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摘 要：随着应用需求的增加，无线传感器网络已深入到人们生活的方方面面，例如智能家居、智能农业、智能健康监测等。传感器的种类急剧增加，无线传感器网络的异构性日渐突出，针对这种异构网络的研究成为无线传感器网络研究的一个热点问题，更具有实际的意义。本文首先分析了无线传感器网络的现状，其次，介绍了异构分类，然后详细介绍了能量异构，最后提出了研究挑战。
关键词：无线传感器网络；异构；能量异构
一、现状分析
同构无线传感器网络在研究初期，能帮助研究者更好地理解和分析网络，但随着研究的深入和扩展，它们却不能很好的满足实际应用。因为它们的模型简单而又理想化。一方面，由于物理器件的参数不同，传感器节点的物理性质很难完全相同；另一方面，即便出厂性能相同的传感器节点，也会因为工作环境的差异、区域地形特点不同和节点工作负荷不均衡等原因，导致节点出现异构性。
在现实中，异构无线传感器网络（Heterogeneous WSN，HSN）的应用更为普遍。比如在智能家居应用中，为获取温度、湿度、声音、图像和位置等信息，通常需要通过物理传感器（如触觉和压力传感器、光学和声音传感器）和其它装置（如照相机、麦克风）来感知、采集；而在智能农业应用中，也会有温湿度传感器、光照传感器、土壤传感器和二氧化碳传感器等不同的传感器来获取数据。这些传感器应用场景离我们人类生活很近，且易于人工部署和维护。但这些不同种类的传感器具有不同的功能，且初始能量也因生产厂家的不同和批次的不一样也不完全相同。此外，不同种类的传感器，它们的感知能力和传输距离也可能不同。
二、异构分类
异构无线传感网络可分为计算能力异构、链路异构、应用需求异构、能量异构等。
1）计算能力异构性：传感器节点因处理的任务不同，计算能力不相同，从而导致计算能力异构性。
2）链路异构性：由于不同类型的节点的通信半径不同，所以节点最大传输范围也不相同，加之通信能力还与使用的协议息息相关，从而导致通信能力异构性。
3）应用需求异构性：节点间的无线通信能力及低功耗多功能的特点，赋予了无线传感器网络广阔的应用前景，即存在应用需求异构性。
4）能量异构性：网络运行过程中每时每刻都需要能量供应，因此能量异构性是普遍存在的。
三、能量异构
造成能量异构性主要有以下两个原因：一是因为不同类型的传感器节点配置的初始能量不同，如簇首节点需要配置比较高的能量，以延长网络的生命周期；二是每个节点执行的任务不同，即使初始能量相同，如普通节点，但在网络运行一段时间之后，由于节点在信息采集和传输等过程中能量消耗不同，几乎所有的研究者都将异构性的研究体现在节点能量异构中，这是异构性研究的一个热点。
按初始能量的不同，可将异构无线传感器网络中的节点分成普通节点、多级高级节点，文献[2]就是能量异构的典型代表，它进一步将能量异构细分成了垂直能量异构和水平能量异构。这两种异构区别在于高级节点的定义。
垂直能量异构的第k级高级节点是在第（k-1）级节点中按百分比选取的，这样，高级节点就嵌套定义在它前一级里面，所以高级节点的个数一般都小于前一级节点个数。而水平能量异构，它的各级节点之间是没有这种依赖关系，各级节点是按占节点总数的百分比定义的。这样就不存在嵌套关系，每级是独立的。它将n个节点按照初始能量的不同分为普通节点、1级节点、2级节点、……、k级节点。设每级节点的个数占总节点个数的比例为mi（i=1…k），则普通节点的个数为（1-m1-m2-…-mk）。并设普通节点的初始能量为E0，而每级节点的能量是普通节点初始能量的ai（i=1…k）倍，则每级节点的初始能量为（1+ai）*E0。而文献[2]更证明了垂直能量异构中随着级数的增加不能确保整个网络初始能量的增加。
四、研究挑战
通过对无线传感器网络能耗、无线传感器网络寿命延长的研究现状进行分析，发现尽管经过多年的研究，异构无线传感器网络的研究取得了一定进展，但由于异构网络相对复杂，且面临着具体应用场景多样性的问题，目前针对异构网络的研究依旧面临着重大挑战，许多关键技术还未成熟，存在一系列急需解决的问题。对相关研究挑战总结如下：
1）多级能量水平异构无线传感器网络能量使用效率不高。
典型的多级水平能量异构无线传感器网络中，路由选择算法的效率不高，需要制定高效的簇首选择算法、路由选择协议，从而提高网络能量的有效性，进一步延长传感器网络的寿命。
2）无线传感器网络中节点的能量消耗和通信距离有很大的关系。
由于能量消耗的计算与距离息息相关，当距离小于距离阈值、近距离传输时，能量消耗与距离的平方成正比；当距离大于距离阈值、远距离传输时，能量消耗与距离的四次方成正比。而传统的传感器网络节点分簇算法规定簇内成员只能和簇首进行通信，必将导致有些离簇首较远的节点通信时消耗较高的能量，因此需要均衡无线传感器网络节点能量，降低节点通信时消耗较的能量。
3）无线传感网络节点更换策略的计算复杂性很高。
智能算法已经广泛应用于各个领域。针对传统无限传感网络节点更换策略的计算复杂性很高的问题，需要选择合适的算法，提高传感器网络节点回收-更换策略的效率。
参考文献
[1] 徐平平，刘昊，褚宏云等.无线传感器网络[M].电子工业出版社，2013
[2] Tyagi S，Tanwar S，Gupta S K，et al.A lifetime extended multi-levels heterogeneous routing protocol for wireless sensor networks[J].Telecommunication Systems，2015，Vol.59（1）：43～62
