第8章無線傳感器網絡1.什么是無線傳感器網絡(WSN)?WSN有哪些特點？2.WSN組成結構如何？3.WSN的協議體系是怎樣的？無線傳感器網絡MAC協議無線傳感器網絡的路由協議無線傳感器網絡的拓撲控制無線傳感器網絡的定位技術無線傳感器網絡的時間同步機制無線傳感器網絡的安全技術4.無線傳感器網絡數據管理5.無線傳感器網絡數據融合6.無線傳感器網絡常用操作系統主要內容：1.什么是無線傳感器網絡

無線傳感器網絡(wirelesssensornetwork，WSN)是由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感器節點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網絡系統，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中感知對象的信息，并發送給觀察者。

WSN可以看為是前面講的短距離無線網絡的應用。新興的第四代傳感器網絡第一代傳感器網絡：20世紀70年代。點對點傳輸，具有簡單信息獲取能力。第二代傳感器網絡：獲取多種信息的綜合能力，采用串/并接口與傳感控制器相聯。第三代傳感器網絡：20世紀90年代后期。智能傳感器采用現場總線連接傳感控制器構成局域網絡。第四代傳感器網絡：以無線傳感器網絡為標志，正處于研究和開發階段。普通節點和Sink節點：完成數據采集和多跳中繼傳輸。

網關節點G：完成無線和有線信號轉換，實現CERNET2的接入。監控中心CC：完成區域數據的綜合處理。

以自組織形式構成多跳中繼的分級結構網絡節點硬件資源有限

能量效率要求高

無中心

自組織

多跳路由

動態拓撲

節點數量眾多，分布密集

無線傳感器網絡的特點2.國內外研究現狀引起了世界各國軍事部門、工業界和學術界的極大關注美國軍方：C4KISR計劃、SmartSensorWeb、靈巧傳感器網絡通信、無人值守地面傳感器群、傳感器組網系統、網狀傳感器系統CEC等。Intel公司：2002年基于微型傳感器網絡的新型計算發展規劃。美國NSF：2003年制定了傳感器網絡研究計劃。美國DustNetworks和CrossbowTechnologies等公司：“智能塵埃、Mote”已進入應用測試。英國、日本、意大利等國：開展該領域的研究工作。我國也開展了這一領域的研究工作：無線傳感器結點的硬件設計、操作系統、網絡路由技術、節能技術、覆蓋控制技術等。正處于研究和開發階段。是一個從理論到實踐都需要大量研究的課題。2.1產品之一：智能塵埃SmartDust?光信號傳輸?很微小，微米級的包含傳感和通信的平臺?具有計算能力，雙向無線通信能力，自帶電源?成本比較低，適合大規模生產和部署?有特定的用途與功能：空間探測遠距離交通流量探測建筑物情況監控戰場，自然資源監視智能塵埃SmartDust智能塵埃SmartDust：大小比較2.2產品之二：Mote無線電波傳輸，

