左是+劉竹林+劉甘霖

摘 要： 文章以無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡（Wireless Sensor and Actuator Networks，WSAN）為研究對象，與純粹傳感器網(wǎng)絡相比，融入執(zhí)行器節(jié)點的無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡有著明顯的優(yōu)勢，WSAN節(jié)點協(xié)同特征將顯著提升網(wǎng)絡性能，可生存性、協(xié)作通信和拓撲控制等技術(shù)將使網(wǎng)絡在受限節(jié)點性能下，促進WSAN在生命周期、網(wǎng)絡質(zhì)量、拓撲層次、功率控制等方面的優(yōu)化。

關(guān)鍵詞： 無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡；節(jié)點協(xié)同；可生存性；協(xié)作通信；拓撲控制

中圖分類號： TP393 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-8153（2017）05-0099-04

1 溯源和發(fā)展

卡耐基梅隆大學（CMU，Carnegie Mellon University）曾受美國國防高級研究計劃局（DARPA，Defense Advanced Research Projects Agency）資助進行分布式無線傳感器網(wǎng)絡的研究項目，于1978年首次提出無線傳感器網(wǎng)絡（WSN，Wireless Sensor Network）這一概念[1]。當前，無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）已經(jīng)在國防、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療監(jiān)控、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域廣泛應用，順應需求的日益多元化，帶有執(zhí)行器節(jié)點的無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡[2]（Wireless Sensor and Actuator Networks，WSAN*）應運而生。

WSAN通常是由一組傳感器節(jié)點和執(zhí)行器節(jié)點組成，傳感器節(jié)點用于信息采集，而執(zhí)行器節(jié)點用于改變環(huán)境的行為。從工程角度看，執(zhí)行器是一種轉(zhuǎn)換器，也是一種高級的傳感器，能夠接收信號并能產(chǎn)生物理動作。傳感器和執(zhí)行器之間存在無線鏈路，傳感器節(jié)點感知并報告環(huán)境狀態(tài)信息，而執(zhí)行器節(jié)點收集數(shù)據(jù)并作用于環(huán)境[3]。

無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡是異構(gòu)網(wǎng)絡，網(wǎng)絡中包含聯(lián)網(wǎng)的傳感器和執(zhí)行器節(jié)點，它們可以進行無線鏈路通訊以完成分布式感知和執(zhí)行任務。執(zhí)行器具有資源優(yōu)勢，且可能具有移動性，因而可以參與決策，且能夠?qū)ψ陨怼鞲衅骱?或環(huán)境采取適當?shù)膭幼?。無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡能夠在無人值守環(huán)境中自治地進行工作。它們既可以直接互聯(lián)，又可以針對匯聚節(jié)點控制網(wǎng)絡中的用戶迅速作出反應。一個或多個執(zhí)行器同樣能夠充當匯聚節(jié)點的作用。實際應用中，匯聚節(jié)點可以看作是一種特殊的執(zhí)行器。與匯聚節(jié)點相比，執(zhí)行器不僅能夠作用于環(huán)境，（移動執(zhí)行器）還可以作用于傳感器。

WSAN正在成長為下一代無線傳感器網(wǎng)絡，也可以稱之為物聯(lián)網(wǎng)。WSAN在WSN基礎(chǔ)上重要的變革是：WSAN能夠改變自然和物理世界，而WSN不能[4]。與傳感器節(jié)點相比，執(zhí)行器節(jié)點通常在數(shù)據(jù)處理、無線通信和電源方面有顯著的優(yōu)化。因此，在數(shù)量上與部署在監(jiān)測區(qū)域的一般傳感器節(jié)點相比，執(zhí)行器節(jié)點遠不需要這樣的規(guī)模，因為它強大的性能能夠作用更大的區(qū)域。

2 無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡的特征——節(jié)點協(xié)同

協(xié)同是WSAN重要特征[2]，圖1所示為協(xié)同結(jié)構(gòu)的示意圖。節(jié)點間的協(xié)同在WSAN體現(xiàn)在傳感器/執(zhí)行器之間能夠協(xié)同通信，以實現(xiàn)WSAN應用本身所設定的目標。

