無線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理及應(yīng)用第1章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述

第1章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述1.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信的方式形成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)覆蓋的地理區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)布給觀察者。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由無線傳感器、感知對象和觀察者三個根本要素構(gòu)成。無線是指傳感器與觀察者之間、傳感器之間的通信方式，能夠在傳感器與觀察者之間建立通信路徑。無線傳感器的根本組成包括如下幾個單元：電源、傳感部件、處理部件、通信部件和軟件等。此外，還可以選擇其他的功能單元，如定位系統(tǒng)、移動系統(tǒng)以及電源自供電系統(tǒng)等。圖1-1所示為傳感節(jié)點的物理結(jié)構(gòu)。傳感節(jié)點一般由傳感單元、數(shù)據(jù)處理單元、定位裝置(GPS)、移動裝置、能源(電池)及網(wǎng)絡(luò)通信單元(收發(fā)裝置)等六大部件組成，其中傳感單元負責被監(jiān)測對象原始數(shù)據(jù)的采集，采集到的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理單元的處理之后，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)揭粋€數(shù)據(jù)會聚中心節(jié)點(Sink)，由Sink再通過因特網(wǎng)或衛(wèi)星傳輸?shù)接脩魯?shù)據(jù)處理中心。圖1-1傳感節(jié)點的物理結(jié)構(gòu)理論的提出，傳統(tǒng)的電池被參加了許多新的元素，太陽能電池、微光電池、生物能電池、地熱能電池等一系列可以從自然界中汲取能量轉(zhuǎn)換為電能的電池的出現(xiàn)，使得能量的自補充成為可能。從理論上來講，新型電池能持久供給能量，但由于工程實踐中生產(chǎn)這種微型化的電池還有相當?shù)碾y度以及受到節(jié)點部署區(qū)域特定地理環(huán)境等限制，其效果并不理想，如何進一步縮小其體積是目前研究的重點。為了盡可能地延長整個傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期，在設(shè)計傳感器節(jié)點時，保證能量供給的持續(xù)性是一個重要的設(shè)計原那么。傳感器節(jié)點能量消耗的模塊主要包括傳感器模塊、信息處理模塊和無線通信模塊，而絕大局部的能量消耗集中在無線通信模塊上，圖1-2節(jié)點部署圖借助于節(jié)點內(nèi)置的、形式多樣的感知模塊，可測量所在環(huán)境中的熱、紅外、聲納、雷達和地震波信號，從而探測包括溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分以及移動物體的大小、速度和方向等眾多我們感興趣的物質(zhì)現(xiàn)象。節(jié)點的計算模塊先對數(shù)據(jù)進行簡單處理，再采用微波、無線、紅外和光等多種通信形式，通過多跳中繼方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送到會聚節(jié)點。會聚節(jié)點將接收到的數(shù)據(jù)進行融合及壓縮后，最后通過因特網(wǎng)或其他網(wǎng)絡(luò)通信方式將監(jiān)測信息傳送到管理節(jié)點。同樣的，用戶也可以通過管理節(jié)點進行命令的發(fā)布，通知傳感器節(jié)點收集指定區(qū)域的監(jiān)測信息。圖1-3給出了一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，圖中，網(wǎng)絡(luò)的局部節(jié)點組成了一個與Sink進行通信的數(shù)據(jù)鏈路，再由Sink把數(shù)據(jù)傳送到衛(wèi)星或者因特網(wǎng)，最后通過該鏈路和Sink進行數(shù)據(jù)交換并借此使數(shù)據(jù)到達最終用戶手中。圖1-3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)依據(jù)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的連接特點，在研究中，一般利用圖論的概念將傳感器網(wǎng)絡(luò)抽象成一種單位圓平面圖(Unit-DiskGraph)，即假設(shè)傳感節(jié)點具有相同的有效傳輸半徑R，那么認為彼此處于傳輸半徑范圍內(nèi)(半徑為R的平面圓內(nèi))的節(jié)點之間存在一條單位長度的無向邊。按照源節(jié)點的分布情況，傳感器網(wǎng)絡(luò)模型可分為事件半徑模型和隨機源節(jié)點模型兩種。圖1-4與圖1-5分別給出了傳感器網(wǎng)絡(luò)的事件半徑模型和隨機源節(jié)點模型。

