無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )管理技術(shù)論文
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )管理技術(shù)論文【1】
摘 要 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(WSN)與計算機網(wǎng)絡(luò )有著(zhù)巨大的差異，但是又廣泛的應用于現代社會(huì )的各行各業(yè)。
現有的網(wǎng)絡(luò )管理技術(shù)并不能滿(mǎn)足WSN的運行，亟待解決各方面的問(wèn)題。
本文在介紹WSN管理技術(shù)的基礎上，集合WSN自身特性，介紹了現有的WSN管理技術(shù)需要具備的技術(shù)性能。
希望能夠為WSN管理技術(shù)發(fā)展提供一定的啟發(fā)。
【關(guān)鍵詞】無(wú)線(xiàn)傳感器 網(wǎng)絡(luò ) 管理技術(shù)
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(簡(jiǎn)稱(chēng)傳感器網(wǎng)絡(luò )WSN)由大量的微傳感器構成，在傳感器安裝區域完成信息收集、處理與流通功能，被越來(lái)越多的用于交通、醫療、工業(yè)自動(dòng)化等智能領(lǐng)域，近年來(lái)隨著(zhù)信息化進(jìn)程的深入和物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的成熟，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的技術(shù)研究也突飛猛進(jìn);和普通計算機網(wǎng)絡(luò )不同，傳感器網(wǎng)絡(luò )被用于特定的應用中、要求部署巨大數量的微傳感器等特征，這就需要傳感器網(wǎng)絡(luò )的管理技術(shù)具有高效、靈活、安全的特性，傳統計算機網(wǎng)絡(luò )的管理技術(shù)不再適用于傳感器網(wǎng)絡(luò )管理，因此近年來(lái)傳感器網(wǎng)絡(luò )管理技術(shù)的理論和應用研究不斷的取得突破性進(jìn)展。
1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )管理
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )與計算機網(wǎng)絡(luò )的不同特點(diǎn)使得傳感器網(wǎng)絡(luò )管理技術(shù)也具有自身特點(diǎn)，具體表現在輕量級、開(kāi)放性、自治性、高容忍、可伸縮等方面。
1.1 輕量級
由于無(wú)線(xiàn)傳感器有很多位傳感器構成，其內部電量較少、存儲量和通信距離有限。
每個(gè)傳感器的體積都比較小、電池更換困難、成本和功耗較低、計算和存儲能力較弱，這就使得傳感器網(wǎng)絡(luò )管理技術(shù)也要具備符合上述特點(diǎn)的輕量級特征。
1.2 開(kāi)放性
傳感器網(wǎng)絡(luò )有著(zhù)和計算機網(wǎng)絡(luò )不同的軟、硬件系統和通信協(xié)議，同時(shí)不同的應用環(huán)境、任務(wù)需求和任務(wù)目標也會(huì )使傳感器網(wǎng)絡(luò )有巨大差異;為了保證傳感器網(wǎng)絡(luò )與互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )的相互連通，就要保證傳感器網(wǎng)絡(luò )管理技術(shù)具有開(kāi)放性，能夠與其他軟硬件系統無(wú)縫聯(lián)通。
1.3 自治性
傳感器網(wǎng)絡(luò )在建設和使用的過(guò)程中，單獨的某個(gè)傳感器是隨機布置在某個(gè)位置的，如果人工對其進(jìn)行運維，會(huì )消耗巨大的人力物力，這就需要傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)滿(mǎn)足其自身智能決策的需求，保證傳感器形成自適應的分布式網(wǎng)絡(luò )，無(wú)需人工參與即可可靠運行。
1.4 高容忍
無(wú)線(xiàn)傳感器的應用環(huán)境多種多樣，其低成本特性導致節點(diǎn)有易損壞、抗干擾弱、穩定性差等問(wèn)題，這就要求傳感器網(wǎng)絡(luò )管理技術(shù)能夠識別和容忍這種故障，并且保證網(wǎng)絡(luò )信息感知和傳輸的可靠性。
1.5 可伸縮
未來(lái)的傳感器網(wǎng)絡(luò )將會(huì )覆蓋非常的區域，數量差異巨大的傳感器節點(diǎn)將會(huì )上傳巨量的信息，這就要求傳感器網(wǎng)絡(luò )管理技術(shù)在應對不同數量的節點(diǎn)和信息時(shí)具有良好的可伸縮性能。
