无线传感器网络综述
李烨张旗黄晓霞
摘要随着“感知中国”、“智慧地球”等战略性的课题提出,无线传感网络的核心技术与标准将成为各国争相研究的热点。在无线传感网络中,低功耗是最核心的问题。本文以降低节点的通信能耗和延长网络寿命为出发点,阐明了通信OSI模型中物理层、数据链路层、网络层以及传输层的低功耗策略与方法。
1 引言
无线自组织传感器网络被认为是新世纪最重要的技术之一。无线传感器网络应用前景非常广阔,能够广泛应用于军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物状态监控、城市交通、大型车间和仓库管理,以及机场、大型工业园区的安全监测等领域。随着“感知中国”、“智慧地球”等国家战略性的课题提出,传感器网络技术的发展对整个国家的社会与经济,甚至人类未来的生活方式都将产生重大意义。最近二十年间,以互联网为代表的计算机网络技术给世界带来了深刻变化,然而,网络功能再强大,网络世界再丰富,终究是虚拟的,与现实世界还是相隔的。互联网必须与传感网络相结合,才能与现实世界相联系。集成了传感器、微机电系统和网络三大技术的新型传感网络(又称物联网,是一种全新的信息获取和处理技术,其目的是让物品与网络连接,使之能被感知、方便识别和管理。物联网用途广泛,遍及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、老人护理、个人健康等多个领域。物联网被称为继计算机、互联网之后,世界信息产业的第三次浪潮。业内专家认为,物联网一方面可以提高经济效益,大大节约成本;另一方面可以为全球经济的复苏提供技术动力。目前,美国、欧盟、中国等都在投入巨资深入研究探索物联网。我国高度关注与重视物联网的研究,工业和信息化部会同有
关部门,在新一代信息技术方面正在开展研究,以形成支持新一代信息技术发展的政策措施。2009年8月7日,温家宝总理在江苏无锡调研时,对微纳传感器研发中心予以高度关注。温家宝总理指出“在传感网发展中,要早一点谋划未来,早一点攻破核心技术”,“在国家重大科技专项中,加快推进传感网发展”,“尽快建立中国的传感信息中心,或者叫‘感知中国’中心”。随着美国“智慧地球”计划的提出,物联网已成为各国综合国力较量的重要因素。美国将新型传感网技术列为“在经济繁荣和国防安全两方面至关重要的技术”。加拿大、英国、德国、芬兰、意大利、日本和韩国等加入传感网的研究,欧盟将传感网技术作为优先发展的重点领域之一。据Forrester等权威机构预测,下一个万亿级的通信业务将是传感网产业,到2020年,物物互联业务与现有人人互联业务之比将达到30:1。
图1 物联网示例图
在物联网这个全新产业中,我国的技术研发水平处于世界前列,具有重大的影响力。“与计算机、互联网产业不同,中国在‘物联网’领域享有国际话语权!”早在1999年,中科院就启动了传感网研究,由其提出的传感网络体系架构、标准体系、演进路线、协同架构等代表传感网络发展方向的顶层设计已被ISO/IEC国际标准认可。目前,我国传感网络研究已形成以应用为驱动的特色发展路线,在技术、标准、产业、规模和应用与服务等方面进入了世界领先
行列,使我国在信息技术领域迎头赶上甚至占领产业价值链的高端成为可能。
2低功耗通信技术
在无线传感器网络中,低功耗是其核心问题。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上。有研究表明,传输1比特信息至100米远的距离需要消耗的能量,大约相当于执行3000条计算指令。因此,延长无线传感器网络的工作寿命,重点在于降低通信模块的能耗。
设计满足通信质量要求且能耗最低的无线通信系统与很多因素相关,如图1所示,应用需求、信道的实时状态以及通信电路的能耗,会影响通信OSI模型的各层参
数,比如物理层的数据率、信号带宽、调制方式、误码率BER、纠错编码率、信号的峰均比等参数;MAC层的休眠与传输控制,信道接入控制和冲突避让等;应用层的信源压缩率、服务质量QoS等参数。由于通信OSI模型各层相互独立,各层的低能耗策略有时会相互矛盾,我们必须以系统能耗最低为目标,研究各层参数的相互作用,设计合理的通信系统,降低通信电路的能耗,实现高能效通信。
图2 无线传感器网络低能耗通信设计流程图
在具体的实施中,如图2所示,我们首先需要对通信信道进行精确地建模以模拟无线传感器网络的工作环境;建立准确的系统级通信电路能量模型,衡量通信各参数对电路能量、噪声、非线性干扰的影响;在物理层研究自适应调制编码、准同步分集传输技术,干扰检测和避让技术,节点状态快速切换等算法,提高通信的可靠性、降低电路的能耗;在MAC 层,我们要合理优化休眠和工作时间,减少启动时间,合理的冲突避让等;在硬件电路层面,由于放大器的功耗在整个通信模块中占了相当大的比重,同时非线性对通信质量的影响很大,用数字预失真校正的方法提高放大器的效率、增加线性度是必不可少的;最后,我们建立系统能量最低的目标方程,设立各层的条件方程,用凸优化的方法求得最优的通信系统参数。另外,无线传感器网络需要对干扰有一定的检测和避让能力,增强通信的可靠性。
2.1 建立无线传感器网络节点射频前端的准
确能量模型
在无线通信中,由于射频前端在很高的频率下处理模拟信号,与其它部分相比通常会消耗更多的能量,例如基于IEEE 802.11b的 Intersil PRISM II 无线网卡,媒体接入控制(MAC处理器的能量损耗大约为110 mW,数字基带处理是170 mW,除功放外的模拟电路功耗是240 mW,功率放大器是600 mW。由此可见,近75%功率是在模拟和射频部分消耗的;另一方面,通信数字基带的各参数设置对射频的功耗和性能也会带来极大的影响。因此在低能耗的无线传感网络通信中,我们首先要建立准确的系统级能量模型,对能量消耗最大的射频前端模块做细致地分析,找出对能耗、性能起决定作用的参数,合理设置参数值。同时,新型的数字基带算法能在系统级的能量
模型上评估其能耗和噪声上的表现,使系统工程师在流片前预知性能。综上所述,系统级的准确能量模型能为高能效无线传感器网络通信研究提供平台。
无线传感器通信可以采用通用射频前端,系统模型如图3所示。在发送机主要模块有数/模转换器(DAC,重构滤波器(Filter,上变频混频器(Mixer,频率合成器(RF Synthesizer;接收机有射频滤波器,低噪声放大器(LNA,下变频混频器,基带滤波器,基带放大器(Base-band Amplifier,模/数转换器(ADC。
图3 无线通信收发机模拟电路部分系统模型
我们在前期的工作中,对射频前端建模,以WiFi 系统为例(可以改进推广到无线传感器网络通信,主要器件的功耗情况如表1所示。其中的数据主要来源于RFMD 和TI公司的产品以及我们前期建立的系统模型。表1给出了不同的系统参数对射频前端各模块功耗的影响。例如,A类功率放大器的功耗是峰均功率比(PAR、传输距离(d、调制级数(b和误码率(BER的函数。同时给出了在不同工作模式下,射频模块的功耗示例。
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表1中的参数R S 为信号的符号传输速率,K 是混
频器增益,NF 是噪声指数,ωc 是压控振荡器的中心频率,F LO 是本地振荡器频率,F ref 是参考频率,A是
低噪声放大器的增益,SQNR 是信号与量化噪声的比OSR 是数模变换
