傳感器網(wǎng)絡

傳感器網(wǎng)絡的特點

大規(guī)模網(wǎng)絡

為了獲取精確信息，在監(jiān)測區(qū)域通常部署大量傳感器節(jié)點，傳感器節(jié)點數(shù)量可能達到成千上萬，甚至更多。傳感器網(wǎng)絡的大規(guī)模性包括兩方面的含義：一方面是傳感器節(jié)點分布在很大的地理區(qū)域內(nèi)，如在原始大森林采用傳感器網(wǎng)絡進行森林防火和環(huán)境監(jiān)測，需要部署大量的傳感器節(jié)點；另一方面，傳感器節(jié)點部署很密集，在一個面積不是很大的空間內(nèi)，密集部署了大量的傳感器節(jié)點。

傳感器網(wǎng)絡的大規(guī)模性具有如下優(yōu)點：通過不同空間視角獲得的信息具有更大的信噪比；通過分布式處理大量的采集信息能夠提高監(jiān)測的精確度，降低對單個節(jié)點傳感器的精度要求；大量冗余節(jié)點的存在，使得系統(tǒng)具有很強的容錯性能；大量節(jié)點能夠增大覆蓋的監(jiān)測區(qū)域，減少洞穴或者盲區(qū)。

自組織網(wǎng)絡

在傳感器網(wǎng)絡應用中，通常情況下傳感器節(jié)點被放置在沒有基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的地方。傳感器節(jié)點的位置不能預先精確設定，節(jié)點之間的相互鄰居關(guān)系預先也不知道，如通過飛機播撒大量傳感器節(jié)點到面積廣闊的原始森林中，或隨意放置到人不可到達或危險的區(qū)域。這樣就要求傳感器節(jié)點具有自組織的能力，能夠自動進行配置和管理，通過拓撲控制機制和 網(wǎng)絡協(xié)議 自動形成轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)的多跳無線網(wǎng)絡系統(tǒng)。

在傳感器網(wǎng)絡使用過程中，部分傳感器節(jié)點由于能量耗盡或環(huán)境因素造成失效，也有一些節(jié)點為了彌補失效節(jié)點、增加監(jiān)測精度而補充到網(wǎng)絡中，這樣在傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點個數(shù)就動態(tài)地增加或減少，從而使網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)隨之動態(tài)地變化。傳感器網(wǎng)絡的自組織性要能夠適應這種網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化。

動態(tài)性網(wǎng)絡

傳感器網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)可能因為下列因素而改變：①環(huán)境因素或電能耗盡造成的傳感器節(jié)點出現(xiàn)故障或失效；②環(huán)境條件變化可能造成無線通信鏈路帶寬變化，甚至時斷時通；③傳感器網(wǎng)絡的傳感器、感知對象和觀察者這三要素都可能具有移動性；④新節(jié)點的加入。這就要求傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)要能夠適應這種變化，具有動態(tài)的系統(tǒng)可重構(gòu)性。

可靠的網(wǎng)絡

傳感器網(wǎng)絡特別適合部署在惡劣環(huán)境或人類不宜到達的區(qū)域，傳感器節(jié)點可能工作在露天環(huán)境中，遭受太陽的暴曬或風吹雨淋，甚至遭到無關(guān)人員或動物的破壞。傳感器節(jié)點往往采用隨機部署，如通過飛機撒播或發(fā)射炮彈到指定區(qū)域進行部署。這些都要求傳感器節(jié)點非常堅固，不易損壞，適應各種惡劣環(huán)境條件。

由于監(jiān)測區(qū)域環(huán)境的限制以及傳感器節(jié)點數(shù)目巨大，不可能人工“照顧”每個傳感器節(jié)點，網(wǎng)絡的維護十分困難甚至不可維護。傳感器網(wǎng)絡的通信保密性和安全性也十分重要，要防止監(jiān)測數(shù)據(jù)被盜取和獲取偽造的監(jiān)測信息。因此，傳感器網(wǎng)絡的軟硬件必須具有 魯棒性 和 容錯性 。

