无线传感器网络物理层设计
基于物理层安全的无线传感器网络设计
基于物理层安全的无线传感器网络设计随着物联网和无线传感器网络的快速发展，数据的安全性成为一个日益重要的问题。
无线传感器网络由许多分布在环境中的传感器节点组成，用于采集和传输环境数据。
然而，传感器网络的开放性和易受攻击的特点使得数据的安全性面临着许多挑战。
因此，基于物理层安全的无线传感器网络设计成为一种有效的解决方案。
1. 无线传感器网络的安全挑战在无线传感器网络中，传感器节点之间的通信是通过无线信号来进行的。
这使得传感器网络容易受到各种攻击，例如窃听、干扰、虚假节点注入等。
攻击者可以窃听传感器节点之间的通信，获取敏感信息。
同时，攻击者还可以通过干扰无线信号，阻止节点之间的正常通信。
此外，攻击者还可以通过虚假节点注入，向网络中添加恶意节点，进行数据篡改或拒绝服务攻击。
2. 物理层安全的概念物理层安全是一种利用通信中的物理特性来保护网络通信的方法。
它主要通过加密、鉴别和隐藏等手段来保护通信数据的安全。
与传统的网络安全方法相比，物理层安全更加难以攻破，因为攻击者需要对无线信号进行实时监测和分析，并且在信号传输过程中干扰信号，以获取有用的信息。
3. 基于物理层安全的无线传感器网络设计原则基于物理层安全的无线传感器网络设计需要考虑以下几个原则：(1) 加密与解密：传感器节点之间的通信需要使用加密算法来对数据进行加密，以保证只有合法的节点能够解密获得数据。
同时，解密需要使用相应的密钥，确保只有具有权限的节点才能解密数据。
(2) 鉴别与身份验证：传感器节点之间的通信需要进行身份验证，确保通信的合法性。
鉴别可以采用数字证书等方式，确保节点的身份是可信的。
(3) 隐藏与掩盖：在传感器网络中，节点的位置信息是非常敏感的数据，攻击者可以通过监测节点的位置信息对网络进行攻击。
因此，隐藏节点的位置信息是非常重要的。
(4) 鲁棒性与容错性：由于实际环境中存在多种干扰和阻塞的情况，无线传感器网络必须具备较高的抗干扰性和容错性。
基于TinyOS的传感器网络节点物理层的设计与实现
７ ０
传感器与微 系统 （ｒ ｓ ｃｒ ｄＭｃ ｓｓ ｍＴ ｈｏ ｇ ｓ Ｔａ ｄ ｅ ａ ｉｏｙｅ ｅ ｎｌ ｉ ） ｎｕ ｎ ｒ ｔ ｏｅ
２０ 年 第 ２ 卷 第 ５ ０７ ６ 期
基 于 Ｔｎ ＯＳ的传 感 器 网络 节 点 物 理 层 的 设 计 与 实现 ｉｙ
近年来 ， 网络 传输技 术与传感 器技 术等相 关学 科 随着
的发展 。 无线 传 感器 网络 （ ｒｌ ｓｓｎｏ ｅ ｏ ｓ ＷＳ ｓ ｉ ｓｅ ｗｅ ｅ ｓｒ ｔ ｒ ， Ｎ ） ｎ ｗｋ
１ １ 物理 层 的 功 能 需求描 述 ． 当上层有 分组 要发送时 ， 首先 ， 需要侦 听无线信道 的忙 闲状况 ， 以避免分组在无 线信 道发送 过程 中的 冲突 ， 而， 因 物理层需要为 上层 提供载波侦听 的功能 。 当检 测到信道 为 闲时 。 上层 调用物理 层发送命 令并将
ｉｄｃ ｔ。ｈｓｍｅｈ ｒｓｎｓ Ｄ ｄｐ ｒｏｍａ ｃ ｄ ｍｅ ｔ ｅｒｑ ｉ ｍｅ ｔ ｆｒＷ Ｓ ． ｎ ｉａｅ ｔｉ ｔｏ ｐｅ ｅ ｔ ０ ｅｆｒ ｎ ｅａ ｅ ｓ ｔ ｅ ｕｒ ｎｓ ｏ Ｎｓ ｄ ｎ ｈ ｅ
Ｋｅ ｏ ｄ ：ｗｒｌ ｓ ｎｏ ｅ ｏ ｓ ＷＳ ｓ ； ｉｙ Ｓｏｅａｉ ｇｓｓ ｍ；ｐｙｉ ｌａｅ ｙｗ ｒｓ ｉ ｅ ￥ｒ ｔ ｒ （ Ｎ ） Ｔｎ Ｏ ｐｒｔ ｎ ｙｔ ｅｓｓ ｅ ｎ ｗｋ ｏ ｅ ｈｓ ａ ｌ ｒ ｃ ｙ ０ 引 育 １ 物理层基本功能
