无线传感网络的发展现状及研究中的关键技术.docx

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无线传感网络的发展现状及研究中的关键技术

无线传感网络开展现状及研究中关键技术

随着无线通信、集成电路、传感器、微机电系统等技术飞速开展，低本钱、低功耗、小体积、多功能微型传感器大量生产成为可能。

之所以称为微型传感器，是因为传感器小到可以像灰尘一样在空气中浮动，所以又可称之为“智能尘埃〔SmartDust〕〞[1]。

传感器节点借助于内置微型传感器，可以测量周围环境中热、红外、声纳、雷达与地震波信号、温度、湿度、光强度、压力、土壤成分、移动物理大小、速度与方向等人们感兴趣物理现象。

无线传感网络（WirelessSensorNetwork,WSN）是集分布式信息采集、信息传输与信息处理技术于一体网络信息系统，无线标准为无线传感器网络提供了各种基于协议与需求无线应用标准。

在WSN中，无线传感器节点常常被随机地布置在许多人类无法接近场合，通过自组织方式来构成一个快速、有效可靠无线网络。

传感器节点往往是同构，并且由于其低能耗〔甚至不需要换电池〕特点，它适用于无人看守各种应用场景等特点，从而被公认为是未来改变人们生活十大技术之一。

本文针对无线传感网络特点、应用、关键技术及各种研究进展了论述与分析，在研究人员进展应用场景选择、课题申报，特别是对做WSNMAC层研究人员有一定参考价值。

1无线传感器网络特点

目前常见无线通信网络包括移动通信网、无线局域网、蓝牙网络、AdHoc网络等,无线传感器网络与无线通信网络有着本质区别:

无线通信网络主要功能是提供网络上点对点建立连接、互相通信与操作,为数据共享提供正确、可靠传输,而由微型传感器节点构成无线传感器网络那么一般是为了某个特定需要设计自组织网络,能够协作地实时监测、感知与采集网络分布区域内各种环境或监测对象信息,并对这些数据进展处理,从而获得详尽而准确信息,将其传送到会聚节点。

无线传感器网络相对于Adhoc网络具有以下特点[2]:

（1）节点更多,分布更密集,网络规模更大。

为了在某个地理区域上进展监测,通常有成百上千甚至上万节点被布置在该区域,如果单个节点或者局部几个节点出现故障是不会导致网络瘫痪,所以利用节点之间高度连接性可以保证系统容错性与抗毁性。

（2）节点处理信息能力受限。

由于受价格、体积与功耗限制,传感器网中传感器节点一般采用嵌入式处理器与存储器。

这些传感器都具有计算能力,可以完成一些信息处理工作。

但是,由于嵌入式处理器能力与存储器容量有限,因此传感器处理能力也相对受限，所以在设计WSN各种协议时要力求简单有效。

（3）能量节省更为重要。

由于受到硬件条件影响,无线传感器节点通常采用电池供电,而无线传感网络通常是不需更换电池，相对于Adhoc网络,电池更换更为不便，而多数传感器网又往往要求长时间工作,所以能量节省更为重要。

受到发射能量限制，无线传感网络节点通信距离可能会短些,一般只有几十米,甚至更短。

（4）无线传感器网络中节点相对而言处于静止状态，移动节点有限，所以在考虑MAC层协议时，往往不需考虑节点移动特性。

而Adhoc网络中节点必须考虑移动特性。

（5）以数据为中心。

在无线传感网络中，人们常常只关心某个区域内某个观测指标数值，而不会去关心单个节点观测数据。

它不同于传统网络寻址过程，能够快速有效地组织起各个节点信息并融合提取出有用信息来传送到用户。

2无线传感网络中关键技术

无线传感网络作为当今信息领域研究热点，涉及多个学科穿插，所需要研究内容可以分为四个局部，网络通信协议、核心支撑技术、自组织管理、开发与应用。

每个局部都有一些关键技术需要解决。

〔1〕网络通信协议

由于传感器节点能量很受限，其计算、存储与通信能力十分有限，每个节点只能获取局部网络信息，因而节点上所运行网络通信协议不能太复杂；同时，WSN拓扑构造与外界环境也是不断地变化，对通信协议设计也提出了更高要求。

