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基于认知无线电的传感网络的理论与技术概述

引言 2
1 无线传感网络 3
1.1 无线传感网络概述 3
1.2 无线传感网络结构与特征 7
1.2.1 无线传感器网络体系 7
1.2.1.1 无线传感器网络结构 7
1.2.1.2 无线传感器网络节点结构 7
1.2.1.3 无线传感器网络协议栈 8
1.2.2 无线传感器网络特征 10
1.3 无线传感网络协议 12
1.3.1 物理层 12
1.3.2 链路层 12
1.3.2.1 MAC协议设计应考虑因素及设计目标 12
1.3.2.2 MAC协议耗能分析 13
1.3.2.3 常见无线传感器网络MAC协议分析 13
1.3.3 网络层 16
1.3.3.1 无线传感网络路由协议设计要点 16
1.3.3.2 无线传感网络路由协议分类 17
1.3.3.3 常见无线传感网络中路由协议分析 19
1.3.4 传输层与应用层 28
1.4 无线传感网络中应用支撑技术 29
1.4.1 时间同步 29
1.4.1.1 时间同步概述 29
1.4.1.2 时间同步算法设计分析 29
1.4.1.3 无线传感器网络时间同步的分类 30
1.4.1.4 几种经典的无线传感器网络时间同步算法分析 31
1.4.2 定位技术 36
1.4.2.1 定位技术概述 36
1.4.2.2 定位技术分析及其特点 37
1.4.2.3 定位技术分类 38
1.5 无线传感网络中跨层设计 39
1.5.1 跨层设计的提出 39
1.5.2 跨层设计优化 39
2认知无线电技术 41
2.1 认知无线电概述 41
2.1.1 CR发展概述 41
2.1.2 CR特性 42
2.1.3 CR的物理结构及分析 43
2.2 CR关键技术 45
2.2.1 频谱感知 45
2.2.2 频谱管理 53
2.2.3 功率控制 56
3 认知无线电在传感网络中应用 56
3.1 传统无线传感网络存在的不足 57
3.2 CR用于WSN的设计分析 57
3.3 CR-WSN 58
3.3.1 CR-WSN模型 58
3.3.2 CR-WSN节点物理结构 58
3.3.3 CR-WSN体系结构 59
4 小结 61
参考文献 62

62

引言
随着信息处理技术、半导体技术、嵌入式技术和无线通信等技术的飞速发展，使传感器在极小的体积内能够集信息采集、数据处理和无线通信等功能于一体，出现一种全新的信息获取和处理方法——无线传感网络。它是一种由传感器节点构成的网络，能够实时地检测、感知和采集节点部署区中观察者感兴趣的感知对象的各种信息（如光强、温度、湿度、噪声和有害气体浓度等物理现象），并对这些信息进行处理，通过无线的方式发送出去，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现世界、计算机世界以及社会三元世界的连通。无线传感网络具有十分广阔的应用前景，在军事国防、工农业、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许多重要领域都有潜在的实用价值。
但由于无线传感网络中频谱的利用率不高，传感节点数目多、易失效，通信容易受到信道干扰，网络节点的能量受限等网络特点，本文提出一种基于认知无线电的传感网络，它通过对外界环境的感知，实现功率控制和频谱资源的动态分配，充分利用空闲的信道和有限的节点能量；而且还可以根据信道的干扰变化情况，实时地改变信道，提高传感网络节点间通信的抗干扰程度，使信息在网络中传输更加安全可靠。
本文先介绍传统无线传感网络发展、网络结构、特点、关键技术以及网络协议；然后重点阐述应用于无线传感网络中认知无线电的关键技术——频谱感知、功率控制以及频谱管理，分析认知无线电技术在无线传感网络中的优势和面临的挑战；最后，对本文进行总结。

1 无线传感网络
1.1 无线传感网络概述
无线技术的发展巨大地改变了人们的生活和联系方式：无线蜂窝网络为人们提供了移动环境下的多媒体服务；无线宽带接入网络提供了任何地点，任何时间的人机高速链接；无线传感器网络可以提供跟踪特定目标，房屋、桥梁等建筑物的监测，控制机器人等。
微电子、计算和无线通信等技术的进步，推动了低功耗、多功能传感器的快速发展，使其在微小体积内能够集成信息采集、数据处理和无线通信等多种功能，从而孕育出无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)，并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革。无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳自组织网络。
