無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究報告

寬帶通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)課論文學(xué)號、專業(yè)：信息與通信工程姓名：論文題目：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究報告指導(dǎo)教師：所屬學(xué)院：信息與通信學(xué)院成績評定教師簽名桂林電子科技大學(xué)研究生院2013年12月15日摘要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量隨機(jī)分布的集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的微小節(jié)點組成,節(jié)點間通過自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò),是一種大規(guī)模、無人值守、資源嚴(yán)格受限的分布系統(tǒng)。是能根據(jù)環(huán)境自主完成指定任務(wù)的智能系統(tǒng);是隨著無線通信和嵌入式計算技術(shù)、傳感器技術(shù)、微機(jī)電技術(shù)的開展而開展起來的一種新興信息獲取技術(shù),改變了人類與自然界的交互方式;在軍事、環(huán)境監(jiān)測、空間探索、反恐防暴、災(zāi)難援救、醫(yī)療衛(wèi)生、智能家居等方面顯示了潛在的巨大應(yīng)用價值。本文，簡要介紹了無線傳感器的體系結(jié)構(gòu)、傳感器節(jié)點組成結(jié)構(gòu)、協(xié)議棧結(jié)構(gòu)等，進(jìn)一步介紹了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)特征和無線傳感網(wǎng)用到的關(guān)鍵技術(shù)。關(guān)鍵字：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，定位技術(shù)，協(xié)議棧引言無線傳感器網(wǎng)絡(luò)〔WirelessSensorNetworks，WSN〕是當(dāng)前在國際上備受關(guān)注的、涉及多學(xué)科高度交叉、知識高度集成的前沿?zé)狳c研究領(lǐng)域。傳感器技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)和無線通信等技術(shù)的進(jìn)步，推動了現(xiàn)代無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生和開展。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展了人們信息獲取能力，將客觀世界的物理信息同傳輸網(wǎng)絡(luò)連接在一起，在下一代網(wǎng)絡(luò)中將為人們提供最直接、最有效、最真實的信息。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠獲取客觀物理信息，具有十分廣闊的應(yīng)用前景，能應(yīng)用于軍事國防、工農(nóng)業(yè)控制、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境檢測、搶險救災(zāi)、危險區(qū)域遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域。已經(jīng)引起了許多國家學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視，被認(rèn)為是對21世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響力的技術(shù)之一。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個要素。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)〔wirelesssensornetwork〕簡稱WSN，是一種由大量小型傳感器所組成的網(wǎng)絡(luò)。這些小型傳感器一般稱作sensornode〔傳感器節(jié)點〕或者mote〔灰塵〕。一、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如下列圖1所示，傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)(sensornode)、會聚節(jié)點(sinknode)和管理節(jié)點。大量傳感器節(jié)點隨機(jī)部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部或附近，能夠通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點監(jiān)測的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點逐跳地進(jìn)行傳輸，在傳輸過程中監(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，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達(dá)管理節(jié)點。用戶通過管理節(jié)點對傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務(wù)以及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。圖1傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)傳感器節(jié)點由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供給模塊四局部組成，如圖2所示。傳感器模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；處理器模塊負(fù)責(zé)控制整個傳感器節(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)點發(fā)來的數(shù)據(jù)；無線通信模塊負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點進(jìn)行無線通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；能量供給模塊為傳感器節(jié)點提供運行所需的能量，通常采用微型電池。