WSN通信协议包括物理层、数据链路层、网络层与传输层，它们相互配合运行。

〔2〕核心支撑技术

WSN里核心支撑技术使用网络通信协议提供效劳，并通过应用效劳接口来屏蔽底层网络细节，使终端用户可以方便地对WSN进展操作。

它核心技术包括：

能量挖掘、能量节省管理、拓扑控制、节点定位、时间同步、网内信息处理、网络平安等。

节点能量成为无线传感器网络发挥效能瓶颈。

无线网络传感器节点能量供给系统应根据自身特点进展设计,传感器节点功耗较低,但功耗变化范围比较大。

如果利用能量挖掘技术从环境中挖掘能量,使节点具有能量补充能力,这将从根本上解决节点能量供给问题。

典型方法是利用能量挖掘装置,可以挖掘各类能量如风能、太阳能、温差、振动等形式能量。

在能量管理方面，由于无线传感器网络节点多,覆盖范围大,工作环境复杂,能源无法替代,设计有效策略延长网络生命周期成为无线传感器网络核心问题。

休眠机制是节省能源最有效方式之一,如何进展休眠调度而不影响传感器网络正常运行十分重要。

定位技术主要指是节点定位,即确定传感器每个节点相对位置或绝对位置。

它是无线传感器网络研究领域中非常重要一个研究方向,特别是军事应用根底。

WSN系统可以智能地选择一些特定节点来完成任务,从而大大降低整个系统能耗,提高系统存活时间。

典型基于距离定位算法分别利用RSSI、TOA、TDOA、AOA测距来定位节点。

距离无关定位机制无需测量节点间绝对距离或方位,因而降低了对节点硬件要求,使得节点本钱更适合于大规模无线传感器网络,典型距离无关定位算法包含质心法、DV2Hop、Amorphous与APIT算法。

当然，平安问题是也无线传感网络面临一个关键问题。

无线传感网络大局部采用无线射频连接,无线电电磁干扰使信噪比变差导致无法通信。

而人为干扰可以采用被动方式监听网络中传送数据包,还可以对监听到数据包进展解析,主动发出入侵数据包以非法窃取或者修改某些重要信息,或者针对无线传感网络能量有限性特点,发送大量无用数据包导致能量耗尽而瘫痪。

无线传感网络中两种专用平安协议:

SNEP与uTESLA。

SNEP功能是提供节点到接收机之间数据鉴权、加密、刷新,uTESLA功能是对播送数据鉴权。

当前对无线传感网络平安方面研究集中在基于计算能力以及通信能力有限状态下自适应平安机制。

这类研究致力于加密与消息认证机制,及在密钥组管理。

〔3〕自组织管理

多变网络状态及外在环境要求无线传感器网络要具有自组织能力，能够自动组网运行、自行配置维护、适时转发监测数据。

自组织管理技术使用网络通信协议提供效劳，通过网络管理接口来屏蔽底层细节，使终端用户可以方便地管理资源分配。

其自组织管理技术包括：

节点管理、资源与任务管理、数据管理、初始化与系统维护等。

〔4〕开发与应用

作为一种源于应用而又效劳于应用现行网络技术，WSN还要有完整软硬件设计原那么，高效开发平台以及一系列别具特色应用实例。

其内容包括：

仿真平台建立，硬件系统开发、操作系统、软件开发、环境监测应用、目标追踪应用等。

3无线传感器网络应用

传感器网络有着巨大应用前景，美国商业周刊与MIT技术评论在预测未来技术开展报告中，分别将无线传感器网络列为21世纪最有影响21项技术与改变世界10大技术之一。

无线传感器网络，塑料电子科学与仿生人体器官又被称为全球未来三大高科技产业。

已有与潜在传感器应用领域包括：

军事侦察、环境监测、医疗、建筑物监测等等。

随着传感器技术、无线通信技术、计算机技术不断开展与完善，各种传感器网络将遍布我们生活环境，从而真正实现“无处不在计算〞。

〔1〕军事应用

在军事领域，传感器网络将会成为C4ISRT〔command，control，communication，computing，intelligence，surveillance，reconnaissanceandtargeting〕系统[3]不可或缺一局部。

