傳感器網(wǎng)絡(luò)

傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)

為了獲取精確信息，在監(jiān)測(cè)區(qū)域通常部署大量傳感器節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量可能達(dá)到成千上萬(wàn)，甚至更多。傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模性包括兩方面的含義：一方面是傳感器節(jié)點(diǎn)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(luò)進(jìn)行森林防火和環(huán)境監(jiān)測(cè)，需要部署大量的傳感器節(jié)點(diǎn)；另一方面，傳感器節(jié)點(diǎn)部署很密集，在一個(gè)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(diǎn)。

傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模性具有如下優(yōu)點(diǎn)：通過(guò)不同空間視角獲得的信息具有更大的信噪比；通過(guò)分布式處理大量的采集信息能夠提高監(jiān)測(cè)的精確度，降低對(duì)單個(gè)節(jié)點(diǎn)傳感器的精度要求；大量冗余節(jié)點(diǎn)的存在，使得系統(tǒng)具有很強(qiáng)的容錯(cuò)性能；大量節(jié)點(diǎn)能夠增大覆蓋的監(jiān)測(cè)區(qū)域，減少洞穴或者盲區(qū)。

自組織網(wǎng)絡(luò)

在傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，通常情況下傳感器節(jié)點(diǎn)被放置在沒(méi)有基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的地方。傳感器節(jié)點(diǎn)的位置不能預(yù)先精確設(shè)定，節(jié)點(diǎn)之間的相互鄰居關(guān)系預(yù)先也不知道，如通過(guò)飛機(jī)播撒大量傳感器節(jié)點(diǎn)到面積廣闊的原始森林中，或隨意放置到人不可到達(dá)或危險(xiǎn)的區(qū)域。這樣就要求傳感器節(jié)點(diǎn)具有自組織的能力，能夠自動(dòng)進(jìn)行配置和管理，通過(guò)拓?fù)淇刂茩C(jī)制和 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 自動(dòng)形成轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

在傳感器網(wǎng)絡(luò)使用過(guò)程中，部分傳感器節(jié)點(diǎn)由于能量耗盡或環(huán)境因素造成失效，也有一些節(jié)點(diǎn)為了彌補(bǔ)失效節(jié)點(diǎn)、增加監(jiān)測(cè)精度而補(bǔ)充到網(wǎng)絡(luò)中，這樣在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)就動(dòng)態(tài)地增加或減少，從而使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨之動(dòng)態(tài)地變化。傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織性要能夠適應(yīng)這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化。

動(dòng)態(tài)性網(wǎng)絡(luò)

傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能因?yàn)橄铝幸蛩囟淖儯孩侪h(huán)境因素或電能耗盡造成的傳感器節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障或失效；②環(huán)境條件變化可能造成無(wú)線通信鏈路帶寬變化，甚至?xí)r斷時(shí)通；③傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器、感知對(duì)象和觀察者這三要素都可能具有移動(dòng)性；④新節(jié)點(diǎn)的加入。這就要求傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要能夠適應(yīng)這種變化，具有動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)可重構(gòu)性。

可靠的網(wǎng)絡(luò)

傳感器網(wǎng)絡(luò)特別適合部署在惡劣環(huán)境或人類不宜到達(dá)的區(qū)域，傳感器節(jié)點(diǎn)可能工作在露天環(huán)境中，遭受太陽(yáng)的暴曬或風(fēng)吹雨淋，甚至遭到無(wú)關(guān)人員或動(dòng)物的破壞。傳感器節(jié)點(diǎn)往往采用隨機(jī)部署，如通過(guò)飛機(jī)撒播或發(fā)射炮彈到指定區(qū)域進(jìn)行部署。這些都要求傳感器節(jié)點(diǎn)非常堅(jiān)固，不易損壞，適應(yīng)各種惡劣環(huán)境條件。

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

應(yīng)用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)

傳感器網(wǎng)絡(luò)用來(lái)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(luò)應(yīng)用關(guān)心不同的物理量，因此對(duì)傳感器的應(yīng)用系統(tǒng)也有多種多樣的要求。

