讀書筆記——面向物聯網的感應器網路綜述

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《面向物聯網的感應器網路綜述》 錢志鴻，王義君，電子與資訊學報，2013,1 Vol.35 No.1

1、什麼是無線感應器網路(WSN)，WSN與物聯網的關係？

無線感應器網路是由部署在監測地區內的大量感應器節點，通過無線通訊，形成的多跳自組織網路。

物聯網系統架構由四部分組成：底層網路分布，匯聚網關接入，互連網絡融合以及終端使用者。

關係：無線感應器網路是物聯網底層網路的重要技術形式。

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2、WSN亟待突破的關鍵技術有哪些？

WSN關鍵技術體現在三個方面：資訊採集系統設計、網路服務支援、網路通訊協定設計。

3、資訊採集系統設計中的關鍵技術有哪些？

• WSNs網路模型設計

• 系統平台和作業系統

• 資料存放區方式

• 測試床設計

WSN網路模型：從整體上把握網路面嚮應用的特點，協調網路結構，適應不同應用環境。

主要困境：WSN網路模型支援大範圍的感應器節點布置，但是每個廠商的感應器節點產品在無線通訊模組、微處理器和儲存空間方面不盡相同，對於融合多類型感應器節點到統一的系統平台是一個巨大挑戰。

作業系統，必須支援多種類型的感應器節點，同時做到感知和處理資料的高效性.

WSN儲存資料研究工作集中於：網路外部儲存、本機存放區、以資料為中心的儲存   三個方面

測試床設計：對於研究者在真實實體環境中進行WSNs實驗十分重要。

它可以給研究者提供一個驗證相關協議、演算法和各種網路應用的有效平台。 Idriya、MoteLab就是這種測試床

但是目前對於測試床的設計，並沒有一個統一的標準規範。

4、網路服務支援方面的關鍵技術有哪些？

• 感應器節點的配置、處理和控制

• 資料管理和控制服務

• 網路安全機制

節點配置主要有兩方面的應用：網路覆蓋度 和 定位。

覆蓋度： 對於WSN非常重要，它影響了需要配置的感應器節點的數量，節點的位置，連通性和能量。

定位：位置資訊是感應器節點感知資料過程中不可少的參量，缺少位置資訊的感知資料通常是沒有意義的。

時間同步技術：應用於感應器資料融合、節點資料處理、測量距離、定位等方面。

由於能量限制，傳統網路的同步演算法不適用WSN 。

WSN時間同步演算法，需要從擴充性、穩定性、能量有效和魯棒性等方面綜合考慮。保證最大精度和最小能耗的折中。

目前絕大多數WSNs的相關應用研究，都假設系統時鐘已經同步，然而，在實際應用系統中，時鐘總會存在一定偏差，應用結構必然受到影響。

WSN定位：測距定位演算法、非測距定位演算法

前者定位精度高，但對於硬體要求高，開銷大。 主要有：到達角度(AOA)、到達時間(TOA)、到達時間差(TDOA)、基於訊號接收強度(RSSI)四種方法

後者定位精度比較差，但對於硬體要求低，開銷小。主要有：質心演算法、DV-Hop演算法

目前，前者技術相對成熟，後者還處於理論研究階段。

後者更受關注，因為其在成本、功耗方面的優勢。

網路拓撲覆蓋：在達到網路連通性和覆蓋度的要求下，通過網路內節點選擇策略，避免節點間的冗餘通訊鏈路，形成資料轉寄最佳化的網路結構。

目前主要有兩種方法：層次型拓撲控制 和 功率控制

層次型拓撲控制：採用分簇機制，選擇部分網內節點作為簇頭，由簇前端節點形成資料處理和轉寄的傳輸體系。

功率控制：通過調整網路中節點的發射功率，在網路保證連通的前提下，均衡節點路由鄰居節點數量和網路能量消耗。

現有的演算法通常只是針對網路拓撲的某一方面進行了最佳化和設計，相關研究缺乏系統性。

所以，WSN的拓撲研究還處於理論研究階段，多種拓撲結構結合可能取得良好的效果，可採用啟發學習法或者計算幾何演算法等機制。

資料融合與壓縮

WSN中的資料收集模式有三種：基於查詢的資料收集模式、基於周期彙報的資料收集模式、基於事件彙報的資料收集模式

網路安全機制：

WSN安全性原則包括安全路由、存取控制、入侵檢測、認證和密鑰管理等。

傳統的電腦網路中，主機之間是採用固定網路連接的，採用分層的網路體繫結構。 

由於WSN分散串連，每個節點都可以隨意移動，節點間通過無線通道串連，節點自身充當路由器，致使傳統網路中的安全機制不再適用於WSN。

5、網路通訊協定設計的關鍵技術有哪些？

WSN通訊協定棧的研究重點在 資料連結層、網路層、傳輸層 以及 跨層互動

資料連結層：通過介質存取控制來構建底層基礎結構，控制節點工作模式。

網路層：路由協議決定感知資訊的傳輸路徑。

傳輸層：確保源節點和目的節點處資料的可靠性和高效性。

① IEEE802.15.4/ZigBee協議

IEEE802.15.4標準致力於低速率網路，Zigbee建立在IEEE802.15.4標準之上。

IEEE802.15.4協議規定了網路的物理層和MAC層；

ZigBee協議規定了網路層和應用程式層；

IEEE802.15.4 + ZigBee協議具有組網靈活方便、成本低、能量消耗低等特點，所以WSN通常採用該協議作為無線通訊的標準。

IEEE802.15.4/ZigBee協議的宗旨：在保證資料轉送品質的基礎上達到最小的功率消耗。

如何儘可能地降低網路能量消耗一直是研究人員追求的目標。

對於IEEE802.15.4標準物理層的研究，目前僅僅停留在物理層的低功耗無線電收發器設計或者對物理層的軟體模擬，幾乎沒有對協議改進的研究。

對於IEEE802.15.4標準MAC層的研究，重點是解決隱藏節點，精確同步，競爭管理，非同步喚醒等問題，其核心還是如何節約能量。

對於ZigBee網路層的研究相對較少，沒有形成相對成熟的理論體系，已有的研究局限於對現有協議的分析和完善。幾乎所有的研究都是圍繞節約能量展開的。

對於ZigBee的研究，目前和未來的研究方向將主要集中在進一步降低網路能耗，延長網路壽命等路由演算法方面。

② 6LOWPAN協議

物聯網包含兩層含義：

• 互連網是物聯網的核心和基礎，物聯網必須在互連網的基礎上進行延伸和擴充；

• 終端使用者為所有物品與物品之間，可以進行資訊交換和通訊；

當前階段，物聯網所要解決的關鍵問題之一是底層異構網路語互連網的相互融合。

IEEE802.15.4協議是短距離無線通訊標準，

IPv6是下一代互連網網路層的主導技術，

因此，在IP協議的基礎上實現物聯網底層異構網路與互連網的相互融合是未來無線感應器網路的主要發展方向。

在網路層，未來的研究熱點主要集中在WSN與互連網的無縫串連、路由安全、路由服務品質保證等方面。

附表：WSN關鍵技術 和 WSN面臨的挑戰

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