庞 琳 ， 晓梅 ， 王 于宏毅
（ 解放军信息工程大学 ． 河南 郑州 ４ ０ ０ ） ５０ ２
摘 要： 无线传感 器网络是一种全新的信息获取和处理技术 。基于低功耗 、 短距离 、 Ｆ Ｒ 收发 芯片 Ｔ ３０ Ｒ ００ 设计 的无线通信硬件平 台上 ， 设计并实现 了基 于 ＴｎＯ ｉ Ｓ的 ＷＳ ｓ ｙ Ｎ 节点 物理层 ， 提供 了无 线分组 收发 、 载波 侦听 以及休眠 与唤醒 的功能。测试结 果表明 ： 该方案具有 较低的传输误码率 完全满足 了设计需求 。
无线传感器网络体系结构
Internet、卫星或移动 通信网络等
任务管理中心
汇聚节点
监测区域 传感器节点
无线传感器网络物理体系结构
传感器节点包括 （1）数据采集模块 （2）处理控制模块 （3）无线通信模块 （4）能量供应模块
Internet、卫星或移动 通信网络等
任务管理中心
汇聚节点
监测区域 传感器节点
无线传感器网络物理体系结构
外部网络 （UAV、卫星通信
网、互联网等）
观测节点
目标
远程任务管理
用户
数据传输或 信令交换
传感器节点
感知现场
体系结构概述
观测节点（汇聚节点）的各方面能力相对于上述节点群而言相对比较强，具有双重 身份。它连接传感器网络、Internet等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转 换。同时发布管理点的监测任务，并把收集的数据转发到外部网络上。通常假设观 测节点能力较强，资源充分或可补充。观测节点有被动触发和主动查询两种工作模 式，前者被动地由传感节点发出的感兴趣事件或消息触发，后者则周期扫描网络和 查询传感节点，较常用。
的目标信息。
外部网络 （UAV、卫星通信
网、互联网等）
观测节点
目标
远程任务管理
用户
数据传输或 信令交换
传感器节点
感知现场
体系结构概述
传感器节点具有原始数据采集、本地信息处理、无线数据传输及与其它 节点协同工作的能力，这些节点群随机部署在监测区域 内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。
外部网络 （UAV、卫星通信
应用层
表示层
会话层
OSI参考模型
传输层 网络层
数据链路层
物理层
开放式系统互联（OSI）协议参考模型
《无线传感器网络与物联网通信技术》教学课件 第2章 无线传感器网络体系结构 2.5 传输层
2.5 传输层 2.5.1 传输层简介
目前，无线传感器网络传输层协议主要在能耗控制、拥塞控制和可靠性保证3个 方向开展研究与设计工作。其中，能耗控制协议又与拥塞控制协议、可靠性保证协 议紧密联系。
① 能耗控制方面。无线传感器网络的节点能量有限，网络的运行以节能控制为 首要考虑因素。
② 拥塞控制方面。在无线传感器网络中，事件发生区域中的节点监测到相关信 息后传输至汇聚节点，由于网络的分布特征，可能存在多个节点感知信息，都发往 一个汇聚节点，即形成“多对一”的传输模式。
无线传感器网络自身存在资源受限等特性，使得传统的TCP/IP协议不能直接应用 于无线传感器网络，而应根据无线传感器网络的具体应用需求、网络自身的特性与条 件来设计相应的协议，主要体现在以下几个方面。
① 无线传感器网络中节点的能量是有限的，过多的能耗会影响网络的生命周期。
② 无线传感器网络一般使用的是分布式、密集型的覆盖方式，无线传感器网络以 数据为中心，为减少数据量，节点具备一定的数据处理能力。
③ 无线传感器网络存在不稳定情况，网络拓扑结构的变化会影响TCP/IP协议的握 手机制。
