傳感器網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)

傳感器網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)

大規模網(wǎng)絡(luò )

為了獲取精確信息，在監測區域通常部署大量傳感器節點(diǎn)，傳感器節點(diǎn)數量可能達到成千上萬(wàn)，甚至更多。傳感器網(wǎng)絡(luò )的大規模性包括兩方面的含義：一方面是傳感器節點(diǎn)分布在很大的地理區域內，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)境監測，需要部署大量的傳感器節點(diǎn)；另一方面，傳感器節點(diǎn)部署很密集，在一個(gè)面積不是很大的空間內，密集部署了大量的傳感器節點(diǎn)。

傳感器網(wǎng)絡(luò )的大規模性具有如下優(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測的精確度，降低對單個(gè)節點(diǎn)傳感器的精度要求；大量冗余節點(diǎn)的存在，使得系統具有很強的容錯性能；大量節點(diǎn)能夠增大覆蓋的監測區域，減少洞穴或者盲區。

自組織網(wǎng)絡(luò )

在傳感器網(wǎng)絡(luò )應用中，通常情況下傳感器節點(diǎn)被放置在沒(méi)有基礎結構的地方。傳感器節點(diǎn)的位置不能預先精確設定，節點(diǎn)之間的相互鄰居關(guān)系預先也不知道，如通過(guò)飛機播撒大量傳感器節點(diǎn)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域。這樣就要求傳感器節點(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)拓撲控制機制和 網(wǎng)絡(luò )協(xié)議 自動(dòng)形成轉發(fā)監測數據的多跳無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統。

在傳感器網(wǎng)絡(luò )使用過(guò)程中，部分傳感器節點(diǎn)由于能量耗盡或環(huán)境因素造成失效，也有一些節點(diǎn)為了彌補失效節點(diǎn)、增加監測精度而補充到網(wǎng)絡(luò )中，這樣在傳感器網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)個(gè)數就動(dòng)態(tài)地增加或減少，從而使網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構隨之動(dòng)態(tài)地變化。傳感器網(wǎng)絡(luò )的自組織性要能夠適應這種網(wǎng)絡(luò )拓撲結構的動(dòng)態(tài)變化。

動(dòng)態(tài)性網(wǎng)絡(luò )

傳感器網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構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點(diǎn)出現故障或失效；②環(huán)境條件變化可能造成無(wú)線(xiàn)通信鏈路帶寬變化，甚至時(shí)斷時(shí)通；③傳感器網(wǎng)絡(luò )的傳感器、感知對象和觀(guān)察者這三要素都可能具有移動(dòng)性；④新節點(diǎn)的加入。這就要求傳感器網(wǎng)絡(luò )系統要能夠適應這種變化，具有動(dòng)態(tài)的系統可重構性。

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(lèi)不宜到達的區域，傳感器節點(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。傳感器節點(diǎn)往往采用隨機部署，如通過(guò)飛機撒播或發(fā)射炮彈到指定區域進(jìn)行部署。這些都要求傳感器節點(diǎn)非常堅固，不易損壞，適應各種惡劣環(huán)境條件。

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

應用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò )

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

不同的應用背景對傳感器網(wǎng)絡(luò )的要求不同，其硬件平臺、 軟件系統 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，有統一的通信協(xié)議平臺。對于不同的傳感器網(wǎng)絡(luò )應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 )應用中，更關(guān)心傳感器網(wǎng)絡(luò )的差異。只有讓系統更貼近應用，才能做出最高效的目標系統。針對每一個(gè)具體應用來(lái)研究傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，這是傳感器網(wǎng)絡(luò )設計不同于傳統網(wǎng)絡(luò )的顯著(zhù)特征。

以數據為中心的網(wǎng)絡(luò )

