无线传感器执行器网络（WSAN）的研究

左是+刘竹林+刘甘霖

摘 要： 文章以无线传感器执行器网络（Wireless Sensor and Actuator Networks，WSAN）为研究对象，与纯粹传感器网络相比，融入执行器节点的无线传感器执行器网络有着明显的优势，WSAN节点协同特征将显著提升网络性能，可生存性、协作通信和拓扑控制等技术将使网络在受限节点性能下，促进WSAN在生命周期、網络质量、拓扑层次、功率控制等方面的优化。

关键词： 无线传感器执行器网络；节点协同；可生存性；协作通信；拓扑控制

中图分类号： TP393 文献标识码： A 文章编号： 2095-8153（2017）05-0099-04

1 溯源和发展

卡耐基梅隆大学（CMU，Carnegie Mellon University）曾受美国国防高级研究计划局（DARPA，Defense Advanced Research Projects Agency）资助进行分布式无线传感器网络的研究项目，于1978年首次提出无线传感器网络（WSN，Wireless Sensor Network）这一概念[1]。当前，无线传感器网络（WSN）已经在国防、环境监测、医疗监控、工业生产等领域广泛应用，顺应需求的日益多元化，带有执行器节点的无线传感器执行器网络[2]（Wireless Sensor and Actuator Networks，WSAN*）应运而生。

WSAN通常是由一组传感器节点和执行器节点组成，传感器节点用于信息采集，而执行器节点用于改变环境的行为。从工程角度看，执行器是一种转换器，也是一种高级的传感器，能够接收信号并能产生物理动作。传感器和执行器之间存在无线链路，传感器节点感知并报告环境状态信息，而执行器节点收集数据并作用于环境[3]。

无线传感器执行器网络是异构网络，网络中包含联网的传感器和执行器节点，它们可以进行无线链路通讯以完成分布式感知和执行任务。执行器具有资源优势，且可能具有移动性，因而可以参与决策，且能够对自身、传感器和/或环境采取适当的动作。无线传感器执行器网络能够在无人值守环境中自治地进行工作。它们既可以直接互联，又可以针对汇聚节点控制网络中的用户迅速作出反应。一个或多个执行器同样能够充当汇聚节点的作用。实际应用中，汇聚节点可以看作是一种特殊的执行器。与汇聚节点相比，执行器不仅能够作用于环境，（移动执行器）还可以作用于传感器。

WSAN正在成长为下一代无线传感器网络，也可以称之为物联网。WSAN在WSN基础上重要的变革是：WSAN能够改变自然和物理世界，而WSN不能[4]。与传感器节点相比，执行器节点通常在数据处理、无线通信和电源方面有显著的优化。因此，在数量上与部署在监测区域的一般传感器节点相比，执行器节点远不需要这样的规模，因为它强大的性能能够作用更大的区域。

2 无线传感器执行器网络的特征——节点协同

协同是WSAN重要特征[2]，图1所示为协同结构的示意图。节点间的协同在WSAN体现在传感器/执行器之间能够协同通信，以实现WSAN应用本身所设定的目标。

在协同结构中，传感器节点能够以单跳或多跳方式向执行器节点传输感知数据。执行器对数据进行分析，在采取行动前与汇聚节点进行协商。也就是说执行器可以使用对等网络进行决策，然后采取行动，可能还会告知汇聚节点（任务管理器）通过汇聚节点控制网络[3]。一个或多个执行器也可以充当汇聚节点的角色，这正是执行器区别于普通传感器具备的强大功能。传感器向某个已选执行器报告数据时，当消息目标发生动态变化后，也可由另一个执行器来完成未尽的任务。汇聚节点对整个网络进行监测，并与传感器和执行器进行通信，当传感器检测到环境中的事件发生后，事件数据将在本地进行处理，并传输到执行器，执行器负责收集、处理，最终重构数据。

3 无线传感器执行器网络（WSAN）的关键技术

据作者查阅的国内外有关无线传感器执行器网络的文献，其关键技术目前看来主要包含可生存性、协作通信和拓扑控制等三个方面。

3.1 可生存性

在一般意义下，要实现网络的可生存性必须具有如下四个要求：

抵御——抵御非法入侵，传统方式又如：认证加密和容错；

识别——对网络攻击和系统损坏程度的识别和恢复上；

恢复——无论是否受到攻击或是出现故障，系统及其服务都要得到保护。因此重要的是对影响的评估和系统的恢复，而不是响应的快慢；

进化——对相同或相似攻击的适应，以及网络的进化以减少发生或再次发生。

如表1给出的网络系统可生存性的研究发展历程来看，网络从“有界”向“无界”发展，无限极大网络由于缺少全局管理、难以修复容易成为攻击的目标。WSAN更是如此，如在突发事件的环境监测场景下，节点一旦布置，单一节点的供电能力受到限制，且节点也受所处环境影响，因而可生存性不仅仅体现在“生存”本身，也对WSAN在明确的网络应用场景下有更好的网络整体应用能力提出要求。