元件齊全，選擇性高，

功能較完善Mote基于Mote無線傳感器網絡硬件平臺=傳感器板：氣體傳感器溫度傳感器濕度傳感器Mote：

微處理器RF傳輸和接受設備電池和太陽能供電傳感器節點基站網關：把接收數據傳輸給其它媒介如：手機、Internet、衛星等3.無線傳感器網絡的組成結構(1)網絡結構無線傳感器網絡系統通常包括傳感器節點、匯聚節點和管理節點。大量傳感器節點隨機部署在監測區域內部或附近，能夠通過自組織方式構成網絡。傳感器節點監測的數據沿著其他傳感器節點逐跳地進行傳輸，在傳輸過程中監測數據可能被多個節點處理，經過多跳后路由到匯聚節點，最后通過互聯網或衛星到達管理節點。用戶通過管理節點對傳感器網絡進行配置和管理，發布監測任務以及收集監測數據。傳感器節點：微型嵌入式系統，處理能力、存儲能力、通信能力相對較弱，通過電池供電。除了進行本地信息收集和數據處理外，還要對其他節點轉發來的數據進行存儲、管理和融合處理。匯聚節點：處理能力、存儲能力、通信能力相對較強，連接傳感器網絡與外部網絡，實現兩種協議棧之間的協議轉換。發布管理節點的檢測任務，將收集數據轉發到外部網絡。傳感器網絡組成結構傳感器節點結構傳感器節點結構：傳感器模塊負責監測區域內信息的采集和數據轉換；處理器模塊負責控制整個傳感器節點的操作，存儲和處理本身采集的數據以及其他節點發來的數據；無線通信模塊負責與其他傳感器節點進行無線通信，交換控制消息和收發采集數據；能量供應模塊為傳感器節點提供運行所需的能量，通常采用微型電池。3.無線傳感器網絡的協議體系圖a是早期協議棧模型，與互聯網五層協議棧對應圖b是細化后的協議棧模型時間同步和定位子層既要依賴于數據傳輸通道進行協作定位和時間同步協商，又要為其他各層提供信息支持，如基于時分復用的MAC協議，基于地理位置的路由協議等。b右邊諸多機制一部分融入到協議中，另一部分獨立于協議外，通過各種收集和配置接口對相應機制進行配置和監控。I.無線傳感器網絡的MAC協議MAC協議處于網絡協議的底層部分，對無線傳感器網絡的性能有較大影響，是保證無線傳感器網絡高效通信的關鍵網絡協議之一。無線傳感器網絡單個節點功能較弱，其強大功能是由眾多節點協作實現的。多點通信在局部范圍需要MAC協議協調其間的無線信道分配，在整個網絡范圍內需要路由協議選擇通信路徑。

設計無線傳感器網絡MAC協議需要著重考慮的問題：(1)節省能量，首要問題。傳統網絡MAC重點考慮帶寬使用的公平性，帶寬利用率，網絡的實時性等，與傳感器網絡相反，因此必須有新的MAC協議適應傳感器網絡。(2)可擴展性(3)網絡效率可能造成網絡能量浪費的主要原因(1)如果MAC協議采用競爭方式使用共享無線信道，可能會引起多個節點之間發送的數據產生碰撞，導致重傳消耗節點更多的能量。(2)節點接收并處理不必要的數據。(3)節點在不需要發送數據時一直保持對無線信道的空閑偵聽，以便接收可能傳輸給自己的數據。過度的空閑偵聽或者沒必要的空閑偵聽同樣會造成節點能量的浪費。(4)在控制節點之間的信道分配時，如果控制消息過多，也會消耗較多的網絡能量。MAC協議分類標準:缺乏統一的分類標準，采用以下幾種：采用分布式控制還是集中控制使用單一共享信道還是多個信道采用固定分配信道方式還是隨機訪問信道方式采用第三種標準的MAC協議分類:(1)采用無線信道的時分復用方式，給每個傳感器節點分配固定的無線信道使用時段，從而避免節點之間的相互干擾。包括基于分簇網絡的MAC協議、DEANA協議、基于周期性調度的協議、TRAMA協議、DMAC協議等。(2)采用無線信道的隨機競爭方式，節點在需要發送數據時隨機使用無線信道，重點考慮盡量減少節點間的干擾。包括IEEE802.11MAC、S-MAC、T-MAC、SIFT協議等。(3)其他MAC協議，如通過采用頻分復用或者碼分復用等方式，實現節點間無沖突的無線信道的分配。II無線傳感器網絡的路由協議無線傳感器網絡的路由協議的特點：能量優先：傳統路由協議考慮的是通信延遲小的路徑，提高網絡的利用率，避免擁塞，均衡網絡流量等。傳感網以能量消耗為主要考慮問題。

