無線傳感器網(wǎng)絡簡析

1.0 介紹

與有線通信相比，無線通信在過程和制造業(yè)領域已經(jīng)成為強有力的競爭者。無線網(wǎng)絡技術的進步，特別是在短距離通信方面，為現(xiàn)場設備與主站聯(lián)網(wǎng)提供了巨大的機會。過程測量、控制和通信領域正穩(wěn)步向無線戰(zhàn)略發(fā)展，因為最初的缺點正在被消除，而且系統(tǒng)變得越來越堅固和可靠。對于任何要無線聯(lián)網(wǎng)的過程控制系統(tǒng)，必須考慮的因素有:可靠性、可擴展性、實時混合數(shù)據(jù)傳輸、可用性、安全性以及與其他網(wǎng)絡共存。其他一些問題包括:傳感器類型、位置、功耗、本地數(shù)據(jù)處理能力和時間戳。

由于鋪設電纜會帶來巨大的投資，因此采用無線方式進行數(shù)據(jù)傳輸是首選的方式?，F(xiàn)場中的每個傳感器都表現(xiàn)為一個節(jié)點。在按照既定協(xié)議通過多跳通信發(fā)送到接收器或網(wǎng)關之前，網(wǎng)絡傳感器在本地采集、計算和處數(shù)據(jù)。傳感器節(jié)點的行為就像收發(fā)器一樣。它們都是數(shù)據(jù)發(fā)起者和數(shù)據(jù)路由器。本地數(shù)據(jù)處理減少了傳輸介質(zhì)的負載。

如下圖所示，典型的傳感器網(wǎng)絡布局在到達最終用戶之前由傳感器節(jié)點、接收器或網(wǎng)關、互聯(lián)網(wǎng)/衛(wèi)星和任務管理器組成。

無線網(wǎng)絡可以是個人區(qū)域網(wǎng)絡(PAN)、局域網(wǎng)(LAN)、城域網(wǎng)(MAN)、廣域網(wǎng)(WAN)或全球區(qū)域網(wǎng)絡(GAN)類型。

2.0 有線和無線的比較

有線網(wǎng)絡布設存在許多困難，如，昂貴的布線投入，擴建困難，特別是松散的連接；維護投入大，線路故障排除困難；易受電涌沖擊。

無線網(wǎng)絡更容易擴展，減少盲區(qū)。 不過，對于無線網(wǎng)絡來說，仍然存在一些問題，比如可靠性、安全性、信號干擾、信息攔截和竊聽。

3.0 ISM波段

無線傳感器網(wǎng)絡使用免許可的ISM(工業(yè)、科學和醫(yī)學)通信頻帶。ISM是一種發(fā)放許可的頻段，有三個頻段:902 ~ 928mhz、2.4 ~ 2.835 GHz和 分5.725-5.85 GHz。原來，醫(yī)療射頻加熱，微波爐的也ISM波段。

當兩臺或兩臺以上的無線設備在同一頻段內(nèi)相鄰工作時，其中一臺的電磁輻射可能會影響另一臺的工作。每個網(wǎng)絡的設計都應該保證上述情況不會發(fā)生。如今，無線網(wǎng)絡越來越多地應用在各種領域，如，使用局域網(wǎng)的無線計算機網(wǎng)絡、藍牙和近場設備、無繩電話等。

下圖，顯示了免許可證電磁頻譜。不同的頻段有不同的輸出功率、帶寬和占空比。

4.0 無線標準

針對不同的需求和目的，使用不同的標準無線協(xié)議來發(fā)送數(shù)據(jù)/消息。其中包括:IEEE 802.11、IEEE 802.15、IEEE 802.16等。這些標準又有幾個細分版本，用于特定應用程序的無線協(xié)議取決于該應用程序的特定需求。

