宽带通信网络结课论文
学号、专业： 信息与通信工程
姓 名：
论 文 题 目： 无线传感器网络研究报告 指 导 教 师：
所 属 学 院： 信息与通信学院
桂林电子科技大学研究生院
2013年 12 月 15 日
摘要：无线传感器网络是由大量随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信模块的微小节点组成, 节点间通过自组织的方式构成网络, 是一种大规模、无人值守、资源严格受限的分 布系统。是能根据环境自主完成指定任务的智能系统; 是随着无线通信和嵌入式计算技术、传感器技术、微机电技术的发展而发展起来的一种新兴信息获取技术, 改变了人类与自然界的交互方式; 在军事、环境监测、空间探索、反恐防暴、灾难援救、医疗卫生、智能家居等方面显示了潜在的巨大应用价值。本文，简要介绍了无线传感器的体系结构、传感器节点组成结构、协议栈结构等，进一步介绍了无线传感网络的网络特征和无线传感网用到的关键技术。
关键字：无线传感器网络，定位技术，协议栈
引言 无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN ）是当前在国际上备受
关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。传感器技术、微机电系统、现代网络和无线通信等技术的进步，推动了现代无线传感器网络的产生和发展。无线传感器网络扩展了人们信息获取能力，将客观世界的物理信息同传输网络连接在一起，在下一代网络中将为人们提供最直接、最有效、最真实的信息。无线传感器网络能够获取客观物理信息，具有十分广阔的应用前景，能应用于军事国防、工农业控制、城市管理、生物医疗、环境检测、抢险救灾、危险区域远程控制等领域。已经引起了许多国家学术界和工业界的高度重视，被认为是对21世纪产生巨大影响力的技术之一。
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。
无线传感器网络（wireless sensor network）简称WSN ，是一种由大量小型传感器所组成的网络。这些小型传感器一般称作sensor node （传感器节点）或者mote （灰尘）。
一、无线传感器网络的体系结构
传感器网络结构如下图1所示，传感器网络系统通常包括传感器节(sensor node) 、汇聚节点(sink node) 和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。
图1传感器网络的体系结构
传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成，如图2所示。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。
图
2传感器节点的组成
无线传感器网络多采用五层协议标准：应用层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。如图3所示。与互联网协议栈的五层协议相对应。另外，协议栈还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。
图3 传感器网络协议结构
各层协议和平台的功能如下：
物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术；
数据链路层负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制；
网络层主要负责路由生成与路由选择；
传输层负责数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要部分；
应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件；
能量管理平台管理传感器节点如何使用能源，在各个协议层都需要考虑节省能量； 移动管理平台检测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置；
任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度监测任务。
二、无线传感器网络的特征
无线自组网(mobile ad-hoc network)是一个由几十到上百个节点组成的、采用无线通信方式、动态组网的多跳的移动性对等网络。其目的是通过动态路由和移动管理技术传输具有服务质量要求的多媒体信息流。通常节点具有持续的能量供给。