基于局部拓撲信息：傳感節點只能存儲有限資源

以數據為中心：傳統路由協議以地址為路由依據，而傳感網是多個傳感器節點到匯聚節點的數據流，以數據為中心

應用相關：由于應用環境區別很大，傳感網路由機制由應用確定設計無線傳感器網絡路由機制的要求(1)能量高效(2)可擴展性(3)魯棒性：路由機制有一定的容錯能力。(4)快速收斂性：路由表更新，并將分組發送到新的接口所用的時間。路由協議分類根據不同應用對傳感器網絡各種特性的敏感度不同，可以將路由協議分為四種類型：(1)能量感知路由協議。早期傳感網絡路由協議僅考慮能量因素，如能量路由算法和能量多路徑路由算法。(2)基于查詢的路由協議。實時監測應用中，以數據查詢為主，通信流量主要是查詢節點和傳感器節點之間的命令和數據傳輸，同時傳感器節點通常進行數據融合。(3)地理位置路由協議。目標跟蹤應用中，需要知道節點的地理位置，以此作為路由依據。(4)可靠的路由協議。對通信質量有較高要求的應用，一般傳感網絡通信質量低，穩定性難以保證，需要設計相應可靠路由協議，如基于不相交路徑的多路徑路由協議、ReInForM協議。III無線傳感器網絡的拓撲控制良好的拓撲結構能提高路由協議、mac協議效率，為數據融合、時間同步、目標定位提供基礎，延長網絡生存時間。

WSN拓撲控制主要研究的問題：在滿足網絡覆蓋度和連通度的前提下，通過功率控制和骨干網節點選擇，剔除節點間不必要的通信鏈路，形成一個數據轉發的優化網絡結構。

WSN拓撲控制的分類：節點功率控制：調節網絡中每個節點的發射功率，均衡節點的單跳可達鄰居數目。層次型拓撲控制：利用分簇機制，讓一些節點作為簇頭節點，由簇頭節點形成一個處理并轉發數據的骨干網，其他非骨干網節點可以暫時關閉通信模塊，進入休眠狀態以節省能量。啟發式的節點喚醒和休眠機制：使節點在沒有事件發生時設置通信模塊為睡眠狀態，而在有事件發生時及時自動醒來并喚醒鄰居節點，形成數據轉發的拓撲結構。（需要于其他拓撲控制算法結合使用）拓撲控制的算法舉例:統一功率分配算法，如COMPOW

基于節點度數的算法，如LINT/LILT,LMN/LMA基于鄰近圖的近似算法，如CBTC,LMST,RNG等成簇算法，如TopDisc成簇算法，改進的GAF虛擬地理網格分簇算法，LEACH和HEED等自組織成簇算法，等……

