【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 每年都投入千萬(wàn)美元進(jìn)行 WSN 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究，并在 C4ISR 基礎(chǔ)上提出了 C4KISR 計(jì)劃，強(qiáng)調(diào)戰(zhàn)場(chǎng)情報(bào)的感知能力、信息的綜合能力和利用能力，把 WSN 網(wǎng)絡(luò)作為一個(gè)重要研究領(lǐng)域，設(shè)立了 Smart Sensor Web、靈巧傳感器網(wǎng)絡(luò)通信、無(wú)人值守地面?zhèn)鞲衅魅?、傳感器組網(wǎng)系統(tǒng)、網(wǎng)狀傳感器系統(tǒng)等一系列的軍事傳感器網(wǎng)絡(luò)研究項(xiàng)目。在美國(guó)自然科學(xué)基金委員會(huì)的推動(dòng)下，美國(guó)如麻省理工學(xué)院、加州大學(xué)伯克利分校、加州大學(xué)洛杉磯分校、南加州大學(xué)、康奈爾大學(xué)、伊利諾斯大學(xué)等許多著名高校也進(jìn)行了大量 WSN 網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)的研究 。美國(guó)的一些大型 IT 公司 (如Intel、 HP、 Rockwell、 Texas Instruments 等 )通過(guò)與高校合作的方式逐漸介入該領(lǐng)域的研究開(kāi)發(fā)工作，并紛紛設(shè)立或啟動(dòng)相應(yīng)的研發(fā)計(jì)劃，在無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的微型化、低功耗設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)組織、數(shù)據(jù)處理與管理以及 WSN 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用等方面都取得了許多重要的研究成果。 Dust Networks 和 Crossbow Technologies 等公司的智能塵埃、 Mote、 Mica 系列節(jié)點(diǎn)已走出實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)入應(yīng)用測(cè)試階段。 除美國(guó)以外，日本、英國(guó)、意大利、巴西等國(guó)家也對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò) 表現(xiàn)出了極大的興趣，并各自展開(kāi)了該領(lǐng)域的研究工作。 中國(guó)現(xiàn)代意義的 WSN 網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用研究幾乎與發(fā)達(dá)國(guó)家同步啟動(dòng)，首先被記錄在 1999 年發(fā)表的中國(guó)科學(xué)院《知識(shí)創(chuàng)新工程試點(diǎn)領(lǐng)域方向研究》的信息與自動(dòng)化領(lǐng)域研究報(bào)告中。 2020 年，中國(guó)科學(xué)院成立了微系統(tǒng)研究與發(fā)展中心，掛靠中科院上海微系統(tǒng)所，旨在整合中科院內(nèi)部的相關(guān)單位，共同推進(jìn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究。從 2020年開(kāi)始，中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)開(kāi)始部署傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的課題。截至2020 年底，中國(guó)國(guó)家自然基金共支持面上項(xiàng)目 111 項(xiàng)、重點(diǎn)項(xiàng)目 3 項(xiàng)；國(guó) 家“ 863”重點(diǎn)項(xiàng)目發(fā)展計(jì)劃共支持面上項(xiàng)目 30 余項(xiàng)，國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃“ 973”也設(shè)立 2 項(xiàng)與傳感器網(wǎng)絡(luò)直接相關(guān)的項(xiàng)目；國(guó)家發(fā)改委中國(guó)下一代互聯(lián)網(wǎng)工程項(xiàng)目 (CNGI)也對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目進(jìn)行了連續(xù)資助?！爸袊?guó)未來(lái) 20 年技術(shù)預(yù)見(jiàn)研究”提出的 157 個(gè)技術(shù)課題中有 7 項(xiàng)直接涉及無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)。 