传感器网络虽然与无线自组网有相似之处，但同时也存在很大的差别。传感器网络是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，节点数目更为庞大(上千甚至上万) ，节点分布更为密集；由于环境影响和能量耗尽，节点更容易出现故障；环境干扰和节点故障易造成网络拓扑结构的变化；通常情况下，大多数传感器节点是固定不动的。另外，传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力等都十分有限。传统无线网络的首要设计目标是提供高服务质量和高效带宽利用，其次才考虑节约能源；而传感器网络的首要设计目标是能源的高效利用，这也是传感器网络和传统网络最重要的区别之一。 三、无线传感器网络中的关键技术
（1）网络拓扑控制
传感器网络拓扑控制目前主要的研究问题是在满足网络覆盖度和连通度的前提下，通过功率控制和骨干网节点选择，删除节点之间不必要的无线通信链路，生产一个高效的数据转发的网络拓扑结构。拓扑控制可以分为节点功率控制和层次型拓扑结构形成两个方面。功率控制方面目前已经提出了COMPOW ，LINT/lilt，CBTC ，LMST ，RNG ，DRNG 和DLSS 等算法，层次型拓扑控制目前提出了TopDisc ，GAF ，LEACH 和HEED 等算法。
（2） 网络协议
由于传感器网络节点的硬件资源有限和拓扑结构的动态变化，网络协议不能太复杂但又要高效。目前研究的重点是网络层协议和数据链路层协议。网络层的路由协议决定检测信息的传输路径，目前提出了多种类型的协议，如多个能量感知的路由协议，定向扩散和谣传路由等基于查询的路由协议，GEAR 和GEM 等基于地理位置的路由协议，SPEED 和ReInForM 等支持的QoS 的路由协议。数据链路层的介质访问控制用来构建底层的基础结构，控制传感器节点的通信过
程和工作模式。目前提出了S-MAC 、T-MAC 和Sift 等基于竞争的MAC 协议，DEANA 、TRAMA 、DMAC 和周期性调度等时分复用的MAC 协议等。
（3）时间同步
时间同步是需要协同工作的传感器网络系统的一个关键机制。Jeremy Elson 和 Kay Romer在2002年8月的HotNets-I 国际会议上首次提出并阐述了无线传感器网络中的时间同步机制的研究课题，在传感器网络研究领域引起了关注。目前已提出了多个时间同步机制，其中RBS 、TINY/MINI-SYNC和TPSN 被认为是三个基本的同步机制。
（4）定位技术
位置信息是传感器节点采集数据中不可缺少的部分，没有位置信息的检测消息通常毫无意义。确定事件发生的位置或采集数据的节点位置是传感器网络最基本的功能之一。目前的定位技术有基于距离的定位，如基于TOA 的定位、基于AOA 的定位、基于RSSI 的定位等；和与距离无关的定位算法，如质心算法、DV-Hop 算法、APIT 算法等等。 （5）数据融合
传感器网络存在能量约束。减少传输的数据量能够有效地节省能量，因此在从各个节点收集数据的过程中，可利用节点的本地计算和存储能力处理数据的融合，去除冗余信息，从而达到节省能量的目的。由于节点的易失效性，传感器网络也需要数据融合技术对多份数据进行综合，提高信息的准确度。但融合技术会牺牲其他方面的性能，如延迟和鲁棒性的代价。
（6）嵌入式操作系统
传感器节点是一个微型的嵌入式系统，携带非常有限的硬件资源，需要操作系统能够节能高效地使用其有限的内存、处理器和通信模块，且能够对各种特定应用提供最大的支持。在面向无线传感器网络的操作系统的支持下，多个应用可以并发地使用系统的有限资源。美国加州大学伯克利分校研发了tinyos 操作系统，在科研机构的研究中得到了比较广泛的使用，但目前仍然存在不足之处。
四、无线传感器网络的安全需求
由于WSN 使用无线通信，其通信链路不像有线网络一样可以做到私密可控。所以在设计传感器网络时，更要充分考虑信息安全问题。手机SIM 卡等智能卡，利用公钥基础设施(Public Key Infrastructure, PKI)机制，基本满足了电信等行业对信息安全的需求。同样，亦可使用PKI 来满足WSN 在信息安全方面的需求。
(1) 数据机密性
数据机密性是重要的网络安全需求，要求所有敏感信息在存储和传输过程中都要保证其机密性，不得向任何非授权用户泄露信息的内容。
(2) 数据完整性
有了机密性保证，攻击者可能无法获取信息的真实内容，但接收者并不能保证其收到的数据是正确的，因为恶意的中间节点可以截获、篡改和干扰信息的传输过程。通过数据完整性鉴别，可以确保数据传输过程中没有任何改变。
