下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
无线传感网（Wireless Sensor Network，WSN）是指由大量小型移动或静止的传感器节点构造的，主要用于收集、传播和处理传感信息的无线自组织网络，旨在协作地感知、处理和传输监测区域内的信息，并及时传递给终端用户或者指挥中心。无线传感网集传感技术、微机电系统技术、低功率无线通信技术、计算机网络技术、嵌入式计算和分布式信息处理技术于一体，其中传感器技术、计算机技术和通信技术分别构成了无线传感网的“感官”系统、“大脑”系统和“神经”系统。现代信息技术与无线传感网之间的具体关系如图3.6所示。
图3.6 现代信息技术与无线传感网之间的关系
无线传感网是传感器和Ad hoc网络的有机组合，提高了冗余性、错误容忍性、吞吐量和精度，并具有智能感知等优点。在这种网络中，节点不仅能够借助于中间节点的转发来实现通信，还可以监测本地环境的变化，收集和处理相关的传感信息，从而增强了传统传感网络和Ad h oc网络的功能。和Internet一样，WSN可以帮助人们更好地了解周围环境、控制环境并构建新的生活模式。在无线传感网络中，各传感节点协作运行来完成某项任务，并根据网络的规模选用合适的Ad hoc路由协议来选择路由和转发传感信息。无线传感网络的挑战在于网络节点的计算能力、存储空间、通信范围和电池功率非常有限，使得高效网络协议的设计和实现非常困难。无线传感网络可以广泛地应用于军事和民用环境，进行信息的收集和处理、对象的跟踪和网络环境的监测，尤其适合配置在野外、交通要道、安全部门等场合。例如，军用传感网络可以监测战场的态势；环境传感网络可以检测环境和气候的变化；交通传感网络可以配置在交通要道用于监测交通的流量，包括车辆的数量、种类、速度和方向等相关参数；监视传感网络可以用于商场和银行等场合，以提高安全性。此外，在无线传感网络中，传感节点可以使用多种传输媒质，如无线电波、声波和地震波等。
WSN有着广阔的应用前景。在应急通信环境中，WSN的节点部署位置随机性高、工作时间长、通信环境恶劣，且重要数据需及时、可靠地传输等，对 WSN 的服务能力提出了更高的要求，而 WSN 的服务能力受到了能量、体积以及成本等方面缺陷的制约。因此如何在应急通信环境中使 WSN 有效利用能量并增强服务能力，既是难点，又是重点，是目前较热的研究领域。
WSN 是指由大量的小型传感器组成的，用来监视物理环境和相关现象并向观测者或处理中心报告测量结果的自组织网络。典型的传感器包括5个功能部件：传感硬件、内存、电池、嵌入式处理器和发送接收器。
1.WSN的应用目标
无线传感网络的目标通常由应用决定，但大都需要实现以下目标：
（1）需要完成多种任务，包括测量环境的温度、湿度和气压等，因此需要能够根据不同的任务要求选用合适的参数，如抽样速率和消息发送周期等。
（2）检测相关事件的出现并估计相应的参数。
（3）对收集到的数据进行处理和分类。
（4）跟踪被监视的对象，并能够迅速、准确地将信息传送到指定的位置。
2.WSN的特征
尽管无线传感网络的实现依赖于无线Ad hoc网络技术，但是许多用于传统Ad hoc网络的协议和算法并不适用于传感网络，这是因为传感网络通常具有以下不同于传统Ad hoc网络的特征：
（1）WSN 规模庞大，存在大量（成千上万）的传感节点，并且大多数情况下传感节点的位置相对固定，密度较高，因此需要着重考虑网络的可扩展性问题。
（2）传感节点经常配置在偏远或危险的地区并且需要持续工作，节点容易受到破坏和干扰，并且节点的寿命将由电池的能量决定，因此需要更加重视节能措施，以延长网络生命周期。
（3）对于由大量节点构成的传感网络而言，手工配置是不可行的，因此网络需要具有自组织和重新配置能力。
（4）无线传感网络主要采用广播通信模式，而许多Ad hoc网络则是一种基于点到点的通信。
