無線傳感器網(wǎng)絡第一章

第1章WSN概述學習導航1.1概述俄國的波波夫和意大利業(yè)余無線電家馬克尼同時獨立地創(chuàng)造了天地線制(當把發(fā)射電磁波的天線與接收機的天線及地線相互連接時，電磁波將轉化為脈沖電流)，至此無線電通信開始進入實用階段。無線電波的頻率范圍為3Hz～300GHz，對應的波長為1000km～1mm。電磁波波段的劃分如表1-1所示。2.信道

信道可以從狹義和廣義兩方面理解，狹義信道即信號傳輸?shù)拿劫|，分為有線信道和無線信道；廣義信道除包括傳輸媒質外還包括有關的轉換器，如：發(fā)送設備、接收設備、饋線與天線、調制器、解調器等。本小節(jié)將詳細講解廣義信道。

廣義信道按功能可以分為模擬信道(即調制信道)和數(shù)字信道(即編碼信道)。廣義信道模型如圖1-1所示。

圖1-1廣義信道模型

調制信道(模擬信道)：傳輸模擬信號的信道稱為模擬信道，模擬信號的電平隨時間連續(xù)變化，語音信號是典型的模擬信號。

編碼信道(數(shù)字信道)：數(shù)字信道是一種離散信道，它只能傳送離散的數(shù)字信號。

另外，模擬信道傳送數(shù)字信號必須經(jīng)過數(shù)字信號和模擬信號之間的A/D轉換器，調制/解調器就是完成此項工作的。3.調制與解調

調制/解調主要通過調制/解調器使模擬信號與數(shù)字信號相互轉換。調制就是把數(shù)字信號轉換成有線設備傳輸?shù)哪M信號；解調那么是把模擬信號轉換為數(shù)字信號。兩者合稱調制/解調。

調制/解調的分類有多種方式，按照調制方式可分為：

模擬調制：包括三種調制方法，即模擬調制、脈沖調制和復合調制。

模擬調制：調幅(AM)、調頻(FM)、調相(PM)。

脈沖調制：脈沖幅度(PAM)、脈沖相位(PWM)、脈沖編碼(PCM)。

復合調制：正交幅度調制(QAM)。

數(shù)字調制：包括通斷鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)、相移鍵控(PSK)。

調制/解調按照解調方式可分為：

檢波法：適合調幅(AM)。

同步解調：適合大局部調制。從無線傳感器網(wǎng)絡的開展過程來看，可以劃分為如下四個階段：

第一代傳感器網(wǎng)絡是將傳統(tǒng)的傳感器采用點對點傳輸、連接傳感控制器而構成。

第二代傳感器網(wǎng)絡在第一代傳感器網(wǎng)絡的根底上增加了獲取多種信息信號的綜合處理能力，并通過與傳感控制器的相連，組成了具有信息綜合和信息處理能力的傳感器網(wǎng)絡。

傳感器是一種裝置或器件，國家標準GB7665—87對傳感器的定義是：“能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成。〞無線傳感器網(wǎng)絡通過傳感器來識別物體，并采集數(shù)據(jù)。傳感器不僅數(shù)量多，品種也比較復雜，是無線傳感器網(wǎng)絡的重要組成局部。1.2傳感器與WSN1.2.1傳感器

傳感器的作用主要是感受和測量物理世界的被測量物，將采集量按一定規(guī)律將其轉換成有用輸出：將非電量轉換為電量。傳感器的組成原理如所示。

圖1-2傳感器的組成原理敏感元件：傳感器的重要組成局部，其作用是感受物理世界的信息并將其轉變?yōu)殡娦畔?，完成非電量的預變換。

變換器：將感受的非電量變換為電量的器件。例如電阻變換器和電感變換器，可將位移量直接變換為電容值、電阻值及電感值。變換器也是傳感器不可缺少的重要組成局部。在具體實現(xiàn)非電量到電量的變換時，并非所有的非電量都能利用現(xiàn)有的手段直接變換為電量，有些必須進行預變換，將待測的非電量變?yōu)橐子谵D換成電量的另一種非電量。

在實際情況中，由于一些敏感元件直接可以輸出變換后的電信號，所以經(jīng)常無法嚴格區(qū)分敏感元件和變換器。

傳感器的種類繁多，分類方法也比較多。通?？梢园幢粶y物理量、工作原理、信號變換特征、能量轉換情況等分類。1.2.2傳感器與傳感器網(wǎng)絡的關系

顧名思義，無線傳感器網(wǎng)絡離不開傳感器，傳感器負責在傳感器網(wǎng)絡中感知和采集數(shù)據(jù)。它處于無線傳感器網(wǎng)絡的感知層，是獲識物體，采集信息的設備。

