無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本知識點

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述一、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念3個根本要素為傳感器、感知對象和觀看者。感器與觀看者之間建立通信路徑；協(xié)作地感知、采集、處理、公布感知信息是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的根本功能。一組功能有限的傳感器協(xié)作地完成大的感知任務(wù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要特點。傳感器主要由感知單元、傳輸單元、存儲單元和電源組成，完成感知決策依據(jù)。者可以是人，也可以是計算機或其它設(shè)備。象。也可以被多個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所感知。二、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點硬件資源有限電源容量有限無中心自組織多跳路由動態(tài)拓撲節(jié)點數(shù)量眾多，分布密集三、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的學術(shù)界爭論進展1、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)〔不太懂〕2、通信協(xié)議無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議要有不同于傳統(tǒng)AdHoc和因特網(wǎng)通信協(xié)議的緣由如下：AdHoc網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點數(shù)；感知節(jié)點消滅故障的頻率要大于AdHoc網(wǎng)絡(luò)；感知節(jié)點要比因特網(wǎng)和AdHoc網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點簡潔；感知節(jié)點的能量有限；因特網(wǎng)的數(shù)據(jù)報頭對于傳感器網(wǎng)絡(luò)來說太長，例如，每個節(jié)點必需有一個永久的地址。美國一些大學提出了有效的協(xié)議如下：包括談判類協(xié)議〔如SPIN-PP協(xié)議、SPIN-EC協(xié)議、SPIN-BC協(xié)議、SPIN-RL協(xié)議Cluster的協(xié)議、以數(shù)據(jù)為中心的路由算法。3、感知數(shù)據(jù)查詢處理技術(shù)四、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的爭論熱點1、MAC層協(xié)議無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC2目標。創(chuàng)立網(wǎng)絡(luò)根底設(shè)施。由于數(shù)千個傳感器節(jié)點密集分散在感知區(qū)域，MAC層協(xié)議必需為數(shù)據(jù)傳輸建立通信鏈路。在傳感器節(jié)點間公正有效的共享通信資源。傳統(tǒng)的無線MAC層協(xié)議或者沒有考慮能源有效性，或者需要全局協(xié)調(diào)，因此，需要依據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點設(shè)計簡潔高效的MAC層協(xié)議。2、路由路由是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個核心問題。傳統(tǒng)的無線AdHoc路由技慮能源有效性需求，以數(shù)據(jù)為中心，或者利用位置信息進展路由。在路由協(xié)議既要有有效維持數(shù)據(jù)傳輸通路，又要削減網(wǎng)絡(luò)中的通信量，還要具有肯定的魯棒性。3、能源感知計算/精度計算。在傳感器節(jié)點上，需要實現(xiàn)計算、通信和存儲相互協(xié)調(diào)的能源治理。/通信的權(quán)衡以及如何削減通信的額外開銷。同時，需要網(wǎng)絡(luò)和應用相互協(xié)作，實施自適應能源/精度計算，有效削減能源消耗。4、自組織2性生成組。在對等方式治理中，每個傳感器節(jié)點地位一樣，需要爭論如何通過局部對等的交互完成全局目標。5、時間和空間約束無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的物理耦合性，導致其必需使用物理時間對所感的動作。因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有時間和空間的約束關(guān)系。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的很多應用，如數(shù)據(jù)融合、信號處理，需要多個延遲的影響，應在接收者之間進展同步。位置是建立傳感器節(jié)點空間關(guān)系的一種機制。在普及計算中，位要事先組織，不能適應無線傳感器網(wǎng)絡(luò)任意部署、規(guī)模大的特點。對性和強健性，并能夠適應資源有限的約束。6、編程模型SQL語言編寫應用，能夠有效。分布虛擬機模型支持傳統(tǒng)過程式語言，提高高層指令，可有效削減代碼的長度，并可實現(xiàn)自動代碼劃分、放置與遷移。除此之外，還可考慮如TupleSpac等模型，并考慮能否從并行計算中得到啟發(fā)。7、協(xié)同的信號處理無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的很多應用〔如多目標跟蹤、目標識別，需要多個集分布特性，產(chǎn)生的信息高度冗余，而網(wǎng)絡(luò)帶寬又嚴峻受限，高效的數(shù)據(jù)融合算法將格外重要。8、安全無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可能會遇到竊聽、消息修改、消息注入、路由哄騙、拒絕效勞、惡意代碼等安全威逼。另外，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，安全全威逼，爭論型的安全協(xié)議和安全策略。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)造一、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點構(gòu)成二、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)生成過程合理的體系構(gòu)造、通信協(xié)議進展快速組網(wǎng)。其生成過程歸納起來，4步。撒播；器節(jié)點會發(fā)出信號監(jiān)控并記錄四周傳感器節(jié)點的工作狀況；相關(guān)的組網(wǎng)算法，從而按預設(shè)方式或規(guī)律結(jié)合形成網(wǎng)絡(luò)；進展數(shù)據(jù)通信。三、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造形式〔SensorNode〕和會聚節(jié)點SinkNod模式，以下圖給出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造的一般形式。InternetInternetandDESinkCBsatelliteASensorfieldSensornodes感知現(xiàn)場區(qū)域傳感器節(jié)點Taskmanagernode任務(wù)治理節(jié)點UserSink節(jié)點，Sink節(jié)點也可以用同樣的方式將信息發(fā)送給Sink鏈路將整個區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到遠程中心進展集中處理。Sink鏈路建立的方式有衛(wèi)星鏈路、撒播節(jié)點區(qū)域上空的無人機等。用形式。應用節(jié)點應用節(jié)點遠端用戶固定節(jié)點基站節(jié)點遠程數(shù)據(jù)庫四、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧1、協(xié)議棧概況應用層應用層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層能量治理平臺移動治理平臺任務(wù)治理平臺數(shù)據(jù)鏈路層物理層應用層

