物聯網通信技術第三章無線傳感器網絡趙建立山東科技大學普適計算未來計算將充斥于我們的日常生活中的每個角落智能空間(Ambientintelligence)/普適計算(Ubiquitouscomputing)大量不同種設備采集、處理來自不同來源的信息以供控制實際過程并與用戶交互?智能空間所需信息的來源：無線傳感器網絡?這些由單個節點組成的網絡需要相互合作完成指定任務。

?節點間通過無線通信完成相互的合作無線傳感器網絡是實現智能空間的重要組成部分信息獲取與信息發布有線方式連接：高額費用和使用局限性WSN概述

無線傳感器網絡（WirelessSensorNetwork,WSN）系統是當前在國際上備受關注的、涉及多學科高度交叉、知識高度集成的前沿熱點研究領域。它綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、現代網絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等。

MEMS技術對WSN的推動無線傳感器網絡(WirelessSensorNetwork,WSN)是物聯網的一個重要的組成部分，是物聯網的感知控制層中實現“物”的信息采集、“物”與“物”之間相互通信的重要技術手段。無線傳感器網絡是狹義上的物聯網，它是物聯網的雛形、是物質基礎之一，同時也必然是泛在網的重要基礎。5.1概述5.1.1無線傳感器網絡的概念與特點無線傳感器網絡（WirelessSensorNetwork,WSN）就是由部署在檢測區域內大量的廉價衛星傳感器節點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網絡系統，目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中感知的對象信息，并發送給觀察者。構成WSN的三要素：傳感器、感知對象、觀察者。1）無線傳感器網絡的概念傳感器之間、傳感器與觀察者之間是以的無線網絡的通信方式進行通信的，通過無線網絡在傳感器與觀察者之間建立通信路由。協作感知，采集和處理信息是傳感器網絡的基本功能。由于無線傳感器網絡中的部分或者全部節點是可移動，因此無線傳感器的拓撲結構也會隨著節點的移動而發生改變。無線傳感器網絡節點之間以Adhoc方式進行通信，每個節點即可以作為終端來實現感知功能，又可作為路由器來執行動態搜索，定位和恢復連接的功能。

