無線傳感器網(wǎng)絡第8章

第8章無線傳感器網(wǎng)絡1.什么是無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)?WSN有哪些特點？2.WSN組成結(jié)構(gòu)如何？3.WSN的協(xié)議體系是怎樣的？無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議無線傳感器網(wǎng)絡的路由協(xié)議無線傳感器網(wǎng)絡的拓撲控制無線傳感器網(wǎng)絡的定位技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡的時間同步機制無線傳感器網(wǎng)絡的安全技術(shù)4.無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)管理5.無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)融合6.無線傳感器網(wǎng)絡常用操作系統(tǒng)主要內(nèi)容：1.什么是無線傳感器網(wǎng)絡

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

WSN可以看為是前面講的短距離無線網(wǎng)絡的應用。新興的第四代傳感器網(wǎng)絡第一代傳感器網(wǎng)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(wǎng)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(lián)。第三代傳感器網(wǎng)絡：20世紀90年代后期。智能傳感器采用現(xiàn)場總線連接傳感控制器構(gòu)成局域網(wǎng)絡。第四代傳感器網(wǎng)絡：以無線傳感器網(wǎng)絡為標志，正處于研究和開發(fā)階段。普通節(jié)點和Sink節(jié)點：完成數(shù)據(jù)采集和多跳中繼傳輸。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點G：完成無線和有線信號轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)CERNET2的接入。監(jiān)控中心CC：完成區(qū)域數(shù)據(jù)的綜合處理。

以自組織形式構(gòu)成多跳中繼的分級結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡節(jié)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(tài)拓撲

節(jié)點數(shù)量眾多，分布密集

無線傳感器網(wǎng)絡的特點2.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀引起了世界各國軍事部門、工業(yè)界和學術(shù)界的極大關(guān)注美國軍方：C4KISR計劃、SmartSensorWeb、靈巧傳感器網(wǎng)絡通信、無人值守地面?zhèn)鞲衅魅?、傳感器組網(wǎng)系統(tǒng)、網(wǎng)狀傳感器系統(tǒng)CEC等。Intel公司：2002年基于微型傳感器網(wǎng)絡的新型計算發(fā)展規(guī)劃。美國NSF：2003年制定了傳感器網(wǎng)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(lǐng)域的研究工作。我國也開展了這一領(lǐng)域的研究工作：無線傳感器結(jié)點的硬件設計、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡路由技術(shù)、節(jié)能技術(shù)、覆蓋控制技術(shù)等。正處于研究和開發(fā)階段。是一個從理論到實踐都需要大量研究的課題。2.1產(chǎn)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(guī)模生產(chǎn)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(jiān)控戰(zhàn)場，自然資源監(jiān)視智能塵埃SmartDust智能塵埃SmartDust：大小比較2.2產(chǎn)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(wǎng)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(jié)點基站網(wǎng)關(guān)：把接收數(shù)據(jù)傳輸給其它媒介如：手機、Internet、衛(wèi)星等3.無線傳感器網(wǎng)絡的組成結(jié)構(gòu)(1)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和管理節(jié)點。大量傳感器節(jié)點隨機部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部或附近，能夠通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡。傳感器節(jié)點監(jiān)測的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點逐跳地進行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)可能被多個節(jié)點處理，經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達管理節(jié)點。用戶通過管理節(jié)點對傳感器網(wǎng)絡進行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務以及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。傳感器節(jié)點：微型嵌入式系統(tǒng)，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(shù)據(jù)處理外，還要對其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)進行存儲、管理和融合處理。匯聚節(jié)點：處理能力、存儲能力、通信能力相對較強，連接傳感器網(wǎng)絡與外部網(wǎng)絡，實現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。發(fā)布管理節(jié)點的檢測任務，將收集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡。傳感器網(wǎng)絡組成結(jié)構(gòu)傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)：傳感器模塊負責監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；處理器模塊負責控制整個傳感器節(jié)點的操作，存儲和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)；無線通信模塊負責與其他傳感器節(jié)點進行無線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；能量供應模塊為傳感器節(jié)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(wǎng)絡的協(xié)議體系圖a是早期協(xié)議棧模型，與互聯(lián)網(wǎng)五層協(xié)議棧對應圖b是細化后的協(xié)議棧模型時間同步和定位子層既要依賴于數(shù)據(jù)傳輸通道進行協(xié)作定位和時間同步協(xié)商，又要為其他各層提供信息支持，如基于時分復用的MAC協(xié)議，基于地理位置的路由協(xié)議等。b右邊諸多機制一部分融入到協(xié)議中，另一部分獨立于協(xié)議外，通過各種收集和配置接口對相應機制進行配置和監(jiān)控。I.無線傳感器網(wǎng)絡的MAC協(xié)議MAC協(xié)議處于網(wǎng)絡協(xié)議的底層部分，對無線傳感器網(wǎng)絡的性能有較大影響，是保證無線傳感器網(wǎng)絡高效通信的關(guān)鍵網(wǎng)絡協(xié)議之一。無線傳感器網(wǎng)絡單個節(jié)點功能較弱，其強大功能是由眾多節(jié)點協(xié)作實現(xiàn)的。多點通信在局部范圍需要MAC協(xié)議協(xié)調(diào)其間的無線信道分配，在整個網(wǎng)絡范圍內(nèi)需要路由協(xié)議選擇通信路徑。