傳感器與傳感器網(wǎng)絡的關系如下：

傳感器是傳感器網(wǎng)絡中的感知部件。傳感器網(wǎng)絡中部署了多種類型的傳感器，每個傳感器都是一個信息源，不同類別的傳感器所捕獲的信息內容和信息格式不同。傳感器獲得的數(shù)據(jù)具有實時性，按一定的頻率周期性地采集環(huán)境信息，不斷更新數(shù)據(jù)。

傳感器網(wǎng)絡為傳感器提供網(wǎng)絡連接，使傳感器具有智能處理的能力，能夠對物體實施智能控制。

無線傳感器網(wǎng)絡中傳感器的應用是物與用戶(包括人、組織和其他系統(tǒng))的接口。它與行業(yè)需求結合，實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡的智能應用。

無線傳感器網(wǎng)絡采用各種傳感設備，實施采集任何需要監(jiān)控、連接、互動的物體或過程，采集聲音、光、電、力學等各種需要的信息，并與互聯(lián)網(wǎng)結合，形成一個巨大的網(wǎng)絡。其目的就是實現(xiàn)物與物以及所有物品和網(wǎng)絡的連接，方便識別、管理和控制。

近年來興起的物聯(lián)網(wǎng)成為各國構建經(jīng)濟社會開展新模式和重塑國家長期競爭力的先導領域。尤其是興旺國家通過國家戰(zhàn)略指引、政府研發(fā)投入、企業(yè)全球推進、政策法律保障等措施加快物聯(lián)網(wǎng)的開展，以搶占戰(zhàn)略主攻權和開展先機。本節(jié)將詳細闡述物聯(lián)網(wǎng)與無線傳感器網(wǎng)絡的關系。1.3物聯(lián)網(wǎng)與WSN1.3.2物聯(lián)網(wǎng)體系結構

在白皮書中，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡架構由感知層、網(wǎng)絡層和應用層組成，如所示。

其中各層的含義如下：

感知層實現(xiàn)對物理世界的智能感知識別、信息采集處理和自動控制，并通過通信模塊將物理實體連接到網(wǎng)絡層和應用層。

網(wǎng)絡層主要實現(xiàn)信息的傳遞、路由和控制，包括延伸網(wǎng)絡、接入網(wǎng)和核心網(wǎng)絡。

圖1-3物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡架構傳感器是感知周圍的信號，并不對物體進行標識。所以無線傳感器網(wǎng)絡是一個比較小的概念，僅僅提供小范圍內物與物之間的信息傳遞。

傳感器網(wǎng)絡與物聯(lián)網(wǎng)的比照方所示(表中提到的“根底網(wǎng)絡〞如：如移動網(wǎng)、聯(lián)通網(wǎng)的基站等)。表1-3傳感網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)比照由此可見，物聯(lián)網(wǎng)的概念比傳感器網(wǎng)絡概念大一些，無線傳感器網(wǎng)絡是構成物聯(lián)網(wǎng)感知層和網(wǎng)絡層的一局部，是物聯(lián)網(wǎng)的重要組成局部。

物聯(lián)網(wǎng)把我們的生活擬人化，在物物相連的世界中，物品能夠彼此進行“交流〞，而無需人的干預。物聯(lián)網(wǎng)和無線傳感器網(wǎng)絡與我們的生活都是密切相關的，讓我們的生活變得更加快捷、更加人性化、社會更加和諧。

無線傳感器網(wǎng)絡具有覆蓋區(qū)域廣泛、監(jiān)測精度高、可遠程監(jiān)控、可快速部署、可自組織和高容錯性能的優(yōu)點。傳感器網(wǎng)絡中傳感器節(jié)點數(shù)量龐大，節(jié)點分布比較密集，使得無線傳感器網(wǎng)絡結構和協(xié)議棧的設計與其他無線網(wǎng)絡不同。1.4WSN體系結構1.4.1網(wǎng)絡結構

無線傳感器網(wǎng)絡由分布在監(jiān)測區(qū)域內的大量無線傳感器節(jié)點、具有接收和發(fā)射功能的會聚節(jié)點、互聯(lián)網(wǎng)或通信衛(wèi)星和任務管理節(jié)點構成。無線傳感器網(wǎng)絡的體系結構如所示。

圖1-4無線傳感器網(wǎng)絡的體系結構傳感器節(jié)點：用于監(jiān)測數(shù)據(jù)并沿著傳感器節(jié)點逐跳地進行傳輸。

會聚節(jié)點：用于連接傳感器網(wǎng)絡、互聯(lián)網(wǎng)和Internet等外部網(wǎng)絡，各方面能力相對于傳感器節(jié)點較強，可實現(xiàn)幾種通信協(xié)議之間的轉換；同時發(fā)布管理節(jié)點的監(jiān)測任務，并把收集的數(shù)據(jù)轉發(fā)到外部網(wǎng)絡。會聚節(jié)點可以是一個具有增強功能的傳感器節(jié)點(比方：協(xié)調器)，有足夠的能量和更多的內存與計算資源，也可以是沒有監(jiān)測功能僅帶有無線通信接口的特殊網(wǎng)關設備。