④ 在无线传感器网络中，虽然传输层协议具备拥塞控制的能力，但通信质量、拓 扑结构变化等非拥塞情况也会造成丢包现象。
⑤ 无线传感器网络在大规模应用中，节点需要处理好自身与邻居节点之间的通信 即可。
无线传感器网络与物联网通信技术
针对不同的传输层协议设计与网络应用需求，一些简单的拥塞控制处理方式分为拥 塞信息反馈机制和传输路由切换机制。其中，拥塞信息反馈机制是接收节点检测到拥塞 之后，向它的发送节点发送一个包含拥塞控制信息的数据包，告知发送节点减缓甚至停 止发送数据包；传输路由切换机制是当前节点检测到拥塞之后，重新选择一条优化的路 径来传输数据，从而减少了当前节点的数据流，待拥塞缓解或消除之后，可再恢复先前 路径来继续传输数据。
第二章WSN物理层技术2011
29
无线传感网
几种调制技术性能比较
分类 成本 功耗 低传输范围和低速率 抗干扰能力 抗背景噪声能力 同步难易度 频谱利用率 多播能力 窄带 3 2 3 1 2 3 2 1 UWB 4 5 5 5 5 2 1 3 扩频 3 4 4 4 2 2 5 4
30
无线传感网
2.5 无线传感器网络物理层设计
发射模式消耗电流 /mA
接收模式消耗电流 /mA 传输速率/(b/s) 发射功率/dBm 接收机灵敏度/dBm
50
12 3.8（115.2kb/s） 1.8(2.4kb/s) OOK 30k ASK 115.2k 0 -97(115.2kb/s)
16.5(在868MHz， 0dBm)
9.6(868MHz) 最高可达76.8k -20~10 -110(2.4kBaud)
UWB信号带宽应大于500 MHz或相对带宽大于 0.2。相对带宽定义为
fH fL f c 2 fH fL
信号带宽与中心频率比在0.01~0.2时称为宽带， 小于0.01时称为窄带。 UWB无线通信的频率范围是3.1~10.6GHz。
23
无线传感网
UWB技术的优点
(1)不需要正弦波调制和上、下变频，也不需要 本地振荡器、功放和混频器等，因此体积相对 较小，系统结构也相对简单得多。而且，由于 UWB对信号的处理只需使用很少的射频或微波 器件，因而射频前端也比较简单，系统频率的 自适应能力强。另外，只要能将脉冲发射机和 接收机前端集成到一个芯片上，再加上时间基 和控制器，就可以构成一部UWB通信设备，因 此它的成本可以大大降低。
Pt 2 ( W / m ) 2 4d
7
无线传感器网络的设计和优化
无线传感器网络的设计和优化一、引言近年来，随着科技的不断发展和进步，无线传感器网络技术得到了广泛的应用。
无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是一种新型的无线网络，是由一系列无线传感器节点通过无线信道相互通信形成的网络。
无线传感器网络具有节点稀疏、能量受限、通信链路容易断裂、网络规模大等特点。
二、无线传感器网络的设计无线传感器网络的设计分为物理层、网络层、传输层和应用层四个层次。
1.物理层设计物理层是无线传感器网络最底层的层次，包括无线信道的调制解调和信号处理等方面。
物理层设计应满足传感器节点的能量消耗尽可能小。
2.网络层设计网络层控制网络中不同传感器节点之间的通信，负责节点寻址、路由选择和传输控制等任务。
网络层设计应该能够在节点稀疏的情况下保证节点间的通信质量。
3.传输层设计传输层主要负责数据传输和数据的可靠性保障。
传输层设计应考虑节点能量和通信链路容易断裂的问题。
4.应用层设计应用层将网络层和传输层提供的数据呈现在用户面前，对应用的分类和管理应根据应用的特点选取最佳的传输协议和网络状态。
