無線傳感網(wǎng)絡概述

無線傳感網(wǎng)絡概述學號031241119 姓名魏巧 班級0312411一、 無線傳感器網(wǎng)絡(可、］^)的定義：無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)是指將大量的具有通信與計算能力的微小傳感器節(jié)點，通過人工布設、空投、火炮投射等方法設置在預定的監(jiān)控區(qū)域，構成的“智能”自治監(jiān)控網(wǎng)絡系統(tǒng)，能夠檢測、感知和采集各種環(huán)境信息或檢測對象的信息。二、 傳感器的節(jié)點分布及通信方式：由于傳感器節(jié)點數(shù)量眾多，布設時智能采用隨機投放的方式，傳感器節(jié)點的位置不能預先確定。節(jié)點之間可以通過無線信道連接，并具有很強的協(xié)同能力，通過局部的數(shù)據(jù)采集、預處理以及節(jié)點間的數(shù)據(jù)交互來完成全局任務，同時節(jié)點之間采用自組織網(wǎng)絡拓撲結構。由于傳感器節(jié)點是密集布設的，因此節(jié)點之間的距離很短，在傳輸信息方面多跳(multi—hop)、對等(peertopeer)通信方式比傳統(tǒng)的單跳、主從通信方式更適合在無線傳感器網(wǎng)絡中使用，例如：使用多跳的通信方式可以有效地避免在長距離無線信號傳播過程中遇到的信號衰落和干擾等各種問題。三、 WSN運行的環(huán)境：1、WSN可以在獨立封閉的環(huán)境下(如局域網(wǎng)中)運行。2、WSN也可以通過網(wǎng)關連接到網(wǎng)絡基礎設施上(如Internet)o在這種情況中，遠程用戶可以通過Internet瀏覽無線傳感器網(wǎng)絡采集的信息。四、 無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的定義及無線自組網(wǎng)絡的特點：主流的無線網(wǎng)絡技術，如IEEE802.11、Bluetooth都是為了數(shù)據(jù)傳輸而設計的，我們稱之為無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡。目前，無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡研究的熱點問題就是無線自組網(wǎng)絡技術，這項技術可以實現(xiàn)不依賴于任何基礎設施的移動節(jié)點在短時間內(nèi)的互聯(lián)。特點有如下幾點：（1） 無中心和自組性（優(yōu)點）：無線自組網(wǎng)絡沒有絕對的控制中心，網(wǎng)絡中節(jié)點通知分布式的算法來協(xié)調(diào)彼此的行為，這種算法無需人工干預和其他預置網(wǎng)絡設施就可以在任何時刻任何地方快速展開并自動組網(wǎng)。（2） 動態(tài)變化的網(wǎng)絡拓撲（缺點）：移動終端能夠以任意速度和方式在網(wǎng)中移動，在通過無線信道形成的網(wǎng)絡拓撲隨時可能發(fā)生變化。（3） 受限的無線傳輸帶寬（缺點）：無線自組網(wǎng)絡采用無線傳輸技術作為底層通信手段，由于無線信道本身的物理特性，它所能提供的網(wǎng)絡帶寬相對有線信道要低得多。（4） 移動終端的能力有限（缺點）：雖然無線自組網(wǎng)絡中移動終端攜帶方便，輕便靈巧，但是也存在固有缺陷，例如：能源受限，內(nèi)存較小，CPU性能較低等（5） 多跳路由（優(yōu)點）：由于節(jié)點發(fā)射功率限制，節(jié)點覆蓋范圍有限。因此當它要與其覆蓋范圍之外的節(jié)點進行通信時，需要中間節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)。其中轉(zhuǎn)發(fā)是由普通節(jié)點協(xié)作完成的，并不是由專用的路由設備完成的。