一般无线传感器节点有三个基本的组成部分：感应模块、处理模块和无线网络模块。感应模块从周围环境收集信息；处理模块完成本地信息的量化、压缩；无线网络模块将信息发送到中心处理节点。中心处理节点将周围节点采集的信息融合。一个传感器网络有成千上万个传感器节点组成，连接成一个系统，如图1-1所示。

图1-1 无线传感器网络示意图
图1-1中，中心处理节点收集周边传感器节点采集的信息。如果节点距离中心处理节点很远，那么就需要中继节点多跳传输到中心处理节点。这些传感器节点分布在我们感兴趣的区域，例如在地面、空中、楼房或交通工具中，独立地分散采集信息，监测周围环境参数的变化。
1、无线传感网络的发展
无线传感网络经历了一个漫长的发展过程，早在二十世纪70年代，冷战时期的声音监测系统（Sound Surveillance System,SOSUS）和空中预警与控制系统（Air borne Warnning and Control System,AWACS）就是其在军事方面的早期应用。可以说，无线传感网络的构想最初是由美国军方提出的。1980年，美国国防部高级研究所计划署DARPA资助并参与的分布式传感器网络项目（Distributed Sensor Networks,DSN）是无线传感网络最早的雏形。1994年，加州大学洛杉矶分校的William J.Kaiser向DARPA提交的建议书Low Power Wireless Integrated Microsensors成为了无线传感网络领域中的一个重要里程碑。
在二十世纪80年代至90年代间，无线传感网络在军事方面得到了飞速的发展，它在现代战争中的重要地位越发突出，美国军方为此花费了大量的财力物力，研发了一批先进的作战系统，大大充实了美国的军事和国防力量，主要包括协同交战能力系统(Cooperative Engagement Capability，CEC)，用于反潜的确定性分布系统(Fixed Distributed System，FDS)和高级配置系统(Advanced Deployment System，ADS)，以及远程战场传感器网络系统(Remote Battlefield Sensor System，REMBASS)和战术远程传感器系统(Tactical Remote Sensor System)等无人看管地面传感器网络系统。1998年，Gregory．J．Pottie具体阐释了无线传感网络的科学意义。同年DARPA也斥巨资启动了SensIT项目，目标是实现“超视距”战场监测。
无线传感网络在军事上的广泛应用履然已经被证实足必要和成功的了，正是在被大众所认可的情况下，无线传感网络又迈出了具有划时代意义的一步，就是逐渐由军事始转向民用，发挥着其性能和技术上的优势，给我们提供了一个更加便利、更加安全的生活和工作环境。
1999年9月．商业周刊将无线传感网络技术列位21世纪最鼋要的21项技术之一。同年橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory，ORNL)提出了“网络就是传感器”(Networkis Sensor)的论断。2001年1月，《MIT技术评论》将无线传感网络列于十种改变未来世界新兴技术之首。2003年8月，《商业周刊》预测：无线传感网络和其他二项信息技术将会在不远的将来掀起新的产业浪潮。2004年《IEEE Spectrum))杂志发表一期专集：传感器的国度，着重论述了无线传感网络的发展和可能的广泛应用。
而在我国，近几年无线传感网络也已成为了研究的重点。比如在国家未来20年预见技术的调查报告中，信息领域涉及的157项技术课题中有7项与传感器网络直接相关。2006年初我国发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》又为信息技术确定了三个前沿方向，其中两个与WSN的研究直接相关，即智能感知技术和自组织网络技术。

无线传感器网络是从传感器网络开始的，传感器网络经历了如图1-2所示的发展历程。

图1-2 传感器发展历程

第一代传感器网络出目前20世纪70年代。使用具有简单信息信号获取能力的传统传感器，采用点对点传输、连接传感控制器构成传感器网络；