三、无线传感器网络的优化无线传感器网络优化的主要目标是延长网络寿命和提高网络的稳定性和可靠性。
1.能量管理由于节点的能量具有限制性，因此网络的能耗管理尤其重要。
优化措施包括：降低传输功率和采用最短路线策略减少数据传输的过程，通过数据压缩和降低解释错误率来减少数据的冗余性。
2.路由优化路由选择对于网络的稳定性和可靠性和传输效率有着决定性的影响。
路由优化的目标是选择最短路线尽快的传输数据以保证通信的有效性，同时避免节点过分重叠以减少能耗。
3.传输优化传输优化是一种有效的减少能耗的方法，可以利用无线传感器网络在数据存储传输中的特性来实现。
例如，在时间和空间上的数据压缩和丢包恢复等措施。
四、总结无线传感器网络是一种新型的无线网络应用，拥有节点稀疏、通信链路容易断裂等问题。
无线传感器网络的设计应从物理层、网络层、传输层和应用层四个层面来考虑，同时优化无线传感器网络的目标是延长网络寿命和提高网络的稳定性和可靠性。
无线传感器网络协议体系结构
无线传感器网络协议体系结构
无线传感器网络的通信协议为五层结构：物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层。
其中通信部分位于数据链路层和物理层，采用的标准是IEEE 802.15.4。
通信部分采用的通信技术可以是有线、无线、红外等，其中无线技术可以是ZigBee、蓝牙、超带宽（UWB）等。
组网技术主要在传输层和网络层。
支撑技术主要在应用层实现，包括时间同步技术、定位技术、数据融合技术、能量管理和安全机制等，主要作用是保证用户功能的正常运行。
物理层作用是为终端设备提供数据传输的通路。
主要任务是信号的调制、数据收发速率、通信频段的选择以及传输介质的选取。
数据链路层作用是建立可靠的点到点、点到多点的通信链路，保证源节点发出的信息可以正确的传输到目标节点。
主要任务是数据成帧、帧检测、介质访问、差错控制和功率控制。
网络层作用是将数据由传感器节点可靠的传输到汇聚节
点。
主要任务是路由的发现和维护，确保终端的连通/无连通情况，路由的可达性以及寻找传感器节点和汇聚节点之间最优路径（能量消耗最小、延时最小）。
传输层作用是进行数据流的传输控制进而保证网络通信质量
应用层要为传感器网络应用提供时间同步服务、节点定位机制、节点管理协议、任务协议和数据广播管理协议。
物联网中的无线传感器网络设计与优化研究
物联网中的无线传感器网络设计与优化研究随着物联网技术的快速发展，无线传感器网络（WSN）作为支撑物联网的基础设施之一，正成为越来越重要的研究领域。
无线传感器网络的设计和优化对于物联网系统的可靠性、能耗、安全性等方面具有重要影响。
本文将对物联网中的无线传感器网络设计与优化进行研究。
首先，无线传感器网络设计的关键问题之一是拓扑结构的选择。
WSN的拓扑结构决定了节点之间的通信方式和路径，直接影响到网络的传输效率和能耗。
常见的拓扑结构包括星型、树形、网状等。
星型拓扑结构具有简单、易于维护和扩展等优点，适用于小范围的应用环境。
然而，对于大规模的传感器网络，树形或网状拓扑结构更具优势。
因此，在无线传感器网络的设计中，需要根据实际应用场景和需求选择合适的拓扑结构，以实现网络的高效通信和能耗控制。
其次，对传感器节点的部署和定位也是无线传感器网络设计的重要问题。
合理的节点部署和定位能够实现节点之间的充分覆盖和节点通信质量的保证。
传感器节点的密度和定位策略应根据具体应用领域和需求进行优化。
例如，在农业领域，需要对农田进行均匀覆盖和监测，可以采用网状拓扑结构和均匀分布的节点。
