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無線傳感器網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)論文
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)論文【1】
摘 要 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)與計算機網(wǎng)絡(luò)有著巨大的差異，但是又廣泛的應(yīng)用于現(xiàn)代社會的各行各業(yè)。
現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)并不能滿足WSN的運行，亟待解決各方面的問題。
本文在介紹WSN管理技術(shù)的基礎(chǔ)上，集合WSN自身特性，介紹了現(xiàn)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】無線傳感器 網(wǎng)絡(luò) 管理技術(shù)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(簡稱傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN)由大量的微傳感器構(gòu)成，在傳感器安裝區(qū)域完成信息收集、處理與流通功能，被越來越多的用于交通、醫(yī)療、工業(yè)自動化等智能領(lǐng)域，近年來隨著信息化進(jìn)程的深入和物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的成熟，無線傳感器網(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(yīng)用中、要求部署巨大數(shù)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(tǒng)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，因此近年來傳感器網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)的理論和應(yīng)用研究不斷的取得突破性進(jìn)展。
1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)管理
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與計算機網(wǎng)絡(luò)的不同特點使得傳感器網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)也具有自身特點，具體表現(xiàn)在輕量級、開放性、自治性、高容忍、可伸縮等方面。
1.1 輕量級
由于無線傳感器有很多位傳感器構(gòu)成，其內(nèi)部電量較少、存儲量和通信距離有限。
每個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的輕量級特征。
1.2 開放性
傳感器網(wǎng)絡(luò)有著和計算機網(wǎng)絡(luò)不同的軟、硬件系統(tǒng)和通信協(xié)議，同時不同的應(yīng)用環(huán)境、任務(wù)需求和任務(wù)目標(biāo)也會使傳感器網(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)具有開放性，能夠與其他軟硬件系統(tǒng)無縫聯(lián)通。
1.3 自治性
傳感器網(wǎng)絡(luò)在建設(shè)和使用的過程中，單獨的某個傳感器是隨機布置在某個位置的，如果人工對其進(jìn)行運維，會消耗巨大的人力物力，這就需要傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)滿足其自身智能決策的需求，保證傳感器形成自適應(yīng)的分布式網(wǎng)絡(luò)，無需人工參與即可可靠運行。
1.4 高容忍
無線傳感器的應(yīng)用環(huán)境多種多樣，其低成本特性導(dǎo)致節(jié)點有易損壞、抗干擾弱、穩(wěn)定性差等問題，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?shù)目煽啃浴?/p>
1.5 可伸縮
未來的傳感器網(wǎng)絡(luò)將會覆蓋非常的區(qū)域，數(shù)量差異巨大的傳感器節(jié)點將會上傳巨量的信息，這就要求傳感器網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)在應(yīng)對不同數(shù)量的節(jié)點和信息時具有良好的可伸縮性能。
2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)管理體系
2.1 配置管理功能
通過配置管理功能獲取傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)來控制每個傳感器的配置信息和傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點狀態(tài)及其連接關(guān)系等網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。
通過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;由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的電量、通信、存儲等方面能力有限，配置管理就要在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂坪椭鼐幊碳夹g(shù)中實現(xiàn)。
節(jié)點通信和感知的基礎(chǔ)就是拓?fù)淇刂疲負(fù)淇刂圃赪SN管理中有三個方面：拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)、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(yuǎn)程的軟件升級、任務(wù)下達(dá)和功能再配置的過程。
由于WSN的工作環(huán)境多樣，其性能和功能需求需要動態(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(yīng)的系統(tǒng)配置，這就要求WSN管理系統(tǒng)具有自我重新編程配置功能。
2.2 故障管理功能
WSN大多需要在無人管理的環(huán)境中長時間順利運行，而傳感器的自身質(zhì)量和性能缺陷導(dǎo)致WSN中隨時有可能會有節(jié)點出現(xiàn)故障。
如果傳感器節(jié)點出現(xiàn)故障，將會把采集到的錯誤信息不斷地上傳至網(wǎng)絡(luò)，最終導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)管理出現(xiàn)問題;還有些故障會導(dǎo)致節(jié)點通信受阻，數(shù)據(jù)傳輸終端等問題。
目前，WSN故障管理可分為集中式、分布式、基于移動裝置和層次式集中結(jié)構(gòu)。
集中式結(jié)構(gòu)中的管理者要得到整個網(wǎng)絡(luò)的信息才能進(jìn)行精準(zhǔn)的故障管理，這種管理技術(shù)消耗了節(jié)點的很多能量;分布式管理則有更低的能量消耗，但是會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(jié)構(gòu)，兼顧了二者特點;由于基于移動裝置的結(jié)構(gòu)使用環(huán)境較為特殊，可以預(yù)測分布式和層次式的管理結(jié)構(gòu)是未來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，不會由于設(shè)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合適的技術(shù)和管理措施來確保網(wǎng)絡(luò)資源的基本安全，從而滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)開展的安全需求。