(3) 数据新鲜性
数据新鲜性问题是强调每次接收的数据都是发送方最新发送的数据，以此杜绝接收重复的信息。保证数据新鲜性的主要目的是防止重放(Replay)攻击。
(4) 可用性
可用性要求传感器网络能够随时按预先设定的工作方式向系统的合法用户提供信息访问服务，但攻击者可以通过伪造和信号干扰等方式使传感器网络处于部分或全部瘫痪状态，破坏系统的可用性，如拒绝服务(Denial of Service, DoS)攻击。
(5) 鲁棒性
无线传感器网络具有很强的动态性和不确定性，包括网络拓扑的变化、节点的消失或加入、面临各种威胁等，因此，无线传感器网络对各种安全攻击应具有较强的适应性，即使某次攻击行为得逞，该性能也能保障其影响最小化。
(6) 访问控制
访问控制要求能够对访问无线传感器网络的用户身份进行确认，确保其合法性。
结语
无线传感器网络是继Internet 后的将对人类生活方式发生重大影响的综合技术,Internet 改变了人与人之间的交流、通信和沟通方式。而无线传感器网络的出现将宇宙世界与物理世界融合在一起, 将改变人与自然的交互模式。无线传感器网络得到了广泛的关注, 为社会带来不可估量的效益, 同时也引发了无线传感器网络技术的研究热潮。作为当代研究生，有责任进一步推动该网络的发展，把自己在该方向的研究再提高一个台阶。
参考文献：
[1]刘丽萍, 曹锋, 王智等, 基于嵌套网格的无线传感器网络节能部署, 信息与控制,2006.4,vol.35(2):154-161
[2]崔莉, 鞠海玲, 苗勇, 李天璞, 刘巍, 赵泽. 无线传感器网络研究进展. 计算机研究与发展,2005,42(1),P163-174
[3]百度百科，无线传感器网络
[4]任丰原, 黄海宁, 林闯. 无线传感器网络软件学报,2003,14(7),ppl282-129
[5]孙利民, 李建中, 陈渝, 等. 无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社, 2005: 7-8, 135-140.
[6]马辛长, 孙怡宁, 梅涛. 无线传感器网络综述[J],通信学报2004,25(4):114-124
宽带通信网络结课论文
学号、专业： 信息与通信工程
姓 名：
论 文 题 目： 无线传感器网络研究报告 指 导 教 师：
所 属 学 院： 信息与通信学院
桂林电子科技大学研究生院
2013年 12 月 15 日
摘要：无线传感器网络是由大量随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信模块的微小节点组成, 节点间通过自组织的方式构成网络, 是一种大规模、无人值守、资源严格受限的分 布系统。是能根据环境自主完成指定任务的智能系统; 是随着无线通信和嵌入式计算技术、传感器技术、微机电技术的发展而发展起来的一种新兴信息获取技术, 改变了人类与自然界的交互方式; 在军事、环境监测、空间探索、反恐防暴、灾难援救、医疗卫生、智能家居等方面显示了潜在的巨大应用价值。本文，简要介绍了无线传感器的体系结构、传感器节点组成结构、协议栈结构等，进一步介绍了无线传感网络的网络特征和无线传感网用到的关键技术。
关键字：无线传感器网络，定位技术，协议栈
引言 无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN ）是当前在国际上备受
关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。传感器技术、微机电系统、现代网络和无线通信等技术的进步，推动了现代无线传感器网络的产生和发展。无线传感器网络扩展了人们信息获取能力，将客观世界的物理信息同传输网络连接在一起，在下一代网络中将为人们提供最直接、最有效、最真实的信息。无线传感器网络能够获取客观物理信息，具有十分广阔的应用前景，能应用于军事国防、工农业控制、城市管理、生物医疗、环境检测、抢险救灾、危险区域远程控制等领域。已经引起了许多国家学术界和工业界的高度重视，被认为是对21世纪产生巨大影响力的技术之一。
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。
无线传感器网络（wireless sensor network）简称WSN ，是一种由大量小型传感器所组成的网络。这些小型传感器一般称作sensor node （传感器节点）或者mote （灰尘）。
