無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本知識(shí)點(diǎn)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述一、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念3個(gè)根本要素為傳感器、感知對(duì)象和觀看者。感器與觀看者之間建立通信路徑；協(xié)作地感知、采集、處理、公布感知信息是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的根本功能。一組功能有限的傳感器協(xié)作地完成大的感知任務(wù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要特點(diǎn)。傳感器主要由感知單元、傳輸單元、存儲(chǔ)單元和電源組成，完成感知決策依據(jù)。者可以是人，也可以是計(jì)算機(jī)或其它設(shè)備。象。也可以被多個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所感知。二、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)硬件資源有限電源容量有限無中心自組織多跳路由動(dòng)態(tài)拓?fù)涔?jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，分布密集三、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的學(xué)術(shù)界爭(zhēng)論進(jìn)展1、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)〔不太懂〕2、通信協(xié)議無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議要有不同于傳統(tǒng)AdHoc和因特網(wǎng)通信協(xié)議的緣由如下：AdHoc網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)；感知節(jié)點(diǎn)消滅故障的頻率要大于AdHoc網(wǎng)絡(luò)；感知節(jié)點(diǎn)要比因特網(wǎng)和AdHoc網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)潔；感知節(jié)點(diǎn)的能量有限；因特網(wǎng)的數(shù)據(jù)報(bào)頭對(duì)于傳感器網(wǎng)絡(luò)來說太長(zhǎng)，例如，每個(gè)節(jié)點(diǎn)必需有一個(gè)永久的地址。美國(guó)一些大學(xué)提出了有效的協(xié)議如下：包括談判類協(xié)議〔如SPIN-PP協(xié)議、SPIN-EC協(xié)議、SPIN-BC協(xié)議、SPIN-RL協(xié)議Cluster的協(xié)議、以數(shù)據(jù)為中心的路由算法。3、感知數(shù)據(jù)查詢處理技術(shù)四、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的爭(zhēng)論熱點(diǎn)1、MAC層協(xié)議無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC2目標(biāo)。創(chuàng)立網(wǎng)絡(luò)根底設(shè)施。由于數(shù)千個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)密集分散在感知區(qū)域，MAC層協(xié)議必需為數(shù)據(jù)傳輸建立通信鏈路。在傳感器節(jié)點(diǎn)間公正有效的共享通信資源。傳統(tǒng)的無線MAC層協(xié)議或者沒有考慮能源有效性，或者需要全局協(xié)調(diào)，因此，需要依據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔高效的MAC層協(xié)議。2、路由路由是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)核心問題。傳統(tǒng)的無線AdHoc路由技慮能源有效性需求，以數(shù)據(jù)為中心，或者利用位置信息進(jìn)展路由。在路由協(xié)議既要有有效維持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸通路，又要削減網(wǎng)絡(luò)中的通信量，還要具有肯定的魯棒性。3、能源感知計(jì)算/精度計(jì)算。在傳感器節(jié)點(diǎn)上，需要實(shí)現(xiàn)計(jì)算、通信和存儲(chǔ)相互協(xié)調(diào)的能源治理。/通信的權(quán)衡以及如何削減通信的額外開銷。同時(shí)，需要網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用相互協(xié)作，實(shí)施自適應(yīng)能源/精度計(jì)算，有效削減能源消耗。4、自組織2性生成組。在對(duì)等方式治理中，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)地位一樣，需要爭(zhēng)論如何通過局部對(duì)等的交互完成全局目標(biāo)。5、時(shí)間和空間約束無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的物理耦合性，導(dǎo)致其必需使用物理時(shí)間對(duì)所感的動(dòng)作。因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有時(shí)間和空間的約束關(guān)系。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的很多應(yīng)用，如數(shù)據(jù)融合、信號(hào)處理，需要多個(gè)延遲的影響，應(yīng)在接收者之間進(jìn)展同步。位置是建立傳感器節(jié)點(diǎn)空間關(guān)系的一種機(jī)制。在普及計(jì)算中，位要事先組織，不能適應(yīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)任意部署、規(guī)模大的特點(diǎn)。對(duì)性和強(qiáng)健性，并能夠適應(yīng)資源有限的約束。6、編程模型SQL語(yǔ)言編寫應(yīng)用，能夠有效。分布虛擬機(jī)模型支持傳統(tǒng)過程式語(yǔ)言，提高高層指令，可有效削減代碼的長(zhǎng)度，并可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)代碼劃分、放置與遷移。除此之外，還可考慮如TupleSpac等模型，并考慮能否從并行計(jì)算中得到啟發(fā)。7、協(xié)同的信號(hào)處理無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的很多應(yīng)用〔如多目標(biāo)跟蹤、目標(biāo)識(shí)別，需要多個(gè)集分布特性，產(chǎn)生的信息高度冗余，而網(wǎng)絡(luò)帶寬又嚴(yán)峻受限，高效的數(shù)據(jù)融合算法將格外重要。8、安全無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)遇到竊聽、消息修改、消息注入、路由哄騙、拒絕效勞、惡意代碼等安全威逼。另外，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，安全全威逼，爭(zhēng)論型的安全協(xié)議和安全策略。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)造一、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成二、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)生成過程合理的體系構(gòu)造、通信協(xié)議進(jìn)展快速組網(wǎng)。其生成過程歸納起來，4步。撒播；器節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)出信號(hào)監(jiān)控并記錄四周傳感器節(jié)點(diǎn)的工作狀況；相關(guān)的組網(wǎng)算法，從而按預(yù)設(shè)方式或規(guī)律結(jié)合形成網(wǎng)絡(luò)；進(jìn)展數(shù)據(jù)通信。三、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造形式〔SensorNode〕和會(huì)聚節(jié)點(diǎn)SinkNod模式，以下圖給出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造的一般形式。InternetInternetandDESinkCBsatelliteASensorfieldSensornodes感知現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域傳感器節(jié)點(diǎn)Taskmanagernode任務(wù)治理節(jié)點(diǎn)UserSink節(jié)點(diǎn)，Sink節(jié)點(diǎn)也可以用同樣的方式將信息發(fā)送給Sink鏈路將整個(gè)區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程中心進(jìn)展集中處理。Sink鏈路建立的方式有衛(wèi)星鏈路、撒播節(jié)點(diǎn)區(qū)域上空的無人機(jī)等。用形式。應(yīng)用節(jié)點(diǎn)應(yīng)用節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)端用戶固定節(jié)點(diǎn)基站節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)四、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧1、協(xié)議棧概況應(yīng)用層應(yīng)用層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層能量治理平臺(tái)移動(dòng)治理平臺(tái)任務(wù)治理平臺(tái)數(shù)據(jù)鏈路層物理層應(yīng)用層