αBA 是基带I ref 是参考电流。
模型做验证,工作频率在3GHz以内时,我们的射频能量模型准确率在±15%以内;工作频率在1GHz左右时,准确率在±8%左右。
2.2 以能效比为优化目标的自适应调制编码
实现高能效比的无线传感器网络通信系统,我们需要如图2所示,根据无线传感器网络的应用和时变的无线通信信道,自适应改变数字调制方式和级数,动态控制发射功率,在系统限定的应用范围内和通信信道条件相适应。
传统的固定调制编码方式,为了保证系统的误码性能,只能根据最恶劣的信道情况选择适当的调制编码方式,这样才能保证在整个通信过程中信道传输的可靠性,但是信道情况最差的时段在整个传输时段内是非常短的,这就造成一个极大的浪费。由于实际的移动无线信道具有时变特性和衰落特性两大特点,因此移动无线信道的信道容量是一个时变的随机变量,要最大限度地利用信道容量,只有使发送速率也是一个随信道容量变化的量,也就是使调制编码方式具有自适应特性。自适应调制的基本原理就是改变调制编码的方式,使它在系统限定的范围内与信道条件相适应。在自适应调制编码系统中,如果在理想信道条件下,我们采用较高阶的调制编码方式,而在不太理想的信道条件下则采用较低阶的调制编码方式,来保证通信的可靠性和有效性。
2.2.1 自适应信道编码
对于需要传输的数据信息,经过信道纠错编码,
可以大大增强信号抗干扰的能力,降低比特误码率和数据重传概率,但是会带来冗余的信息,增加通信的功耗和数据传输量。目前广泛应用于第三代和第四代移动通信中的纠错编码主要有卷积码、Turbo码和LDPC码,它们的性能对比如表2所示。表2 纠错编码性能比较
卷积码将作为一种主要的备选编码方式。我们准备通过交织抵御突发性的错误(Bursty Error,通过打孔(Punctured的方法,提高码率,当然打孔改变码率的方法也会增加错误概率。
图4 打孔后不同码率的卷积码通信质量对比图
2.2.2 自适应调制
合理的数字调制能够增加通信带宽的有效利用率,高阶调制级数适用于图像和视频信息的传输,能减少传输的时间和通信能量,但是增加错误概率。在相同的多进制调制下,由于星座可调的自适应正交幅度调制方式具有最高的数据吞吐量,因此被认为是提高系统的平均传输速率,从而提高频谱效率的一种优选方案。星座可调的自适应正交幅度调制系统是根据移动无线衰落信道的变化来动态地改变调制电平数。当无线传感器网络需要传输的数据量很大,但比特误码率要求不高或当接收节点处在非衰落信道时,我们
表1 不同射频前端模块的能量相关参数列表
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就可以增加星座点数;而当无线传感器网络需要传输的数据量比较小,比特误码率要求很高或当接收节点处在衰落信道时,我们就减小码率星座点数,但是整个过程保持发射功率为常数。
此外,调制方式的选择和射频电路尤其是功放的特性息息相关。图5中的射频能耗曲线表征的是在不同的d/|h|下,通信能耗和调制级数的关系,其中d是传
输距离,h是信道的衰落系数。调制级数 b = R
b /R
s ,
其中R S是符号速率,R
b
是比特速率。图中各点的比特错误概率是固定的10-3,射频能耗通过能量模型算出。一旦传输距离和通信的比特率确定以后,最佳的调制级数可以从图中选择。如果所需的调制系数在最优调制系数(能量最低点左边,我们直接设置为最优调制级数,传输速率加快;如果所需的调制级数在最优调制级数右边,该调制系数为满足数据速率要求且射频能耗最低的参数(这时如果选择最优调制级数,数据传输速率不能满足要求。在本课题中,我们将采用M-QAM调制,当信道条件很差时,调制级数降低到1时,自动变为BPSK调制,在此基础上增加DSSS 直接扩频,提高信噪比。
图5 不同调制级数b和不同距离d/|h|下的射频前端的每比
特能量损耗
此外,自适应功率控制也是降低通信能耗,保证通信质量的重要方法。在无线传感网络中,我们将综合运用自适应纠错编码、数字调制和功率控制,根据信道变化、应用需求和射频功耗,制定每一帧数据的编码率、调制级数和发射功率大小。
2.3 协作通信
无线传感器网络由大量随机散布的传感器节点自组织而成的。在无线传感器网络研究与设计中,各节点间协作完成任务能充分有效地利用有限的计算和存储资源,最重要的是,各节点间协作能在保证通信质量的前提下最大程度地降低各节点的通信能耗。这是因为节点间协作进行通信能充分的利用分集技术,这是由无线信道的本质特性决定的。分集技术是通过有效的传输和处理同一信号各不相关的传输副本,达到补偿衰落损耗的目的。近几年来,空间分集成为研究热点。因为无线通信中,空间略有变动就可能出现较大的场强变化。当使用多个传输信道时,它们受到的衰落影响是互相独立或者相关性很小的,且多个信道在同一时刻处于深衰落的可能性极小。因此,如果能使用多个传输信道发送信息,在若干个支路上接收相关性很小的载有同一消息的信号,然后对各个支路的信号做适当的合并处理,便可在接收端大大降低衰落的影响,改善传输的可靠性,这就是空间分集的意义所在。空间分集是利用场强随空间的随机变化实现的,空间距离越大,多径传播的差异就越大,而接收场强的相关性就越小。协作通信的一个示意图如图所示,s表示源节点,d表示目标节点,r表示除源节点和目标节点的其它无线传感器节点。在无线传感器网络中,协作通信是指r 也要参与通信过程,它把从源节点发射的信号进行放大或者解码后进行转发到目标节点。这样目标节点就能收到从多个信道中传来的信号,使空间分集得到充分的利用。
图6 协作通信的示意图
协作通信应用于无线传感器网络需要解决的问题有:
1协作方式的选择
协作通信通常分为放大转发协作通信和解码转发协作通信。放大转发在信噪比较高的时候,对于两个节点协同,可以获得完全的分集增益。而解码转发在信噪比较低的时候,可以降低通信系统误码率。
2协作时机的选择
协作通信能大大提高传输的可靠性,但发送同一信号的多个副本会降低通信的能效比,协作不是在任何场景下都能带来好处。因此我们需要考虑基于完全的或者部分的信道状态信息来选择是否进行协作。
3协作伙伴的选择
在无线的多输入多输出系统中,分集是靠分别布置天线阵列在源节点和目的节点来实现的。为了避免
天线间的高度相关性,在保证容量接近最大值的条件下,合理地选择并最小化天线数目是一项关键技术。基于多输入多输出系统的天线选择算法有基于固定数目的天线选择算法,如基于最小误码率、最小欧几里德距离的天线选择算法和基于范数逐行递减的天线选择算法等,还有根据信道环境变化的天线数可变的选择算法等等。这些天线选择算法都有利地推动了多输入多输出系统的实际应用。对于无线传感器网络,分集是靠节点间相互协作来构成多输入单输出的天线阵列。由于在无线传感器网络中,节点一般大量随机散布,在有效的通信范围内,能用于作为协作伙伴的节点往往较多,因此我们需要一个低复杂度的协作伙伴的选择算法。
4功率分配与控制问题
与传统的直接通信相比,协作通信会耗费更多的时间或功率等系统资源。如果分配相同的发射功率给源节点和协作节点,信道条件恶劣的源节点或协作节点会不合理的占用系统资源。为了最大限度地提高功率效率,最小化用户间的干扰,必须对源节点和中继节点的发射功率进行合理的配置。
3无线传感网络高能效组网路由与MAC协议研究
