无线传感器网络综合整理

无线传感器网络
1无线传感器网络简介
WSN是wireless sensor network的简称，即无线传感器网络。

无线传感器网络就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被感知对象的信息，并发送给观察者。

传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。

WSNs网络体系结构如图所示。

数量巨大的传感器节点以随机散播或者人工放置的方式部署在监测区域中，通过自组织方式构建网络。

由传感器节点监测到的区域内数据经过网络内节点的多跳路由传输最终到达汇聚节点（Link节点），数据有可能在传输过程中被多个节点执行融合和压缩，最后通过卫星、互联网或者无线接入服务器达到终端的管理节点。

用户可以通过管理节点对WSNs进行配置管理、任务发布以及安全控制等反馈式操作。

图1.1
传感器节点
功能：采集、处理、控制和通信等
网络功能：兼顾节点和路由器
图1.2
Sink节点
功能：连接传感器网络与Internet等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，发布管理节点的监测任务，转发收集到的数据。

特点：连续供电、功能强、数量少等
2无线传感器网络特点
2.1硬件资源有限
受体积成本限制，传感器节点的硬件资源有限，其计算能力、存储能力相对较弱。

2.2电源容量受限
通常传感器节点投放在不适合电源不补给的恶劣环境和无人区，所以仅靠电池供电。

2.3对等网络
各传感器地位平等，没有固定的中心节点，是一种对等网络。

2.4多跳路由
网络数据的传送往往采用多跳转发的方式。

2.5动态拓扑
无线传感器网络的拓扑是动态变化的，因为无线传感器的节点是移动，数量是变化的（主动和被动变化）。

2.6以数据为中心
无线传感器网络是任务型网络。

在WSN中，节点虽然也有编号。

但是编号是否在整个WSN中统一取决于具体需要。

另外节点编号与节点位置之间也没有必然联系。

用户使用WSN查询事件时，将关心的事件报告给整个网络而不是某个节点。

许多时候只关心结果（数据）如何，而不关心是哪个节点发出的数据。

2.7安全问题突出
无线传输方式下监测数据很容易被截获，甚至篡改。

3无线传感器网络的关键技术
3.1网络协议
IEEE 802.15.4协议标准（见百度百科）
IEEE 802.15.4描述了低速率无线个人局域网的物理层和媒体接入控制协议。

IEEE 802.15.4是ZigBee, WirelessHART, 和MiWi规范的基础。

IEEE 802.15.4 具有低功耗、低成本的特性，该标准的许多特征与WSNs 无线传输要求具有相似之处，因此，众多厂商将该技术作为WSNs的无线通信平台。

标准特点
制定IEEE 802.15.4标准，针对低速无线个人区域网络（low-rate wireless personal area network, LR-WPAN）制定标准。

该标准把低能量消耗、低速率传输、低成本作为重点目标，旨在为个人或者家庭范围内不同设备之间的低速互连提供统一标准（范围在10米左右）。

该标准工作在868/915M、2.4GHz的ISM频段上，数据传输速率最高可达250kbps。

IEEE 802.15.4标准定义的LR-WPAN网络具有如下特点：
（1）在不同的载波频率下实现了20kbps、40kbps和250kbps三种不同的传输速率；
（2）支持星型和点对点两种网络拓扑结构；
（3）有16位和64位两种地址格式，其中64位地址是全球惟一的扩展地址；
（4）支持冲突避免的载波多路侦听技术（carrier sense multiple access with collision avoidance, CSMA-CA）；
（5）支持确认（ACK）机制，保证传输可靠性。

（6）低功耗机制；
（7）信道能量检测（Energy Detection，ED）；
（8）链路质量指示（Link quality indication，LQI）；
（9）工作在ISM频段上，其中在2450 MHz 波段上有16个信道，在915MHz波段上有30个信道，在868MHz上有3个信道；
（10）数据安全策略。

网络简介
IEEE 802.15.4网络是指在一个POS内使用相同无线信道并通过IEEE 802.15.4标准相互通信的一组设备的集合，又名LR-WPAN网络。

在这个网络中，根据设备所具有的通信能力，可以分为全功能设备（Full Function Device , FFD）和精简功能设备（Reduced Function Device , RFD）。

