无线传感器网络贺齐阳14308.docx

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无线传感器网络贺齐阳14308

课程名称：

无线传感器网络

课程内容：

无线传感器网络

专业班级：

通信工程1203班

姓名：

贺齐阳

学号：

120404308

任课教师：

郭莹

成绩：

无线传感器网络

一、无线传感器网络概述

无线传感器网络（wirelesssensornetwork,）也即通常所说的WSN，就是由部署在检测区域内的大量廉价微型传感器节点组成，通过无线通信的方式形成一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作的感知.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。

二、传感器，感知对象，观察者构成了传感器网络的三个要素。

三、传感器网络，塑料电子和仿生人体器官又被称为全球未来的三大高科技产业。

四、WSN背景和发展历程：

早在上世纪70年代，就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成传感器网络雏形，我们把它归之为第一代传感器网络。

随着相关学科的的不断发展和进步，传感器网络同时还具有了获取多种信息信号的综合处理能力，并通过与传感控制器的相联，组成了有信息综合和处理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络。

而从上世纪末开始，现场总线技术开始应用于传感器网络，人们用其组建智能化传感器网络，大量多功能传感器被运用，并使用无线技术连接，无线传感器网络逐渐形成。

五、WSN的网络体系结构：

1、网络结构

结构入上图所示，传感器网络系统通常包括传感器节点（sensornode），汇聚节点（sinknode），和管理节点。

大量传感器节点随机的部署在检测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。

传感其节点检测的数据沿着其它节点逐跳的进行传输，其传输过程可能经过多个节点处理，经过多跳后到达汇集节点，最后通过互联网和卫星达到管理节点，用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布检测任务以及收集检测数据。

2、传感器节点结构：

从上图我们可以看到一个典型的传感器节点由传感器模块，处理模块，无线通信模块和能量供应模块四部分组成。

每一个模块的功能如下所示：

1）传感其模块负责监视区域内信息的采集和数据转换

2）处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储处理本身采集的数据以及其它节点发来的数据。

3）无线通信模块负责与其它传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据。

4）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、无线传感器网络中，节点的唤醒方式有以下几种：

（1）全唤醒模式：

这种模式下，无线传感器网络中的所有节点同时唤醒，探测并跟踪网络中出现的目标，虽然这种模式下可以得到较高的跟踪精度，然而是以网络能量的消耗巨大为代价的。

（2）随机唤醒模式：

这种模式下，无线传感器网络中的节点由给定的唤醒概率p随机唤醒。

　　（3）由预测机制选择唤醒模式：

这种模式下，无线传感器网络中的节点根据跟踪任务的需要，选择性的唤醒对跟踪精度收益较大的节点，通过本拍的信息预测目标下一时刻的状态，并唤醒节点。

　　（4）任务循环唤醒模式：

这种模式下，无线传感器网络中的节点周期性的出于唤醒状态，这种工作模式的节点可以与其他工作模式的节点共存，并协助其他工作模式的节点工作。

　　其中由预测机制选择唤醒模式可以获得较低的能耗损耗和较高的信息收益

4、传感器节点

处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过小容量电池供电。

从网络功能上看，每个传感器节点除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合，并与其他节点协作完成一些特定任务。

5、汇聚节点

汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对较强，它是连接传感器网络与Internet等外部网络的网关，实现两种协议间的转换，同时向传感器节点发布来自管理节点的监测任务，并把WSN收集到的数据转发到外部网络上。

汇聚节点既可以是一个具有增强功能的传感器节点，有足够的能量供给和更多的、Flash和SRAM中的所有信息传输到计算机中，通过汇编软件，可很方便地把获取的信息转换成汇编文件格式，从而分析出传感节点所存储的程序代码、路由协议及密钥等机密信息，同时还可以修改程序代码，并加载到传感节点中。

6、管理节点

管理节点用于动态地管理整个无线传感器网络。

传感器网络的所有者通过管理节点访问无线传感器网络的资源。

传感器网络协议栈：

这个协议栈包括五层协议和三层平台

（1）各层协议功能如下:

