传感器网络综述

传感器网络综述摘要: 传感器网络是基于无线通信,数字电子学,微机电系统等的综合技术.本文首先介绍传感网络的概念,特点和技术要求,讨论某些关键技术,包括硬件,通信结构等,此后对其进行分类,最后列出应用和系统.关键词：传感器网络1 引言现代的技术进展已经创造出低价格,低功率,多功能微型传感设备,可以组成分布于广大区域,包括上千个传感器的网络.经过对数据的收集,处理,分析,传感器网络可以在任何时间,任何地点获取信息,从而成为智能化环境的一部分.在广泛的应用领域,传感器网络革新了传感功能.这是因为其可靠性,精确性,灵活性,性价比,以及便于使用. 智能传感器检测和收集的数据,可能涉及机器故障,地震,洪水,以及恐怖袭击的征兆.传感器网络的功能有:收集信息,处理信息,监控环境,可以用于军事或民用.构成传感器网络的传感器节点的硬件结构包括5部分:传感器,处理器,存储器,电源,和收发器.它们感觉,计算,影响现实环境,工作过程无需人工干预,可以自组织形成具有自治功能的网络,适应各类应用.下面介绍一些术语.：(1.) 传感器(sensor):传感器网络中的一个节点.它是实现对于环境现象的物理传感,并经过无线通信报告测量值的装置.它一般包括5部分:传感器件,存储器,电池,嵌入式处理器,收发器.(2.) 观察器(observer):即终端用户.它经过传感器网络传播得到环境现象信息,对网络提出查询,接受对查询的回答.网络中可能存在多观察器.(3.) 现象(phenomenon):被观察的对象,传感器网络对其物理参数进行测量,传输,并可能对产生的信号进行分析或滤波.2 传感器网络的特点和设计要求2.1 传感器网络的特点传感器网络由大量分布的传感器节点组成.节点装有嵌入式传感器,彼此间互相合作,其位置不必预先确定,协议和算法支持自组织.传感器网络与一般移动网络的区别如下.1. 传感器网络节点数比一般移动网络大几个数量级.如此巨大的数量,使传感器网络可以比单个传感器更详尽,精确地报告运动物体的速度,方向,大小等属性.2. 传感器网络节点通常密集分布.密集的基础设施使传感器网络更加有效,可以提供更高的精度,具有更大的可用能量.但是如果组织不当,密集的传感器网络可能导致大量冲突和网络拥塞,这会增加延迟,降低能量效率,造成数据过度采集.3. 传感器网络易出故障.需要安排冗余节点提高可靠性,或者随时加入新节点代替故障节点,保证传感器网络持续精确地工作.4. 传感器网络在能量,计算量和存储量方面比一般移动网络所受限制要大得多,很多节点的电源不能更换或充电,于是电源寿命就决定节点寿命.5. 传感器网络拓扑经常变化.有故障和断电的节点失效,加入新节点,节点的移动,都会改变网络拓扑.由于许多节点无法更换和修理,网络就必须能够自组织和自节构,以保持持续工作以及动态响应变化的网络环境.6. 传感器网络通信的主要方式是广播而不是点对点通信.7. 为了减少开销,传感器网络没有全局标识码ID.8. 节点往往是移动的.这与一般移动网络相同.9. 传感器网络经常需要决定采用局部处理还是综合处理,以减少数据的冗余传输;还要使某些传感器节点,具有簇领导的功能,可以通过某些计算(如均值,求和,求极值等)进行数据融合,然后广播综合的新信息,以减少网络拥塞.10. 传感器网络具有查询能力.传感器网络中有数据中心的和地址中心两类编址.数据中心编址,查询送到网络的特定区域,地址中心编址,查询送到单个节点.2.2 传感器网络的设计要求.1. 容错(Fault tolerance)传感器网络的节点难免出故障或电池耗尽,然而单个节点的问题不能影响全局,即要有容错能力.网络的可靠性或容错能力,在战场环境下,容错能力尤为重要,因为传感器容易被破坏,而获取数据的能力又要求非常可靠.2. 可扩展性(Scalability)传感器网络的节点数量多,密度大.