無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的主要問題有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、定位技術(shù)、時(shí)間同步、數(shù)據(jù)融臺(tái)、數(shù)據(jù)管理、嵌入式操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)安全

路由協(xié)議的設(shè)計(jì)

  與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的設(shè)計(jì)思路相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議的側(cè)重點(diǎn)在于：能量?jī)?yōu)先、基于局部拓?fù)湫畔?、以?shù)據(jù)為中心，以及與應(yīng)用相關(guān)的因素。設(shè)計(jì)路由協(xié)議必須首先考慮如何在有限能量的前提下，延長(zhǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)生存期。為了節(jié)約能量，每個(gè)結(jié)點(diǎn)不能進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)計(jì)算，因此路由生成只能限制在局部拓?fù)湫畔⑸?。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的很多結(jié)點(diǎn)分布感興趣的地區(qū)，部署者關(guān)心的是被監(jiān)測(cè)區(qū)域的大量結(jié)點(diǎn)的感知數(shù)據(jù)，而不是個(gè)別結(jié)點(diǎn)獲取的數(shù)據(jù)。路由協(xié)議必須考慮對(duì)感知數(shù)據(jù)的需求、數(shù)據(jù)通信模式與數(shù)據(jù)流向，以便形成以數(shù)據(jù)為中心的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。同時(shí)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)際直用場(chǎng)景和要求區(qū)別很大，設(shè)計(jì)者必須針對(duì)具體的應(yīng)用需求去考慮路由協(xié)議。因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足：能量高效，具有可擴(kuò)展性、魯棒性和能快速收斂。

定位技術(shù)研究

  在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，位置信息對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)活動(dòng)至關(guān)重要，它是事件位置報(bào)告、目標(biāo)跟蹤、地理路由、網(wǎng)絡(luò)管理等系統(tǒng)功能的前提。事件發(fā)生的位置或獲取信息的結(jié)點(diǎn)位置，是傳感器結(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)報(bào)告中所包含的重要信息，沒有位置信息的監(jiān)測(cè)報(bào)告往往毫無意義。在環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用中，需要知道采集的環(huán)境信息所對(duì)應(yīng)的具體區(qū)域位置。一旦監(jiān)測(cè)到事件發(fā)生之后，人們關(guān)心的重要問題就是事件發(fā)生的位置。例如森林火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)位置、戰(zhàn)場(chǎng)上敵方車輛運(yùn)動(dòng)的區(qū)域、天然氣管道泄的具體地點(diǎn)，這些信息都是決策者進(jìn)一步采取措施和做出決策的依據(jù)之一。位置信息可以用于目標(biāo)跟蹤，實(shí)時(shí)監(jiān)視目標(biāo)的行動(dòng)路線，預(yù)測(cè)目標(biāo)的前進(jìn)軌跡；可以直接利用結(jié)點(diǎn)位置信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞按地理的路由；根據(jù)結(jié)點(diǎn)位置信息構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況，對(duì)結(jié)點(diǎn)密度低的區(qū)域及時(shí)采取必要措施，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理。因此，結(jié)點(diǎn)位置的定位是傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能之一。

時(shí)間同步技術(shù)

    分布式系統(tǒng)通常需要一個(gè)表示整個(gè)系統(tǒng)時(shí)間的全局時(shí)間，這個(gè)時(shí)間根據(jù)需要可以是物理時(shí)間或邏輯時(shí)間。物理時(shí)間用來表示人類社會(huì)使用的絕對(duì)時(shí)間，邏輯時(shí)間表達(dá)事件發(fā)生的順序關(guān)系，它是一個(gè)相對(duì)的概念。

    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)分布式系統(tǒng)，不同結(jié)點(diǎn)都有自己的本地時(shí)鐘。由于結(jié)點(diǎn)的晶體振蕩器頻率存在偏差以及溫度變化和電磁波干擾等，即使在某個(gè)時(shí)刻所有結(jié)點(diǎn)都達(dá)到時(shí)間同步，它們的時(shí)間也會(huì)逐漸出現(xiàn)偏差，而分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的協(xié)同工作需要結(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間同步，時(shí)間同步機(jī)制是分布式系統(tǒng)基礎(chǔ)框架中的一個(gè)關(guān)鍵機(jī)制。

    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中需要時(shí)間同步機(jī)制。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，以及在能量、價(jià)格和體積等方面的約束，使得復(fù)雜的時(shí)間同步機(jī)制不適用于它，需要修改或重新設(shè)計(jì)時(shí)間同步機(jī)制來滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求。

數(shù)據(jù)融合技術(shù)

  由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能是收集、傳輸傳感器結(jié)點(diǎn)所在監(jiān)測(cè)區(qū)域的信息，而傳感器結(jié)點(diǎn)受到能量與易失效性的約束，因此減少數(shù)據(jù)傳輸量以有效地節(jié)省能量，利用結(jié)點(diǎn)的本地計(jì)算和存儲(chǔ)能力處理數(shù)據(jù)的融合，通過數(shù)據(jù)融合(data aggregation)達(dá)到數(shù)據(jù)備份與信息的準(zhǔn)確性，成為傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的又一個(gè)重要的課題。