傳感器網(wǎng)絡(luò)不同于傳統(tǒng)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(dǎo)致WSN網(wǎng)絡(luò)完全在密碼算法、數(shù)據(jù)完整性、數(shù)據(jù)保密性、秘鑰管理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)認(rèn)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考察WSN運行情況和通信速度等參數(shù)來對傳感器網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行評估。
性能管理要分析和監(jiān)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(jié)果會觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)的自身診斷機制或引導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)開啟自我重配置等。
WSN包括數(shù)據(jù)收集、分析、上傳等應(yīng)用功能的專門網(wǎng)絡(luò)，其性能管理還會包括以下幾個方面：
(1)使用周期管理，即網(wǎng)絡(luò)部署到網(wǎng)絡(luò)能力耗盡的時間;
(2)數(shù)據(jù)傳輸性能，包括數(shù)據(jù)傳輸可靠性、數(shù)據(jù)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(yīng)用還只是應(yīng)用于專門領(lǐng)域的閉合網(wǎng)絡(luò)，對計費系統(tǒng)的需求沒有很急迫，但是隨著WSN的進(jìn)一步發(fā)展和市場商業(yè)化深入，計費問題將會變得極為關(guān)鍵，并且伴隨而來的數(shù)據(jù)安全、真實、可靠等問題也會越來越多。
3 結(jié)束語
WSN管理技術(shù)和理論還處在初級階段，但是隨著社會需求和相關(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。
在WSN設(shè)計的通用性和有效性問題方面、分布式和層次式結(jié)構(gòu)設(shè)計、主動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和性能的監(jiān)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(yīng)用和發(fā)展。
參考文獻(xiàn)
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無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)【2】
【摘要】 傳感器被越來越多地布置到實際的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，用于實現(xiàn)某些應(yīng)用。
無線傳感器網(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。
通過總結(jié)相關(guān)方面的工作，綜述在不同領(lǐng)域中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實際應(yīng)用，并對具體應(yīng)用的一些重要特性進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上提出若干值得繼續(xù)研究的方面。
【關(guān)鍵詞】 無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用
隨著近距離、低功耗無線通信技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetwork，WSN)應(yīng)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(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，通過大量節(jié)點間的分工協(xié)作，實時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測對象的數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得詳盡而準(zhǔn)確的信息，最終傳送到需要這些信息的用戶。
WSN可廣泛應(yīng)用于國防軍事、國家安全、環(huán)境監(jiān)測、交通管理、醫(yī)療衛(wèi)生、制造業(yè)、反恐抗災(zāi)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(gòu)、商業(yè)界的廣泛關(guān)注和高度重視，具有十分廣闊的應(yīng)用前景，是目前非�；钴S的一個領(lǐng)域。
WSN是在移動AdHoc網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，在自組織的組網(wǎng)方式和多跳通信等方面與移動Adhoc網(wǎng)絡(luò)具有相似性，但WSN在組網(wǎng)方式和具體應(yīng)用上存在一些新的特點，主要表現(xiàn)為：與Adhoc網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的動態(tài)移動相比，WSN的節(jié)點位置相對固定，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋾蚬?jié)點能量耗盡而發(fā)生變化;由于節(jié)點體積較小，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(jié)點間更多的是一種協(xié)作而非競爭的關(guān)系，為了完成共同目標(biāo)而相互協(xié)作;不同節(jié)點采集的數(shù)據(jù)間具有一定相關(guān)性，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)會聚以減小冗余信息的轉(zhuǎn)發(fā)，降低通信負(fù)荷;WSN中的應(yīng)用多為多對一的情形，即存在一個Sink節(jié)點來收集數(shù)據(jù)并與外界通信等等。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新一代的傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有非常廣泛的應(yīng)用前景，其發(fā)展和應(yīng)用，將會給人類的生活和生產(chǎn)的各個領(lǐng)域帶來深遠(yuǎn)影響。
發(fā)達(dá)國家，非常重視無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究和發(fā)展，如美國國防部和各軍事部門都對WSN給予了高度重視，在C4ISR的基礎(chǔ)上提出了C4KISR計劃，強調(diào)戰(zhàn)場情報的感知能力、信息的綜合能力和信息的利用能力，把WSN作為一個重要研究領(lǐng)域，設(shè)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(NSF)2003年制定了WSN的研究計劃，投資3400萬美元，支持相關(guān)基礎(chǔ)理論的研究。
在NSF的推動下，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(gòu)開始了WSN的基礎(chǔ)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(gòu)也紛紛開展了該領(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，也開展了一些感知數(shù)據(jù)查詢處理技術(shù)的研究，取得了一些初步研究結(jié)果。
IEEE正在努力推進(jìn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和發(fā)展，美國的《技術(shù)評論》雜志在論述未來新興十大技術(shù)時，更是將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為第一項未來新興技術(shù)，《商業(yè)周刊》預(yù)測的未來四大新技術(shù)中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也列入其中。