（5）WSN 面临更加严峻的安全攻击问题，如节点被窃听和俘获的可能性更大，在软硬件方面均保证WSN的安全性更困难。
（6）应用不再是传统的端到端的应用，不同节点的传感数据间有较大冗余，可以容忍一定程度的数据丢失；通常对传输时间有较高的要求。
（7）WSN 期望的特性依赖于应用，可以据此在不同的参数（包括抽样速率、节点密度等）之间折中考虑。例如，部署在金融机构收集监视图像的 WSN 要求较高的带宽和较低的时延，这种情况下网络寿命并不重要；而监视森林环境的WSN则对网络寿命有较高的要求。
（8）无线传感网络区别于 Ad h oc 网络的一个重要特征是它的目标是检测相关事件的发生，并将感知的事件及时传递到中心处理节点，而不仅仅是实现节点间的通信；因此节点之间通常需要协作来进行信息的汇聚和处理，但这增加了通信开销，占用了部分可用带宽。
1.通用网络架构
WSN的通用网络架构如图3.7所示，其中包含大量的传感器节点、极少量的汇聚节点（也称基站）和管理节点（或终端用户）。大量功能有限的传感器节点随机部署在特定监测区域内协作完成感知信息采集、处理和传输任务，将感知信息融合处理后发往汇聚节点，然后通过各种可行的通信网络传至管理节点。传感节点具有路由器转发数据功能，协作进行动态搜索、定位以及恢复网络连接，并且部分传感器节点可以移动。
图3.7 无线传感网的通用架构
WSN 中的节点大多是同构的，初始能量也都基本相等。通常情况下，传感器节点利用电池提供能源，电池能源一旦耗尽，节点便不能继续为网络提供服务。为了高效使用能源，最大化网络生命周期，当网络没有监测任务且不需要传递信息时，便可切断低能耗部件的射频部分电源，降低能耗；同时，在设计各层协议时都应该把节约网络能源作为首要条件，必要时可以牺牲其他一些网络性能指标来提高能量效率。汇聚节点通常具备充足的能源、较强的存储能力和处理能力。汇聚节点及时向管理节点传输数据，管理节点则通过汇聚节点对无线传感网进行配置。感知对象是终端用户感兴趣的监测目标，如温度、湿度，敌方兵力，灾区场景等。一个传感网络可以监测覆盖区域内的多个感知对象，同时，一个感知对象也可以被多个传感网络所监测。
在构造无线传感网络体系结构时需要考虑网络中设备的种类和能力。假设网络中存在两种设备，一种是普通的传感节点，另一种是计算能力和功率较强的处理节点。在这种情况下通常可以采用两层分级网络结构，如图 3.8 所示。下层网络由普通传感设备按照某种分簇算法构成多个簇，其中簇头节点负责协调簇内各传感节点、对信息进行汇聚并向功能较强的处理节点传送信息。功能较强的处理节点可以对上传的信息进行处理，并可以相互通信来构成上层网络。上层网络可以用于连接距离较远的低层簇，并且一些处理节点可以作为网关与外部有线网络互连，将处理后的传感信息交付骨干中心节点。采用这种分簇分级结构，簇头节点可以对簇内节点发出的传感信息进行预处理和汇聚，减少了通信开销和普通节点的传输功率，从而可简化网络的设计。
图3.8 一种基于簇的两层分级网络结构
考虑到传感节点的移动性较弱，簇维护的开销较小，为了防止簇头过快地耗尽能量，分簇算法应尽量将簇头角色均等地分配到所有节点中。此外，考虑到传感网络中通常具有中心节点，可以由中心节点收集相关信息来实施集中式的分簇以优化簇结构，但这样做开销较大。另外，在采用TDMA的分簇结构中，节点按照分配的时隙发送数据，可以防止簇内的数据冲突，并可在不发送数据的时隙转入休眠模式来减少能量耗费。
2.传感器节点组成结构
无线传感器节点由感知模块、处理器模块、通信模块和能量模块组成，如图3.9所示。其中，感知模块负责采集并转换监控区域内的数据信息；处理器模块负责对传感器节点的操作进行管理，如对数据进行存储和处理；通信模块负责节点间以及节点与汇聚节点间的控制信息交换、数据收发及路由选择；能量模块通常采用微电池为感知、处理和发送数据提供所需能量。除此之外，传感器节点还可包括定位系统、移动系统以及自供电系统等辅助模块。