密度为.其中N是区域A的节点数,R是发射半径.例如,机器诊断中密度约5×5平方米300个节点;车辆跟踪中每个区域10个节点;住宅监测中每个区域25到100个节点;人体监测用几百个节点.3. 延迟(Latence)观察器应该在给定延迟内得到现象信息.延迟的精确含义与应用有关.4. 精度(Accuracy)得到精确的信息是观察器的基本目标,精度要求是由应用确定的.实际应用中必须在精度,延迟,能量效率之间做出折衷.网络结构应该具有自适应能力,使得应用可以最小能量消耗得到要求的精度和延迟.5. 成本(Production costs)单个传感器的价格必须很低，还要考虑定位,移动,电源等部件.6. 硬件限制(Hardware constraints)传感器节点有4部分:传感器(感应器件和模数转换器),处理器(处理器和存储器),收发器,电源.还可能有定位和移动部件. 硬件要求:体积小于1立方厘米,重量轻,耗能少,密度高,价格低,自动操作,适应环境,最好能从环境得到能量,如太阳能.已有的产品,7. 网络拓扑(Sensor network topology)传感器网络包含大量节点,节点密度可达每立方米20个.多数节点无法维修,这就对网络的拓扑维护提出了挑战.拓扑维护有三个阶段. 布署阶段.传感节点可以成批投入或一一投入.可以由飞机,火箭,弹射器投放(战场,危险环境);在工厂安放(在产品上)及由人工安放(在现场).初始应用的方式应该做到:尽量降低安装代价;不需预先组合和规划;充分考虑布局灵活性满足能自组织和容错的要求. 运行阶段.投入运行后,传感器网络的拓扑会适应节点的位置,可达性(因阻塞,噪声,障碍),能源,故障,任务细节变化而变化. 重用阶段.当相当数量的节点失效时,可增加新节点替代故障节点,重组网络.对于有大量节点和严格能量限制的传感器网络,为了拓扑变化,需要特殊的路由协议.8. 环境(Environment)传感节点密集分布,彼此接近,有时部署在观察对象内部.工作场合可以为:路口(噪声),发动器内部(极热),北极(极冷),海底(高压),龙卷风场内部,生成龙卷风的海面,生物或化学污染区,敌方战区(危险),家庭或建筑内,大仓库内,动物身上,车辆上,水流中等.9. 传输介质(Transmission media)无线传输的介质有无线电,红外和光.传感网络的使用条件使得介质选择很困难.如:海洋应用需要信号在水中传输,而只有长波无线电可以穿透水面;在战场应用环境下通常有很大的电磁干扰,而为了隐蔽天线高度和发射功率都受到很大限制,因此误码率会增加.如此等等,不一而足.10. 能量消耗(Power consumption )如果传感器节点是由电池供电的,网络协议必须是节能导向的,以尽可能延长系统寿命.系统寿命既可以用普通参数,如节点死亡时间之半衡量,也可以用面向应用的准则,例如在网络停止工作时提供的信息衡量. 传感节点的电源有限,通常小于0.5 安培小时(Ah),而且很多情况下不能充电或更换电池,因此节点寿命往往取决于电池寿命.节点是数据源,也是路由器.几个节点的故障就可能改变网络拓扑,要求重新路由和进行网络重组,所以网络协议和路由算法必须充分考虑电源的保持和管理.而在其它移动网络中,由于电源可更换,电源效率不那么关键,网络协议更侧重服务质量. 节点的功耗分三部分:传感,计算,通信.传感功率与应用要求有关,零星传感比固定监测省电,复杂的任务会加大能耗;通信能耗则会因噪声而增加.在三部分中通信能耗往往远远大于其余两部分.3 传感器网络的关键技术传感器网络的关键技术首先是功能部件,包括处理单元,电源,通信单元.其次是重要问题的解决方案,包括能源及其管理,定位,仿真技术等3.1 处理单元处理单元技术可以有三种选择:微控制器,微处理器,FPGA.FPGA有一定的缺点:功耗较大;此外FPGA没有C编译. 