圖2傳感器節(jié)點的組成 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多采用五層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)：應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層。如圖3所示。與互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧的五層協(xié)議相對應(yīng)。另外，協(xié)議棧還包括能量管理平臺、移動管理平臺和任務(wù)管理平臺。這些管理平臺使得傳感器節(jié)點能夠按照能源高效的方式協(xié)同工作，在節(jié)點移動的傳感器網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，并支持多任務(wù)和資源共享。圖3傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議結(jié)構(gòu)各層協(xié)議和平臺的功能如下：物理層提供簡單但健壯的信號調(diào)制和無線收發(fā)技術(shù)；數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)成幀、幀檢測、媒體訪問和過失控制；網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)路由生成與路由選擇；傳輸層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制，是保證通信效勞質(zhì)量的重要局部；應(yīng)用層包括一系列基于監(jiān)測任務(wù)的應(yīng)用層軟件；能量管理平臺管理傳感器節(jié)點如何使用能源，在各個協(xié)議層都需要考慮節(jié)省能量；移動管理平臺檢測并注冊傳感器節(jié)點的移動，維護(hù)到會聚節(jié)點的路由，使得傳感器節(jié)點能夠動態(tài)跟蹤其鄰居的位置；任務(wù)管理平臺在一個給定的區(qū)域內(nèi)平衡和調(diào)度監(jiān)測任務(wù)。二、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特征無線自組網(wǎng)(mobilead-hocnetwork)是一個由幾十到上百個節(jié)點組成的、采用無線通信方式、動態(tài)組網(wǎng)的多跳的移動性對等網(wǎng)絡(luò)。其目的是通過動態(tài)路由和移動管理技術(shù)傳輸具有效勞質(zhì)量要求的多媒體信息流。通常節(jié)點具有持續(xù)的能量供給。傳感器網(wǎng)絡(luò)雖然與無線自組網(wǎng)有相似之處，但同時也存在很大的差異。傳感器網(wǎng)絡(luò)是集成了監(jiān)測、控制以及無線通信的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，節(jié)點數(shù)目更為龐大(上千甚至上萬)，節(jié)點分布更為密集；由于環(huán)境影響和能量耗盡，節(jié)點更容易出現(xiàn)故障；環(huán)境干擾和節(jié)點故障易造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化；通常情況下，大多數(shù)傳感器節(jié)點是固定不動的。另外，傳感器節(jié)點具有的能量、處理能力、存儲能力和通信能力等都十分有限。傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的首要設(shè)計目標(biāo)是提供高效勞質(zhì)量和高效帶寬利用，其次才考慮節(jié)約能源；而傳感器網(wǎng)絡(luò)的首要設(shè)計目標(biāo)是能源的高效利用，這也是傳感器網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)最重要的區(qū)別之一。三、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù)〔1〕網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂?/p>

傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂颇壳爸饕难芯繂栴}是在滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋度和連通度的前提下，通過功率控制和骨干網(wǎng)節(jié)點選擇，刪除節(jié)點之間不必要的無線通信鏈路，生產(chǎn)一個高效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。拓?fù)淇刂瓶梢苑譃楣?jié)點功率控制和層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形成兩個方面。功率控制方面目前已經(jīng)提出了COMPOW，LINT/lilt，CBTC，LMST，RNG，DRNG和DLSS等算法，層次型拓?fù)淇刂颇壳疤岢隽薚opDisc，GAF，LEACH和HEED等算法?！?〕網(wǎng)絡(luò)協(xié)議由于傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件資源有限和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動態(tài)變化，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不能太復(fù)雜但又要高效。目前研究的重點是網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)層的路由協(xié)議決定檢測信息的傳輸路徑，目前提出了多種類型的協(xié)議，如多個能量感知的路由協(xié)議，定向擴(kuò)散和謠傳路由等基于查詢的路由協(xié)議，GEAR和GEM等基于地理位置的路由協(xié)議，SPEED和ReInForM等支持的QoS的路由協(xié)議。數(shù)據(jù)鏈路層的介質(zhì)訪問控制用來構(gòu)建底層的根底結(jié)構(gòu)，控制傳感器節(jié)點的通信過程和工作模式。目前提出了S-MAC、T-MAC和Sift等基于競爭的MAC協(xié)議，DEANA、TRAMA、DMAC和周期性調(diào)度等時分復(fù)用的MAC協(xié)議等?！?〕時間同步時間同步是需要協(xié)同工作的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一個關(guān)鍵機(jī)制。