图3.9 传感器节点的组成
3.设计考虑要素
无线传感网设计必须考虑网络动态性、节点部署、通信模式和数据处理方式等诸多问题。
（1）网络动态性。大部分传感网络假定节点是静止的，但是有时支持节点的移动性却是必要的，此时必须考虑路由的稳定性。静态事件的监视适合采用反应式模式，而动态事件的监视一般则需要进行周期性的报告并向接收节点发送至关重要的流量。
（2）节点部署方式。节点的拓扑部署与应用相关，部署的优劣对 WSN 的性能有很大的影响。部署方式可以分为确定性部署和随机性部署两类。前者一般用于常规监测，在环境状况比较好且人力可以到达的区域；后者一般用于应急场合，可在灾害现场、战场尤其是敌控区域等环境中快速部署，环境恶劣时，如沙漠、沼泽等，也多采用随机性部署的方式。按照节点布设区域的几何特征，部署方式还可以分为带状、面状、环状等类型。在军事侦察领域，为了更好地跟踪目标，一般沿着公路、铁路等交通要道进行带状部署；在交战对峙区域，则多进行面状部署；在敌占核心区，通常选择核心区外围进行环状部署。
（3）节点通信模式。建立路由时必须考虑能量效率，而多跳路由可以节省能量，但同时也引入了更多的拓扑管理和媒体接入开销并增加了实现复杂性。当节点距离接收节点很近时，倾向采用直接路由；否则，通常采用多跳路由。
（4）节点感知模型。传感器节点的感知区域就是其能够观察到的地域范围。不同的传感器，如红外传感器、压力传感器等，感知到的物理现象不同，感知范围的差别也很大。通常利用感知模型来抽象描述传感器节点的感知范围。在目前的WSN研究中，主要使用3种感知模型：圆盘感知模型，圆内的情况都可以被节点监控到，圆外不能被监控，简化了问题的研究；概率感知模型，圆内的情况以一定的概率被监控到，这是由节点处在非理想环境或者自身工作状态不稳定引起的，通常节点对距离自己较近的区域监控性能较好；方向感知模型，有些传感器节点对目标的感知具有方向性，只有当目标位于节点的“视角”内才能被感知到。
（5）节点的覆盖特性。按照 WSN 的应用范围进行划分，覆盖特性可分为点覆盖、域覆盖和栅栏覆盖。点覆盖考虑的是监控区域内的一组点；区域覆盖考虑的是监控区域中每个点都被传感器节点覆盖；栅栏覆盖研究的是当目标沿着任一轨迹穿越 WSN 监控区域时，网络对该目标的监测情况。感知区域中某点的覆盖阶数是指网络中能够监控到该点的传感器节点的数目。按照覆盖阶数进行分类，覆盖分为单阶覆盖和多阶覆盖。多阶覆盖增加了感知准确度，但同时也带来了更多的通信干扰和冗余信息传播，所以一般只在关键区域保证多阶覆盖，而其他区域进行低阶覆盖。如果感知区域内任意一点都为 K 阶覆盖，则称该感知区域为 K 阶覆盖。
（6）节点的连通特性。节点的通信功率通常可调整，节点间相互能够通信的最大距离称为通信距离。在理想情况下，节点的通信范围是一个圆形区域，因此，通信距离也常被称为通信半径。节点间连通是指节点间能够直接通信或者能够通过中间节点进行通信。节点连通性关系到网络中的数据和命令能否正常传递，是网络功能发挥的保证。但在 WSN 中，只要每个节点能够与汇聚节点直接通信或采用中继的方式通信，网络的传输功能就能得到保证；因此，没有必要要求任意两个节点间都能相互通信。根据这一思想可以简化连通算法并使其效率得到提高。节点的连通度可以用节点通信范围内的邻居节点个数来衡量。增加连通度，可以避免节点失效对网络的影响，增加网络的抗毁性。但高连通度对节点发送功率有较高的要求，能耗也因此而增大，导致节点间的信号干扰增加，影响网络的传输服务质量，所以连通度的选择要适度。
（7）节点能力。节点的能力既要考虑计算、存储和处理能力，还要考虑是同质节点还是异质节点。对于同质节点，各节点需要分工协作，分别完成数据中继、监听和聚集的任务，如果一个节点承担所有任务则会过快耗尽能量；在异质网络，应尽量选择能力强、功率大的节点作为簇头，用以承担更多的路由和数据聚集任务。