微控制器不仅有存储和处理,还有永久存储和接口,3.2 电源传感器节点可能从环境取得能量,如光,震动,电磁波.电池分为可充电的和不可充电的.按电化材料分,有NiCd(镍铬),NiZn(镍锌),AgZn(银锌), NiMh(镍氢),Lithium-Ion(锂离子).不可充电电池的能量密度大.可充电电池中,锂电池好,但价格高.脉冲充电时,锂电池差,镍铬电池好.镍氢电池对环境最好,能量密度仅次于锂电池, 且可任意充电无记忆效果,但需要过充过放保护.3.3 通信单元常用的有三种信道:1. 光通信优点:花费能量少,安全,无需天线.缺点:节点间必须满足视线无遮挡,对空气条件敏感,通信必须定向.智能微尘(Smart Dust)即采用光作为通信介质,2. 红外通信红外通信优点是:无需天线,无须申请频谱,不受电器设备干扰.红外收发器简单,便宜.PDA和无线电话提供红外通信接口.缺点是要求发射器和接收器间视线无遮挡,传输必须定向,传输距离短.3. 无线电通信无线电传输可以用ISM(工业,科学,医学)频带,其中某些部分已经用于无绳电话和无限局域网(WLAN).由于传感网络对尺寸,价格,功耗的限制,以及天线效率和功耗的折衷,使得频率只能选择在超高频(UHF)频段.在欧洲推荐用433 MHz ISM频带,在北美推荐用915 MHz ISM频带.ISM频带使用自由,频带宽,便于实现节能.很多传感网络硬件基于RF(无线电频率)电路.无线电通信的优点为,市场成熟,使用方便.影响能耗的因素有调制制式,应用方式,数据速率,发射功率.为有效管理能源,无线通信一般设置四种工作模式:发射,接收,空闲,休眠.无线通信的技术关键有:调制有三种调制方式:OOK,ASK,FSK.OOK是ASK的特例,常用于传输控制信号,具有简单,便宜,节能(发0时空闲)的优点.FSK在存在干扰时性能好,但更复杂更昂贵.ASK抗干扰好于OOK,比FSK简单便宜.OOK和ASK需要有自调整阈值或自动增益控制(AGC),FSK则不需要. 唤醒传感器网络通信的一个难点是设计唤醒.低功率无线电可以接收简单的通信,特别是判定信号是否是所要求的.若是就开通主通道,接收实际消息.传感网络不能完全切断无线电信道,那样就无法检测外部事件,所以需要设计极低功耗通道唤醒.3.4 能量消耗传感器网络节点能源有限,所以能耗管理是最重要的.为延长网络寿命,在设计和运行中要从节点的四个子系统充分考虑:1. 微处理器(微控制器单元,MCU)子系统,功能是控制传感,执行通信协议,有几种工作模式.处理的功耗小于通信.尽量采用局部处理.由于价格和尺寸限制,节点一般采用CMOS技术.CMOS晶体管对在开关时消耗功率正比于开关频率,器件开关电容和电压幅度的平方.减小电源电压可以有效减少功耗.操作电压和频率可以针对当时要求调节.2. 通信子系统,由短程无线电与邻点和外界通信.工作有发射,接收,空闲,睡眠四种模式. 通信的能耗最大,涉及发射和接收.对低无线功率(~0 dbm)的短程传输,发射和接收的能耗接近.在数据包减小时,启动能耗比重成了大头.频繁开关也会增加耗能.3. 传感子系统,应尽量采用低能耗元件.4. 能源子系统,即电池.减小电流或经常断电,可增加寿命.应该检查电池发出的能量.长时间流出大电流会使得电池暂时失效,即使过后会恢复工作..3.5 定位传感网络中节点位置并非事先设定,定位就是获取节点的空间位置坐标信息.一个途径是利用GPS,但是仅适于室外,接收器昂贵,不适于小型便宜的节点,不适于有障碍物遮挡的环境.当前多采用递归的三边测量和多边测量.在一个途径中,网络将节点组织成层次结构体系,上层是已知位置的(由GPS或其他方法定位)节点,周期发出位置信息作为标杆.未定位的节点利用标杆发出的位置信息和信号强度,相位等参数计算自己的位置.