什么是无线传感器网络

什么是无线传感器网络

无线传感器网络（WSN）是一种由大量传感器节点组成的网络，用于监测和收集环境信息。近年来，随着无线通信技术的快速发展，WSN已成为一个重要的研究领域。本文将为您详细介绍WSN的类型、分类、攻击类型、移动性、路由协议以及面临的挑战和应用。

一、无线通信项目

基于无线通信的项目主要利用各种无线技术，例如GPS、蓝牙、RFID、Zigbee和GSM。为了更好地了解这些无线通信技术，我们通过具体项目对其进行了探索。让我们回顾一下专门为工程专业学生策划的一些基于无线通信的项目创意。我们相信这些项目想法将对许多最后一年的学生成功完成他们的B.技术非常有益。

二、WSN（无线传感器网络）网络拓扑

在无线电通信网络中，WSN（Wireless Sensor Network）的架构包含各种拓扑，如下所述。

1. 星形拓扑：星形拓扑是一种通信布局，其中每个节点都直接连接到中央网关。一个网关可以向多个远程节点发送消息或从多个远程节点接收消息。在星形拓扑中，节点之间被限制发送消息。此设置有助于远程节点和网关（基站）之间的低延迟通信。因为它依赖于单个节点来管理网络，所以网关必须在所有单个节点的无线电传输范围内。这种设计的优势是最大限度地减少并轻松控制远程节点的功耗。网络大小由与Hub建立的连接数决定。

2. 树形拓扑：树形拓扑也称为级联星形拓扑，将每个节点连接到更高级别的节点，并最终连接到网关。树拓扑的主要优点是可以轻松扩展网络并检测错误。但是，它的主要缺点是它对总线电缆的依赖性;如果电缆发生故障，则整个网络都会崩溃。

3. 网格拓扑：网格拓扑支持在其无线电传输范围内的节点之间传输数据。如果一个节点需要向超出其射频范围的另一个节点发送消息，则中间节点必须将消息中继到目标节点。网状拓扑的主要优点是可以直接隔离和检测网络故障。缺点是网络的大规模需要大量投资。

三、无线传感器网络的类型

网络类型的选择取决于环境，允许在水下、地下、陆地和其他设置中部署。各种类型的WSN包括：

• 地面WSN
• 地下WSN
• 水下WSN
• 多媒体WSN
• 移动WSN

1. 地面WSN：地面WSN与基站高效通信，由成百上千个无线传感器节点组成，以非结构化（adhoc）或结构化（预先规划）方式部署。在非结构化模式下，传感器节点随机分布在目标区域内，从固定平面上丢弃。预先规划或结构化模式包括最佳放置、网格放置以及2D或3D放置模型。在这些WSN中，电池电量有限，但太阳能电池用作辅助电源。通过低占空比操作、最大限度地减少延迟和采用最佳布线策略来实现节能。

2. 地下WSN：由于要考虑部署、维护和设备费用，部署地下无线传感器网络的成本高于地面WSN，因此需要仔细规划。这些网络由隐藏在地下的传感器节点组成，用于监测地下条件。其他接收器节点位于地面以上，用于将信息从传感器节点中继到基站。

由于电池电量有限且环境恶劣，为部署在地下的传感器电池节点充电带来了挑战。此外，由于高水平的衰减和信号损失，地下环境中的无线通信具有挑战性。

3. 水下WSN：地球表面的70%以上被水覆盖。这些系统由多个传感器节点和位于水面下的车辆组成。采用自主潜水器从这些传感器节点收集数据。水下通信中的一个障碍包括延长的传播延迟、带宽限制和传感器故障。浸没式WSN配有不可充电且不可更换的有限电池。解决水下WSN的节能问题需要改进水下通信和网络方法。

4. 媒体WSN：已经提出了以媒体为中心的无线传感器网络，以通过多媒体格式（如图像、视频和音频记录）促进对事件的监视和跟踪。这些网络包括嵌入麦克风和摄像头的廉价传感器节点。这些节点建立无线互连，以促进数据压缩、检索和关联。与多媒体WSN相关的障碍包括能耗增加、带宽要求增加以及数据处理和压缩技术的改进。此外，多媒体内容需要充足的带宽才能实现无缝和高效的交付。

5. 漫游WSN：这些网络包含一组传感器节点，这些节点能够自主移动并与周围环境交互。移动节点具有感知、计算和通信的能力。与静态传感器网络相比，漫游无线传感器网络表现出更强的适应性。与固定式无线传感器网络相比，RWNS的优势包括增强覆盖范围、提高能源效率、增加信道容量等。

