無線傳感器和無線傳感器網絡
背景
因為超大規模集成電路 (VLSI) 以及微機電系統科技 (MEMS technology) 等硬件基礎以及radio frequency (RF) 技術的進步，使得傳感器的發展越來越快
傳感器具有的優勢：
- 可以放置在任何環境：任何時間都可以工作，並且不需要太多的人力來進行管理。
- 具有更好的容錯能力：局部出現故障仍然能較好的完成工作。
- 獲取的數據更精確：通過多個傳感器獲取的信息更加可靠準確。
- 成本低以及容易部署。
根據8月份國外媒體最新的報道，目前全球傳感器大約有2.6萬余種類型。隨著人工智能技術的發展，傳感器應用也正在不斷普及，同時高端傳感器的需求也持續提升。2018 年，《麻省理工科技評論》全球十大突破性技術榜單中將"傳感城市"(Sensing city)列入其中，這揭示了今後幾年傳感器技術的發展潮流。
無線傳感器網絡的組成和結構
常見傳感器的分類
傳感器在現實生活中隨處可見，如各種可穿戴設備、無線通信設備、智能控制設備等，很多常用的電子器件一般包含多種傳感器，比如一些高端手機已經集成了超過15種傳感器，而且這一數字還會增加，一輛普通家用轎車上大約會安裝幾十到近百只傳感器，豪華轎車傳感器的數量可多達200余只，種類達幾十種。
按功能可以將傳感器劃分為：電傳感器、磁傳感器、位移傳感器、壓力傳感器、振動傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、流量傳感器、流速傳感器、溫度傳感器、光傳感器、射線傳感器、分析傳感器、仿生傳感器、氣體傳感器、離子傳感器等．
一些新型傳感器：紅外傳感器、激光傳感器、光纖傳感器、溫濕度傳感器、紫外線傳感器、機器人傳感器、智能傳感器、數字傳感器。
無線傳感器的組成
傳感器最初是從有線傳感器發展到今天的無線傳感器，無線傳感器是傳感器中非常常見的一類。
雖然無線傳感器的種類也非常多，但是它們絕大部分都包含以下模塊：
- 感知模塊：主要由熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等敏感元件組成，用於記錄被監控目標的一些物理學參數。
- 信息處理模塊：處理模塊由嵌入式系統構成，用於處理存儲感知模塊采集的數據以及其他節點發過來的數據，並負責協調傳感器節點各部分的工作，處理模塊還具有控制電源工作模式的功能，實現節能。
- 無線通信模塊：(傳統有線傳感器和無線傳感器的最本質區別)無線通信模塊的基本功能是將處理器輸出的數據通過無線信道以及傳輸網絡傳送給其他節點。
- 能量供應模塊：為其他三個模塊的工作提供能量。
無線傳感器網絡的組成
多個功能節點之間通過無線通信形成一個連接的網絡，這個網絡我們稱為無線傳感器網絡。
無線傳感器網絡中主要包含兩類節點：
- 傳感器節點：具有感知和通信功能的節點，在傳感器網絡中負責監控目標區域並獲取數據，以及完成與其他傳感器節點的通信，能夠對數據進行簡單的處理。
- Sink節點：又稱為基站節點，負責匯總由傳感器節點發送過來的數據，並作進一步數據融合以及其他操作，最終把處理好的數據上傳至互聯網。
| 特點 | 傳感器節點 | sink節點 |
|---|---|---|
| 計算能力 | 非常有限 | 能力強 |
| 存儲空間 | 非常有限 | 充足 |
| 安全性 | 低 | 高 |
| 電量 | 非常有限 | 充足 |
| 成本 | 低廉 | 昂貴 |
| 部署 | 大範圍部署 | 部署數目受成本限制 |
無線傳感器網絡的拓撲結構
三種常見拓撲結構
- 星型拓撲：具有組網簡單、成本低；但網絡覆蓋範圍小，一旦sink節點發生故障，所有與sink節點連接的傳感器節點與網絡中心的通信都將中斷。星形拓撲結構組網時，電池的使用壽命較長。
- 網狀拓撲：具有組網可靠性高、覆蓋範圍大的優點，但電池使用壽命短、管理復雜。
- 樹狀拓撲：具有星形和網狀拓撲的一些特點，既保證了網絡覆蓋範圍大，同時又不至於電池使用壽命過短，更加靈活、高效。
無線傳感器網絡的特點
無線傳感器網絡基本特點
無線傳感器網絡具有以下特點
- 自組織方式組網：組網不依賴任何固定的網絡設施，傳感器節點通過分布式網絡協議形成自組織網絡，能夠自動調整來適應節點的移動、加入和退出。因為傳感器的維護成本很高，所以需要具備自我管理能力 (self-managed, including self-organizing, self-healing, self-optimizing, self-protecting, self-sustaining, self-diagnostic) 。
- 無中心結構：網絡中所有傳感器節點地位對等，並構成一個對等式網絡。節點可以隨時加入和離開網絡，網絡中部分節點發生故障不影響整個網絡的運行。
- 網絡有動態拓撲：無線傳感器網絡中的節點可能由於電池能量耗盡或者故障而從網絡中退出，也可能是按照某種設定的程序從網絡中退出（比如說休眠）；網絡外的節點可隨時加入網絡中。
- 采用多跳路由通信：覆蓋同樣大小的區域單跳路由消耗的能量遠遠超過了多跳路由，所以絕大部分傳感器網絡采用多跳路由，不過多跳路由也會導致數據傳輸出現延遲、復雜的路由計算等新問題產生。
