D2D技术与无线传感器网络比较研究

引 言

随着科学技术的发展，越来越多的新兴技术不断涌现， 智能化时代的到来也要求智能终端与时俱进，D2D 技术和无线传感器网络都是当下的热门技术，它们既相似，又不同。作为智能化发展不可或缺的技术，详细分析其技术特点及未来的发展状态十分必要。

1 技术概述

1.1 WSN概述

WSN（WirelessSensorNetwork，WSN）是由大量静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络[1]，并最终将这些信息发送给网络所有者，具有大规模、自组织、动态性、可靠性高等优点，以数据为中心，具有密集的节点布置。WSN的体系结构如图 1所示。

从图 1 中可以看出，大量传感节点随机分布，通过自组织方式构建网络，协助形成感知现场。当传感节点检测到目标信号后，会做一些简单的处理，如将目标信号通过相邻近的传感节点多跳传输到观测节点。用户和远程任务管理单元通过外部网络与观测节点进行信息交换。

1.2 D2D技术概述

D2D（Device to Device）指设备到设备的通信 [2]，是一种在系统控制下，终端用户之间通过复用小区资源直接进行通信的技术。作为面向以 万物互联 为主题的 5G 关键候选技术[3,4]，它工作在授权频段，可以提升蜂窝通信系统频谱的利用率，D2D 通信模型如图 2 所示。

图 2 中左边两个小区的通信都是经过基站的传统通信形式，右侧小区中用户之间采用D2D 通信，阴影部分表示可能存在的干扰较大的区域。

2 技术比较

D2D 技术与WSN 大都应用于短距离通信，无需通过基站组建网络，且节点位置不固定，相对灵活，可根据需求进行移动等，但在相同之中也各有特点。

2.1 提出目的不同

WSN 起步于 20 世纪 90 年代，由美国军方提出，最初应用于军事部署，可通过布置大量节点采集周围环境信息，收集并处理这些信息。随着无线通信系统的不断演进，移动通信系统的频谱资源越来越紧张 [5,6]，已无法满足无线通信的发展需求，因此 D2D 技术应运而生。

2.2 节点所处环境不同

D2D 设备既可以是Human-to-Human 通信中的手机电话或其他设备，也可以是 Machine-to-Machine 通信中的机器设备，一般情况下与人处于同一环境，所在环境较安全稳定。而WSN 设备一般是具有数据采集处理并将数据融合经多跳路由传送到汇聚节点，最后经互联网或其他通信网络传送到观察者处等功能的传感器节点，适合分撒在环境条件恶劣或人类不适宜到达的地方。节点可能需在室外工作，不仅会遭受恶劣天气的影响，甚至会遭到人或动物的破坏。因此需要传感器节点具有坚固、不易被损坏等特点，能够适应各种环境。

2.3 主要工作频段不同

WSN 主要工作在ISM 频段（如 2.4 GHz 频段），该频段属于非授权频段，通信连接稳定性、可靠性不高。D2D 使用运营商的授权频段，干扰在一定范围内可以控制，数据传输也具有更高的可靠性。

2.4 组网方式不同

D2D 技术主要是在基站的指导下建立终端间的通信连接， 从而达到复用资源提高频谱利用率的目的，而 WSN 往往需基于节点所在位置信息和所处环境要求而采用不同的组网方式。

2.5 面临的安全威胁不同

D2D技术主要面临的安全威胁是在 D2D设备发现过程中，请求或响应消息被非法重放，在 D2D设备配置过程中，恶意冒充配置服务器进行错误匹配，修改删除配置数据， D2D设备通信过程遭攻击者窃听，伪造通信数据等。而 WSN 面临的安全威胁 [7] 在其四层架构上各有不同，物理层面临直接的袭击，如数据被窃取，硬件被修改等；链路层面临的威胁主要是动态主机配置协议（DynamicHostConfiguration Protocol，DHCP）服务器欺骗和DHCP地址耗尽等；网络层主要面临着路由欺骗信息、选择性转发、陷阱攻击等。当前， 蠕虫、间谍软件等使得应用层的应用更加危险。