第二代传感器网络，具有获取多种信息信号的综合能力，采用串，并接口(如Rs-232、RS-485)和传感控制器相联，构成有综合多种信息的传感器网络；
第三代传感器网络出目前20世纪90年代后期和本世纪初，用具有智能获取多种信息信号的传感器，采用现场总线连接传感控制器，构成局域网络，成为智能化传感器网络；
第四代传感器网络正在研究研发，目前成形并大量投入使用的产品还没有出现．用大量的具有多功能多信息信号获取能力的传感器，采用自组织无线接入网络，和传感器网络控制器连接，构成无线传感器网络。本文所介绍的无线传感器网络就是指第四代传感器网络。
2、无线传感网络的应用
无线传感网络的应用前景十分诱人。从原来的军事方面向日常生活的各个方面不断扩展，下面我们来看一些具体的应用。
1) 军事应用：由于无线传感网络具有密集型、随机分布的特点，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资，判断生物化学攻击等多方面用途。美国国防部对这类项目进行了广泛的支持。俄亥俄州正在开发“沙地直线”(A Line in the Sand)，就是一种无线传感网络系统。这个系统能够散射电子绊网(tripwlre)到任何地方，也就是到整个战场，以侦测运动的高金属含量目标。这种能力意味着一个特殊的军事用途，例如侦察和定位敌军坦克和其它车辆。无线传感网络技术，预示着为战场上带来新的电子眼和电子耳。“能够在未来几十年内变革战场环境”。
2) 环境应用：随着人们对环境的日益关注，环境科学所涉及的范围越来越广泛。通过传统的方式采集原始数据是一件很困难的工作。无线传感器网络为野外随机性的数据获取提供了方便。比如，跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响，监测海洋、大气和土壤的成分等。ALERT系统中就有数种传感器来监测降雨量、河水水位和土壤水分，并依此预测爆发山洪的可能性。类似地，无线传感器网络对森林火灾准确、及时地预报也应该是有帮助的。此外，无线传感器网络也可以应用在精细农业中，以监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。
3) 医疗卫生护理：Intel开发了无线传感网络的家庭护理技术。该技术是做为探讨应对老龄化社会的技术项目Center for Aging Services Technologies(CAST)的一个环节开发的。该试制系统通过在鞋、家具以家用电器等家中道具和设备中嵌入半导体传感器，帮助老龄人士、阿尔茨海默氏病患者以及残障人士的家庭生活。利用无线通信将各传感器联网可高效传递必要的信息从而方便接受护理，而且还可以减轻护理人员的负担。
4) 家庭应用
① 家用自动化：随着科技发展，智能传感器节点启动器被内置于真空吸尘器、微波炉、冰箱和录像机等家电中。这些内置在家电里的传感器节点相互作用能通过Internet或卫星构成内部的网络。终端用户通过它们可以更容易的远程或本地管理家用电器。
② 智能环境：它的设计可分为两种，以人为核心和以科技为核心。以人为核心是指一个智能环境必须根据输入输出能力适应终端用户的种种需求。以技术为核心，是发展各种新硬件技术、网络解决方案和中间件服务。传感器节点被嵌人家具和家电中，它们互相通信并与该房间服务器通信，以了解它们提供的服务，例如打印、扫描、传真等。另一个智能环境的例子是乔治敦科技学院的家庭型实验窒。在这个环境中的感知和计算是可靠、持续、透明的。
③ 其它用途：无线传感网络还被应用于其它一些领域。如井矿、核电厂等危险的工业环境，工作人员可以通过它来实施安全监测：也可以用在交通领域作为车辆监控的有力工具。此外还可以运用到机器人、工业自动化生产线或智能控制等诸多领域。Intel正在对工厂中的一个无线网络进行测试，该网络由40台机器上的210个传感器组成，这个无线传感网络组成的监控系统将可以大大改善工厂的运作条件，它可以大幅降低检查设备的成本，同时由于可以提前发现问题，因此将能够缩短停机时间，提高效率，并延长设备的使用时间。
无线传感器技术目前仍处于初步应用阶段，但已经展示出了非凡的应用价值，相信随着相关技术的发展和推进，一定会得到更大的应用。
3、无线传感网络面临的挑战
尽管无线传感网络应用前景广阔，就现有的技术发展水平来说，让无线传感网络大量投入正常运行并达到预期目标还面临许多困难，需要许多关键技术的解决：
① 传感器节点的工艺和产品成本问题
无线传感网络中的节点一般为电池供电，有效电量非常有限，而且由于有些应用环境，及节点数量关系，电池更换是不可能的。但是无线传感网络的生存时间却要求长达数月甚至数年，一旦传感节点能量用尽，只能采取放弃或替代。因此能否节约电池能量、或低功耗设计成为无线传感网络软硬件设计中的关键问题之一。