圖無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧構(gòu)造1〕傳感器治理協(xié)議〔SMP〕系統(tǒng)治理員通過SMP和傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)展通信。SMP要訪問節(jié)點(diǎn)，就必需運(yùn)用基于定位尋址的方式。2)任務(wù)安排和數(shù)據(jù)廣告協(xié)議〔TADAP〕從用戶的角度，整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)看起來更像一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，可以從里面查詢需要的信息。如何依據(jù)肯定的屬性查詢信息是個(gè)重要的課題，它包括查詢數(shù)據(jù)的組成形式、查詢數(shù)據(jù)的路由選擇等，合理的選解決的問題。發(fā)送他們所感興趣的內(nèi)容給傳感器節(jié)點(diǎn)、子集節(jié)點(diǎn)或整個(gè)傳感器網(wǎng)送回用戶，用戶啟用詢問機(jī)制，選擇他們所感興趣的數(shù)據(jù)。應(yīng)用層協(xié)層操作很有用處，例如路由。3〕傳感器查詢和數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議〔SQDDP〕SQDDP把查詢結(jié)果通過界面的形式供給應(yīng)用戶。應(yīng)留意的是，這些某些位置。例如，溫度超過60℃的節(jié)點(diǎn)所在位置，就是基于屬性進(jìn)展尋址的查詢。類似地A但是，對(duì)于每一個(gè)不同的傳感器應(yīng)用領(lǐng)域，SQDDP傳輸層當(dāng)傳感器網(wǎng)絡(luò)需要和Internet或其他外部網(wǎng)絡(luò)連接的時(shí)候，傳輸TCP協(xié)議并不能完全和傳感器網(wǎng)絡(luò)相匹配。必需有一種方法使傳感器網(wǎng)絡(luò)能和別的網(wǎng)絡(luò)相互聯(lián)系。在這種方法中，TCPSink節(jié)點(diǎn)結(jié)尾，同時(shí)一種傳輸協(xié)議能夠處理Sink節(jié)點(diǎn)和SinkUDPTCP的方式通過InternetSink節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)UDP的方式來通信，這是由于每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)力量有限。TCP協(xié)議不一樣，在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的端到端通信方式?jīng)]有爭(zhēng)論傳輸層協(xié)議是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。尤其是硬件的限制，這包括能量和存儲(chǔ)容量的限制。因此，傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)不能像Internet網(wǎng)絡(luò)效勞那樣存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)。因此，在Sink節(jié)點(diǎn)處必需分別端到端的通信方式，在傳感器網(wǎng)絡(luò)中承受UDP類型的協(xié)議，在Internet或衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中承受傳統(tǒng)的TCP/UDP協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層主要爭(zhēng)論傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和各種傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。1缺點(diǎn)。傳感器通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議第2方面的爭(zhēng)論是以數(shù)據(jù)為中心的的通性路由算法的爭(zhēng)論、動(dòng)態(tài)傳感器網(wǎng)絡(luò)的路徑重構(gòu)技術(shù)的爭(zhēng)論。2傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全與認(rèn)證機(jī)制的爭(zhēng)論、嵌入與組合系統(tǒng)技術(shù)的爭(zhēng)論、的時(shí)間同步技術(shù)的爭(zhēng)論、數(shù)據(jù)分發(fā)、融合和信息處理技術(shù)的爭(zhēng)論、仿真技術(shù)與仿真系統(tǒng)的爭(zhēng)論等。一個(gè)區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)的分布是不均勻的散落在各個(gè)位置。AdHoc路由技術(shù)以及已有的路由技術(shù)并不適合傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求，AdHoc網(wǎng)絡(luò)和傳感器網(wǎng)絡(luò)的不同之處：傳感器網(wǎng)絡(luò)中的感知節(jié)點(diǎn)的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于AdHoc網(wǎng)絡(luò)；(b)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的感知節(jié)點(diǎn)被密集的分布；傳感器網(wǎng)絡(luò)中的感知節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)潔失效；傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)錁?gòu)造變化頻率快；傳感器網(wǎng)絡(luò)中的感知節(jié)點(diǎn)承受播送的方式通信，而AdHoc網(wǎng)絡(luò)是基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信；傳感器網(wǎng)絡(luò)中的感知節(jié)點(diǎn)的能量、計(jì)算力量和存儲(chǔ)力量都有限；由于傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量太大而可能不需要唯一標(biāo)識(shí)I。那么傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議必需到達(dá)什么要求呢？能量效率始終是需要重點(diǎn)考慮的；傳感器網(wǎng)絡(luò)總的來說就是一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)；在不打攪傳感器節(jié)點(diǎn)之間相互合作的前提下，進(jìn)展數(shù)據(jù)融合；一個(gè)抱負(fù)的傳感器網(wǎng)絡(luò)必需是基于屬性進(jìn)展尋址和位置明確。T4Sink節(jié)點(diǎn)進(jìn)展通信〔其中：PA是可用能量；α是把數(shù)據(jù)包通過所選路徑傳輸所需的能量。α=6。PA2。但是，路由212PA，但是它不是能量有效路由。假設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)和Sink21以不考慮，這一點(diǎn)很重要。那么，就應(yīng)當(dāng)把路由2PA4最小能量〔ME〕Sink1為最小能量〔ME〕路由。最小跳數(shù)〔MH〕Sink的路徑作為首選路由。在圖中，基于該方案的路由應(yīng)為路由3。值得留意的是，當(dāng)總能量相等的時(shí)候，MEME，全部的α值一樣，被用于每一條連接。因此，當(dāng)節(jié)點(diǎn)以一樣的能量進(jìn)展播送，不參加任何能量掌握，那么MHME。α=1α1A(PA=2)