（6） 安全性較差（缺點）：無線自組網(wǎng)絡由于采用無線信道、有限電源、分布式控制等技術，使它更容易受到被動竊聽、主動入侵、拒絕服務，剝奪“睡眠”等網(wǎng)絡攻擊。（7） 網(wǎng)絡的可擴展性不強（缺點）：在目前Internet環(huán)境下，可以采用子網(wǎng)、無級域間路由和變長子網(wǎng)掩碼等技術增強其可擴展性。但由于動態(tài)的拓撲結構，原先屬于不同子網(wǎng)地址的移動終端將有可能同時處于一個無線自組網(wǎng)絡中，因而子精選文檔五、無線傳感器網(wǎng)絡與無線自組網(wǎng)絡的異同點:所以引入無線自組網(wǎng)絡是因為無線傳感器網(wǎng)路與它存在著許多相似的地方，也具有上述自組網(wǎng)絡中前6條屬性。但是通過比較可以發(fā)現(xiàn)，這兩者之間存在一些本質(zhì)的區(qū)別：（1） 應用目標不同：無線自組網(wǎng)絡是在不依賴任何基礎設施的前提下，以數(shù)據(jù)傳輸服務為主要目標的，是一種數(shù)據(jù)網(wǎng)絡；而無線傳感器網(wǎng)絡是以監(jiān)控物理世界為主要目標的，是一種檢測網(wǎng)絡。（2） WSN規(guī)模超大（獨有的特點一）：WSN由成千上萬個微小傳感器構成，它不是依靠單個設備能力的提升，而是通過大規(guī)模，冗余的嵌入式設備協(xié)同工作來提高系統(tǒng)的可靠性和工作質(zhì)量。（3） WSN無人值守（獨有的特點二）：網(wǎng)絡系統(tǒng)通常在無人值守的狀態(tài)下工作，每個節(jié)點只能依靠自帶或自主獲取的能源供電，由此導致的能源受限是阻礙無線傳感器網(wǎng)絡發(fā)展及應用的重要“瓶頸”之一。（4） WSN易受物理環(huán)境的影響（獨有的特點三）：無線傳感器網(wǎng)絡與其所在的物理環(huán)境密切相關，并隨著環(huán)境的變化而不斷變化。因此這些時變因素嚴重影響了系統(tǒng)的性能。六、傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展的4個階段：第一代傳感器網(wǎng)絡：簡單點到點信號傳輸功能的傳統(tǒng)傳感器所組成的測控系統(tǒng)。第二代傳感器網(wǎng)絡：由智能傳感器和現(xiàn)場控制站組成的測控網(wǎng)絡。第三代傳感器網(wǎng)絡：基于現(xiàn)場總線的智能傳感器網(wǎng)絡。第四代傳感器網(wǎng)絡：無線傳感器網(wǎng)絡。七、傳感器網(wǎng)絡的特征：7.1傳感器節(jié)點的限制傳感器節(jié)點在實現(xiàn)各種網(wǎng)絡協(xié)議和應用系統(tǒng)時，存在以下一些現(xiàn)實約束。1、 電源能量有限傳感器節(jié)點體積微小，通常攜帶能量十分有限的電池。由于傳感器節(jié)點個數(shù)多、成本要求低廉、分布區(qū)域廣，而且部署區(qū)域環(huán)境復雜，有些區(qū)域甚至人員不能到達，所以傳感器節(jié)點通過更換電池的方式來補充能源是不現(xiàn)實的。如何高效使用能量來最大化網(wǎng)絡生命周期是傳感器網(wǎng)絡面臨的首要挑戰(zhàn)。傳感器節(jié)點消耗能量的模塊包括傳感器模塊、處理器模塊和無線通信模塊。隨著集成電路工藝的進步，處理器和傳感器模塊的功耗變得很低，絕大部分能量消耗在無線通信模塊存在發(fā)送、接收、空閑和睡眠四種狀態(tài)。無線通信模塊在空閑狀態(tài)一直監(jiān)聽無線信道的使用情況，檢查是否有數(shù)據(jù)發(fā)送給自己，而在睡眠狀態(tài)則關閉通信模塊。無線通信模塊在發(fā)送狀態(tài)的能量消耗最大，在空閑狀態(tài)和接收狀態(tài)的能量消耗接近，略少于發(fā)送狀態(tài)的能量消耗，在睡眠狀態(tài)的能量消耗最少。