无线传感器网络的基本知识点

I无线传感器网络概述

一、无线传感器网络的概念

无线传感器网络的3个基本要素为传感器、感知对象和观察者。

无线网络是传感器之间、传感器与观察者之间的通信方式，用于在传感器与观察者之间建立通信路径；协作地感知、采集、处理、发布感知信息是无线传感器网络的基本功能。

一组功能有限的传感器协作地完成大的感知任务是无线传感器网络的重要特点。

传感器主要由感知单元、传输单元、存储单元和电源组成，完成感知对象的信息采集、存储和简单的计算后，传输给观察者以提供环境的决策依据。

观察者是无线传感器网络的用户，是感知信息的接收和应用者。观察者可以是人，也可以是计算机或其它设备。

感知对象是观察者感兴趣的监测目标，也是无线传感器网络的感知对象。

一个无线传感器网络可以感知网络分布区域内的多个对象，一个对象也可以被多个无线传感器网络所感知。

二、无线传感器网络的特点

（1）硬件资源有限

（2）电源容量有限

（3）无中心

（4）自组织

（5）多跳路由

（6）动态拓扑

（7）节点数量众多，分布密集

三、无线传感器网络的学术界研究进展

1、网络技术（不太懂）

2、通信协议

无线传感器网络协议要有不同于传统Ad Hoc和因特网通信协议的原因如下：

（1）传感器网络中的传感器节点数量远大于Ad Hoc网络中的节点数；

（2）感知节点出现故障的频率要大于Ad Hoc网络；

（3）感知节点要比因特网和Ad Hoc网络中的节点简单；

（4）感知节点的能量有限；

（5）因特网的数据报头对于传感器网络来说太长，例如，每个节点必须有一个永久的地址。

美国一些大学提出了有效的协议如下：

包括谈判类协议（如SPIN-PP协议、SPIN-EC协议、SPIN-BC协议、SPIN-RL协议）、定向发布类协议、能源敏感类协议、多路径类协议、传播路由类协议、介质存取控制类、基于Cluster的协议、以数据为

中心的路由算法。

3、感知数据查询处理技术

四、无线传感器网络的研究热点

1、MAC层协议

无线传感器网络的MAC层协议必须达到如下2目标。

（1）创建网络基础设施。由于数千个传感器节点密集分散在感知区域，MAC层协议必须为数据传输建立通信链路。

（2）在传感器节点间公平有效的共享通信资源。传统的无线MAC 层协议或者没有考虑能源有效性，或者需要全局协调，因此，需要根据无线传感器网络的特点设计简单高效的MAC层协议。

2、路由

路由是无线传感器网络的一个核心问题。传统的无线Ad Hoc路由技术通常不符合无线传感器网络的需求，无线传感器网络的路由必须考虑能源有效性需求，以数据为中心，或者利用位置信息进行路由。在路由过程中同时需要考虑数据融合等操作。因此，无线传感器网络的路由协议既要有有效维持数据传输通路，又要减少网络中的通信量，还要具有一定的鲁棒性。

3、能源感知计算

如何有效节省能源是无线传感器网络的一个核心问题。能源节省涉及

节点的能源管理、网络范围内能源优化以及自适应能源/精度计算。在传感器节点上，需要实现计算、通信和存储相互协调的能源管理。在网络范围内，需要考虑通信的分布、拓扑管理、计算/通信的权衡以及如何减少通信的额外开销。同时，需要网络和应用相互配合，实施自适应能源/精度计算，有效减少能源消耗。

4、自组织

无线传感器网络的自组织可以通过2种方式实现，或者以层次结构的方式进行管理，或者采用对等管理方案。层次结构管理方案涉及组的自动生成，可以按照固定大小生成组，或者按照环境和应用的相关属性生成组。在对等方式管理中，每个传感器节点地位相同，需要研究如何通过局部对等的交互完成全局目标。

5、时间和空间约束

无线传感器网络的物理耦合性，导致其必须使用物理时间对所感知的事件建立关联，而传感器节点又通常基于空间关系决定所要采取的动作。因此，无线传感器网络具有时间和空间的约束关系。