任務管理節(jié)點：直接面向用戶，會聚節(jié)點通過外部網(wǎng)絡將傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)傳遞給任務管理節(jié)點，用戶就可以管理數(shù)據(jù)，并發(fā)布監(jiān)測信息。

檢測區(qū)域內的傳感器節(jié)點具有以下特點：

大量的傳感器節(jié)點以分布式隨機部署在監(jiān)測區(qū)域內部或者附近，能夠通過自組織的方式構成網(wǎng)絡。

傳感器節(jié)點通常是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，處理能力、存儲能力和通信能力相對較弱。

傳感器節(jié)點在傳輸過程中，其監(jiān)測數(shù)據(jù)可能被多個節(jié)點處理，經(jīng)過多跳后路由到會聚節(jié)點。所以傳感器節(jié)點不僅要對本地的信息進行采集和處理，同時要協(xié)助其他節(jié)點完成數(shù)據(jù)的轉發(fā)功能。檢測區(qū)域的傳感器節(jié)點類型一般包括：

終端節(jié)點：只負責數(shù)據(jù)信息的采集和環(huán)境的檢測，一般數(shù)量比較多。

路由節(jié)點：負責數(shù)據(jù)的轉發(fā)功能，一個路由節(jié)點可以與假設干個路由節(jié)點或終端節(jié)點通信。

協(xié)調器：網(wǎng)絡的控制中心，負責一個網(wǎng)絡的建立，可以與此網(wǎng)絡中的所有路由節(jié)點或終端節(jié)點通信。1.4.2節(jié)點結構

傳感器節(jié)點負責監(jiān)測區(qū)域內數(shù)據(jù)的采集和處理，一般的傳感器節(jié)點由五局部構成，能量供給模塊、傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和嵌入式軟件系統(tǒng)。傳感器節(jié)點的結構如所示。

圖1-5傳感器節(jié)點的結構傳感器節(jié)點各組成局部的作用：

能量供給模塊為傳感器節(jié)點的其他模塊提供運行所需的能量，可以采取多種靈活的供電方式，通常采用微型電池。

傳感器模塊包括傳感器和AD/DA模塊。傳感器負責監(jiān)測區(qū)域內信息的采集，在不同的環(huán)境中，被監(jiān)測物理信號的形式?jīng)Q定了傳感器的類型。AD/DA負責數(shù)據(jù)的轉換。

處理器模塊包括處理器和存儲器，負責控制整個節(jié)點的操作、存儲和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點轉發(fā)來的數(shù)據(jù)。處理器模塊通常采用通用的嵌入式處理器。無線通信模塊負責與其他節(jié)點進行無線通信、交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰空脊?jié)點總能耗的絕大局部，所以通常采用短距離、低功耗的無線通信模塊。

嵌入式軟件系統(tǒng)是無線傳感器網(wǎng)絡的重要支撐，其軟件協(xié)議棧由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、傳輸層和應用層組成。

傳感器節(jié)點的設計要符合低本錢、低功耗、微型化的特點，這是因為無線傳感器網(wǎng)絡的重要設計目標是將大量可長時間監(jiān)測、處理和執(zhí)行任務的傳感器節(jié)點嵌入到物理世界中。1.4.3節(jié)點限制

傳感器節(jié)點具有的處理能力、存儲能力、通信能力和電源能力都十分有限，所以傳感器節(jié)點在實現(xiàn)各種網(wǎng)絡協(xié)議和應用控制中存在以下約束條件。

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、本錢低、分布區(qū)域廣、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。傳感器的能耗模塊包括傳感器模塊、處理器模塊和無線通信模塊。隨著電路工藝的進步，處理器和傳感器模塊的功耗變得很低，絕大局部能量消耗在無線通信模塊上，如所示。

圖1-6傳感器節(jié)點能耗情況無線通信模塊存在發(fā)送、接收、空閑和休眠四種狀態(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，而在休眠狀態(tài)那么關閉通信模塊。從圖1-6中可以看出，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，比發(fā)送狀態(tài)能量消耗少一些，在休眠狀態(tài)的能量消耗是最小的。所以在設計無線傳感器網(wǎng)絡時，如何讓網(wǎng)絡通信更有效率，減少不必要的轉發(fā)和接收，不需要通信時傳感器節(jié)點盡快進入休眠狀態(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=kdn (1-1)

式中：k為一個常數(shù)；d為通信距離；參數(shù)n滿足關系，的取值與很多因素有關，例如傳感器節(jié)點的部署環(huán)境、天線的質量等。

由式(1-1)可知，在參數(shù)一定的情況下，隨著通信距離的增加，無線通信的能量消耗急劇增加。因此，在滿足通信連通度的前提下，應該盡量減少單跳(即一跳)的通信距離?？紤]到傳感器節(jié)點的能量限制和網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域大，無線傳感器網(wǎng)絡采用多跳的傳輸機制。3.計算和存儲能力有限