3.2 协作通信

Cooperate来源于拉丁词根co-和operate意为着“一同工作”，意味着一组实体为达到共同/各自的目标一起工作，信息技术的发展将世界几乎都超链接在一起，每个节点（实体）常可以通过有线/无线的方式连接在一起，形成一个复杂的网络，协作起重要推动作用。

即使是一般意义上传统点对点通信，随着数据量增大，点对点网络已经不能满足高速传输的需求，传输速率甚至接近在随机发生误码的信道上的最大无差错传输速率，亟待新解决方案来克服这一问题。而在WSAN中，恰可利用无线通信技术自身的特点——开放性空域和广播模式的信息传输，来解决传统点对点通信中的新问题。图2将通过一个简单实例来说明协作通信将是新方案的重要手段。endprint

通信目标是实现节点A和节点C通信，但若实际距离较远等原因可能无法产生直接通信链路，考虑节点B离节点C较节点A相对距离近，则可利用节点B实现协作中继通信，从而实现远距离通信数据传输。即使节点A离节点C距离不太远，假设有直接通信链路，也可能由于无线通信状况不良，导致直接通信效果不佳。通过节点B协作，会有效改善节点A-> C的通信效果，还会获得一定的分集增益。

为更好适应与滿足通信日益倍增的需求，当前的4G移动通信技术的峰值传输速率将达到几Gbit/s以上，然而由于可供移动通信使用的频段受限，所以多天线技术和协作通信技术备受重视。此外，协作通信技术还可以较好地与其他技术融合，如与正交频分复用（OFDM）技术等。这也是协作通信在WSAN研究中备受重视的重要原因。

在无线传感器执行器网络（WSAN）中，传感器节点与执行器节点通过无线链路进行通信和数据交换。无论无线链路的方式是什么，节点之间都需要组网，并按某一路由协议执行通信。在网络资源受限情况下，临近节点间协作通信显得颇为重要。同时还可在受限的节点性能上，使用其他技术来改善和优化通信质量。反过来，这一特征正是在技术上凸显WSAN的重要。

3.3 拓扑控制

表3列出WSAN与传统无线网络在特点和技术的差异，通过对比发现，网络拓扑结构的控制对于保证WSAN的QoS（Quantity of Service）至关重要。WSAN对于拓扑控制主要研究的方面在于：保证WSAN中工作节点的连通性和对设定区域覆盖度的前提下设置或调整节点的发射功率，并按照某机制选择合适的节点成为汇聚节点参与网络的信息传递和处理，以此达到优化拓扑结构的目的，笼统地来说有二个研究方向层——拓扑层次结构控制和功率控制[10]，前者对于传感器节点部署的数量、结构以及传感器节点的体系结构进行调控，后者对于传感器节点感知信息、数据传输和接收等能量方面进行管理。

无论是无线传感器节点还是执行器节点，每个独立的节点本身性能、电能、寿命周期等基本特征相对于有线设备来说都是受限的。但“无线”这一特征恰是其独特的优越性，比如节点部属不受限制、成本低、自适应能力强等等，因而在WSAN领域研究拓扑层次控制和功率控制正是弥补缺陷的重要途径。

[参考文献]

[1]王良民，廖闻剑.无线传感器网络可生存理论与技术研究[M]. 北京：人民邮电出版社，2011：1-9.

[2]Amiya Nayak.Ivan Stojmenovic（著）.郎为民（译）. 无线传感器及执行网络--可扩展协同数据通信的算法与协议（Wireless Sensor and Actuator Networks：Algorithms and Protocols for Scalable Coordination and Data Communication）[M]. 北京：机械工业出版社，2012：11-21.

[3]郎为民. 无线传感器与执行器网络（WSAN）研究[J]. 数据通信，2011（03）：9-13.

[4]Ellison，R，Fisher，D，Linger，R，Lipson，H， Longstaff，T，& Mead，N. Survivable Network Systems： An Emerging Discipline[R] （Technical Report， CMU/SEI-97-TR-013）. Software Engineering Institute. Carnegie Mellon University. 1997.

[5]Neumann PG，Hollway A Barnes A. Survivable Computer-Communication Systems： The Problem and Working Group Recommendations. Technical Report VAL-CE-TR-92-22（revision1）， U.S. Army Research Laboratory，AMSRL-SL-E， White Sands Missile Range，NM 88002- 5513，1993，32（5）：56-58.

[6]Knight J C，Sullivan K J. on the Definition of Survivability [R]（Technical Report，CS-TR-33-00）. The Deptment of Computer Science，University of Virginia，2000.

[7]杨 超，马建峰. 可生存网络系统的形式化定义[J]. 电子科技，2004（04）： 1 - 4+7.

[8]Akyildiz I F，Su W，Sankatasubramaniam Y，et al. A Survey on Sensor Networks [J]. IEEE Communication Maganize，2002，40（8）： 102-114.

[9]Bao L.，Carcia-Luna-Aceves J. J. Topology Management in Ad-hoc Networks[J]. In Proceeding of the 4th ACM International Symposium on Mobile， 2006.

[10]朱 洲. 能耗均衡的无线传感器网络覆盖控制[D].南京大学，2011：19-25.

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