（8）数据投递模式。数据的投递模式有4种：事件驱动投递模式、查询驱动投递模式、连续投递模式和混合投递模式。大多事件驱动的应用是交互式的、非时延容忍的、任务紧急的非端到端应用。在这样的 WSN 应用中，一端是数据接收节点，另一端是一组传感节点；同时传感节点的数据相互关联，数据流量具有突发性特点并且需要及时地进行传递。涉及事件检测和信号估计/目标跟踪的应用大多采用这种事件驱动数据投递模式。大多数查询驱动模式的应用是交互式的任务紧急的非端到端应用，并且时延要求与查询的事件相关。为节省能量，查询请求按需发送。这类应用在很多方面与事件驱动应用类似，但是它采用数据拉方式，而前者则采用数据推方式。此外，查询驱动模式还被用于管理和配置传感节点，包括更新传感节点的软件、配置抽样速率和改变传感任务。在连续投递模式应用中，传感节点按照预定速率连续发送数据，包括时延受限的实时业务和周期性收集数据的非实时业务。此外，还有一些应用采用混合投递模型，即涉及到以上所有3种数据投递模式，这种网络的设计更为复杂。数据投递模式影响路由和MAC性能，特别是能量效率和路由稳定性。例如，对于连续投递模式，最适合采用分级路由，因为它会产生极大的冗余数据，可以通过数据汇聚来减少数据流量和能量耗费。另外这种数据投递模式适合采用时间划分的MAC协议，允许一部分节点休眠。而基于事件驱动的数据投递模式因其随机地产生数据，所以适于采用CSMA类的随机MAC协议。为此，需要采用一些特殊的QoS参数，包括聚集时延、聚集丢失率、聚集带宽和信息吞吐量等。
（9）数据聚集/融合。数据聚集是指可以聚集多个节点产生的相似的数据来减少传输的数据，通过采用抑制、Min、Max 和 Average 等操作来提高能量效率和优化传输流量。另外，可以通过信号处理技术获得数据聚集，在这种情况下被称为数据融合。节点可通过减少噪声以及使用波束形成等技术来获得更准确的信号。但是数据聚集增加了MAC协议的复杂性，因为消除了冗余的数据，需要即时对信道接入进行仲裁，倾向于采用随机接入协议。
（10）能耗模型。无线信号在传播过程中随距离增加而发生衰减，传播损耗的计算公式为：
其中： L p 为路径损耗； D 为传播距离； λ 为信号波长； k 为能耗模型因子，对于自由空间能耗模型 k =2，对于多路衰减模型 k =4。
一般情况下，无线通信的能量消耗与通信距离的关系为：
其中： k 为系数；参数 n 通常满足2≤≤ n 4，其取值与多个因素有关，如天线质量、障碍物和噪声干扰等。一般而言，传感器节点的无线通信半径在几十米到几百米范围内。
数据融合耗能与数据长度正相关，线性相关是一种比较简单的模型，即数据融合能耗的计算公式为：
其中： E DA 为单位长度数据融合时所消耗的能量； N 为簇内节点数目； n 为向本簇头发送信息的其他簇头的数目。
1.网络设计的要点和目标
无线传感网络同时具备Ad hoc网络和传感网络的特点，因此它具有传统Ad hoc网络所面临的问题，如能量非常有限、链路质量不稳定并且带宽受限，同时传感网络还有一些特殊之处（详见3.3.2节）。因此，网络协议应尽量简单，节点间的通信开销应尽可能少，节点应具有一定的抗干扰性，并且网络需要具有较强的容错能力。具体而言，设计无线传感网络时必须考虑以下指标和问题：能量效率/系统寿命；信息传输时延和信息投递的准确性；适合于传感节点协同工作的信号处理算法；高效的具有能量意识的Ad hoc网络路由协议和信道接入算法；合适的网络体系结构和自组织算法。另外，对于军用无线传感网络，还需要具有较低的检测概率（LPD）以及较高的抗干扰性、安全性和可靠性。由于实现所有以上目标是不可能的，因此需要综合考虑，合理地进行折中。