并非所有节点都需要访问标杆,可以用上述方法定位的非上层节点为标杆,完成递归的多边测量,然而这可能导致误差积累. 多数定位算法利用三角测量.在平面上,已知到三个点的距离,就能通过三个圆的交点,确定自己的位置.在三维空间则需要求四个球面的交点.利用标杆定位时,重要的是初始标杆的数目,标杆太少,递归层次就多.定位的两个关键环节是:1. 定位技术定位技术可分为细粒度的(基于计时/信号强度)和粗粒度的(基于接近参考点).细粒度的例子是:计时(节点到参考点的距离是由信号传输时间确定),信号强度(衰减正比于距离),信号模式匹配(在工作区预先扫描信号,发射的信号匹配预先构造的数据库中的信号),方向性(用参考点相对移动点的角度确定位置).2. 标杆/节点安放技术标杆安放技术可以分为:均匀标杆安放和很密集标杆安放.但是均匀安放不能保证视线无遮挡,密集安放则会使成本和耗能大幅增加,所以需要对安放进行优化.一种做法是基于试验调整的逐步安放.通过逐渐增加标杆来调整而不是完全重做;由局部测量结果决定如何增加而不是离线全面分析.有三个方法选择位置:一,随机选择;二,最大法:将网络覆盖区域分成小方块,对每个方块的角计算定位误差,把标杆加于定位误差最大的点.这个方法的效果受到传播效果和随机噪声影响;三,网格法:计算每个网格的累积定位误差,把标杆加到累积定位误差最大的网格的中心自主应用算法中,节点在未知环境中实现自主应用,目标是使得网络覆盖面最大,节点保持与其它点的通信线.算法假设所有节点相同,环境静态,节点位置已知.算法有四个阶段:初始化,选择,分配,执行.选择阶段,根据已用节点占有网格确定合适的应用位置.每个网格可以有空闲,占用,未知三种状态,由贝叶斯技术确定占用的概率,用可达网格确定是否一个网格可达,由自由和未知空间的边界确定下一个应用位置.节点应覆盖未知空间最大区域.分配阶段,分配目标给等待的节点.当已用节点阻挡路径,就用等待节点替代这个位置,移动阻挡节点到新位置.执行阶段,激活的节点直接用于目标位置.3.6 仿真仿真技术对于传感器网络的设计和部署有极大帮助.下面介绍几个传感网络仿真器:1. NS-2是面向对象的,离散事件驱动的网络环境模拟器.编程用C++和OTCL10 .因为提供了面向对象的环境,增加新模块十分容易,还可以支持能量模型.2. GloMoSim是全局移动信息系统仿真器,适用于无线和有线网络系统,编程用C和Parsec,可进行并行离散事件仿真,支持无线网络的协议.3. SensorSim是传感网络的仿真框架,是NS的扩展.它提供:传感通道,传感模型,电池模型,无线传感器的轻便协议,场景生成,混合仿真.4 传感器网络通信结构传感器节点通常散布在传感区域中.节点收集数据,路由数据到汇聚点(sink),再到最终用户.汇聚点经过因特网或卫星与任务管理节点通信.协议层次包括:应用层,传输层,网络层,数据链接层,物理层.应用层是根据任务构建的应用软件.传输层维护数据流.网络层关注数据路由.链接层的MAC协议应了解能量消耗,这是为了减小与邻点广播的冲突.物理层需要简单可靠的调制,发射,接收技术.传感器网络的通信系统可以按照功能划分为三个平面:能量管理平面,移动管理平面,任务管理平面.能量管理平面管理节点如何利用能源.移动管理平面监测和注册节点的移动,维持到用户的路由.节点可能跟踪它的邻节点.任务管理平面平衡和调度在给定区域的传感任务,根据能量水平决定哪些节点执行传感任务.4.1 物理层物理层的功能是频率选择,载频生成,信号检测,调制,数据加密,并且比较延迟,散布,遮挡,反射,绕射,多路径和衰减等信道参数,为路由及重构提供依据,物理层设计中减小能耗最重要.4.2 数据链层数据链层的功能:数据流选通,数据帧检测,介质访问,错误控制以确保可靠的点到点,或点到多点连接.