圖無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧構(gòu)造1〕傳感器治理協(xié)議〔SMP〕系統(tǒng)治理員通過SMP和傳感器網(wǎng)絡(luò)進展通信。SMP要訪問節(jié)點，就必需運用基于定位尋址的方式。2)任務(wù)安排和數(shù)據(jù)廣告協(xié)議〔TADAP〕從用戶的角度，整個傳感器網(wǎng)絡(luò)看起來更像一個數(shù)據(jù)庫，可以從里面查詢需要的信息。如何依據(jù)肯定的屬性查詢信息是個重要的課題，它包括查詢數(shù)據(jù)的組成形式、查詢數(shù)據(jù)的路由選擇等，合理的選解決的問題。發(fā)送他們所感興趣的內(nèi)容給傳感器節(jié)點、子集節(jié)點或整個傳感器網(wǎng)送回用戶，用戶啟用詢問機制，選擇他們所感興趣的數(shù)據(jù)。應用層協(xié)層操作很有用處，例如路由。3〕傳感器查詢和數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議〔SQDDP〕SQDDP把查詢結(jié)果通過界面的形式供給應用戶。應留意的是，這些某些位置。例如，溫度超過60℃的節(jié)點所在位置，就是基于屬性進展尋址的查詢。類似地A但是，對于每一個不同的傳感器應用領(lǐng)域，SQDDP傳輸層當傳感器網(wǎng)絡(luò)需要和Internet或其他外部網(wǎng)絡(luò)連接的時候，傳輸TCP協(xié)議并不能完全和傳感器網(wǎng)絡(luò)相匹配。必需有一種方法使傳感器網(wǎng)絡(luò)能和別的網(wǎng)絡(luò)相互聯(lián)系。在這種方法中，TCPSink節(jié)點結(jié)尾，同時一種傳輸協(xié)議能夠處理Sink節(jié)點和SinkUDPTCP的方式通過InternetSink節(jié)點和傳感器節(jié)UDP的方式來通信，這是由于每個傳感器節(jié)點的存儲力量有限。TCP協(xié)議不一樣，在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的端到端通信方式?jīng)]有爭論傳輸層協(xié)議是一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。尤其是硬件的限制，這包括能量和存儲容量的限制。因此，傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點不能像Internet網(wǎng)絡(luò)效勞那樣存儲大量的數(shù)據(jù)。因此，在Sink節(jié)點處必需分別端到端的通信方式，在傳感器網(wǎng)絡(luò)中承受UDP類型的協(xié)議，在Internet或衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中承受傳統(tǒng)的TCP/UDP協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層主要爭論傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和各種傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。1缺點。傳感器通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議第2方面的爭論是以數(shù)據(jù)為中心的的通性路由算法的爭論、動態(tài)傳感器網(wǎng)絡(luò)的路徑重構(gòu)技術(shù)的爭論。2傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全與認證機制的爭論、嵌入與組合系統(tǒng)技術(shù)的爭論、的時間同步技術(shù)的爭論、數(shù)據(jù)分發(fā)、融合和信息處理技術(shù)的爭論、仿真技術(shù)與仿真系統(tǒng)的爭論等。一個區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點的分布是不均勻的散落在各個位置。AdHoc路由技術(shù)以及已有的路由技術(shù)并不適合傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求，AdHoc網(wǎng)絡(luò)和傳感器網(wǎng)絡(luò)的不同之處：傳感器網(wǎng)絡(luò)中的感知節(jié)點的數(shù)量遠遠大于AdHoc網(wǎng)絡(luò)；(b)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的感知節(jié)點被密集的分布；傳感器網(wǎng)絡(luò)中的感知節(jié)點簡潔失效；傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲構(gòu)造變化頻率快；傳感器網(wǎng)絡(luò)中的感知節(jié)點承受播送的方式通信，而AdHoc網(wǎng)絡(luò)是基于點對點的通信；傳感器網(wǎng)絡(luò)中的感知節(jié)點的能量、計算力量和存儲力量都有限；由于傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點數(shù)量太大而可能不需要唯一標識I。那么傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議必需到達什么要求呢？能量效率始終是需要重點考慮的；傳感器網(wǎng)絡(luò)總的來說就是一個數(shù)據(jù)庫；在不打攪傳感器節(jié)點之間相互合作的前提下，進展數(shù)據(jù)融合；一個抱負的傳感器網(wǎng)絡(luò)必需是基于屬性進展尋址和位置明確。T4Sink節(jié)點進展通信〔其中：PA是可用能量；α是把數(shù)據(jù)包通過所選路徑傳輸所需的能量。α=6。PA2。但是，路由212PA，但是它不是能量有效路由。假設(shè)傳感器節(jié)點和Sink21以不考慮，這一點很重要。那么，就應當把路由2PA4最小能量〔ME〕Sink1為最小能量〔ME〕路由。最小跳數(shù)〔MH〕Sink的路徑作為首選路由。在圖中，基于該方案的路由應為路由3。值得留意的是，當總能量相等的時候，MEME，全部的α值一樣，被用于每一條連接。因此，當節(jié)點以一樣的能量進展播送，不參加任何能量掌握，那么MHME。α=1α1A(PA=2)