无线传感器的应用通常基于大规模的节点组网,如何高能效地组网、路由以及设计MAC协议也是我们研究的重点。MAC协议和路由技术对传感器网络的性能有很大影响,是无线传感器网络的关键网络协议。无线传感器网络的性能如吞吐量、延迟性能等完全取决于所采用的MAC协议和路由协议。在中高速无线传感器网络中,MAC层协议要尽量减少冲突和串音、降低占空比。协议中还应包括折衷机制,使用户可以在节能和提高吞吐量、降低延迟之间做出选择。在对实时性较高的应用领域,及时地检测、处理和传递信息是不可缺少的要求。MAC层应和网络层的路由协议合作提供时延保证。可扩展性无线传感器网络中的节点在数目和分布密度、位置方面很容易发生变化,或者由于节点能量耗尽,新节点的加入引起的网络拓扑结构的变化。设计MAC协议时也应具有可扩展性,以适应拓扑结构的动态性:网络其他性能参数如网络的公平性、实时性、信道利用率,带宽利用率、网络延迟、吞吐量等。
与传统网络的路由协议相比,大规模无线传感器网络的路由协议必须要考虑到有限的带宽、存储和计算资源。为了节省通信开销,无线传感器网络中的路由协议需要采用多跳的通信模式,并尽量降低产生的控制分组开销。现有的路由协议在路由发现阶段或者路由修复阶段往往引发大范围甚至全网范围的泛洪,因此不适应于大规模无线传感器网络。与MAC协议的跨层设计可以降低路由协议的控制开销,改善时延并提高路由修复能力。而节点有限的存储资源和计算资源,使得节点不能存储大量的路由信息,不能进行太复杂的路由计算。在节点只能获取局部拓扑信息和资源有限的情况下,如何实现简单高效的路由机制是无线传感器网络的一个基本问题。传统的路由协议通常以地址作为节点的标识和路由的依据,而无线传感器网络中大量节点随机部署,所关注的是监测区域的感知数据,而不是具体哪个节点获取的
信息,不依赖于全网唯一的标识。传感器网络通常包含多个传感器节点到少数汇聚节点的数据流,按照对感知数据的需求、数据通信模式和流向等,以数据为中心形成消息的转发路径。
4总结
本文介绍了物联网的概况,阐明了无线传感网络在数据传输和组网方面的科研进展与未来的挑战。本文以无线传感器网络的特定应用环境为前提,对无线通信系统的能量损耗进行分析,以射频前端的能量模型为基础,采用自适应调制编码技术对通信系统参数的最优化配置,在保证通信质量的条件下,实现可用于无线传感网络的低功耗无线通信方案。同时,本文将协作通信技术引入无线传感网络,利用分集技术在不影响通信质量的前提下进一步地降低各节点的通信能耗。最后,从延长网络寿命出发,优化网络结构、路由算法以及MAC协议。本课题组将以上述三个方法出发,展开对无线传感网络关键技术的研究,不断完善无线传感网络的技术体系,从而为无线传感网络的商业应用提供技术保障。
作者简介
李烨作者简介见本期封2页。
张旗作者简介见本期封2页。
黄晓霞作者简介见本期封2页。
无线传感器网络安全技术综述 摘要：本文总结了无线传感器网络面临的安全问题，并从安全协议、安全算法、密钥管理、认证技术、入侵检测等方面分析了近年来无线传感器网络所用的安全技术。最后分析总结了无线传感器网络未来安全技术研究应该注意的地方。 关键词：安全问题协议算法认证技术入侵检测 1 引言 无线传感器网络在近些年来发展迅速，被认为是新一代的传感器网络，由于其体积小，成本低，功耗低，具有自组织网络，现已经广泛应用于军事、环境监测、交通管制、森林防火、目标定位、医疗保健、工业控制等场景[1]。 大多无线传感器网络节点被部署在无人值守或地方区域，传感器网络受到的安全威胁就变得更为突出，且由于传感器节点体积小，其储存开销、能量开销、通信开销都受到限制，所以传统无线网络的安全机制并不能完全的应用于无线传感器网络中。缺乏有效的安全机制已经成为传感器网络应用的主要障碍. 近些年来，随着无线传感器网络的发展，其安全技术也有了很大的进步。虽然传感器网络安全技术研究与传统网络有着很大的区别，但他们的出发点有相同的敌方，均需要解决信息机密性、完整性、消息认证、信息新鲜性、入侵检测等问题[2]，无线传感器网络的安全协议跟传统网络的安全协议有着其独特性也有其同性。国内外研究人员针对无线传感器网络安全协议、算法、密钥管理、认证技术、体系结构等方面都进行了大量的研究，取得了很多成果。本文将对这些已有的研究成果进行总结分析。 2 无线传感器网络安全概述 无线传感器网路安全要求是基于在传感器节点和网络本身条件限制而言的，如而节点的电池能量、睡眠模式、内存大小、传输半径、时间同步等。部署的环境也是网络安全问题的一个重要因素。 2.1网络受到的威胁和攻击 攻击是一种非法获取服务、信息，改变信息完整性，机密性的行为。无线传感
1水声通信 由于声音（Acoustic）在水中的衰减低，声波通信成为在水下环境中最通用和应用最广泛的技术，尤其是在热稳定的深水区域。声波通信的主要限制因素是浅水区域中的温度梯度差异、海面噪声和反射折射引起的多径传播；次要的限制因素是水中声速（约为1500米/秒）慢，也限制了其通信效率。所以，水声通信受到严重的带宽限制和干扰限制，难以实现短距离、高带宽通信。综观整个水声通信的发展历程，就是不断地与这些干扰相抗争的过程。例如：根据不同的干扰特点，选择抗干扰能力强的编（解）码方法和调制方式；采用各种抑制干扰的技术；采用分集的办法来抵抗衰落；采用均衡技术抵消信道缺陷引起的畸变；采用自适应技术来适应信道特性的变化以及增加功率等。水声通信在几KHz到几十KHz的带宽下，可以实现1-2000公里距离的通信，在小于1公里范围的短距离通信中，水声通信在几十KHz带宽下，数据传输速率可达100kbps，带宽效率可达几个bits/sec/Hz。 2水下无线通信网络安全关键技术研究 研制低成本、高能效、高可靠性、高安全性的水下无线通信网络对于海洋环境监控、海洋资源开发等研究领域具有重要的理论意义和经济价值。由于受自身特性限制和水声通信环境制约，水下无线通信网络面临各种威胁和攻击，然而现有的水下通信研究多以节省能耗、延长网络寿命为出发点，忽视了潜在的安全问题。因此，研究现有水下无线通信技术存在的安全隐患，针对其面临的安全威胁和安全需求，设计适用于水下无线通信网络的安全技术和安全体系，具有重要的意义。本文对水下无线通信网络的若干安全关键技术进行了研究，并提出了一种适用于水下无线通信网络的安全体系。 无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)最早可以追溯到20 世纪末，它以其低成本、低能耗、自组织和分布式的特点为网络带来了一场信息感知的变革。无线传感器网络在城市管理、环境监测、军事国防、生物医疗等领域都表现出了很好的应用前景。在国际上它被认为是继互联网之后的第二大网络，被评为对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术之首。无线传感器网络具有规模大、自组织、动态性、鲁棒性、应用相关、以数据为中心等特性，能更真实有效的获取客观的物理信息，并将其与现代传输网络紧密结合在一起，因此不断受到越来越多国家学术界和工业界的高度重视和密切关注。 海洋以其70%的地球覆盖率逐渐受到世界各国的重视，海洋的开发与发展被认为是人类生存和不断发展的必经之路。随着无线传感器网络的发展成熟以及各国对海洋权益的日益重视，水下传感器网络以其低成本、高可靠特征逐渐受到世界各国学术界的关注，成为21 世纪一个新的研究热点。水下传感器网络通过部署在指定海域的具有自组织能力的传感器节点获取所需的各种海洋监测信息，然后对其进行一定的处理之后传输给基站，最后经由卫星送达用户。水下传感器网络的应用涵盖多个领域，包括水下开发、灾难预警、水下环境监测、数据收集、辅助导航、海底军事等。 水下传感器网络部署在极为复杂的水下环境中，而无线电波在海水中的衰减十分严重，因此以声波作为信息载体的水声通信成为水下传感器网络的主要通信方式。这也使得水下传感器网络具备许多不同于陆上传感器网络的特性。首先，大多数陆上传感器节点都是静止不动的，而水下传感器节点则随着海水的运动不断移动，通常一个传感器节点每秒随水流移动2-3米；其次，水下传感器节点与陆上传感器节点的能耗不同，一些重要的水下应用需要大量数据，这使得水下传感器节点的体积偏大，对于水下传感器来说电池的更换工作是很困难的，从海底取回节点耗时耗力；第三，水下信道带宽低、数据传输率低，尽管水声通信根据带宽和通信范围分为多个类别，但在短期内，其数据传输率在1km距离内很难超过40kb/s。这些都为水下传感器网络的研究和发展带来了新的挑战。
