概述/无线传感器网络
&&&&&& 无线络（Wireless Sensor Networks，WSN）是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。传感器技术、微机电系统、现代网络和无线通信等技术的进步，推动了现代无线传感器网络的产生和发展。无线传感器网络扩展了人们信息获取能力，将客观世界的物理信息同传输网络连接在一起，在下一代网络中将为人们提供最直接、最有效、最真实的信息。无线传感器网络能够获取客观物理信息，具有十分广阔的应用前景，能应用于军事国防、工农业控制、城市管理、生物医疗、环境检测、抢险救灾、危险区域远程控制等领域。已经引起了许多国家学术界和工业界的高度重视，被认为是对21世纪产生巨大影响力的技术之一。&&&&&& 无线网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。&&&&&& 无线传感器网络（wireless sensor network）简称WSN，是一种由大量小型传感器所组成的网络。这些小型传感器一般称作sensor node（传感器）或者mote（灰尘）。此种网络中一般也有一个或几个称作sink)用来集中从小型传感器收集的数据。&&&&&& 1.1无线传感器网络的体系结构&&&&&& 传感器网络结构如下图1-1所示，传感器网络系统通常包括传感器节点(sensor node)、汇聚节点(sink node)和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。&&&& 传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成，如图1-2所示。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。&&&&&&随着传感器网络的深入研究，研究人员提出了多个传感器节点上的协议栈。下图1-3(a)所示是早期提出的一个协议栈，这个协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，与互联网协议栈的五层协议相对应。另外，协议栈还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。&图所示的协议栈细化并改进了原始模型。定位和时间同步子层在协议栈中的位置比较特殊。它们既要依赖于数据传输通道进行协作定位和时间同步协商，同时又要为网络协议各层提供信息支持，所以在图中用倒L型描述这两个功能子层。图1.3(b)右边的诸多机制一部分融入到图1.3(a)所示的各层协议中，用以优化和管理协议流程；另一部分独立在协议外层，通过各种收集和配置接口相对应机制进行配置和监控[3]。&&&&& 1.2 无线传感器网络的特征&&&&&& 无线自组网(mobile ad-hoc network)是一个由几十到上百个节点组成的、采用无线通信方式、动态组网的多跳的移动性对等网络。其目的是通过动态路由和移动管理技术传输具有服务质量要求的多媒体信息流。通常节点具有持续的能量供给。传感器网络虽然与无线自组网有相似之处，但同时也存在很大的差别。传感器网络是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，节点数目更为庞大(上千甚至上万)，节点分布更为密集；由于环境影响和能量耗尽，节点更容易出现故障；环境干扰和节点故障易造成网络拓扑结构的变化；通常情况下，大多数传感器节点是固定不动的。另外，传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力等都十分有限。传统无线网络的首要设计目标是提供高服务质量和高效带宽利用，其次才考虑节约能源；而传感器网络的首要设计目标是能源的高效利用，这也是传感器网络和传统网络最重要的区别之一。&&&&&&&&1.3 无线传感器网络中的关键技术&&&&&&（1）网络拓扑控制&传感器网络拓扑控制目前主要的研究问题是在满足网络覆盖度和连通度的前提下，通过功率控制和骨干网节点选择，删除节点之间不必要的无线通信链路，生产一个高效的数据转发的网络拓扑结构。拓扑控制可以分为节点功率控制和层次型拓扑结构形成两个方面。功率控制方面目前已经提出了COMPOW，LINT/，CBTC，LMST，RNG，DRNG和DLSS等算法，层次型拓扑控制目前提出了TopDisc，GAF，LEACH和HEED等算法。&&&&&&&（2） 网络协议由于传感器网络节点的硬件资源有限和拓扑结构的动态变化，网络协议不能太复杂但又要高效。目前研究的重点是网络层协议和数据链路层协议。