无线传感网络概述

1无线传感网络概述学号031241119姓名魏巧班级0312411一、无线传感器网络（WSN）的定义：无线传感器网络（WSN）是指将大量的具有通信与计算能力的微小传感器节点，通过人工布设、空投、火炮投射等方法设置在预定的监控区域，构成的“智能”自治监控网络系统，能够检测、感知和采集各种环境信息或检测对象的信息。二、传感器的节点分布及通信方式：由于传感器节点数量众多，布设时智能采用随机投放的方式，传感器节点的位置不能预先确定。节点之间可以通过无线信道连接，并具有很强的协同能力，通过局部的数据采集、预处理以及节点间的数据交互来完成全局任务，同时节点之间采用自组织网络拓扑结构。由于传感器节点是密集布设的，因此节点之间的距离很短，在传输信息方面多跳（multi—hop）、对等（peertopeer）通信方式比传统的单跳、主从通信方式更适合在无线传感器网络中使用，例如：使用多跳的通信方式可以有效地避免在长距离无线信号传播过程中遇到的信号衰落和干扰等各种问题。三、WSN运行的环境：1、WSN可以在独立封闭的环境下（如局域网中）运行。2、WSN也可以通过网关连接到网络基础设施上（如Internet）。在这种情况中，远程用户可以通过Internet浏览无线传感器网络采集的信息。四、无线数据网络的定义及无线自组网络的特点：主流的无线网络技术，如IEEE802.11、Bluetooth都是为了数据传输而设计的，我们称之为无线数据网络。目前，无线数据网络研究的热点问题就是无线自组网络技术，这项技术可以实现不依赖于任何基础设施的移动节点在短时间内的互联。特点有如下几点：（1）无中心和自组性（优点）：无线自组网络没有绝对的控制中心，网络中节点通知分布式的算法来协调彼此的行为，这种算法无需人工干预和其他预置网络设施就可以在任何时刻任何地方快速展开并自动组网。（2）动态变化的网络拓扑（缺点）：移动终端能够以任意速度和方式在网中移动，在通过无线信道形成的网络拓扑随时可能发生变化。（3）受限的无线传输带宽（缺点）：无线自组网络采用无线传输技术作为底层通信手段，由于无线信道本身的物理特性，它所能提供的网络带宽相对有线信道要低得多。（4）移动终端的能力有限（缺点）：虽然无线自组网络中移动终端携带方便，轻便灵巧，但是也存在固有缺陷，例如：能源受限，内存较小，CPU性能较低等（5）多跳路由（优点）：由于节点发射功率限制，节点覆盖范围有限。因此当它要与其覆盖范围之外的节点进行通信时，需要中间节点的转发。其中转发是由普通节点协作完成的，并不是由专用的路由设备完成的。（6）安全性较差（缺点）：无线自组网络由于采用无线信道、有限电源、分布式控制等技术，使它更容易受到被动窃听、主动入侵、拒绝服务，剥夺“睡眠”等网络攻击。2（7）网络的可扩展性不强（缺点）：在目前Internet环境下，可以采用子网、无级域间路由和变长子网掩码等技术增强其可扩展性。但由于动态的拓扑结构，原先属于不同子网地址的移动终端将有可能同时处于一个无线自组网络中，因而子网技术带来的可扩展性无法应用到无线自组网络环境中。五、无线传感器网络与无线自组网络的异同点：所以引入无线自组网络是因为无线传感器网路与它存在着许多相似的地方，也具有上述自组网络中前6条属性。但是通过比较可以发现，这两者之间存在一些本质的区别：（1）应用目标不同：无线自组网络是在不依赖任何基础设施的前提下，以数据传输服务为主要目标的，是一种数据网络；而无线传感器网络是以监控物理世界为主要目标的，是一种检测网络。（2）WSN规模超大（独有的特点一）：WSN由成千上万个微小传感器构成，它不是依靠单个设备能力的提升，而是通过大规模，冗余的嵌入式设备协同工作来提高系统的可靠性和工作质量。（3）WSN无人值守（独有的特点二）：网络系统通常在无人值守的状态下工作，每个节点只能依靠自带或自主获取的能源供电，由此导致的能源受限是阻碍无线传感器网络发展及应用的重要“瓶颈”之一。（4）WSN易受物理环境的影响（独有的特点三）：无线传感器网络与其所在的物理环境密切相关，并随着环境的变化而不断变化。