2 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )管理體系
2.1 配置管理功能
通過(guò)配置管理功能獲取傳感器網(wǎng)絡(luò )中的數據，并通過(guò)數據來(lái)控制每個(gè)傳感器的配置信息和傳感器網(wǎng)絡(luò )內的節點(diǎn)狀態(tài)及其連接關(guān)系等網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)。
通過(guò)配置管理功能可以讓網(wǎng)絡(luò )管理員對傳感器網(wǎng)絡(luò )的控制變得更強;由于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的電量、通信、存儲等方面能力有限，配置管理就要在網(wǎng)絡(luò )拓撲控制和重編程技術(shù)中實(shí)現。
節點(diǎn)通信和感知的基礎就是拓撲控制，拓撲控制在WSN管理中有三個(gè)方面：拓撲發(fā)現、成簇管理和睡眠周期管理。
WSN重編程技術(shù)，WSN首次配置完成后對網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行遠程的軟件升級、任務(wù)下達和功能再配置的過(guò)程。
由于WSN的工作環(huán)境多樣，其性能和功能需求需要動(dòng)態(tài)變化，不能可能事先生成其所有可能需要的運行條件和對應的系統配置，這就要求WSN管理系統具有自我重新編程配置功能。
2.2 故障管理功能
WSN大多需要在無(wú)人管理的環(huán)境中長(cháng)時(shí)間順利運行，而傳感器的自身質(zhì)量和性能缺陷導致WSN中隨時(shí)有可能會(huì )有節點(diǎn)出現故障。
如果傳感器節點(diǎn)出現故障，將會(huì )把采集到的錯誤信息不斷地上傳至網(wǎng)絡(luò )，最終導致網(wǎng)絡(luò )管理出現問(wèn)題;還有些故障會(huì )導致節點(diǎn)通信受阻，數據傳輸終端等問(wèn)題。
目前，WSN故障管理可分為集中式、分布式、基于移動(dòng)裝置和層次式集中結構。
集中式結構中的管理者要得到整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的信息才能進(jìn)行精準的故障管理，這種管理技術(shù)消耗了節點(diǎn)的很多能量;分布式管理則有更低的能量消耗，但是會(huì )消耗較多的存儲空降;層次式則是集中式和分布式的混合結構，兼顧了二者特點(diǎn);由于基于移動(dòng)裝置的結構使用環(huán)境較為特殊，可以預測分布式和層次式的管理結構是未來(lái)WSN故障管理的發(fā)展方向。
2.3 安全管理功能
安全管理指的是通過(guò)安全管理和技術(shù)手段，保障WSN資源的保密、完整、可用性等，不會(huì )由于設備、通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò )管理或者環(huán)境因素受到破壞。
安全管理的基本原則就是通過(guò)合適的技術(shù)和管理措施來(lái)確保網(wǎng)絡(luò )資源的基本安全，從而滿(mǎn)足傳感器網(wǎng)絡(luò )開(kāi)展的安全需求。
傳感器網(wǎng)絡(luò )不同于傳統網(wǎng)絡(luò )，但又需要參考普通網(wǎng)絡(luò )的安全管理經(jīng)驗，這就導致WSN網(wǎng)絡(luò )完全在密碼算法、數據完整性、數據保密性、秘鑰管理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )認證等方面存在不可忽視的技術(shù)難題需要突破。
2.4 性能管理功能
性能管理功能即通過(guò)考察WSN運行情況和通信速度等參數來(lái)對傳感器網(wǎng)絡(luò )性能進(jìn)行評估。
性能管理要分析和監視網(wǎng)絡(luò )及網(wǎng)絡(luò )提供的功能是否順利運行，其分析結果會(huì )觸發(fā)網(wǎng)絡(luò )的自身診斷機制或引導網(wǎng)絡(luò )開(kāi)啟自我重配置等。
WSN包括數據收集、分析、上傳等應用功能的專(zhuān)門(mén)網(wǎng)絡(luò )，其性能管理還會(huì )包括以下幾個(gè)方面：
(1)使用周期管理，即網(wǎng)絡(luò )部署到網(wǎng)絡(luò )能力耗盡的時(shí)間;
(2)數據傳輸性能，包括數據傳輸可靠性、數據傳輸速度等;
(3)上述性能，才能更好的完成性能管理，促進(jìn)WSN網(wǎng)絡(luò )的高效運行。
2.5 計費管理功能