傳感器節(jié)點通常是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，它的處理能力、存儲能力和通信能力相對較弱。每個傳感器節(jié)點兼顧傳統(tǒng)網(wǎng)絡的終端和路由器雙重功能。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)的采集和轉換、數(shù)據(jù)管理和處理、應答會聚節(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)絡協(xié)議設計的挑戰(zhàn)。1.4.4WSN協(xié)議棧

隨著對無線傳感器網(wǎng)絡的深入研究，研究人員提出了多個無線傳感器網(wǎng)絡的協(xié)議棧。早期提出的協(xié)議棧包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層，與互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧的五層協(xié)議相對應。另外，無線傳感器網(wǎng)絡的協(xié)議棧還包括能量管理平臺移動管理平臺，和任務管理平臺。如所示。

圖1-7早期的協(xié)議棧能量管理平臺負責管理傳感器節(jié)點如何使用能源，在各個協(xié)議層都需要節(jié)省能源。

移動管理平臺負責監(jiān)測并傳輸傳感器節(jié)點的移動信息，維護到會聚節(jié)點的路由，使得傳感器節(jié)點能動態(tài)跟蹤鄰居節(jié)點的位置。

任務管理平臺負責平衡和調度監(jiān)測任務。隨著對無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議棧的深入研究，研究人員在原始模型上細化并改進了早期的協(xié)議棧。由于基于時分復用的MAC協(xié)議和基于地理位置的路由協(xié)議等很多傳感器網(wǎng)絡協(xié)議都需要定位和同步信息，所以在早期的協(xié)議棧中添加了時間同步和定位子層。它們在協(xié)議棧中的位置比較特殊，依賴于數(shù)據(jù)傳輸通道進行協(xié)作定位和時間同步協(xié)商，同時又要為網(wǎng)絡協(xié)議各層提供信息支持。改進的協(xié)議棧模型如所示。

圖1-8改進的協(xié)議棧模型改進的協(xié)議棧模型將原始的協(xié)議棧模型融入到各層協(xié)議中，并且具有以下特點：

協(xié)議棧模型一局部用于優(yōu)化和管理協(xié)議流程，另一局部獨立在協(xié)議層外，通過各種收集和配置接口對相應的機制進行配置和監(jiān)控，如能量管理平臺和移動管理平臺。

?QoS管理各協(xié)議層設計、隊列管理、優(yōu)先級機制或者帶寬預留等機制，并對特定應用的數(shù)據(jù)給予特別處理。

拓撲控制利用物理層、鏈路層或者路由層完成拓撲生成，反過來又為它們提供根底信息支持。

優(yōu)化MAC協(xié)議和路由層協(xié)議的協(xié)議過程，提高協(xié)議效率，減少網(wǎng)絡能量消耗。

網(wǎng)絡管理要求協(xié)議各層潛入各種信息接口，并定時收集協(xié)議運行狀態(tài)和流量控制信息，協(xié)調控制網(wǎng)絡中各個協(xié)議組件的運行。

選擇低功耗的硬件設備，設計低功耗的MAC協(xié)議和路由協(xié)議。

各功能模塊間保持時間同步，即同步休眠和喚醒。

從系統(tǒng)的角度設計能耗均勻的路由協(xié)議，而不是一味追求低功耗的路由協(xié)議，這需要體系結構提供跨層設計。

由于節(jié)點計算能力和存儲能力有限，不適合進行復雜計算和大量數(shù)據(jù)的緩存。2.支持網(wǎng)內數(shù)據(jù)處理

無線傳感器網(wǎng)絡是以數(shù)據(jù)為中心的，網(wǎng)絡不僅要實現(xiàn)傳輸?shù)墓δ?，還要實現(xiàn)“網(wǎng)內數(shù)據(jù)處理〞。例如：多個路由節(jié)點可能同時監(jiān)聽到同一終端節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，分別產(chǎn)生數(shù)據(jù)向會聚節(jié)點發(fā)送，會聚節(jié)點只需要收到它們其中一個分組即可，其余分組都是多余的。如果能在中間節(jié)點(如路由節(jié)點等)上進行一定的聚合、過濾和壓縮，可以有效地減少重復發(fā)送數(shù)據(jù)的可能，從而減少了頻繁傳送分組造成的能量開銷；也可以有效地協(xié)助處理擁塞控制和流量控制。網(wǎng)內數(shù)據(jù)處理示意圖如所示。