目前的互聯(lián)網(wǎng)是先有計算機終端系統，然后再互聯(lián)成為網(wǎng)絡(luò )，終端系統可以脫離網(wǎng)絡(luò )獨立存在。在互聯(lián)網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò )設備用網(wǎng)絡(luò )中惟一的 IP地址 標識，資源定位和信息傳輸依賴(lài)于終端、路由器、服務(wù)器等網(wǎng)絡(luò )設備的IP地址。如果想訪(fǎng)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)搨鞲衅鞴濣c(diǎn)沒(méi)有任何意義。傳感器網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)采用節點(diǎn)編號標識，節點(diǎn)編號是否需要全網(wǎng)惟一取決于網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議的設計。由于傳感器節點(diǎn)隨機部署，構成的傳感器網(wǎng)絡(luò )與節點(diǎn)編號之間的關(guān)系是完全動(dòng)態(tài)的，表現為節點(diǎn)編號與節點(diǎn)位置沒(méi)有必然聯(lián)系。用戶(hù)使用傳感器網(wǎng)絡(luò )查詢(xún)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)確定編號的節點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò )在獲得指定事件的信息后匯報給用戶(hù)。這種以數據本身作為查詢(xún)或傳輸線(xiàn)索的思想更接近于自然語(yǔ)言交流的習慣。所以通常說(shuō)傳感器網(wǎng)絡(luò )是一個(gè)以數據為中心的網(wǎng)絡(luò )。

例如，在應用于目標跟蹤的傳感器網(wǎng)絡(luò )中，跟蹤目標可能出現在任何地方，對目標感興趣的用戶(hù)只關(guān)心目標出現的位置和時(shí)間，并不關(guān)心哪個(gè)節點(diǎn)監測到目標。事實(shí)上，在目標移動(dòng)的過(guò)程中，必然是由不同的節點(diǎn)提供目標的位置消息。

編輯本段 網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )多采用五層協(xié)議標準： 應用層 、 傳輸層 、 網(wǎng)絡(luò )層 、 數據鏈路層 、 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(dòng)管理平臺和任務(wù)管理平臺。這些管理平臺使得傳感器節點(diǎn)能夠按照能源高效的方式協(xié)同工作，在節點(diǎn)移動(dòng)的傳感器網(wǎng)絡(luò )中轉發(fā)數據，并支持多任務(wù)和資源共享。各層協(xié)議和平臺的功能如下：
　　·物理層提供簡(jiǎn)單但健壯的信號調制和無(wú)線(xiàn)收發(fā)技術(shù)；
　　·數據鏈路層負責數據成幀、幀檢測、媒體訪(fǎng)問(wèn)和差錯控制；
　　·網(wǎng)絡(luò )層主要負責路由生成與路由選擇；
　　·傳輸層負責數據流的傳輸控制，是保證通信服務(wù)質(zhì)量的重要部分；
　　·應用層包括一系列基于監測任務(wù)的應用層軟件；
　　·能量管理平臺管理傳感器節點(diǎn)如何使用能源，在各個(gè)協(xié)議層都需要考慮節省能量；
　　·移動(dòng)管理平臺檢測并注冊傳感器節點(diǎn)的移動(dòng)，維護到匯聚節點(diǎn)的路由，使得傳感器節點(diǎn)能夠動(dòng)態(tài)跟蹤其鄰居的位置；
　　·任務(wù)管理平臺在一個(gè)給定的區域內平衡和調度監測任務(wù)。

編輯本段 安全需求

在設計傳感器網(wǎng)絡(luò )時(shí)，要充分考慮通信和信息安全，結合傳感器網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)，滿(mǎn)足其獨特的安全需求。

(1) 數據機密性

數據機密性是重要的網(wǎng)絡(luò )安全需求，要求所有敏感信息在存儲和傳輸過(guò)程中都要保證其機密性，不得向任何非授權用戶(hù)泄露信息的內容。

(2) 數據完整性

有了機密性保證，攻擊者可能無(wú)法獲取信息的真實(shí)內容，但接收者并不能保證其收到的數據是正確的，因為惡意的中間節點(diǎn)可以截獲、篡改和干擾信息的傳輸過(guò)程。通過(guò)數據完整性鑒別，可以確保數據傳輸過(guò)程中沒(méi)有任何改變。

(3) 數據新鮮性

數據新鮮性問(wèn)題是強調每次接收的數據都是發(fā)送方最新發(fā)送的數據，以此杜絕接收重復的信息。保證數據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)按預先設定的工作方式向系統的合法用戶(hù)提供信息訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)，但攻擊者可以通過(guò)偽造和信號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)，破壞系統的可用性，如拒絕服務(wù)(Denial of Service)攻擊。

(5) 魯棒性

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )具有很強的動(dòng)態(tài)性和不確定性，包括網(wǎng)絡(luò )拓撲的變化、節點(diǎn)的消失或加入、面臨各種威脅等，因此，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )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(fǎng)問(wèn)控制