无线传感器网络综述 近年来，随着现代传感器技术、嵌入式技术和通信技术的飞速发展，无线传感器网络成为目前网络技术的研究热点。在深入研究无线传感器网络的过程中，发现其在军事、农业、医疗、交通和家庭应用等方面有极大的应用价值。文章首先对无线传感器网络的定义和特点进行介绍，其次列举了无线传感器网络的应用方向，然后简要说明了其关键技术，最后分析了目前无线传感器网络的发展现状及亟需解决的问题。 标签：无线传感器网络；应用；关键技术 Abstract：In recent years，with the rapid development of modern sensor technology，embedded technology and communication technology，wireless sensor network has become the research hotspot of network technology. In the process of in-depth study of wireless sensor networks，it is found to have great application value in military，agriculture，medical，transportation and family applications. This paper first introduces the definition and characteristics of wireless sensor networks，then enumerates the application direction of wireless sensor networks，and briefly describes its key technologies. Finally，the current development of wireless sensor networks and the problems that need to be solved are analyzed. Keywords：wireless sensor network；application；key technology 引言 無线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是由大量传感器节点组成的一种自组织网络，这些传感器节点不仅能感知网络内的环境信息，还具有简单的计算能力，同时可以将感知和计算后的相关信息在网络中进行传输，具有一定的通信能力。传感器节点是WSN中最重要的节点，它是整个WSN的基础，具有感知数据、处理数据、存储数据和传输数据的功能。传感器节点负责感知网络内的环境信息，收集监测数据并通过汇聚节点上报给用户节点。 与其他无线通信网络相比，WSN有其自身显著的特点。 大规模性：传感器网络的大规模性分为两种含义，一种是在某些很大面积的监测区域内部署传感器节点，如森林、山地等区域为了监控火灾或进行其他环境监测活动；另一种是在面积有限的区域内部署大密度的传感器节点。 自组织性：WSN是一种分布式自组织的无线网络，它没有中心控制管理，是由对等节点构成的网络。这种分布式结构可以更好的适应网络的变化，在网络发生变化时可以自动进行配置和管理，灵活性和实用性较强。 路由多跳性：由于WSN的监测范围很大，传感器节点间数据传输距离会很
无线传感器网络概述 1科技发展的脚步越来越快，人类已经置身于信息时代，作为信息获取最重要和最基本的技术——传感器技术，得到了极大的发展。 2目前无线网络可分为两种:一种是有基础设施的网络,需要固定基站,例如我们使用的手机，属于无线蜂窝网，它就需要高大的天线和大功率基站来支持，基站就是最重要的基础设施；另外，使用无线网卡上网的无线局域网，由于采用了接入点这种固定设备，也属于有基础设施网。 另一类是无基础设施网，又称为无线Ad hoc网络,节点是分布式的，没有专门的固定基站。 无线Ad hoc网络又可分为两类: 一类是移动Ad hoc网络(Mobile Ad hoc Network,简称MANET)，它的终端是快速移动的。一个典型的例子是美军101空降师装备的Ad hoc网络通信设备，保证在远程空投到一个陌生地点之后，在高度机动的装备车辆上仍然能够实现各种通信业务，而无需借助外部设施的支援。另一类就是我们讲的无线传感器网络,它的节点是静止的或者移动很慢。 3传感器网络的标准定义是这样的： 传感器网络是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。它的英文是Wireless Sensor Network, 简称WSN。 如图所示，大量的传感器节点将探测数据，通过汇聚节点经其它网络发送给了用户。 在这个定义中，传感器网络实现了数据采集、处理和传输的三种功能，而这正对应着现代信息技术的三大基础技术，即传感器技术、计算机技术和通信技术。 4它们分别构成了信息系统的“感官”、“大脑”和“神经”三个部分。因此说，无线传感器网络正是这三种技术的结合，可以构成一个独立的现代信息系统。 5第一阶段：最早可以追溯二十世纪70年代越战时期使用的传统的传感器系统。当年美越双方在密林覆盖的“胡志明小道”进行了一场血腥较量，这条道路是胡志明部队向南方游击队源源不断输送物资的秘密通道，美军曾经绞尽脑汁动用航空兵狂轰滥炸,但效果不大。后来，美军投放了2万多个“热带树”传感器。所谓“热带树”实际上是由震动和声响传感器组成的系统，它由飞机投放，落地后插入泥土中，只露出伪装成树枝的无线电天线，因而被称为“热带树”。只要对方车队经过，传感器探测出目标产生的震动和声响信息，自动发送到指挥中心，美机立即展开追杀，总共炸毁或炸坏4.6万辆卡车。 这种早期使用的传感器系统的特征在于传感器节点只产生探测数据流，没有计算能力，并且相互之间不能通信。 6第二阶段是二十世纪80年代至90年代之间。 主要是美军研制的分布式传感器网络系统、海军协同交战能力系统、远程战场传感器系统等。这种现代微型化的传感器具备感知能力、计算能力和通信能力。因此在1999年，商业周刊将传感器网络列为21世纪最具影响的21项技术之一。 7第三阶段：21世纪开始至今。也就是本课开始介绍的911事件发生之后。这个阶段的传感器网络技术特点在于网络传输自组织、节点设计低功耗。 除了应用于情报部门反恐活动以外，在其它领域更是获得了很好的应用，所以2002年美国国家重点实验室－－橡树岭实验室提出了“网络就是传感器”的论断。 由于无线传感网在国际上被认为是继互联网之后的第二大网络，2003年美国《技术评论》杂志评出对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术，传感器网络被列为第一。 在现代意义上的无线传感网研究及其应用方面，我国与发达国家几乎同步启动，它已经成为我国信息领域位居世界前列的少数方向之一。在2006年我国发布的《国家中长期科学