如何讓網(wǎng)絡通信更有效率，減少不必要的轉(zhuǎn)發(fā)和接收，不需要通信時盡快進入睡眠狀態(tài)，是傳感器網(wǎng)絡協(xié)議設計需要重點考慮的問題。2、 通信能力有限無線通信的能量消耗與通信距離的關系為：E=kd-n其中，參數(shù)n滿足關系2<n<4。n的取值與很多因素有關，例如傳感器節(jié)點部署貼近地面時，障礙物多干擾大，n的取值就大；天線質(zhì)量對信號發(fā)射質(zhì)量的影響也很大?？紤]諸多因素，通常取n為3,即通信能耗與距離的三次方成正比。隨著通信距離的增加，能耗將急劇增加。因此，在滿足通信連通度的前提下應盡量減少單跳通信距離。一般而言，傳感器節(jié)點的無線通信半徑在lOOm以內(nèi)比較合適。考慮到傳感器節(jié)點的能量限制和網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域大，傳感器網(wǎng)絡采用多跳路由的傳輸機制。傳感器節(jié)點的無線通信帶寬有限，通常僅有幾百kbps的速率。由于節(jié)點能量的變化，受高山、建筑物、障礙物等地勢地貌以及風雨雷電等自然環(huán)境的影響，無線通信性能可能經(jīng)常變化，頻繁出現(xiàn)通信中斷。在這樣的通信環(huán)境和節(jié)點有限通信能力的情況下，如何設計網(wǎng)絡通信機制以滿足傳感器網(wǎng)絡的通信需求是傳感器網(wǎng)絡面臨的挑戰(zhàn)之一。3、計算和存儲能力有限傳感器節(jié)點是一種微型嵌入式設備，要求它價格低功耗小，這些限制必然導致其攜帶的處理器能力比較弱，存儲器容量比較小。為了完成各種任務，傳感器節(jié)點需要完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的管理和處理、應答匯聚節(jié)點的任務請求和節(jié)點控制等多種工作。如何利用有限的計算和存儲資源完成諸多協(xié)同任務成為傳感器網(wǎng)絡設計的挑戰(zhàn)。隨著低功耗電路和系統(tǒng)設計技術的提高，目前已經(jīng)開發(fā)出很多超低功耗微處理器。除了降低處理器的絕對功耗以外，現(xiàn)代處理器還支持模塊化供電和動態(tài)頻率調(diào)節(jié)功能。利用這些處理器的特性，傳感器節(jié)點的操作系統(tǒng)設計了動態(tài)能量管理(dynamicpowermanagement，DPM)和動態(tài)電壓調(diào)節(jié)(dynamicvoltagescaling，DVS)模塊，可以更有效地利用節(jié)點的各種資源。動態(tài)能量管理是當節(jié)點周圍沒有感興趣的事件發(fā)生時，部分模塊處于空閑狀態(tài)，把這些組件關掉或調(diào)到更低能耗的睡眠狀態(tài)。動態(tài)電壓調(diào)節(jié)是當計算負載較低時，通過降低微處理器的工作電壓和頻率來降低處理能力，從而節(jié)約微處理器的能耗，很多處理器如StrongARM都支精選文檔7.2傳感器網(wǎng)絡的特點1、 大規(guī)模網(wǎng)絡為了獲取精確信息，在監(jiān)測區(qū)域通常部署大量傳感器節(jié)點，傳感器節(jié)點數(shù)量可能達到成千上萬，甚至更多。傳感器網(wǎng)絡的大規(guī)模性包括兩方面的含義：一方面是傳感器節(jié)點分布在很大的地理區(qū)域內(nèi)，如在原始大森林采用傳感器網(wǎng)絡進行森林防火和環(huán)境監(jiān)測，需要部署大量的傳感器節(jié)點；另一方面，傳感器節(jié)點部署很密集，在一個面積不是很大的空間內(nèi)，密集部署了大量的傳感器節(jié)點。傳感器網(wǎng)絡的大規(guī)模性具有如下優(yōu)點：通過不同空間視角獲得的信息具有更大的信噪比；通過分布式處理大量的采集信息能夠提高監(jiān)測的精確度，降低對單個節(jié)點傳感器的精度要求；大量冗余節(jié)點的存在，使得系統(tǒng)具有很強的容錯性能；大量節(jié)點能夠增大覆蓋的監(jiān)測區(qū)域，減少洞穴或者盲區(qū)。