2020 年初發(fā)布的《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》為信息技術(shù)確定了 3 個(gè)前沿方向，其中 2個(gè)與無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)研究直接相關(guān)。最值得一提的是，中國(guó)工業(yè)與信息化部在2020 年啟動(dòng)的“新一代寬帶移動(dòng)通信網(wǎng)”國(guó)家級(jí)重大專(zhuān)項(xiàng)中，有第 6 個(gè) 子專(zhuān)題“短距離無(wú)線(xiàn)互聯(lián)與無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化”是專(zhuān)門(mén)針對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)而設(shè)立的。該專(zhuān)項(xiàng)的設(shè)立將大大推進(jìn) WSN 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在應(yīng)用領(lǐng)域的快速發(fā)展。 WSN 技術(shù)的成熟度分析 Gartner 信息技術(shù)研究與咨詢(xún)公司從 2020 年到 2020 年對(duì) WSN 網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)追蹤和評(píng)估。 2020 年， Gartner 認(rèn)為 WSN 技術(shù)的關(guān)注度已經(jīng)越過(guò)了膨脹高峰并回歸理性，表現(xiàn)為以美國(guó)為首的科研人員開(kāi)始理性反思這種技術(shù)模式是不是有進(jìn)一步推廣和發(fā)展的機(jī)會(huì)。當(dāng)時(shí)的預(yù)期比較樂(lè)觀(guān)，認(rèn)為該技術(shù)將在 2～ 5 年內(nèi)走向成熟。 2020 年， Gartner 的評(píng)估認(rèn)為該技術(shù)正按照預(yù)定曲線(xiàn)前行，但成熟時(shí)間要更長(zhǎng)一些；而到了 2020 年， Gartner 發(fā)現(xiàn)對(duì)該技術(shù)的關(guān)注度又有大幅度回升，但其市場(chǎng)并沒(méi)有走向高產(chǎn)能期，而是似乎又回到了技術(shù)膨脹期。同時(shí)，距離成熟的時(shí)間仍然是 10 年以上。 超過(guò) 5 年的市場(chǎng)預(yù)測(cè)往往意味公司對(duì)該項(xiàng)技術(shù)缺乏準(zhǔn)確的判斷。從這一點(diǎn)上看， WSN 技術(shù)從市場(chǎng)的角度上看還有些撲朔迷離。 Gartner 的 2020 年技術(shù)預(yù)測(cè)報(bào)告中沒(méi)有對(duì)該領(lǐng)域進(jìn)行預(yù)測(cè)也正是基于這一點(diǎn)。這種結(jié)果的可能原因是殺手級(jí)應(yīng)用所需的幾項(xiàng)關(guān)鍵性的支撐技術(shù)目前難于突破，微型化、可靠 性、能量供給在目前看來(lái)是制約應(yīng)用的最大問(wèn)題。另外，這些技術(shù)之間還彼此制約。首先，微型化使節(jié)點(diǎn)通信距離變短，路徑長(zhǎng)度增加，數(shù)據(jù)延遲難于預(yù)期；其次，能量獲取和存儲(chǔ)容量與設(shè)備體積 (表面積 )呈正比，充足的能源和微型化設(shè)計(jì)之間的矛盾難于調(diào)和；再有，現(xiàn)有電子技術(shù)還很難做到可降解的綠色設(shè)計(jì)，微型化給回收帶來(lái)困難，從而威脅到環(huán)境健康。 市場(chǎng)不會(huì)向技術(shù)妥協(xié)，如果一項(xiàng)技術(shù)不能在方方面面做到完美就很難被市場(chǎng)所接受。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)要想在未來(lái)十幾年內(nèi)有所發(fā)展，一方面要在這些關(guān)鍵的支撐技術(shù)上有所突破；另一方面，就要在成熟 的市場(chǎng)中尋找應(yīng)用，構(gòu)思更有趣、更高效的應(yīng)用模式。值得慶幸的是， WSN 技術(shù)在中國(guó)找到了發(fā)展機(jī)會(huì)。政府引導(dǎo)、研究人員推動(dòng)和企業(yè)的積極參與大大加快了 WSN 技術(shù)的市場(chǎng)化進(jìn)程。中國(guó)必將在 WSN 技術(shù)和市場(chǎng)推進(jìn)中發(fā)揮重要作用。 2 WSN 技術(shù)體系及其發(fā)展現(xiàn)狀 WSN 技術(shù)是多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域，因而包含眾多研究方向， WSN 技術(shù)具有天生的應(yīng)用相關(guān)性，利用通用平臺(tái)構(gòu)建的系統(tǒng)都無(wú)法達(dá)到最優(yōu)效果。 