基于无线传感器网络通信体系的分析

张 君

（太原航空仪表有限公司，山西 太原 030006）

1 无线传感器网络概述及特点

1.1 无线传感器网络的概念

无线传感器由多个低廉的小型传感器部件构成，多个传感器可以组成一个多级传感互联系统，其被称为无线传感器网络[1]。传感器网络涵盖了传感器、感应目标以及监察部分3个方面，其关键功能是感应、搜集以及处理网络覆盖领域内所接收到的目标信息，并将信息转移到监察部分。现如今，无线传感器综合了计算机技术、传感器技术、信息处理技术以及通信技术，已经被广泛应用到了多个领域，如军事、医疗、环境监测以及空间探索等。无线传感器网络的组成及应用与传统网络有着很大的差别，其应用前景非常广阔。

1.2 无线传感器网络的特点

与传统的无线传感器网络相比，无线传感器网络具有其显著的特质，其重点特质包括以下4个方面。

1.2.1 规模化

无线传感器网络会在应用范围里放置多个传感器节点，如大范围的森林防火监控，为了提取准确的信息数据，会在森林监控的范围里会投放多个传感器节点，进而获取更多信息。传感器网络的规模化特质分成两类，第一类是在监测范围空间较大的监测环境里需要安置更多的传感器节点，第二类是在监测范围空间较小的监测环境里需要安置密集化的传感器节点。

1.2.2 主动组织性

无线传感器网络中，传感器节点一般任意安置在没有基本构架的环境里，每一个传感器节点的定点都是不明确的，节点间的联系也是未知的。例如，在森林中运用飞机自天空任意抛出一定数目的传感器，或者将传感器随机安置到一些人为不可达的危险领域。这时就需要无线传感器节点的主动组织性，利用网络协议和拓扑调控构造自动组成的无线数据监测系统，自己安置定点位置并自我管理。

1.2.3 动态化

一般的无线传感器网络拓扑构造会因为一些未知的要素发生改变，如传感器节点能源耗尽产生的传感器节点失灵、其他新传感器节点的融入或者外界自然条件的变化造成无线通信网络的变化等，因此无线传感器网络需要适应此类要素，随机应变。

1.2.4 有效性

无线传感器网络适用于人为不可达的危险地区，传感器节点一般是任意安置且显露在自然中，可能会遭到自然力量、人为以及动物的破坏。为了获取准确的监测数据并确保其实时性，传感器节点的构造要不易被破坏，体现出有效性的特质。

2 无线传感器网络的多信道通信体系

无线传感器网络各节点在其输送、收集以及处置信息时，很可能会受到其他因素的影响，严重时会令整体传感器网络出现误区，从而影响整体通信的精准性和有效性。多信道通信技术在无线传感器网络构造中的使用非常广泛，散布在不同通道的各部分节点能够通过多信道通信技术传递资讯，降低传感器受外部影响的概率。如此看来，在无线传感器中应用多信道通信技术可以增强通信品质、确保传感器网络运行的平稳性和有效性以及改善通信协议和网络构造。

2.1 无线传感器网络通信存在的具体问题

2.1.1 无线传感器网络物理层问题

无线传感器网络物理层主要包括拥塞攻击和物理纂改两个方面的问题。拥塞攻击指的是攻击方多次向无线传感器网络发送信息包，使传感器间的通信无法正常开展，物理篡改指的是攻击方一旦搜索到了传感器节点并获得了对应的隐私资料，那么其就能够轻松获取到高层信息。

2.1.2 链路层问题

链路层的攻击形式包括碰撞攻击和非公平竞争等。关于碰撞攻击问题可以表述为当两个传感器同时发送数据时，发送的信号就会同时出现，而接收方的设备无法识别此类信息，那么两者就会出现冲突，在网络中此信息就会被自动忽略。在发送方发送数据过程中，攻击方趁机也发送信息，开展碰撞攻击，这样很大概率会造成碰撞冲突，导致信息无法顺利发送。关于非公平竞争问题，其属于风险性较高的攻击，防范较为困难。例如，攻击方会找到发送方其中的一个传感器，了解到网络的MAC协议，进而向无线传感器网络输送比发送方级别更高的信息包，由此进行非公平竞争。