不同的應(yīng)用背景對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求不同，其硬件平臺(tái)、 軟件系統(tǒng) 和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議必然會(huì)有很大差別。所以傳感器網(wǎng)絡(luò)不能像Internet 一樣，有統(tǒng)一的通信協(xié)議平臺(tái)。對(duì)于不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用雖然存在一些共性問(wèn)題，但在開(kāi)發(fā)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，更關(guān)心傳感器網(wǎng)絡(luò)的差異。只有讓系統(tǒng)更貼近應(yīng)用，才能做出最高效的目標(biāo)系統(tǒng)。針對(duì)每一個(gè)具體應(yīng)用來(lái)研究傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，這是傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的顯著特征。

以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)

目前的互聯(lián)網(wǎng)是先有計(jì)算機(jī)終端系統(tǒng)，然后再互聯(lián)成為網(wǎng)絡(luò)，終端系統(tǒng)可以脫離網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立存在。在互聯(lián)網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備用網(wǎng)絡(luò)中惟一的 IP地址 標(biāo)識(shí)，資源定位和信息傳輸依賴于終端、路由器、服務(wù)器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的IP地址。如果想訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)中的資源，首先要知道存放資源的服務(wù)器IP地址?？梢哉f(shuō)目前的互聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)以地址為中心的網(wǎng)絡(luò)。

傳感器網(wǎng)絡(luò)是任務(wù)型的網(wǎng)絡(luò)，脫離傳感器網(wǎng)絡(luò)談?wù)搨鞲衅鞴?jié)點(diǎn)沒(méi)有任何意義。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)采用節(jié)點(diǎn)編號(hào)標(biāo)識(shí)，節(jié)點(diǎn)編號(hào)是否需要全網(wǎng)惟一取決于網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的設(shè)計(jì)。由于傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署，構(gòu)成的傳感器網(wǎng)絡(luò)與節(jié)點(diǎn)編號(hào)之間的關(guān)系是完全動(dòng)態(tài)的，表現(xiàn)為節(jié)點(diǎn)編號(hào)與節(jié)點(diǎn)位置沒(méi)有必然聯(lián)系。用戶使用傳感器網(wǎng)絡(luò)查詢事件時(shí)，直接將所關(guān)心的事件通告給網(wǎng)絡(luò)，而不是通告給某個(gè)確定編號(hào)的節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)在獲得指定事件的信息后匯報(bào)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(yǔ)言交流的習(xí)慣。所以通常說(shuō)傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。

例如，在應(yīng)用于目標(biāo)跟蹤的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，跟蹤目標(biāo)可能出現(xiàn)在任何地方，對(duì)目標(biāo)感興趣的用戶只關(guān)心目標(biāo)出現(xiàn)的位置和時(shí)間，并不關(guān)心哪個(gè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到目標(biāo)。事實(shí)上，在目標(biāo)移動(dòng)的過(guò)程中，必然是由不同的節(jié)點(diǎn)提供目標(biāo)的位置消息。

編輯本段 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)多采用五層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)： 應(yīng)用層 、 傳輸層 、 網(wǎng)絡(luò)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(duì)應(yīng)。另外，協(xié)議棧還包括能量管理平臺(tái)、移動(dòng)管理平臺(tái)和任務(wù)管理平臺(tái)。這些管理平臺(tái)使得傳感器節(jié)點(diǎn)能夠按照能源高效的方式協(xié)同工作，在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，并支持多任務(wù)和資源共享。各層協(xié)議和平臺(tái)的功能如下：
　　·物理層提供簡(jiǎn)單但健壯的信號(hào)調(diào)制和無(wú)線收發(fā)技術(shù)；
　　·數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)成幀、幀檢測(cè)、媒體訪問(wèn)和差錯(cuò)控制；
　　·網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)路由生成與路由選擇；
　　·傳輸層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制，是保證通信服務(wù)質(zhì)量的重要部分；
　　·應(yīng)用層包括一系列基于監(jiān)測(cè)任務(wù)的應(yīng)用層軟件；
　　·能量管理平臺(tái)管理傳感器節(jié)點(diǎn)如何使用能源，在各個(gè)協(xié)議層都需要考慮節(jié)省能量；
　　·移動(dòng)管理平臺(tái)檢測(cè)并注冊(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，維護(hù)到匯聚節(jié)點(diǎn)的路由，使得傳感器節(jié)點(diǎn)能夠動(dòng)態(tài)跟蹤其鄰居的位置；
　　·任務(wù)管理平臺(tái)在一個(gè)給定的區(qū)域內(nèi)平衡和調(diào)度監(jiān)測(cè)任務(wù)。