在協(xié)同結(jié)構(gòu)中，傳感器節(jié)點能夠以單跳或多跳方式向執(zhí)行器節(jié)點傳輸感知數(shù)據(jù)。執(zhí)行器對數(shù)據(jù)進行分析，在采取行動前與匯聚節(jié)點進行協(xié)商。也就是說執(zhí)行器可以使用對等網(wǎng)絡進行決策，然后采取行動，可能還會告知匯聚節(jié)點（任務管理器）通過匯聚節(jié)點控制網(wǎng)絡[3]。一個或多個執(zhí)行器也可以充當匯聚節(jié)點的角色，這正是執(zhí)行器區(qū)別于普通傳感器具備的強大功能。傳感器向某個已選執(zhí)行器報告數(shù)據(jù)時，當消息目標發(fā)生動態(tài)變化后，也可由另一個執(zhí)行器來完成未盡的任務。匯聚節(jié)點對整個網(wǎng)絡進行監(jiān)測，并與傳感器和執(zhí)行器進行通信，當傳感器檢測到環(huán)境中的事件發(fā)生后，事件數(shù)據(jù)將在本地進行處理，并傳輸?shù)綀?zhí)行器，執(zhí)行器負責收集、處理，最終重構(gòu)數(shù)據(jù)。

3 無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡（WSAN）的關(guān)鍵技術(shù)

據(jù)作者查閱的國內(nèi)外有關(guān)無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡的文獻，其關(guān)鍵技術(shù)目前看來主要包含可生存性、協(xié)作通信和拓撲控制等三個方面。

3.1 可生存性

在一般意義下，要實現(xiàn)網(wǎng)絡的可生存性必須具有如下四個要求：

抵御——抵御非法入侵，傳統(tǒng)方式又如：認證加密和容錯；

識別——對網(wǎng)絡攻擊和系統(tǒng)損壞程度的識別和恢復上；

恢復——無論是否受到攻擊或是出現(xiàn)故障，系統(tǒng)及其服務都要得到保護。因此重要的是對影響的評估和系統(tǒng)的恢復，而不是響應的快慢；

進化——對相同或相似攻擊的適應，以及網(wǎng)絡的進化以減少發(fā)生或再次發(fā)生。

如表1給出的網(wǎng)絡系統(tǒng)可生存性的研究發(fā)展歷程來看，網(wǎng)絡從“有界”向“無界”發(fā)展，無限極大網(wǎng)絡由于缺少全局管理、難以修復容易成為攻擊的目標。WSAN更是如此，如在突發(fā)事件的環(huán)境監(jiān)測場景下，節(jié)點一旦布置，單一節(jié)點的供電能力受到限制，且節(jié)點也受所處環(huán)境影響，因而可生存性不僅僅體現(xiàn)在“生存”本身，也對WSAN在明確的網(wǎng)絡應用場景下有更好的網(wǎng)絡整體應用能力提出要求。

3.2 協(xié)作通信

Cooperate來源于拉丁詞根co-和operate意為著“一同工作”，意味著一組實體為達到共同/各自的目標一起工作，信息技術(shù)的發(fā)展將世界幾乎都超鏈接在一起，每個節(jié)點（實體）?？梢酝ㄟ^有線/無線的方式連接在一起，形成一個復雜的網(wǎng)絡，協(xié)作起重要推動作用。

即使是一般意義上傳統(tǒng)點對點通信，隨著數(shù)據(jù)量增大，點對點網(wǎng)絡已經(jīng)不能滿足高速傳輸?shù)男枨?，傳輸速率甚至接近在隨機發(fā)生誤碼的信道上的最大無差錯傳輸速率，亟待新解決方案來克服這一問題。而在WSAN中，恰可利用無線通信技術(shù)自身的特點——開放性空域和廣播模式的信息傳輸，來解決傳統(tǒng)點對點通信中的新問題。圖2將通過一個簡單實例來說明協(xié)作通信將是新方案的重要手段。endprint