WSN 的能耗主要包括 3 个部分：信息感知能耗、信息处理能耗和信息传输能耗，其中信息传输的能耗最大。减少网络能耗的3种常用方法是：混合投递、网络分区和数据聚集。混合投递是指节点直接向汇聚节点投递数据或者通过多跳转发来投递数据，可以视数据的紧急、重要程度和能耗平衡考虑来选择数据投递模式；网络分区可以减少传递的数据量，常用的分区方法有基于切片的分区方法和基于环带的分区方法；数据聚集可以消除冗余数据，
在无线传感网中，数据发现和数据分发是两个独立的过程。前者依赖传感节点自身的功能，后者需要根据应用需求、节点的运动模式和密度选用合适的路由协议进行。为了支持多种应用，无线传感网络还应包含以下功能部件：命名/寻址系统（用于节点的移动管理和路由）、路由协议、广播和多播能力。另外，还需采用一种高效的分布式算法来解决当节点故障或网络出现分区时需要重新组织网络并进行路由分组的问题。对于这种分布式算法的要求如下。
（1）节点所需维护的状态信息尽量少。
（2）采用分级网络结构，高效地使用能量并可以获得可靠的传输路径。
（3）状态更新的频率和数量较低。
在 WSN 中，应特别保证数据可靠、高效地在网络中传输；而对于无线传感网络，在很多情况下时延并不是最重要的性能指标，最为关键的是数据的可靠投递和能源的耗费。因此可以综合考虑能量意识路由、基于链路稳定性的路由和多路径路由，并需要构造一种可以根据网络的状态动态变化的多播树来满足网络性能指标。满足以上要求的一种无线传感网络是用于银行系统的安全监控网络，在这种网络中将包含视频、声音、运动等多种传感器，它们需要互相协调通信并将信息快速、可靠地传送到数据中心进行处理；每个节点被分配一个唯一的地址，采用某种Ad hoc路由协议来传输信息，并且可以通过多播来协调相同类型传感器，同时使用广播对所有传感节点进行控制。
作为一种无线自组网，在无线传感网络中实施跨层设计也是非常必要的：严格的分层设计限制了各层的协同，并且各层的优化目标可能相冲突，通过紧密耦合协议栈各层可以改善系统性能和降低系统开销，以满足网络服务质量、可扩展性、安全性和节能的需求。跨层设计有助于解决无线传感网络中系统需求和资源约束之间存在的多种内在矛盾，如网络规模和吞吐量、功耗和系统寿命以及实现复杂性和系统功能，从而推动 WSN 的大规模实际应用。但是，跨层设计需要解决如下问题：信息转换功能，将信息源的信息语法和语义转换为目标层所需的形式；信息收集与分发，从各层收集其他层需要的信息，以获得必要的信息用于控制；自适应处理，向相邻层添加期望的控制功能而不修改这些层。
2.网络协议栈
无线传感网络的协议栈也可参考OSI分层模型进行设计，但应特别考虑节点的环境感知、数据处理能力及节省节点的能量。一种可能的传感网络协议栈包含6层（见图3.10）：物理层、数据链路层、网络层、传输层、传感层和应用层，其中传感层负责完成特定的传感任务。此外，该协议栈还包括3个平面：能量管理平面负责管理节点如何使用能量，如调节节点的发送功率，控制开机和关机，决定是否转发数据和参与路由计算等；任务管理平面负责为一个给定区域内的所有传感节点合理地分配任务，任务的划分基于节点的能力和位置，从而使节点能够以高效的能量方式协调工作；移动管理平面跟踪节点的移动，并且通过与邻居节点的协调来平衡节点之间的功率和任务。
图3.10 传感网络协议栈结构
3.网络自组织算法
在无线传感网络中，节点通过自组织算法构成骨干网络，传感节点只需选择位于其传输范围内的节点作为中继节点，如果存在多个路由节点，可以选择距离最近或负载最轻的节点。网络自组织算法具体包括以下4个过程：
（1）发现阶段。节点根据周期发送的信标（Beacon）分组和传输范围来识别周围的邻居节点。
（2）组织阶段。距离相近的路由节点可以构成簇，不同的簇可以构成更大的簇，从而形成一个级联的分簇结构。每个节点将基于它在级联结构中的位置被分配一个唯一的地址并维护相应的路由表，同时将在网络中形成一个遍历所有节点的广播树；然后，传感节点通过选定的路由向中心处理节点发送数据。