可以預(yù)計，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣泛是一種必然趨勢，它的出現(xiàn)將會給人類社會帶來極大的變革。
一、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成
一個完整的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)主要由傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點、用戶節(jié)點三部
分組成。
大量傳感器節(jié)點被放置在監(jiān)測區(qū)域(云圖包圍部分)，假定傳感器節(jié)點A有監(jiān)測數(shù)據(jù)要上報到用戶節(jié)點，則通過自組織路由協(xié)議建立A，B，C，D之間的無線鏈路，D再通過與之連接的匯聚節(jié)點將數(shù)據(jù)經(jīng)由衛(wèi)星、互聯(lián)網(wǎng)或移動通信網(wǎng)等傳輸網(wǎng)絡(luò)送達(dá)用戶節(jié)點。
由于被監(jiān)測區(qū)域往往不方便建立固定設(shè)施及有線鏈路，因此傳感器節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸通常采取無線方式，而匯聚節(jié)點與用戶節(jié)點之間的傳輸既可采用有線方式，也可采用無線方式。
在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點是整個網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，它們擔(dān)負(fù)著感知數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、存儲數(shù)據(jù)及傳輸數(shù)據(jù)的功能。
傳感器節(jié)點主要由傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)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(tǒng)的支持下完成傳感器節(jié)點的各項功能。
傳感器負(fù)責(zé)各種監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取，將感知對象轉(zhuǎn)變成電信號。
模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將非數(shù)字監(jiān)測信號轉(zhuǎn)變成數(shù)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(shù)轉(zhuǎn)換送來的監(jiān)測數(shù)據(jù)。
通信模塊將計算模塊的處理結(jié)果通過無線方式傳輸?shù)较乱粋�節(jié)點。
二、無線傳感網(wǎng)的熱點研究問題
2.1 安全問題
2.1.1 安全路由
通常，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，大量的傳感器節(jié)點密集分布在一個區(qū)域里，消息可能需要經(jīng)過若干節(jié)點才能到達(dá)目的地，而且傳感器網(wǎng)絡(luò)具有動態(tài)性和多跳結(jié)構(gòu)，要求每個節(jié)點都應(yīng)具有路由功能。
由于每個節(jié)點都是潛在的路由節(jié)點，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)議為整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了關(guān)鍵的路由服務(wù)，安全的路由算法會直接影響無線傳感器網(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(rèn)證、多路徑路由、身份認(rèn)證、雙向連接認(rèn)證和認(rèn)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：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有諸多限制，例如節(jié)點能力限制，使其只能使用對稱密鑰和Hash技術(shù);電源能力限制，應(yīng)使其在無限傳感器網(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(yīng)考慮匯聚等減少數(shù)據(jù)冗余的問題。
在部署節(jié)點前，將密鑰預(yù)先配置在節(jié)點中，通常，預(yù)配置的密鑰方案通過預(yù)存的秘密信息計算會話密鑰，由于節(jié)點存儲和能量的限制，預(yù)配置密鑰管理方案必須考慮節(jié)省存儲空間和減少通信開銷。
2)安全組播：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可能設(shè)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，需要在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)基于源端認(rèn)證的安全組播。
2.2 能量問題
傳感器的節(jié)點分布眾多，并且需要進(jìn)行監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理等活動，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點一般用電池供電，可使用的電量非常有限，并且對于有成千上萬節(jié)點的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，更換電池非常困難，甚至是不可能的，但是卻要求無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存時間長達(dá)數(shù)月甚至數(shù)年，因此，如何在不影響功能的前提下，盡可能節(jié)約無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的電池能量成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟硬件設(shè)計中的核心問題。
現(xiàn)在已有一些解決方法，在大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，由于傳感器節(jié)點監(jiān)測事件的偶發(fā)性，沒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(yīng)的休眠和喚醒，進(jìn)行突發(fā)工作，節(jié)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(jié)點能根據(jù)需要在不同狀態(tài)間切換，這樣既可以滿足系統(tǒng)需要，又節(jié)省了能源。
還可以動態(tài)調(diào)節(jié)電壓以節(jié)省能量，根據(jù)負(fù)載狀態(tài)動態(tài)調(diào)節(jié)供電電壓，形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，節(jié)省能量。
總之，在滿足系統(tǒng)要求的情況下，采用各種方法降低耗電量非常必要。
三、總結(jié)
本文總結(jié)了當(dāng)前制約無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實際應(yīng)用的因素及目前的研究熱點。
無線傳感網(wǎng)絡(luò)最終將成為聯(lián)系信息世界和客觀物理實際的接口，從而人類可以通過傳感器網(wǎng)絡(luò)獲得客觀物理世界的信息并采取相應(yīng)措施。
參考文獻(xiàn)
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