Wi-Fi是基于IEEE 802.11規(guī)范的局域網(wǎng)技術，有時也被稱為無線以太網(wǎng)，于1977年引入，而WiMAX是基于IEEE 802.16規(guī)范的。Wi-Fi采用載波感知多址防碰撞(CSMA-CD)作為媒介訪問控制(MAC)協(xié)議和半雙工共享媒介配置。WiMAX在傳感器網(wǎng)絡應用中更有優(yōu)勢,因為它有更好的覆蓋率和容量。WiMAX使用全雙工傳輸模式進行數(shù)據(jù)傳輸，并采用請求/授權(quán)機制，假定入站和出站傳輸?shù)耐ǖ朗仟毩⒌摹?/p>

藍牙，有時也被稱為小型無線局域網(wǎng)，是一種低功耗的近距離開放式無線通信協(xié)議。它采用IEEE 802.15.1和通道跳頻方案，確保低延遲和高吞吐量?？缃邮諜C的跳頻為每秒1600跳，從而將干擾和衰落的機會降低到最低。藍牙采用時分雙工時分多址(TDD-TDMA)方案傳輸數(shù)據(jù)或消息。單獨的跳用于來回通信。它不能保證端到端通信延遲。它采用半雙工傳輸方式。

像藍牙一樣,ZigBee使用PAN技術，具有超低功耗，用于監(jiān)控。它是基于 IEEE 802.15.4物理層和MAC層。它是一種低功耗、低成本、低數(shù)據(jù)速率的通信協(xié)議。ZigBee和藍牙一樣，不能保證端到端通信延遲。采用直接序列擴頻(DSSS)進行信息傳輸。它不提供頻率和路徑多樣性。ZigBee不能保證對干擾和障礙的可靠性。因此，雖然它是一種安全通信，但在工業(yè)中很少使用。

無線高速公路可尋址遠程傳輸(Wireless highway addressable remote transmission, WHART)基于IEEE 802.15.4協(xié)議，與現(xiàn)有的HART設備向后兼容。它使用2.4 GHz ISM非授權(quán)頻段進行通信，是自動化和控制領域WSNs的第一個開放標準協(xié)議。它采用TDMA技術，具有250kbits / s的數(shù)據(jù)速率。它支持任意兩個相鄰信道之間的5 MHz分離的信道跳變。WHART通過128 AES算法從MAC層和網(wǎng)絡層兩個方面提供安全保障。頻率分集、路徑分集和適當?shù)南鬟f方法保證了采用WHART的網(wǎng)絡的高可靠性。

ISA 100.11a和WHART一樣，基于IEEE 802.15.4，使用無許可的2.4 GHz ISM頻段。它不是向后兼容的。與該協(xié)議相關的一些特征是，低成本，低復雜性，低功耗，抗射頻干擾，互操作性，可擴展性。它可以在星形和網(wǎng)格拓撲中運行。通過使用包含非對稱加密的128 AES算法來確保消息保護。ISA 100.11a采用時分多址模式，確保路由器處于休眠狀態(tài)，因此功耗非常低。

5.0 節(jié)點結(jié)構(gòu)

傳感器節(jié)點由傳感單元、處理單元、電源單元和通信單元等模塊組成。如下圖所示。

傳感單元可以由單個傳感器或多個傳感器組成。物理參數(shù)如溫度、壓力等通常由傳感器單元感知。然后由ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并送至處理單元。

處理單元接收ADC輸出的數(shù)據(jù)，并將其與物理無線層連接，管理無線網(wǎng)絡協(xié)議。通過軟件控制，該單元還設法減少無線電子系統(tǒng)、傳感器、信號調(diào)理和通信的功耗。它被預先編程來執(zhí)行分配給它的任務。處理器的性能是根據(jù)數(shù)據(jù)速率、處理速度、內(nèi)存和外設來選擇。

通信單元包括一個公共收發(fā)器，該收發(fā)器將節(jié)點連接到網(wǎng)絡。它主要用于在各節(jié)點和基站之間傳輸和接收數(shù)據(jù)/信息，反之亦然。通信單元主要有四種狀態(tài):發(fā)送、接收、空閑和休眠。

無線傳感器網(wǎng)絡不依賴電力基礎設施向節(jié)點供電。電力來自可充電電池，或太陽能，適合各種環(huán)境。

傳感器節(jié)點執(zhí)行數(shù)據(jù)采集，處理單元執(zhí)行分析、聚合、壓縮和融合任務。節(jié)點中的另一個塊執(zhí)行數(shù)據(jù)的管理、協(xié)調(diào)和配置。

