任意方式在网中移动，并可以随时关闭电台，加上无线发送装置的天线类型多种多样、发送功率的变化、无线信道间的互相干扰、地形和天气等综合因素的影响，移动终端间通过无线信道形成的网络拓扑随时可能发生变化，而且变化的方式和速度都难以预测。


    (3)受限的无线传输带宽。自组织网络采用无线传输技术作为底层通信手段，由于无线信道本身的物理特性，它所能提供的网络带宽相对有线信道要低得多。此外，考虑到竞争共享无线信道产生的冲突、信号衰减、噪音和信道之间干扰等多种因素，移动终端得到的实际带宽远远小于理论上的最大带宽。


    (4)安全性较差。自组织网络是一种特殊的无线移动网络，由于采用无线信道、有限电源、分布式控制等技术，它更加容易受到被动窃听、主动入侵、拒绝服务、剥夺“睡眠”等网络攻击。信道加密、抗干扰、用户认证和其他安全措施都需要特别考虑。


    (5)多跳路由。由于节点发射功率的限制，节点的覆盖范围有限。当它要与其覆盖范围之外的节点进行通信时，需要中间节点的转发。此外，自组织网络中的多跳路由是由普通节点协作完成的，而不是由专用的路由设备(如路由器)完成的。

2.2 自组织网络的发展现状及挑战
    由于自组织网络的特殊性，需要为其设计专门的协议和技术，全球的研究人员在这方面开展了大量的研究。综合而言，主要集中在组网理论、路由算法、接入控制、安全管理等方面[15]。


    (1)自组织网络理论
    自组织网络可以分成两种结构：平面结构和分级结构。平面结构中，所有节点的地位平等，所以又称为对等式结构。而分级结构中，网络被划分为簇。每个簇由一个簇头和多个成员节点组成。簇头节点负责簇间业务的转发。在平面结构中，每一个节点都需要知道到达其他所有节点的路由。由于节点的移动性，维护这些动态变化的路由信息需要大量的控制消息。网络规模越大，路由维护和网络管理的开销就越大，网络的可扩充性较差。分级结构克服了平面结构可扩充性差的缺点，网络规模不受限制。分级结构中，簇头的功能相对较强，而普通节点的功能比较简单，基本上不需要维护路由。这减少了网络中路由控制信息的数量。此外，分级结构易于实现节点的移动性管理和保障通信业务的服务质量。因此，当网络规模较大并需要提供一定的服务质量保障时宜采用分级网络结构。


    (2)自组织网络无线资源管理与空中接口理论
    自组织网络和一般移动通信一样具有信道、用户和业务3个动态特性，即：信道的动态性，主要表现为信道受自然和大气环境的影响极大，信道参数随时间快变化；用户的动态性，具体表现为信道随用户的移动而产生较快的变化，带宽不稳定；业务的动态性，具体表现为用户可随机自由选择不同媒体的通信方式，各类用户不同媒体业务要求互不干扰，用户需要实现同时多接入。除这些公共的特性，自组网因其无基础设施的多跳特性，使其具有比一般无线通信更为复杂的信道特性，主要是其信道是多跳共享的多点信道。自组织网络节点存在隐藏终端、暴露终端和入侵终端等问题。这些问题的存在使得传统的无线资源管理与空中接口不再适用于自组织网络中。人们也正在根据自组织网络的新特性研究其通信系统的调度算法、信道分配技术和接入控制机制。同时也想法将其与现有通信技术融合，充分采用已有的通信理论和方法为其服务。例如可以将多输入多输出(MIMO)信道估计与均衡技术、空时编码理论应用到自组网络中去。为了提高自组网传输效率与带宽，自组网一样可以采用智能天线技术、正交频分多路复用(OFDM)、码分多址(CDMA)技术。


    (3)自组织网络中的路由实现
    自组织网络中分组传输的路由算法是当前受到最为广泛研究的问题。针对固定网路由算法的缺点，人们提出了多种能应用于自组织网络中的路由算法[16]，主要可分为驱动路由算法，如目的序号距离矢量算法(DSDV)、无线路由协议(WRP)等；按需驱动路由算法，如Ad hoc按需距离矢量算法(AODV)、临时排序路由算法(TORA)、动态源路由算法(DSR)、基于关联性的路由算法(ABR)、信号稳定度的路由算法(SSR)等；区域路由算法，如区域路由协议(ZRP)。但是这些算法所能支持的节点数目有限。当网络节点数增多时，网络性能将严重下降。同时这些算法没有考虑到节点的功耗，以及对服务质量的支持。


    (4)自组织网络服务质量与安全
    自组织网络一方面作为自治系统，有自身特殊的路由协议和网络管理机制；另一方面作为互联网在无线和移动范畴的扩展和延伸，它又必须能够提供到互联网的无缝的接入机制。当前互联网已经可以在一定程度上保证综合业务传输的服务质量。近年来随着多媒体应用的普及和自组织网络在商业应用的进展，人们很自然地会产生在自组织网络上传送综合业务的需求，并且希望能像固定的有线网络一样为不同业务的服务质量提供保障。因此自组织网络对服务质量(QoS)保障的支持显得越来越迫切和重要。但是与固定的有线网络不同，在自组织网络中提供QoS支持将面临许多不同于传统网络的新问题和挑战。与其他通信网络一样，自组织网络中的服务质量保证也是个系统性问题，不同层都要提供相应的机制。其实现至今仍是一个待解决的问题。除了服务质量，安全也是自组织网络中的一个大问题。自组织网络的特点之一就是安全性较差，易受窃听和攻击。因此，需要研究适用于自组织网络的安全体系结构和安全技术。目前在安全方面主要集中于等效于有线加密(WEP)、WEP1等密码协议安全性分析与攻击方法的研究，消息认证和完整性技术研究等方面。


3 结束语
    传感器网络是一种新的信息获取和处理技术，在特殊领域，它有着传统技术不可比拟的优势。而无线自组织网络通过临时组网的方式在恶劣环境中支持移动节点之间的数据、语音、图像和图形等业务的无线传输，应用范围可以覆盖工业、商业、医疗、家庭、办公环境、军事等各种场合，所有行业几乎无所不在其中。对这些网络的进一步研究，将满足中国未来高技术民用和军事发展的需要，不仅具有重要的社会和经济意义，也具有十分重要的战略意义。


4 参考文献
[1] Tilak S, Abu-Ghazaleh N B, Heinzelman W. A Taxonomy of Wireless Micro-sensor Network Models [J]. ACM Mobile Computing and Communications Review, 2002,6(2):28—36.
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[16] 王金龙. Ad Hoc移动无线网络 [M]. 北京: 国防工业出版社, 2004.

收稿日期：2005-05-15


作者简介：
盛敏，西安电子科技大学副教授、博士。中国电子学会会员，陕西省通信学会青年委员会委员。主要研究方向包括移动Ad hoc网络、无线传感器网络、QoS技术、个人通信网络等。

田野，西安电子科技大学在读硕士生，主要研究方向是分布式无线网络的路由技术。

李建东，西安电子科技大学教授、博导，中国通信学会会士、IEEE高级会员、中国电子学会高级会员、第1届和第4届“863”个人通信技术专业专家组成员。主要从事移动通信、个人通信、软件无线电、分组无线网、自组织网络、宽带无线IP技术等方面的研究。