无线传感器网络简析

1.0 介绍

与有线通信相比，无线通信在过程和制造业领域已经成为强有力的竞争者。无线网络技术的进步，特别是在短距离通信方面，为现场设备与主站联网提供了巨大的机会。过程测量、控制和通信领域正稳步向无线战略发展，因为最初的缺点正在被消除，而且系统变得越来越坚固和可靠。对于任何要无线联网的过程控制系统，必须考虑的因素有:可靠性、可扩展性、实时混合数据传输、可用性、安全性以及与其他网络共存。其他一些问题包括:传感器类型、位置、功耗、本地数据处理能力和时间戳。

由于铺设电缆会带来巨大的投资，因此采用无线方式进行数据传输是首选的方式。现场中的每个传感器都表现为一个节点。在按照既定协议通过多跳通信发送到接收器或网关之前，网络传感器在本地采集、计算和处数据。传感器节点的行为就像收发器一样。它们都是数据发起者和数据路由器。本地数据处理减少了传输介质的负载。

如下图所示，典型的传感器网络布局在到达最终用户之前由传感器节点、接收器或网关、互联网/卫星和任务管理器组成。

无线网络可以是个人区域网络(PAN)、局域网(LAN)、城域网(MAN)、广域网(WAN)或全球区域网络(GAN)类型。

2.0 有线和无线的比较

有线网络布设存在许多困难，如，昂贵的布线投入，扩建困难，特别是松散的连接；维护投入大，线路故障排除困难；易受电涌冲击。

无线网络更容易扩展，减少盲区。 不过，对于无线网络来说，仍然存在一些问题，比如可靠性、安全性、信号干扰、信息拦截和窃听。

3.0 ISM波段

无线传感器网络使用免许可的ISM(工业、科学和医学)通信频带。ISM是一种发放许可的频段，有三个频段:902 ~ 928mhz、2.4 ~ 2.835 GHz和 分5.725-5.85 GHz。原来，医疗射频加热，微波炉的也ISM波段。

当两台或两台以上的无线设备在同一频段内相邻工作时，其中一台的电磁辐射可能会影响另一台的工作。每个网络的设计都应该保证上述情况不会发生。如今，无线网络越来越多地应用在各种领域，如，使用局域网的无线计算机网络、蓝牙和近场设备、无绳电话等。

下图，显示了免许可证电磁频谱。不同的频段有不同的输出功率、带宽和占空比。

4.0 无线标准

针对不同的需求和目的，使用不同的标准无线协议来发送数据/消息。其中包括:IEEE 802.11、IEEE 802.15、IEEE 802.16等。这些标准又有几个细分版本，用于特定应用程序的无线协议取决于该应用程序的特定需求。

Wi-Fi是基于IEEE 802.11规范的局域网技术，有时也被称为无线以太网，于1977年引入，而WiMAX是基于IEEE 802.16规范的。Wi-Fi采用载波感知多址防碰撞(CSMA-CD)作为媒介访问控制(MAC)协议和半双工共享媒介配置。WiMAX在传感器网络应用中更有优势,因为它有更好的覆盖率和容量。WiMAX使用全双工传输模式进行数据传输，并采用请求/授权机制，假定入站和出站传输的通道是独立的。

蓝牙，有时也被称为小型无线局域网，是一种低功耗的近距离开放式无线通信协议。它采用IEEE 802.15.1和通道跳频方案，确保低延迟和高吞吐量。跨接收机的跳频为每秒1600跳，从而将干扰和衰落的机会降低到最低。蓝牙采用时分双工时分多址(TDD-TDMA)方案传输数据或消息。单独的跳用于来回通信。它不能保证端到端通信延迟。它采用半双工传输方式。

像蓝牙一样,ZigBee使用PAN技术，具有超低功耗，用于监控。它是基于 IEEE 802.15.4物理层和MAC层。它是一种低功耗、低成本、低数据速率的通信协议。ZigBee和蓝牙一样，不能保证端到端通信延迟。采用直接序列扩频(DSSS)进行信息传输。它不提供频率和路径多样性。ZigBee不能保证对干扰和障碍的可靠性。因此，虽然它是一种安全通信，但在工业中很少使用。

无线高速公路可寻址远程传输(Wireless highway addressable remote transmission, WHART)基于IEEE 802.15.4协议，与现有的HART设备向后兼容。它使用2.4 GHz ISM非授权频段进行通信，是自动化和控制领域WSNs的第一个开放标准协议。它采用TDMA技术，具有250kbits / s的数据速率。它支持任意两个相邻信道之间的5 MHz分离的信道跳变。WHART通过128 AES算法从MAC层和网络层两个方面提供安全保障。频率分集、路径分集和适当的消息传递方法保证了采用WHART的网络的高可靠性。