6.0 傳感器網(wǎng)絡

傳感器網(wǎng)絡，如下圖所示，包括遠程傳感器、匯聚節(jié)點(或中間處理節(jié)點)和最終處理節(jié)點。傳感器支持單跳連接和多跳連接。整個組合被稱為傳感器域。

如果傳感器的位置和它們的時間戳都做得正確，它就能可靠地運行。節(jié)點與接收器通信。節(jié)點必須具備全球定位系統(tǒng)(GPS)的定位功能。節(jié)點收集數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、壓縮數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)(路由)到接收器。

數(shù)據(jù)在基站(最終處理節(jié)點)采集，因此離基站較近的節(jié)點有較大的數(shù)據(jù)負擔。一個合理的路由機制將緩解這個問題.

7.0 無線傳感器網(wǎng)絡的特點

無線傳感器網(wǎng)絡是可擴展的，使用非授權(quán)的ISM頻段進行數(shù)據(jù)傳輸。它是一種無基礎設施的點對點網(wǎng)絡。這種網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)變化頻繁，通信是多對一的(數(shù)據(jù)在基站收集)，而不是對等類型。有些節(jié)點是密集的，而其他節(jié)點則不一定。節(jié)點本質(zhì)上是功率受限和自配置的。無線傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點是能量受限的，并且對節(jié)點的加入/退出等拓撲變化具有魯棒性。來自幾組節(jié)點的數(shù)據(jù)被聚集在一起，因此需要的傳輸次數(shù)更少。

8.0 無線傳感器網(wǎng)絡的挑戰(zhàn)

由于無線傳感器網(wǎng)絡的能量非常有限，因此針對這種網(wǎng)絡的通信協(xié)議必須具有很高的能率。因此，這類協(xié)議主要考慮功耗和效率，而傳統(tǒng)的協(xié)議主要考慮吞吐量和時延.

無線傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點部署是協(xié)議開發(fā)很大程度上依賴的另一個關鍵領域。傳感器節(jié)點的隨機部署需要開發(fā)自組織協(xié)議。這樣的節(jié)點應該與其他節(jié)點協(xié)作，可以在沒有任何人為干預的情況下適應故障。在大多數(shù)情況下，部署在無線傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點是無人值守的，因此修復、維護和對新環(huán)境的適應應該是它們固有的。應該看到，傳感器節(jié)點的這種自我管理特性必須設計和實現(xiàn)，以便它們能夠在一致的基礎上運行.

9.0 與互聯(lián)網(wǎng)連接限制

能量和內(nèi)存效率是兩個性能指標，在普通協(xié)議中不太受關注，而在無線傳感器網(wǎng)絡中則正好相反。因此，為了實現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)的無縫連接，無線傳感器網(wǎng)絡將需要在設計上進行重大修改。

隨著無線技術的不斷發(fā)展和日益廣泛的應用，不同的網(wǎng)絡架構(gòu)被應用于不同的領域，如認知無線電網(wǎng)絡、網(wǎng)狀網(wǎng)絡、無線傳感器網(wǎng)絡等。為了將這些不同的無線網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)集成，需要互操作。為了實現(xiàn)這些協(xié)議與互聯(lián)網(wǎng)的無縫連接，開發(fā)位置和頻譜感知的跨層通信協(xié)議以及異構(gòu)網(wǎng)絡管理工具至關重要。6LoWPAN標準是為了將IPv6標準與部署在無線傳感器網(wǎng)絡中的低功率傳感器節(jié)點集成而開發(fā)的。為了將IPv6設備和傳感器節(jié)點有機地結(jié)合在一起，對IPv6報文頭進行了壓縮，使其能夠適應傳感器節(jié)點。由于無線傳感器網(wǎng)絡和無線局域網(wǎng)(WLAN)運行在相同的頻譜范圍內(nèi)，它們在MAC層的共存帶來了重大挑戰(zhàn)。

