无线传感器网络的基本知识点

I无线传感器网络概述

一、无线传感器网络的概念

无线传感器网络的3个基本要素为传感器、感知对象和观察者。

无线网络是传感器之间、传感器与观察者之间的通信方式，用于在传感器与观察者之间建立通信路径；协作地感知、采集、处理、发布感知信息是无线传感器网络的基本功能。

一组功能有限的传感器协作地完成大的感知任务是无线传感器网络的重要特点。

传感器主要由感知单元、传输单元、存储单元和电源组成，完成感知对象的信息采集、存储和简单的计算后，传输给观察者以提供环境的决策依据。

观察者是无线传感器网络的用户，是感知信息的接收和应用者。观察者可以是人，也可以是计算机或其它设备。

感知对象是观察者感兴趣的监测目标，也是无线传感器网络的感知对象。

一个无线传感器网络可以感知网络分布区域内的多个对象，一个对象也可以被多个无线传感器网络所感知。

二、无线传感器网络的特点

（1）硬件资源有限

（2）电源容量有限

（3）无中心

（4）自组织

（5）多跳路由

（6）动态拓扑

（7）节点数量众多，分布密集

三、无线传感器网络的学术界研究进展

1、网络技术（不太懂）

2、通信协议

无线传感器网络协议要有不同于传统Ad Hoc和因特网通信协议的原因如下：

（1）传感器网络中的传感器节点数量远大于Ad Hoc网络中的节点数；

（2）感知节点出现故障的频率要大于Ad Hoc网络；

（3）感知节点要比因特网和Ad Hoc网络中的节点简单；

（4）感知节点的能量有限；

（5）因特网的数据报头对于传感器网络来说太长，例如，每个节点必须有一个永久的地址。

美国一些大学提出了有效的协议如下：

包括谈判类协议（如SPIN-PP协议、SPIN-EC协议、SPIN-BC协议、SPIN-RL协议）、定向发布类协议、能源敏感类协议、多路径类协议、传播路由类协议、介质存取控制类、基于Cluster的协议、以数据为

中心的路由算法。

3、感知数据查询处理技术

四、无线传感器网络的研究热点

1、MAC层协议

无线传感器网络的MAC层协议必须达到如下2目标。

（1）创建网络基础设施。由于数千个传感器节点密集分散在感知区域，MAC层协议必须为数据传输建立通信链路。

（2）在传感器节点间公平有效的共享通信资源。传统的无线MAC层协议或者没有考虑能源有效性，或者需要全局协调，因此，需要根据无线传感器网络的特点设计简单高效的MAC层协议。

2、路由

路由是无线传感器网络的一个核心问题。传统的无线Ad Hoc路由技术通常不符合无线传感器网络的需求，无线传感器网络的路由必须考虑能源有效性需求，以数据为中心，或者利用位置信息进行路由。在路由过程中同时需要考虑数据融合等操作。因此，无线传感器网络的路由协议既要有有效维持数据传输通路，又要减少网络中的通信量，还要具有一定的鲁棒性。

3、能源感知计算

如何有效节省能源是无线传感器网络的一个核心问题。能源节省涉及节点的能源管理、网络范围内能源优化以及自适应能源/精度计算。

在传感器节点上，需要实现计算、通信和存储相互协调的能源管理。在网络范围内，需要考虑通信的分布、拓扑管理、计算/通信的权衡以及如何减少通信的额外开销。同时，需要网络和应用相互配合，实施

自适应能源/精度计算，有效减少能源消耗。

4、自组织

无线传感器网络的自组织可以通过2种方式实现，或者以层次结构的方式进行管理，或者采用对等管理方案。层次结构管理方案涉及组的自动生成，可以按照固定大小生成组，或者按照环境和应用的相关属性生成组。在对等方式管理中，每个传感器节点地位相同，需要研究如何通过局部对等的交互完成全局目标。

5、时间和空间约束

无线传感器网络的物理耦合性，导致其必须使用物理时间对所感知的事件建立关联，而传感器节点又通常基于空间关系决定所要采取的动作。因此，无线传感器网络具有时间和空间的约束关系。