WSN 技術(shù)的應(yīng)用定義要求網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)設(shè)備能夠在有限能量 (功率 )供給下實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)控，因此網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的能量效率是一切技術(shù)元素 的優(yōu)化目標(biāo)。下面從核心關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵支撐技術(shù)兩個(gè)層面分別介紹應(yīng)用系統(tǒng)所必須的設(shè)計(jì)和優(yōu)化的技術(shù)要點(diǎn)。 核心關(guān)鍵技術(shù) 組網(wǎng)模式 在確定采用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，首先面臨的問(wèn)題是采用何種組網(wǎng)模式。是否有基礎(chǔ)設(shè)施支持，是否有移動(dòng)終端參與，匯報(bào)頻度與延遲等應(yīng)用需求直接決定了組網(wǎng)模式。 (1)扁平組網(wǎng)模式 所有節(jié)點(diǎn)的角色相同，通過(guò)相互協(xié)作完成數(shù)據(jù)的交流和匯聚。最經(jīng)典的定向擴(kuò)散路由 (Direct Diffusion)研究的就是這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 (2)基于分簇的層次型組網(wǎng)模式 節(jié)點(diǎn)分為普通傳感節(jié)點(diǎn)和用于數(shù)據(jù)匯聚的簇頭節(jié)點(diǎn)，傳感節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)先發(fā)送到簇頭節(jié)點(diǎn)，然后由簇頭節(jié)點(diǎn)匯聚到后臺(tái)。簇頭節(jié)點(diǎn)需要完成更多的工作、消耗更多的能量。如果使用相同的節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)分簇，則要按需更換簇頭，避免簇頭節(jié)點(diǎn)因?yàn)檫^(guò)渡消耗能量而死亡。 (3)網(wǎng)狀網(wǎng) (Mesh)模式 Mesh 模式在傳感器節(jié)點(diǎn)形成的網(wǎng)絡(luò)上增加一層固定無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，用來(lái)收集傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，另一方面實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的信息通信，以及網(wǎng)內(nèi)融合處理。 Akyildiz L F 等 [1]總結(jié)了無(wú)線(xiàn) Mesh 網(wǎng) 絡(luò)的應(yīng)用模式。 (4)移動(dòng)匯聚模式 移動(dòng)匯聚模式是指使用移動(dòng)終端收集目標(biāo)區(qū)域的傳感數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)發(fā)到后端服務(wù)器。移動(dòng)匯聚可以提高網(wǎng)絡(luò)的容量，但數(shù)據(jù)的傳遞延遲與移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)的軌跡相關(guān)。如何控制移動(dòng)終端軌跡和速率是該模式研究的重要目標(biāo)。 Kim 等 [2]提出的 SEAD 分發(fā)協(xié)議就是針對(duì)這種組網(wǎng)模式。 Bi Y 等 [34]研究了多種 Sink 的移動(dòng)匯聚模式。 此外，還有其他類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò)。如當(dāng)傳感節(jié)點(diǎn)全部為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)與固定的 Mesh 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信 (移動(dòng)產(chǎn)生的通信機(jī)會(huì) )，可形成目前另一個(gè)研究熱點(diǎn)，即 機(jī)會(huì)通信模式。 拓?fù)淇刂? 組網(wǎng)模式?jīng)Q定了網(wǎng)絡(luò)的總體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但為了實(shí)現(xiàn) WSN 網(wǎng)絡(luò)的低能耗運(yùn)行，還需要對(duì)節(jié)點(diǎn)連接關(guān)系的時(shí)變規(guī)律進(jìn)行細(xì)粒度控制。目前主要的拓?fù)淇刂萍夹g(shù)分為時(shí)間控制、空間控制和邏輯控制 3 種。