物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术。

数据链路层负责数据成帧，帧检测和媒体访问以及差错控制。

网络层主要负责路由生成与路由选择。

传输层负责数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要部分。

应用层包括一系列基于检测任务的应用层软件

（2）三层功能如下：

能量管理平台管理传感器节点如何使用能量，在各个协议层都需要考虑节省能量。

移动管理平台检测并注册传感其节点的移动，维护到汇集节点的路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置。

任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度检测任务。

六、WSN的特征

传感器网络集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，节点数目庞大（上千甚至上万），分布密集，因环境和能量的耗尽，容易出现故障，节点通常固定不动。

能量、处理能力、存储能力、通信能力有限。

不同于传统无线网络的高服务质量和高效的带宽的利用，节能是其设计的首要考虑因素。

硬件资源有限。

节点由于受价格、体积和功耗的限制，其计算能力、程序空间和内存空间比普通的计算机功能要弱很多。

这一点决定了在节点操作系统设计中，协议层次不能太复杂。

电源容量有限。

网络节点由电池供电，电池的容量一般不是很大。

其特殊的应用领域决定了在使用过程中，不能给电池充电或更换电池，一旦电池能量用完，这个节点也就失去了作用（死亡）。

因此在传感器网络设计过程中，任何技术和协议的使用都要以节能为前提。

无中心。

无线传感器网络中没有严格的控制中心，所有节点地位平等，是一个对等式网络。

节点可以随时加入或离开网络，任何节点的故障不会影响整个网络的运行，具有较强的抗毁性。

自组织。

网络的布设和展开无需依赖于任何预设的网络设施，节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为，节点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。

多跳路由。

网络中节点通信距离有限，一般在几十到几百米范围内，节点只能与它的邻居直接通信。

如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信，则需要通过中间节点进行路由。

固定网络的多跳路由使用网关和路由器来实现，而无线传感器网络中的多跳路由是由普通网络节点完成的，没有专门的路由设备。

这样每个节点既可以是信息的发起者，也是信息的转发者。

动态拓扑。

无线传感器网络是一个动态的网络，节点可以随处移动；一个节点可能会因为电池能量耗尽或其他故障，退出网络运行；一个节点也可能由于工作的需要而被添加到网络中。

这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化，因此网络应该具有动态拓扑组织功能。

节点数量众多，分布密集。

为了对一个区域执行监测任务，往往有成千上万传感器节点投放到该区域。

传感器节点分布非常密集，利用节点之间高度连接性来保证系统的容错性和抗毁性

无线传感器网络是一个典型的分布式系统，正是由于其以上特点，使得无线传感器网络的设计过程中要尽量的使用分布式算法，并且对于一个分布式系统需要考虑的问题，比如容错、安全、可靠通信等都需要考虑。

七、WSN的关键技术

网络的拓扑控制

传感器网络拓扑控制目前主要研究的的问题是在满足网络覆盖和联通度的前提下，通过功率控制和骨干网节点选择，剔除节点间不必要的通信链路生成一个高效的数据转发的网络的拓扑结构。

八、网络协议

目前的研究重点是网络层协议和数据链路层协议，网络层的路由协议决定检测信息的传输路径；数据链路层的介质访问控制用来构建底层层的基础机构控制传感器节点的通信过程和工作模式。

九、网络安全

为了保证任务执行的机密性，数据产生的可靠性，数据融合的高效性以及数据传输的安全性等，wsn需要实现一些最基本的安全机制：

机密性，点到点消息认证，完整性鉴别，新鲜性，认证广播和安全管理，除此之外，为了确保数据融合后数据源信息的保留，水印技术也成为wsn网络安全的研究内容。

十、定位技术

确定事件发生的位置或采集数据节点的位置是传感器网络的基本功能之一，如：

我们可以利用定位技术来确定火灾发生的准确位置。

根据定位过程中是否实际测量节点间的距离或角度，把传感器网络中的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。