    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)融合是指：將傳感器結(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的多份數(shù)據(jù)或信息進(jìn)行處理，組合出更有效、更符合用戶需求的數(shù)據(jù)的過程。數(shù)據(jù)融合的方法普遍應(yīng)用在日常生活中，人在辨別一個(gè)事物的時(shí)候通常會(huì)綜合視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等各種感官獲得的信息，對(duì)事物做出準(zhǔn)確判斷。

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，人們更多地是關(guān)心監(jiān)測(cè)的結(jié)果。而不需要收到大量原始數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)融合是通過處理傳感器的數(shù)據(jù)，得出準(zhǔn)確的判斷的過程。例如，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在森林防火的應(yīng)用中，需要對(duì)多個(gè)溫度傳感器探測(cè)到的位置、環(huán)境溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，報(bào)告是否出現(xiàn)火災(zāi)以及發(fā)生的位置。如果在目標(biāo)識(shí)別應(yīng)用中，由于各個(gè)結(jié)點(diǎn)的地理位置不同，針對(duì)同一目標(biāo)所報(bào)告的圖像的拍攝角度不同，需要進(jìn)行三維空間的考慮，因此數(shù)據(jù)融合的難度相對(duì)較大。數(shù)據(jù)融合技術(shù)的技術(shù)方案和系統(tǒng)的指標(biāo)取決于實(shí)際應(yīng)用的需求。

數(shù)據(jù)管理技術(shù)

    研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理技術(shù)的目的是：將網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)處理方法與網(wǎng)絡(luò)的物理實(shí)現(xiàn)方法分離，使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的用戶和應(yīng)用程序只需要關(guān)心查詢數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)，而無需關(guān)心無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具體如何獲取信息的細(xì)節(jié)。

    在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)用程序通過對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)獲取的感知數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和分析，有效地對(duì)它所關(guān)心的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲得災(zāi)害地區(qū)、城市交通管理系統(tǒng)的車輛監(jiān)控、軍事偵察的信息。

在這些應(yīng)用中，數(shù)據(jù)通常包括兩類：一類是靜態(tài)數(shù)據(jù)，例如描述傳感器特性的信息；另一類是動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，是由傳感器自身感知的環(huán)境數(shù)據(jù)。由這些感知數(shù)據(jù)構(gòu)成的數(shù)據(jù)集合類似于大型分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，需要通過一個(gè)軟件系統(tǒng)來管理，即傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。因此，人們必須針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，研究網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)模型和查詢語言、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與索引技術(shù)、數(shù)據(jù)查詢處理技術(shù)。

嵌入式操作系統(tǒng)技術(shù)

    由于傳感器結(jié)點(diǎn)具有數(shù)量大、拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化、攜帶非常有限的硬件資源等特點(diǎn)，同時(shí)計(jì)算存儲(chǔ)和通信等操作需要并發(fā)地調(diào)用系統(tǒng)資源，因此需要研究適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的新型操作系統(tǒng)。在研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的初期，研究人員并沒有重視這個(gè)問題。有研究人員認(rèn)為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件很簡(jiǎn)單，沒有必要設(shè)計(jì)一個(gè)專門的操作系統(tǒng)，可以直接在硬件上編寫應(yīng)用程序。但是，隨著研究工作的深入，人們發(fā)現(xiàn)面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用程序開發(fā)難度很大，直接在硬件上編寫的應(yīng)用程序無法適應(yīng)多種服務(wù)。同時(shí)，軟件的重用性差。開發(fā)效率低，應(yīng)用程序很難移植與擴(kuò)展。因此，設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的專用操作系統(tǒng)成為一個(gè)重要研究課題。

網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全技術(shù)研究是當(dāng)前的熱點(diǎn)和富有挑戰(zhàn)性的課題。無線傳感網(wǎng)絡(luò)的安全隱患可以分為兩類：信息泄露與空間攻擊。有些無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在軍事與公共安全領(lǐng)域，要求安全性很高，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)極易受到攻擊。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不僅要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而且要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、融合和協(xié)同工作。傳感器結(jié)點(diǎn)本身受到計(jì)算與存儲(chǔ)資源、能源的限制，必須在計(jì)算復(fù)雜度和安全強(qiáng)度之間權(quán)衡。另外，一個(gè)實(shí)際傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)點(diǎn)數(shù)可能達(dá)到成千上萬，必須在單個(gè)結(jié)點(diǎn)的安全性與對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的安全影響之間權(quán)衡。因此，如何保證任務(wù)執(zhí)行的機(jī)密性、數(shù)據(jù)產(chǎn)生的可靠性、數(shù)據(jù)融合的高效性與數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕蔀闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全問題需要全面考慮的內(nèi)容。