其他需要解決的主要問題是，(a)傳感器節(jié)點和互聯(lián)網(wǎng)之間的端到端路由(或連接)，(b)現(xiàn)有的傳感器網(wǎng)絡傳輸層解決方案與互聯(lián)網(wǎng)服務中廣泛使用的傳輸控制協(xié)議(TCP)和用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(UDP)不兼容。同樣，傳感器網(wǎng)絡的傳輸協(xié)議應該這樣設計，以保證傳感器數(shù)據(jù)和其他事件特征的無縫可靠傳輸貫穿整個傳感器網(wǎng)絡。

10.0 拓撲

網(wǎng)絡中的傳感器節(jié)點是相互關聯(lián)的,稱為拓撲。無線網(wǎng)絡中使用的不同拓撲如，星型(單點對多點)、網(wǎng)格和星網(wǎng)(混合)。

星型網(wǎng)絡，如下圖所示：

基站可以從遠程節(jié)點接收/發(fā)送數(shù)據(jù)。一個遠程節(jié)點不能向另一個遠程節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，也就是說，端到端的通信是不可能的。星型網(wǎng)絡的優(yōu)點，簡單、快速和遠程節(jié)點的能量消費保持在最低限度。從基站到遠程節(jié)點始終保持低電平狀態(tài)。但基站必須在連接到它的所有節(jié)點的無線電傳輸范圍。這種拓撲在一定程度上也有弱點，因為如果基站出現(xiàn)故障，這部分網(wǎng)絡就會離線。

網(wǎng)格網(wǎng)絡,如下圖所示：

當傳感器被放置在一個具有高冗余的大型地理區(qū)域時使用。由于無線傳感器網(wǎng)絡是一個自配置的網(wǎng)絡,如果一個傳感器突發(fā)故障,它會自動確定最好的路徑。這種拓撲具有冗余性和可伸縮性的優(yōu)點。

當一個節(jié)點想要將數(shù)據(jù)發(fā)送到它的無線電傳輸范圍之外的節(jié)點時，就使用網(wǎng)狀網(wǎng)絡。在這種情況下，節(jié)點將其數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆谄錈o線電傳輸范圍內(nèi)的相鄰節(jié)點。它從第二個節(jié)點傳遞到第三個節(jié)點。這個過程一直重復，直到消息到達最終目的地。這被稱為多跳通信。

由于網(wǎng)狀網(wǎng)絡中的多跳通信類型，位于中間的節(jié)點需要傳遞和轉(zhuǎn)發(fā)信息，將消耗更多的電池電量，從而限制了它們的壽命。多跳通信的另一個相關缺點是消息的傳遞時間——當消息到達目的地的跳數(shù)增加時，傳遞時間就變長。

在網(wǎng)格拓撲中進行的多跳通信導致單跳覆蓋的距離更短。由于信號路徑損耗是路徑距離的逆指數(shù)，因此保證了接收到的信號在接收器處的質(zhì)量。

星形網(wǎng)格或混合拓撲下如圖所示。得到了星形網(wǎng)絡和網(wǎng)狀網(wǎng)絡的優(yōu)點，即星形網(wǎng)絡的功耗較低，網(wǎng)狀網(wǎng)絡具有自修復能力。

11.0 共存的問題

當多個相鄰無線信道同時發(fā)送數(shù)據(jù)時，射頻干擾將成為影響接收端正確接收數(shù)據(jù)的問題。共存被定義為“一個系統(tǒng)在給定環(huán)境中執(zhí)行任務的能力，其中其他系統(tǒng)有能力執(zhí)行其任務，并且可能使用或不使用同一套規(guī)則“。例如，IEEE 802.15.4和IEEE 802.11b/g都使用2.4 GHz的非授權(quán)頻段進行數(shù)據(jù)傳輸。如果這兩種協(xié)議在相鄰的區(qū)域進行數(shù)據(jù)傳輸，則射頻干擾可能會影響兩個信道。必須注意減少這種干擾，以提高接收質(zhì)量。當使用這些協(xié)議且能量充足的兩個消息在時域或頻域發(fā)生碰撞或重疊時，問題會更加嚴重。