訪(fǎng)問(wèn)控制要求能夠對訪(fǎng)問(wèn)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的用戶(hù)身份進(jìn)行確認，確保其合法性 [1] 。

編輯本段 主要用途

雖然無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的大規模商業(yè)應用，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(zhù)計算成本的下降以及微處理器體積越來(lái)越小，已經(jīng)為數不少的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )開(kāi)始投入使用。目前無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的應用主要集中在以下領(lǐng)域：

環(huán)境的監測和保護

隨著(zhù)人們對于環(huán)境問(wèn)題的關(guān)注程度越來(lái)越高，需要采集的環(huán)境數據也越來(lái)越多，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的出現為隨機性的研究數據獲取提供了便利，并且還可以避免傳統數據收集方式給環(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)評價(jià)一種海燕巢的條件。無(wú)線(xiàn)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)境變化對農作物的影響，監測海洋、大氣和土壤的成分等。此外，它也可以應用在精細農業(yè)中，來(lái)監測農作物中的害蟲(chóng)、土壤的酸堿度和施肥狀況等。

醫療護理

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在醫療研究、護理領(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(xiàn)傳感器創(chuàng )建了一個(gè)智能醫療房間，使用微塵來(lái)測量居住者的重要征兆（血壓、脈搏和呼吸）、睡覺(jué)姿勢以及每天24小時(shí)的活動(dòng)狀況。英特爾公司也推出了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的家庭護理技術(shù)。該技術(shù)是做為探討應對老齡化社會(huì )的技術(shù)項目Center for Aging Services Technologies（CAST）的一個(gè)環(huán)節開(kāi)發(fā)的。該系統通過(guò)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(wú)線(xiàn)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(chēng)，"在開(kāi)發(fā)家庭用護理技術(shù)方面，無(wú)線(xiàn)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(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )具有密集型、隨機分布的特點(diǎn)，使其非常適合應用于惡劣的戰場(chǎng)環(huán)境中，使其非常適合應用于惡劣的戰場(chǎng)環(huán)境中，包括偵察敵情、監控兵力、裝備和物資，判斷生物化學(xué)攻擊等多方面用途。美國國防部遠景計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(mén)丁格預測：智能塵埃式傳感器及有關(guān)的技術(shù)銷(xiāo)售將從2004年的1000萬(wàn)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(shí)現所謂“超視距”戰場(chǎng)監測。UCB的教授主持的Sensor Web是Sensor IT的一個(gè)子項目．原理性地驗證了應用WSN進(jìn)行戰場(chǎng)目標跟蹤的技術(shù)可行性，翼下攜帶WSN節點(diǎn)的無(wú)人機(UAV)飛到目標區域后拋下節點(diǎn)，最終隨機布撤落在被監測區域，利用安裝在節點(diǎn)上的地震波傳感器可以探測到外部日標，如坦克、裝甲車(chē)等，并根據信號的強弱估算距離，綜合多個(gè)節點(diǎn)的觀(guān)測數據，最終定位目標，并繪制出其移動(dòng)的軌跡。雖然該演示系統在精度等方面還遠達不到裝備部隊用于實(shí)戰的要求，這種戰場(chǎng)偵察模式目前還沒(méi)有真正應用于實(shí)戰，但隨著(zhù)美國國防部將其武器系統研制的主要技術(shù)目標從精確制導轉向目標感知與定位，相信WSN提供的這種新穎的戰場(chǎng)偵察模式會(huì )受到軍方的關(guān)注．

其他用途

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )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(chǎng)等，工作人員可以通過(guò)它來(lái)實(shí)施安全監測。也可以用在交通領(lǐng)域作為車(chē)輛監控的有力工具。此外和還可以在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)等諸多領(lǐng)域，英特爾正在對工廠(chǎng)中的一個(gè) 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò ) 進(jìn)行測試，該網(wǎng)絡(luò )由40臺機器上的210個(gè)傳感器組成，這樣組成的監控系統將可以大大改善工廠(chǎng)的運作條件。它可以大幅降低檢查設備的成本，同時(shí)由于可以提前發(fā)現問(wèn)題，因此將能夠縮短停機時(shí)間，提高效率，并延長(cháng)設備的使用時(shí)間。盡管無(wú)線(xiàn)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(jià)值，相信隨著(zhù)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和推進(jìn)，一定會(huì )得到更大的應用。