一、无线传感器网络的体系结构
传感器网络结构如下图1所示，传感器网络系统通常包括传感器节(sensor node) 、汇聚节点(sink node) 和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。
图1传感器网络的体系结构
传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成，如图2所示。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。
图
2传感器节点的组成
无线传感器网络多采用五层协议标准：应用层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。如图3所示。与互联网协议栈的五层协议相对应。另外，协议栈还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。
图3 传感器网络协议结构
各层协议和平台的功能如下：
物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术；
数据链路层负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制；
网络层主要负责路由生成与路由选择；
传输层负责数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要部分；
应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件；
能量管理平台管理传感器节点如何使用能源，在各个协议层都需要考虑节省能量； 移动管理平台检测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置；
任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度监测任务。
二、无线传感器网络的特征
无线自组网(mobile ad-hoc network)是一个由几十到上百个节点组成的、采用无线通信方式、动态组网的多跳的移动性对等网络。其目的是通过动态路由和移动管理技术传输具有服务质量要求的多媒体信息流。通常节点具有持续的能量供给。
传感器网络虽然与无线自组网有相似之处，但同时也存在很大的差别。传感器网络是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，节点数目更为庞大(上千甚至上万) ，节点分布更为密集；由于环境影响和能量耗尽，节点更容易出现故障；环境干扰和节点故障易造成网络拓扑结构的变化；通常情况下，大多数传感器节点是固定不动的。另外，传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力等都十分有限。传统无线网络的首要设计目标是提供高服务质量和高效带宽利用，其次才考虑节约能源；而传感器网络的首要设计目标是能源的高效利用，这也是传感器网络和传统网络最重要的区别之一。 三、无线传感器网络中的关键技术
（1）网络拓扑控制
传感器网络拓扑控制目前主要的研究问题是在满足网络覆盖度和连通度的前提下，通过功率控制和骨干网节点选择，删除节点之间不必要的无线通信链路，生产一个高效的数据转发的网络拓扑结构。拓扑控制可以分为节点功率控制和层次型拓扑结构形成两个方面。功率控制方面目前已经提出了COMPOW ，LINT/lilt，CBTC ，LMST ，RNG ，DRNG 和DLSS 等算法，层次型拓扑控制目前提出了TopDisc ，GAF ，LEACH 和HEED 等算法。
（2） 网络协议
由于传感器网络节点的硬件资源有限和拓扑结构的动态变化，网络协议不能太复杂但又要高效。目前研究的重点是网络层协议和数据链路层协议。网络层的路由协议决定检测信息的传输路径，目前提出了多种类型的协议，如多个能量感知的路由协议，定向扩散和谣传路由等基于查询的路由协议，GEAR 和GEM 等基于地理位置的路由协议，SPEED 和ReInForM 等支持的QoS 的路由协议。数据链路层的介质访问控制用来构建底层的基础结构，控制传感器节点的通信过
程和工作模式。目前提出了S-MAC 、T-MAC 和Sift 等基于竞争的MAC 协议，DEANA 、TRAMA 、DMAC 和周期性调度等时分复用的MAC 协议等。
（3）时间同步