无线传感器网络的许多应用，如数据融合、信号处理，需要多个节点具有彼此同步的物理时钟。为了达到能源有效性，无线传感器网络的时钟同步应充分按照硬件特性，并考虑同步机制和同步方式。无线传感器网络不应持续同步，而应在需要时同步，同时为了消除网络延迟的影响，应在接收者之间进行同步。

位置是建立传感器节点空间关系的一种机制。在普及计算中，位置作为一种重要的上下文信息，得到深入研究。但其解决方法大多需要事先组织，不能适应无线传感器网络任意部署、规模大的特点。对于无线传感器网络而言，其位置系统必须具有良好的可扩展性、容错性和健壮性，并能够适应资源有限的约束。

6、编程模型

为了有效支持无线传感器网络的应用，还需考虑编程模型的问题。目前存在两种编程模型：分布数据库模型和分布虚拟机模型。分布数据库模型支持说明性语言，可使用扩展SQL语言编写应用，能够有效支持无线传感器网络数据查询操作，但对协同信号处理等应用支持不足。分布虚拟机模型支持传统过程式语言，提高高层指令，可有效减少代码的长度，并可实现自动代码划分、放置与迁移。除此之外，还可考虑如Tuple Spac 等模型，并考虑能否从并行计算中得到启发。

7、协同的信号处理

无线传感器网络的许多应用（如多目标跟踪、目标识别），需要多个传感器节点相互交换获取的多种数据协同处理才能完成。传统的信号处理方法主要研究在无限资源下如何优化估计。而对于能源有限和多种应用的无线传感器网络而言，仔细选择参与协作的节点，根据资源消耗或应用需要均衡信息分布，是至关重要的问题。特别由于网络密集分布特性，产生的信息高度冗余，而网络带宽又严重受限，高效的

数据融合算法将非常重要。

8、安全

无线传感器网络可能会遇到窃听、消息修改、消息注入、路由欺骗、拒绝服务、恶意代码等安全威胁。另外，在无线传感器网络中，安全的概念也发生了变化，通信安全是其中重要的一部分，隐私保护日渐重要，而授权重要性则降低。目前无线传感器网络的安全研究仅处于起步阶段，需依据无线传感器网络的特点，针对无线传感器网络的安全威胁，研究新型的安全协议和安全策略。

II 无线传感器网络体系结构

一、无线传感器网络节点构成

二、无线传感器网络生成过程

无线传感器网络的形成方式多种多样，它以实际需求为目的，按照合理的体系结构、通信协议进行快速组网。其生成过程归纳起来，主要有4步。

第1步，传感器节点通过人工、机械、飞行器空投等方法进行随机的撒播；

第2步，撒放后的传感器节点进入到自检和启动唤醒状态，每个传感器节点会发出信号监控并记录周围传感器节点的工作情况；

第3步，这些传感器节点会根据监控到周围传感器节点的情况，采用相关的组网算法，从而按预设方式或规律结合形成网络；

第4步，组成网络的传感器节点根据有效的路由算法选择合适的路径进行数据通信。

三、无线传感器网络结构形式

无线传感器网络系统一般包括传感器节点（Sensor Node）和汇聚节点（Sink Node）。节点的布置过程是通过人工、机械、飞行器空投等随机放置的方式完成的，密集地随机散落在被监测区域内。由于无线传感器网络工作区域的节点数量多、规模大，一般采取聚类分层的管理模式，下图给出了无线传感器网络结构的一般形式。

User

节点布置好以后，以自组织形式构成网络，通过多跳中继方式将监测数据传送到Sink节点，Sink节点也可以用同样的方式将信息发送给各节点。最终借助长距离或临时建立的Sink链路将整个区域内的数据传送到远程中心进行集中处理。Sink链路建立的方式有卫星链路、撒播节点区域上空的无人机等。

无线传感器网络根据需求和应用环境的不同，其体系结构将在一般形式基础上作相应的改进。下图描述的是无线传感器网络结构的一种应用形式。

四、无线传感器网络协议栈

1、协议栈概况

图无线传感器网络协议栈结构

（1）应用层

1）传感器管理协议（SMP）

系统管理员通过SMP和传感器网络进行通信。SMP要访问节点，

就必须运用基于定位寻址的方式。

2)任务分配和数据广告协议（TADAP）

从用户的角度，整个传感器网络看起来更像一个数据库，可以从里面查询需要的信息。如何按照一定的属性查询信息是个重要的课题，它包括查询数据的组成形式、查询数据的路由选择等，合理的选择查询属性和路由可以有效地节省能量。除了查询以外，另一个方向是有用数据的广播，如何使有用的信息快速准确的传播到需要使用这些信息的节点处，同时又不造成广播泛滥，节省宝贵的能量也是亟待解决的问题。