无线传感器网络综述 李烨张旗黄晓霞 摘要随着“感知中国”、“智慧地球”等战略性的课题提出,无线传感网络的核心技术与标准将成为各国争相研究的热点。在无线传感网络中,低功耗是最核心的问题。本文以降低节点的通信能耗和延长网络寿命为出发点,阐明了通信OSI模型中物理层、数据链路层、网络层以及传输层的低功耗策略与方法。 1 引言 无线自组织传感器网络被认为是新世纪最重要的技术之一。无线传感器网络应用前景非常广阔,能够广泛应用于军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物状态监控、城市交通、大型车间和仓库管理,以及机场、大型工业园区的安全监测等领域。随着“感知中国”、“智慧地球”等国家战略性的课题提出,传感器网络技术的发展对整个国家的社会与经济,甚至人类未来的生活方式都将产生重大意义。最近二十年间,以互联网为代表的计算机网络技术给世界带来了深刻变化,然而,网络功能再强大,网络世界再丰富,终究是虚拟的,与现实世界还是相隔的。互联网必须与传感网络相结合,才能与现实世界相联系。集成了传感器、微机电系统和网络三大技术的新型传感网络(又称物联网,是一种全新的信息获取和处理技术,其目的是让物品与网络连接,使之能被感知、方便识别和管理。物联网用途广泛,遍及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、老人护理、个人健康等多个领域。物联网被称为继计算机、互联网之后,世界信息产业的第三次浪潮。业内专家认为,物联网一方面可以提高经济效益,大大节约成本;另一方面可以为全球经济的复苏提供技术动力。目前,美国、欧盟、中国等都在投入巨资深入研究探索物联网。我国高度关注与重视物联网的研究,工业和信息化部会同有
多媒体传感器网络综述 摘要：随着监测环境的日趋复杂多变，无线多媒体传感器网络应运而生，作为一种全新的信息获取和处理技术，多媒体传感器网络较之传统传感器网络更多地关注于音频、视频、图像等大数据量、大信息量媒体的采集与处理,在军事、民用及商业领域中具有广阔的应用前景。 关键词：多媒体传感器网络体系结构特点关键技术 0.引言 随着监测环境的日趋复杂多变，传统无线传感器网络所获取的简单数据愈加不能满足人们对环境监测的全面需求，迫切需要将信息量丰富的图像、音频、视频等媒体引入到以传感器网络为基础的环境监测活动中来，实现细粒度、精准信息的环境监测。由此，无线多媒体传感器网络(wireless multimedia sensor networks，WMSNs)应运而生[1]。 多媒体传感器网络是由一组具有计算、存储和通信能力的多媒体传感器节点组成的分布式感知网络，它借助于节点上多媒体传感器感知所在周边环境的多种媒体信息(音频、视频、图像、数值等)，通过多跳中继方式将数据传到信息汇聚中心，汇聚中心对监测数据进行分析，实现全面而有效的环境监测[2]。 1.多媒体传感器网络体系结构 一个典型的多媒体传感器网络通常由多媒体传感器节点(multimedia sensor)、汇聚节点(sink node)、控制中心(control center)等。 多媒体传感器节点散布在指定的感知区域内。其采集的数据沿着其他多媒体传感器节点逐跳进行传输，经过“多跳”路由传送节点，最后通过Internet网络或通信卫星到达控制中心。用户通过控制中心对传感器网络进行配置和管理。发布监测任务以监测数据，如图l所示[2, 3]。
无线传感器网络综述 李烨 张旗 黄晓霞 摘?要?随着“感知中国”、“智慧地球”等战略性的课题提出，无线传感网络的核心技术与标准将成为各国争相研究的热点。在无线传感网络中，低功耗是最核心的问题。本文以降低节点的通信能耗和延长网络寿命为出发点，阐明了通信OSI模型中物理层、数据链路层、网络层以及传输层的低功耗策略与方法。 ? 1?引言 无线自组织传感器网络被认为是新世纪最重要的技术之一。无线传感器网络应用前景非常广阔，能够广泛应用于军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物状态监控、城市交通、大型车间和仓库管理，以及机场、大型工业园区的安全监测等领域。随着“感知中国”、“智慧地球”等国家战略性的课题提出，传感器网络技术的发展对整个国家的社会与经济，甚至人类未来的生活方式都将产生重大意义。 最近二十年间，以互联网为代表的计算机网络技术给世界带来了深刻变化，然而，网络功能再强大，网络世界再丰富，终究是虚拟的，与现实世界还是相隔的。互联网必须与传感网络相结合，才能与现实世界相联系。集成了传感器、微机电系统和网络三大技术的新型传感网络(又称物联网)，是一种全新的信息获取和处理技术，其目的是让物品与网络连接，使之能被感知、方便识别和管理。物联网用途广泛，遍及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、老人护理、个人健康等多个领域。物联网被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮。业内专家认为，物联网一方面可以提高经济效益，大大节约成本；另一方面可以为全球经济的复苏提供技术动力。目前，美国、欧盟、中国等都在投入巨资深入研究探索物联网。我国高度关注与重视物联网的研究，工业和信息化部会同有关部门，在新一代信息技术方面正在开展研究，以形成支持新一代信息技术发展的政策措施。2009年8月7日，温家宝总理在江苏无锡调研时，对微纳传感器研发中心予以高度关注。温家宝总理指出“在传感网发展中，要早一点谋划未来，早一点攻破核心技术”，“在国家重大科技专项中，加快推进传感网发展”，“尽快建立中国的传感信息中心，或者叫‘感知中国’中心”。 随着美国“智慧地球”计划的提出，物联网已成为各国综合国力较量的重要因素。美国将新型传感网技术列为“在经济繁荣和国防安全两方面至关重要的技术”。加拿大、英国、德国、芬兰、意大利、日本和韩国等加入传感网的研究，欧盟将传感网技术作为优先发展的重点领域之一。据Forrester等权威机构预测，下一个万亿级的通信业务将是传感网产业，到2020年，物物互联业务与现有人人互联业务之比将达到30:1。 图1?物联网示例图 在物联网这个全新产业中，我国的技术研发水平处于世界前列，具有重大的影响力。“与计算机、互联网产业不同，中国在‘物联网’领域享有国际话语权！”早在1999年，中科院就启动了传感网研究，由其提出的传感网络体系架构、标准体系、演进路线、协同架构等代表传感网络发展方向的顶层设计已被ISO/IEC国际标准认可。目前，我国传感网络研究已形成以应用为驱动的特色发展路线，在技术、标准、产业、规模和应用与服务等方面进入了世界领先
