无线通信技术的发展与无线传感器网络技术发展现状

无线通信技术的发展与无线传感器网络技术发展现状内容摘要：

每年都投入千万美元进行 WSN 网络技术研究，并在 C4ISR 基础上提出了 C4KISR 计划，强调战场情报的感知能力、信息的综合能力和利用能力，把 WSN 网络作为一个重要研究领域，设立了 Smart Sensor Web、灵巧传感器网络通信、无人值守地面传感器群、传感器组网系统、网状传感器系统等一系列的军事传感器网络研究项目。 在美国自然科学基金委员会的推动下，美国如麻省理工学院、加州大学伯克利分校、加州大学洛杉矶分校、南加州大学、康奈尔大学、伊利诺斯大学等许多著名高校也进行了大量 WSN 网络的基础理论和关键技术的研究。 美国的一些大型 IT 公司 (如Intel、 HP、 Rockwell、 Texas Instruments 等 )通过与高校合作的方式逐渐介入该领域的研究开发工作，并纷纷设立或启动相应的研发计划，在无线传感器节点的微型化、低功耗设计、网络组织、数据处理与管理以及 WSN 网络应用等方面都取得了许多重要的研究成果。 Dust Networks 和 Crossbow Technologies 等公司的智能尘埃、 Mote、 Mica 系列节点已走出实验室，进入应用测试阶段。 除美国以外，日本、英国、意大利、巴西等国家也对传感器网络 表现出了极大的兴趣，并各自展开了该领域的研究工作。 中国现代意义的 WSN 网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动，首先被记录在 1999 年发表的中国科学院《知识创新工程试点领域方向研究》的信息与自动化领域研究报告中。 2020 年，中国科学院成立了微系统研究与发展中心，挂靠中科院上海微系统所，旨在整合中科院内部的相关单位，共同推进传感器网络的研究。 从 2020年开始，中国国家自然科学基金委员会开始部署传感器网络相关的课题。 截至2020 年底，中国国家自然基金共支持面上项目 111 项、重点项目 3 项；国 家“ 863”重点项目发展计划共支持面上项目 30 余项，国家重点基础研究发展计划“ 973”也设立 2 项与传感器网络直接相关的项目；国家发改委中国下一代互联网工程项目 (CNGI)也对传感器网络项目进行了连续资助。 “中国未来 20 年技术预见研究”提出的 157 个技术课题中有 7 项直接涉及无线传感器网络。 2020 年初发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》为信息技术确定了 3 个前沿方向，其中 2个与无线传感器网络研究直接相关。 最值得一提的是，中国工业与信息化部在2020 年启动的“新一代宽带移动通信网”国家级重大专项中，有第 6 个 子专题“短距离无线互联与无线传感器网络研发和产业化”是专门针对传感器网络技术而设立的。 该专项的设立将大大推进 WSN 网络技术在应用领域的快速发展。 WSN 技术的成熟度分析 Gartner 信息技术研究与咨询公司从 2020 年到 2020 年对 WSN 网络的技术追踪和评估。 2020 年， Gartner 认为 WSN 技术的关注度已经越过了膨胀高峰并回归理性，表现为以美国为首的科研人员开始理性反思这种技术模式是不是有进一步推广和发展的机会。 当时的预期比较乐观，认为该技术将在 2～ 5 年内走向成熟。 2020 年， Gartner 的评估认为该技术正按照预定曲线前行，但成熟时间要更长一些；而到了 2020 年， Gartner 发现对该技术的关注度又有大幅度回升，但其市场并没有走向高产能期，而是似乎又回到了技术膨胀期。 同时，距离成熟的时间仍然是 10 年以上。 超过 5 年的市场预测往往意味公司对该项技术缺乏准确的判断。 从这一点上看， WSN 技术从市场的角度上看还有些扑朔迷离。 Gartner 的 2020 年技术预测报告中没有对该领域进行预测也正是基于这一点。 这种结果的可能原因是杀手级应用所需的几项关键性的支撑技术目前难于突破，微型化、可靠 性、能量供给在目前看来是制约应用的最大问题。 另外，这些技术之间还彼此制约。 首先，微型化使节点通信距离变短，路径长度增加，数据延迟难于预期；其次，能量获取和存储容量与设备体积 (表面积 )呈正比，充足的能源和微型化设计之间的矛盾难于调和；再有，现有电子技术还很难做到可降解的绿色设计，微型化给回收带来困难，从而威胁到环境健康。 市场不会向技术妥协，如果一项技术不能在方方面面做到完美就很难被市场所接受。 无线传感器网络技术要想在未来十几年内有所发展，一方面要在这些关键的支撑技术上有所突破；另一方面，就要在成熟 的市场中寻找应用，构思更有趣、更高效的应用模式。 值得庆幸的是， WSN 技术在中国找到了发展机会。 政府引导、研究人员推动和企业的积极参与大大加快了 WSN 技术的市场化进程。 