2.6 与其他网络的结合

D2D 是通信网的补充，可以看作蜂窝网的拓展，即可与通信网结合的应用都可与D2D 结合。而 WSN 主要提供智慧感知能力，未来主要是为物联网提供感知服务。当然，WSN 也可作为独立的网络对环境进行监控。

3 应用前景比较

3.1 D2D技术应用分析

D2D 技术主要被应用在如下四个方面：

(1) 本地通信业务：用户的数据业务可以不经网络侧而直接在本地传输。如一些大型音乐会的视频服务 [8]，商场大型促销活动等。这种方式比通过小区基站提供服务要更加便捷，同时还减少了小区基站的负载。

(2) 应急通信：当一些自然灾害发生并破坏了传统的通信网络时，可以引入 D2D技术，使得此时的终端仍能进行， 保障灾害现场可正常通信，为灾后救援提供帮助。

(3) 物联网增强 ：随着具有物联网特征的智能终端的大量接入，D2D技术与物联网技术的结合十分必要。最能体现这一点的应用就是车联网中的V2V（Vehicle-to-Vehicle）[9]通信，如车辆在行驶过程中，可以通过 D2D 发现技术及时发现和识别专用车辆，并为它们让出通道，避免浪费救援时间。车辆在高速行驶过程中，若想要减速或变道，可通过 D2D 通信发出预警，同时接收其他车辆发出的预警，提前准备，降低交通事故的发生率。

(4) 复用蜂窝通信资源：这是 D2D技术发展的一大原因， 其目的在于提高频谱利用率，减少基站负载。

3.2 WSN应用分析

WSN 主要被应用在如下六个方面：

军事应用：实现战区监控，敌方军力侦察，目标追踪， 战争损伤评估等。

生态环境监测：WSN可以广泛应用于生态环境监测领域，如森林火灾监测[10]、洪水监测等。

工业应用：在工业安全方面，传感器网络技术常被用于危险的工作环境，例如，监控矿井工作环境 [11]，确保工作人员的安全等。

医疗应用：近几年，WSN在医疗系统和健康护理等方面已有非常多的应用。一些生理指标的远程监控都可以通过WSN来实现。

智能家居：WSN在家居自动化和智能化的发展中起到了重要作用。

商务应用：大厦环境监控、交通监控与车辆跟踪、足球裁判辅助系统等都使用了无线传感网络。

3.3 D2D技术与WSN应用前景比较

从以上分析中可以看出，D2D 技术和 WSN 在应用方面最大的相似点在于与物联网技术的结合。WSN 作为物联网的一项关键技术 [12]，推动着物联网不断发展，不断向智能化靠近， D2D 技术用于物联网的增强，与物联网技术结合后，对物联网的发展起辅助作用。

从它们各自的应用场景和领域来看，D2D 技术主要顺应了 5G 的发展，侧重于解决无线资源极度短缺的问题；WSN 现今发展较成熟，可应用在各领域，但通过技术对比可以清楚地看出，由于技术的区别，其所应用的场景和领域亦有不同。

4 结 语

通过近几年的研究，人们对WSN 特点的认识已经越来越清晰，无线传感器网络也被成功应用，但从当前来看，全球范围内的传感网还比较分散，而且都是局部的专属应用，离 感知一切，充满智慧 的物联网还有一定距离，很多瓶颈尚待突破。随着万物互联的 5G 时代到来，D2D 技术还未完全成熟， 仍有很大的发展空间，其虽可复用蜂窝资源，解决资源短缺等问题，但也在此过程中带来了新的干扰，而如何抑制干扰也成了需要研究和解决的问题 [13]。

WSN 技术与 D2D 通信技术均适用于短距离通信，也各 有特点，在未来的发展中，可以考虑将 WSN 网络与 D2D 设 备相结合，互补利用，充分发挥各自的优点，产生巨大的效益。