時(shí)間控制通過(guò)控制每個(gè)節(jié)點(diǎn)睡眠、工作的占空比，節(jié)點(diǎn)間睡眠起始時(shí)間的調(diào)度，讓節(jié)點(diǎn)交替工作，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓谟邢薜耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)間切換；空間控制通過(guò)控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率改變節(jié)點(diǎn)的連通區(qū)域，使網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)不同的連通形態(tài)，從而獲得控制能耗、提高網(wǎng)絡(luò)容量的效果；邏輯控制則是通過(guò)鄰居表將不“理想的”節(jié)點(diǎn)排除在外，從而形成 更穩(wěn)固、可靠和強(qiáng)健的拓?fù)洹?WSN 技術(shù)中，拓?fù)淇刂频哪康脑谟趯?shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的連通 (實(shí)時(shí)連通或者機(jī)會(huì)連通 )的同時(shí)保證信息的能量高效、可靠的傳輸。 Kumar S等 [5]研究了在睡眠喚醒進(jìn)行能耗控制的網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn) k 連通的條件。 Chen Ai 等 [6]研究了柵欄 (邊界 )防護(hù)應(yīng)用中的拓?fù)涓采w問(wèn)題。 Li X[7]則通過(guò)圖理論研究無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂扑惴ā?Wang X、 Ye F、 Schurgers C 和 Lu G等學(xué)者 [8]研究了如何利用連通的骨干網(wǎng)絡(luò)減少網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)開(kāi)銷(xiāo)，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期問(wèn)題。 媒體訪(fǎng)問(wèn)控制和 鏈路控制 媒體訪(fǎng)問(wèn)控制 (MAC)和鏈路控制解決無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中普遍存在的沖突和丟失問(wèn)題，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流狀態(tài)控制臨近節(jié)點(diǎn)，乃至網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的信道訪(fǎng)問(wèn)方式和順序，達(dá)到高效利用網(wǎng)絡(luò)容量，減低能耗的目的。要實(shí)現(xiàn)拓?fù)淇刂浦械臅r(shí)間和空間控制， WSN 的 MAC 層需要配合完成睡眠機(jī)制、時(shí)分信道分配和空分復(fù)用等功能。 Ye W 等 [9]提出了 WSN 最經(jīng)典的基于睡眠的 MAC 協(xié)議 —— SMAC； Ahn GS等 [10]研究了在最后兩跳內(nèi)采用時(shí)分復(fù)用方式緩解由最后兩跳沖突引入的“漏斗”效應(yīng)； Rajendran V等 [11]研究了 WSN中無(wú)競(jìng)爭(zhēng)訪(fǎng)問(wèn)的高能效方法； Zhai H[12]和 Kim Y[13]等則研究了基于多射頻、多信道的 MAC 協(xié)議。 MAC 控制是 WSN 最為活躍的研究熱點(diǎn)，因?yàn)?MAC 層的運(yùn)行效率直接反應(yīng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量效率。 復(fù)雜環(huán)境的短距離無(wú)線(xiàn)鏈路特性與長(zhǎng)距離完全不同，短距離無(wú)線(xiàn)射頻在其覆蓋范圍內(nèi)的過(guò)渡臨界區(qū)寬度與通信距離的比例要大得多，因而更多鏈路呈現(xiàn)復(fù)雜的不穩(wěn)定特性。 Ganeson D 等 [14]， Zhao J 等 [15]通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了過(guò)渡區(qū)的存在； Zuniga M 等 [16]分析了過(guò)渡區(qū)的成因。復(fù)雜的鏈路特征需要 在 MAC控制中更充分地考慮鏈路特性， Zhu H 等 [17]研究了適應(yīng)鏈路特性的多鏈路 MAC控制機(jī)制。鏈路特征同時(shí)也是在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和匯聚中需要考慮的重要因素。 路由、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)及跨層設(shè)計(jì) WSN 網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流向與 Inter 相反：在 Inter 網(wǎng)絡(luò)中，終端設(shè)備主要從網(wǎng)絡(luò)上獲取