第8章 无线传感器网络

第8章无线传感器网络主要内容8.1什么是无线传感器网络8.2无线传感器网络的体系结构8.3无线传感器网络的特点8.4无线传感器网络的应用8.5无线传感器网络的MAC协议8.6无线传感器网络的路由协议8.7无线传感器网络的拓扑控制8.8无线传感器网络的定位技术8.9无线传感器网络的时间同步机制8.10无线传感器网络的安全技术8.11无线传感器网络的数据管理8.12无线传感器网络的数据融合8.1什么是无线传感器网络无线传感器网络(wirelesssensornetwork，WSN)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感知对象的信息，并发送给观察者。8.2无线传感器网络的体系结构1．网络结构无线传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。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。传感器网络体系结构2.传感器节点结构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，交换控制消息和收发采集数据；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。3.协议栈8.3无线传感器网络的特点1．大规模网络2．自组织网络3．动态性网络4．可靠的网络5．应用相关的网络6．以数据为中心的网络8.4无线传感器网络的应用1．军事应用2．环境观测和预报系统3．医疗护理4．智能家居5．建筑物状态监控6．其他方面的应用8.5无线传感器网络的MAC协议MAC协议处于网络协议的底层部分，对无线传感器网络的性能有较大影响，是保证无线传感器网络高效通信的关键网络协议之一。无线传感器网络的强大功能是由众多节点协作实现的。多点通信在局部范围需要MAC协议协调其间的无线信道分配，在整个网络范围内需要路由协议选择通信路径。设计无线传感器网络MAC协议需要着重考虑的问题：(1)节省能量(2)可扩展性(3)网络效率可能造成网络能量浪费的主要原因(1)如果MAC协议采用竞争方式使用共享无线信道，可能会引起多个节点之间发送的数据产生碰撞，导致重传消耗节点更多的能量。(2)节点接收并处理不必要的数据。(3)节点在不需要发送数据时一直保持对无线信道的空闲侦听，以便接收可能传输给自己的数据。过度的空闲侦听或者没必要的空闲侦听同样会造成节点能量的浪费。(4)在控制节点之间的信道分配时，如果控制消息过多，也会消耗较多的网络能量。MAC协议分类标准采用分布式控制还是集中控制使用单一共享信道还是多个信道采用固定分配信道方式还是随机访问信道方式(1)采用无线信道的时分复用方式，给每个传感器节点分配固定的无线信道使用时段，从而避免节点之间的相互干扰。包括基于分簇网络的MAC协议、DEANA协议、基于周期性调度的协议、TRAMA协议、DMAC协议等。(2)采用无线信道的随机竞争方式，节点在需要发送数据时随机使用无线信道，重点考虑尽量减少节点间的干扰。包括IEEE802.11MAC、S-MAC、T-MAC、SIFT协议等。(3)其他MAC协议，如通过采用频分复用或者码分复用等方式，实现节点间无冲突的无线信道的分配。8.6无线传感器网络的路由协议无线传感器网络的路由协议的特点：(1)能量优先(2)基于局部拓扑信息(3)以数据为中心(4)应用相关设计无线传感器网络路由机制的要求(1)能量高效(2)可扩展性(3)鲁棒性(4)快速收敛性路由协议分类根据不同应用对传感器网络各种特性的敏感度不同，可以将路由协议分为四种类型：(1)能量感知路由协议。如能量路由算法和能量多路径路由算法。(2)基于查询的路由协议。如定向扩散路由协议和Boulis等人提出的谣传路由协议。(3)地理位置路由协议。如GEAR路由协议、GEM路由协议和基于边界定位的地理路由协议。(4)可靠的路由协议。