目前，WSN的應用還只是應用于專(zhuān)門(mén)領(lǐng)域的閉合網(wǎng)絡(luò )，對計費系統的需求沒(méi)有很急迫，但是隨著(zhù)WSN的進(jìn)一步發(fā)展和市場(chǎng)商業(yè)化深入，計費問(wèn)題將會(huì )變得極為關(guān)鍵，并且伴隨而來(lái)的數據安全、真實(shí)、可靠等問(wèn)題也會(huì )越來(lái)越多。
3 結束語(yǔ)
WSN管理技術(shù)和理論還處在初級階段，但是隨著(zhù)社會(huì )需求和相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，WSN技術(shù)及其相關(guān)研究必將成為熱點(diǎn)。
在WSN設計的通用性和有效性問(wèn)題方面、分布式和層次式結構設計、主動(dòng)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)和性能的監測與優(yōu)化等方面都需要進(jìn)一步深入研究，對新技術(shù)進(jìn)行推廣，促進(jìn)WSN技術(shù)的應用和發(fā)展。
參考文獻
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無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)【2】
【摘要】 傳感器被越來(lái)越多地布置到實(shí)際的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境中，用于實(shí)現某些應用。
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )已經(jīng)成為了科學(xué)研究領(lǐng)域最前沿的課題之一，引起了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界眾多研究者的關(guān)注。
通過(guò)總結相關(guān)方面的工作，綜述在不同領(lǐng)域中無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的實(shí)際應用，并對具體應用的一些重要特性進(jìn)行分析，在此基礎上提出若干值得繼續研究的方面。
【關(guān)鍵詞】 無(wú)線(xiàn)傳感器 網(wǎng)絡(luò )應用
隨著(zhù)近距離、低功耗無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(WirelessSensorNetwork，WSN)應運而生。
WSN是由具有感知、計算和通信能力的微型傳感器以Adhoc方式構成的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)大量節點(diǎn)間的分工協(xié)作，實(shí)時(shí)監測、感知和采集網(wǎng)絡(luò )分布區域內的各種環(huán)境或監測對象的數據，并對這些數據進(jìn)行處理，獲得詳盡而準確的信息，最終傳送到需要這些信息的用戶(hù)。
WSN可廣泛應用于國防軍事、國家安全、環(huán)境監測、交通管理、醫療衛生、制造業(yè)、反恐抗災乃至商業(yè)和家庭等諸多領(lǐng)域，正受到政府、軍隊、研究機構、商業(yè)界的廣泛關(guān)注和高度重視，具有十分廣闊的應用前景，是目前非�；钴S的一個(gè)領(lǐng)域。
WSN是在移動(dòng)AdHoc網(wǎng)絡(luò )的基礎上發(fā)展起來(lái)的，在自組織的組網(wǎng)方式和多跳通信等方面與移動(dòng)Adhoc網(wǎng)絡(luò )具有相似性，但WSN在組網(wǎng)方式和具體應用上存在一些新的特點(diǎn)，主要表現為：與Adhoc網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)的動(dòng)態(tài)移動(dòng)相比，WSN的節點(diǎn)位置相對固定，網(wǎng)絡(luò )拓撲會(huì )因節點(diǎn)能量耗盡而發(fā)生變化;由于節點(diǎn)體積較小，傳感器網(wǎng)絡(luò )具有許多資源上的限制，比如有限的電池功率和有限的網(wǎng)絡(luò )通信帶寬等。
傳感器節點(diǎn)間更多的是一種協(xié)作而非競爭的關(guān)系，為了完成共同目標而相互協(xié)作;不同節點(diǎn)采集的數據間具有一定相關(guān)性，需要進(jìn)行數據會(huì )聚以減小冗余信息的轉發(fā)，降低通信負荷;WSN中的應用多為多對一的情形，即存在一個(gè)Sink節點(diǎn)來(lái)收集數據并與外界通信等等。
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是新一代的傳感器網(wǎng)絡(luò )，具有非常廣泛的應用前景，其發(fā)展和應用，將會(huì )給人類(lèi)的生活和生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)深遠影響。