时间同步是需要协同工作的传感器网络系统的一个关键机制。Jeremy Elson 和 Kay Romer在2002年8月的HotNets-I 国际会议上首次提出并阐述了无线传感器网络中的时间同步机制的研究课题，在传感器网络研究领域引起了关注。目前已提出了多个时间同步机制，其中RBS 、TINY/MINI-SYNC和TPSN 被认为是三个基本的同步机制。
（4）定位技术
位置信息是传感器节点采集数据中不可缺少的部分，没有位置信息的检测消息通常毫无意义。确定事件发生的位置或采集数据的节点位置是传感器网络最基本的功能之一。目前的定位技术有基于距离的定位，如基于TOA 的定位、基于AOA 的定位、基于RSSI 的定位等；和与距离无关的定位算法，如质心算法、DV-Hop 算法、APIT 算法等等。 （5）数据融合
传感器网络存在能量约束。减少传输的数据量能够有效地节省能量，因此在从各个节点收集数据的过程中，可利用节点的本地计算和存储能力处理数据的融合，去除冗余信息，从而达到节省能量的目的。由于节点的易失效性，传感器网络也需要数据融合技术对多份数据进行综合，提高信息的准确度。但融合技术会牺牲其他方面的性能，如延迟和鲁棒性的代价。
（6）嵌入式操作系统
传感器节点是一个微型的嵌入式系统，携带非常有限的硬件资源，需要操作系统能够节能高效地使用其有限的内存、处理器和通信模块，且能够对各种特定应用提供最大的支持。在面向无线传感器网络的操作系统的支持下，多个应用可以并发地使用系统的有限资源。美国加州大学伯克利分校研发了tinyos 操作系统，在科研机构的研究中得到了比较广泛的使用，但目前仍然存在不足之处。
四、无线传感器网络的安全需求
由于WSN 使用无线通信，其通信链路不像有线网络一样可以做到私密可控。所以在设计传感器网络时，更要充分考虑信息安全问题。手机SIM 卡等智能卡，利用公钥基础设施(Public Key Infrastructure, PKI)机制，基本满足了电信等行业对信息安全的需求。同样，亦可使用PKI 来满足WSN 在信息安全方面的需求。
(1) 数据机密性
数据机密性是重要的网络安全需求，要求所有敏感信息在存储和传输过程中都要保证其机密性，不得向任何非授权用户泄露信息的内容。
(2) 数据完整性
有了机密性保证，攻击者可能无法获取信息的真实内容，但接收者并不能保证其收到的数据是正确的，因为恶意的中间节点可以截获、篡改和干扰信息的传输过程。通过数据完整性鉴别，可以确保数据传输过程中没有任何改变。
(3) 数据新鲜性
数据新鲜性问题是强调每次接收的数据都是发送方最新发送的数据，以此杜绝接收重复的信息。保证数据新鲜性的主要目的是防止重放(Replay)攻击。
(4) 可用性
可用性要求传感器网络能够随时按预先设定的工作方式向系统的合法用户提供信息访问服务，但攻击者可以通过伪造和信号干扰等方式使传感器网络处于部分或全部瘫痪状态，破坏系统的可用性，如拒绝服务(Denial of Service, DoS)攻击。
(5) 鲁棒性
无线传感器网络具有很强的动态性和不确定性，包括网络拓扑的变化、节点的消失或加入、面临各种威胁等，因此，无线传感器网络对各种安全攻击应具有较强的适应性，即使某次攻击行为得逞，该性能也能保障其影响最小化。
(6) 访问控制
访问控制要求能够对访问无线传感器网络的用户身份进行确认，确保其合法性。
结语
无线传感器网络是继Internet 后的将对人类生活方式发生重大影响的综合技术,Internet 改变了人与人之间的交流、通信和沟通方式。而无线传感器网络的出现将宇宙世界与物理世界融合在一起, 将改变人与自然的交互模式。无线传感器网络得到了广泛的关注, 为社会带来不可估量的效益, 同时也引发了无线传感器网络技术的研究热潮。作为当代研究生，有责任进一步推动该网络的发展，把自己在该方向的研究再提高一个台阶。
参考文献：
[1]刘丽萍, 曹锋, 王智等, 基于嵌套网格的无线传感器网络节能部署, 信息与控制,2006.4,vol.35(2):154-161
[2]崔莉, 鞠海玲, 苗勇, 李天璞, 刘巍, 赵泽. 无线传感器网络研究进展. 计算机研究与发展,2005,42(1),P163-174
[3]百度百科，无线传感器网络
[4]任丰原, 黄海宁, 林闯. 无线传感器网络软件学报,2003,14(7),ppl282-129
[5]孙利民, 李建中, 陈渝, 等. 无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社, 2005: 7-8, 135-140.
[6]马辛长, 孙怡宁, 梅涛. 无线传感器网络综述[J],通信学报2004,25(4):114-124