FFD设备之间以及FFD设备与RFD设备之间都可以通信。

RFD设备之间不能直接通信，只能与FFD设备通信，或者通过一个FFD设备向外转发数据。

这个与RFD相关联的FFD设备称为该RFD的协调器（coordinator）。

RFD设备主要用于简单的控制应用，如灯的开关、被动式红外线传感器等，传输的数据量较少，对传输资源和通信资源占用不多，这样RFD设备可以采用非常廉价的实现方案。

IEEE 802.15.4网络中，有一个称为PAN网络协调器（PAN coordinator）的FFD设备，是LR-WPAN网络中的主控制器。

PAN网络协调器（以后简称网络协调器）除了直接参与应用以外，还要完成成员身份管理、链路状态信息管理以及分组转发等任务。

无线通信信道的特征是动态变化的。

节点位置或天线方向的微小改变、物体移动等周围环境的变化都有可能引起通信链路信号强度和质量的剧烈变化，因而无线通信的覆盖范围不是确定的。

这就造成了LR-WPAN网络中设备的数量以及它们之间关系的动态变化。

拓扑结构
IEEE 802.15.4网络根据应用的需要可以组织成网络拓扑结构有：
星型网络（所有设备都与中心设备PAN网络协调器通信）
图3.1
点对点网络（任何两个设备之都可以直接通信）
图3.2
协议架构
基于开放系统互连模型（OSI）
每一层都实现部分通信功能，并向高层提供服务
物理层由射频收发器和底层的控制模块组成
数据链路层的MAC子层为高层访问物理信道提供点到点通讯的服务接口
特定服务的聚合子层（SSCS）为IEEE 802.15.4的MAC层接入IEEE 802.2标准中定义的链路控制子层（LLC）子层提供聚合服务
LLC为应用层提供链路层服务
图3.3
标准功能
超帧结构
数据传输模型
MAC层帧结构
数据可靠传输机制
低功耗策略
数据的安全服务
图3.4
以超帧为周期组织LR-WPAN内设备间的通讯
信标帧包含超帧将持续的时间以及对这段时间的分配等信息
超帧将时间划分为活跃和不活跃两个部分
不活跃阶段：设备进入休眠状态
活跃阶段：信标帧发送时段、竞争访问时段和非竞争访问时段；划分为16个等长时槽
CSMA-CA访问机制
物理层规范
1.信道分配和调制方式
2.物理帧格式
3.物理层功能实现
数据的发送与接收
物理信道的能量检测(ED：Energy Detection) 射频收发器的激活与关闭
空闲信道评估(CCA：clear channel assessment) 链路质量指示(LQI：link quality indication)
物理层属性参数的获取与设置
MAC子层功能
采用CSMA-CA机制来访问物理信道；
协调器对网络的建立与维护；
支持PAN网络的关联（association）与取消关联（disassociation）；
协调器产生信标帧，普通设备根据信标帧与协调器同步；
间接传输的实现(Transaction handling)；
在两个MAC实体之间提供数据可靠传输；
可选的GTS支持；
支持安全机制；
6LoWPAN协议
6LoWPAN 协议简介
6LoWPAN(IPv6 over Low powerWireless Personal Area Networks)是一种基于IPv6的低速无线个域网标准，即IPv6 over IEEE 802.15.4。

IEEE802 15.4只规定了物理层（PHY）和媒体访问控制（MAC）层标准，没有涉及到网络层以上规范，而IEEE 802 15.4设备密度很大，迫切需要实现网络化。

同时为了满足不同设备制造商的设备间的互联和互操作性，需要制定统一的网络层标准。

IPv6以其规模空前的地址空间及开放性，对LR-WPAN产生了极大的吸引力。

当前阶段，物联网所要解决的关键问题之一是底层异构网络与互联网的相互融合。

IEEE 802.15.4 通信协议是短距离无线通信标准，更适用于物联网底层异构网络设备间的通信，IPv6 是下一代互联网网络层的主导技术，在地址空间、报文格式、安全性方面具有较大的优势。

因此，在IP 协议的基础上，实现物联网底层异构网络与互联网的相互融合是未来无线网络的主要发展方向。

然而，在6LoWPAN (IPv6 over Low powerWireless Personal Area Networks)技术出现以前，将基于IEEE 802.15.4 通信协议的WSNs 与基于IPv6 协议的互联网相互无缝链接几乎是不可能完成的任务，6LoWPAN 协议结构如图所示。