因此这些时变因素严重影响了系统的性能。六、传感器网络的发展的4个阶段：第一代传感器网络：简单点到点信号传输功能的传统传感器所组成的测控系统。第二代传感器网络：由智能传感器和现场控制站组成的测控网络。第三代传感器网络：基于现场总线的智能传感器网络。第四代传感器网络：无线传感器网络。七、传感器网络的特征：7.1传感器节点的限制传感器节点在实现各种网络协议和应用系统时，存在以下一些现实约束。1、电源能量有限传感器节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池。由于传感器节点个数多、成本要求低廉、分布区域广，而且部署区域环境复杂，有些区域甚至人员不能到达，所以传感器节点通过更换电池的方式来补充能源是不现实的。如何高效使用能量来最大化网络生命周期是传感器网络面临的首要挑战。传感器节点消耗能量的模块包括传感器模块、处理器模块和无线通信模块。随着集成电路工艺的进步，处理器和传感器模块的功耗变得很低，绝大部分能量消耗在无线通信模块存在发送、接收、空闲和睡眠四种状态。无线通信模块在空闲状态一直监听无线信道的使用情况，检查是否有数据发送给自己，而在睡眠状态则关闭通信模块。无线通信模块在发送状态的能量消耗最大，在空闲状态和接收状态的能量消耗接近，略少于发送状态的能量消耗，在睡眠状态的能量消耗最少。如何让网络通信更有效率，减少不必要的转发和接收，不需要通信时尽快进入睡眠状态，是传感器网络协议设计需要重点考虑的问题。2、通信能力有限无线通信的能量消耗与通信距离的关系为：E=kd-n3其中，参数n满足关系2n4。n的取值与很多因素有关，例如传感器节点部署贴近地面时，障碍物多干扰大，n的取值就大；天线质量对信号发射质量的影响也很大。考虑诸多因素，通常取n为3，即通信能耗与距离的三次方成正比。随着通信距离的增加，能耗将急剧增加。因此，在满足通信连通度的前提下应尽量减少单跳通信距离。一般而言，传感器节点的无线通信半径在lOOm以内比较合适。考虑到传感器节点的能量限制和网络覆盖区域大，传感器网络采用多跳路由的传输机制。传感器节点的无线通信带宽有限，通常仅有几百kbps的速率。由于节点能量的变化，受高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响，无线通信性能可能经常变化，频繁出现通信中断。在这样的通信环境和节点有限通信能力的情况下，如何设计网络通信机制以满足传感器网络的通信需求是传感器网络面临的挑战之一。3、计算和存储能力有限传感器节点是一种微型嵌入式设备，要求它价格低功耗小，这些限制必然导致其携带的处理器能力比较弱，存储器容量比较小。为了完成各种任务，传感器节点需要完成监测数据的采集和转换、数据的管理和处理、应答汇聚节点的任务请求和节点控制等多种工作。如何利用有限的计算和存储资源完成诸多协同任务成为传感器网络设计的挑战。随着低功耗电路和系统设计技术的提高，目前已经开发出很多超低功耗微处理器。除了降低处理器的绝对功耗以外，现代处理器还支持模块化供电和动态频率调节功能。利用这些处理器的特性，传感器节点的操作系统设计了动态能量管理(dynamicpowermanagement，DPM)和动态电压调节(dynamicvoltagescaling，DVS)模块，可以更有效地利用节点的各种资源。动态能量管理是当节点周围没有感兴趣的事件发生时，部分模块处于空闲状态，把这些组件关掉或调到更低能耗的睡眠状态。动态电压调节是当计算负载较低时，通过降低微处理器的工作电压和频率来降低处理能力，从而节约微处理器的能耗，很多处理器如StrongARM都支持电压频率调节。7.2传感器网络的特点1、大规模网络为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点，传感器节点数量可能达到成千上万，甚至更多。