在传感器网络中链路层非常重要的部分就是MAC,通过它要实现两个目标:产生网络基础结构和节点间有效地均匀共享通信资源.传感器网络不能直接采用现有MAC协议,如蓝牙和MANET,因为现有MAC协议是QoS和带宽效率导向,而传感器网络有其特殊性和独特要求:节点数目众多,发射功率和发射范围小,网络拓扑多变.4.3 网络层传感器网络的特点是节点密集分散,彼此接近或在观测对象内部,能源供给受到很大限制. 因此传感器网络的网络层设计原则应注意以下方面:能量效率是重要因素;传感器网络多数是以数据中心的;只有当不妨害节点间协同时数据融合才有用;理想的传感器网络应该采用基于属性的编址和基于位置信息的控制.能量效率导向的路由方法有如下几种:最大可用能量(PA)路由,最小消耗能量(ME)路由,最小跳步(MH)路由和最大最小可用能量(PA)路由.数据中心路由中,通过传播关注点给传感节点分配传感任务.传播关注点有两个途径:其一是汇聚点广播,其二是传感节点广播可提供数据的公告,并等待需求节点的申请.数据中心路由要求基于属性的命名,查询现象的属性,不是查询单个节点为了节约数据传输,传感器网络普遍采用了数据融合.数据融合,是在数据中心路由过程中, 克服数据爆炸和重叠的技术.数据爆炸就是反复把复制的消息送到同一节点,使得数据过载;数据重叠就是如果两个以上节点在共同观察区,会同时传感同一激励,造成相同信息的冗余传输.这二者都会造成网络能源的大量无谓消耗.网络层另一个功能是与外部网络,如其它传感网络,命令和控制系统,因特网等互联.有些情形下,汇聚点可以用作到其他网络的网关;另一些情形下,汇聚点可以连接在一起,形成骨架.这个骨架经网关访问其他网络.4.4 传输层当系统需要访问因特网或其他外部网时传输层特别重要.TCP20协议及其现有的传输窗机制十分适合于传感器网络极为严酷的环境.像TCP分隔这样的方法在传感网与其他网络(例如互联网)交互时可能会十分有用.在这种方法里,TCP链接终止于汇聚点,汇聚点和其他节点的通信则用一个专门的传输层协议处理.4.5 应用层这方面的工作方兴未艾,这里只介绍三个有希望的应用层协议:传感器管理协议(SMP21);任务分配和数据公告协议(TADAP22);传感器查询和数据传播协议(SQDDP23).1. 传感器管理协议(SMP) 主要目的是使底层软硬件对于传感器网络管理透明.它提供软件操作,实现下列管理任务:引进数据融合,基于属性命名和节点分簇有关的规则;交换有关定位的数据;节点的时间同步;移动节点;节点接通和切断;查询网络配置和节点状态,重构网络;数据通信中的身份鉴别,密钥分配,安全保障.2. 任务分配和数据公告协议(TADAP)为用户软件提供高效界面,以进行消息传播,从而为路由之类的底层运行提供方便.传感器查询和数据传播协议(SQDDP) 为用户应用程序提供界面,以支持查询,对查询的响应,收集回答.5 传感器网络的分类5.1 传感器网络结构传感器网络是测量和传递观察信息的工具,网络的组织如下.1. 基础结构包括传感器及其部署状况.基础结构取决于传感器属性2. 网络协议功能是产生路径,实现传感器和观察器的通信.3 应用/观察器是向网络发出查询的主体,这些查询可能是静态的或动态的.网络可能合成询5.2 通信模型传感器网络有很多方式实现精度和延迟要求,设计良好的网络可以在满足这些要求的同时优化能量利用并实现容错.经过系统研究通信模式,网络设计者能够选择基础结构和通信协议,提供性能,鲁邦性,效率,和应用价格的最好组合.在传感器网络中有应用和基础结构两类通信.网络协议必须同时支持两类通信.应用通信关系到传感数据的传输,目的是把观察数据通知观察器.应用通信中有合作和非合作两个模型.在合作的传感模型中,传感器和其他传感器通信,获得观察器的消息.这个通信超出路由的中继功能.