网络层的路由协议决定检测信息的传输路径，目前提出了多种类型的协议，如多个能量感知的路由协议，定向扩散和等基于查询的路由协议，GEAR和GEM等基于地理位置的路由协议，SPEED和ReInForM等支持的QoS的路由协议。数据链路层的介质访问控制用来构建底层的基础结构，控制传感器节点的通信过程和工作模式。目前提出了S-MAC、T-MAC和Sift等基于竞争的MAC协议，DEANA、TRAMA、和周期性调度等时分复用的MAC协议等。&&&&&&& （3）时间同步时间同步是需要协同工作的传感器网络系统的一个关键机制。Jeremy Elson和Kay Romer在2002年8月的HotNets-I国际会议上首次提出并阐述了无线传感器网络中的时间同步机制的研究课题，在传感器网络研究领域引起了关注。目前已提出了多个时间同步机制，其中RBS、TINY/MINI-SYNC和TPSN被认为是三个基本的同步机制。&&&&&&&&&（4）定位技术位置信息是传感器节点采集数据中不可缺少的部分，没有位置信息的检测消息通常毫无意义。确定事件发生的位置或采集数据的节点位置是传感器网络最基本的功能之一。目前的定位技术有基于距离的定位，如基于TOA的定位、基于AOA的定位、基于RSSI的定位等；和与距离无关的定位算法，如质心算法、DV-Hop算法、APIT算法等等。&&&&&&&&&&（5）数据融合&传感器网络存在能量约束。减少传输的数据量能够有效地节省能量，因此在从各个节点收集数据的过程中，可利用节点的本地计算和存储能力处理数据的融合，去除冗余信息，从而达到节省能量的目的。由于节点的易失效性，传感器网络也需要数据融合技术对多份数据进行综合，提高信息的准确度。但融合技术会牺牲其他方面的性能，如延迟和鲁棒性的代价。&&&&&&&&& （6）嵌入式操作系统&传感器节点是一个微型的嵌入式系统，携带非常有限的硬件资源，需要操作系统能够节能高效地使用其有限的内存、处理器和通信模块，且能够对各种特定应用提供最大的支持。在面向无线传感器网络的操作系统的支持下，多个应用可以并发地使用系统的有限资源。美国加州大学伯克利分校研发了操作系统，在科研机构的研究中得到了比较广泛的使用，但目前仍然存在不足之处[4]。
主要特点/无线传感器网络
振动传感器每个节点的最高采样率可设置为4KHz，每个通道均设有抗混叠低通滤波器。采集的数据既可以实时无线传输至计算机，也可以存储在节点内置的2M数据存储器内，保证了采集数据的准确性。有效室外通讯距离可达300m，节点功耗仅30mA，使用内置的可充电电池，可连续测量18小时。如果选择带有USB接口的节点，您既可以通过USB接口对节点充电，也可以快速地把存储器内的数据下载到计算机里面。应变传感器节点结构紧凑，体积小巧，由电源模块、采集处理模块、无线收发模块组成，封装在PPS塑料外壳内。节点每个通道内置有独立的高精度120-1000Ω桥路电阻和放大调理电路，可以方便地由软件自动切换选择1/4桥，半桥，全桥测量方式，兼容各种类型的桥路传感器，比如应变，载荷，扭距，位移，加速度，压力，温度等。节点同时支持2线和3线输入方式，桥路自动配平，也可以存储在节点内置的2M数据存储器。有效室外通讯距离可达300&m。可连续测量十几个小时。扭矩传感器节点结构紧凑，体积小巧，封装在树脂外壳内。节点每个通道内置有高精度120-1000Ω桥路电阻和放大调理电路。桥路自动配平。节点的空中传输速率可以达到250K&BPS，有效实时数据传输率达到4K&SPS，有效室内通讯距离可达100米。节点设计有专门的电源管理软硬件，在实时不间断传输情况下，节点功耗仅25mA，使用普通9V电池，可连续测量几十个小时。对于长期监测应用，以5分钟间隔发送一次扭矩值，数年不需要更换电池，大大提高了系统的免维护性。
构成/无线传感器网络
传感器节点是一种非常小型的，一般由以下几部分组成：1．处理器和内存（一般能力都比较有限）。2．各类传感器（温度、湿度、声音、加速度、全球定位等）。3．通讯设备（一般是无线电收发器或光学通信设备）。4．电池（一般是干电池，也有使用太阳能电池的）。5．其他设备，包括各种特定用途的芯片，串行并行等（，RS232）。
网络协议栈/无线传感器网络