现代传感嚣技术从单一的物性型进入以微电子和微机械集成技术为主导的发展阶段。集成工艺的发展，将微传感器、微驱动器、微执行器以及信号处理器和控制电路、口、通讯和电源等组成一体化系统。美国制造了在2cm*2cm*O.15cm的体积内，由3个陀螺和3个加速度计组成的微型惯性导航系统。该系统的质量为距，体积只有小型惯性导航系统的0．1％。智能化尘粒传感器已达到舯级，国内在制造工艺方西还有欠缺。
虽然节点微型化使各部件能耗降低，研究机构对电池的改进使传感网络生命期得延长。但仍存在低电压或节点执行某项操作所需尖端电流不够而影响传感网络功能的有效性。这也是目前值得关注的方面。
② 网络的组织和管理
在传感器网络应用中，通常传感器节点被放鬣在没有基础结构的造方。传感器节点的位置不能预先设定，节点间的邻居关系预先也不知道，如通过飞机播撤大量传感器节点到面积广阔的原始森林中，或随意放置到人不可到达或危险的区域。这样就要求传感器节点具有自组织和自管理的能力。网络组织和管理的焦点是如何在能量有效的前提下，通过自行检测自身的能量水平及分布情况，通过分布式的处理，选择合适的网络拓扑结构，不断调整，实现能量使用的最优。目前，无线传感网络的基本网络拓扑可分为三种：基于簇(Cluster)的分层结构，基于网(Mesh)的平面结构和基于链(Chain)的线结构。
③ 数据在网络中的传输
目前无线传感网络中数据传输的路由算法基本上都是以泛洪算法为基础，通过增加一定的约束条件而形成。为了保证在个别节点失效或个别通信链路失效的情况下，不至于引起网络分立或检测数据不完整，往往在检测区域布置数量非常大的传感器节点，如此感知的信息具有很大的冗余度，这就需要具有一定属性的多个传感器节点，并采用一定的算法通过对所获得的数据进行加工、汇总和过滤，实现传感器数据融合，降低数据冗余，减少网络的通信量，以节约网络能量。因此如何提高带宽效率和能量效率，数据的传递和信息协作都关系到网络协议的设计和能量的消耗，这也是目前的研究热点之一。
从用户的角度来看，整个无线传感网络更像一个数据库，可以从里面查询需要的信息。如何按照一定的属性查询信息是个重要的课题，它包括查询数据的组成形式、查询数据的路由选择等，合理的选择查询属性和路由可以有效地节省能量。还有数据的广播，如何使有用的信息快速准确的传播到需要使用这些信息的节点处，同时又不造成广播泛滥，节省宝贵的能量也是亟待解决的问题。
④ 传感器节点的定位问题
在传感器网络中，位置信息对传感器网络的监测活动至关重要，事件发生的位置或获取信息的节点位置是传感器节点监测消息中所包含的重要信息，没有位置信息的监测消息往往毫无意义。确定事件发生的位置或获取消息的节点位置对传感器网络应用的有效性起着关键的作用。
传感器网络的各种应用中，监测到事件之后关心的一个重要问题就是该事件发生的位置。如在环境监测应用中需要知道采集的环境信息所对应的具体区域位置；对于突发事件，如需要知道森林火灾现场位置，战场上敌方车辆运动的区域，天然气管道泄漏的具体地点等。而无线传感器节点通常随机布放在不同的环境中执行各种监测任务，最常见的例子是用飞机将传感器节点布置到指定的区域中，以自组织的方式相互协调工作。随机布放的传感器节点无法事先知道自身位置，因此传感器节点必须能够在布放后实时地进行定位。如果传感器节点有了相应的位置标记，对区域化簇的形成，区域化路由的建立，避免信息在整个网络中的扩散，实现定向的信息查询，提高数据融合的正确性，有利于区域化管理，目标跟踪，实时监视目标的行动路线，预测目标的前进轨迹等，也更有效地节约网络能源消耗。
目前主要的研究方向利用GPS定位系统，另一个主要的研究方向预先摆放一定量的锚节点(这种节点带有定位系统)，其他普通节点随机摆放，借助其他手段确定自身定位。由于传感网络中节点自身的限制，后一种研究方法占主要地位。
⑤ 无线传感器网络安全性问题和抗干扰问题
与普通的网络一样，传感器接收命令和传送信息也面临着安全性的考验。无线传感网络可能工作于敌对区域，敌人可以窃听无线信道的数据：可以发送伪造信息，可以针对网络协议，设立伪造网关，使得节点信息无法向监控中心传输，如何利用较少的能量和较小的计算量来完成数据加密、身份认证等，在破坏或受干扰的情况下可靠的完成执行的任务也是一个重要的研究课题。即使是对称密钥算法，密钥过长、空间和时间复杂度大的算法也不适用于传感网络。
1.2 无线传感网络结构与特征
1.2.1 无线传感器网络体系