ISA 100.11a和WHART一样，基于IEEE 802.15.4，使用无许可的2.4 GHz ISM频段。它不是向后兼容的。与该协议相关的一些特征是，低成本，低复杂性，低功耗，抗射频干扰，互操作性，可扩展性。它可以在星形和网格拓扑中运行。通过使用包含非对称加密的128 AES算法来确保消息保护。ISA 100.11a采用时分多址模式，确保路由器处于休眠状态，因此功耗非常低。

5.0 节点结构

传感器节点由传感单元、处理单元、电源单元和通信单元等模块组成。如下图所示。

传感单元可以由单个传感器或多个传感器组成。物理参数如温度、压力等通常由传感器单元感知。然后由ADC转换成数字信号，并送至处理单元。

处理单元接收ADC输出的数据，并将其与物理无线层连接，管理无线网络协议。通过软件控制，该单元还设法减少无线电子系统、传感器、信号调理和通信的功耗。它被预先编程来执行分配给它的任务。处理器的性能是根据数据速率、处理速度、内存和外设来选择。

通信单元包括一个公共收发器，该收发器将节点连接到网络。它主要用于在各节点和基站之间传输和接收数据/信息，反之亦然。通信单元主要有四种状态:发送、接收、空闲和休眠。

无线传感器网络不依赖电力基础设施向节点供电。电力来自可充电电池，或太阳能，适合各种环境。

传感器节点执行数据采集，处理单元执行分析、聚合、压缩和融合任务。节点中的另一个块执行数据的管理、协调和配置。

6.0 传感器网络

传感器网络，如下图所示，包括远程传感器、汇聚节点(或中间处理节点)和最终处理节点。传感器支持单跳连接和多跳连接。整个组合被称为传感器域。

如果传感器的位置和它们的时间戳都做得正确，它就能可靠地运行。节点与接收器通信。节点必须具备全球定位系统(GPS)的定位功能。节点收集数据、分析数据、压缩数据并转发(路由)到接收器。

数据在基站(最终处理节点)采集，因此离基站较近的节点有较大的数据负担。一个合理的路由机制将缓解这个问题.

7.0 无线传感器网络的特点

无线传感器网络是可扩展的，使用非授权的ISM频段进行数据传输。它是一种无基础设施的点对点网络。这种网络的拓扑结构变化频繁，通信是多对一的(数据在基站收集)，而不是对等类型。有些节点是密集的，而其他节点则不一定。节点本质上是功率受限和自配置的。无线传感器网络中的节点是能量受限的，并且对节点的加入/退出等拓扑变化具有鲁棒性。来自几组节点的数据被聚集在一起，因此需要的传输次数更少。

8.0 无线传感器网络的挑战

由于无线传感器网络的能量非常有限，因此针对这种网络的通信协议必须具有很高的能率。因此，这类协议主要考虑功耗和效率，而传统的协议主要考虑吞吐量和时延.

无线传感器网络中的节点部署是协议开发很大程度上依赖的另一个关键领域。传感器节点的随机部署需要开发自组织协议。这样的节点应该与其他节点协作，可以在没有任何人为干预的情况下适应故障。在大多数情况下，部署在无线传感器网络中的节点是无人值守的，因此修复、维护和对新环境的适应应该是它们固有的。应该看到，传感器节点的这种自我管理特性必须设计和实现，以便它们能够在一致的基础上运行.

9.0 与互联网连接限制

能量和内存效率是两个性能指标，在普通协议中不太受关注，而在无线传感器网络中则正好相反。因此，为了实现与互联网的无缝连接，无线传感器网络将需要在设计上进行重大修改。

随着无线技术的不断发展和日益广泛的应用，不同的网络架构被应用于不同的领域，如认知无线电网络、网状网络、无线传感器网络等。为了将这些不同的无线网络与互联网集成，需要互操作。为了实现这些协议与互联网的无缝连接，开发位置和频谱感知的跨层通信协议以及异构网络管理工具至关重要。6LoWPAN标准是为了将IPv6标准与部署在无线传感器网络中的低功率传感器节点集成而开发的。为了将IPv6设备和传感器节点有机地结合在一起，对IPv6报文头进行了压缩，使其能够适应传感器节点。由于无线传感器网络和无线局域网(WLAN)运行在相同的频谱范围内，它们在MAC层的共存带来了重大挑战。