[3] 孫利民，李建中，陈渝等.无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社，2005：7～8
（作者单位：浙江台州职业技术学院电信学院）
关键词：无线传感器网络；异构；能量异构
一、现状分析
同构无线传感器网络在研究初期，能帮助研究者更好地理解和分析网络，但随着研究的深入和扩展，它们却不能很好的满足实际应用。因为它们的模型简单而又理想化。一方面，由于物理器件的参数不同，传感器节点的物理性质很难完全相同；另一方面，即便出厂性能相同的传感器节点，也会因为工作环境的差异、区域地形特点不同和节点工作负荷不均衡等原因，导致节点出现异构性。
在现实中，异构无线传感器网络（Heterogeneous WSN，HSN）的应用更为普遍。比如在智能家居应用中，为获取温度、湿度、声音、图像和位置等信息，通常需要通过物理传感器（如触觉和压力传感器、光学和声音传感器）和其它装置（如照相机、麦克风）来感知、采集；而在智能农业应用中，也会有温湿度传感器、光照传感器、土壤传感器和二氧化碳传感器等不同的传感器来获取数据。这些传感器应用场景离我们人类生活很近，且易于人工部署和维护。但这些不同种类的传感器具有不同的功能，且初始能量也因生产厂家的不同和批次的不一样也不完全相同。此外，不同种类的传感器，它们的感知能力和传输距离也可能不同。
二、异构分类
异构无线传感网络可分为计算能力异构、链路异构、应用需求异构、能量异构等。
1）计算能力异构性：传感器节点因处理的任务不同，计算能力不相同，从而导致计算能力异构性。
2）链路异构性：由于不同类型的节点的通信半径不同，所以节点最大传输范围也不相同，加之通信能力还与使用的协议息息相关，从而导致通信能力异构性。
3）应用需求异构性：节点间的无线通信能力及低功耗多功能的特点，赋予了无线传感器网络广阔的应用前景，即存在应用需求异构性。
4）能量异构性：网络运行过程中每时每刻都需要能量供应，因此能量异构性是普遍存在的。
三、能量异构
造成能量异构性主要有以下两个原因：一是因为不同类型的传感器节点配置的初始能量不同，如簇首节点需要配置比较高的能量，以延长网络的生命周期；二是每个节点执行的任务不同，即使初始能量相同，如普通节点，但在网络运行一段时间之后，由于节点在信息采集和传输等过程中能量消耗不同，几乎所有的研究者都将异构性的研究体现在节点能量异构中，这是异构性研究的一个热点。
按初始能量的不同，可将异构无线传感器网络中的节点分成普通节点、多级高级节点，文献[2]就是能量异构的典型代表，它进一步将能量异构细分成了垂直能量异构和水平能量异构。这两种异构区别在于高级节点的定义。
垂直能量异构的第k级高级节点是在第（k-1）级节点中按百分比选取的，这样，高级节点就嵌套定义在它前一级里面，所以高级节点的个数一般都小于前一级节点个数。而水平能量异构，它的各级节点之间是没有这种依赖关系，各级节点是按占节点总数的百分比定义的。这样就不存在嵌套关系，每级是独立的。它将n个节点按照初始能量的不同分为普通节点、1级节点、2级节点、……、k级节点。设每级节点的个数占总节点个数的比例为mi（i=1…k），则普通节点的个数为（1-m1-m2-…-mk）。并设普通节点的初始能量为E0，而每级节点的能量是普通节点初始能量的ai（i=1…k）倍，则每级节点的初始能量为（1+ai）*E0。而文献[2]更证明了垂直能量异构中随着级数的增加不能确保整个网络初始能量的增加。
四、研究挑战
通过对无线传感器网络能耗、无线传感器网络寿命延长的研究现状进行分析，发现尽管经过多年的研究，异构无线传感器网络的研究取得了一定进展，但由于异构网络相对复杂，且面临着具体应用场景多样性的问题，目前针对异构网络的研究依旧面临着重大挑战，许多关键技术还未成熟，存在一系列急需解决的问题。对相关研究挑战总结如下：
1）多级能量水平异构无线传感器网络能量使用效率不高。
典型的多级水平能量异构无线传感器网络中，路由选择算法的效率不高，需要制定高效的簇首选择算法、路由选择协议，从而提高网络能量的有效性，进一步延长传感器网络的寿命。
2）无线传感器网络中节点的能量消耗和通信距离有很大的关系。
由于能量消耗的计算与距离息息相关，当距离小于距离阈值、近距离传输时，能量消耗与距离的平方成正比；当距离大于距离阈值、远距离传输时，能量消耗与距离的四次方成正比。而传统的传感器网络节点分簇算法规定簇内成员只能和簇首进行通信，必将导致有些离簇首较远的节点通信时消耗较高的能量，因此需要均衡无线传感器网络节点能量，降低节点通信时消耗较的能量。
3）无线传感网络节点更换策略的计算复杂性很高。
智能算法已经广泛应用于各个领域。针对传统无限传感网络节点更换策略的计算复杂性很高的问题，需要选择合适的算法，提高传感器网络节点回收-更换策略的效率。
参考文献
[1] 徐平平，刘昊，褚宏云等.无线传感器网络[M].电子工业出版社，2013
[2] Tyagi S，Tanwar S，Gupta S K，et al.A lifetime extended multi-levels heterogeneous routing protocol for wireless sensor networks[J].Telecommunication Systems，2015，Vol.59（1）：43～62
[3] 孫利民，李建中，陈渝等.无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社，2005：7～8
（作者单位：浙江台州职业技术学院电信学院）