IV.無線傳感器網絡的定位技術檢測到事件發生，事件發生在哪里？確定事件發生的位置或獲取消息的節點位置是傳感器網絡最基本的功能之一，對無線傳感器網絡應用的有效性起著關鍵的作用。定位信息還具有下列用途：報告事件發生地點目標跟蹤協助路由：利用節點位置的地理路由協議構建網絡拓撲圖例如：傳感器節點分為：信標節點和位置未知節點。信標節點的位置時已知的，位置未知節點需要根據少數信標節點，按照某種定位機制確定自身的位置。定位算法應具備的特性：自組織性：傳感器網絡的節點隨機分布，不能依靠全局的基礎設施協助定位。健壯性：傳感器節點的硬件配置低、能量少、可靠性差，測量距離時會產生誤差，算法必須具有較好的容錯性。能量高效：盡可能地減少算法中計算的復雜性，減少節點間的通信開銷，以盡量延長網絡的生存周期。通信開銷是傳感器網絡的主要能量開銷。分布式計算：每個節點計算自身位置，不能將所有信息傳送到某個節點進行集中計算。定位算法分類：基于距離的定位機制：如，基于TOA的定位、基于TDOA的定位、基于AOA的定位、基于RSSI的定位等。距離無關的定位機制：如，質心算法、DVHop算法、Amorphous算法、APIT算法等。V.無線傳感器網絡的時間同步機制時間同步是需要協同工作的無線傳感器網絡系統的一個關鍵機制。NTP協議是Internet上廣泛使用的網絡時間協議，但只適用于結構相對穩定、鏈路很少失敗的有線網絡系統GPS系統能夠以納秒級精度與世界標準時間UTC保持同步，但需要配置固定的高成本接收機，同時在室內、森林或水下等有掩體的環境中無法使用GPS系統。NTP、GPS都不適合應用在無線傳感器網絡中。三個基本的同步機制：RBS機制：是基于接收者-接收者的時鐘同步。一個節點廣播時鐘參考分組，廣播域內的兩個節點分別采用本地時鐘記錄參考分組的到達時間，通過交換記錄時間來實現它們之間的時鐘同步。TINY/MINI-SYNC：是簡單的輕量級的同步機制。假設節點的時鐘漂移遵循線性變化，那么兩個節點之間的時間偏移也是線性的，可通過交換時標分組來估計兩個節點間的最優匹配偏移量。TPSN：采用層次結構實現整個網絡節點的時間同步。所有節點按照層次結構進行邏輯分級，通過基于發送者-接收者的節點對方式，每個節點能夠與上一級的某個節點進行同步，從而實現所有節點都與根節點的時間同步。VI.無線傳感器網絡的安全技術無線傳感器網絡安全問題涉及的研究內容：任務執行的機密性數據產生的可靠性數據融合的高效性數據傳輸的安全性無線傳感器網絡基本的安全機制：機密性點對點的消息認證完整性鑒別新鮮性認證廣播安全管理另外，為確保數據融合后數據源信息的保留，水印技術也成為無線傳感器網絡安全的研究內容。無線傳感器網絡在安全研究方面的特點：算法計算強度和安全強度之間的權衡：如何通過更簡單的算法實現盡量堅固的安全外殼是無線傳感器網絡安全的主要挑戰。減少系統代碼的數量：有限的計算資源和能量資源往往需要系統的各種技術綜合考慮，以減少系統代碼的數量，如安全路由技術等。減小耦合性：WSN任務的協作特性和路由的局部特性導致節點之間存在安全耦合，單個節點的安全泄露必然威脅網絡的安全，在考慮安全算法時要盡量減小耦合性。研究現狀：SPINS安全框架：無線傳感器網絡SPINS安全框架在機密性、點到點的消息認證、完整性鑒別、新鮮性、認證廣播方面定義了完整有效的機制和算法。SPINS安全協議框架是最早的無線傳感網絡(WirelessSensorNetWork，WSN)安全框架之一,包括SNEP(SecureNetworkEncryptionProtocol)和μTESLA(microTimedEfficientStreamingLoss2tolerantAuthenticationProtocol)兩個部分.密鑰預分布模型：安全管理方面以密鑰預分布模型作為安全初始化和維護的主要機制，其中隨機密鑰對模型、基于多項式的密鑰對模型等是目前最有代表性的算法。4.無線傳感器網絡的數據管理

數據管理的特點：從數據存儲的角度來看，無線傳感器網絡可被視為一種分布式數據庫。無線傳感器網絡的數據管理與傳統的分布式數據庫有很大的差別。無線傳感器網絡的數據管理系統的結構主要有集中式、半分布式、分布式以及層次式結構，目前大多數研究工作均集中在半分布式結構方面。

無線傳感器網絡中數據的存儲方式：網絡外部存儲本地存儲以數據為中心的存儲：權衡通信效率和能量消耗，例如，基于地理散列表的方法無線傳感器網絡中數據的查詢：數據查詢語言多采用類SQL的語言查詢操作：按照集中式、分布式或流水線式查詢進行設計集中式查詢會消耗額外的能量，因為傳送冗余數據分布式查詢利用聚集技術可以顯著降低通信開銷流水線式聚集技術可以提高分布式查詢的聚集正確性目前代表性的無線傳感器網絡數據管理系統：TinyDB系統（美國加州大學伯克利分校）Cougar系統（Cornel大學）Dimensions系統（加州大學洛杉磯分校）數據融合的目的：有效地節省能量：無線傳感器網絡存在能量約束。利用節