其他需要解决的主要问题是，(a)传感器节点和互联网之间的端到端路由(或连接)，(b)现有的传感器网络传输层解决方案与互联网服务中广泛使用的传输控制协议(TCP)和用户数据报协议(UDP)不兼容。同样，传感器网络的传输协议应该这样设计，以保证传感器数据和其他事件特征的无缝可靠传输贯穿整个传感器网络。

10.0 拓扑

网络中的传感器节点是相互关联的,称为拓扑。无线网络中使用的不同拓扑如，星型(单点对多点)、网格和星网(混合)。

星型网络，如下图所示：

基站可以从远程节点接收/发送数据。一个远程节点不能向另一个远程节点发送数据，也就是说，端到端的通信是不可能的。星型网络的优点，简单、快速和远程节点的能量消费保持在最低限度。从基站到远程节点始终保持低电平状态。但基站必须在连接到它的所有节点的无线电传输范围。这种拓扑在一定程度上也有弱点，因为如果基站出现故障，这部分网络就会离线。

网格网络,如下图所示：

当传感器被放置在一个具有高冗余的大型地理区域时使用。由于无线传感器网络是一个自配置的网络,如果一个传感器突发故障,它会自动确定最好的路径。这种拓扑具有冗余性和可伸缩性的优点。

当一个节点想要将数据发送到它的无线电传输范围之外的节点时，就使用网状网络。在这种情况下，节点将其数据传输到在其无线电传输范围内的相邻节点。它从第二个节点传递到第三个节点。这个过程一直重复，直到消息到达最终目的地。这被称为多跳通信。

由于网状网络中的多跳通信类型，位于中间的节点需要传递和转发信息，将消耗更多的电池电量，从而限制了它们的寿命。多跳通信的另一个相关缺点是消息的传递时间——当消息到达目的地的跳数增加时，传递时间就变长。

在网格拓扑中进行的多跳通信导致单跳覆盖的距离更短。由于信号路径损耗是路径距离的逆指数，因此保证了接收到的信号在接收器处的质量。

星形网格或混合拓扑下如图所示。得到了星形网络和网状网络的优点，即星形网络的功耗较低，网状网络具有自修复能力。

11.0 共存的问题

当多个相邻无线信道同时发送数据时，射频干扰将成为影响接收端正确接收数据的问题。共存被定义为“一个系统在给定环境中执行任务的能力，其中其他系统有能力执行其任务，并且可能使用或不使用同一套规则“。例如，IEEE 802.15.4和IEEE 802.11b/g都使用2.4 GHz的非授权频段进行数据传输。如果这两种协议在相邻的区域进行数据传输，则射频干扰可能会影响两个信道。必须注意减少这种干扰，以提高接收质量。当使用这些协议且能量充足的两个消息在时域或频域发生碰撞或重叠时，问题会更加严重。

针对上述问题，采用了时间分集、频率分集、功率分集、编码分集、空间分集、黑名单和信道评估等技术。

下图，显示了802.15.4和802.11 b/g在2.4 GHz下的响应 ISM频段。从图中可以看出，前者有16个频道，后者有3个频道。从图中可以明显看出，802.15.4的频道号15、20、25和26(针对北美)或15、16、21和22(针对欧洲)将较少受到802.11 b/g斜率的影响。WHART利用伪随机信道跳变序列，通过使用这些不重叠的信道来减少这种干扰。

WHART使用TDMA技术在任何给定的时刻每个频率信道发送一条消息，以避免碰撞。WHART网络可以通过配置来避免某些其他网络也经常使用的信道。这样可以避免碰撞和干扰。WHART网络在初始化消息/数据传输之前监听信道。如果信道繁忙，则将当前传输预留出来，并分配一个未来的时隙用于重传。

在编码分集中，采用DSSS技术将消息传播到所选信道的整个带宽上。这样可以减少干扰。

空间多样性是通过采用网状网络实现的。在这种情况下，原始消息可能通过不同的路径传递到网关(这取决于流量负载和中间节点的可用性)。

12.0 传统、现场总线和无线网络体系结构的比较

常规现场总线系统和无线传感器网络的体系结构如下图所示：

无线网络的主要优点是没有其他系统中普遍存在的有线连接。它导致更少的维护，更少的成本，更少的人力投入，等等。但是，无线网络应该防止窃听和来自邻近信道的射频干扰，而且它必须保持连接，不管静态或移动传感器.