在网络层和数据链
路层之间引入的适配层，主要完成接入过程中的以下功能：
(a)为了高效传输对IPv6 数据包进行分片与重组；
(b)网络地址自动配置；
(c)为了降低IPv6 开销对IPv6 分组进行报头压缩；
(d)有效路由算法。

其中，网络地址自动配置以及IPv6 报头压缩两类功能，对于识别接入物联网的每个终端节点，使节点间能够相互进行资源共享和信息交换具有最为重要的意义。

文献（王义君, 钱志鸿, 王雪, 等. 基于6LoWPAN 的物联网寻址策略研究[J]. 电子与信息学报, 2012, 34(4): 763-769）围绕以上两个方面，在6LoWPAN 适配层的基础上，实现了物联网中基于IEEE802.15.4 通信协议的底层异构网络与基于IPv6 协议的互联网的统一寻址，保证了物联网时代网络层向传输层提供灵活简单、无连接、满足QoS需求的数据报服务。

应用层
传输层
网络层（IPv6层）
6LowPan适配层
802.15.4 MAC层
802.15.4物理层
6LowPan技术的优势
1.普及性：IP网络应用广泛，作为下一代互联网核心技术的IPv6，也在加
速其普及的步伐，在LR-WPAN网络中使用IPv6更易于被接受。

2.适用性：IP网络协议栈架构受到广泛的认可，LR-WPAN网络完全可以
基于此架构进行简单、有效地开发。

3.更多地址空间：IPv6应用于LR-WPAN最大亮点就是庞大的地址空间。

这恰恰满足了部署大规模、高密度LR-WPAN网络设备的需要。

4.支持无状态自动地址配置：IPv6中当节点启动时。

可以自动读取MAC
地址，并根据相关规则配置好所需的IPv6地址。

这个特性对传感器网
络来说，非常具有吸引力，因为在大多数情况下，不可能对传感器节点
配置用户界面，节点必须具备自动配置功能。

5.易接入：LR-WPAN使用IPv6技术，更易于接入其他基于IP技术的网
络及下一代互联网，使其可以充分利用IP网络的技术进行发展。

6.易开发：目前基于IPv6的许多技术已比较成熟，并被广泛接受，针对
LR-WPAN的特性对这些技术进行适当的精简和取舍，简化了协议开发
的过程。

由此看见，IPv6技术在LR-WPAN网络上的应用具有广阔发展的空间，而将LR-WPAN接入互联网将大大扩展其应用，使得大规模的传感控制网络的实现成为可能。

6LowPan的关键技术
IPv6和IEEE 802.15.4的协调。

IEEE802.15.4标准定义的最大帧长度是127字节．MAC头部最大长度为25字节，剩余的MAC载荷最大长度
为102字节。

而在IPv6中，MAC载荷最大为1280字节。

IEEE 802.15.4
帧不能封装完整的IPv6数据包。

因此，要协调二者之间的关系，就要
在网络层与MAC层之间引入适配层，用来完成分片和重组的功能。

地址配置和地址管理。

IPv6支持无状态地址自动配置，相对于有状态自动配置的来说，配置所需开销比较小，这正适合LR-WPAN设备特点。

同时，由于LR-WPAN设备可能大量、密集地分布在人员比较难以到达
的地方，实现无状态地址自动配置则更加重要。

网络管理。

由于在IEEE802.15.4上转发IPv6数据提倡尽量使用已有的协议，而简单网络管理协议(SNMP)又为lP网络提供了一套很好的网络
管理框架和实现方法，因此，6LowPan倾向于在LR-WPAN上使用
SNMPv3进行网络管理。

但是，由于SNMP的初衷是管理基于IP的互
联网，要想将其应用到硬件资源受限的LR-WPAN网络中。

仍需要进一
步调研和改进。

例如：限制数据类型、简化基本的编码规则等。

安全问题。

由于使用安全机制需要额外的处理和带宽资源，并不适合LR-WPAN设备，而IEEE802.15.4在链路层提供的AES安全机制又相对
宽松，有待进一步加强，因此寻找一种适合LR-WPAN的安全机制就成
为6LowPan研究的关键问题之一。