四、无线传感器网络的分类

WSN的分类可以基于其应用程序，但其属性主要根据其类型而变化。通常，WSN分为各种分类，包括：

• 固定和移动
• 确定性和非确定性
• 单基站和多个基站
• 固定和移动基站
• 直接和间接WSN
• 自主&非自主
• 同质&异质

1. 固定和移动WSN：在许多应用中，传感器节点的部署无需移动，从而使这些网络保持静态。但是，某些应用程序（例如监测生物系统）采用移动传感器节点，称为移动网络。一个突出的例子是动物追踪。

2. 确定性和非确定性WSN：在确定性网络中，传感器节点的排列是预先确定且可计算的。此类网络可能足以满足预先计划的节点操作可行的特定应用程序。相反，由于不利的环境条件等因素，非确定性网络缺乏预定的节点位置，因此需要复杂的控制系统。

3. 单基站和多个基站：单个基站网络利用位于传感器节点区域附近的单个基站，从而促进节点通过基站进行通信。相反，多基站网络使用多个基站，传感器节点将数据传输到附近的基站。

4. 固定和移动基站：基站类似于传感器节点，可以是移动的，也可以是固定的。固定基站保持固定位置，通常靠近感应区域。相反，移动基站在传感器区域内移动以平衡传感器节点负载。

5. 直接和间接的WSN：在直接WSN中，传感器节点直接与基站通信。相反，间接WSN利用集群头和对等节点来中继数据，从而降低能耗。

6. 自主和非自主配置：在不可自配置的网络中，传感器网络无法自主配置，而是依赖控制单元来收集数据。在无线传感器网络中，传感器节点维护和组织网络，与其他传感器节点协同工作以实现其目标。

7. 同质&异质：在同构无线传感器网络中，所有传感器节点都具有相似的能耗、存储容量和计算能力。相比之下，在异构网络中，一些传感器节点比其他传感器节点具有更高的计算能力和更大的能源需求。因此，处理和通信任务将基于这些功能进行分配。

五、WSN中的威胁类型

各种威胁以无线传感器网络为目标，带来了不同的挑战。这些威胁分为两种主要类型：主动攻击和被动攻击。在主动攻击中，攻击者旨在更改或拦截网络内传输的消息。他们可能会操纵或重放旧消息，或注入自己的流量以中断网络操作或诱发拒绝服务。被动攻击涉及监控和分析交换的流量，而不进行任何更改。虽然更容易检测，但被动攻击更微妙，因为它们不会修改交换的数据。攻击者追求这些数据是为了收集机密信息或收集有关网络拓扑和节点数据的见解。

这些威胁的示例包括：

• 篡改
• 身份复制攻击
• 黑洞
• 虫洞攻击
• 选择性转发
• 疲惫
• 女巫攻击
• 勒索攻击
• HELLO洪水攻击
• 干扰

六、无线传感器网络中的各种移动性

在特设网络中，节点移动性是一个基本方面。在WSN中，移动性主要用于区分网络元素，其相关性取决于特定应用程序。虽然无线传感器网络应用涵盖不同的领域，但并非所有领域都需要移动性，这强调了它在相关环境中的重要性。WSN具有三种不同类型的移动性：

1. 传感器节点移动性：当传感器节点的最微小组件是移动的时，就会发生传感器节点移动。一个典型的例子是传感器节点在监控区域内自主遍历和漫游。这种配置适用于动物监测和跟踪，其中传感器安装在动物身上。

2. 汇聚节点移动性：在这种情况下，接收器节点在监控区域内具有独立的移动性，可以从传感器网络收集数据。这种移动性有助于高效的数据收集和传播。

3. 受监控对象或事件移动：当部署无线传感器网络用于跟踪或监控目的，并在事件驱动型数据模型下运行时，就会发生这种类型的移动性。网络动态响应受监控对象或事件的移动模式。此外，采用运动建模进行目标跟踪增强了网络的预测能力，有助于估计整个跟踪过程中的数据生成模式。

七、无线传感器网络中的各种路由协议

路由协议用作确定从源到目标的数据传输的最佳路径的机制。此过程会遇到各种挑战，这些挑战受网络类型、性能指标和通道特征的影响。路由的选择取决于网络拓扑、能源效率、数据可靠性和延迟等因素。路由协议的多样性可满足不同WSN部署的独特要求和约束，确保高效可靠的数据传输。

