无线网络技术_第8章 无线传感器网络

第8章无线传感器网络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。两种不同接口的无线传感器节点ZigBee网络结构图多个节点形成的无线传感器网络8.2无线传感器网络的体系结构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用户互联网网关传感器网络与其他网络的融合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物理层（PhysicalLayer）无线通讯方式有射频(RF-radiofrequency)和红外(IR-infrared)两种。由于红外方式的方向性限制,使其应用更多的局限在点对点直接通讯,故无线传感器网络倾向于射频通讯。在通迅频带使用上可参考免申请的ISM（IndustrialSecurityManual,工业安全手册）（工业、科学和医疗）开放频段——2.4GHz（全球）、433MHz（欧洲）和917MHz（美国）。当通讯网络工作在开放频带时也会受到其它外部系统的影响，使用时必须采取抗干扰（微波炉、802.11b和蓝牙等设备）措施。链路层（DataLinkLayer）链路层协议用于建立可靠的点到点或点到多点通信链路,主要由介质访问控制(MediumAccessControl,简称MAC)组成,MAC协议的基本作用是避免点到点通讯时冲突的发生。传感器网络的MAC协议必须满足两项基本要求:首先是组建网络底层基础设施,实现多跳并具备自组织特性的节点无线通讯;其次是在节点通讯过程中实现平等高效的资源共享网络层(NetworkLayer)网络层协议主要负责路由发现和维护路由协议可以划分为平面路由协议和分级路由协议WSN路由协议设计要遵从如下原则能量利用率优先考虑数据为中心不影响传感器节点探测精度条件下的数据聚合理想的节点定位和目标追踪传输层(TransportLayer)当WSN需要接入Internet或其它外部网时该层才是特别必需的,工作在ISM频段的设备可能出现较高的数据包错误率,建立一套端到端的传输与阻塞控制协议能够很好地满足WSN的系统需求。在协议栈的高层采用确认与重传机制明显要比底层复杂的错误处理控制码方式易于实现可靠的数据传输。另外,由于大量传感器布局密度可能会高于需求,各传感器节点通过在局部区域内结合信息进行冗余处理,减少和压缩数据量可确保传输数据的高效性应用层（ApplicationLayer）WSN主要应用于对事件的探测,然而事件的探测往往需要一个或多个节点上多种传感器的协作。这个多种不同信息结合的过程称为数据融合,它有四个显著特点:冗余处理:同一个激励信号可被不同传感器捕获,剔除重复不必要信息;补充信息:一种传感器捕获一种特征,多种特征的结合将获得更全面信息;及时信息:多传感器的并行采集与处理;低成本信息:为获得准确信息而需单个功能强大但高价的传感器可用多种廉价的传感器共同实现。8.3无线传感器网络的特点数据传输速率低：10KB/秒~250KB/秒，专注于低速传输应用功耗低：在低功耗待机模式下，两节普通5号电池可使用6~24个月成本低：ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本网络容量大：网络可容纳65,000个设备时延短：典型搜索设备时延为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128加密算法，各个应用可灵活确定其安全属性有效范围小：有效覆盖范围10~75米，具体依据实际发射功率大小和各种不同的应用模式而定工作频段灵活：使用频段为2.4GHz、868MHz（欧洲）和915MHz（美国），均为免执照（免费）的频段8.4无线传感器网络的应用最初源于军事上的需求后逐渐被被用于农业，医学等领域文物保护智能家居/建筑健康医疗安全检测安全/监控无线传感网络应用场景交通军事2002年，英特尔公司率先在俄勒冈建立了世界上第一个无线葡萄园。传感器节点被分布在葡萄园的每个角落，每隔一分钟检测一次土壤温度、湿度或该区域有害物的数量，以确保葡萄可以健康生长。研究人员发现，葡萄园气候的细微变化可极大地影响葡萄酒的质量。通过长年的数据记录以及相关分析，便能精确的掌握葡萄酒的质地与葡萄生长过程中的日照、温度、湿度的确切关系。这是一个典型的精准农业、智能耕种的实例。葡萄园环境监测系统示意图2002年，由英特尔的研究小组和加州大学伯克利分校以及巴港大西洋大学的科学家把无线传感器网络技术应用于监视大鸭岛海鸟的栖息情况。位于缅因州海岸大鸭岛上的海燕由于环境恶劣，海燕又十分机警，研究人员无法采用通常方法进行跟踪观察。为此他们使用了包括光、湿度、气压计、红外传感器、摄像头在内的近10种传感器类型数百个节点，系统通过自组织无线网络，将数据传输到300英尺外的基站计算机内，再由此经卫星传输至加州的服务器。在那之后，全球的研究人员都可以通过互联网察看该地区各个节点的数据，掌握第一手的环境资料，为生态环境研究者提供了一个极为有效便利的平台。大鸭岛生态环境监测系统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节省能量可扩展性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：能量优先基于局部拓扑信息以数据为中心应用相关设计无线传感器网络路由机制的要求能量高效可扩展性鲁棒性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：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。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。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。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:影响整个网络的生存时间。减小节点间通信干扰，提高网络通信效率。为路由协议提供基础。影响数据融合。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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。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。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。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。网络体系结构安全密钥分发安全传输安全路由协议机制MAC协议路由协议传输协议拓扑控制功率控制拥塞控制应用协议主动型响应型地理位置混合型可靠传输不可靠传输端到端逐跳时间同步数据管理查询存储覆盖与连通性移动控制数据聚合…………………………安全防御DoS攻击耗电攻击……通信Sink链路短程无线通信蓝牙紫蜂射频嵌入式系统软件设计硬件设计操作系统编程系统能耗管理构件库节点设计低功