8.7无线传感器网络的拓扑控制网络的拓扑结构控制与优化的意义:(1)影响整个网络的生存时间。(2)减小节点间通信干扰，提高网络通信效率。(3)为路由协议提供基础。(4)影响数据融合。(5)弥补节点失效的影响。8.8无线传感器网络的定位技术无线传感器网络中，位置信息对传感器网络的监测活动至关重要，没有位置信息的监测消息往往毫无意义。确定事件发生的位置或获取消息的节点位置是传感器网络最基本的功能之一，对无线传感器网络应用的有效性起着关键的作用。定位信息还具有下列用途：目标跟踪协助路由进行网络管理定位算法需要具备以下特点(1)自组织性：传感器网络的节点随机分布，不能依靠全局的基础设施协助定位。(2)健壮性：传感器节点的硬件配置低、能量少、可靠性差，测量距离时会产生误差，算法必须具有较好的容错性。(3)能量高效：尽可能地减少算法中计算的复杂性，减少节点间的通信开销，以尽量延长网络的生存周期。通信开销是传感器网络的主要能量开销。(4)分布式计算：每个节点计算自身位置，不能将所有信息传送到某个节点进行集中计算。定位算法分类根据定位过程中是否实际测量节点间的距离或角度，定位分类为基于距离的定位和距离无关的定位。基于距离的定位分为基于TOA的定位、基于TDOA的定位、基于AOA的定位、基于RSSI的定位等。距离无关的定位机制主要有质心算法、DVHop算法、Amorphous算法、APIT算法等。8.9无线传感器网络的时间同步机制时间同步是需要协同工作的无线传感器网络系统的一个关键机制。NTP协议是Internet上广泛使用的网络时间协议，但只适用于结构相对稳定、链路很少失败的有线网络系统GPS系统能够以纳秒级精度与世界标准时间UTC保持同步，但需要配置固定的高成本接收机，同时在室内、森林或水下等有掩体的环境中无法使用GPS系统。NTP、GPS都不适合应用在无线传感器网络中。三个基本的同步机制RBS机制是基于接收者-接收者的时钟同步：一个节点广播时钟参考分组，广播域内的两个节点分别采用本地时钟记录参考分组的到达时间，通过交换记录时间来实现它们之间的时钟同步。TINY/MINI-SYNC是简单的轻量级的同步机制：假设节点的时钟漂移遵循线性变化，那么两个节点之间的时间偏移也是线性的，可通过交换时标分组来估计两个节点间的最优匹配偏移量。TPSN采用层次结构实现整个网络节点的时间同步：所有节点按照层次结构进行逻辑分级，通过基于发送者-接收者的节点对方式，每个节点能够与上一级的某个节点进行同步，从而实现所有节点都与根节点的时间同步。8.10无线传感器网络的安全技术无线传感器网络的特点决定了它的安全与传统网络安全在研究方法和计算手段上有很大的不同。首先，无线传感器网络的单元节点的各方面能力都不能与目前Internet的任何一种网络终端相比，所以必然存在算法计算强度和安全强度之间的权衡问题，其次，有限的计算资源和能量资源往往需要系统的各种技术综合考虑，以减少系统代码的数量。研究现状无线传感器网络SPINS安全框架在机密性、点到点的消息认证、完整性鉴别、新鲜性、认证广播方面定义了完整有效的机制和算法。安全管理方面目前以密钥预分布模型作为安全初始化和维护的主要机制，其中随机密钥对模型、基于多项式的密钥对模型等是目前最有代表性的算法。8.11无线传感器网络的数据管理从数据存储的角度来看，无线传感器网络可被视为一种分布式数据库。无线传感器网络的数据管理与传统的分布式数据库有很大的差别。无线传感器网络的数据管理系统的结构主要有集中式、半分布式、分布式以及层次式结构，目前大多数研究工作均集中在半分布式结构方面。8.12无线传感器网络的数据融合无线传感器网络存在能量约束。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，可以达到节省能量的目的。数据融合技术可以与无线传感器网络的多个协议层次进行结合。数据融合技术在节省能量、提高信息准确度的同时，要以牺牲其他方面的性能为代价。Theend