Sinkα=2α4

=2α3αE(PA=1)αα=1αα2 =2D(PA=3) 6αB(PA=2) =2α5α=1α7

F(PA=4)αα=2 =2αα8 109 C(PA=2) α 9 另外一個重要問題就是，路由機制也必需要基于數(shù)據(jù)為中心。在數(shù)據(jù)-中心路由協(xié)議中，執(zhí)行信息分發(fā)，給每個傳感器節(jié)點安排感2Sink點播送所獵取數(shù)據(jù)的消息，等待Sink數(shù)據(jù)-中心路由要求基于屬性的命名。傳感器網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)為中〔Data-Centric〕內(nèi)容并進展處理。對于用戶來說，感興趣的是傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，而不是傳感器本身。用戶會查詢“溫度高于60是查詢“ASink節(jié)點進展“興趣”分發(fā)，符合查詢Sink節(jié)點。在多個源節(jié)點和節(jié)點的信息更加簡練、明白地呈現(xiàn)給用戶。這不僅避開了數(shù)據(jù)冗余，供給了通信效率，也節(jié)約了能量。在數(shù)據(jù)-中心路由算法中，數(shù)據(jù)融合技術(shù)被用于解決數(shù)據(jù)閉塞和加以聯(lián)合Associatio、相關(guān)Correlatio〕和組合一套完整的理論體系和方法，但是，致力于該項技術(shù)的爭論在增加。這一技術(shù)，通常用“倒樹”多點傳送的方式來感知傳感器網(wǎng)絡(luò)。Sink融合起來，通過這一方法返回到Sink節(jié)點。例如，傳感器節(jié)點EABF融合了CD的數(shù)據(jù)。從很多傳感器節(jié)點把數(shù)據(jù)進展融合，從而能夠運用中，這些特別的數(shù)據(jù)是必需的。BDEDEFGSinkA到目前為止，爭論人員提出的數(shù)據(jù)融合方法不少，其中，波束生成〔Beamforming〕算法是一類在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應用較多的具有合：y[n]