2.1.3 路由层问题

大部分对无线传感器网络的攻击，都是针对路由层开展的，主要可分为内部攻击和外部攻击。内部攻击有变更路由信息和攻击方伪装成网络中的路由等，外部攻击有直接对无线传感器网络开展攻击等。传感器属于一个节点，同时拥有路由功能，会直接转发接收到的信息，攻击方会根据这一特质拦截信息，使节点无法转发信息。例如，大部分攻击方会运用女巫攻击，其主要是对多节点的路由层造成威胁。多个节点要想正常的运转，每个节点必须拥有一个网络身份，而女巫攻击指的是伪装一个重复的身份，使原身份失效，这样将要获取的信息，都会被这个伪装身份拦截，然后攻击方会发送伪装信息给其他节点，其他的节点就会认为这个伪装信息是正确的，从而攻击方就会阻碍整个传感器网络的运转。

2.2 针对传感器通信问题提出的对策

2.2.1 无线传感器物理层拥塞攻击和物理篡改的防范对策

拥塞攻击对单频点的传感器网络产生威胁，要想处理好此问题，可以利用宽频和调频等办法。例如，攻击方运用全频段的攻击形式，要想确保各个节点的安全，就要更改信号输送的形式，通过红外线来代替无线电传播。

关于物理篡改攻击的处理办法，不能在网络上直接实施，只能加固各节点的安全防范，如在节点设置完之后打开自我维护功能，不论怎样被篡改，节点感应到威胁就自动删除内部信息并断开网络，同时对不可删除的信息展开加密，使得攻击方即便获得了信息，也无法解密。

2.2.2 链路层碰撞攻击和非公平竞争的防范对策

碰撞攻击的防范策略主要包括纠错编码和信息包重新上传等，应用纠错编码来恢复信息，以降低碰撞的干扰。如果碰撞攻击只是短时间攻击，且干扰的数据很少，那么应用纠错编码是有效的，但如果是长时间的干扰，这样会损坏更多的信息，在此状况下纠错编码就不可以充分恢复信息，而且纠错编码策略也会提高开销。此外可以采用信息包重新上传策略，即基于竞争的退避算法，以此降低碰撞的几率。在链路层安设一个重新上传次数，当高于这个既定次数时，就会消除信息，但此类对策不能完全规避冲突，因此还需要深入研究。

非公平竞争问题的防范策略主要包括短帧策略和非优先级策略。短帧策略即在链路层中不允许运用过长的信息传输，这样每一节点只在短时间内传递信息，当网络中有长消息传递时，短帧策略就会提高开销。非优先级策略即弱化优先级之间的差距，应用时分复用的形式开展信息传递，但要考虑网络中的耗能问题。

2.2.3 路由层内外部问题的防范对策

路由层内部攻击的防范较为困难，如在节点内很难找到女巫攻击的伪装身份。关于其防范对策，可以给每个传感器都设置密码，在每次信息输送之前，基站要对密码展开检测。关于路由层外部攻击的防范，可以运用共享密码和链路层的加密系统加密输送的资料，增加攻击方破解的难度，此外网络中安排对应的信息认证，充分预防女巫攻击。

3 无线传感器网络通信体系的应用

3.1 智能交通测速系统中的应用

交通监管不合理会造成社会能源耗费和交通效率低下等一系列问题，怎样协调路人、汽车以及道路3者之间的联系，提高社会交通通行速率，是交管单位急需解决的问题。交通信号监管是社会交通监管活动的关键一环，交叉路口的信号灯是交通网络中的关键设施。交通信号灯主要以有线连接为主，具有能源消耗大、二次发掘不便以及不便移植等方面的缺点。而无线传感器网络具有反应快和设备价格低的优点，可以捕捉和监察车辆，符合社会交通网络的监管需要。其中，ZigBee技术是交通管理应用无线传感器网络的关键技术，具有操作简易、损耗低、价格低以及有效性高的特质，是一类双向的无线传感器网络技术，此外其活动频段很低，能够在未使用的状况下保持静止状态，降低能源消耗[2,3]。如今，ZigBee技术逐渐被广泛地使用在车辆监察等方面。基于ZigBee技术组建的无线传感器网络组成方式多样，和普通网络相比不用有线连接、修补率低且具有极强的灵活性，不仅能够搜集汽车和道路的信息，还能够按照现实需要拓展内容。

