无线传感器网络技术发展现状.docx
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无线传感器网络技术发展现状
无线传感器网络技术发展现状
无线传感器网络一种全新的信息获取和处理技术。
从无线传感器的概念出发，概括介绍了其发展历程及节点结构和网络结构。
介绍了目前该技术的研究重点及各领域的发展现状，并对每一方向的发展给出了展望。
网络新技术的发展离不开仿真工具的模拟试验，本文又对目前应用在无线传感器领域的仿真工具发展状况给予了概要说明。
最后，结合目前该技术的发展，给出了应用空间。
关键词：
无线传感器网络网络结构仿真工具
更小更廉价的低功耗计算设备代表的“后PC时代”冲破了传统台式计算机和高性能服务器的设计模式；普遍的网络化带来的计算处理能力是难以估量的；微机电系统（micro-electro-mechanismsystem，简称MEMS）的迅速发展奠定了设计和实现片上系统（systemonchip，简称SOC）的基础。
以上三方面的高度集成又孕育出了许多新的信息获取和处理模式，在
种情况下，一种新型的无线通信技术——无线传感器应运而生。
1无线传感器网络
1．1基本概念
无线传感网络（WSN，wirelesssensornetworks）是当前在
际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。
它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，这些信息通过无线方式被发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世界以及
类社会三元世界的连通。
WSN以最少的成本和最大的灵活性，连接任何有通信需求的终端设备，采集数据，发送指令。
若把WSN各个传感器或执行单元设备视为“豆子”，将一把“豆子”（可能100粒，甚至上千粒）任意抛撒开，经过有限的“种植时间”，就可从某一粒“豆子”那里得到其他任何“豆子”的信息。
作为无线自组双向通信网络，传感网络能以最大的灵活性自动完成不规则分布的各种传感器与控制节点的组网，同时具有一定的移动能力和动态调整能力。
1．2WSN的发展历程
无线传感器网络是新兴的下一代传感器网络。
最早的代表性论述出现在1999年，题为“传感器走向无线时代”。
随后在美国的移动计算和网络国际会议上，提出了无线传感器网络是下一个世纪面临的发展机遇。
2003年，美国《技术评论》杂志论述未来新兴十大技术时，无线传感器网络被列为第一项未来新兴技术。
同年，美国《商业周刊》未来技术专版，论述四大新技术时，无线传感器网络也列人其中。
美国《今日防务》杂志更认为无线传感器网络的应用和发展，将引起一场划时代的军事技术革命和未来战争的变革。
2004年（IEEESpectrum）杂志发表一期专集：
传感器的国度，论述无线传感器网络的发展和可能的广泛应用。
可以预计，无线传感器网络的发展和广泛应用，将对人们的社会生活和产业变革带来极大的影响和产生巨大的推动。
无线传感器网络是从传感器网络开始的，传感器网络经历了如图1所示的发展历程。
第一代传感器网络出现在20世纪70年代。
使用具有简单信息信号获取能力的传统传感器，采用点对点传输、连接传感控制器构成传感器网络；第二代传感器网络，具有获取多种信息信号的综合能力，采用串，并接口（如Rs-232、RS-485）与传感控制器相联，构成有综合多种信息的传感器网络；第三代传感器网络出现在20世纪90年代后期和本世纪初，用具有智能获取多种信息信号的传感器，采用现场总线连接传感控制器，构成局域网络，成为智能化传感器网络；第四代传感器网络正在研究开发，目前成形并大量投入使用的产品还没有出现．用大量的具有多功能多信息信号获取能力的传感器，采用自组织无线接入网络，与传感器网络控制器连接，构成无线传感器网络。
本文所介绍的无线传感器网络就是指第四代传感器网络。
2WSN的节点结构、网络结构及网络体系结构
2．1传感器网络节点结构
如图2，传感器网络节点的基本组成包括如下4个基本单元：
传感单元（由传感器和模数转换功能模块组成）、处理单元（包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等）、通信单元（由无线通信模块组成）以及电源。