一、无线传感器网络的概述 1、无线传感器网络定义，无线传感器网络三要素，无线传感器网络的任务，无线传感器网 络的体系结构示意图，组成部分（P1-2） 定义：无线传感器网络（wireless sensor network, WSN）是由部署在监测区域内大量的成本很低、微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一种多跳自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖范围内感知对象的信息，并发送给观察者或者用户 另一种定义：无线传感器网络(WSN)是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，目的是协作地采集、处理和传输网络覆盖地域内感知对象的监测信息，并报告给用户 三要素：传感器，感知对象和观察者 任务：利用传感器节点来监测节点周围的环境，收集相关的数据，然后通过无线收发装置采用多跳路由的方式将数据发送给汇聚节点，再通过汇聚节点将数据传送到用户端，从而达到对目标区域的监测 体系结构示意图： 组成部分：传感器节点、汇聚节点、网关节点和基站 2、无线传感器网络的特点（P2-4） （1）大规模性且具有自适应性 （2）无中心和自组织 （3）网络动态性强 （4）以数据为中心的网络 （5）应用相关性 3、无线传感器网络节点的硬件组成结构（P4-6） 无线传感器节点的硬件部分一般由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块4部分组成。
4、常见的无线传感器节点产品，几种Crossbow公司的Mica系列节点（Mica2、Telosb） 的硬件组成（P6） 5、无线传感器网络的协议栈体系结构（P7） 1.各层协议的功能 应用层：主要任务是获取数据并进行初步处理，包括一系列基于监测任务的应用层软件 传输层：负责数据流的传输控制 网络层：主要负责路由生成与路由选择 数据链路层：负责数据成帧，帧检测，媒体访问和差错控制 物理层：实现信道的选择、无线信号的监测、信号的发送与接收等功能 2.管理平台的功能 （1）能量管理平台管理传感器节点如何使用能源。 （2）移动管理平台检测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由，使得传感器节点能够动态跟踪邻居的位置。 （3）任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度监测任务。 6、无线传感器网络的应用领域（P8-9） （1）军事应用 （2）智能农业和环境监测 （3）医疗健康 （4）紧急和临时场合 （5）家庭应用 （6）空间探索
内部刊物信息技术快报Information Technology Letter 2005年第3卷第12期(总第31期) 出版日期: 2005年12月6日 一 基于关系数据流模型的网络入侵检测系统 (1) 二网络安全—可生存性研究及网络建模 (11) 三传感器网络综述 (24) 四 《知识网格》书评 (37) 中国计算机学会赠阅会员刊物
基于关系数据流模型的网络入侵检测系统 谭建龙沈星星王映 摘要 数据流管理系统（data stream management system DSMS）是处理动态数据集合的一种数据管理技术，采用数据流模型对网络入侵检测系统(Network Intrusion Detection System-NIDS)进行设计，可以利用数据流中多持续查询优化的技术，提高网络入侵检测系统的性能。同时使用关系数据流模型可以让入侵检测系统结构更加清晰，扩展性更好。文章描述网络数据的关系结构化，入侵检测特征的关系查询表示以及过滤型多持续查询优化技术。这个系统可以认为是数据流管理系统的一个应用系统，体现了一些数据流管理的概念和核心技术，对设计和实现通用的数据流管理系统具有一定借鉴意义。本文将重点围绕数据流查询（continue query）的编译优化、数据流管理技术和网络安全应用的关系进行分析。 1 数据流管理系统的功能 数据流管理技术是处理相对固定不变的大量查询和源源不断的流动数据的技术。而网络信息安全是解决对网络信息的分发、通讯、管理的问题。由于网络信息是典型的源源不断的数据流，同时有很多网络信息安全应用系统是采用大量查询方式，对这些网络数据流进行处理。所以网络信息安全是数据流管理研究的一个很好的典型应用。这个安全应用必须不间断无延迟地处理在线、持续的高速网络数据流，且网络数据不可能全都保存在外部存储器中。我们的研究就是基于持续查询概念，采用数据流管理系统作为流数据处理平台，将其应用到网络安全监控系统中去。我们实现了一个基于数据流处理模型的网络安全事件监控系统IceNetwork。在这个系统中，数据流管理平台通过优化执行注册于系统中的大量持续查询，对连续网络流进行过滤等操作，完成各种安全事件的监测与报警，从而有效地支持了监控系统的实时性，准确性与灵活性要求。 本文以建立一个网络入侵检测技术系统为案例，采用基于数据流管理技术的思想，来开展数据流核心技术的研究。希望能把工程中的核心问题，转换为数据流管理研究领域的通用问题。 1.1 数据流管理系统的功能 数据流管理系统[1]是为流动数据管理建立的统一平台。在数据库管理中，数据是相对静态的，查询是动态的；而在数据流管理中，查询是相对静态的，数据是动态的。也就是说数据库技术主要研究对数据在外存（磁盘）上的存储索引和一次查询的执行技术，而数据流管理技术主要研究数据在内存中的存储索引和多个执行查询（continue query）[2]的执行技术。数据库管理的一个核心问题是为了高效的查询，如何建立数据对象的索引，而数据流管理技术的核心问题是如何管理这些检索条件和操纵程序，研究如何为实现高效的大量查询进行编译的技术。 1.2 网络入侵检测系统 为了防范计算机被入侵，入侵检测系统应运而生。所谓入侵检测，就是通过从计算机网络或计算机系统中的若干关键点收集信息并对其进行分析，发现网络或系统中是否有违反安全策略的行为和遭到袭击的迹象，并对此做出适当反应的过程。根据入侵检测系统部署的位置以及网络数据的来源，入侵检测系统可以分为两类：主机入侵检测系统(HIDS1)和网络入侵检测系统(NIDS)。其中HIDS 部署于单个主机，收集所有进入本主机的数据，加以分析检测。而NIDS部署于一个子网的出入口，以进出子网的网络包做为分析数据源。 通常利用一个工作在混杂模式下的网卡来实时监视并分析通过网络的数据流。其分析模块通常使用模式匹配、统计分析等技术来识别攻击行为。一旦检测到了攻击行为，NIDS的响应模块就作出适当的响应，比如报警、切断相关用户的网络连接等。由于NIDS采用在关键节点集中监测的方式，能够监控整个子网，并且对于子网内单个主机来说是透明的，因此部署起来比HIDS方便得多。随着越来越多的单位和企业采用以太网的局域网组网方式，NIDS得到了广泛的应用。NIDS的主要检测手段是模式匹配，这里说的“模式”是指，网络数据包的头部信息或者载荷中的数据满足的特定条件，网络安全领域把能够判定一个入侵的一组特征条件叫做“特征(Signature)”。 Snort[3]是一个成熟的、被广泛使用的、开放源代码网络入侵检测系统，它的有效性已经得到时间的验证。它具有一个可配置的特征库(因为它的每一个特征对应于一条规则，我们也把它的特征库称为规则库)，最新版本的Snort规则库包含了约2300条常见网络入侵的检测规则。图1为Snort2.0中检测引擎的工作流程图。 1 Host Intrusion Detection System
