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；

(b)传感器网络中的感知节点被密集的分布；

(c)传感器网络中的感知节点容易失效；

(d)传感器网络的拓扑结构变化频率快；

(e)传感器网络中的感知节点采用广播的方式通信，而Ad Hoc网络是基于点对点的通信；

(f)传感器网络中的感知节点的能量、计算能力和存储能力都有限；

(g)由于传感器网络中的节点数量太大而可能不需要唯一标识（ID）。

那么传感器网络的路由协议必须达到什么要求呢？

(a)能量效率始终是需要重点考虑的；

(b)传感器网络总的来说就是一个数据库；

(c)在不打扰传感器节点之间相互合作的前提下，进行数据融合；

(d)一个理想的传感器网络必须是基于属性进行寻址和位置明确。

以下是一个能量效率路由的例子，用下图来说明每一个步骤。节点T是一个源节点，用来感知环境。它有如下4条路径可以和Sink 节点进行通信（其中：PA是可用能量；α是把数据包通过所选路径传输所需的能量）。

路由1：Sink-A-B-T，total PA=4，total α=3。

路由2：Sink-A-C-T，total PA=6，total α=6。

路由3：Sink-D-T，total PA=3，total α=4。

路由4：Sink-E-F-T，total PA=5，total α=6。

(a)最大可用能量（PA）路由：把一条拥有最大可用能量的

路径作为首选路由。通过把沿着某条路径所有节点的PA进行相加，找出其值最大的一条路径。基于这种算法，在下图中应该选择路由2。但是，路由2包括了路由1的节点和一个额外的节点。因此，虽然路由2拥有最大值PA，但是它不是能量有效路由。如果传感器节点和Sink节点之间存在如上情况可2选1的路径，那么这两条路径都可以不考虑，这一点很重要。那么，就应该把路由2删除。在利用最大PA路由方法时，则应该选择路由4作为能量有效路由。

(b)最小能量（ME）路由：选择一条路径，能在Sink节点和传感器节点间用最小能量传输数据包，这就是最小能量（ME）路由。在下图中，路由1 为最小能量（ME）路由。

(c)最小跳数（MH）路由：把到达Sink节点所需最小跳数的路径作为首选路由。在图中，基于该方案的路由应为路由3。值得注意的是，当总能量相等的时候，ME方案选择同样的路由作为ME，所有的α值一样，被用于每一条连接。因此，当节点以相同的能量进行广播，不加入任何能量控制，那么MH就等同于ME。

α2

α8

9T

另外一个重要问题就是，路由机制也必须要基于数据为中心。在数据-中心路由协议中，执行信息分发，给每个传感器节点分配感知任务。有2种方法用于信息分发：Sink节点广播消息；传感器节点广播所获取数据的消息，等待Sink节点的查询消息。

数据-中心路由要求基于属性的命名。传感器网络是以数据为中心（Data-Centric）的网络。以数据为中心是指中继节点可以查看数据内容并进行处理。对于用户来说，感兴趣的是传感器产生的数据，而不是传感器本身。用户会查询“温度高于60℃的区域在哪里”，而不是查询“A节点测出的温度为多少”。因此，数据融合技术是很有用的。用户发出查询指令通过Sink节点进行“兴趣”分发，符合查询条件的多个传感器节点将会把信息传回Sink节点。在多个源节点和同一个目的节点通信时，可以通过网络内部的数据融合将各处传感器节点的信息更加简练、明白地展现给用户。这不仅避免了数据冗余，提供了通信效率，也节约了能量。

在数据-中心路由算法中，数据融合技术被用于解决数据闭塞和重叠的问题。数据融合技术是一种数据局部处理策略。所谓数据融和从军事应用的角度来看，是指将来自多传感器和信息源的数据和信息加以联合（Association）、相关（Correlation）和组合（Combination），以获得精确的位置估计和身份估计，以及对战场情况和威胁及其重要程度进行适时的完整评价。目前，尽管关于数据融合技术还没有形成一套完整的理论体系和方法，但是，致力于该项技术的研究在增加。

这一技术，通常用“倒树”多点传送的方式来感知传感器网络。Sink节点询问传感器节点，传感器节点报告所监控环境的情况。当拥有同一环境属性的传感器节点的数据到达同一路由节点时，这些数据融合起来，通过这一方法返回到Sink节点。

例如，传感器节点E融合了节点A和B的数据，节点F融合了节点C和D的数据。从许多传感器节点把数据进行融合，从而能够形成一条很有意义的信息。同时，我们在进行数据融合时也必须留意不要把一些数据丢失，例如传感器节点所报告自己的位置等。在某些运用中，这些特殊的数据是必须的。

B

到目前为止，研究人员提出的数据融合方法不少，其中，波束生成（Beamforming ）算法是一类在无线传感器网络中应用较多的具有代表性的方法。波束生成算法将多个传感器采集的信号进行过滤、组合：