非合作传感器没有信息传播的协作.基础结构通信涉及到需要布局,维护,优化的通信.这类基础结构通信,受到应用关注点的影响,.重要的是通信最小化,且确保网络支持有效通信.在传感器网络中,基础结构通信的初始阶段是建立网络.此外,如果传感器是能量约束的,就会有附加的通信用于重构.类似,如果传感器是移动的或观察器的要求是关注点动态的,则会有附加的通信用于路径发现或重构.例如在分簇协议中,基础结构通信需要形成分簇和选择簇首领.在移动或故障条件下,通信必须重复.应用通信的优化借助于最小速率测量.在给定传感器能力和传感器与观察器间路径质量后,这个速率应满足精度和延迟要求.基础结构通信由网络协议产生,响应应用需求或事件.基础结构通信可以减少应用传输,优化网络操作.5.3 数据提交模型观察器的关注点是根据现象确定的,允许观察器不关注传感网络的基础结构和协议.查询是作为一个或多个特定的底层的关注点传感器网络可以根据应用(观察器)关注点要求的数据提交分类如下:连续的,事件驱动的,观察器启动的,混合的.这些模型管理应用传输的生成.在连续模型中,传感器以预定的速率连续传输数据.对连续传输数据的静态网络,分簇是最有效的.对动态传感网络,根据移动程度,分簇也可能有用.在事件驱动数据模型中,仅当发生关注点的事件时,传感器才报告信息.这时,观察器仅关心特定现象或一组现象的发生.在观察器启动(或要求-回答)模型中,传感器仅报告观察器要求的结果(直接要求或经过其他传感器间接要求).在混合模型中,三个途径共存在一个模型中.至此仅从应用观点讨论了数据提交.不是传感器和观察器间的数据包流,这是服从网络协议的路由问题.对于任何上述模型,路由协议可以分类为:洪泛的(基于广播的),单射的,多射的/其他.用洪泛的途径,传感器广播信息到其邻点,邻点再广播,直到达到观察器.这个途径承担很高的额外负担,但是能应付网络拓扑的动态变化.可以用数据融合技术减少广播的额外负担.传感器也可以直接通信到观察器(经过多跳路由协议),或到簇首领(由一到一单射).在多发射途径,传感器形成针对应用的组,利用多发射在组成员间通信.观察器可以和组的任何成员通信,得到要求的数据.洪泛或广播的主要优点是,缺乏复杂的网络层协议,用于路由,地址,位置管理.现有的传感网络多数依靠这类途径.来自应用的数据提交模型和网络协议用的路由模型之间的交互,显著影响网络的性能.考虑传感网络用于入侵检测.这时,数据提交模型是事件驱动的,事件是入侵者进入该区域.如果网络层路由模型是基于洪泛的,则物理位置相同的传感器同时作为入侵者,并试图向观察器发数据.在邻居中的这些共存通信彼此竞争利用通信介质,从而引起:①可能丢失关键信息;②延迟报告事件.5.4 网络动态模型传感器网络形成现象和观察器间的路径.传感器网络协议的目标是在动态条件下产生和维护这个路径(或多个路径),同时满足低能量,低延迟,高精度,容错的应用要求.多观察器可以作为一个观察器的多个实例.也可能给多观察器提供更复杂的协议,联合有关的关注点,并优化通信.建立信息传播路径的问题,类似于特定网络中的路由问题.但是也存在某些区别.①传感器一般不是单独编址,关注点是在一组传感器中,这些传感器在对主动观察器的关注点有贡献的位置.传感器可以由传感器属性编址(如它的能力),或由现象编址.观察器的关注点和一组传感器之间的映射,受到网络动态和应用的影响.②沿着路径的节点,在信息传播和处理中可以起主动作用.由此考虑,传感器网络类似于主动网络,特定网络是传统的被动网络. 存在几个途径构造和维护观察器和现象间的路径.根据网络动态分类为:静态传感网络和移动传感网络.将关注移动的,因为它是动态条件的通常来源,其他来源有传感器故障和观察器关注点的变化.1. 静态传感网络静态传感网络中,互相通信的传感器,观察器和现象不运动.例如分散的温度传感器.于是可。