應用相關(guān)的網(wǎng)絡

傳感器網(wǎng)絡用來感知客觀物理世界，獲取物理世界的信息量?？陀^世界的物理量多種多樣，不可窮盡。不同的傳感器網(wǎng)絡應用關(guān)心不同的物理量，因此對傳感器的應用系統(tǒng)也有多種多樣的要求。

不同的應用背景對傳感器網(wǎng)絡的要求不同，其硬件平臺、 軟件系統(tǒng) 和網(wǎng)絡協(xié)議必然會有很大差別。所以傳感器網(wǎng)絡不能像Internet 一樣，有統(tǒng)一的通信協(xié)議平臺。對于不同的傳感器網(wǎng)絡應用雖然存在一些共性問題，但在開發(fā)傳感器網(wǎng)絡應用中，更關(guān)心傳感器網(wǎng)絡的差異。只有讓系統(tǒng)更貼近應用，才能做出最高效的目標系統(tǒng)。針對每一個具體應用來研究傳感器網(wǎng)絡技術(shù)，這是傳感器網(wǎng)絡設計不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡的顯著特征。

以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡

目前的互聯(lián)網(wǎng)是先有計算機終端系統(tǒng)，然后再互聯(lián)成為網(wǎng)絡，終端系統(tǒng)可以脫離網(wǎng)絡獨立存在。在互聯(lián)網(wǎng)中，網(wǎng)絡設備用網(wǎng)絡中惟一的 IP地址 標識，資源定位和信息傳輸依賴于終端、路由器、服務器等網(wǎng)絡設備的IP地址。如果想訪問互聯(lián)網(wǎng)中的資源，首先要知道存放資源的服務器IP地址。可以說目前的互聯(lián)網(wǎng)是一個以地址為中心的網(wǎng)絡。

傳感器網(wǎng)絡是任務型的網(wǎng)絡，脫離傳感器網(wǎng)絡談論傳感器節(jié)點沒有任何意義。傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點采用節(jié)點編號標識，節(jié)點編號是否需要全網(wǎng)惟一取決于網(wǎng)絡通信協(xié)議的設計。由于傳感器節(jié)點隨機部署，構(gòu)成的傳感器網(wǎng)絡與節(jié)點編號之間的關(guān)系是完全動態(tài)的，表現(xiàn)為節(jié)點編號與節(jié)點位置沒有必然聯(lián)系。用戶使用傳感器網(wǎng)絡查詢事件時，直接將所關(guān)心的事件通告給網(wǎng)絡，而不是通告給某個確定編號的節(jié)點。網(wǎng)絡在獲得指定事件的信息后匯報給用戶。這種以數(shù)據(jù)本身作為查詢或傳輸線索的思想更接近于自然語言交流的習慣。所以通常說傳感器網(wǎng)絡是一個以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡。

例如，在應用于目標跟蹤的傳感器網(wǎng)絡中，跟蹤目標可能出現(xiàn)在任何地方，對目標感興趣的用戶只關(guān)心目標出現(xiàn)的位置和時間，并不關(guān)心哪個節(jié)點監(jiān)測到目標。事實上，在目標移動的過程中，必然是由不同的節(jié)點提供目標的位置消息。

編輯本段 網(wǎng)絡協(xié)議棧

無線傳感器網(wǎng)絡多采用五層協(xié)議標準： 應用層 、 傳輸層 、 網(wǎng)絡層 、 數(shù)據(jù)鏈路層 、 物理層 。與互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧的五層協(xié)議相對應。另外，協(xié)議棧還包括能量管理平臺、移動管理平臺和任務管理平臺。這些管理平臺使得傳感器節(jié)點能夠按照能源高效的方式協(xié)同工作，在節(jié)點移動的傳感器網(wǎng)絡中轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，并支持多任務和資源共享。各層協(xié)議和平臺的功能如下：
　　·物理層提供簡單但健壯的信號調(diào)制和無線收發(fā)技術(shù)；
　　·數(shù)據(jù)鏈路層負責數(shù)據(jù)成幀、幀檢測、媒體訪問和差錯控制；
　　·網(wǎng)絡層主要負責路由生成與路由選擇；
　　·傳輸層負責數(shù)據(jù)流的傳輸控制，是保證通信服務質(zhì)量的重要部分；
　　·應用層包括一系列基于監(jiān)測任務的應用層軟件；
　　·能量管理平臺管理傳感器節(jié)點如何使用能源，在各個協(xié)議層都需要考慮節(jié)省能量；
　　·移動管理平臺檢測并注冊傳感器節(jié)點的移動，維護到匯聚節(jié)點的路由，使得傳感器節(jié)點能夠動態(tài)跟蹤其鄰居的位置；
　　·任務管理平臺在一個給定的區(qū)域內(nèi)平衡和調(diào)度監(jiān)測任務。