在圖1-4所示的事件半徑模型中，星形符號表示要監(jiān)測的事件，在以該事件為圓心、半徑為R的圓內(nèi)的所有非Sink節(jié)點的傳感節(jié)點被選擇為數(shù)據(jù)源。而在圖1-5所示的隨機源節(jié)點模型中，隨機選擇K個非Sink節(jié)點的傳感節(jié)點作為數(shù)據(jù)源。圖1-4傳感器網(wǎng)絡(luò)的事件半徑模型圖1-5傳感器網(wǎng)絡(luò)的隨機源節(jié)點模型傳感器網(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)是集成了檢測、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(上千甚至上萬個)，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)拓撲結(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)計目標是提高效勞質(zhì)量和高效地使用帶寬，其次才考慮節(jié)約能源，而傳感器網(wǎng)絡(luò)的首要設(shè)計目標是能源的高效使用，這也是傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)最重要的區(qū)別之一。1.2.2傳感器節(jié)點的限制

傳感器節(jié)點在實現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和應(yīng)用系統(tǒng)時，存在以下一些實現(xiàn)的約束。

1．電源能量有限

傳感器節(jié)點體積微小，通常只能攜帶能量十分有限的電池。由于傳感器節(jié)點個數(shù)多、本錢要求低廉、分布區(qū)域廣，而且部署區(qū)域環(huán)境復(fù)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。如何高效地使用能量來最大化網(wǎng)絡(luò)生命周期是傳感器網(wǎng)絡(luò)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，絕大局部能量消耗在無線通信模塊上。

傳感器節(jié)點傳輸信息時要比執(zhí)行計算時更消耗電能。無線通信模塊存在發(fā)送、接收、空閑和休眠4種狀態(tài)。無線通信模塊在空閑狀態(tài)時，一直監(jiān)測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)時，關(guān)閉通信模塊。無線通信模塊在發(fā)送狀態(tài)時的能量消耗最大；在空閑狀態(tài)和接收狀態(tài)時的能量消耗接近，略少于發(fā)送狀態(tài)時的能量消耗；在休眠狀態(tài)時的能量消耗最少。如何讓網(wǎng)絡(luò)通信更有效率，減少不必要的轉(zhuǎn)發(fā)和接收，以及在不需要通信時如何使網(wǎng)絡(luò)盡快地進入休眠狀態(tài)，是傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計時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(guān)系為

E?=?k·dn

其中，參數(shù)n滿足關(guān)系2?<?n?<?4。n的取值與很多因素有關(guān)，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)射的影響也很大?？紤]諸多因素，通常n取3，即通信消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(yīng)盡量減少通信距離。一般而言，傳感器節(jié)點的無線通信半徑在100m以內(nèi)比較適宜?？紤]到傳感器節(jié)點的能量限制和網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域范圍大的特點，傳感器網(wǎng)絡(luò)通常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，通常僅有每秒幾百千位的傳輸速率。由于節(jié)點能量的變化受建筑物、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)通信中斷的現(xiàn)象。在這樣的通信環(huán)境和節(jié)點有限通信能力的情況下，如何使網(wǎng)絡(luò)通信機制滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信需求是傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時面臨的挑戰(zhàn)之一。3．計算和存儲能量有限

傳感器節(jié)點是一種微型嵌入式設(shè)備，要求它的價格低、功耗小，這些限制必然導(dǎo)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(wù)，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(yīng)答會聚節(jié)點的任務(wù)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(wù)成為傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的挑戰(zhàn)之一。1.2.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點

1．計算和存儲能力有限

傳感器節(jié)點是一種微型嵌入式設(shè)備，要求它的價格低、功耗小，這些限制必然導(dǎo)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(wù)，傳感器節(jié)點需要利用有限的計算和存儲資源完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的管理和處理、應(yīng)答會聚節(jié)點的任務(wù)請求和節(jié)點控制等多種工作。2．動態(tài)性強

傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)可能因為以下因素而改變：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；環(huán)境條件變化可能造成無線通信鏈路帶寬變化，甚至?xí)r斷時通；傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器、感知對象和觀察者這三個要素都可能具有移動性；新節(jié)點的參加。這就要求傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要能夠適應(yīng)這種變化，具有動態(tài)的系統(tǒng)可重構(gòu)性。3．網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、密度高