而在工业领域，需要对设备进行实时监测和故障诊断，可以采用树形拓扑结构和聚集部署的节点。
因此，在设计无线传感器网络时，需要综合考虑应用需求、通信质量和能耗等因素，优化节点的部署和定位策略。
另外，对无线传感器网络中的能耗进行优化也是一项重要的研究课题。
传感器节点往往处于分布式环境中且能源有限，因此如何降低节点的能耗以延长网络寿命是无线传感器网络设计中的关键问题。
一种常见的能耗优化方法是节点的休眠和唤醒机制。
节点在非活跃状态下降低能耗，只在特定事件发生或指定时间间隔后唤醒进行数据采集和通信。
此外，节点间的协同处理和数据压缩也能减少通信开销和能耗。
通过合理设计能耗优化策略，可以提高无线传感器网络的能效和寿命。
此外，无线传感器网络的安全性也是设计与优化的重要方面。
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第三章
物理层：在物理传输介质之间为比特流传输所需 物理连接的建立，维护和释放提供机械的、电气的、 功能的和规程性的手段。
机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目 和排列、固定和锁定装置等。这很像平时常见的各种规格的 电源插头的尺寸都有严格的规定。
电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围
移动通信中，电波主要以空间波的形式传播。
（3）天波—电离层波
发射天线发出的电磁波，在高空被电离层反射 回来到达接收点的传播方式。 电离层是指分布在地球周围的大气层中，60km 以上的电离区域。
（4）散射波 利用大气层中对流层和电离层的不均匀性来 散射传播的电波，使电波到达视线以外的地方。 对流层在地球上方约16公里处，反射指数随 着高度的增加而减小。
表面波、天波、自由空间波、散射波和外层空 间波等5种传播方式。 （1）表面波（地波）：电波沿着地球表面到达 接收点的传播方式，波长与障碍物高度相当时， 产生绕射。
5种电磁波传播方式
①地波 ②空间波
③散射波
④电离层波
⑤外层空间波
2）空间波
直接波—电磁波从发射天线直接传播到接收天 线
反射波—经地面反射而到达接收天线 传播的距离受到地球曲率的影响，最大距离被 限制在视线范围内，增加天线高度。
内容提要 1.1.概述 1.2.无线通信的特点 1.3.无线通信的能耗 1.4.小结 1.5.主要参考文献
无线通信的特点
无线信道的特性
接收信号功率与距离的关系分析
接收信号强度分类
几点结论
一些问题的探讨
无线信道的特性
作为一种信息获取为目的无线通信网络，无线传感器网络性能 在很大程度上受到无线信道特性的制约。由于无线传感器网络有非 常广阔的应用前景，其信号传播路径也非常复杂，从简单的视线传 播，到包括建筑、山脉等各种各样障碍物阻挡传播等。因此，其信 道特性比较复杂且具有一定的随机性。主要有以下几个特点：
2 电磁波
1.电磁波频谱
根据波长不同形成无线通信的多种类型
频率和波长的关系：波长=光速/频率 中波：沿地面传播，绕射能力强，广播和海上通信。 短波：较强的电离层反射能力，环球通信。 超短波和微波（频率高于300MHz）：绕射能力差，视距 或超视距中继通信
频段分配表