2、 自組織網(wǎng)絡在傳感器網(wǎng)絡應用中，通常情況下傳感器節(jié)點被放置在沒有基礎結構的地方。傳感器節(jié)點的位置不能預先精確設定，節(jié)點之間的相互鄰居關系預先也不知道，如通過飛機播撒大量傳感器節(jié)點到面積廣闊的原始森林中，或隨意放置到人不可到達或危險的區(qū)域。這樣就要求傳感器節(jié)點具有自組織的能力，能夠自動進行配置和管理，通過拓撲控制機制和網(wǎng)絡協(xié)議自動形成轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)的多跳無線網(wǎng)絡系統(tǒng)。在傳感器網(wǎng)絡使用過程中，部分傳感器節(jié)點由于能量耗盡或環(huán)境因素造成失效，也有一些節(jié)點為了彌補失效節(jié)點、增加監(jiān)測精度而補充到網(wǎng)絡中，這樣在傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點個數(shù)就動態(tài)地增加或減少，從而使網(wǎng)絡的拓撲結構隨之動態(tài)地變化。傳感器網(wǎng)絡的自組織性要能夠適應這種網(wǎng)絡拓撲結構的動態(tài)變化。3、 動態(tài)性網(wǎng)絡傳感器網(wǎng)絡的拓撲結構可能因為下列因素而改變：①環(huán)境因素或電能耗盡造成的傳感器節(jié)點出現(xiàn)故障或失效；②環(huán)境條件變化可能造成無線通信鏈路帶寬變化，甚至時斷時通；③傳感器網(wǎng)絡的傳感器、感知對象和觀察者這三要素都可能具有移動性；④新節(jié)點的加入。這就要求傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)要能夠適應這種變化，具有動態(tài)的系統(tǒng)可重構性。4、 可靠的網(wǎng)絡傳感器網(wǎng)絡特別適合部署在惡劣環(huán)境或人類不宜到達的區(qū)域，傳感器節(jié)點可能工作在露天環(huán)境中，遭受太陽的暴曬或風吹雨淋，甚至遭到無關人員或動物的破壞。傳感器節(jié)點往往采用隨機部署，如通過飛機撒播或發(fā)射炮彈到指定區(qū)域進行部署。這些都要求傳感器節(jié)點非常堅固，不易損壞，適應各種惡劣環(huán)境條件。由于監(jiān)測區(qū)域環(huán)境的限制以及傳感器節(jié)點數(shù)目巨大，不可能人工“照顧”每個傳感器節(jié)點，網(wǎng)絡的維護十分困難甚至不可維護。傳感器網(wǎng)絡的通信保密性和安全性也十分重要，要防止監(jiān)測數(shù)據(jù)被盜取和獲取偽造的監(jiān)測信息。因此，傳感器網(wǎng)絡的軟硬件必須具有魯棒性和容錯性。八、無線傳感器網(wǎng)絡技術的發(fā)展趨勢:（1） 靈活、自適應的網(wǎng)絡協(xié)議體系。由于面向不同應用背景的無線傳感器網(wǎng)絡所使用的路由機制、數(shù)據(jù)傳輸模式、實時性要求以及組網(wǎng)機制等都有很大的差異，因此現(xiàn)有的各種網(wǎng)絡協(xié)議都是基于某種特定的應用提出的，這給WSN通用性的設計和使用帶來了巨大困難。如何設計可裁剪、自主靈活、可重構和適應于不同應用需求的WSN體系結構將是未來WSN發(fā)展的重要方向。（2） 跨層設計：由于WSN采用分層的體系結構，因此需要實現(xiàn)為邏輯上并不相鄰協(xié)議層之間設計互動與性能平衡的跨層設計。同時，將MAC與路由相結合進行的跨層設計可以節(jié)省能量，延長網(wǎng)絡的壽命。（3） ZigBee標準規(guī)范：ZigBee是一種新型無線網(wǎng)絡通信規(guī)范，主要用于近距離無線連接，ZigBee的基礎是IEEE無線個域網(wǎng)工作組制定的IE