JeremyElson和KayRomer在2002年8月的HotNets-I國際會議上首次提出并闡述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的時間同步機(jī)制的研究課題，在傳感器網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域引起了關(guān)注。目前已提出了多個時間同步機(jī)制，其中RBS、TINY/MINI-SYNC和TPSN被認(rèn)為是三個根本的同步機(jī)制。〔4〕定位技術(shù)位置信息是傳感器節(jié)點采集數(shù)據(jù)中不可缺少的局部，沒有位置信息的檢測消息通常毫無意義。確定事件發(fā)生的位置或采集數(shù)據(jù)的節(jié)點位置是傳感器網(wǎng)絡(luò)最根本的功能之一。目前的定位技術(shù)有基于距離的定位，如基于TOA的定位、基于AOA的定位、基于RSSI的定位等；和與距離無關(guān)的定位算法，如質(zhì)心算法、DV-Hop算法、APIT算法等等?！?〕數(shù)據(jù)融合

傳感器網(wǎng)絡(luò)存在能量約束。減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量能夠有效地節(jié)省能量，因此在從各個節(jié)點收集數(shù)據(jù)的過程中，可利用節(jié)點的本地計算和存儲能力處理數(shù)據(jù)的融合，去除冗余信息，從而到達(dá)節(jié)省能量的目的。由于節(jié)點的易失效性，傳感器網(wǎng)絡(luò)也需要數(shù)據(jù)融合技術(shù)對多份數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合，提高信息的準(zhǔn)確度。但融合技術(shù)會犧牲其他方面的性能，如延遲和魯棒性的代價?！?〕嵌入式操作系統(tǒng)

傳感器節(jié)點是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，攜帶非常有限的硬件資源，需要操作系統(tǒng)能夠節(jié)能高效地使用其有限的內(nèi)存、處理器和通信模塊，且能夠?qū)Ω鞣N特定應(yīng)用提供最大的支持。在面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)的支持下，多個應(yīng)用可以并發(fā)地使用系統(tǒng)的有限資源。美國加州大學(xué)伯克利分校研發(fā)了tinyos操作系統(tǒng)，在科研機(jī)構(gòu)的研究中得到了比擬廣泛的使用，但目前仍然存在缺乏之處。四、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的平安需求由于WSN使用無線通信，其通信鏈路不像有線網(wǎng)絡(luò)一樣可以做到私密可控。所以在設(shè)計傳感器網(wǎng)絡(luò)時，更要充分考慮信息平安問題。SIM卡等智能卡，利用公鑰根底設(shè)施(PublicKeyInfrastructure,PKI)機(jī)制，根本滿足了電信等行業(yè)對信息平安的需求。同樣，亦可使用PKI來滿足WSN在信息平安方面的需求。(1)數(shù)據(jù)機(jī)密性數(shù)據(jù)機(jī)密性是重要的網(wǎng)絡(luò)平安需求，要求所有敏感信息在存儲和傳輸過程中都要保證其機(jī)密性，不得向任何非授權(quán)用戶泄露信息的內(nèi)容。(2)數(shù)據(jù)完整性有了機(jī)密性保證，攻擊者可能無法獲取信息的真實內(nèi)容，但接收者并不能保證其收到的數(shù)據(jù)是正確的，因為惡意的中間節(jié)點可以截獲、篡改和干擾信息的傳輸過程。通過數(shù)據(jù)完整性鑒別，可以確保數(shù)據(jù)傳輸過程中沒有任何改變。(3)數(shù)據(jù)新鮮性數(shù)據(jù)新鮮性問題是強(qiáng)調(diào)每次接收的數(shù)據(jù)都是發(fā)送方最新發(fā)送的數(shù)據(jù)，以此杜絕接收重復(fù)的信息。保證數(shù)據(jù)新鮮性的主要目的是防止重放(Replay)攻擊。(4)可用性可用性要求傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠隨時按預(yù)先設(shè)定的工作方式向系統(tǒng)的合法用戶提供信息訪問效勞，但攻擊者可以通過偽造和信號干擾等方式使傳感器網(wǎng)絡(luò)處于局部或全部癱瘓狀態(tài)，破壞系統(tǒng)的可用性，如拒絕效勞(DenialofService,DoS)攻擊。(5)魯棒性無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的動態(tài)性和不確定性，包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?、?jié)點的消失或參加、面臨各種威脅等，因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對各種平安攻擊應(yīng)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，即使某次攻擊行為得逞，該性能也能保障其影響最小化。(6)訪問控制訪問控制要求能夠?qū)υL問無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的用戶身份進(jìn)行確認(rèn)，確保其合法性。結(jié)語無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是繼Internet后的將對人類生活方式發(fā)生重大影響的綜合技術(shù),Internet改變了人與人之間的交流、通信和溝通方式。而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)將宇宙世界與物理世界融合在一起,將改變?nèi)伺c自然的交互模式。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)得到了廣泛的關(guān)注,為社會帶來不可估量的效益,同時也引發(fā)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究熱潮。作為當(dāng)代研究生，有責(zé)任進(jìn)一步推動該網(wǎng)絡(luò)的開展，把自己在該方向的研究再提高一個臺階。參考文獻(xiàn)：[1]劉麗萍,曹鋒,王智等,基于嵌套網(wǎng)格的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能部署,信息與控制,2006.4,vol.35(2):1