AdHoc源于拉丁語，引申為一種有特殊用途的網絡。IEEE802.11標準委員會采用了“Adhoc網絡”一詞來描述這種特殊的自組織對等式多跳移動通信網絡。2）無線傳感器網絡的體系結構（1）無線傳感器結點結構一個無線傳感器結點一般由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊四部分構成，如圖所示。（2）無線傳感器網絡系統結構（3）無線傳感器網絡協議體系結構無線傳感器網絡協議體系是對網絡及其部件應完成功能的定義與描述。它由網絡通信協議、傳感器網絡管理以及應用支撐技術組成，其結構如圖5.3所示。分層的網絡通信協議結構類似于傳統的TCP/IP協議體系結構，由物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層組成。物理層的功能包括信道選擇、無線信號的監測、信號的發送與接收等。無線傳感器網絡采用的傳輸方式可以是無線、紅外或者光波等。物理層的設計目標是以盡可能少的能量損耗獲得較大的鏈路容量。數據鏈路層的主要任務是建立一條無差錯的通信鏈路，該層一般包括媒體訪問控制(MAC)子層與邏輯鏈路控制(LLC)子層，其中MAC層規定了不同用戶如何共享信道資源，LLC層負責向網絡層提供統一的服務接口。網絡層的主要功能是完成分組路由、網絡互連等功能。傳輸層負責數據流的傳輸控制，提供可靠高效的數據傳輸服務。網絡管理技術主要是對傳感器節點自身的管理以及用戶對傳感器網絡的管理。網絡管理模塊是網絡故障管理、計費管理、配置管理、性能管理的總和。其他還包括網絡安全模塊、移動控制模塊、遠程管理模塊。傳感器網絡的應用支撐技術為用戶提供各種應用支撐，包括時間同步、節點定位，以及向用戶提供協調應用服務接口。 5.1.2無線傳感器網絡的關鍵技術與應用難點1）WSN的關鍵技術通信能力有限節點帶寬窄，而且經常變化節點通信覆蓋范圍只有幾十到幾百米，而且經常變化挑戰之一如何在如此有限通信能力的條件下,高質量地完成感知數據的查詢、分析、挖掘與傳輸？在傳感器網絡環境下，發現最小化算法通信復雜性的機理是我們面臨的第一個挑戰問題！多源、多跳是主要通信方式多個傳感器節點向一個目標傳送信息一次多源信息傳輸需要多條由多個傳感器節點組成的路徑挑戰之二如何為多源信息傳輸選擇優化通信路徑？在傳感器網絡環境下，建立選擇優化或近似優化通信路徑的理論是我們面臨的第二個挑戰問題！節點移動、斷接頻繁在移動網絡中，節點移動頻繁節點間通信的斷接頻繁，導致通信失敗.經常受到高山、建筑物、障礙物等地勢地貌以及風雨雷電等自然環境的影響,因此傳感器可能會長時間脫離網絡,離線工作挑戰之三通信路徑重構成為突出問題？路由算法必須具有自適應性？如何建立網絡隨機連通性的數據理論，為通信路徑重構和自適應路由算法設計奠定堅實理論基礎是我們面臨的第三個挑戰問題？電源能量有限傳感器的電源能量極其有限由于電源能量的原因經常失效或廢棄電源能量約束是傳感器網絡應用的障礙現有電源部件不能滿足傳感器網絡的需要傳感器傳輸信息比執行計算更消耗電能傳感器傳輸1位信息需要的電能足以執行3000條計算指令挑戰之四如何傳感器網絡在工作過程中節省能，實現能源均衡，最大化網絡生命周期？建立能源復雜性和能源均衡理論是我們面臨的第四個挑戰性問題！計算能力有限傳感器網絡中傳感器通常都具有嵌入式處理器和存儲器，具有計算能力但是，處理器性能、存儲器容量和能源都很有限，導致傳感器的計算能力十分有限挑戰之五如何使用大量具有有限計算能力的傳感器設計能源有效的高性能分布式算法?

設計同時最小化能源、時間、空間和通信復雜性的分布式算法是我們面臨的第五個挑戰性問題！傳感器數量大、分布范圍廣傳感器網絡中傳感器節點密集，數量巨大，可能達到幾百、幾千萬，甚至更多傳感器網絡可以分布在很大區域，也可以分布在險惡環境下傳感器數量大、分布廣的特點使得網絡的維護十分困難甚至不可維護挑戰之六如何使傳感器網絡軟硬件具有高強壯性和容錯性是我們面臨的第六個挑戰性問題！大規模分布式觸發器很多傳感器網絡需要對感知對象進行控制（如溫度控制）傳感器需要配備回控裝置和控制軟件我們稱回控裝置和控制軟件為觸發器挑戰之七如何管理成千上萬分布式觸發器是我們面臨的第七個挑戰性問題？感知數據流無限傳感器網絡每個傳感器都產生無限的流式數據，并具有實時性每個傳感器僅具有有限的存儲器和計算資源，難以處理巨大的實時數據流挑戰之八如何設計高效率、能源有效、實時的海量感知數據流的查詢、分析和挖掘的分布式算法？以數據為中心傳感器網絡不是通常的網絡用戶感興趣的是數據而不是網絡和傳感器硬件用戶很少詢問“A節點到B節點的連接是如何實現的？”用戶經常詢問“網絡覆蓋區域中那些地區出現毒氣？”傳感器網絡不是以地址為中心的用戶不會詢問“地址為27的傳感器的溫度是多少？”用戶感興趣是“某個地理位置的溫度是多少？”數據傳輸以聚集方式進行,而不是地址到地址的路由傳感器網絡是以數據為中心的網絡把傳感器視為感知數據流或感知數據源把傳感器網絡視為感知數據空間或數據庫把數據管理和處理作為網絡的應用目標挑戰之九如何建立以數據為中心的傳感器網絡？以感知數據管理和處理為中心;

把數據管理和處理技術與網絡技術融為一體;