圖1-9網(wǎng)內數(shù)據(jù)處理示意圖假設終端節(jié)點1-3發(fā)送的數(shù)據(jù)被路由節(jié)點2監(jiān)聽到(如圖1-9中虛線局部所示)，路由節(jié)點2先診斷是不是它的子節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，如果不是，路由節(jié)點2將會把數(shù)據(jù)過濾掉，這樣會有效地減少會聚節(jié)點收到重復數(shù)據(jù)。3.支持協(xié)議跨層設計

在WSN系統(tǒng)的開發(fā)過程中，各個層次的研究人員為了統(tǒng)一性能優(yōu)化目標(如節(jié)省能耗、提供傳輸效率、降低誤碼率等)而進行的協(xié)作非常普遍，這種優(yōu)化工作使傳感器網(wǎng)絡體系結構中各個層次之間的耦合變得更加緊密，上層協(xié)議需要了解下層協(xié)議(不僅僅限于相鄰的下層)所提供效勞的質量，下層協(xié)議的運行需要上層協(xié)議(不僅僅限于相鄰的上層)的建議和指導，這違背了傳統(tǒng)分層網(wǎng)絡體系結構中只有相鄰兩層之間才可以進行消息交互的約定。這種協(xié)議的跨層設計無疑會增加體系結構設計的復雜度，但是實踐證明它是提高系統(tǒng)整體性能的有效方法。4.增強平安性

由于無線傳感器網(wǎng)絡采用無線通信的方式，信道缺少必要的屏蔽和保護，更容易受到攻擊和竊聽，所以無線傳感器網(wǎng)絡體系結構設計過程中要將平安方面的考慮提升到一個重要的位置上，設計一定的平安機制，確保所提供效勞的質量，確保所提供效勞的平安性和可靠性。這些平安機制必須是自下而上地貫穿于體系結構的各個子層。5.支持多協(xié)議

與“互聯(lián)網(wǎng)依賴于統(tǒng)一的TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)端到端的通信〞相比，無線傳感器網(wǎng)絡的形式與應用具有多樣性，除了轉發(fā)分組外，更重要的是負責將監(jiān)測區(qū)域內無線通信子網(wǎng)采集到的數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)等外部網(wǎng)絡傳輸給用戶，這需要多協(xié)議的支持。例如，在監(jiān)測區(qū)域內部子網(wǎng)工作時，采用Zigbee協(xié)議播送或者組網(wǎng)的方式，但是當接入外部互聯(lián)網(wǎng)時需要屏蔽Zigbee協(xié)議，提供與外部網(wǎng)絡互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)無縫信息交互的手段。6.支持有效的資源發(fā)現(xiàn)機制

在設計無線傳感器網(wǎng)絡時，需要考慮提供定位監(jiān)測信息的類型、覆蓋區(qū)域的范圍，并獲得具體監(jiān)測信息的訪問接口。傳感器網(wǎng)絡資源發(fā)現(xiàn)包括網(wǎng)絡自組織、網(wǎng)絡編址和路由等。拓撲結構自動生成是無線傳感器網(wǎng)絡的一個特點，部署大規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡不可能預先知道網(wǎng)絡拓撲，依據(jù)單一符號(如IP地址或者節(jié)點ID)來編址(效率不高)，可以考慮根據(jù)節(jié)點采集數(shù)據(jù)的多種屬性(如溫度、濕度等)來進行編址。這種編址方案本身就應該屬于無線傳感器網(wǎng)絡的體系結構研究內容之一。當然，在新的編址方案下，無線傳感器網(wǎng)絡體系結構還需對相應的資源發(fā)現(xiàn)機制給予必要的支持。7.支持可靠的低延時通信

各種類型的傳感器網(wǎng)絡節(jié)點工作在監(jiān)測區(qū)域內，物理環(huán)境的各種參數(shù)動態(tài)變化很快，需要網(wǎng)絡協(xié)議的實時性，因此，無線傳感器網(wǎng)絡體系結構必須支持低延時的可靠傳輸。

8.支持容忍延時的非面向連接通信

由于傳感器應用需求不一樣，有些任務對實時性要求不高，如海洋監(jiān)測、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測等。有些應用隨時都可能出現(xiàn)拓撲動態(tài)變化，在這種情況下節(jié)點的移動性使節(jié)點保持長期穩(wěn)定的連通性比較困難，因此，引入非面向連接的通信，其目的是即使在連通無法保持的狀態(tài)下也能進行通信。9.開放性

近年來無線傳感器網(wǎng)絡衍生出來的水聲傳感器網(wǎng)絡和無線地下傳感器網(wǎng)絡，使無線傳感器網(wǎng)絡應該具備充分的開放性，來包容這些已經(jīng)出現(xiàn)或未來可能出現(xiàn)的新型同類網(wǎng)絡。

本節(jié)從無線傳感器網(wǎng)絡與現(xiàn)有無線網(wǎng)絡的區(qū)別出發(fā)，詳細介紹無線傳感器網(wǎng)絡的特點。1.5WSN特點1.5.1與現(xiàn)有無線網(wǎng)絡的區(qū)別