1.2.1.1 无线传感器网络结构
无线传感器网络结构如图1-3所示，传感器网络通常包括分布式传感节点（Sensor Node）、汇聚节点（Sink Node）、互联网和用户界面等。大量传感器节点通过飞行器撒播、人工掩埋和火箭弹射等方式随机部署在被感知对象内部或附近，通过自组织方式构无线网络。传感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，经过多跳后中继到汇聚节点，最后通过互联网或卫星或监测区上空的无人飞机回收接收节点上的数据，发送到远程控制管理中心。反之，用户通过管理中心对传感器网络进行实时控制和操控，发布监测任务以及收集监测数据。

图1-3 无线传感网络的体系结构
传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理、存储和通信能力相对较弱，通过携带能量有限的电池供电。每个节点兼具感知监测对象信息和转发路由的功能，即除了进行本地信息收集、存储、管理外，还对来自其他节点的数据转发和融合等数据处理，同时与其它节点协作完成一些特殊任务。
汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对较强，它连接传感器网络和外部网络，实现两个协议栈的通信协议转换，同时发布管理节点的监测任务，并将收集的数据转发到外网。汇聚节点既可以是一个具有增强功能的传感器节点，有足够的能量供给和更多的内存与计算资源，也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备。
1.2.1.2 无线传感器网络节点结构
传感器节点由通信单元、数据处理单元、传感单元和电源四部分组成，如下图1-4所示。
传感单元由传感器和模数转换模块构成，负责监测区域内信息的采集和数据转换；
数据处理单元由CPU、存储器、嵌入式操作系统等组成，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它节点发来的数据，并根据应用需要进行数据融合等操作；
通信单元由无线通信模块组成，负责与其它传感器节点进行通信，交换控制信息和收发采集数据；
电源为传感器节点提供运行所需的能量，通常为微型电池。
此外，还可以包括其他功能单元：定位系统、移动系统以及电源自供电系统等。

图1-4 无线传感网络节点构成
传感器网络节点为一个微型化的嵌入式系统，构成了无线传感器网络的基础层支持平台。目前国内外已经出现了许多种网络节点的设计，他们在实现原理上是相似的，只是分别采用了不同的微处理器或者不同的通信或协议方式，比如采用自定义协议802.11协议、ZigBee协议、蓝牙协议以及UWB通信方式等。典型的节点包括Berkeley Motes，Sensoria WINS，Berkeley Piconodes，MIT uAMPS，SmartMesh Dust mote，Intel iMote以及Intel Xscale nodes，ICTCAS/HKUST的BUDS等。
1.2.1.3 无线传感器网络协议栈
传感节点正如图1-3所示通常分布于一个监测区。每个传感节点都有收集相应数据路由给汇聚节点和用户的能力。数据路由传输经多跳系统结构来实现，汇聚节点可以与用户的任务管理节点通讯。目前已提出的汇聚节点与所有传感节点间的协议栈常见的如图1-5(a)，协议栈兼备了能量和路由识别、网络协议上的数据融合、无线介质的通讯有效能量管理和促进传感节点间的有效合作。
网络管理层简单视为三个平台：能量管理平台、移动管理平台、任务管理平台，主要是用于协调不同层次的功能以求在能耗管理、移动性管理和任务管理方面获得综合考虑的最优设计。
协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，与互联网协议栈的五层协议相对应。
各层协议的功能如下：
Ø 物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术。无线传感网络的传输介质可以是无线、红外或者光介质。在物理层技术选择方面，环境的信号传播特性、物理层技术的能耗时设计的关键问题。
Ø 数据链路层负责数据流的多路复用、数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制。数据链路层保证了传感器网络内点到点和点到多点的连接。其中媒体接入控制协议对传感器网络的性能有较大影响，是保证无线传感器网络高效通信的关键网络协议之一。在无线传感器网络中，介质访问控制MAC层协议主要负责两个职能。一是网络结构的建立。因为成千上万个传感器节点高密度地分布于待测地域，MAC层机制需要为数据传输提供有效的通信链路，并为无线通信的多跳传输和网络的自组织特性提供网络组织结构；二是决定无线信道的使用方式，在传感器节点之间分配有限的无线通信资源。