為了獲取盡可能精確、完整的信息，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常密集部署在大片的監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，傳感器節(jié)點數(shù)量可能到達成千上萬個，甚至更多。大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)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；通過大量冗余節(jié)點的協(xié)同工作，使得系統(tǒng)具有很強的容錯性并且增大了覆蓋的監(jiān)測區(qū)域，減少了盲區(qū)。4．可靠性高

傳感器網(wǎng)絡(luò)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(guān)人員或動物的破壞。傳感器節(jié)點往往采取隨機部署，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)點非常穩(wěn)固，不易損壞，能適應(yīng)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〞到每一個傳感器節(jié)點，因此網(wǎng)絡(luò)的維護十分困難，甚至不可能。傳感器網(wǎng)絡(luò)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)被盜取和獲取偽造的監(jiān)測信息。因此，傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟硬件必須具有魯棒性和容錯性。6．以數(shù)據(jù)為中心

在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，人們只關(guān)心某個區(qū)域的某個觀測指標的值，而不會去關(guān)心具體某個節(jié)點的觀測數(shù)據(jù)，以數(shù)據(jù)為中心的特點要求傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠脫離傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的尋址過程，快速有效地組織起各個節(jié)點的信息并融合提取出有用信息，直接傳送給用戶。

例如，在應(yīng)用于目標跟蹤的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，跟蹤目標可能出現(xiàn)在任何地方，對目標感興趣的用戶只關(guān)心目標出現(xiàn)的位置和時間，并不關(guān)心是哪個節(jié)點檢測到目標的。事實上，在目標移動的過程中，必然是由不同的節(jié)點提供目標的位置信息的。3．醫(yī)療護理方面的應(yīng)用

傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療系統(tǒng)和健康護理方面的應(yīng)用包括監(jiān)測人體的各種生理數(shù)據(jù)，跟蹤和監(jiān)控醫(yī)院內(nèi)醫(yī)生和患者的行動，監(jiān)視醫(yī)院的藥物管理等。如果在住院病人身上安裝特殊用途的傳感器節(jié)點，如心率和血壓監(jiān)測設(shè)備，醫(yī)生利用傳感器網(wǎng)絡(luò)就可以隨時了解被監(jiān)護病人的病情，發(fā)現(xiàn)異常時能夠迅速搶救。將傳感器節(jié)點按藥品種類分別放置，計算機系統(tǒng)即可幫助識別所開的藥品，從而減少病人用錯藥的可能性。人工視網(wǎng)膜是一個生物醫(yī)學(xué)的應(yīng)用工程，在SSIM(SmartSensorsandIntegratedMicrosystems)方案中，替代視網(wǎng)膜的芯片由100個微型的傳感器組成，并置入人眼，目的是使失明者或者視力極差者能夠恢復(fù)到一個可以接受的視力水平。傳感器的無線通信滿足反響控制的需要，有利于圖像的識別和確認。4．智能家居方面的應(yīng)用

傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠應(yīng)用在家居中。在家電和家具中嵌入傳感器節(jié)點，通過無線網(wǎng)絡(luò)與因特網(wǎng)連接在一起，將會為人們提供更加舒適、方便和更具人性化的智能家居環(huán)境。利用遠程監(jiān)控系統(tǒng)可完成對家電的遠程遙控，例如可以在回家之前半小時翻開空調(diào)，也可以遙控電飯鍋、微波爐、電冰箱、機、電視機、電腦等家電，使它們按照自己的意愿完成相應(yīng)的煮飯、炒菜、查收留言、選擇錄制電視和電臺節(jié)目以及下載網(wǎng)上資料到電腦中等工作，也可以通過圖像傳感設(shè)備隨時監(jiān)控家庭平安情況。利用傳感器網(wǎng)絡(luò)可以建立智能幼兒園，監(jiān)測孩童的早期教育環(huán)境，跟蹤孩童的活動軌跡，可以讓父母和老師全面地了解學(xué)生的學(xué)習(xí)過程。5．建筑物狀態(tài)監(jiān)控方面的應(yīng)用