發(fā)達國家，非常重視無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的研究和發(fā)展，如美國國防部和各軍事部門(mén)都對WSN給予了高度重視，在C4ISR的基礎上提出了C4KISR計劃，強調戰場(chǎng)情報的感知能力、信息的綜合能力和信息的利用能力，把WSN作為一個(gè)重要研究領(lǐng)域，設立了一系列的軍事傳感器網(wǎng)絡(luò )研究項目。
美國自然科學(xué)基金委員會(huì )(NSF)2003年制定了WSN的研究計劃，投資3400萬(wàn)美元，支持相關(guān)基礎理論的研究。
在NSF的推動(dòng)下，美國的加州大學(xué)伯克利分校、麻省理工學(xué)院、洛克維爾研究中心、加州大學(xué)洛杉磯分校等機構開(kāi)始了WSN的基礎理論和關(guān)鍵技術(shù)的研究。
英國、日本、意大利等國家的一些大學(xué)和研究機構也紛紛開(kāi)展了該領(lǐng)域的研究工作。
學(xué)術(shù)界的研究主要集中在傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和通信協(xié)議的研究上，也開(kāi)展了一些感知數據查詢(xún)處理技術(shù)的研究，取得了一些初步研究結果。
IEEE正在努力推進(jìn)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的應用和發(fā)展，美國的《技術(shù)評論》雜志在論述未來(lái)新興十大技術(shù)時(shí)，更是將無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )列為第一項未來(lái)新興技術(shù)，《商業(yè)周刊》預測的未來(lái)四大新技術(shù)中，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )也列入其中。
可以預計，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的廣泛是一種必然趨勢，它的出現將會(huì )給人類(lèi)社會(huì )帶來(lái)極大的變革。
一、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的組成
一個(gè)完整的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的體系結構主要由傳感器節點(diǎn)、匯聚節點(diǎn)、用戶(hù)節點(diǎn)三部
分組成。
大量傳感器節點(diǎn)被放置在監測區域(云圖包圍部分)，假定傳感器節點(diǎn)A有監測數據要上報到用戶(hù)節點(diǎn)，則通過(guò)自組織路由協(xié)議建立A，B，C，D之間的無(wú)線(xiàn)鏈路，D再通過(guò)與之連接的匯聚節點(diǎn)將數據經(jīng)由衛星、互聯(lián)網(wǎng)或移動(dòng)通信網(wǎng)等傳輸網(wǎng)絡(luò )送達用戶(hù)節點(diǎn)。
由于被監測區域往往不方便建立固定設施及有線(xiàn)鏈路，因此傳感器節點(diǎn)之間的數據傳輸通常采取無(wú)線(xiàn)方式，而匯聚節點(diǎn)與用戶(hù)節點(diǎn)之間的傳輸既可采用有線(xiàn)方式，也可采用無(wú)線(xiàn)方式。
在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，傳感器節點(diǎn)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的基礎，它們擔負著(zhù)感知數據、處理數據、存儲數據及傳輸數據的功能。
傳感器節點(diǎn)主要由傳感器、模數轉換模塊、計算模塊、存儲模塊、通信模塊、電源模塊幾部分組成，并在嵌人式軟件系統的支持下完成傳感器節點(diǎn)的各項功能。
傳感器負責各種監測數據的獲取，將感知對象轉變成電信號。
模數轉換模塊將非數字監測信號轉變成數字信號，方便后期處理。
計算模塊和存儲模塊主要處理傳感器和模數轉換送來(lái)的監測數據。
通信模塊將計算模塊的處理結果通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式傳輸到下一個(gè)節點(diǎn)。
二、無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)的熱點(diǎn)研究問(wèn)題
2.1 安全問(wèn)題
2.1.1 安全路由