Ø 网络层主要负责路由生成与路由选择。大量的传感器节点随机地分布在检测区域或附近，所以传感器节点多数使用广播式通信，路由算法也基于广播方式进行优化。此外，与传统的Ad-Hoc网络路由技术相比，无线传感器网络的路由算法在设计时需要特别考虑能耗的问题。传感器网络的网络层设计的设计特色还体现在以数据为中心。在传感器网络中人们只关心某个区域的某个观测指标的值，而不会去关心具体某个节点的观测数据。
Ø 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。
Ø 应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件。
网络管理层各个平台的功能：
．能量管理平台管理传感器节点如何使用能量，综合协调各层、节省能量；
．移动管理平台监测并注册传感器节点的移动，维护到网关节点的路由，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。

(a) (b)
图1-5 传感器网络协议栈
图1-5(b)所示的是协议栈的细化改进模型。其中把定位和时间同步子层在协议栈中的位置显示出来。它们要为网络协议各层提供信息支持，如基于时分复用的MAC协议，基于地理位置的路由协议等很多传感器网络协议都需要定位和同步信息。图(b)中的诸多机制一部分融入到图(a)所示的各层协议中，用以优化和管理协议流程；另一部分独立于协议外层，通过各种收集和配置接口对相应机制进行配置和监控。如：
。能量管理，在图1-5(a)中的每个协议层中都要增加能量控制代码，并提供给操作系统进行能量分配决策。
。QoS(Quality of Service)管理，在各个协议层设计队列管理、优先级机制或者带宽预留等机制，并对特定应用的数据给予特别处理。
。拓扑控制，利用物理层、链路层或者路由层完成拓扑生成，反过来又为它们提供基础信息支持，优化MAC协议和路由协议过程，提高协议效率，减少网络能量消耗。
。网络管理，网络管理是对网络上的设备及传输系统进行有效的监视、控制、诊断和测试所采用的技术和方法。网络管理功能主要是有故障管理、计费管理、配置管理、性能管理和安全管理。
。网络安全：传感器网络多用于军事、商业领域，安全性是其重要的研究内容。由于传感器网络中节点随机部署、网络拓扑的动态性以及信道的不稳定性，使传统的安全机制无法适应。因此需要设计新型的网络安全机制。可借鉴扩频通信、接入认证/鉴权、数据水印、数据加密等技术。
1.2.2 无线传感器网络特征
无线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，但传感器网络中的部分或全部节点可以移动，无线传感器网络的拓扑结构也会随着节点的移动而不断地动态变化。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。虽然传统无线网络与无线传感器网络有相似之处，但是，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；而无线传感器网络的首要设计目标是能源的高效使用，这是无线传感器网络和传统网络最重要的区别之一，也是无线传感器网络的特点之一。
下面归纳出无线传感器网络中几个重要特点：
1) 网络规模大
为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点，传感器节点数量可能达到成千上万，甚至更多。无线传感器网络的大规模性包括两方面的含义：一方面是传感器节点分布在很多的地理区域内，如在原始大森林采用无线传感器网络进行森林防火和环境监测，协议部署大量的传感器节点；另一方面，传感器节点部署很密集，在一个面积不是很大的空间内，密集部署了大量的传感器节点。
2) 自组织，无中心，多跳路由网络