編輯本段 安全需求

在設(shè)計(jì)傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)，要充分考慮通信和信息安全，結(jié)合傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，滿足其獨(dú)特的安全需求。

(1) 數(shù)據(jù)機(jī)密性

數(shù)據(jù)機(jī)密性是重要的網(wǎng)絡(luò)安全需求，要求所有敏感信息在存儲(chǔ)和傳輸過(guò)程中都要保證其機(jī)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(jī)密性保證，攻擊者可能無(wú)法獲取信息的真實(shí)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?yàn)閻阂獾闹虚g節(jié)點(diǎn)可以截獲、篡改和干擾信息的傳輸過(guò)程。通過(guò)數(shù)據(jù)完整性鑒別，可以確保數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中沒(méi)有任何改變。

(3) 數(shù)據(jù)新鮮性

數(shù)據(jù)新鮮性問(wèn)題是強(qiáng)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(fù)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(luò)能夠隨時(shí)按預(yù)先設(shè)定的工作方式向系統(tǒng)的合法用戶提供信息訪問(wèn)服務(wù)，但攻擊者可以通過(guò)偽造和信號(hào)干擾等方式使傳感器網(wǎng)絡(luò)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(wù)(Denial of Service)攻擊。

(5) 魯棒性

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的動(dòng)態(tài)性和不確定性，包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?、?jié)點(diǎn)的消失或加入、面臨各種威脅等，因此，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)各種安全攻擊應(yīng)具有較強(qiáng)的適應(yīng)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(wèn)控制

訪問(wèn)控制要求能夠?qū)υL問(wèn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的用戶身份進(jìn)行確認(rèn)，確保其合法性 [1] 。

編輯本段 主要用途

雖然無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用，由于技術(shù)等方面的制約還有待時(shí)日，但是最近幾年，隨著計(jì)算成本的下降以及微處理器體積越來(lái)越小，已經(jīng)為數(shù)不少的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始投入使用。目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用主要集中在以下領(lǐng)域：

環(huán)境的監(jiān)測(cè)和保護(hù)

隨著人們對(duì)于環(huán)境問(wèn)題的關(guān)注程度越來(lái)越高，需要采集的環(huán)境數(shù)據(jù)也越來(lái)越多，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)為隨機(jī)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(lái)的侵入式破壞。比如，英特爾研究實(shí)驗(yàn)室研究人員曾經(jīng)將32個(gè)小型傳感器連進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)，以讀出緬因州大鴨島上的氣候，用來(lái)評(píng)價(jià)一種海燕巢的條件。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)還可以跟蹤候鳥(niǎo)和昆蟲(chóng)的遷移，研究環(huán)境變化對(duì)農(nóng)作物的影響，監(jiān)測(cè)海洋、大氣和土壤的成分等。此外，它也可以應(yīng)用在精細(xì)農(nóng)業(yè)中，來(lái)監(jiān)測(cè)農(nóng)作物中的害蟲(chóng)、土壤的酸堿度和施肥狀況等。