此外，可以选择的其他功能单元包括：
定位系统、移动系统以及电源自供电系统等。
2．2传感器网络结构
在传感器网络中，节点可以通过飞机布撒或人工布置等方式，大量部署在被感知对象内部或者附近，这些节点通过自组织方式构成无线网络，以协作的方式实时感知、采集和处理网络覆盖区域中的信息，并通过多跳网络将数据经由Sink节点（接收发送器）链路将整个区域内的信息传送到远程控制管理中心．反之，远程管理中心也可以对网络节点进行实时控制和操纵。
整个网络主要包括以下几部分：
网络用户（任务管理节点）。
它负责从网络中获取所需要的信息，同时也可以对网络做出各种各样的指示、操作等；
传输介质（Internet网或通讯卫星）。
它是用户与传感网络之间的桥梁和纽带。
Sink节点（接收发送器）。
它拥有足够的能量，可以将从传感器网络中的能量有限的节点上传来的信息转发到传输介质上。
传感网络。
这是传感器网络的核心。
在感知区域中，大量的节点自组成网，监测、感知信息向Sink节点发送，或接收来自Sink节点的操作命令，改变自身的工作状态。
2．3传感器网络的体系结构
网络体系结构是网络的协议分层以及网络协议的集合，是对网络及其部件所应完成功能的定义和描述，对无线传感器网络来说，其网络体系结构不同于传统的计算机网络和通信网络。
网络体系结构由分层的网络通信协议、传感器网络管理以及应用支撑技术三部分组成。
分层的网络通信协议结构类似于TCP／IP协议体系结构；传感器网络管理技术主要是对传感器节点自身的管理以及用户对传感器网络的管理；在分层协议和网络管理技术的基础上，支持了传感器网络的应用支撑技术。
结构图如图3所示。
在第三部分，我们将基于此结构介绍目前的研究重点和研究现状。
3目前研究重点及研究现状
在无线传感器网络体系结构的这三大部分中，目前的发展主要集中在几个方面，在协议通信层主要研究重点是数据链路层MAC协议及网络层路由协议的研究；在网络管理技术层，主要研究方向是收集数据的管理、节能问题的解决以及网络通信安全的实现；在网络支撑技术层，主要研究点是节点定位问题的解决、时间同步技术的实现以及用户应用接口的实现．这其中，协议的研究与节能的实现又是相辅相成的。
3．1协议通信层的研究
3．1．1MAC协议的研究
传感器网络研究的核心问题之一是功耗管理。
通过对现有系统的分析可知，射频模块是节点中最大的耗能部件，是优化的主要目标。
MAC协议直接控制射频模块．对节点功耗有重要影响。
传感器节点无效功耗主要有以下四个来源。
①空闲侦听：
节点不知道邻居节点何时向自己发送数据，射频模块必须一直处于接收状态，消耗大量的能源。
这是无效功耗的最主要来源；②冲突：
同时向同一节点发送多个数据帧，信号相互干扰，接收方无法准确接收，重发造成能量浪费；③串扰（overhearing）：
接收和处理发往其他节点的数据属于无效功耗；④控制开销：
控制报文不传送有效数据，消耗的能量对用户来说是无效的。
由于上述原因，传感器网络MAC协议一般采用了“侦听／休眠”交替的信道侦听机制，节点空闲时自动转换为休眠状态，以减少空闲侦听。
我们可以根据协议中为减少数据碰撞和串音现象而采用的不同方法，将MAC协议分为三类：
（1）利用时分复用（TDMA）的方式为各节点分配独立固定的信道；
（2）通过频分复甩（FDMA）或者码分复用（CDMA）的方式，实现无冲突的强制信道分配；（3）通过竞争机制，保证节点随机使用信道并且不受其他节点的干扰。
下面介绍几个比较有代表性的协议。
S-MAC和T-MAC协议在发送数据时采用带冲突检测的载波侦听多路访问避免冲突。
WiseMAC和B-MAC协议在发送数据时采用载波侦听多路访问（CSMA）。
WiseMAC通过增加载波侦听的范围来解决隐藏节点问题，代价是增加了功耗；在B-MAC中，RTS/CTS握手可由高层通过MAC协议提供的控制接口实现。
BMA协议借鉴了LEACH的分簇思想。
D-MAC在分析自适应工作／休眠调度的基础上，发现了数据转发中断问题，提出了一个新颖的解决方案。
IEEE802．15．4是美国电气电子工程师学会（IEEE）制定的标准，传感器网络是它的主要应用领域之一，目前市场上已经可以购买到符合该标准的产品化射频芯片。
3.1.2路由协议
路由协议的任务是在传感器节点和Sink节点之间建立路由，可靠地传递数据。