传感器网络的大规模性包括两方面的含义：一方面是传感器节点分布在很大的地理区域内，如在原始大森林采用传感器网络进行森林防火和环境监测，需要部署大量的传感器节点；另一方面，传感器节点部署很密集，在一个面积不是很大的空间内，密集部署了大量的传感器节点。传感器网络的大规模性具有如下优点：通过不同空间视角获得的信息具有更大的信噪比；通过分布式处理大量的采集信息能够提高监测的精确度，降低对单个节点传感器的精度要求；大量冗余节点的存在，使得系统具有很强的容错性能；大量节点能够增大覆盖的监测区域，减少洞穴或者盲区。2、自组织网络在传感器网络应用中，通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方。传感器节点的位置不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预先也不知道，如通过飞机播撒大量传感器节点到面积广阔的原始森林中，或随意放置到人不可到4达或危险的区域。这样就要求传感器节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。在传感器网络使用过程中，部分传感器节点由于能量耗尽或环境因素造成失效，也有一些节点为了弥补失效节点、增加监测精度而补充到网络中，这样在传感器网络中的节点个数就动态地增加或减少，从而使网络的拓扑结构随之动态地变化。传感器网络的自组织性要能够适应这种网络拓扑结构的动态变化。3、动态性网络传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变：①环境因素或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效；②环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化，甚至时断时通；③传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性；④新节点的加入。这就要求传感器网络系统要能够适应这种变化，具有动态的系统可重构性。4、可靠的网络传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域，传感器节点可能工作在露天环境中，遭受太阳的暴晒或风吹雨淋，甚至遭到无关人员或动物的破坏。传感器节点往往采用随机部署，如通过飞机撒播或发射炮弹到指定区域进行部署。这些都要求传感器节点非常坚固，不易损坏，适应各种恶劣环境条件。由于监测区域环境的限制以及传感器节点数目巨大，不可能人工“照顾”每个传感器节点，网络的维护十分困难甚至不可维护。传感器网络的通信保密性和安全性也十分重要，要防止监测数据被盗取和获取伪造的监测信息。因此，传感器网络的软硬件必须具有鲁棒性和容错性。八、无线传感器网络技术的发展趋势：（1）灵活、自适应的网络协议体系。由于面向不同应用背景的无线传感器网络所使用的路由机制、数据传输模式、实时性要求以及组网机制等都有很大的差异，因此现有的各种网络协议都是基于某种特定的应用提出的，这给WSN通用性的设计和使用带来了巨大困难。如何设计可裁剪、自主灵活、可重构和适应于不同应用需求的WSN体系结构将是未来WSN发展的重要方向。（2）跨层设计：由于WSN采用分层的体系结构，因此需要实现为逻辑上并不相邻协议层之间设计互动与性能平衡的跨层设计。同时，将MAC与路由相结合进行的跨层设计可以节省能量，延长网络的寿命。（3）ZigBee标准规范：ZigBee是一种新型无线网络通信规范，主要用于近距离无线连接，ZigBee的基础是IEEE无线个域网工作组制定的IEEE802.15.4技术标准。ZigBee的优势有：能够在众多微小的传感器节点之间相互协调实现通信，这些节点只需要很低的功耗，以多跳接力的方式在节点间传送数据，因而通信效率非常高。（4）与其他网络的融合：无线传感器网络与现有的网络融合将带来新的应用，例如：WSN与互联网、移动通信网的融合，一方面使无线传感器网络得以借助这两种传统网络传递信息；另一方面这两种网络可以利用传感信息实现应用的创新。