編輯本段 安全需求

在設計傳感器網(wǎng)絡時，要充分考慮通信和信息安全，結(jié)合傳感器網(wǎng)絡的特點，滿足其獨特的安全需求。

(1) 數(shù)據(jù)機密性

數(shù)據(jù)機密性是重要的網(wǎng)絡安全需求，要求所有敏感信息在存儲和傳輸過程中都要保證其機密性，不得向任何非授權(quán)用戶泄露信息的內(nèi)容。

(2) 數(shù)據(jù)完整性

有了機密性保證，攻擊者可能無法獲取信息的真實內(nèi)容，但接收者并不能保證其收到的數(shù)據(jù)是正確的，因為惡意的中間節(jié)點可以截獲、篡改和干擾信息的傳輸過程。通過數(shù)據(jù)完整性鑒別，可以確保數(shù)據(jù)傳輸過程中沒有任何改變。

(3) 數(shù)據(jù)新鮮性

數(shù)據(jù)新鮮性問題是強調(diào)每次接收的數(shù)據(jù)都是發(fā)送方最新發(fā)送的數(shù)據(jù)，以此杜絕接收重復的信息。保證數(shù)據(jù)新鮮性的主要目的是防止重放(Replay)攻擊。

(4) 可用性

可用性要求傳感器網(wǎng)絡能夠隨時按預先設定的工作方式向系統(tǒng)的合法用戶提供信息訪問服務，但攻擊者可以通過偽造和信號干擾等方式使傳感器網(wǎng)絡處于部分或全部癱瘓狀態(tài)，破壞系統(tǒng)的可用性，如拒絕服務(Denial of Service)攻擊。

(5) 魯棒性

無線傳感器網(wǎng)絡具有很強的動態(tài)性和不確定性，包括網(wǎng)絡拓撲的變化、節(jié)點的消失或加入、面臨各種威脅等，因此，無線傳感器網(wǎng)絡對各種安全攻擊應具有較強的適應性，即使某次攻擊行為得逞，該性能也能保障其影響最小化。

(6) 訪問控制

訪問控制要求能夠?qū)υL問無線傳感器網(wǎng)絡的用戶身份進行確認，確保其合法性 [1] 。

編輯本段 主要用途

雖然無線傳感器網(wǎng)絡的大規(guī)模商業(yè)應用，由于技術(shù)等方面的制約還有待時日，但是最近幾年，隨著計算成本的下降以及微處理器體積越來越小，已經(jīng)為數(shù)不少的無線傳感器網(wǎng)絡開始投入使用。目前無線傳感器網(wǎng)絡的應用主要集中在以下領(lǐng)域：

環(huán)境的監(jiān)測和保護

隨著人們對于環(huán)境問題的關(guān)注程度越來越高，需要采集的環(huán)境數(shù)據(jù)也越來越多，無線傳感器網(wǎng)絡的出現(xiàn)為隨機性的研究數(shù)據(jù)獲取提供了便利，并且還可以避免傳統(tǒng)數(shù)據(jù)收集方式給環(huán)境帶來的侵入式破壞。比如，英特爾研究實驗室研究人員曾經(jīng)將32個小型傳感器連進互聯(lián)網(wǎng)，以讀出緬因州大鴨島上的氣候，用來評價一種海燕巢的條件。無線傳感器網(wǎng)絡還可以跟蹤候鳥和昆蟲的遷移，研究環(huán)境變化對農(nóng)作物的影響，監(jiān)測海洋、大氣和土壤的成分等。此外，它也可以應用在精細農(nóng)業(yè)中，來監(jiān)測農(nóng)作物中的害蟲、土壤的酸堿度和施肥狀況等。