Sinkα=2α4

=2α3αE(PA=1)αα=1αα2 =2D(PA=3) 6αB(PA=2) =2α5α=1α7

F(PA=4)αα=2 =2αα8 109 C(PA=2) α 9 另外一個(gè)重要問題就是，路由機(jī)制也必需要基于數(shù)據(jù)為中心。在數(shù)據(jù)-中心路由協(xié)議中，執(zhí)行信息分發(fā)，給每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)安排感2Sink點(diǎn)播送所獵取數(shù)據(jù)的消息，等待Sink數(shù)據(jù)-中心路由要求基于屬性的命名。傳感器網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)為中〔Data-Centric〕內(nèi)容并進(jìn)展處理。對(duì)于用戶來說，感興趣的是傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，而不是傳感器本身。用戶會(huì)查詢“溫度高于60是查詢“ASink節(jié)點(diǎn)進(jìn)展“興趣”分發(fā)，符合查詢Sink節(jié)點(diǎn)。在多個(gè)源節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)的信息更加簡(jiǎn)練、明白地呈現(xiàn)給用戶。這不僅避開了數(shù)據(jù)冗余，供給了通信效率，也節(jié)約了能量。在數(shù)據(jù)-中心路由算法中，數(shù)據(jù)融合技術(shù)被用于解決數(shù)據(jù)閉塞和加以聯(lián)合Associatio、相關(guān)Correlatio〕和組合一套完整的理論體系和方法，但是，致力于該項(xiàng)技術(shù)的爭(zhēng)論在增加。這一技術(shù)，通常用“倒樹”多點(diǎn)傳送的方式來感知傳感器網(wǎng)絡(luò)。Sink融合起來，通過這一方法返回到Sink節(jié)點(diǎn)。例如，傳感器節(jié)點(diǎn)EABF融合了CD的數(shù)據(jù)。從很多傳感器節(jié)點(diǎn)把數(shù)據(jù)進(jìn)展融合，從而能夠運(yùn)用中，這些特別的數(shù)據(jù)是必需的。BDEDEFGSinkA到目前為止，爭(zhēng)論人員提出的數(shù)據(jù)融合方法不少，其中，波束生成〔Beamforming〕算法是一類在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用較多的具有合：y[n]