大量传感器节点随机分布在监测区域内部或者附近，在通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方。传感器节点的位置不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预先也不知道。这样就要求传感器节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测设计的多跳无线网络系统，节点协调各自的行为，开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。传感器网络中没有严格的控制中心，所有节点地位平等，是一个对等式网络。网络中节点只能与它的邻居直接通信。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信，则需通过中间节点进行路由。传感器网络的多跳路由是由普通网络节点完成的，没有专门的路由设备。
3) 动态性网络
无线传感器网络中的传感器节点、感知对象和观察者都可能具有移动性，并且经常有新节点加入、己有节点因为环境因素或电池耗尽而失效甚至环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化，时断时通，因此，网络的拓扑结构动态变化。而且网络一旦形成，人们很少干预其运行，加之物理环境不确定性的影响，使整个系统呈现高度的动态性。
4) 可靠的，应用相关的网络
传感器节点往往是随机部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域，其节点可能工作在露天环境中遭受太阳的暴晒或风吹雨淋，甚至遭到无关人员或动物的破坏这些都要求传感器节点非常坚固，不易损坏，适应各种恶劣环境条件以及要防止监测设计被盗取和获取伪造的监测信息。而且无线传感器网络是一个面向具体应用的网络，客观世界的物理信息多种多样，各种应用所关注的网络特性又不尽相同，对于不同的无线传感器网络应用虽然存在一些共性问题，但在开发无线传感器网络应用中，更关心传感器网络的差异。只有让系统更贴近应用，才能做出最高效的目标系统。
5) 以数据为中心的网络
传感器网络的核心是感知数据，观察者感兴趣的是传感器产生的数据，而不是传感器本身。在传统网络中传送的数据是和节点的物理地址联系起来的，在传感器网络中，传感器节点不需要地址之类的标识，以数据为中心的特点要求无线传感器网络能够脱离传统网络的寻址过程，把传感器视为感知数据流或感知数据源，把传感器网络视为感知数据空间或感知数据库，把数据管理和处理作为网络的应用目标。
除了上面这些特点之外，无线传感器网络中节点还具有能量有限、通信能力有限、计算和存储能力比较弱等缺点。
① 电池能量有限
传感器节点体积微小，如智能尘埃（SMART DUST）已达到MM立方级。通常靠自身携带的微型电池供电。传感节点个数多，成本要求低廉，分布区域广阔，而且部署区域环境复杂，所以传感器网络通过更换电池的方式来补充能量是不现实的。如何高效使用能量来最大化网络生命周期是传感器网络面临的首要挑战。传感器节点消耗能量单元包括传感单元、处理单元和通信单元。图1-6所示的是传感器节点能量消耗情况。

图1-6 传感器节点能量消耗图
l 传感器模块
传感器节点上一般带有很多不同类型的传感器，根据不同的应用，一般情况下只关心其中几个传感器的数据，其它的传感器是闲置的，但是它们也消耗能量。所以在硬件设计阶段需要采用硬件方式使闲置的传感器处于断电状态。此外传感器在采集数据时，感应的时间长短不同，传感器所需的能耗也不同；环境的复杂性同样决定了传感器节点感应外部环境信息所需的能耗：在充满噪音的场景下，探测的准确性受到影响，探测所得到的数据其不可靠因素增加，为了获得精确的数据，探测所需的能耗及重复探测的次数加大，因此总体耗能增加。但是从总体上来说，采集数据阶段所消耗的能量要远小于通信所消耗的能量。
l 处理器模块
MCU的选择会对节点的电池消耗带来很大的影响，但是随着低功耗电路和系统设计技术的提高，目前已经开发出了很多超低功耗的微处理器，所以在选择MCU的时候，要选择功耗低的处理器，就会大大降低MCU对传感器节点能量的需求。
l 通信模块
传感器节点最大的能耗源是通信模块。影响无线通信电路功耗的因素很多，包括节点采用的调制模式、数据率、发射功率和操作周期等。通常，无线通信电路可以工作在四种状态，即发送、接收、空闲和睡眠状态。在这四种状态中，模块在空闲状态一直监听无线信道的使用情况，检查是否有数据发送给自己，在睡眠状态则关闭通信模块，由图1-6可以看出，无线通信模块在发送状态的能量消耗最大，在空闲状态和接收状态能耗接近，在睡眠状态能耗是最少的。
② 通信能力有限
无线通信的能量消耗和通信距离的关系为：

其中参数n满足关系2<n<4？