醫(yī)療護理

無線傳感器網(wǎng)絡在醫(yī)療研究、護理領(lǐng)域也可以大展身手。 羅徹斯特大學 的科學家使用無線傳感器創(chuàng)建了一個智能醫(yī)療房間，使用微塵來測量居住者的重要征兆（血壓、脈搏和呼吸）、睡覺姿勢以及每天24小時的活動狀況。英特爾公司也推出了無線傳感器網(wǎng)絡的家庭護理技術(shù)。該技術(shù)是做為探討應對老齡化社會的技術(shù)項目Center for Aging Services Technologies（CAST）的一個環(huán)節(jié)開發(fā)的。該系統(tǒng)通過在鞋、家具以家用電器等家中道具和設備中嵌入 半導體傳感器 ，幫助老齡人士、 阿爾茨海默氏病 患者以及殘障人士的家庭生活。利用無線通信將各傳感器聯(lián)網(wǎng)可高效傳遞必要的信息從而方便接受護理。而且還可以減輕護理人員的負擔。英特爾主管預防性健康保險研究的董事Eric Dishman稱，在開發(fā)家庭用護理技術(shù)方面，無線傳感器網(wǎng)絡是非常有前途的領(lǐng)域。

軍事領(lǐng)域

由于無線傳感器網(wǎng)絡具有密集型、隨機分布的特點，使其非常適合應用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中，使其非常適合應用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中，包括偵察敵情、監(jiān)控兵力、裝備和物資，判斷生物化學攻擊等多方面用途。美國國防部遠景計劃研究局已投資幾千萬美元，幫助大學進行智能塵埃傳感器技術(shù)的研發(fā)。哈伯研究公司總裁阿爾門丁格預測：智能塵埃式傳感器及有關(guān)的技術(shù)銷售將從2004年的1000萬美元增加到2010年的幾十億美元。

目標跟蹤

DARPA支持的Scnsor IT項目探索如何將WSN技術(shù)應用于軍事領(lǐng)域，實現(xiàn)所謂“超視距”戰(zhàn)場監(jiān)測。UCB的教授主持的Sensor Web是Sensor IT的一個子項目．原理性地驗證了應用WSN進行戰(zhàn)場目標跟蹤的技術(shù)可行性，翼下攜帶WSN節(jié)點的無人機(UAV)飛到目標區(qū)域后拋下節(jié)點，最終隨機布撤落在被監(jiān)測區(qū)域，利用安裝在節(jié)點上的地震波傳感器可以探測到外部日標，如坦克、裝甲車等，并根據(jù)信號的強弱估算距離，綜合多個節(jié)點的觀測數(shù)據(jù)，最終定位目標，并繪制出其移動的軌跡。雖然該演示系統(tǒng)在精度等方面還遠達不到裝備部隊用于實戰(zhàn)的要求，這種戰(zhàn)場偵察模式目前還沒有真正應用于實戰(zhàn)，但隨著美國國防部將其武器系統(tǒng)研制的主要技術(shù)目標從精確制導轉(zhuǎn)向目標感知與定位，相信WSN提供的這種新穎的戰(zhàn)場偵察模式會受到軍方的關(guān)注．

其他用途

無線傳感器網(wǎng)絡還被應用于其他一些領(lǐng)域。比如一些危險的工業(yè)環(huán)境如井礦、核電廠等，工作人員可以通過它來實施安全監(jiān)測。也可以用在交通領(lǐng)域作為車輛監(jiān)控的有力工具。此外和還可以在工業(yè)自動化生產(chǎn)線等諸多領(lǐng)域，英特爾正在對工廠中的一個 無線網(wǎng)絡 進行測試，該網(wǎng)絡由40臺機器上的210個傳感器組成，這樣組成的監(jiān)控系統(tǒng)將可以大大改善工廠的運作條件。它可以大幅降低檢查設備的成本，同時由于可以提前發(fā)現(xiàn)問題，因此將能夠縮短停機時間，提高效率，并延長設備的使用時間。盡管無線傳感器技術(shù)目前仍處于初步應用階段，但已經(jīng)展示出了非凡的應用價值，相信隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和推進，一定會得到更大的應用。