建筑物狀態(tài)監(jiān)控(StructureHealthMonitoring，SHM)是利用傳感器網(wǎng)絡(luò)來監(jiān)控建筑物的平安狀態(tài)的。作為CITRIS(CenterofInformationTechnologyResearchintheInterestofSociety)方案的一局部，美國加州大學(xué)伯克利分校的環(huán)境工程和計算機科學(xué)家們采用傳感器網(wǎng)絡(luò)，讓大樓、橋梁和其他建筑物能夠自身感覺并識別它們本身的狀況。使得安裝了傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能建筑自動告訴管理部門它們的狀態(tài)信息，并且能夠自動按照優(yōu)先級來進行一系列自我修復(fù)工作。未來的各種摩天大樓可能就會安裝這種類似紅綠燈的裝置，從而建筑物可自動告訴人們當前是否平安、穩(wěn)固程度如何等信息。英特爾、微軟公司等信息工業(yè)界巨頭也開始了傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的工作。日本、德國、英國、意大利等科技興旺國家也對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出了極大的興趣，紛紛展開了該領(lǐng)域的研究工作。我國對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究才剛剛起步，在傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的研究工作還不多。目前，國內(nèi)一些高等院校與研究機構(gòu)已積極開展無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究工作，這些高等院校與研究機構(gòu)主要有清華大學(xué)、中科院軟件所、浙江大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中科院自動化所等。此外，為了在降低網(wǎng)絡(luò)能耗的同時，保證網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測質(zhì)量不變。要求能量管理還必須注意到：①網(wǎng)絡(luò)的能量管理不是一個獨立的研究內(nèi)容，必須與網(wǎng)絡(luò)的其他性能結(jié)合起來考慮；②在降低網(wǎng)絡(luò)能耗的同時，要求網(wǎng)絡(luò)有較強的魯棒性；③采用跨層設(shè)計的理念。

2．網(wǎng)絡(luò)的自組織與自我管理

一般情形下，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是自動部署的，傳感器節(jié)點被拋撒入監(jiān)控區(qū)域后，進入自啟動階段，并與鄰居節(jié)點互相交換狀態(tài)信息，同時將此信息傳送給基站，基站根據(jù)這些信息形成網(wǎng)絡(luò)的拓撲。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)主要有三種形式：基于簇的分層結(jié)構(gòu)；基于網(wǎng)的平面結(jié)構(gòu)；基于鏈的線結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)自組織與自管理的目標是依據(jù)節(jié)點的能量水平合理地分配任務(wù)，有效地延長網(wǎng)絡(luò)壽命；當節(jié)點失效時，重新生成拓撲結(jié)構(gòu)。在層次結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)自組織與自管理還需解決簇頭的選擇與簇的生成等問題。

3．拓撲控制

良好的拓撲控制策略，能提高路由協(xié)議和MAC協(xié)議的效率，給數(shù)據(jù)融合、時間同步和目標定位等奠定根底，有利于節(jié)省能量、延長網(wǎng)絡(luò)壽命。6．時間同步

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過大量節(jié)點的協(xié)同工作，共同完成區(qū)域監(jiān)測任務(wù)，此時實現(xiàn)節(jié)點時間同步對于分布式的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)意義重大。

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中采用的時間同步方法是以效勞器端時鐘為基準調(diào)整客戶端時鐘的。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不同，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議已不適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，需要根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特征設(shè)計新的時間同步機制。7．跨層設(shè)計

已有的大局部無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議都是基于分層結(jié)構(gòu)設(shè)計的，此時，設(shè)計者通?？紤]的都是局部優(yōu)化問題。而跨層設(shè)計能通過層與層之間交流信息實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的全局最優(yōu)。同時這種設(shè)計思想與資源受限的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相符，它能提升整個網(wǎng)絡(luò)的性能。但是通常采用跨層思想設(shè)計的系統(tǒng)對節(jié)點的性能要求較高。8．網(wǎng)絡(luò)平安

目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域主要在軍事方面，通常網(wǎng)絡(luò)部署在敵方陣營，難以實現(xiàn)人工的保護與維護。同時，由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)本身的性質(zhì)，容易形成人為的干擾，如信息竊聽、修改等可能的平安問題。因此平安問題成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要問題。