中国必将在 WSN 技术和市场推进中发挥重要作用。 2 WSN 技术体系及其发展现状 WSN 技术是多学科交叉的研究领域，因而包含众多研究方向， WSN 技术具有天生的应用相关性，利用通用平台构建的系统都无法达到最优效果。 WSN 技术的应用定义要求网络中节点设备能够在有限能量 (功率 )供给下实现对目标的长时间监控，因此网络运行的能量效率是一切技术元素 的优化目标。 下面从核心关键技术和关键支撑技术两个层面分别介绍应用系统所必须的设计和优化的技术要点。 核心关键技术 组网模式 在确定采用无线传感器网络技术进行应用系统设计后，首先面临的问题是采用何种组网模式。 是否有基础设施支持，是否有移动终端参与，汇报频度与延迟等应用需求直接决定了组网模式。 (1)扁平组网模式 所有节点的角色相同，通过相互协作完成数据的交流和汇聚。 最经典的定向扩散路由 (Direct Diffusion)研究的就是这种网络结构。 (2)基于分簇的层次型组网模式 节点分为普通传感节点和用于数据汇聚的簇头节点，传感节点将数据先发送到簇头节点，然后由簇头节点汇聚到后台。 簇头节点需要完成更多的工作、消耗更多的能量。 如果使用相同的节点实现分簇，则要按需更换簇头，避免簇头节点因为过渡消耗能量而死亡。 (3)网状网 (Mesh)模式 Mesh 模式在传感器节点形成的网络上增加一层固定无线网络，用来收集传感节点数据，另一方面实现节点之间的信息通信，以及网内融合处理。 Akyildiz L F 等 [1]总结了无线 Mesh 网 络的应用模式。 (4)移动汇聚模式 移动汇聚模式是指使用移动终端收集目标区域的传感数据，并转发到后端服务器。 移动汇聚可以提高网络的容量，但数据的传递延迟与移动汇聚节点的轨迹相关。 如何控制移动终端轨迹和速率是该模式研究的重要目标。 Kim 等 [2]提出的 SEAD 分发协议就是针对这种组网模式。 Bi Y 等 [34]研究了多种 Sink 的移动汇聚模式。 此外，还有其他类型的网络。 如当传感节点全部为移动节点，通过与固定的 Mesh 网络进行数据通信 (移动产生的通信机会 )，可形成目前另一个研究热点，即 机会通信模式。 拓扑控制 组网模式决定了网络的总体拓扑结构，但为了实现 WSN 网络的低能耗运行，还需要对节点连接关系的时变规律进行细粒度控制。 目前主要的拓扑控制技术分为时间控制、空间控制和逻辑控制 3 种。 时间控制通过控制每个节点睡眠、工作的占空比，节点间睡眠起始时间的调度，让节点交替工作，网络拓扑在有限的拓扑结构间切换；空间控制通过控制节点发送功率改变节点的连通区域，使网络呈现不同的连通形态，从而获得控制能耗、提高网络容量的效果；逻辑控制则是通过邻居表将不“理想的”节点排除在外，从而形成 更稳固、可靠和强健的拓扑。 WSN 技术中，拓扑控制的目的在于实现网络的连通 (实时连通或者机会连通 )的同时保证信息的能量高效、可靠的传输。 Kumar S等 [5]研究了在睡眠唤醒进行能耗控制的网络中实现 k 连通的条件。 Chen Ai 等 [6]研究了栅栏 (边界 )防护应用中的拓扑覆盖问题。 Li X[7]则通过图理论研究无线网络的拓扑控制算法。 Wang X、 Ye F、 Schurgers C 和 Lu G等学者 [8]研究了如何利用连通的骨干网络减少网络活动开销，延长网络生命周期问题。 媒体访问控制和 链路控制 媒体访问控制 (MAC)和链路控制解决无线网络中普遍存在的冲突和丢失问题，根据网络中数据流状态控制临近节点，乃至网络中所有节点的信道访问方式和顺序，达到高效利用网络容量，减低能耗的目的。 要实现拓扑控制中的时间和空间控制， WSN 的 MAC 层需要配合完成睡眠机制、时分信道分配和空分复用等功能。 Ye W 等 [9]提出了 WSN 最经典的基于睡眠的 MAC 协议 —— SMAC； Ahn GS等 [10]研究了在最后两跳内采用时分复用方式缓解由最后两跳冲突引入的“漏斗”效应； Rajendran V等 [11]研究了 WSN中无竞争访问的高能效方法； Zhai H[12]和 Kim Y[13]等则研究了基于多射频、多信道的 MAC 协议。 MAC 控制是 WSN 最为活跃的研究热点，因为 MAC 层的运行效率直接反应整个网络的能量效率。 复杂环境的短距离无线链路特性与长距离完全不同，短距离无线射频在其覆盖范围内的过渡临界区宽度与通信距离的比例要大得多，因而更多链路呈现复杂的不稳定特性。 Ganeson D 等 [14]， Zhao J 等 [15]通过大量的实验验证了过渡区的存在； Zuniga M 等 [16]分析了过渡区的成因。 复杂的链路特征需要 在 MAC控制中更充分地考虑链路特性， Zhu H 等 [17]研究了适应链路特性的多链路 MAC控制机制。 链路特征同时也是在数据转发和汇聚中需要考虑的重要因素。 路由、数据转发及跨层设计 WSN 网络中的数据流向与 Inter 相反：在 Inter 网络中，终端设备主要从网络上获取。