3.2 智能家居系统中的应用

智能家居系统运用无线传感器网络等信息化技术将各类智能家具串接起来，以此给大众生活打造出更为便捷和舒适的家居生活[4-6]。如今，运用的较为普遍的家居传感器通常都是运用有线调控这一办法，但整体设备的组装价格及今后保养所需要的资本通常都较为高昂，而且建成之后移动使用的几率较低，而将无线传感器网络这一发达的技术引入到家庭生活中，其可以对家具生活的整个状态展开检验并进行自动调节。

在家居系统的研发中，需要同时关注传感器网络的研发和使用，因为其研发和使用是家居生活体系的中心部分。互联网路由器和信息的传递网络是整体家居生活体系的重要构成部分，利用路由器和协议设备的设计，可以最大程度地为家居系统节约网络流量损耗，所以在整体设计活动中需要关注传感器功能的改善。无线传感器需要对通信节点、电线、集中设备以及收集设备等展开专业的组装测试，以保障新设备的有效运行。设备组装测试的进程涵盖了多个部分，若其中任意一个部分或节点产生故障或者是与其他部分缺少充分的调试，都会造成整个体系的不和谐，从而干扰到其作用的实施，所以电力行业需意识到家具生活系统协调操作的重要意义，立足于整个家庭，配合科学办法展开建造，对各部分展开全方位把控，确保家具系统建设可以一直协调稳定，提高无线传感器网络的有效性。

3.3 航空领域中的应用

2007年，由工程和物理科学研究委员会（EPSRC）资助的无线互连和主动控制系统（Wireless Interconnectivity and Control of Active Systems，WICAS）项目首次提出了WICAS体系结构，将无线传感器网络应用于飞机机翼[7]。整个网络系统结构包括应用层、路由层、媒体访问层以及物理层。其中，应用层负责网络拓扑管理，采用聚类策略来定位网络中的变化，同时配有睡眠/唤醒调度，以确保可靠性和能效。路由层负责使用单跳或多跳通过最佳节能路由将数据传输到目的地。媒体访问层负责避免无线介质传统上的噪声影响，减少冲突以增加网络的寿命。物理层使用了一种新型调制和解调技术负责使用特定载波频率传输数据。

2013年，由洛克希德·马丁公司（Lockheed Martin）开发的一种秘密的永久自供电的无线传感器网络可以彻底改变监视周围环境的方式。该公司的自组织网络（SPAN）系统是“现场即忘”的地面传感器网络，能够进行不干扰连续性的监视，支持多种任务和应用一同运行。SPAN是自组织自修复传感器的网格网络，使用专有算法处理来自该网格的信息，可减少误报，从而提供智能态势感知。SPAN传感器体量小，因此可以放置在伪装外壳（如岩石的外壳）中，在整个区域中不会显眼，从而降低了被发现和篡改的可能性，提高了持续监视的有效性。此外，其具有极低的功率和良好的电源管理系统，可以从周围环境中收集能量，解决了电池的寿命问题和成本问题，减少了人工维修的时间[8-12]。

SPAN还具有隐蔽性、低功耗自充电以及低误报率等优势，可以很好地应用于空天地一体化信息系统中，为飞行员提供更多的信息，便于其完成作战和搜救任务。应用SPAN的空天地一体化信息系统如图1所示。

图1 应用SPAN的空天地一体化信息系统示意图

4 结 论

无线传感器网络不断发展，其中的技术和理论还不够健全，特别是在网络安全部分还需要更多的关注度。由于不能及时良好地应对其中不断出现的问题，因此只能通过消耗网络性能来提升无线传感器网络的性能，但相信随着社会信息化的不断深入，无线传感器网络的技术和理论会逐渐健全，应用领域也会逐步扩大。