通常，在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，大量的傳感器節點(diǎn)密集分布在一個(gè)區域里，消息可能需要經(jīng)過(guò)若干節點(diǎn)才能到達目的地，而且傳感器網(wǎng)絡(luò )具有動(dòng)態(tài)性和多跳結構，要求每個(gè)節點(diǎn)都應具有路由功能。
由于每個(gè)節點(diǎn)都是潛在的路由節點(diǎn)，因此更易受到攻擊，使網(wǎng)絡(luò )不安全。
網(wǎng)絡(luò )層路由協(xié)議為整個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )提供了關(guān)鍵的路由服務(wù)，安全的路由算法會(huì )直接影響無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的安全性和可用性。
安全路由協(xié)議一般采用鏈路層加密和認證、多路徑路由、身份認證、雙向連接認證和認證廣播等機制，有效提高網(wǎng)絡(luò )抵御外部攻擊的能力，增強路由的安全性。
2.1.2 安全協(xié)議
在安全保障方面主要有密鑰管理和安全組播兩種方式。
1)密鑰管理：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )有諸多限制，例如節點(diǎn)能力限制，使其只能使用對稱(chēng)密鑰和Hash技術(shù);電源能力限制，應使其在無(wú)限傳感器網(wǎng)絡(luò )中盡量減少通信，因為通信的耗電將大于計算的耗電;傳感器網(wǎng)絡(luò )還應考慮匯聚等減少數據冗余的問(wèn)題。
在部署節點(diǎn)前，將密鑰預先配置在節點(diǎn)中，通常，預配置的密鑰方案通過(guò)預存的秘密信息計算會(huì )話(huà)密鑰，由于節點(diǎn)存儲和能量的限制，預配置密鑰管理方案必須考慮節省存儲空間和減少通信開(kāi)銷(xiāo)。
2)安全組播：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )可能設置在敵對環(huán)境中，為了防止供給者向網(wǎng)絡(luò )注入偽造信息，需要在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中實(shí)現基于源端認證的安全組播。
2.2 能量問(wèn)題
傳感器的節點(diǎn)分布眾多，并且需要進(jìn)行監測、數據處理等活動(dòng)，而無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)一般用電池供電，可使用的電量非常有限，并且對于有成千上萬(wàn)節點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )來(lái)說(shuō)，更換電池非常困難，甚至是不可能的，但是卻要求無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的生存時(shí)間長(cháng)達數月甚至數年，因此，如何在不影響功能的前提下，盡可能節約無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的電池能量成為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )軟硬件設計中的核心問(wèn)題。
現在已有一些解決方法，在大多數網(wǎng)絡(luò )應用中，由于傳感器節點(diǎn)監測事件的偶發(fā)性，沒(méi)有必要讓所有單元均工作在正常狀態(tài)下，可采用休眠模式，能自適應的休眠和喚醒，進(jìn)行突發(fā)工作，節省能量。
還可將所有功耗單元有機組合，形成不同狀態(tài)，讓傳感器節點(diǎn)能根據需要在不同狀態(tài)間切換，這樣既可以滿(mǎn)足系統需要，又節省了能源。
還可以動(dòng)態(tài)調節電壓以節省能量，根據負載狀態(tài)動(dòng)態(tài)調節供電電壓，形成一個(gè)閉環(huán)控制系統，節省能量。
總之，在滿(mǎn)足系統要求的情況下，采用各種方法降低耗電量非常必要。
三、總結
本文總結了當前制約無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )實(shí)際應用的因素及目前的研究熱點(diǎn)。
無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )最終將成為聯(lián)系信息世界和客觀(guān)物理實(shí)際的接口，從而人類(lèi)可以通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò )獲得客觀(guān)物理世界的信息并采取相應措施。
參考文獻
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