目前，無線網(wǎng)絡可以分為兩種：一種是有根底設施的網(wǎng)絡，此類網(wǎng)絡需要有固定的基站；另一種是無根底設施的網(wǎng)絡，又稱無線自組織網(wǎng)絡(AdHocNetwork)。前一種網(wǎng)絡比較常見，如移動、聯(lián)通和電信網(wǎng)絡，需要高大的天線和大功率基站來支持，常見的有根底設施的網(wǎng)絡為無線寬帶網(wǎng)，包括GSM、CDMA、3G、Beyond3G、4G、WLAN(WIFI)和WMAN(WiMax)等，這些網(wǎng)絡都有固定的基站，網(wǎng)絡的規(guī)劃、部署、配置、管理、維護和運營一般需要管理員干預來完成。無線自組織網(wǎng)絡(即AdHoc網(wǎng)絡)的特點是分布式的，沒有專門的固定基站，但能夠快速、靈活和方便地組網(wǎng)。無線傳感器網(wǎng)絡和AdHoc網(wǎng)絡作為快捷靈活的組網(wǎng)方式，根本不需要人的干預，大局部工作是以自組織的方式完成的，因此可以將它們統(tǒng)稱為自組織網(wǎng)絡。雖然無線傳感器網(wǎng)絡和AdHoc網(wǎng)絡存在著相似之處，同時也存在很大的差異。這些差異主要集中在以下三個方面：節(jié)點規(guī)模、節(jié)點部署和工作模式。1.節(jié)點規(guī)模

就節(jié)點規(guī)模而言，AdHoc網(wǎng)絡與無線傳感器網(wǎng)絡的差異如下所：

?AdHoc網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)量比較少，一般由幾十個到上百個節(jié)點組成，采用無線通信方式、動態(tài)組網(wǎng)、多跳方式組成移動性的對等網(wǎng)絡，大多數(shù)節(jié)點是移動的。

無線傳感器網(wǎng)絡是集成了監(jiān)測、控制以及無線通信的網(wǎng)絡系統(tǒng)，節(jié)點數(shù)目龐大，可以到達成千上萬，且節(jié)點分布密集。通常情況下，大多數(shù)傳感器節(jié)點是固定不動的(或者只有少數(shù)節(jié)點移動)，節(jié)點具有的能量、處理能力、存儲能力和通信能力都是有限的。由于環(huán)境影響和能量耗盡，節(jié)點容易出現(xiàn)故障，環(huán)境干擾和節(jié)點故障容易造成網(wǎng)絡拓撲結構的變化。所以傳感器節(jié)點在設計上要考慮能源的節(jié)約與優(yōu)化。無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點在部署完成之后大局部節(jié)點不會再移動，網(wǎng)絡拓撲結構是靜態(tài)的。雖然局部節(jié)點會因調度機制(如拓撲控制)，或者失效等原因改變網(wǎng)絡拓撲結構，但依然可以認為無線傳感器網(wǎng)絡的拓撲結構是靜態(tài)的。3.工作模式

就工作模式而言，AdHoc網(wǎng)絡與無線傳感器網(wǎng)絡的差異如下：

?AdHoc網(wǎng)絡中任意兩節(jié)點之間都是可以互相通信的，路由協(xié)議是以傳輸為目的的。

無線傳感器網(wǎng)絡中終端節(jié)點將數(shù)據(jù)傳輸給上一層路由節(jié)點或者會聚節(jié)點，即多對一通信，而終端節(jié)點之間是不通信的，所以路由協(xié)議是以數(shù)據(jù)為中心的。

綜上所述，AdHoc網(wǎng)絡路由協(xié)議在設計上比無線傳感器網(wǎng)絡的路由協(xié)議要復雜很多。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)點傳感器精度的要求。

大量冗余節(jié)點的存在，使得系統(tǒng)具有很強的容錯性能，可以增大覆蓋的監(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)點被放置的環(huán)境沒有根底網(wǎng)絡結構，傳感器節(jié)點的位置不能預先精確地設定，節(jié)點之間的相互鄰居關系預先也不知道。這樣要求傳感器節(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)議自動形成轉發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)的多跳無線網(wǎng)絡系統(tǒng)。

在傳感器節(jié)點網(wǎng)絡使用過程中，局部傳感器節(jié)點由于能量耗盡或者環(huán)境因素造成失效，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)地增減，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以下因素而發(fā)生改變：