()()l n S l w n y i N i L

l i -=∑∑==11][

式中：S i (n)表示第i 个传感器采集的信号；W i (n)表示第i 个信号的权重过滤器；N 表示参与该次融合的传感器数量；L 表示过滤器的开关（Tap ）数量。

权重过滤器用于满足最优化标准。一些波束生成算法如最小均方（LMS ，Least Mean Squared ）误差方法和最大能量波束生成（Maximum Power Beamforming ）算法均致力于开发性能优良的权重过滤器。这些算法都在能量和性能之间选择一种折中方案。比如：最大能量波束生成算法具备在不了解传感器位置的前提下执行盲目波束生成（Blind Beamforming ）的能力，然而，这种算法计算量过于集中，意味着执行该任务的节点很快耗尽有限的能量。

网络层另外一个重要功能就是为Internet 网络提供外部网络，例如其他的传感器网络，命令和控制系统。在某一特定时刻，Sink 节点能够作为一个网关，成为和别的网络通信的中枢。

以下讨论为传感器网络网络层提出的各种方案。

节点计算所需消耗的能量（处理器能量模型）按以下公式计算：

2dd C NCV E =

式中：N 是每个任务所需的时钟周期数；C 是每个时钟周期的平

均电容量；V dd 是供应电压值。

处理器非正常（即泄漏）消耗的能量：

()???

? ?????? ??=f V e I V f V E T dd nV V dd dd leak 0, 节点在满负荷运行的时候，E leak 值可以忽略不计。但是在处理器处于低负载状态下，E leak 值占总能耗值的比重变得较大，计算能耗需要考虑E leak 值。

目前，针对计算能耗所采取的节约措施主要有：

（1）对节点采集的数据进行局部处理，如采用上述的数据融合技术，减少网络总计算量；

（2）节点采用支持DVS （Dynamic V oltage Sealing ）技术的微处理器芯片（如Strong ARM SA-1100），同时安装具有动态能量管理（DPM ，Dynamic Power Management ）功能的嵌入式操作系统（如MIT 的μ-OS ）。

节点u 和v 之间传输数据所需要的能量可以用模型()()n v u td v u p ,,=来表示。其中：t 是常数；()v u d ,表示节点u 和v 之间距离；n ≥2，路径传输消耗指数。接收数据所需能量为c 。通过节点u 和v 之间距离的第n 个能量，当()v u p ,值增大，在节点u 和v 之间直接传输数据需要的能量就更多。用r 表示节点u （比如u 0）和节点v （比如u k ）之间的路径，那么()k u u r ,,0 =，长度为k 。节点u 0和u k 之间消耗的总能量为

()()()∑-=++=1

01,k i i i c u u p r C

式中：()1,+i i u u p 是节点u i 和u i+1之间传输数据所需要的能量；c 是

接收数据所需要的能量。

网络层主要关注于路由技术。由于传感器网络节点能量有限，所以路由设计一般将能效高放在第1位，将服务质量（QoS ）放在第2位考虑，因此无线传感器网络必须设计新的讲究高能效的路由协议。如新的SPIN 、Directed Diffusion 、LEACH 、TEEN 、PEGASIS 等。

传感器网络中的路由协议分为平面型和层次型2种，但大都采用多跳形式在节点和易移动的Sink 节点之间建立连接。

a ）泛洪法（Flooding ）

泛洪法（Flooding ）是一种传统的网络通信路由协议，不需要维护网络的拓扑结构和路由发现算法。一节点S 希望发送一块数据给节点D ，使用泛洪法，节点S 首先通过网络将数据副本传送给它的每一个邻居节点，每一个邻居节点又将其传输给各自的每一个邻居节点，除了刚刚给它们发送数据副本的节点S 外。如此继续下去，直到将数据传输到目标节点D 为止，或者为该数据所设定的生命期限变为零为止，或者所有节点拥有此数据副本为止。

泛洪法所具有的优点是：

（a ）实现简单；

（b ）不需要为保持网络拓扑信息和实现复杂的路由发现算法而消耗计算资源；

（c ）适用于健壮性要求很高的场合。

表现不足的地方主要有：

A.存在信息爆炸（Implosion）问题，即出现一个节点可能得到

一个数据多个副本的现象；

B.出现

（4）链路层

（5）物理层

各管理平台如下：

1.能量管理平台

能量管理平台对节点如何使用自身的有限能量进行管理。例如，如果一个传感器节点收到一个相邻节点的信号，它就有可能关掉它的接收机。这就避免了接收冗余信息。同样，当一个节点的能量比较低的时候，它就会广播给它的相邻节点，告知它的能量很低，不能参加路由信息。剩余的能量用于保留感知信息。

2.移动管理平台

移动管理平台用于发现和注册移动的传感器节点，从而节点能够跟踪和判别它们的相邻节点。知道了它们的相邻节点，就能平衡的利用能量和完成任务。

3.任务管理平台

任务管理平台为某一特殊区域的传感器节点安排任务和时间计划。并不是所有这一区域内的传感器节点都必须在同一时间执行感知任务。这些管理平台都是必须的，只有这样，传感器节点才能结合在