通信目標是實現(xiàn)節(jié)點A和節(jié)點C通信，但若實際距離較遠等原因可能無法產(chǎn)生直接通信鏈路，考慮節(jié)點B離節(jié)點C較節(jié)點A相對距離近，則可利用節(jié)點B實現(xiàn)協(xié)作中繼通信，從而實現(xiàn)遠距離通信數(shù)據(jù)傳輸。即使節(jié)點A離節(jié)點C距離不太遠，假設有直接通信鏈路，也可能由于無線通信狀況不良，導致直接通信效果不佳。通過節(jié)點B協(xié)作，會有效改善節(jié)點A-> C的通信效果，還會獲得一定的分集增益。

為更好適應與滿足通信日益倍增的需求，當前的4G移動通信技術(shù)的峰值傳輸速率將達到幾Gbit/s以上，然而由于可供移動通信使用的頻段受限，所以多天線技術(shù)和協(xié)作通信技術(shù)備受重視。此外，協(xié)作通信技術(shù)還可以較好地與其他技術(shù)融合，如與正交頻分復用（OFDM）技術(shù)等。這也是協(xié)作通信在WSAN研究中備受重視的重要原因。

在無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡（WSAN）中，傳感器節(jié)點與執(zhí)行器節(jié)點通過無線鏈路進行通信和數(shù)據(jù)交換。無論無線鏈路的方式是什么，節(jié)點之間都需要組網(wǎng)，并按某一路由協(xié)議執(zhí)行通信。在網(wǎng)絡資源受限情況下，臨近節(jié)點間協(xié)作通信顯得頗為重要。同時還可在受限的節(jié)點性能上，使用其他技術(shù)來改善和優(yōu)化通信質(zhì)量。反過來，這一特征正是在技術(shù)上凸顯WSAN的重要。

3.3 拓撲控制

表3列出WSAN與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡在特點和技術(shù)的差異，通過對比發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的控制對于保證WSAN的QoS（Quantity of Service）至關(guān)重要。WSAN對于拓撲控制主要研究的方面在于：保證WSAN中工作節(jié)點的連通性和對設定區(qū)域覆蓋度的前提下設置或調(diào)整節(jié)點的發(fā)射功率，并按照某機制選擇合適的節(jié)點成為匯聚節(jié)點參與網(wǎng)絡的信息傳遞和處理，以此達到優(yōu)化拓撲結(jié)構(gòu)的目的，籠統(tǒng)地來說有二個研究方向?qū)印負鋵哟谓Y(jié)構(gòu)控制和功率控制[10]，前者對于傳感器節(jié)點部署的數(shù)量、結(jié)構(gòu)以及傳感器節(jié)點的體系結(jié)構(gòu)進行調(diào)控，后者對于傳感器節(jié)點感知信息、數(shù)據(jù)傳輸和接收等能量方面進行管理。

無論是無線傳感器節(jié)點還是執(zhí)行器節(jié)點，每個獨立的節(jié)點本身性能、電能、壽命周期等基本特征相對于有線設備來說都是受限的。但“無線”這一特征恰是其獨特的優(yōu)越性，比如節(jié)點部屬不受限制、成本低、自適應能力強等等，因而在WSAN領(lǐng)域研究拓撲層次控制和功率控制正是彌補缺陷的重要途徑。

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Research on Wireless Sensor and Actuator Networks

ZUO Shi，LIU Zhu-lin，LIN Gan-lin

（Department of Electronic Engineering，Hubei Industrial Polytechnic，Shiyan 442000，China）

Abstract： Comparing WSAN with traditional WSN，the former has obvious advantage in actuator nodes.The feature of nodes coordination can improve the function of networks obviously，and the techniques of survivability，cooperative communication，and topoloty control can optimize the WSAN in lifecycle，network quality，topological hierarchy，power control.

Key words： WSAN；nodes coordination；survivability；cooperative communication；topology controlendprint