草案
3.2时间同步
同步算法简介和分类
需要从扩展性、稳定性、能量有效和鲁棒性等几个方面来综合考虑设计因素，保证时间最大精度和最小能耗的折中。

下图显示了WSNs 中消息传输过程中影响同步精度的关键路径。

因此，时间同步机制作为WSNs 的一项核心支撑技术，在多传感器数据融合、节点数据处理、低能耗MAC 协议的设计、测距定位安全性等方面起着关键作用。

根据同步机制，可将现有的WSNs 时间同步算法分为4 类：
1.基于接收端-接收端的同步算法，RBS(Reference Broadcast
Synchronization),BTSA(Bio-inspired Time SynchronizationAlgorithm) 和
SCTS(Self-Correcting TimeSynchronization)属于此类同步机制，其特点是
误差来源主要集中在接收节点之间的处理时间，同步精度较高；
2.基于发送端-接收端的单向同步算法，FTSP(Flooding Time
Synchronization Protocol)和DMTS(Delay Measurement
TimeSychronization)属于此类同步机制，其特点是通信量较低，能量高
效，可实现全网同步；
3.双向同步算法，TPSN(Timing-sync Protocol for SensorNetworks)属于此类
同步机制，其特点是在不能忽略传播时延的应用环境中，通常采用此类
型的同步机制，但其只能实现相位偏差瞬时同步。

4.基于多种机制相互融合的同步算法，其特点是收敛速度快和能量消耗低，
但是对于较大规模网络同步精度及能耗存在较大的不确定性。

现有算法简介
RBS 算法利用数据链路层的广播信道特性，接收到同一参考广播的多个节点，通过比较各自接收到信息的本地时间来消除接收端的误差，然而接收节点间的时钟频率漂移、接收节点的数量以及传播过程的不确定性都将产生新的同步误差。

TPSN 算法对所有节点进行分层处理，每个节点与它的上一级节点同步，使所有节点与根节点达到同步。

它的一个明显缺点就是没有考虑根节点的失效问题，新节点加入网络时对整个网络的鲁棒性会造成很大影响。

FTSP 算法利用单个广播信息使得发送节点和它相邻的节点达到时间同步，采用同步时间数据线性回归方法估计时间频率漂移和相位偏差。

FTSP 采用的估计方法对偏离正常误差范围的数据极其敏感，即使只有一个错误的数据也可能造成估计结果的失真。

文献[53]针对当前无线传感器网络时间同步协议普遍存在抗毁能力不足的缺陷，提出了一种基于扩散机制的无线传感器网络时间同步协议，全局时间通过邻居节点间定时随机交换时戳信息维护，取消同步发起节点在同步网络中可能带来的不安全隐患，实现同步网络拓扑最优。

同时利用容错、时分等策略进一步提高同步网络的抗毁性能。

其基本思想可以理解为一个无声的同步拍手过程，当有人发起拍手活动之后，作为个体而言仅仅通过对周围人群的同步拍手过程观察自动加入到该过程
中去，最终实现所有人群同时拍手，这样的方式可以提高网络的鲁棒性，但随着网络节点数量的增加，网络同步收敛时间会急剧增加，网络开销提高明显。

FTS(Full-scale TimeSynchronization)算法从整体角度对传感器网络实施逐轮次的推送式的时间同步操作，并通过少量抽样节点的反馈数据计算时间同步操作的有关参数，该算法具有类收敛快速、资源高效、同步精度较高和运算复杂度较低的特点，而本算法的不足之处在于没有从数学模型上研究FTS算法的时间同步精度，如果能够采用适当的时间同步网络模型会起到更好的效果。

REEGF(Geographic Forwardingprotocol with Reliable and Energy-Efficient)数据收集协议使用了具有双无线信道协作通信结构的网络节点，以利用唤醒信道发送和侦听忙音减少节点的空闲侦听时间。

利用无线传感器网络的时间同步算法和依赖于本地节点密度、节点剩余能量的概率同步调度算法，
REEGF 使处于监测状态的网络节点以概率在每个网络侦听周期同步唤醒，减少冗余节点的空闲侦听，确保网络节点局部连通度的一致性和稳定性；在网络节点处于数据传递状态时，REEGF依赖于节点的位置信息，采用候选接收节点竞争的方式，选取朝向目标Sink 节点前进距离最大的邻节点，作为下一跳中继接收节点，实现路由。