距离无关的定位机制主要有质心算法，DV－Hop算法，Amorphous算法，APIT算法等。

而其中距离的定位机制是目前大家重点关注的，它受环境因素影响小，其精度又基本符合大多数wsn的应用需求。

十一、数据融合

传感器网络存在能量的约束，减少传输的数据量能够有效的节省能量，因此在从各个传感器节点收集数据的过程中，可以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，从而达到节省能量的目的，由于传感器节点的失效性传感器网络也需要数据融合技术对多份数据进行综合，提高信息的准确度。

十二、WSN的应用现状

随着计算成本的下降以及微处理器体积越来越小，已经为数不少的无线传感器网络开始投入使用。

目前无线传感器网络的应用主要集中在以下领域：

1、 环境的监测和保护 

2、医疗护理

3、军事领域 

4、其他用途

十三、无线传感器网正常运行并大量投入使用还面临着许多问题：

1.网络内通信问题。

无线传感器网络内正常通信联系中，信号可能被一些障碍物或其他电子信号干扰而受到影响，怎么安全有效的进行通信是个有待研究的问题。

2.成本问题。

在一个无线传感器网络里面，需要使用数量庞大的微型传感器，这样的话成本会制约其发展。

3.系统能量供应问题。

目前主要的解决方案有：

使用高能电池；降低传感功率；此外还有传感器网络的自我能量收集技术和电池无线充电技术。

其中后两者备受关注。

4.高效的无线传感器网络结构。

无线传感器网络的网络结构是组织无线传感器的成网技术，有多种形态和方式，合理的无线传感器网络可以最大限度的利用资源。

在这里面，还包括网络安全协议问题和大规模传感器网络中的节点移动性管理等诸多问题有待解决。

十四、未来的发展趋势

1.节点微型化

利用现在的微机电、微无线通信技术，设计

微体积、长寿命的传感器节点是一个重要研

究方向

2.寻求系统节能策略

3.低成本

4.传感器网络安全性问题和抗干扰问题

5.节点的自动配置

十五、遇到的问题

1、物联网与无线传感器的区别？

（1）WSN是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，节点数目更为庞大（上千甚至上万），节点分布更为密集；

（2）通常情况下，传感器的节点是固定不动的；

（3）由于环境和能量耗尽，节点更容易出现故障；

（4）环境干扰和节点故障容易造成网络拓扑结构的变化；

（5）传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力等十分有限；

（6）传统无线网络的首要设计目标是提高服务质量和高效率带宽利用，其次才考虑节约能源；

2、什么是分布式系统？

分布式系统（distributedsystem）是建立在网络之上的软件系统。

正是因为软件的特性，所以分布式系统具有高度的内聚性和透明性。

因此，网络和分布式系统之间的区别更多的在于高层软件（特别是操作系统），而不是硬件。

内聚性是指每一个数据库分布节点高度自治，有本地的数据库管理系统。

透明性是指每一个数据库分布节点对用户的应用来说都是透明的，看不出是本地还是远程。

在分布式数据库系统中，用户感觉不到数据是分布的，即用户不须知道关系是否分割、有无复本、数据存于哪个站点以及事务在哪个站点上执行等。

故名思义，分布式系统就是将系统的应用层，数据层或其它部分构架成分布（物理和逻辑上的都可以）状（通常是网状）。

分布式系统通常是为了增强系统的可扩展性、稳定性和执行效率。

比如在线游戏通常就是分布系统，里面所谓的“区”就是分布系统里子例程。

而分布式数据库其实也可以称作分布式系统，数据持久化层是分布的（数据存在不同的数据库中，可交互，有一套综管系统来维护数据的完整性和准确性）。

3、什么是数据融合？

数据融合是一个多层次、多方面的处理过程，这个过程是对多源数据进行检测、结合、相关、估计和组合，以达到精确的状态估计和身份估计，以及完整及时的态势评估和威胁估计。

此定义有三个要点：

数据融合是多信源、多层次的处理过程，每个层次代表信息的不同抽象程度；数据融合过程包括数据的检测、关联、估计与合并；数据融合的输出包括低层次上的状态身份估计和高层次上的总战术态势的评估。