无线传感器网络的许多应用，如数据融合、信号处理，需要多个节点具有彼此同步的物理时钟。为了达到能源有效性，无线传感器网络的时钟同步应充分按照硬件特性，并考虑同步机制和同步方式。无线传感器网络不应持续同步，而应在需要时同步，同时为了消除网络延迟的影响，应在接收者之间进行同步。

位置是建立传感器节点空间关系的一种机制。在普及计算中，位置作为一种重要的上下文信息，得到深入研究。但其解决方法大多需要事先组织，不能适应无线传感器网络任意部署、规模大的特点。对于无线传感器网络而言，其位置系统必须具有良好的可扩展性、容错性和健壮性，并能够适应资源有限的约束。

6、编程模型

为了有效支持无线传感器网络的应用，还需考虑编程模型的问题。目前存在两种编程模型：分布数据库模型和分布虚拟机模型。分布数据库模型支持说明性语言，可使用扩展SQL语言编写应用，能够有效支持无线传感器网络数据查询操作，但对协同信号处理等应用支持不足。分布虚拟机模型支持传统过程式语言，提高高层指令，可有效减少代码的长度，并可实现自动代码划分、放置与迁移。除此之外，还可考虑如Tuple Spac 等模型，并考虑能否从并行计算中得到启发。

7、协同的信号处理

无线传感器网络的许多应用（如多目标跟踪、目标识别），需要多个传感器节点相互交换获取的多种数据协同处理才能完成。传统的信号处理方法主要研究在无限资源下如何优化估计。而对于能源有限和多种应用的无线传感器网络而言，仔细选择参与协作的节点，根据资源消耗或应用需要均衡信息分布，是至关重要的问题。特别由于网络密集分布特性，产生的信息高度冗余，而网络带宽又严重受限，高效的

数据融合算法将非常重要。

8、安全

无线传感器网络可能会遇到窃听、消息修改、消息注入、路由欺骗、拒绝服务、恶意代码等安全威胁。另外，在无线传感器网络中，安全的概念也发生了变化，通信安全是其中重要的一部分，隐私保护日渐重要，而授权重要性则降低。目前无线传感器网络的安全研究仅处于起步阶段，需依据无线传感器网络的特点，针对无线传感器网络的安全威胁，研究新型的安全协议和安全策略。

II 无线传感器网络体系结构

一、无线传感器网络节点构成

二、无线传感器网络生成过程

无线传感器网络的形成方式多种多样，它以实际需求为目的，按照合理的体系结构、通信协议进行快速组网。其生成过程归纳起来，主要有4步。

第1步，传感器节点通过人工、机械、飞行器空投等方法进行随机的撒播；

第2步，撒放后的传感器节点进入到自检和启动唤醒状态，每个传感器节点会发出信号监控并记录周围传感器节点的工作情况；

第3步，这些传感器节点会根据监控到周围传感器节点的情况，采用相关的组网算法，从而按预设方式或规律结合形成网络；

第4步，组成网络的传感器节点根据有效的路由算法选择合适的路径进行数据通信。

三、无线传感器网络结构形式

无线传感器网络系统一般包括传感器节点（Sensor Node）和汇聚节点（Sink Node）。节点的布置过程是通过人工、机械、飞行器空投等随机放置的方式完成的，密集地随机散落在被监测区域内。由于无线传感器网络工作区域的节点数量多、规模大，一般采取聚类分层的管理模式，下图给出了无线传感器网络结构的一般形式。

User

节点布置好以后，以自组织形式构成网络，通过多跳中继方式将监测数据传送到Sink节点，Sink节点也可以用同样的方式将信息发送给各节点。最终借助长距离或临时建立的Sink链路将整个区域内的数据传送到远程中心进行集中处理。Sink链路建立的方式有卫星链路、撒播节点区域上空的无人机等。

无线传感器网络根据需求和应用环境的不同，其体系结构将在一般形式基础上作相应的改进。下图描述的是无线传感器网络结构的一种应用形式。