无线传感器网络多采用五层协议标准：应用层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。与互联网协议栈的五层协议相对应。另外，协议栈还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。各层协议和平台的功能如下：o物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术；o数据链路层负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制；o网络层主要负责路由生成与路由选择；o传输层负责数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要部分；o应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件；o能量管理平台管理传感器节点如何使用能源，在各个协议层都需要考虑节省能量；o移动管理平台检测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置；o任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度监测任务。
安全需求/无线传感器网络
在设计传感器网络时，要充分考虑通信和信息安全，结合传感器网络的特点，满足其独特的安全需求。(1)&数据机密性数据机密性是重要的网络安全需求，要求所有敏感信息在存储和传输过程中都要保证其机密性，不得向任何非授权用户泄露信息的内容。(2)&数据完整性有了机密性保证，攻击者可能无法获取信息的真实内容，但接收者并不能保证其收到的数据是正确的，因为恶意的中间节点可以截获、篡改和干扰信息的传输过程。通过数据，可以确保数据传输过程中没有任何改变。(3)&数据新鲜性数据新鲜性问题是强调每次接收的数据都是发送方最新发送的数据，以此杜绝接收重复的信息。保证数据新鲜性的主要目的是防止重放(Replay)攻击。(4)&可用性可用性要求传感器网络能够随时按预先设定的工作方式向系统的合法用户提供信息访问服务，但攻击者可以通过伪造和信号干扰等方式使传感器网络处于部分或全部瘫痪状态，破坏系统的可用性，如拒绝服务(Denial&of&Service)攻击。(5)&鲁棒性无线传感器网络具有很强的动态性和不确定性，包括网络拓扑的变化、节点的消失或加入、面临各种威胁等，因此，无线传感器网络对各种安全攻击应具有较强的适应性，即使某次攻击行为得逞，该性能也能保障其影响最小化。(6)&访问控制访问控制要求能够对访问无线传感器网络的用户身份进行确认，确保其合法性[1]。
主要用途/无线传感器网络
虽然无线传感器网络的大规模商业应用，由于技术等方面的制约还有待时日，但是最近几年，随着计算成本的下降以及微处理器体积越来越小，已经为数不少的无线传感器网络开始投入使用。目前无线传感器网络的应用主要集中在以下领域：环境的监测和保护随着人们对于环境问题的关注程度越来越高，需要采集的环境数据也越来越多，无线传感器网络的出现为随机性的研究数据获取提供了便利，并且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。比如，英特尔研究实验室研究人员曾经将32个小型传感器连进互联网，以读出缅因州"大鸭岛"上的气候，用来评价一种海燕巢的条件。无线传感器网络还可以跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响，监测海洋、大气和土壤的成分等。此外，它也可以应用在中，来监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。医疗护理无线传感器网络在医疗研究、护理领域也可以大展身手。罗彻斯特大学的科学家使用无线传感器创建了一个智能医疗房间，使用微尘来测量居住者的重要征兆（血压、脉搏和呼吸）、睡觉姿势以及每天24小时的活动状况。英特尔公司也推出了无线传感器网络的。该技术是做为探讨应对老龄化社会的技术项目Center&for&Aging&Services&Technologies（CAST）的一个环节开发的。该系统通过在鞋、家具以家用电器等家中道具和设备中嵌入半导体传感器，帮助老龄人士、阿尔茨海默氏病患者以及残障人士的家庭生活。利用无线通信将各传感器联网可高效传递必要的信息从而方便接受护理。而且还可以减轻护理人员的负担。英特尔主管预防性健康保险研究的董事Eric&Dishman称，"在开发家庭用护理技术方面，无线传感器网络是非常有前途的领域"。军事领域由于无线传感器网络具有密集型、随机分布的特点，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资，判断生物化学攻击等多方面用途。美国国防部远景计划研究局已投资几千万美元，帮助大学进行""传感器技术的研发。哈伯研究公司总裁阿尔门丁格预测：智能尘埃式传感器及有关的技术销售将从2004年的1000万美元增加到2010年的几十亿美元。目标跟踪DARPA支持的Scnsor&IT项目探索如何将WSN技术应用于军事领域，实现所谓“超视距”战场监测。的教授主持的Sensor&Web是Sensor&IT的一个子项目．