- 高冗余：由於大型的傳感器網絡的節點數量眾多，傳感器節點之間距離不能太大，所以采集的數據具有冗余特性。
- 硬件資源及功能有限：無線傳感器節點由於受價格、體積和攜載能源的限制，其計算能力、數據處理能力、存儲空間有限，決定了在節點操作系統的設計中，協議層次內容不能過於復雜。
- 電源續航能力較小：網絡節點有電池供電，電池續航能力小，在許多應用場景中無法更換電池。傳感器節點電能用完，該節點就失去了作用，所以在設計傳感器網絡時需要考慮節能。
無線傳感器網絡設計的目標
目標一：提高性能
對傳感器網絡來說什麽是性能？有很多指標可以用來評估傳感器網絡的性能情況，其中主要有：
- Energy efficiency/system lifetime（能源效率/系統生命周期）：傳感器是電池驅動的，因此能源是一種非常稀缺的資源，為了延長網絡的壽命，必須明智地管理能源[1]。
- Latency（延遲）：許多傳感器應用程序需要低延遲才能保證服務，所以協議必須確保感知到的數據將在一定的延遲內交付給用戶。
- Fault tolerance（容錯）：傳感器和鏈路故障的魯棒性必須要通過冗余和協同處理以及通信來實現。
- Scalability（可擴展性）：由於傳感器網絡可能包含數千個節點，因此可伸縮性是一個關鍵因素，它保證了網絡性能不會隨著網絡大小(或節點密度)的增加而顯著下降。
- Transport capacity/throughput（通信能力/吞吐量）：由於大多數傳感器數據必須傳送到單個基站或融合中心，因此傳感器網絡中存在一個關鍵區域（或者節點），這些區域必須中繼網絡中幾乎所有節點生成的數據。因此，即使在平均通信率較低的情況下，這些關鍵節點上的通信量也很大。顯然，這一領域對系統生命周期、數據包的端到端延遲和可伸縮性有至關重要的影響。
目標二：節約能源
哪些設計和措施可以節約能源？
- 進行數據壓縮，以減少要傳輸的數據包數量：因為對傳感器網絡來說，絕大部分能量消耗在無線通信模塊，數據包傳輸前進行壓縮可以大大減少通信過程中的能量消耗。
- 去除中心化，利用分布式處理數據的方法：因為傳感器上傳給中心節點的數據存在大量冗余信息，如果將所有的計算都集中在中心節點，將給中心節點帶來較大負荷以及不必要的能源浪費，可以考慮將一部分計算任務分配給傳感器節點。
- 引入傳感器睡眠機制減少電量消耗：為了防止傳感器節點在接收意外數據包時浪費能量，可以考慮睡眠機制。例如，通過協調策略來決定哪些節點應該進入休眠狀態。
- 路由策略：最簡單的節能路由協議是最少能量路由，即尋找一條能耗最低的路由，通過它傳送數據。但這樣未必能延長網絡的生存時間，因為某些處於關鍵位置的節點可能被過度使用而導致電源過早耗盡。最大最小路由更多的考慮了電池的剩余電量，而最少能量路由考慮的是某次通信需要消耗的電量，一個很自然的改進思路是可以將兩種方法結合起來，定義一個電源開銷函數，綜合考慮兩種策略。
- 拓撲管理：無線傳感器網絡部署中，節點密度都比較高，因為提高節點密度可以提高結果的精確度，但如果系統生存時間更重要的話，就可以對網絡拓撲進行管理。如果硬件支持可變發射功率的話，采用低的發射功率也能夠降低網絡電源開銷，同時緩解共享空間信道的競爭，提高網絡容量。
目標三：保證安全
導致無線傳感器網絡不安全的原因[2]：
- 資源非常有限：有限的內存和存儲空間、能量有限、計算能力有限等，這些局限性使得一些較成熟的安全方法無法在傳感器網絡上實行。
- 不可靠的通信：信道的暴露使得數據包在傳輸過程不可靠，而且傳輸過程容易發生數據包沖突、延遲等問題。
- 無人管理：傳感器網絡在野外無人區域容易遭受物理攻擊，此外通過遠程管理方式無法檢測到物理篡改等。
無線傳感器網絡安全的要求：
- 數據機密性：傳感器節點不能向鄰居節點泄露敏感參數；通信的信道必須保證安全可靠；加密的算法要安全可靠。
- 數據完整性：因為在通信過程中，篡改數據包會導致惡劣的通信環境，所以需要保證數據包在發送過程中難以被篡改。
- 數據的新鮮性：數據包要保證是最新的，防止舊消息被重播。
- 可用性：一些傳統的安全算法需要在修改後才能應用在無線傳感器網絡，其中一些算法在應用時也會帶來更多的開銷等問題，導致這些算法在實際中不實用。
- 身份認證：因為攻擊者不僅能篡改數據包還可能註入附加數據包，所以需要確保數據的來源正確，需要對數據的來源進行驗證。
[1] A. Ephremides, “Energy concerns in wireless networks,” IEEE Wireless Communications, vol. 9, no. 4, pp. 48–59, 2002.
[2] J. P. Walters, Z. Liang, W. Shi, and V. Chaudhary, “Wireless sensor network security: A survey,” Security in distributed, grid, mobile, and pervasive computing, vol. 1, p. 367, 2007.
無線傳感器和無線傳感器網絡