C4ISRT系统目标是利用先进高科技技术，为未来现代化战争设计一个集命令、控制、通信、计算、智能、监视、侦察与定位于一体战场指挥系统，受到了军事兴旺国家普遍重视。

因为传感器网络是由密集型、低本钱、随机分布节点组成，自组织性与容错能力使其不会因为某些节点在恶意攻击中损坏而导致整个系统崩溃，这一点是传统传感器技术所无法比较。

在战场，指挥员往往需要及时准确地了解部队、武器装备与军用物资供给情况，铺设传感器将采集相应信息，并通过会聚节点将数据送至指挥所，再转发到指挥部，最后融合来自各战场数据形成我军完备战区态势图。

当然，也可以直接将传感器节点撒向敌方阵地，在敌方还未来得及反响时迅速收集利于作战信息。

在军事应用中，与独立卫星与地面雷达系统相比，传感器网络也有潜在无可比较优势。

（2） 环境科学

应用于环境监测传感器网络，一般具有部署简单、廉价、长期不需更换电池、无需派人现场维护优点。

通过密集节点布置，可以观察到微观环境因素，为环境研究与环境监测提供了崭新途径。

传感器网络研究在环境监测领域已经有很多实例。

这些应用实例包括：

对海岛鸟类生活规律观测，气象现象观测与天气预报，生物群落微观观测，森林火警与洪灾预警，农田管理等。

〔3〕医疗安康

传感器网络在医疗领域也有一些成功实例。

SSIM〔SmartSensorsandIntegratedMicrosystems〕工程中，100个微型传感器被植入病人眼中，从而帮助盲人获得了一定程度视觉。

借助于各种医疗传感器网络，人们可以享受到更方便更舒适医疗效劳，比方：

远程安康监测与病变器官观察等。

〔4〕家庭、建筑及城市管理

各种无线传感器可以灵活方便地布置于建筑物内，监测建筑平安；也可布置于房间内获取室内环境参数，从而为居室环境控制与危险报警提供依据；还可布置于道路上，为出行者提供信息效劳，或发现违章及时报警与记录。

〔5〕工业应用

在一些危险工作环境，如煤矿、石油钻井、核电厂等，利用WSN可以探测工作现场有哪些员工，他们在做什么以及他们平安保障。

而在机械制造与工业近控制过程中，也可以利用WSN来测量各种参数，形成一个统一网络，及时利用各种参数到达管理与自动控制目。

〔6〕其他应用

WSN还可以应用于各种场景，如桥梁监测，防灾减灾，电子牧场，太空探索、地震救护、体育裁判、物流管理、海洋测量等。

4传感器网络研究进展

传感器网络研究起源于美国军方作战要求，1978年DARPA在卡耐基梅隆大学成立了分布式传感器网络工作组。

而WSN在20世纪90年代中期以后得到世界科研界极大关注。

从21世纪开场，美国与欧洲相继启动了许多关于无线传感器网络研究方案。

特别是美国通过国家自然基金委、国防部等多种渠道投入巨资支持传感器网络技术研究。

军事领域进展

美国国防部与各军事部门较早开场启动了传感器网络研究，在C4ISR根底上提出了C4KISR方案，强调战场情报获取能力、信息综合能力与信息利用能力，把传感器网络作为一个重要研究领域，DARPA最先意识到传感器网络巨大应用价值，多年前启动了一个分布式传感器网络方案〔DistributedSensorNetworksprogram,DSN〕，随后各部门又设立了一系列军事传感器网络研究工程。

美国陆军2001年就提出了“智能传感器网络通信〞方案，近期又确立了“无人值守传感器群〞工程与“战场环境侦察与监视系统〞工程。

美国海军最近确立了“传感器组网系统〞研究工程，他们最近开展协同交战能力〔CooperativeEngagementCapability，CEC）就是有机地结合了高效传感器网络与高性能交战网络。