原理性地验证了应用WSN进行战场目标跟踪的技术可行性，翼下携带WSN节点的无人机(UAV)飞到目标区域后抛下节点，最终随机布撤落在被监测区域，利用安装在节点上的地震波传感器可以探测到外部日标，如坦克、装甲车等，并根据信号的强弱估算距离，综合多个节点的观测数据，最终定位目标，并绘制出其移动的轨迹。虽然该演示系统在精度等方面还远达不到装备部队用于实战的要求，这种战场侦察模式目前还没有真正应用于实战，但随着美国国防部将其武器系统研制的主要技术目标从精确制导转向目标感知与定位，相信WSN提供的这种新颖的战场侦察模式会受到军方的关注．其他用途无线传感器网络还被应用于其他一些领域。比如一些危险的工业环境如井矿、核电厂等，工作人员可以通过它来实施安全监测。也可以用在交通领域作为车辆监控的有力工具。此外和还可以在工业自动化生产线等诸多领域，英特尔正在对工厂中的一个无线网络进行测试，该网络由40台机器上的210个传感器组成，这样组成的监控系统将可以大大改善工厂的运作条件。它可以大幅降低检查设备的成本，同时由于可以提前发现问题，因此将能够缩短停机时间，提高效率，并延长设备的使用时间。尽管无线传感器技术目前仍处于初步应用阶段，但已经展示出了非凡的应用价值，相信随着相关技术的发展和推进，一定会得到更大的应用。
无线传感器网络的拓扑维护/无线传感器网络
1&拓扑维护基础无线传感器网络拓扑控制由两部分组成，即拓扑构建和拓扑维护。一旦建立起最初的网络优化拓扑，网络开始执行它所指定的任务。由于网络任务所包含的每一个行为如感测、数据处理和传输等都需要消耗能量，因此随着时间的推移，当前的网络拓扑不再处于最优运行状态，因此需要对其进行维护使其重新保持最优或接近最优状态。 1.1&拓扑维护定义无线传感器网络的拓扑控制可以看作一个重复的过程，如图1&所示。首先，对所有无线传感器网络都有一个拓扑初始化阶段。在该阶段，每个节点用其最大发射功率发射来建立初始拓扑。在初始化阶段后，通过运行不同的算法或协议来对初始拓扑进行优化，并最终构建一个优化拓扑，该阶段称之为拓扑构建。一旦拓扑构建阶段建立起优化网络拓扑，拓扑维护阶段必须开始工作。&
无线传感器网络的拓扑维护在拓扑维护阶段，实时监测当前拓扑状态，并在适当的时候触发拓扑恢复或重构过程。从图1&中可见，在网络的生命周期内，拓扑维护周期运行，直到网络死亡。目前，对拓扑维护进行定义的文献很少，文献[8]对拓扑维护进行了简单定义，指出“拓扑维护是指当网络当前工作的拓扑结构不是最优化的拓扑结构时，及时通过修复、切换或重构新的网络拓扑，使网络达到预先设定的性质，延长网络的生命期”.该定义没有指出拓扑维护运行的时间、所采取的维护方式，特别是定义中提到使拓扑达到或接近最优以及达到预先设定的性质，却没有指出是哪个具体阶段的最优或性质，因为随着网络的运行，网络的最优状态和性质也在发生变化。所以，本文对拓扑维护进行了比较严谨的定义，即拓扑维护是一个周期性的过程，在每个周期中它由不同的触发标准(如时间，能量，节点故障等)触发，通过尽可能多地轮换节点角色或重新运行拓扑构建过程或调用专用维护算法来修复或重构网络拓扑，均衡网络能量消耗，使新的拓扑成为当前最优或接近当前最优状态，并最终延长网络的生命周期。1.2&设计目标拓扑维护和其它传感器网络技术一样，其主要目的是延长网络的生命周期。此外，传感器网络被构建用来实现某些任务，如执行传感和传输传感数据，因此一个或多个服务质量目标如保持传感覆盖以及保持网络连通等也通常被考虑。而且，无线传感器网络的应用不同则导致其底层网络的拓扑维护设计目标不同或目标优先次序不同。因此，本文接下来只介绍拓扑维护主要考虑的设计目标。(1)网络生命周期(2)覆盖和连通 (3)安全和故障容忍(4)能量效率和收敛时间(5)能量均衡和可扩展性2&拓扑维护模型目前，并没有文献对拓扑维护模型进行描述。为了更好的理解拓扑维护的运行过程及其特点，本文设计了一个通用的拓扑维护模型，如图2&所示。从图中可见，拓扑维护是一个周期的过程，每个周期中从网络的当前拓扑开始，经过拓扑维护过程生成一个优化的拓扑，周期运行，直到网络死亡。&
无线传感器网络的拓扑维护从上图可见，每个拓扑维护周期，经由触发器和决策器。其中触发器主要根据设计的触发标准如时间、能量或节点故障等来触发拓扑维护过程。决策器用来选择拓扑维护策略。接下来对该模型进行详细描述。(1)触发器(2)决策器3&拓扑维护研究现状目前专门的拓扑维护技术研究还比较少，但相关研究结果表明优化的拓扑维护能有效地节省能量并延长网络生命周期，同时保持网络的基本属性覆盖或连通。本节中，根据拓扑维护决策器所选维护策略将现有的拓扑维护技术分为基于角色轮换、基于拓扑重构和混合的拓扑维护。3.1&基于角色轮换的拓扑维护3.2&基于拓扑重构的拓扑维护3.3&混合的拓扑维护
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