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（peer to peer）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IEEE 802.11、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。
无线传感器网络结课论文 学号： 姓名： 学院：
目录 一.无线传感器网时间同步技术综述 (1) <一>引言 (1) <二>同步技术研究现状 (1) <三>时间同步算法 (2) 3.1泛洪时间同步协议 (2) 3.2 RBS 协议 (2) 3.3LTS协议 (3) <四>小结 (3) 二.基于无线传感器网络的环境监测系统 (3) <一>网络系统简介 (3) <二>网络系统结构 (3) 2.1总体结构 (3) 2.2传感器节点结构 (4) 2.3汇聚节点结构 (5) <三>应用无线传感器网络的意义 (6) 三．学习心得 (7) 四. 参考文献 (8)
一.无线传感器网时间同步技术综述 <一>引言 无线传感器网络 ( Wireless Sensors Network，WSN) 是一种在一定区域内投放大量的传感器节点，通过无线通信形成的一个单跳或多跳的自组织式的网络系统，它通常采集和处理监测区域中被感知目标的信息，并通过网络发送给主机端以提高人类对物理环境的远端监视和控制能力。无线传感网络技术在交通、国防、医学、农业等方面有着重要的运用。无线传感器网络由大量的节点构成，通常包括传感器节点、汇聚节点和任务管理节点。大量体积小、精度高的传感器节点随机部署在监测区域内，通过自组织的方式构成网络。传感器节点将监测到的数据传输给其它传感器节点，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达任务管理节点。用户则通过任务管理节点发布监测任务以及收集监测数据，对无线传感器网络进行管理。 无线传感器网络是许多领域里的关键技术之一，而时间同步则是无线传感器网络中的关键技术之一。简而言之，在检测与监视某对象的过程中，目标定位和追踪、协同数据处理、能量管理等都对物理时间的精确度都有着敏感的需求。因此，无线传感器网络的应用通常需要一个适应性比较好的时间同步服务，以保证数据的一致性和协调性。此外，数据融合、通信信道复用等也都需要时间同步的保障。所以，如何根据无线传感器网络的特点对物理时间进行同步是一个重要的问题。 目前，学术界和业界对无线传感器网络的时间同步技术进行了一定的研究，本章节描述了无线传感器网络时间同步技术的研究现状，对3种不同时间同步机制的经典算法进行分析和比较。 <二>同步技术研究现状 时间同步技术相对于计算机网络的相关技术而言尚为年轻，自从2002年学术会议Hot Nets上首次提出了时间同步这一研究课题后，到目前为止，无线传感器网络的时间同步技术也取得了一定进展，同时也开发出了多种极其有价值时间同步的算法。 目前，对于单跳网络的同步研究已趋于成熟，但由于同步误差的累积，导致单跳网络的同步技术难以扩展到多跳网络，使得多跳网络的同步技术研究较为薄弱。若再考虑节点的移动性，则会极大增加同步技术的研究难度。因此，无线传感器网络的时间同步技术还有很大的研究空间。
班级011304 学号1301120308 题目无线传感器网络综述 学院通信工程学院 专业通信与信息系统
学生XX 白小慧 前言 近年来随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的发展，作为现代信息获取的重要技术之一，传感器技术而日益成熟，这些小型传感器一般称作sensor node（传感器节点）。 无线传感器网络(wireless Sensor Networks，WSN) 就是由大量的密集部署在监控区域的智能传感器节点构成的一种网络应用系统。由于传感器节点数量众多，部署时只能采用随机投放的方式，例如通过飞机播撒或人工布置的方法，传感器节点的位置不能预先确定；在任意时刻，节点间通过无线信道连接，采用多跳(multi-hop)、对等(peer to peer)通信方式，自组织网络拓扑结构，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被监测对象的信息，并传送给信息获取者；传感器节点间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换来完成全局任务。WSN技术综合了传感器技术、嵌入式计算技术、网络技术、分布式信息处理技术和通信技术，能够协同的实时监测，感知和采集网络覆盖区域中各种环境或检测对象的信息，并对其进行处理，处理后的信息经过无线方式发送出去，并以自组多跳的网络方式传送给观察者。 无线传感器网络(WSN)是信息科学领域中一个全新的发展方向，同时也是新兴学科与传统学科进行领域间交叉的结果。无线传感器网络经历了智能传感器、无线智能传感器、无线传感器网络3个阶段。智能传感器将计算能力嵌入到传感器中，使得传感器节点不仅具有数据采集能力，而且具有滤波和信息处理能力；
无线传感器网络发展现状研究 引言 近年来，由于微电子技术、计算技术和无线通信技术的进步，使得大量低功耗、多功能、低成本的无线传感器问世，由多个传感器共同构成的网络系统吸引了大量学者的兴趣。无线传感器网络(WSN)就是在监测区域内布置大量具有信息采集、数据处理及无线通信能力的节点，整体形成一个多跳自组织网络系统，共同完成某些功能，在环境监测、交通运输、医疗等领域的科学研究中得到广泛应用。 无线传感器网络的传感器节点通常配备一个或多个不同类型的传感器，用于完成不同物理数据的采集。同时节点上还配置有微处理器、存储器、电源、射频收发器和执行器等。与传统的传感器网络不同，WSN体积小，价格便宜，因而节点的能量(如存储空间、计算能力、通信带宽、通信范围等)相对较弱。此外，WSN节点常常由电池供电，并且常常工作于恶劣的环境甚至是敌方区域，不能提供电池补给或更换，因而电源也是约束传感器节点的一个重要因素。节点通常由无线通信设备通过多跳的方式将数据发送到基站，再由基站传送到指挥中心。 WSN领域的研究目标是满足上述约束条件的同时完成指定任务。引入新的设计理念，开发或改进现有的协议，开创新的应用领域，开发新的算法，都成为WSN研究热点。本文总结了近年来WSN关键支持技术新的协议、算法以及应用。 1 无线传感器网络的应用 无线传感器网络由许多不同类型的节点(如地震、低采样率电磁传感器、温度、视觉、红外声音和雷达等)构成。WSN的应用，可以分为监测和追踪两类。监测应用包括室外室内环境监测、健康状况监测、库存监测、工厂生产过程自动化、自然环境监测等方面。跟踪的应用有目标跟踪、动物跟踪、汽车跟踪、人的跟踪等。 1．1 公共卫生 WSN可用于残疾人监测、病人监测、诊断、医院药品管理系统。C．R．Badker等人指出，在公共卫生医疗监测中应用WSN能提高现有卫生和病人监测状况。文中提出了4种应用原型：婴儿监测、提醒聋人、血压监测与追踪、消防员身体特征信号监测。这些原型采用了SHIMME 和T-mote节点。 每年很多婴儿死于婴儿猝死症(SIDS)，睡眠安全原型则是设计用于监测监视婴儿睡觉状态。用传感器监测婴儿的睡姿，一旦婴儿俯卧就及时提醒家长。SHIMMER节点中有一个重力三轴加速度计，用于监测婴儿相对位置。T—Mote节点则将该数据发送到基站，根据检测值和设定值的比较判断婴儿的睡姿。Baby Glove原型设计用于监测婴儿的生命体征如温度、水合程度以及脉搏。Fireline是一种无线心率监测系统，用于消防员火灾救援过程中实时心率和压力异常监测。Heart@Home是一种无线血压监测和跟踪系统。除此之外，Listen采集环境中的音频信息，从而提醒听力受损的人。 1．2 工业应用 石油冶炼工厂中安装的WSN由4个监测节点和一个执行节点组成，可以降低成本，提高效率。监测节点将数据包通过以太网发送给计算单元，再由计算单元将结果发送到分布式控制系统中。控制系统向执行节点发送指令，完成整个控制过程。该试验测试了网络噪声对RSSI 和LQI的影响，结果表明工业环境中的噪声对WSN的性能有很大的影响。 WSN也用于半导体制造工厂和油轮的设备维护和监测。传感器节点通过采集振动信号来预测设备的故障，这有利于设备的维护和保养。 1．3 环境应用 传感器网络的应用包括跟踪生物，如鸟类、小动物和昆虫的迁移，监测影响农作物和庄