2002年5月，美国Sandia国家实验室与美国能源部合作反恐工程就是集检测有毒气体化学传感器与网络技术于一体系统。

网络嵌入式系统〔NEST〕战场应用实验是DARPA最近一个重要工程。

它致力于为火控与制导提供准确目标定位信息。

该工程成功地验证了能够准确定位敌方狙击手无线传感器网络技术。

这些传感器能跟踪子弹产生冲击波，在节点范围内测定子弹发射时产生声震与枪震时间，以断定子弹发射源。

三维空间定位精度可以到达米。

定位延时可到达2秒，甚至能显示敌方射手是采用跪姿还是站姿射击差异。

民用领域进展

美国交通部1995年提出了“国家智能交通系统工程规划〞，预计到2025年全面投入使用。

该方案试图有效集成先进信息技术、数据通信技术、传感器技术、控制技术与计算机处理技术并运用于整个地面交通管理，建立一个大范围全方位实时高效综合交通运输管理系统。

英特尔公司在2002年10月24日发布了“基于微型传感器网络新型计算开展规划〞。

方案宣称，英特尔将致力于微型传感器网络在预防医学、环境监测、森林灭火乃至海地板块调查、行星探查等领域应用。

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U'L此外，2002年12月美国加州大学洛杉矶分校启动嵌入式传感器网络中心〔CenterforEmbeddedNetworkSensing,CENS〕工程来跟踪、识别环境变化以及鸟类活动。

欧洲那么在2002年启动了EYES研究方案，将于今年完成，这是一个自组织协同能量高效WSN方案，其目是研制出一个WSN平台。

学术界研究重点工程与会议

国际学术界对传感器网络研究主要于90年代末期开场，而成为热点那么是2000年以后事，一些国际著名学术刊物如IEEEJournalonSelectedAreasinCommunications（2004，，，2005，，NO.4）、ProceedingsofTheIEEE（2003，，N0.8）、IEEEWirelessCommunications（December2004）、IEEESignalProcessingMagazine（March2002），近年陆续出版专刊，国际上近来还举行屡次专题学术会议，探讨与总结传感器网络技术开展及其动态。

2B#r3I*N"}0s9a美国自然科学基金委员会2003年制定了五项传感器网络研究方案，在加州大学洛杉矶分校成立了传感器网络研究中心，联合周边加州大学伯克利分校、南加州大学等，展开“嵌入式智能传感器〞研究工程，以求利用传感器网络对我们生活物理世界实现全方位测试与控制，支持相关根底理论与关键技术研究，这也是美国国情咨文中有关Internet2最主要远景规划之一。

此外，加拿大、英国、德国、芬兰、日本与意大利等国家研究机构也参加了传感器网络研究。

在中7l;H o*v$_4~'J1f.m国，哈尔滨工业大学、清华大学、中科院沈阳自动化研究所等也开展了这方面研究。

2004年中国国家自然科学基金委员会将无线传感器网络列为重点研究工程，国家中长期科学与技术开展规划纲要（2006-2021）在支持重点领域及其优先主题“信息产业及现代效劳业〞中列入了“传感器网络及智能信息处理〞，并在前沿技术中重点支持“自组织传感器网络技术〞。

我国国家自然科学基金2005年将网络传感器中根底理论与关键技术列入方案，2006年国家自然科学基金将水下移动传感器网络关键技术列为重点研究对象。

相应标准制定

（K#y&L.b'J%$O+rIEEE于2002年开场制定两个无线传感器网络相关标准：

是低速无线个域网〔Low-RateWirelessPersonalAreaNetwork，LRWPAN〕标准，主要是物理层与MAC层标准；IEEE1451是关于无线智能变送器接口标准。

上述两个标准一个定位于物理层标准，另一个定位于面向互操作应用层接口标准，而在物理层与应用层之间大量通信协议没有相应标准。

目前，Zigbee正在进展网络层协议标准化工作。

标准制定对无线传感器网络推广使用有着重要作用。

有了标准，来自不同厂商传感器节点之间才有互连互通互相组网根底，开放性产品之间才有竞争性，才有大批量生产可能，从而降低其本钱。

基于知识产权,下面内容省....需要朋友请留言.

7总结

本文结合本人研究方向对无线传感网络特点、应用以及当前研究现状进展了介绍与分析，并对MIMO、OFDM、博弈论、无线感知等技术在WSN中应用做出了介绍与分析，最后重点介绍了WSNMAC设计原理、方法与分类，并对其中本人认为相关重要MAC层协议进展了分析与比较。

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