13.0 无线传感器网络协议

有线网络中的通信是通过引导介质进行的，而无线网络中的通信则是通过空气中的电磁信号传输进行的。对于后一种情况，传感器节点需要自组织以具有多跳通信功能。为了提高效率，节点必须以非常有效的方式共享所有资源。这可以通过一个决定网络整体性能的高效MAC来实现。

传感器节点和接收器使用的协议栈，如下图所示：

由于网络中使用了许多节点，因此要确保在任何时间点都有一个节点访问传输介质。

数据链路层(DLL)被细分为两个子层:上层逻辑链路控制(LLC)子层和下层MAC子层。LLC需要适应媒介共享访问所需的逻辑，并支持不同的MAC版本。根据传感器节点的拓扑结构、所需的服务质量(QoS)和通信通道的特性，需要不同的版本。

MAC子层的功能包括:(a)调节对共享媒介的访问，(b)在数据流的前面附加包含地址信息的报头字段，并在数据流的尾部附加用于错误检测的拖尾字段。(c)在接收端，删除地址和错误控制字段，并就接收到的地址和数据的正确性作出判断。

为了决定哪个节点可以访问通信通道，节点之间必须交换一些信息。因此，MAC协议的复杂性和开销增加了。

协议的性能指标取决于许多因素，如吞吐量、延迟、健壮性、稳定性、可伸缩性、公平性和能源效率。较高的吞吐量使系统快速，从而减少消息到达接收者的延迟。如果这个网络不受错误和错误信息的影响，它就被认为是强大的。稳定性是指在一段时间内以可靠的方式处理流量负载波动的能力。如果一个系统的性能与网络的大小保持不变，则该系统被称为可伸缩的。公平性是指在竞争节点之间公平地共享信道容量，而不降低吞吐量。能源效率是无线网络中最重要的问题之一，当网络在地理上广泛分散时尤其如此。导致能源效率低下的因素有:冲突、控制包开销、空闲监听和不同模式之间的切换。

网络的性能取决于MAC协议的选择。这样的协议有，固定分配协议、按需分配协议、随机分配协议、泛洪协议和流言协议。开发它们是为了在实现合理的资源分配和实现资源所需的开销之间取得平衡。

14.0 安全

资源受限的无线传感器节点很容易成为网络钓鱼等外部恶意攻击的目标。对手可以监听网络中的流量，操纵数据，甚至冒充操作节点之一。

通常情况下，这样的网络有大量的节点，为每个节点提供安全性实际上是一个挑战。由于扩展或删除突然失效的节点而增加的节点对软件设计工程师来说是一个挑战。

密码学确保发送端和接收端之间的安全数据通路。在发送端，普通或纯文本被转换成密文，称为加密。相反的过程称为解密，在接收端进行。数据加密需要算法和密钥。虽然算法可能不是秘密的，但用于加密的密钥是完全保密的。组成密钥的比特数是巨大的，不可能得到密钥的组合。有两种类型的密码:对称密码和非对称密码。在对称密码体制中，加密和解密使用相同的密钥，而非对称密码体制则使用不同的密钥。密码学保证了数据的完整性、机密性、设备和消息的认证。任何密码系统的安全强度都取决于使用的密钥，而不是算法。

安全服务还包括验证、访问控制、可伸缩性和数据新鲜性。验证意味着使用资源的授权是否正确，而访问控制是指限制对资源的访问。可扩展性是指在不影响安全性的前提下增加节点，保证系统的可靠运行。数据新鲜性意味着消息保持新鲜，即它们不会被重用，而且是有序的。

有效的密钥管理方案(KMS)是有效应对数据安全或网络钓鱼攻击的必要手段。当一个节点加入或退出系统时，KMS对于一个安全可靠的网络环境起着至关重要的作用。

传感器网络的安全目标包括:机密性、完整性、认证性和可用性。机密性意味着系统能够保护消息不被窃听，因为消息从一个节点依次传递到下一个节点，直到到达接收者。完整性是指消息在网络中传播时不被篡改/更改/改变。身份验证指的是确认消息来源的能力。可用性意味着确保网络对消息在网络中移动是可用的。

数据的新鲜度成为一个严重的安全问题，特别是当WSN节点使用共享密钥进行消息通信。在这种情况下，攻击者可以使用旧密钥发起重放攻击，因为新密钥正在刷新并传播到网络中连接的所有节点。可以通过在每个数据包中添加nonce或时间戳来保证数据的新鲜度。