传感器网络综述 摘要: 传感器网络是基于无线通信,数字电子学,微机电系统等的综合技术.本文首先介绍传感网络的概念,特点和技术要求,讨论某些关键技术,包括硬件,通信结构等,此后对其进行分类,最后列出应用和系统. 关键词：传感器网络 1 引言 现代的技术进展已经创造出低价格,低功率,多功能微型传感设备,可以组成分布于广大区域,包括上千个传感器的网络.经过对数据的收集,处理,分析,传感器网络可以在任何时间,任何地点获取信息,从而成为智能化环境的一部分.在广泛的应用领域,传感器网络革新了传感功能.这是因为其可靠性,精确性,灵活性,性价比,以及便于使用. 智能传感器检测和收集的数据,可能涉及机器故障,地震,洪水,以及恐怖袭击的征兆.传感器网络的功能有:收集信息,处理信息,监控环境,可以用于军事或民用. 构成传感器网络的传感器节点的硬件结构包括5部分:传感器,处理器,存储器,电源,和收发器.它们感觉,计算,影响现实环境,工作过程无需人工干预,可以自组织形成具有自治功能的网络,适应各类应用. 下面介绍一些术语.： (1.) 传感器(sensor):传感器网络中的一个节点.它是实现对于环境现象的物理传感,并经过无线通信报告测量值的装置.它一般包括5部分:传感器件,存储器,电池,嵌入式处理器,收发器. (2.) 观察器(observer):即终端用户.它经过传感器网络传播得到环境现象信息,对网络提出查询,接受对查询的回答.网络中可能存在多观察器. (3.) 现象(phenomenon):被观察的对象,传感器网络对其物理参数进行测量,传输,并可能对产生的信号进行分析或滤波. 2 传感器网络的特点和设计要求 2.1 传感器网络的特点 传感器网络由大量分布的传感器节点组成.节点装有嵌入式传感器,彼此间互相合作,其位置不必预先确定,协议和算法支持自组织.传感器网络与一般移动网络的区别如下. 1. 传感器网络节点数比一般移动网络大几个数量级.如此巨大的数量,使传感器网络可以比单个传感器更详尽,精确地报告运动物体的速度,方向,大小等属性. 2. 传感器网络节点通常密集分布.密集的基础设施使传感器网络更加有效,可以提供更高的精度,具有更大的可用能量.但是如果组织不当,密集的传感器网络可能导致大量冲突和网络拥塞,这会增加延迟,降低能量效率,造成数据过度采集. 3. 传感器网络易出故障.需要安排冗余节点提高可靠性,或者随时加入新节点代替故障节点,保证传感器网络持续精确地工作. 4. 传感器网络在能量,计算量和存储量方面比一般移动网络所受限制要大得多,很多节点的电源不能更换或充电,于是电源寿命就决定节点寿命. 5. 传感器网络拓扑经常变化.有故障和断电的节点失效,加入新节点,节点的移动,都会改变网络拓扑.由于许多节点无法更换和修理,网络就必须能够自组织和自节构,以保持持续工作以及动态响应变化的网络环境. 6. 传感器网络通信的主要方式是广播而不是点对点通信.
无线传感网络概述
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（peer to peer）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IEEE 802.11、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。
无线传感器网络MAC层协议研究 姓名：XXX 学号：XXX 摘要：无线传感器网络不仅是一种全新的信息获取和处理技术，也是一种新型的应用型网络，具有十分广阔的应用前景，引起了学术界和工业界的高度重视，成为当前热门的研究领域。在WSN中，各节点采集的信息以多跳的方式传送到汇聚点，从各节点到汇聚点形成一棵以汇聚点为根的传输树，这些节点通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络。由于无线传感器一般依赖电池供电，有效节省能源是无线传感器网络介质访问控制(MAC)协议设计的首要目标，也是无线传感器网络的重要研究课题之一。传统网络的MAC协议,并不能直接应用于无线传感器网络，且现有竞争型无线传感器网络 MAC 层协议的主要设计思路是通过牺牲系统性能来换取能量的节省。尽管这样做在一定程度上达到了节能的效果，但是较低的系统性能也会带来一些问题。针对无线传感器网络的特点和应用背景，研究人员提出了很多MAC 协议。本文通过分析无线传感器网络的特点，介绍了影响MAC协议设计的有关问题，讨论了MAC协议的分类方法，然后着重研究与论述了基于竞争方式MAC层协议的核心实现机制和特点，井比较了这些MAC协议在性能上的差异。文章最后对无线传感器网络MAC协议的进一步研究策略和发展趋势进行的展望。 关键字：无线传感器网络(WSN)；MAC协议；S-MAC；T-MAC 1引言 WSN是一种全新的信息获取和处理技术,它集成了传感器、嵌入式计算、网络和无线通信四大技术，是一种新型的无基础设施的应用型无线网络,能够协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息,并对其进行处理,传送到需要这些信息的用户，具有十分广阔的应用前景,引起了学术界和工业界的高度重视，成为当前热门的研究领域。WSN具有与传统无线网络不同的特点，且与应用高度相关，是由部署在监测区域内大量智能传感器节点组成，因不依赖于固定的基础设施，所以网络节点要求具有自组织的能力，是通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统。 WSN的一个节点进入工作区域之后，它只能依赖于MAC层和物理层所能提供的有限的机制获得周围的一跳邻居的信息，对全网的拓扑结构信息将一无所知。这时候需要有一个算法将这些分散的节点有效地组织起来，协调一致来完成某一个特定的任务。在此之上，各种路由协议、传输层协议以及应用程序才能正常运作。也就是说，需要有一个网络协议为上层结构服务，而构成整个无线传感器网络结构基石的就是MAC层协议，它是用于建立可靠的点到点、点到多点或多点共享的通信链路技术，处于无线传感器网络协议栈的底层部分，是所有数据报文和控制消息在无线信道上进行发送和接收的直接控制者，解决无线传感器网络中节点以怎样的规则共享媒体才能保证满意的网络性能问题，MAC协议能否高效地使用无线信道是保证无线多媒体传感器网络通信的最关键的因数之一。本文首先简单地分析了