由于传感器网络资源严重受限，因此路由协议要遵循的设计原则包括不能执行太复杂的计算、不能在节点保存太多的状态信息、节点间不能交换太多的路由信息等。
为了有效地完成上述任务，已经提出了很多种路由协议，它们大都利用了无线传感器网络的以下特点：
①传感器节点按照数据属性寻址，而不是IP寻址；②传感器节点监测到的数据往往被发送到Sink节点；③原始监测数据中有大量冗余信息，路由协议可以合并数据、减少冗余性，从而降低带宽消耗和发射功耗；④传感器节点的计算速度、存储空间、发射功率、电源能量有限，需要节约这些资源。
传感器网络路由协议可以归纳为以下几个类别：
（1）以数据为中心的路由协议。
（2）基于簇（cluster）的路由协议。
（3）基于位置的路由协议。
（4）基于数据流模型和服务质量要求的路由协议。
除了前面几类经典的路由协议设计方法，近年又出现了很多针对传感器网络的新赂由协议和设计方法，路由协议研究正逐渐深入和务实。
例如，利用图论中流量优化的方法来为采样数据报选择路由；将MAC层和路由层协议捆绑设计，用跨层优化技术来进一步节省功耗；路由能对随机部署的传感器网络进行自适应调整网络拓扑，并让冗余节点经常处于睡眠状态。
3.2网络管理技术层研究
3．2．1数据处理问题的解决
哈工大的李建中老师在这方面有一定的研究：
基于传感器网络的任何应用系统都离不开感知数据的管理和处理技术。
不言而喻，感知网数据管理和处理技术是确定感知网可用性和有效性的关键技术。
对于观察者来说，传感器网络的核心是感知数据，而不是网络硬件。
观察者感兴趣的是传感器产生的数据，而不是传感器本身。
观察者不会提出这样的查询：
“从A节点到B节点的连接是如何实现的?
”，他们经常会提出如下的查询：
“网络覆盖区域中哪些地区出现毒气?
”。
在传感器网络中，传感器节点不需要地址之类的标识。
观察者不会提出查询：
“地址为27的传感器的温度是多少?
”，他们感兴趣的查询是，“某个地理位置的温度是多少?
”。
综上所述，传感器网络是一种以数据为中心的网络。
显然，感知数据管理和处理技术的研究是一项实现高效率传感器网络的重要和关键的任务。
遗憾的是，到目前为止．感知数据管理和处理技术的研究还不多，还有大量的问题需要解决。
感知数据管理与处理技术的研究是数据库界面临的新任务和新挑战，也为数据库界提供了新机遇。
文献提出了基于数据变化趋势模型进行数据Cache管理的方法。
系统根据系统各种
数的历史数据不断地调整各种参数的趋势函数，同时建立多级的Cache体系，从而大大减少系统的通信负载，提高了数据的可获得性，延
了SensorNet的生存时间。
在Cache管理方面已经有过很多的研究成果，这些方法都是对于查询结果的缓存，只是组织的形式有所不同。
我们提出的Cache模型是基于数据变化趋势的，不仅包含了先前的查询结果，而且新的查询也可以通过缓存的趋势函数而获得满足，而且使用趋势函数作为缓存的组织形式，大大减少了所需的存储空间。
3．2．2节能问题的实现
能量是节点工作的基础，节能问题，几乎贯穿无线传感器网络发展的各个方面。
协议的建立需要考虑节能问题，以上面的MAC协议的研究和路由协议的实现都可以看出；网络中的数据处理需要考虑节能问题，没有能量，数据无法处理；节点定位、时间同步都需要考虑节能问题，节能问题的解决，跟随在每个环节的实现上。
当然，纯粹的节能方式也有很多，比如让节点定期“休眠”等。
但是，大部分的节能还是包含在了具体实现细节当中，如文献采用了一种带有能量控制的有效路由方式，通过调整每个节点发送数据时的数据传输范围进而调整消耗的能量，以节省资源，从而延长网络寿命。
3．2．3网络安全问题
传感器网络多用于军事、商业领域，安全性是其重要的研究内容。
由于传感器网络中节点随机部署、网络拓扑的动态性以及信道的不稳定性，使传统的安全机制无法适用。
因此需要设计新型的网络安全机制。
可借鉴扩频通信、接入认证／鉴权、数据水印、数据加密等技术。
目前，保证网络安全性的方法也不少。
一种是借助特殊的无线传感器终端。
例如文献中，采用PTD（PersonalTrustDevice）做为传感器网络的终端，在网络中设立认证服务器来提供传感器需要的服务，而在PTD和服务器之间建立认证和加密体系，只有在服务器注册过的PTD终端才能获得服务，未注册的则不能，从而保证系统安全。
通常，这种系统用在家庭环境中。
一种是采用安全罩（SecureOverlay）。