針對上述問題，采用了時間分集、頻率分集、功率分集、編碼分集、空間分集、黑名單和信道評估等技術。

下圖，顯示了802.15.4和802.11 b/g在2.4 GHz下的響應 ISM頻段。從圖中可以看出，前者有16個頻道，后者有3個頻道。從圖中可以明顯看出，802.15.4的頻道號15、20、25和26(針對北美)或15、16、21和22(針對歐洲)將較少受到802.11 b/g斜率的影響。WHART利用偽隨機信道跳變序列，通過使用這些不重疊的信道來減少這種干擾。

WHART使用TDMA技術在任何給定的時刻每個頻率信道發(fā)送一條消息，以避免碰撞。WHART網(wǎng)絡可以通過配置來避免某些其他網(wǎng)絡也經(jīng)常使用的信道。這樣可以避免碰撞和干擾。WHART網(wǎng)絡在初始化消息/數(shù)據(jù)傳輸之前監(jiān)聽信道。如果信道繁忙，則將當前傳輸預留出來，并分配一個未來的時隙用于重傳。

在編碼分集中，采用DSSS技術將消息傳播到所選信道的整個帶寬上。這樣可以減少干擾。

空間多樣性是通過采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡實現(xiàn)的。在這種情況下，原始消息可能通過不同的路徑傳遞到網(wǎng)關(這取決于流量負載和中間節(jié)點的可用性)。

12.0 傳統(tǒng)、現(xiàn)場總線和無線網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)的比較

常規(guī)現(xiàn)場總線系統(tǒng)和無線傳感器網(wǎng)絡的體系結(jié)構(gòu)如下圖所示：

無線網(wǎng)絡的主要優(yōu)點是沒有其他系統(tǒng)中普遍存在的有線連接。它導致更少的維護，更少的成本，更少的人力投入，等等。但是，無線網(wǎng)絡應該防止竊聽和來自鄰近信道的射頻干擾，而且它必須保持連接，不管靜態(tài)或移動傳感器.

13.0 無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議

有線網(wǎng)絡中的通信是通過引導介質(zhì)進行的，而無線網(wǎng)絡中的通信則是通過空氣中的電磁信號傳輸進行的。對于后一種情況，傳感器節(jié)點需要自組織以具有多跳通信功能。為了提高效率，節(jié)點必須以非常有效的方式共享所有資源。這可以通過一個決定網(wǎng)絡整體性能的高效MAC來實現(xiàn)。

傳感器節(jié)點和接收器使用的協(xié)議棧，如下圖所示：

由于網(wǎng)絡中使用了許多節(jié)點，因此要確保在任何時間點都有一個節(jié)點訪問傳輸介質(zhì)。

數(shù)據(jù)鏈路層(DLL)被細分為兩個子層:上層邏輯鏈路控制(LLC)子層和下層MAC子層。LLC需要適應媒介共享訪問所需的邏輯，并支持不同的MAC版本。根據(jù)傳感器節(jié)點的拓撲結(jié)構(gòu)、所需的服務質(zhì)量(QoS)和通信通道的特性，需要不同的版本。

MAC子層的功能包括:(a)調(diào)節(jié)對共享媒介的訪問，(b)在數(shù)據(jù)流的前面附加包含地址信息的報頭字段，并在數(shù)據(jù)流的尾部附加用于錯誤檢測的拖尾字段。(c)在接收端，刪除地址和錯誤控制字段，并就接收到的地址和數(shù)據(jù)的正確性作出判斷。