環(huán)境因素或電能耗盡造成傳感器節(jié)點出現(xiàn)故障或失效。

環(huán)境條件變化可能造成無線通信鏈路帶寬變化，時斷時通。

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。

新節(jié)點的參加。

這就要求無線傳感器網(wǎng)絡要能夠適應這種變化，具有動態(tài)系統(tǒng)的可重構性。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，被破壞的可能性極大，并且傳感器節(jié)點往往采用隨機部署，如通過飛機隨機散播，這就要求傳感器節(jié)點非常鞏固，不易損壞，適應各種惡劣的環(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，網(wǎng)絡的維護十分困難，甚至不可維護。傳感器網(wǎng)絡的通信保密性和平安性也十分重要，要防止監(jiān)測數(shù)據(jù)被盜取和獲取偽造監(jiān)測信息，因此，傳感器網(wǎng)絡的軟硬件必須具有魯棒性(穩(wěn)定性或可靠性)和容錯性。6.以數(shù)據(jù)為中心

傳感器網(wǎng)絡是任務型網(wǎng)絡，脫離傳感器網(wǎng)絡談論傳感器節(jié)點沒有任何意義。由于傳感器網(wǎng)絡節(jié)點隨機部署，構成傳感器網(wǎng)絡與節(jié)點編號之間的關系完全是動態(tài)的，與節(jié)點位置沒有必然的聯(lián)系。用戶使用傳感器網(wǎng)絡查詢事件時，直接將事件通告給網(wǎng)絡，而不是通告給某個確定編號的節(jié)點(即將數(shù)據(jù)播送到整個網(wǎng)絡中)。網(wǎng)絡在指定時間內將數(shù)據(jù)匯報給用戶。由此可以看出無線傳感器網(wǎng)絡是以數(shù)據(jù)本身作為查詢或傳輸線索，所以通常說傳感器網(wǎng)絡是一個以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡。

無線傳感器網(wǎng)絡的操作系統(tǒng)是無線傳感器網(wǎng)絡的根本軟件環(huán)境，是無線傳感器網(wǎng)絡應用軟件開發(fā)的根底。它定義了一套通用的界面框架，允許應用程序選擇效勞的實現(xiàn)。另外還提供框架的模塊化，以便適應硬件的多樣性。本小節(jié)主要講述現(xiàn)階段廣泛應用的三種操作系統(tǒng)，并作出比較。1.6WSN操作系統(tǒng)1.6.1現(xiàn)有的操作系統(tǒng)

隨著無線傳感器網(wǎng)絡的開展，目前已經(jīng)出現(xiàn)了好幾種應用于無線傳感器網(wǎng)絡的操作系統(tǒng)，比較有突出代表性的操作系統(tǒng)有以下幾種。

1.?TinyOS操作系統(tǒng)

TinyOS操作系統(tǒng)是加州大學伯克利分校(UCBerkeley,UCB)的DavidCuller領導研究小組為無線傳感器網(wǎng)絡量身定制的嵌入式操作系統(tǒng)。TinyOS系統(tǒng)的核心代碼和數(shù)據(jù)大概有400字節(jié)左右，能夠突破傳感器資源少的限制。TinyOS系統(tǒng)現(xiàn)階段已經(jīng)成為無線傳感器網(wǎng)絡領域事實上的標準平臺。2.?MANTIS操作系統(tǒng)

MANTISOS(MultimodA1NeTworksofIn-situSensorsOS，MOS)是由美國科羅拉多大學MANTIS工程組為無線傳感器網(wǎng)絡開發(fā)的源代碼公開的多線程操作系統(tǒng)。他的內核和API采用標準C語言，提供熟悉的類UNIX的編程環(huán)境。

MOS系統(tǒng)采用經(jīng)典的分層式多線程結構，如所示。

MOS系統(tǒng)包括內核/調度器、通信層(COMM)、設備驅動層、網(wǎng)絡棧以及命令效勞器。應用程序線程和底層操作系統(tǒng)API相互獨立，所以MOS通過提供不同平臺的API可以實現(xiàn)對多個平臺的支持。

圖1-10MOS系統(tǒng)架構3.

SOS操作系統(tǒng)

SOS操作系統(tǒng)由加州大學洛杉磯分校的網(wǎng)絡和嵌入式實驗室(NESL)為無線傳感器網(wǎng)絡開發(fā)的操作系統(tǒng)。SOS系統(tǒng)與TinyOS系統(tǒng)一樣，也是一個事件驅動操作系統(tǒng)，可以實現(xiàn)消息傳遞、動態(tài)內存管理、模塊裝載和卸載。

SOS系統(tǒng)由可以動態(tài)加載的模塊和靜態(tài)的系統(tǒng)內核組成，靜態(tài)內核可以先被燒錄到節(jié)點上，節(jié)點運行過程中用戶還可以根據(jù)任務的需要動態(tài)地增刪模塊。靜態(tài)內核實現(xiàn)了最根本的效勞，包括底層抽象、靈活的優(yōu)先級消息調度器、動態(tài)內存分配等功能。其中，簡單的動態(tài)內存分配機制減小了編程復雜度，并增加了內存的重用度；而可以動態(tài)加載的模塊那么實現(xiàn)了系統(tǒng)大多數(shù)的功能，包括驅動程序、協(xié)議和應用程序等。這些模塊本身都是獨立的代碼實體，可以實現(xiàn)一項具體的任務和功能，并且對模塊的修改不會中斷操作系統(tǒng)。SOS的系統(tǒng)架構如所示。