設計無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議需要著重考慮的問題：(1)節(jié)省能量，首要問題。傳統(tǒng)網(wǎng)絡MAC重點考慮帶寬使用的公平性，帶寬利用率，網(wǎng)絡的實時性等，與傳感器網(wǎng)絡相反，因此必須有新的MAC協(xié)議適應傳感器網(wǎng)絡。(2)可擴展性(3)網(wǎng)絡效率可能造成網(wǎng)絡能量浪費的主要原因(1)如果MAC協(xié)議采用競爭方式使用共享無線信道，可能會引起多個節(jié)點之間發(fā)送的數(shù)據(jù)產(chǎn)生碰撞，導致重傳消耗節(jié)點更多的能量。(2)節(jié)點接收并處理不必要的數(shù)據(jù)。(3)節(jié)點在不需要發(fā)送數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。過度的空閑偵聽或者沒必要的空閑偵聽同樣會造成節(jié)點能量的浪費。(4)在控制節(jié)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(wǎng)絡能量。MAC協(xié)議分類標準:缺乏統(tǒng)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(xié)議分類:(1)采用無線信道的時分復用方式，給每個傳感器節(jié)點分配固定的無線信道使用時段，從而避免節(jié)點之間的相互干擾。包括基于分簇網(wǎng)絡的MAC協(xié)議、DEANA協(xié)議、基于周期性調(diào)度的協(xié)議、TRAMA協(xié)議、DMAC協(xié)議等。(2)采用無線信道的隨機競爭方式，節(jié)點在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時隨機使用無線信道，重點考慮盡量減少節(jié)點間的干擾。包括IEEE802.11MAC、S-MAC、T-MAC、SIFT協(xié)議等。(3)其他MAC協(xié)議，如通過采用頻分復用或者碼分復用等方式，實現(xiàn)節(jié)點間無沖突的無線信道的分配。II無線傳感器網(wǎng)絡的路由協(xié)議無線傳感器網(wǎng)絡的路由協(xié)議的特點：能量優(yōu)先：傳統(tǒng)路由協(xié)議考慮的是通信延遲小的路徑，提高網(wǎng)絡的利用率，避免擁塞，均衡網(wǎng)絡流量等。傳感網(wǎng)以能量消耗為主要考慮問題。

基于局部拓撲信息：傳感節(jié)點只能存儲有限資源

以數(shù)據(jù)為中心：傳統(tǒng)路由協(xié)議以地址為路由依據(jù)，而傳感網(wǎng)是多個傳感器節(jié)點到匯聚節(jié)點的數(shù)據(jù)流，以數(shù)據(jù)為中心

