无线传感器网络综述.pdf

### 无线传感器网络（WSN）关键技术与应用 #### 一、引言 近年来，随着传感器技术、计算机技术、无线通信技术以及微机电系统技术的迅速发展与融合，无线传感器网络（Wireless Sensor Network，简称WSN）作为一种新兴的信息获取与处理技术逐渐成为研究热点。WSN综合了嵌入式计算技术、传感器技术、分布式信息处理技术以及通信技术等多种先进技术，能够在没有固定基础设施的情况下协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内不同监测对象的信息。因其独特的技术和应用特性，WSN被广泛应用于国防军事、智能建筑、国家安全、环境监测、医疗卫生以及智能家居等多个领域。 #### 二、无线传感器网络的特点 ##### 1. 硬件资源有限 WSN节点由于受到价格、体积、功耗等因素的限制，其信号处理能力和计算能力相对较弱。相比于普通计算机，WSN节点的功能较弱，在程序空间和内存空间上也存在一定的限制。 ##### 2. 电源容量有限 WSN节点通常由电池供电，且电池能量有限。由于部署环境的特殊性（如恶劣环境或无人区域），电池无法得到及时更换或充电，这导致了电源容量成为限制WSN长期稳定运行的关键因素之一。 ##### 3. 无中心 WSN中不存在严格的中心节点，所有节点的地位平等，形成一个对等式网络。每个节点仅知道其邻近节点的位置及相关标识，通过节点间的相互协作进行信号处理和通信。 ##### 4. 自组织 WSN不需要依赖于任何预设的网络设备，节点可以通过分层协议和分布式算法协调各自的监控行为，实现自组织。一旦开机，节点就能快速、自动地组成独立的无线网络。 ##### 5. 多跳路由 在WSN中，节点只能与其邻近节点直接通信，若需与覆盖范围外的节点通信，则需通过中间节点进行路由。这种多跳路由机制是由普通网络节点而非专用路由设备来完成的。 ##### 6. 动态拓扑 WSN具有动态的网络拓扑结构。节点可能因移动、电池耗尽或其他故障而退出网络，也可能有新的节点加入网络，这些变化会导致网络拓扑的变化。 ##### 7. 节点数量多，分布密集 为了有效监测某一区域，通常需要大量的传感器节点被密集部署于该区域。这种高密度的节点分布有助于提高系统的抗毁性和容错性。 #### 三、无线传感器网络协议栈 WSN协议栈主要包括五个层次：物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，与传统的互联网协议栈相对应。 ##### 1. 物理层 物理层主要负责数据的采集、采样、信号的发送与接收以及信号的调制解调等工作。在WSN中，物理层的一个主要挑战是建立有效的数据加密机制。传统的对称加密算法在WSN中的应用受到限制，因此，如何高效地使用公钥算法成为亟待解决的问题之一。 ##### 2. 数据链路层 数据链路层主要负责建立网络节点之间的可靠通信链路，为邻居节点提供可靠的通信通道。这一层通常由介质访问控制层组成，通过载波监听等方式来避免信道冲突，并使用特定算法确定重传数据的时间。 ##### 3. 网络层 网络层的主要任务是发现和维护路由信息，确保数据包能够正确地从源节点传递到目的节点。此外，网络层还需要处理节点移动性、网络分割等问题。 无线传感器网络作为一种新兴的信息获取和处理技术，其在硬件资源有限、电源容量有限、无中心、自组织、多跳路由、动态拓扑以及节点密集等特点方面具有独特的优势。通过对WSN关键技术的研究和发展，未来有望在更多领域实现广泛应用。