传感器网络的一个重要运行方式就是“感兴趣”分发机制。用户发送他们所感兴趣的内容给传感器节点、子集节点或整个传感器网络。用户所感兴趣的内容包括整个环境的某一特定属性或者某一触发事件。另外一种方法是节点把所获取的数据简要的，以广告的方式发送回用户，用户启用询问机制，选择他们所感兴趣的数据。应用层协议用软件的形式，以有效的界面为用户提供所感兴趣的消息，这对底层操作很有用处，例如路由。

3）传感器查询和数据分发协议（SQDDP）

SQDDP把查询结果通过界面的形式提供给用户。应注意的是，这些查询结果通常不只是某些特定节点发出的。而是基于某些属性或基于某些位置。例如，温度超过60℃的节点所在位置，就是基于属性进行寻址的查询。类似地，“获取区域A地温度”就是基于位置地查询。但是，对于每一个不同的传感器应用领域，SQDDP可能是唯一的。

（2）传输层

当传感器网络需要和Internet或其他外部网络连接的时候，传输层就尤其显得重要。然而，对于传感器网络传输层的研究不多。目前，基于传输窗口机制的TCP协议并不能完全和传感器网络相匹配。必须有一种方法使传感器网络能和别的网络相互联系。在这种方法中，TCP连接以Sink节点结尾，同时一种传输协议能够处理Sink节点和传感器节点的通信。这样，用户和Sink节点之间以UDP或TCP 的方式通过Internet或卫星来通信。另一方面，在Sink节点和传感器节点之间，纯粹通过UDP的方式来通信，这是因为每个传感器节点的存储能力有限。

这和TCP协议不一样，在传感器网络中的端到端通信方式没有基于全球地址的通信方式。这种方式必须考虑运用基于属性进行寻址命名的方式，显示数据包的目的。因此，就需要一种新的传输层协议。

研究传输层协议是一项具有挑战性的任务。尤其是硬件的限制，这包括能量和存储容量的限制。因此，传感器网络的节点不能像Internet网络服务那样存储大量的数据。因此，在Sink节点处必须分离端到端的通信方式，在传感器网络中采用UDP类型的协议，在Internet或卫星网络中采用传统的TCP/UDP协议。

（3）网络层

网络层主要研究传感器网络通信协议和各种传感器网络技术。

传感器通信网络协议第1方面的研究是通过分析模拟，研究现有通信协议的性能，确定各种现有协议对于传感器网络的可用性及其优缺点。

传感器通信网络协议第2方面的研究是以数据为中心的新的通信协议的研究，包括通用能源有效性路由算法、面向应用的能源有效性路由算法的研究、动态传感器网络的路径重构技术的研究。

除了上述2个方面的研究问题，网络层还有很多其他方面的研究问题，如可扩展的强壮传感器网络结构的研究、传感器节点的自适应控制技术的研究、资源受限的传感器网络设计策略和性能优化技术的研究、具有局部信息管理能力的能源极低的传感器节点的设计与管理技术的研究、感知数据处理策略的研究、异构传感器网络技术的研究、传感器网络的安全与认证机制的研究、嵌入与组合系统技术的研究、能源有效的介质存取、错误控制和流量管理技术的研究、移动传感器网络技术的研究、传感器网络的自扩展、自适应和自重构技术的研究、传感器网络中传感器节点协作和分组管理技术的研究、传感器网络中的时间同步技术的研究、数据分发、融合和信息处理技术的研究、仿真技术与仿真系统的研究等。

一个区域内的传感器节点的分布是不均匀的散落在各个位置。Ad Hoc路由技术以及已有的路由技术并不适合传感器网络的要求，Ad Hoc网络和传感器网络的不同之处：

(a)传感器网络中的感知节点的数量远远大于Ad Hoc网络；