醫(yī)療護(hù)理

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療研究、護(hù)理領(lǐng)域也可以大展身手。 羅徹斯特大學(xué) 的科學(xué)家使用無(wú)線傳感器創(chuàng)建了一個(gè)智能醫(yī)療房間，使用微塵來(lái)測(cè)量居住者的重要征兆（血壓、脈搏和呼吸）、睡覺(jué)姿勢(shì)以及每天24小時(shí)的活動(dòng)狀況。英特爾公司也推出了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的家庭護(hù)理技術(shù)。該技術(shù)是做為探討應(yīng)對(duì)老齡化社會(huì)的技術(shù)項(xiàng)目Center for Aging Services Technologies（CAST）的一個(gè)環(huán)節(jié)開(kāi)發(fā)的。該系統(tǒng)通過(guò)在鞋、家具以家用電器等家中道具和設(shè)備中嵌入 半導(dǎo)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(wú)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(hù)理。而且還可以減輕護(hù)理人員的負(fù)擔(dān)。英特爾主管預(yù)防性健康保險(xiǎn)研究的董事Eric Dishman稱，在開(kāi)發(fā)家庭用護(hù)理技術(shù)方面，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是非常有前途的領(lǐng)域。

軍事領(lǐng)域

由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有密集型、隨機(jī)分布的特點(diǎn)，使其非常適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，使其非常適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場(chǎng)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(xué)攻擊等多方面用途。美國(guó)國(guó)防部遠(yuǎn)景計(jì)劃研究局已投資幾千萬(wàn)美元，幫助大學(xué)進(jìn)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(yù)測(cè)：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(wàn)美元增加到2010年的幾十億美元。

目標(biāo)跟蹤

DARPA支持的Scnsor IT項(xiàng)目探索如何將WSN技術(shù)應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)所謂“超視距”戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。UCB的教授主持的Sensor Web是Sensor IT的一個(gè)子項(xiàng)目．原理性地驗(yàn)證了應(yīng)用WSN進(jìn)行戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)跟蹤的技術(shù)可行性，翼下攜帶WSN節(jié)點(diǎn)的無(wú)人機(jī)(UAV)飛到目標(biāo)區(qū)域后拋下節(jié)點(diǎn)，最終隨機(jī)布撤落在被監(jiān)測(cè)區(qū)域，利用安裝在節(jié)點(diǎn)上的地震波傳感器可以探測(cè)到外部日標(biāo)，如坦克、裝甲車等，并根據(jù)信號(hào)的強(qiáng)弱估算距離，綜合多個(gè)節(jié)點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，最終定位目標(biāo)，并繪制出其移動(dòng)的軌跡。雖然該演示系統(tǒng)在精度等方面還遠(yuǎn)達(dá)不到裝備部隊(duì)用于實(shí)戰(zhàn)的要求，這種戰(zhàn)場(chǎng)偵察模式目前還沒(méi)有真正應(yīng)用于實(shí)戰(zhàn)，但隨著美國(guó)國(guó)防部將其武器系統(tǒng)研制的主要技術(shù)目標(biāo)從精確制導(dǎo)轉(zhuǎn)向目標(biāo)感知與定位，相信WSN提供的這種新穎的戰(zhàn)場(chǎng)偵察模式會(huì)受到軍方的關(guān)注．

其他用途

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)還被應(yīng)用于其他一些領(lǐng)域。比如一些危險(xiǎn)的工業(yè)環(huán)境如井礦、核電廠等，工作人員可以通過(guò)它來(lái)實(shí)施安全監(jiān)測(cè)。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(dòng)化生產(chǎn)線等諸多領(lǐng)域，英特爾正在對(duì)工廠中的一個(gè) 無(wú)線網(wǎng)絡(luò) 進(jìn)行測(cè)試，該網(wǎng)絡(luò)由40臺(tái)機(jī)器上的210個(gè)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(yùn)作條件。它可以大幅降低檢查設(shè)備的成本，同時(shí)由于可以提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，因此將能夠縮短停機(jī)時(shí)間，提高效率，并延長(zhǎng)設(shè)備的使用時(shí)間。盡管無(wú)線傳感器技術(shù)目前仍處于初步應(yīng)用階段，但已經(jīng)展示出了非凡的應(yīng)用價(jià)值，相信隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和推進(jìn)，一定會(huì)得到更大的應(yīng)用。