MAC 和拓扑管理的有机结合，能够节省节点的资源，均衡节点的能量消耗，保证数据传递的及时性。

无论从数据收集进程还是获取节点的位置信息，协议都是对无线传感器网络时间同步算法的有效合理运用。

3.3定位技术
定位技术就是帮助人们解决“找东西”的难题，利用信息网络的交互通信告诉用户或者控制中心某一目标的位置信息。

目前对于WSNs 定位技术研究主要分为两大类：一种是基于测距
(range-based)定位算法，另一种是非测距(range-free)定位算法。

相比之下，基于
测距定位算法定位精度高，但对网络的硬件设施要求很高，同时在定位过程中要
产生大量计算和通信开销。

非测距定位算法缺点是定位精度较差，优点是不需要附加硬件支持来实现节点间的距离测量，该定位算法凭借其在成本、功耗方面的优势，受到越来越多的关注。

基于测距(range-based)定位算法
基于测距的定位算法常用的测距方法有到达角度(Angle Of Arrival, AOA)、
到达时间(Time OfArrival, TOA)、到达时间差(Time Difference OfArrival, TDOA)
及基于信号接收强度估计(Received Signal Strength Indicator, RSSI)。

非测距(range-free)定位算法
常用的非测距定位算法有质心算法，DV-Hop(Distance Vector-Hop)算法等
3.4数据融合
数据融合与压缩是指在信息不丢失的前提下，采用一定的技术来减少数据量，从而达到减少存储空间，提高数据的存储、传输与处理效率的方法。

在WSNs 中应用数据融合与压缩，需要能够在保证用户所需的信息量与信息精度的前提下，对网内原始监测数据的冗余性进行处理，以减少传输的数据量。

在WSNs 中应
用数据融合与压缩算法有3 方面作用：
1.提高传输效率
2.节省通信能耗
3.获取准确信息
3.5能量管理（无线传感器网络节点）
硬件：采用低功耗器件
微处理器MSP430、无线通信模块低功耗射频芯片CC2420、传感器模块
软件：减少器件工作时间和数据传输
数据收集模式：
基于查询的数据收集模式、基于周期汇报的数据收集模式和基于事件汇报的数据收集模式、自己设计模式。

1.基于查询的数据收集只有当网络接收到用户端发来的查询指令时才进
行数据收集，并随之将收集结果上报给用户
2.基于周期汇报的数据收集是指用户不需要向网络发送查询指令，网络自
动持续收集数据，并根据预先设定好的汇报周期向用户汇报监测结果的
数据收集方式
3.基于事件汇报的数据收集模式是指当被监测区域内有特殊情况发生(如
某种数据的监测值超出了设定的阈值)时，网络主动收集并上报数据的情
况。

4.分布式的节能可控的传输机制（自己设计）：传感器处于激活状态，当
服务器接收到传感器数据时，判断位置是否在区域内，判断时间是否在
监测周期内，然后处理并储存数据，发送睡眠调节信息，传感器进入睡
眠状态。

睡眠调节信息包含睡眠时间，睡眠时间主要考虑了数据的有效
性以及能量利用率之间的平衡。

例如：传感器太多时可以交替工作，传
感器太少可以减少睡眠时间。

3.6安全管理
WSNs 的安全策略包括安全路由、访问控制、入侵检测、认证以及密钥管理等[65]。

在传统的计算机网络中，主机之间是采用固定网络连接的，采用分层的体系网络体系结构，同时提供了多种网络服务，充分地利用了网络资源，包括命名服务和目录服务等，并在此基础上提出了相关的安全策略，如加密、解密、认证、访问控制、权限管理和防火墙技术等。

由于WSNs 分散连接，每个节点都可以随意移动，节点间通过无线信道连接，节点自身充当路由器，不能提供命名服务、目录服务等网络功能，致使传统网络中的安全机制不再适用于WSNs
网络。

4无线传感器网络面临的挑战
参考文献
[1].框架：无线传感器网络综述_胡洪坡
[2].简介等：面向物联网的无线传感器网络综述_钱志鸿。