應用相關(guān)：由于應用環(huán)境區(qū)別很大，傳感網(wǎng)路由機制由應用確定設計無線傳感器網(wǎng)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(fā)送到新的接口所用的時間。路由協(xié)議分類根據(jù)不同應用對傳感器網(wǎng)絡各種特性的敏感度不同，可以將路由協(xié)議分為四種類型：(1)能量感知路由協(xié)議。早期傳感網(wǎng)絡路由協(xié)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(xié)議。實時監(jiān)測應用中，以數(shù)據(jù)查詢?yōu)橹?，通信流量主要是查詢?jié)點和傳感器節(jié)點之間的命令和數(shù)據(jù)傳輸，同時傳感器節(jié)點通常進行數(shù)據(jù)融合。(3)地理位置路由協(xié)議。目標跟蹤應用中，需要知道節(jié)點的地理位置，以此作為路由依據(jù)。(4)可靠的路由協(xié)議。對通信質(zhì)量有較高要求的應用，一般傳感網(wǎng)絡通信質(zhì)量低，穩(wěn)定性難以保證，需要設計相應可靠路由協(xié)議，如基于不相交路徑的多路徑路由協(xié)議、ReInForM協(xié)議。III無線傳感器網(wǎng)絡的拓撲控制良好的拓撲結(jié)構(gòu)能提高路由協(xié)議、mac協(xié)議效率，為數(shù)據(jù)融合、時間同步、目標定位提供基礎，延長網(wǎng)絡生存時間。

WSN拓撲控制主要研究的問題：在滿足網(wǎng)絡覆蓋度和連通度的前提下，通過功率控制和骨干網(wǎng)節(jié)點選擇，剔除節(jié)點間不必要的通信鏈路，形成一個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的優(yōu)化網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。

WSN拓撲控制的分類：節(jié)點功率控制：調(diào)節(jié)網(wǎng)絡中每個節(jié)點的發(fā)射功率，均衡節(jié)點的單跳可達鄰居數(shù)目。層次型拓撲控制：利用分簇機制，讓一些節(jié)點作為簇頭節(jié)點，由簇頭節(jié)點形成一個處理并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的骨干網(wǎng)，其他非骨干網(wǎng)節(jié)點可以暫時關(guān)閉通信模塊，進入休眠狀態(tài)以節(jié)省能量。啟發(fā)式的節(jié)點喚醒和休眠機制：使節(jié)點在沒有事件發(fā)生時設置通信模塊為睡眠狀態(tài)，而在有事件發(fā)生時及時自動醒來并喚醒鄰居節(jié)點，形成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的拓撲結(jié)構(gòu)。（需要于其他拓撲控制算法結(jié)合使用）拓撲控制的算法舉例:統(tǒng)一功率分配算法，如COMPOW

基于節(jié)點度數(shù)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(wǎng)格分簇算法，LEACH和HEED等自組織成簇算法，等……