LwlSi

nll1式中：S(n)表示第i個(gè)傳感器采集的信號(hào)；W(n)表示第i個(gè)信號(hào)i i開關(guān)〔Tap〕數(shù)量?！睱MSLeast Mean Squared〕誤差方法和最大能量波束生成〔MaximumPowerBeamforming〕算法均致力于開發(fā)性能優(yōu)良的權(quán)重過濾器。這些算法都在能量和性能之間選擇一種折中方案。比方：最大能量波束生成算法具備在不了解傳感器位置的前提下執(zhí)行盲目波束生成〔BlindBeamforming〕的力量，然而，這種算法計(jì)算量過于集中，意味著執(zhí)行該任務(wù)的節(jié)點(diǎn)很快耗盡有限的能量。網(wǎng)絡(luò)層另外一個(gè)重要功能就是為Internet網(wǎng)絡(luò)供給外部網(wǎng)絡(luò)，例Sink節(jié)點(diǎn)能夠作為一個(gè)網(wǎng)關(guān)，成為和別的網(wǎng)絡(luò)通信的中樞。以下爭(zhēng)論為傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)層提出的各種方案。節(jié)點(diǎn)計(jì)算所需消耗的能量〔處理器能量模型〕按以下公式計(jì)算：E NCV2C dd均電容量；V 是供給電壓值。dd處理器非正?！布葱孤诚牡哪芰浚?V eIE V ,feIleak dd

V

dd0

ddV TnV T 節(jié)點(diǎn)在滿負(fù)荷運(yùn)行的時(shí)候，E 值可以無視不計(jì)。但是在處理器leak處于低負(fù)載狀態(tài)下，E 值占總能耗值的比重變得較大，計(jì)算能耗需leak要考慮E 值。leak目前，針對(duì)計(jì)算能耗所實(shí)行的節(jié)約措施主要有：對(duì)節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)展局部處理，如承受上述的數(shù)據(jù)融合技術(shù)，削減網(wǎng)絡(luò)總計(jì)算量；節(jié)點(diǎn)承受支持DVS〔DynamicVoltageSealing〕技術(shù)的微處理器芯片〔如StrongARMSA-110，同時(shí)安裝具有動(dòng)態(tài)能量治理〔DPM，DynamicPowerManagement〕功能的嵌入式操作系統(tǒng)〔如MIT的μ-O。節(jié)點(diǎn)u和vpuvtduvn來表示。其中：t是常數(shù)；duv表示節(jié)點(diǎn)u和v之間距離；n≥2，路徑傳輸消耗指數(shù)。接收數(shù)據(jù)所需能量為c。通過節(jié)點(diǎn)u和v之間距離npuvuv之間直接傳輸數(shù)據(jù)需ru〔u〕v〔u〕之0 k0 uukuu0 0 k能量為Crk1puii0

,ui1

c式中：pu,u 是節(jié)點(diǎn)u和u之間傳輸數(shù)據(jù)所需要的能量；c是i i1 i i+1接收數(shù)據(jù)所需要的能量。1〔QoS〕放在第2位考慮，因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)必需設(shè)計(jì)的講究高能效的路由協(xié)議。如的SPIN、DirectedDiffusion、LEACH、TEEN、PEGASIS2多跳形式在節(jié)點(diǎn)和易移動(dòng)的Sinka〕泛洪法〔Flooding〕泛洪法〔Flooding〕是一種傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信路由協(xié)議，不需要維S點(diǎn)D，使用泛洪法，節(jié)點(diǎn)S個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)又將其傳輸給各自的每一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)，除了剛剛給它們發(fā)送數(shù)據(jù)副本的節(jié)點(diǎn)S據(jù)傳輸?shù)侥繕?biāo)節(jié)點(diǎn)D止，或者全部節(jié)點(diǎn)擁有此數(shù)據(jù)副本為止。泛洪法所具有的優(yōu)點(diǎn)是：實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)潔；不需要為保持網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒑蛯?shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的路由覺察算法而消耗計(jì)算資源；適用于強(qiáng)健性要求很高的場(chǎng)合。表現(xiàn)缺乏的地方主要有：一個(gè)數(shù)據(jù)多個(gè)副