例如文献中，采用一种称为SCANv2（SecureContentAddressableNetworkVersion2）安全内容网络寻址的安全罩，来实现无线传感器网络的安全。
SCANv2其实是在盖在实际网络层上的一个虚拟结构，通过采用Hash函数，把实际网络中的节点映射到这个罩空间上，某一区域或某种功能的节点在罩空间的某一个共同的特定位置。
用户在从网络中获取服务时，需要通过相应的安全认证进入罩空间，再进一步通过加密解密过程从这个映射空间进入实际网络中获得所需服务。
此外，网络安全中的加密后密铜管理也是个问题。
复杂的非对称加密方式不适合完全应用于能量有限的传感器网络，而相对简单的对称加密方式又使得网络容易受到攻击。
在文献中，提到了一种新的加密方式，综合采用了对称和非对称的两种加密方式中的某些特点。
在假定基站能量不受限制及节点不移动的前提下，基站首先发出特定信息，建立网络的分层拓扑结构。
外围分布的节点又有子节点和父节点之分，父节点保有子节点的密钥，确保子节点发送上来的信息是有效地子节点发送上来的；同时，子节点又保有父节点的密钥，以便对发出的数据进行跟踪。
基站拥有所有密钥且拥有唯一的初始入网认证密钥。
3．3网络支撑层的研究
33．1节点定位问题
与一般的计算机网络相比，WSN在计算机软硬件所组成计算世界与实际物理世界之间建立了更为紧密的联系，只有结合位置信息，传感器获取的数据才有实际意义。
许多WSN的研究成果都表明了节点位置信息的重要性，如在网络层，因为WSN节点无全局标识，可以设计基于节点位置信息的路由算法；在应用层，根据节点位置，WSN系统可以智能地选择一些特定的节点来完成任务，从而大大降低整个系统的能耗，提高系统的存活时间。
许多对目标追踪问题的研究更是将节点位置已知作为一个前提条件。
节点定位是WSN系统布设完成后面临的首要问题，它可表述为：
依靠有限的位置已知节点，确定布设区中其它节点的位置，传感器节点间建立起一定的空间关系。
当前对节点定位问题的研究一般都基于以下前提：
（1）有一定比例的节点位置已知或具有GPS定位功能，这些节点的位置可作为定位参考点；
（2）节点可能具有测量与邻节点距离的能力；（3）节点不具有自主移动能力。
全球定位系统（GPS）已经在许多领域得到了应用，但由于价格高及有特殊环境要求等因素，不能为每个节点配备GPS接收装置。
目前无线传感器网络自身定位系统和算法的分类如下：
（1）物理定位与符号定位。
（2）绝对定位与相对定位。
（3）紧密耦合与松散耦合。
（4）集中式计算与分布式计算。
（5）基于测距技术的定位和无须测距技术的定位。
（6）粗粒度与细粒度。
（7）三角测量、场景分析和接近度定位。
3．3．2时间同步
传统的分布式系统时间同步算法一般采用集中发布方式，即系统内的时间服务器通过单播或广播方式周期性地向客户节点发布时间。
如：
NTP。
这种中心发布方式不适合在具有能量受限、节点易损坏和网络拓扑结构动态变化等特点的WSN中使用。
目前对WSN时间同步的研究主要集中在两个方面：
一是尽量减少同步算法对时间服务器及信道质量的依赖，缩短可能引起同步误差的“关键路径”；二是从能耗的角度，研究节能、高教的同步算法。
Eison等人分析了WSN的工作模式，认为传感器节点在大部分时间内处于自主工作状态，只有在被监测事件发生后才需要协同通信。
基于这种工作模式，Elson提出了一种“事后同步”方法（post-factosynchronization），即在被监测事件发生之前，不对各节点进行同步。
只有当被监测事件发生后，参与协同工作的节点间才开始同步，共同推断事件发生时间。
仿真表明，该方法有较好的节能特性，但实时性较差。
Hill等人分析了同步过程中由节点本地硬件处理引起的同步误差，提出了从硬件设计的角度提高时间同步精度的方法。
为了准确记录物理层数据包到达时间，文中设计了专用硬件“同步加速器”，消除了由于对同步报文的本地处理所引发的不确定性，提高了时间同步的精度。
综合WSN现有的时间同步方法在同步精度、同步有效时间、同步有效范围、能量消耗等方面的特点，Elson提出了针对WSN时间同步方法设计的五点建议：
·结合使用多种、可调的同步方式
·尽量不维护全局时间信息
·使用事后同步节能方式
·能够动态适应不同的应用需求
·充分利用底层通信服务。
4WSN的仿真平台
对于一般的计算机网络，通常是采用模拟仿真和实际的物理测量结合来衡量一个新的协议和方法的适用性。