（3）维护阶段。节点通过主动监测或被动监测的方式维护网络结构。在第一种方式中，节点主动检测自己的内存和能量，并周期性地向邻居节点发送广播消息；在第二种方法中，节点按需向其邻居节点发送查询和响应消息。主动监测能够及时地发现错误并做出快速反应，而被动检测可以节省节点的能源并减少控制开销。在此阶段，节点需要根据收到的信息不断更新路由表，并与其他邻居节点交换路由表和其他状态信息。
（4）重新组织阶段。当网络分区或节点发生故障时，节点可以基于网络拓扑的变化更新路由表，并根据需要决定是否重新启动上述的发现阶段和组织阶段。
在进行网络设计时，必须对节点的传输功率和邻居节点的数量进行限制，否则会导致时延的增加和吞吐量的减少。因为一个节点的接收器被所有邻居节点共享，邻居节点数量越多，每个节点的有效发送时间会相应减少；而传输功率越大，节点间的干扰也越大，系统容量将越小。一种确定节点传输范围的方法为：每个节点 x 选择一个较小的传输半径 r 广播hello消息，收到hello消息的节点将响应reply消息，如果响应reply的节点数量小于预先规定的邻居节点数的下限 n （ x ），那么节点 x 将增大 r 继续广播hello消息；如果响应reply的节点数大于邻居节点数的上限 N （ x ），节点 x 将减少 r ，直到邻居节点数 N 满足“ n （ x ）≤ N ≤ N （ x ）”为止。
4.数据的采集和处理
无线传感网络一般采用分布式检测方法采集（收集）和处理数据，也就是说，让大量的传感器独立地检测和收集数据并进行本地化处理后再将有用的数据发向决策中心，然后由决策中心对大量的数据进行汇聚并做出最终的决定。考虑到稀有的能量资源，所有传感节点直接向基站传输数据的做法是不明智的，也是不必要的，因为邻居节点收集的数据往往存在冗余性并且是高度相关的；而且为了降低网络开销和减轻基站的负担，需要在传感节点中对数据进行预处理以减少传输的数据量。完成这一任务依赖于数据聚集，即（在中间节点）聚集来自多个传感节点的数据以消除冗余的信息并向基站传输融合的信息。
为此，需要区分事件驱动的传感网络和连续监视的传感网络。两者的区别主要在于应用。前者只在发生特定事件时，传感节点才发送数据。例如，对于森林火灾预警系统，直到检测到烟雾或温度异常后才会发送数据。主要的问题是在事件发生后唤醒整个网络或相关的节点以构造一条到中心节点的路径。在后者中，数据被周期性地采样和传输，例如温度监测。实际上，为了检测相关事件的发生，一段时间内的连续监测机制也是必要的。
数据采集和处理的目标是收集最重要的数据，并以能量高效的方式及时（尽量小的时延）将它们传递到基站（或中心接收节点）。在很多应用中，数据的传输延迟和及时更新非常重要，如环境监测。决定传感网络能量效率的因素很多，包括网络体系结构、数据聚集机制和底层的路由协议。数据聚集算法的重要指标包括网络寿命、数据准确度和延迟。网络寿命定义为在预定比例的传感节点（极端情况下是一个传感节点）耗尽能量之前网络数据聚集功能正常运行的时间（或运行的轮次）。理想情况下，希望在每轮数据聚集中传感节点消耗的能量相同。数据准确度的定义依赖于应用，如在目标定位系统中，目标位置的精度决定着数据的准确度。延迟定义为数据聚集和传输过程中花费的时间，即基站收到数据和传感节点采集数据之间的时间间隔。另外，数据采集和处理还必须考虑最大化全局事件检测概率和最小化全局错误概率。使用反馈机制可以在一定程度上提高网络性能，但是将会增加实现和计算的复杂性并消耗更多的能量。为了节省网络带宽，通常让节点承担更多的信号处理和计算任务。基于簇的网络结构是一种较好的选择，在簇内可使用多频率或多模式方式来配置节点，并可结合本地数据汇聚功能来提高网络性能。此外，如果节点具有情景意识能力，那么传感网络的整体功能可以得到显著提高。情景意识能力包括可以识别传感节点周围的区域和地形、节点的邻居节点数及传输安全级别等。