名称 符号 波段 波长 频率 传播 特性 主要 用途 甚低频 VLF 超长波 1000-100KM （3-30）kHz 空间波为主 海岸潜艇通信； 远距离通信；超 远距离导航 低频 LF 长波 10-1KM (30300)kHz 地波为主 越洋通信 ；中距离 通信；地 下岩层通 信；远距 离导航 中频 MF 中波 1KM100M (0.33)MHz 地波与天 波 船用通信 ；业余无 线电通信 ；移动通 信；中距 离导航 高频 HF 短波 100-10M (330)MHz 天波与地 波 远距离短 波通信； 国际定点 通信 甚高频 VHF 米波 10-1M (30300)MHz 空间波 电离层散 射，流星 余迹通信 ；人造电 离层通信 ；对空间 飞行体通 信；移动 通信 超高频 UHF 分米波 1-0.1M (0.33)GHz 空间波 小容量微 波中继通 信，对流 层散射通 信；中容 量微波通 信 特高频 SHF 厘米波 10-1CM (330)GHz 空间波 大容量微 波中继通 信；大容 量微波中 继通信； 数字通信 ；卫星通 信；国际 海事卫星 极高频 EHF 毫米波 10-1MM (30-300)GHz 空间波 再入大气层时的 通信；波导通信
无线通信系统使用的频段一般都必须要获得相应的无 线电管理委员会授权，但是，只有ISM波段—工业、科学 和医学频段例外。目前已报道的单信道无线传感器网络节 点基本都采用ISM波段。主要是因为ISM波段属自由频段， 无须注册，但是也存在功率的限制、相互干扰严重等。
无线网络传感节点的硬件限制以及无线效率和功率消 耗之间的权衡，使得无线传感器网载波频率难以选择超高 频率段。欧洲人使用的433 （433~436） MHz ISM中心 频率，在美国使用915 （902~928） MHz ISM中心频段。
概述
本章节研究无线传感器网络中无线通信的特点， 研究内容主要包括无线通信基本特性及无线传感通 信能耗特性两部分。利用无线通信传输信息是无线 传感器网络的基本特征，无线传感器网络的上层通 信协议设计往往对底层无线通信（物理层）做了许 多隐含的假设，这些假设都是对实际环境的一种近 似简化，本章节的目的在于提供面向上层协议研究 的无线通信基本特点、相关假设及这些假设存在的 问题，仅希望为上层协议设计提供一定帮助。
（1）信道环境的复杂性
（2）信道环境的随机性
（3）信道环境的时变性
1 无线传输媒体
传输媒体指的是数据传输系统中发送器和接收器之 间的物理路径。可以分为导向的（guided）和非导向性 （unguided ）。对导向媒体而言，电磁波被引导沿某 一固定媒体前进，例如双绞线、同轴电缆和光纤。非导 向的媒体如大气层和外层空间，他们提供了传输电磁波 信号的手段，但不引导他们传播，这种传播形式通常称 为无线传播。 无线通信介质为电磁波，传播速度等于光速。可按频 率或波长来分类和命名并具有不同的传输特性。
ISM波段说明
频率 说明
13.553-13.567MHz
26.957-27.283MHz 40.66-40.70MHz
433-464MHz
902-928MHz 2.4-2.5GHz 5.725-5.875GHz
欧洲标准
美国标准 全球N/WLAN 全球WPAN/WLAN
24-24.25GHz
3 传播方式
功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种 意义。 规程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。
第三章
主要功能有： 为数据终端设备提供传送数据的通路，数据通路 可以是一个物理媒体,也可以是多个物理媒体连接 而成。 传输数据
其他管理 如信道状态的评估、能量检测等.
内容提要 1.1.概述 1.2.无线通信的特点 1.3.无线通信的能耗 1.4.小结 1.5.主要参考文献