目前，針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的平安問題主要有如下一些解決方法：①物理層主要通過采用高效的加密算法和擴頻通信減少電磁干擾；②數(shù)據(jù)鏈路層與網(wǎng)絡(luò)層采用平安的協(xié)議；③應(yīng)用層采用密鑰管理與平安組播。當前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的平安方案主要是基于節(jié)點資源受限的自適應(yīng)平安機制。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的平安性方面，仍然還有許多工作要做。9．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。傳感器節(jié)點有兩個突出的特點：一個特點是并發(fā)性密集，即可能存在多個需要同時執(zhí)行的邏輯控制，這需要操作系統(tǒng)能夠有效地滿足這種發(fā)生頻繁、并發(fā)程度高、執(zhí)行過程比較短的邏輯控制流程；另一個特點是傳感器節(jié)點模塊化程度很高，要求操作系統(tǒng)能夠讓應(yīng)用程序方便地對硬件進行控制，且保證在不影響整體開銷的情況下，應(yīng)用程序中的各個局部能夠比較方便地進行重新組合。上述這兩個特點對設(shè)計面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)提出了新的挑戰(zhàn)。美國加州大學(xué)伯克利分校針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研發(fā)了TinyOS操作系統(tǒng)，在科研機構(gòu)的研究中得到了比較廣泛的使用，但仍然存在缺乏之處。1.3.4面臨的挑戰(zhàn)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不同于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與實現(xiàn)提出了新的要求，主要表達在以下幾個方面：

(1)低功耗。傳感器節(jié)點的能量十分有限，一旦投放完畢就很難再補充能量。節(jié)點能量耗盡就“死亡〞，當網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的死亡率到達一定的比例時網(wǎng)絡(luò)就結(jié)束了。為了盡可能地延長網(wǎng)絡(luò)壽命，需要在設(shè)計網(wǎng)絡(luò)時充分地考慮節(jié)能因素。(2)實時性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在實際應(yīng)用中，通常有實時性要求。例如：在車載監(jiān)控系統(tǒng)中，系統(tǒng)每10ms讀取一次加速度的值，否那么無法判斷車輛的即時速度，這將可能引起交通事故。

(3)低本錢。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大，節(jié)點分布密集。要降低網(wǎng)絡(luò)運行本錢，關(guān)鍵要降低單個傳感器節(jié)點的本錢，此時傳感器節(jié)點的計算、通信與存儲能力都較低，那么設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與通信協(xié)議必須要有很強的針對性。此外還要求系統(tǒng)有自配置與自修復(fù)功能，從而減少系統(tǒng)的管理與維護開銷。(4)平安。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)受資源限制，設(shè)計的通信協(xié)議通常開銷較低，但這引起新的網(wǎng)絡(luò)問題，即平安問題。如何減少數(shù)據(jù)加密、身份認證、入侵檢測等的開銷是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計面臨的新問題。

(5)協(xié)作。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常是在多個傳感器節(jié)點的協(xié)同工作下共同完成既定的任務(wù)。通過逐跳中繼方式傳遞數(shù)據(jù)時涉及到網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計與能量消耗問題，這也是目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的熱點。1.4.1基于通用網(wǎng)絡(luò)的仿真平臺

1．NS2

NS2是由伯克利大學(xué)1989年開始開發(fā)的一種源代碼開放的共享軟件，是一種可擴展、可重用、基于離散事件驅(qū)動、面向?qū)ο蟮姆抡孳浖?。NS2可以用于仿真各種不同的IP網(wǎng)，實現(xiàn)了多播、一些MAC子層協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議(如：TCP/UDP協(xié)議)、業(yè)務(wù)源流量產(chǎn)生器、路由隊列管理機制以及路由算法等。其拓撲結(jié)構(gòu)有星型拓撲(單跳)和對等式拓撲(AdHoc網(wǎng)絡(luò)多跳形式)兩種，通過編程語言O(shè)TCL(具有面向?qū)ο筇匦缘腡CL腳本程序設(shè)計語言)和C++?實現(xiàn)。2．OPNET

OPNET是一個強大的、面向?qū)ο蟮?、離散事件驅(qū)動的通用網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境。作為一個全面的集成開發(fā)環(huán)境，在無線傳輸方面的建模能力涉及仿真研究的各階段，包括模型設(shè)計、仿真、數(shù)據(jù)搜集和數(shù)據(jù)分析，所有的無線特性與高層協(xié)議模型無縫連接。

當然，還有其他通用網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的仿真環(huán)境，如GloMoSim、SENSE、Shawn等。2．OMNET++

OMNET++是一種開源的、基于組件的、模塊化的開放網(wǎng)絡(luò)仿真平臺，近年來在科學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域逐漸流行。作為離散事件仿真器，其具備強大完善的圖