但是对于无线传感器网络，由于其自身的特点，物理测量在很多环境下是行不通的，此时计算机的模拟仿真就变成传感器网络性能评价的重要手段。
高效准确的仿真工具对推动网络技术的发展作用很大。
例如，NS-2网络仿真工具采用了一系列面向对象的设计方法，通过大量的仿真模块，提供了对广泛使用的网络协议的仿真分析，并取得了非常直观的系统性能分析，类似的还有0PNET以及专门用于移动通信仿真的GlomoSim等。
尽管目前存在各种成熟的网络仿真平台，如NS-2，OMNdT++，OPNET，GloMoSim和QuMNet。
但是由于无线传感器网络的极其特殊性，这些仿真平台都具有某些使用的局限性，因此许多学者都投入大量精力专门研究适用于传感器网络的仿真工具，比较有代表性的成果有以下几项。
（1）SENSE项目
SENSE是为了解决传统网络仿真工具在无线传感器周络领域使用的缺陷而开发的一款仿真程序。
SENSE是针对NS-2作出必要修改后得来的。
SENSE使用了面向模块的系统结构，模块间利用了可重用性原理，只要模块间的接口符合要求，模块既可以重用也可以进行替换。
（2）TOSSIM项目
TOSSIM是建立在TinyOS系统上的一种仿真工具，其特点是建立了TinyOS的底层部分硬件的软件抽象，并增加了仿真必须的事件模型和外部通信机制。
（3）SensorSim项目
SensorSim是以NS-2仿真工具为基础发展起来的，其思路是在NS-2上建立适应无线传感器网络的模型库。
SensorSim目前主要完成了电源和射频接收电路模型，其他方面的模型正在完善之中。
SensorSim项目的努力方向是模拟电池的间断特性来进一步细化电池的使用模型．另外还要继续完成模型库的建设包括各种传感器硬件特性的软件模拟工作。
（4）EYES项目
StefanDulman，PaulHavivga等在OMNeT++仿真平台的基础上进行了针对无线传感器网络特点的开发工作，并实现了一些已有协议的验证工作。
该项目是欧洲EYESproiect中的重要内容。
5WSN的应用
对网络技术的深入研究，得到更先进的网络结构和路由算法；无线设备制造能力的提高，导致无线收／发器件价格越来越低。
这一切足以令众多厂商早早投入精力，研制价格低廉的短程无线模块。
2000年前后，摩托罗拉公司就已开始尝试研制造价低于1．5美元的窄带无线通信模块；拥有60多家企业成员的ZigBee组织正致力于开发2．5美元~3．5美元的无线网络模块和相应网络协议；市场上高性价比的无线模块不断涌现。
这些都使WSN技术拥有极好的研发环境和推广机会，并取得了可喜成就。
WSN的应用非常灵活广泛，典型应用有：
（a）WSN可用于医疗设备系统中传感器的无线数据连接（如无线心电图和脑电图等）．减轻患者身上医疗设备的负重。
（b）采用WSN建设农业环境自动监测系统，用同一套网络设备完成风、光、水、电、热和农药等的数据采集和环境控制，提高农业集约化生产程度，简化系统复杂性，降低设备成本。
（c）石化、冶金行业对易燃、易爆、有毒物质监测的成本一直居高不下，WSN在把部分操作人员从高危环境中解脱出来的同时，提高险情的反应精度和速度。
（d）欧洲的“DELTA计划”在汽车出厂前就把车载信标集成在车载计算机中，作车辆识别和车辆与路侧设备通信的必选器件，还可构成自动定位和汽车导航等更完整的应用。
（e）WSN多技术组合时，运用M2M（machinetomachine，machinetomobile，mobiletomachine）概念，把WSN接入移动通信网络，既满足网络接入的要求，又达到低成本和灵活移动的目的，二者的完美结合可实现无所不在的通信环境和便宜实惠的应用效果。
M2M与WSN联合应用最典型的是智能家居系统。
电子樟脑丸是该系统中极有代表性的组件之一。
该设备实际上是具有温度和湿度传感器的WSN网络设备。
它不能替代樟脑丸的防蛀、防霉作用．但是当该设备检测到衣橱或衣帽间中温湿度不适合衣物保存时，可通过手持遥控器，以手机短信或留言的方式。
通知户主作适当处理。
值得一提的是，采用WSN技术制造电子樟脑丸拥有非常诱人的价格，仅须40元人民币。
虽然独立的GPRS等模块造价高昂，但其成本分摊到系统中数以百计的设备上，就不再昂贵。
这正是WSN技术的魅力所在。
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