LwlSi

nll1式中：S(n)表示第i個傳感器采集的信號；W(n)表示第i個信號i i開關(guān)〔Tap〕數(shù)量?！睱MSLeast Mean Squared〕誤差方法和最大能量波束生成〔MaximumPowerBeamforming〕算法均致力于開發(fā)性能優(yōu)良的權(quán)重過濾器。這些算法都在能量和性能之間選擇一種折中方案。比方：最大能量波束生成算法具備在不了解傳感器位置的前提下執(zhí)行盲目波束生成〔BlindBeamforming〕的力量，然而，這種算法計算量過于集中，意味著執(zhí)行該任務(wù)的節(jié)點很快耗盡有限的能量。網(wǎng)絡(luò)層另外一個重要功能就是為Internet網(wǎng)絡(luò)供給外部網(wǎng)絡(luò)，例Sink節(jié)點能夠作為一個網(wǎng)關(guān)，成為和別的網(wǎng)絡(luò)通信的中樞。以下爭論為傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)層提出的各種方案。節(jié)點計算所需消耗的能量〔處理器能量模型〕按以下公式計算：E NCV2C dd均電容量；V 是供給電壓值。dd處理器非正?！布葱孤诚牡哪芰浚?V eIE V ,feIleak dd

V

dd0

ddV TnV T 節(jié)點在滿負荷運行的時候，E 值可以無視不計。但是在處理器leak處于低負載狀態(tài)下，E 值占總能耗值的比重變得較大，計算能耗需leak要考慮E 值。leak目前，針對計算能耗所實行的節(jié)約措施主要有：對節(jié)點采集的數(shù)據(jù)進展局部處理，如承受上述的數(shù)據(jù)融合技術(shù)，削減網(wǎng)絡(luò)總計算量；節(jié)點承受支持DVS〔DynamicVoltageSealing〕技術(shù)的微處理器芯片〔如StrongARMSA-110，同時安裝具有動態(tài)能量治理〔DPM，DynamicPowerManagement〕功能的嵌入式操作系統(tǒng)〔如MIT的μ-O。節(jié)點u和vpuvtduvn來表示。其中：t是常數(shù)；duv表示節(jié)點u和v之間距離；n≥2，路徑傳輸消耗指數(shù)。接收數(shù)據(jù)所需能量為c。通過節(jié)點u和v之間距離npuvuv之間直接傳輸數(shù)據(jù)需ru〔u〕v〔u〕之0 k0 uukuu0 0 k能量為Crk1puii0

,ui1

c式中：pu,u 是節(jié)點u和u之間傳輸數(shù)據(jù)所需要的能量；c是i i1 i i+1接收數(shù)據(jù)所需要的能量。1〔QoS〕放在第2位考慮，因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)必需設(shè)計的講究高能效的路由協(xié)議。如的SPIN、DirectedDiffusion、LEACH、TEEN、PEGASIS2多跳形式在節(jié)點和易移動的Sinka〕泛洪法〔Flooding〕泛洪法〔Flooding〕是一種傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信路由協(xié)議，不需要維S點D，使用泛洪法，節(jié)點S個鄰居節(jié)點，每一個鄰居節(jié)點又將其傳輸給各自的每一個鄰居節(jié)點，除了剛剛給它們發(fā)送數(shù)據(jù)副本的節(jié)點S據(jù)傳輸?shù)侥繕斯?jié)點D止，或者全部節(jié)點擁有此數(shù)據(jù)副本為止。泛洪法所具有的優(yōu)點是：實現(xiàn)簡潔；不需要為保持網(wǎng)絡(luò)拓撲信息和實現(xiàn)簡單的路由覺察算法而消耗計算資源；適用于強健性要求很高的場合。表現(xiàn)缺乏的地方主要有：一個數(shù)據(jù)多個副