為用戶提供有效的感知數據空間或感知數據庫;

使用戶如同使用通常的數據庫系統和數據處理系統一樣自如地使用感知數據.傳感器網絡數據管理系統的理論和技術是我們面臨的第九個挑戰性問題！需要多種多樣的感知器物理傳感器生物傳感器化學傳感器……挑戰之十如何建立新感知器概念、理論、技術和各種新型感知器是我們面臨的第十個挑戰性問題？其他挑戰性問題傳感器的投放或撒播理論與技術傳感器的定位問題時鐘同步問題組網連通可靠性研究和探測覆蓋率研究傳感器網絡安全性問題和抗干擾問題信號的協作處理2）物聯網中無線傳感器網絡應用的難點無線傳感器網絡是物聯網的重要組成部分。物聯網中，除WSN外還有其他性能不同、通信方式不同的異構物聯網終端（感知控制設備），這些大量的異構物聯網終端與WSN共同構成了一個復雜的物聯網系統。WSN在與其他物聯網終端協同應用會產生一些幾個方面的應用難點：（1）承載通信網的異構與互聯WSN結點通過與匯聚結點與現有的各種信息網絡的互聯是WSN應用的難點之一。物聯網中的網絡傳輸層是以現有的各種承載通信網為基礎的信息網絡，各種承載通信網就其本質而言，又是一個異構的通信網，這些異構網從傳輸媒質、傳輸速率、透明性能方面都是不同的。承載通信網上的信息網必須采用各種適配技術來滿足承載網的傳送要求，這就使得信息網的結構需要分層、需要采用各種協議的相互轉換及適配。而WSN的加入又使得異構的復雜度增加，因此在互聯時會產生較大的難度，如何以簡便的方式實現互聯是WSN應用與物聯網的技術難點之一。（2）異構終端間的通信與互聯在物聯網中，往往需要進行終端之間的通信，常規的方式是通過網絡傳輸層后在應用層進行通信交互。當異構終端相互通信時，通過網絡傳輸層在應用層通信成為了必然的手段，即可稱之為高層交互。當進行高層交互時，由于異構終端與網絡傳輸層間的通信會產生各種延時、誤碼等傳輸錯誤，因此可能導致異構終端間的通信質量下降、極端情況下甚至導致通信無法進行。因此，如何解決WSN與各異構終端間的通信也是其在物聯網中應用的關鍵問題之一。（3）大結構數據融合與異構下的數據融合很多應用場合中，需要大規模部署無線傳感器節點，形成一個覆蓋面很大的監控區域，在這樣的網絡系統中，傳感器節點經過數據采集后，使用多跳路由將數據送住下一個傳感器節點，大量的傳感器節點進行數據傳輸，匯聚結點要對大量數據進行協同處理，這種數據處理具有大結構關聯協同處理的特點。監測區域內密集的自治結點產生大量的傳感數據，有效地對大量節點所獲感知數據進行協同處理，在此基礎上完成無線傳感器網絡的任務。

另外，WSN結點還需要與異構終端進行數據融合，使整個監測區域的信息能通過不同的觀測角度獲得真實、可靠的相互印證，這也是物聯網中WSN應用的難點之一。5.2IEEE802.15.4標準及ZigBee協議規范ZigBee是一種基于IEEE802.15.4標準的高層技術，該技術的物理層和MAC(MediumAccessControl，MAC介質訪問控制)直接引用IEEE802.15.4。ZigBee協議規范的基礎是IEEE802.15.4，這兩者之間有著非常密切的關系。以下首先詳細地介紹IEEE802.15.4，然后介紹ZigBee協議規范。5.2.1IEEE802.15.4標準1）IEEE802.15.4主要性能IEEE802.15.4標準是短距離無線通信的個域網WPAN(WirelessPersonalAreaNetwork,WPAN)標準。該標準規定了個域網PAN(PersonalAreaNetwork,PAN)中設備間的無線通信協議和接口。IEEE802.15.4標準采用了CSMA/CA（載波偵聽CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection，CSMA/CA，多址接入/沖突檢測）的媒體接入或媒體訪問