為了決定哪個節(jié)點可以訪問通信通道，節(jié)點之間必須交換一些信息。因此，MAC協(xié)議的復雜性和開銷增加了。

協(xié)議的性能指標取決于許多因素，如吞吐量、延遲、健壯性、穩(wěn)定性、可伸縮性、公平性和能源效率。較高的吞吐量使系統(tǒng)快速，從而減少消息到達接收者的延遲。如果這個網(wǎng)絡不受錯誤和錯誤信息的影響，它就被認為是強大的。穩(wěn)定性是指在一段時間內(nèi)以可靠的方式處理流量負載波動的能力。如果一個系統(tǒng)的性能與網(wǎng)絡的大小保持不變，則該系統(tǒng)被稱為可伸縮的。公平性是指在競爭節(jié)點之間公平地共享信道容量，而不降低吞吐量。能源效率是無線網(wǎng)絡中最重要的問題之一，當網(wǎng)絡在地理上廣泛分散時尤其如此。導致能源效率低下的因素有:沖突、控制包開銷、空閑監(jiān)聽和不同模式之間的切換。

網(wǎng)絡的性能取決于MAC協(xié)議的選擇。這樣的協(xié)議有，固定分配協(xié)議、按需分配協(xié)議、隨機分配協(xié)議、泛洪協(xié)議和流言協(xié)議。開發(fā)它們是為了在實現(xiàn)合理的資源分配和實現(xiàn)資源所需的開銷之間取得平衡。

14.0 安全

資源受限的無線傳感器節(jié)點很容易成為網(wǎng)絡釣魚等外部惡意攻擊的目標。對手可以監(jiān)聽網(wǎng)絡中的流量，操縱數(shù)據(jù)，甚至冒充操作節(jié)點之一。

通常情況下，這樣的網(wǎng)絡有大量的節(jié)點，為每個節(jié)點提供安全性實際上是一個挑戰(zhàn)。由于擴展或刪除突然失效的節(jié)點而增加的節(jié)點對軟件設計工程師來說是一個挑戰(zhàn)。

密碼學確保發(fā)送端和接收端之間的安全數(shù)據(jù)通路。在發(fā)送端，普通或純文本被轉(zhuǎn)換成密文，稱為加密。相反的過程稱為解密，在接收端進行。數(shù)據(jù)加密需要算法和密鑰。雖然算法可能不是秘密的，但用于加密的密鑰是完全保密的。組成密鑰的比特數(shù)是巨大的，不可能得到密鑰的組合。有兩種類型的密碼:對稱密碼和非對稱密碼。在對稱密碼體制中，加密和解密使用相同的密鑰，而非對稱密碼體制則使用不同的密鑰。密碼學保證了數(shù)據(jù)的完整性、機密性、設備和消息的認證。任何密碼系統(tǒng)的安全強度都取決于使用的密鑰，而不是算法。

安全服務還包括驗證、訪問控制、可伸縮性和數(shù)據(jù)新鮮性。驗證意味著使用資源的授權(quán)是否正確，而訪問控制是指限制對資源的訪問?？蓴U展性是指在不影響安全性的前提下增加節(jié)點，保證系統(tǒng)的可靠運行。數(shù)據(jù)新鮮性意味著消息保持新鮮，即它們不會被重用，而且是有序的。

有效的密鑰管理方案(KMS)是有效應對數(shù)據(jù)安全或網(wǎng)絡釣魚攻擊的必要手段。當一個節(jié)點加入或退出系統(tǒng)時，KMS對于一個安全可靠的網(wǎng)絡環(huán)境起著至關重要的作用。

傳感器網(wǎng)絡的安全目標包括:機密性、完整性、認證性和可用性。機密性意味著系統(tǒng)能夠保護消息不被竊聽，因為消息從一個節(jié)點依次傳遞到下一個節(jié)點，直到到達接收者。完整性是指消息在網(wǎng)絡中傳播時不被篡改/更改/改變。身份驗證指的是確認消息來源的能力?？捎眯砸馕吨_保網(wǎng)絡對消息在網(wǎng)絡中移動是可用的。

數(shù)據(jù)的新鮮度成為一個嚴重的安全問題，特別是當WSN節(jié)點使用共享密鑰進行消息通信。在這種情況下，攻擊者可以使用舊密鑰發(fā)起重放攻擊，因為新密鑰正在刷新并傳播到網(wǎng)絡中連接的所有節(jié)點。可以通過在每個數(shù)據(jù)包中添加nonce或時間戳來保證數(shù)據(jù)的新鮮度。