IV.無線傳感器網(wǎng)絡的定位技術(shù)檢測到事件發(fā)生，事件發(fā)生在哪里？確定事件發(fā)生的位置或獲取消息的節(jié)點位置是傳感器網(wǎng)絡最基本的功能之一，對無線傳感器網(wǎng)絡應用的有效性起著關(guān)鍵的作用。定位信息還具有下列用途：報告事件發(fā)生地點目標跟蹤協(xié)助路由：利用節(jié)點位置的地理路由協(xié)議構(gòu)建網(wǎng)絡拓撲圖例如：傳感器節(jié)點分為：信標節(jié)點和位置未知節(jié)點。信標節(jié)點的位置時已知的，位置未知節(jié)點需要根據(jù)少數(shù)信標節(jié)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(wǎng)絡的節(jié)點隨機分布，不能依靠全局的基礎設施協(xié)助定位。健壯性：傳感器節(jié)點的硬件配置低、能量少、可靠性差，測量距離時會產(chǎn)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(jié)點間的通信開銷，以盡量延長網(wǎng)絡的生存周期。通信開銷是傳感器網(wǎng)絡的主要能量開銷。分布式計算：每個節(jié)點計算自身位置，不能將所有信息傳送到某個節(jié)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(guān)的定位機制：如，質(zhì)心算法、DVHop算法、Amorphous算法、APIT算法等。V.無線傳感器網(wǎng)絡的時間同步機制時間同步是需要協(xié)同工作的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的一個關(guān)鍵機制。NTP協(xié)議是Internet上廣泛使用的網(wǎng)絡時間協(xié)議，但只適用于結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定、鏈路很少失敗的有線網(wǎng)絡系統(tǒng)GPS系統(tǒng)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(nèi)、森林或水下等有掩體的環(huán)境中無法使用GPS系統(tǒng)。NTP、GPS都不適合應用在無線傳感器網(wǎng)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(jié)點廣播時鐘參考分組，廣播域內(nèi)的兩個節(jié)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(xiàn)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(jié)點的時鐘漂移遵循線性變化，那么兩個節(jié)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(jié)點間的最優(yōu)匹配偏移量。TPSN：采用層次結(jié)構(gòu)實現(xiàn)整個網(wǎng)絡節(jié)點的時間同步。所有節(jié)點按照層次結(jié)構(gòu)進行邏輯分級，通過基于發(fā)送者-接收者的節(jié)點對方式，每個節(jié)點能夠與上一級的某個節(jié)點進行同步，從而實現(xiàn)所有節(jié)點都與根節(jié)點的時間同步。VI.無線傳感器網(wǎng)絡的安全技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡安全問題涉及的研究內(nèi)容：任務執(zhí)行的機密性數(shù)據(jù)產(chǎn)生的可靠性數(shù)據(jù)融合的高效性數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩詿o線傳感器網(wǎng)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(shù)據(jù)融合后數(shù)據(jù)源信息的保留，水印技術(shù)也成為無線傳感器網(wǎng)絡安全的研究內(nèi)容。無線傳感器網(wǎng)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(quán)衡：如何通過更簡單的算法實現(xiàn)盡量堅固的安全外殼是無線傳感器網(wǎng)絡安全的主要挑戰(zhàn)。減少系統(tǒng)代碼的數(shù)量：有限的計算資源和能量資源往往需要系統(tǒng)的各種技術(shù)綜合考慮，以減少系統(tǒng)代碼的數(shù)量，如安全路由技術(shù)等。減小耦合性：WSN任務的協(xié)作特性和路由的局部特性導致節(jié)點之間存在安全耦合，單個節(jié)點的安全泄露必然威脅網(wǎng)絡的安全，在考慮安全算法時要盡量減小耦合性。研究現(xiàn)狀：SPINS安全框架：無線傳感器網(wǎng)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(xié)議框架是最早的無線傳感網(wǎng)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(wǎng)絡的數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理的特點：從數(shù)據(jù)存儲的角度來看，無線傳感器網(wǎng)絡可被視為一種分布式數(shù)據(jù)庫。無線傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)管理與傳統(tǒng)的分布式數(shù)據(jù)庫有很大的差別。無線傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要有集中式、半分布式、分布式以及層次式結(jié)構(gòu)，目前大多數(shù)研究工作均集中在半分布式結(jié)構(gòu)方面。

無線傳感器網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)的存儲方式：網(wǎng)絡外部存儲本地存儲以數(shù)據(jù)為中心的存儲：權(quán)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(wǎng)絡中數(shù)據(jù)的查詢：數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)分布式查詢利用聚集技術(shù)可以顯著降低通信開銷流水線式聚集技術(shù)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(wǎng)絡數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)：TinyDB系統(tǒng)（美國加州大學伯克利分校）Cougar系統(tǒng)（Cornel大學）Dimensions系統(tǒng)（加州大學洛杉磯分校）數(shù)據(jù)融合的目的：有效地節(jié)省能量：無線傳感器網(wǎng)絡存在能量約束。利用節(jié)