。n的取值与很多因素有关。例如，传感器节点部署靠近地面时，障碍物多干扰大，n的取值就大。天线质量对信号发射耗能也有很大的影响。随着通信距离的增加，能耗将急剧增加。因此，在满足通信连通度的前提下应尽量减少单跳通信距离，一般传感器节点的无线通信半径在100m以内比较合适，但也不是通信半径越小越好，否则将增大路由和转发的能耗。
③ 计算和存储能力有限
传感器节点是一种微型嵌入式设备，要求价格低功耗小，这些限制必然导致它的处理能力比较弱，存储容量比较小。小的存储容量也制约了协议栈容量，对协议栈的大小也提出了严格的要求。为了完成各种任务，传感器节点需要完成监测数据的采集和转换、数据的管理和处理、应答网关节点的侄务请求和节点控制等多种工作。利用有限的计算髑存储资源完成诸多协同任务成为传感器网络设计的挑战。目前大多考虑优化协议栈设计，用支持休眠模式，并采用非常低的占空比(duty-cycle，或称为忙闲度)，在不需要采集和传输数据的时候转入休眠模式，节省能量。
1.3 无线传感网络协议
无线传感网络是一个多学科交叉性研究领域，它的特性决定了它需要开发相应专门的网络协议。常见的网络协议主要包括物理层、数据链路层、网络层和传输层。
1.3.1 物理层
物理层提供了简单而健壮的调制、传输和接收技术。无线传感器网络的载波媒体可以是红外线、激光和无线电波。为了提高网络的环境适应性，所选择的传输媒体应该是在多数地区内都可以使用的。红外线和激光通信都要求发送器和接收器在视线范围之内，这对于节点随机分布的无线电传感器网络来说难以实现。目前多数传感器节点的硬件设计大都基于射频电路，其中的天线设计对节能和传感信息有效性有较大影响。
1.3.2 链路层
在无线传感器网络中，数据链路层负责数据流的多路技术、数据帧探测、介质访问和差错控制，保证可靠的点到点和点到多点通信。介质访问控制(medium access control，MAC)协议实现节点间链路的建立，保证所有的节点可以公平、有效地利用有限的带宽，并尽可能最大的节省能量，它对无线传感器网络的性能有较大影响。因此，在节点密集的无线传感器网络中，MAC的设计是关键。
1.3.2.1 MAC协议设计应考虑因素及设计目标
在无线传感器网络中，一方面节点大都是电池提供能量，通常很难更换电池或对电池进行充电，实际上，在设计节点时都希望制造出来的节点足够小，足够便宜，这样对于能量耗尽的节点就可以直接丢弃；另一方面，由于无线传感器的节点密度高，拓扑变化快，一些节点会随着时间的流逝而失效，或者有节点转移到别的区域，有一些节点也会加入到当前网络中来。所以在设计一个WSN的MAC协议时，应该考虑以下几个方面的因素：
l 节省能量(Energy Emcient)：节省能量是无线传感器网络MAC协议性能指标中最重要的一项指标，每个传感器节点由电池供电，受环境和其它条件的限制，节点的电池能量通常难以进行补充，因此，尽量延长网络节点的生存时间是设计无线传感器网络时需要考虑的一个重要问题。比如让传感器节点尽可能的处于睡眠状态，以减少在通信时的能耗；减少冲突和串音等。
l 可扩展性(Scalability)：可扩展性是指一个MAC协议应该能适应网络大小，网络拓扑，网络节点密度的变化。无线传感器网络是一个动态网络，它的节点在数目和分布密度、位置方面很容易发生变化；或者由于节点能量耗尽或其它原因退出网络运行，以及新节点的加入引起的网络拓扑结构的变化。所以设计MAC协议时也应具有可扩展性，以适应拓扑结构的动态性。
网络其它性能参数：如网络的公平性、实时性、信道利用率，带宽利用率、网络延迟、吞吐量等。
在设计无线传感器网络MAC协议，主要应该考虑到：节省能量、可扩展性、网络的信道利用率、公平性、实时性、延迟、吞吐量等，由于现在的传感器节点的能量供应问题没有得到很好的解决，而且传感器节点的能量都是一次性供给的，节约能量成为传感器网络MAC协议设计首要考虑的因素，其次是可扩展性，其它网络性能指标的重要性就放在比较次要的地位了。
一个好的无线传感器网络MAC协议应该具备好的能源有效性、可扩展性，能够调节好自身去解决面临的网络状况。
1.3.2.2 MAC协议耗能分析
由于能量在无线传感器网络中占有重要地位，因此使得在设计无线传感器网络MAC协议时必须首先将减少能量的消耗放在首位。在无线传感器网络中，人们经过大量实验和理论分析，总结出MAC层可能造成网络能量浪费的主要原因包括如下几方面：
空闲侦听(Idle Listening)：大部分的能量消耗主要是由于空闲侦听所引起的。当网络中的节点不能预知它的邻居节点何时传输数据给自己时，节点的射频模块需要一直保持为接收模式(长时间的保持其接收器处于活动状态)，就造成了节点能量的大