圖1-11SOS系統(tǒng)架構4.三種操作系統(tǒng)的比較

目前無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點操作系統(tǒng)的調度系統(tǒng)可以分為事件驅動單線程系統(tǒng)和多線程系統(tǒng)。

事件驅動單線程系統(tǒng)以TinyOS為代表，其根本特點是：任務由中斷產(chǎn)生，任務持續(xù)運行直至結束。

多線程系統(tǒng)以MOS為代表。它們在設計和實現(xiàn)上有很大差異。

從理論分析看，事件驅動單線程系統(tǒng)，與多線程系統(tǒng)的比較如表1-3所示。表1-4操作系統(tǒng)比較事件驅動模式，TinyOS的應用程序都是基于事件驅動模式的，采用事件觸發(fā)去喚醒傳感器工作。事件相當于不同組件之間傳遞狀態(tài)信息的信號。當事件對應的硬件中斷發(fā)生時，系統(tǒng)能夠快速調用相關的事件處理程序。

輕量級線程，即任務。任務之間是平等的，不能相互搶占，應按先入先出的隊列進行調度。輕線程是針對節(jié)點并發(fā)操作比較頻繁且線程比較短的問題提出的。

兩級調度方式，任務(即一個進程)一般都用于事件要求不是很高的應用中。通常每一個任務都很短小，使系統(tǒng)的負擔較輕，事件一般用在對于時間的要求很嚴格的應用中，且它可以占先優(yōu)于任務和其他事件執(zhí)行。在TinyOS中一般由硬件中斷處理來驅動事件。

分階段作業(yè)，為了讓一個耗時較長的操作盡快完成，TinyOS沒有提供任何阻塞操作。而是一般將這個操作的請求和這個操作的完成分開實現(xiàn)，以便獲得較高的執(zhí)行效率。

主動消息通信，每一個消息都維護一個應用層的處理程序。當節(jié)點收到消息后，把消息中的數(shù)據(jù)作為參數(shù)，傳遞給應用層的處理程序，由其完成消息數(shù)據(jù)的解析、計算處理和發(fā)送響應消息等任務。1.6.3TinyOS體系結構

TinyOS操作系統(tǒng)最初通過匯編語言和C語言編寫，但C語言不能有效、方便地支持面向無線傳感器網(wǎng)絡的應用程序和操作系統(tǒng)的開發(fā)。因此，科研人員對C語言進行擴展，提出了支持組件化編程的nesC(Clanguagefornetworkembeddedsystem)語言，把組件化、模塊化思想和基于事件驅動的執(zhí)行模式結合起來。

TinyOS操作系統(tǒng)采用組件的結構，它是一個基于事件的系統(tǒng)。系統(tǒng)本身提供了一系列的組件供用戶調用，其中包括主組件、應用組件、執(zhí)行組件和感知組件、通信組件和硬件抽象組件，如所示。

圖1-12TinyOS體系結構組件由下到上通?？梢苑譃槿悾河布橄蠼M件、綜合硬件組件和高層軟件組件。

硬件抽象組件是將物理硬件映射到TinyOS的組件模型。

綜合硬件組件那么模擬高級的硬件行為，如感知組件、通信組件等。高層軟件組件實現(xiàn)控制、路由以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)葢脤拥墓δ堋?/p>

高層軟件組件向底層組件發(fā)出命令，底層組件向高層組件報告事件。TinyOS的層次結構就如同一個網(wǎng)絡協(xié)議棧，底層的組件負責接收和發(fā)送最原始的數(shù)據(jù)位，而高層的組件對這些數(shù)據(jù)進行編碼、解碼，更高層的組件那么負責數(shù)據(jù)打包、路由選擇以及數(shù)據(jù)傳輸。

調度器具有兩層結構，第一層維護著命令和事件，主要是在硬件中斷發(fā)生時對組件的狀態(tài)進行處理；第二層維護著任務，負責各種計算，只有當組件狀態(tài)維護工作完成后，任務才能被調度。TinyOS調度模型主要有以下幾特點：

任務單線程運行結束，只分配單個任務棧，這對內存受限的系統(tǒng)很有利。

沒有進程管理概念，對任務按簡單的FIFO隊列進行調度。

FIFO的任務調度策略具有能耗敏感性，當任務隊列為空時，處理器進入休眠，隨后由外部中斷事件喚醒CPU進行任務調度。

兩級的調度結構可以實現(xiàn)優(yōu)先執(zhí)行少量同事件相關的處理，同時