路由障碍：

与传统无线网络相比，WSN的路由协议设计具有独特的特性，因此带来了重大挑战。WSN中会出现各种路由挑战，其中一些将在下面概述。将通用标识符分配给大量传感器节点非常复杂，这使得基于IP的经典协议变得不切实际。与传统通信网络不同，WSN必须有效地将来自不同来源的信息聚合到特定的基站。

在WSN中，生成的数据冗余很常见，因为多个传感器节点可能会检测到类似的信息。路由协议必须利用这种冗余，同时考虑可用带宽和能源限制。无线节点在带宽、传输能量、存储容量和板载功率方面面临限制，因此需要开发专门的路由协议来应对WSN路由挑战。

设计困境：

WSN带来了一些设计挑战，这些挑战源于带宽、处理能力、存储和能源等资源限制。在制定新的路由协议时，网络工程师必须确保遵守以下原则：

• 能效
• 传感器定位
• 复杂性管理
• 数据传输和模型
• 可扩展性
• 鲁棒性
• 延迟管理

八、WSN挑战

无线传感器网络中遇到的挑战包括：

• 容错
• 可扩展性
• 部署成本
• 运行环境
• 服务质量
• 数据聚合
• 数据压缩
• 数据延迟

1. 容错：在WSN中，由于断电或物理损坏而导致的偶发传感器节点故障不应中断整体网络性能。这种在节点故障的情况下维持网络功能的能力称为容错能力。

2. 可扩展性：由于传感区域中可能部署了数千个甚至数百个节点，因此路由方案必须具有可扩展性，才能有效处理事件并保持稳定性。

3. 部署成本：传感器网络的成本效益在很大程度上取决于单个传感器节点的可负担性。确保每个节点的低价格对于将整个网络的生产成本维持在合理水平至关重要。

4. 运行环境：传感器网络部署在各种环境中，从工业机械和水下位置到化学或生物污染区域、家庭、战场，甚至用于森林监测的快速移动的车辆或动物。适应如此不同的操作环境对WSN部署构成了重大挑战。

5. 服务质量：应用程序需要特定的服务质量要求，例如能源效率、延长使用寿命和数据可靠性，因此需要量身定制的方法来有效满足这些需求。

6. 数据聚合：使用各种功能（如平均、最大值或最小值）组合来自不同来源的数据称为数据聚合，有助于在WSN中高效处理和传输数据。

7. 数据压缩：减小数据包的大小以优化带宽和存储利用率称为数据压缩，可在资源受限的WSN中实现更高效的数据传输和存储。

8. 数据延迟：数据延迟受数据聚合和多跳中继等因素的影响，是设计路由协议时的一个关键考虑因素，因为它直接影响网络性能和响应能力。

九、无线传感器网络面临的挑战

无线传感器网络在设计、拓扑和操作方面遇到了各种挑战。不同类型WSN的设计挑战包括：

1. 低延迟
2. 容错
3. 覆盖范围问题
4. 传输介质
5. 可扩展性

十、WSN中的拓扑挑战包括

1. 传感器覆盖孔
2. 地理路由
3. 覆盖拓扑

十一、影响WSN设计和性能的关键问题包括

1. WSN的操作系统和硬件选择
2. 中间件实现
3. 无线电通信的特点
4. 介质访问控制方案
5. 部署策略
6. 定位技术
7. 传感器网络编程模型
8. 同步机制
9. 网络架构设计
10. 传感器校准
11. 以数据库为中心的方法和查询方法
12. 网络层协议
13. 数据传播和聚合技术
14. 传输层协议

有效解决这些问题对于确保各种应用和环境中无线传感器网络的可靠性、效率和稳健性至关重要。

十二、约束

无线传感器网络面临以下几个限制：

1. 存储容量有限，通常在几百KB的范围内。
2. 中等处理能力，通常在8MHz左右。
3. 在较短的通信范围内工作，导致高功耗。
4. 需要最少的能源，限制协议设计。
5. 使用使用寿命有限的电池。
6. 无源设备对网络的贡献很小。

十三、无线传感器网络的应用

无线传感器网络在各个领域都有不同的应用：

1. 环境监测，包括森林检测、动物追踪、洪水检测和天气预报。
2. 地震活动预测和监测等商业应用。
3. 用于跟踪、环境监测和监视的军事应用。
4. 用于跟踪和监控患者和医疗专业人员的健康应用程序。
5. 用于交通监控、动态路线管理和停车场监控的运输系统。
6. 快速应急响应、工业过程监测、自动化建筑气候控制、生态系统和栖息地监测以及土木结构健康监测。