無線傳感器網絡管理技術論文
無線傳感器網絡管理技術論文【1】
摘 要 無線傳感器網絡(WSN)與計算機網絡有著巨大的差異，但是又廣泛的應用于現代社會的各行各業。
現有的網絡管理技術并不能滿足WSN的運行，亟待解決各方面的問題。
本文在介紹WSN管理技術的基礎上，集合WSN自身特性，介紹了現有的WSN管理技術需要具備的技術性能。
希望能夠為WSN管理技術發展提供一定的啟發。
【關鍵詞】無線傳感器 網絡 管理技術
無線傳感器網絡(簡稱傳感器網絡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，被越來越多的用于交通、醫療、工業自動化等智能領域，近年來隨著信息化進程的深入和物聯網相關技術的成熟，無線傳感器網絡技術的技術研究也突飛猛進;和普通計算機網絡不同，傳感器網絡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，這就需要傳感器網絡的管理技術具有高效、靈活、安全的特性，傳統計算機網絡的管理技術不再適用于傳感器網絡管理，因此近年來傳感器網絡管理技術的理論和應用研究不斷的取得突破性進展。
1 無線傳感器網絡管理
無線傳感器網絡與計算機網絡的不同特點使得傳感器網絡管理技術也具有自身特點，具體表現在輕量級、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成，其內部電量較少、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，這就使得傳感器網絡管理技術也要具備符合上述特點的輕量級特征。
1.2 開放性
傳感器網絡有著和計算機網絡不同的軟、硬件系統和通信協議，同時不同的應用環境、任務需求和任務目標也會使傳感器網絡有巨大差異;為了保證傳感器網絡與互聯網和移動網絡的相互連通，就要保證傳感器網絡管理技術具有開放性，能夠與其他軟硬件系統無縫聯通。
1.3 自治性
傳感器網絡在建設和使用的過程中，單獨的某個傳感器是隨機布置在某個位置的，如果人工對其進行運維，會消耗巨大的人力物力，這就需要傳感器網絡技術滿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絡，無需人工參與即可可靠運行。
1.4 高容忍
無線傳感器的應用環境多種多樣，其低成本特性導致節點有易損壞、抗干擾弱、穩定性差等問題，這就要求傳感器網絡管理技術能夠識別和容忍這種故障，并且保證網絡信息感知和傳輸的可靠性。
1.5 可伸縮
未來的傳感器網絡將會覆蓋非常的區域，數量差異巨大的傳感器節點將會上傳巨量的信息，這就要求傳感器網絡管理技術在應對不同數量的節點和信息時具有良好的可伸縮性能。
2 無線傳感器網絡管理體系
2.1 配置管理功能
通過配置管理功能獲取傳感器網絡中的數據，并通過數據來控制每個傳感器的配置信息和傳感器網絡內的節點狀態及其連接關系等網絡狀態。
通過配置管理功能可以讓網絡管理員對傳感器網絡的控制變得更強;由于無線傳感器網絡節點的電量、通信、存儲等方面能力有限，配置管理就要在網絡拓撲控制和重編程技術中實現。
節點通信和感知的基礎就是拓撲控制，拓撲控制在WSN管理中有三個方面：拓撲發現、成簇管理和睡眠周期管理。
WSN重編程技術，WSN首次配置完成后對網絡進行遠程的軟件升級、任務下達和功能再配置的過程。
由于WSN的工作環境多樣，其性能和功能需求需要動態變化，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大多需要在無人管理的環境中長時間順利運行，而傳感器的自身質量和性能缺陷導致WSN中隨時有可能會有節點出現故障。
如果傳感器節點出現故障，將會把采集到的錯誤信息不斷地上傳至網絡，最終導致網絡管理出現問題;還有些故障會導致節點通信受阻，數據傳輸終端等問題。
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構。
集中式結構中的管理者要得到整個網絡的信息才能進行精準的故障管理，這種管理技術消耗了節點的很多能量;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構，兼顧了二者特點;由于基于移動裝置的結構使用環境較為特殊，可以預測分布式和層次式的管理結構是未來WSN故障管理的發展方向。
2.3 安全管理功能
安全管理指的是通過安全管理和技術手段，保障WSN資源的保密、完整、可用性等，不會由于設備、通信協議、網絡管理或者環境因素受到破壞。
安全管理的基本原則就是通過合適的技術和管理措施來確保網絡資源的基本安全，從而滿足傳感器網絡開展的安全需求。
傳感器網絡不同于傳統網絡，但又需要參考普通網絡的安全管理經驗，這就導致WSN網絡完全在密碼算法、數據完整性、數據保密性、秘鑰管理技術、網絡認證等方面存在不可忽視的技術難題需要突破。
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來對傳感器網絡性能進行評估。
性能管理要分析和監視網絡及網絡提供的功能是否順利運行，其分析結果會觸發網絡的自身診斷機制或引導網絡開啟自我重配置等。
WSN包括數據收集、分析、上傳等應用功能的專門網絡，其性能管理還會包括以下幾個方面：
(1)使用周期管理，即網絡部署到網絡能力耗盡的時間;
(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WSN網絡的高效運行。
2.5 計費管理功能
目前，WSN的應用還只是應用于專門領域的閉合網絡，對計費系統的需求沒有很急迫，但是隨著WSN的進一步發展和市場商業化深入，計費問題將會變得極為關鍵，并且伴隨而來的數據安全、真實、可靠等問題也會越來越多。
3 結束語
WSN管理技術和理論還處在初級階段，但是隨著社會需求和相關領域的發展，WSN技術及其相關研究必將成為熱點。
在WSN設計的通用性和有效性問題方面、分布式和層次式結構設計、主動網絡技術、網絡狀態和性能的監測與優化等方面都需要進一步深入研究，對新技術進行推廣，促進WSN技術的應用和發展。
參考文獻
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無線傳感器網絡技術【2】
【摘要】 傳感器被越來越多地布置到實際的網絡環境中，用于實現某些應用。
無線傳感器網絡已經成為了科學研究領域最前沿的課題之一，引起了工業界和學術界眾多研究者的關注。
通過總結相關方面的工作，綜述在不同領域中無線傳感器網絡的實際應用，并對具體應用的一些重要特性進行分析，在此基礎上提出若干值得繼續研究的方面。
【關鍵詞】 無線傳感器 網絡應用
隨著近距離、低功耗無線通信技術的發展，無線傳感器網絡(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方式構成的無線網絡，通過大量節點間的分工協作，實時監測、感知和采集網絡分布區域內的各種環境或監測對象的數據，并對這些數據進行處理，獲得詳盡而準確的信息，最終傳送到需要這些信息的用戶。
WSN可廣泛應用于國防軍事、國家安全、環境監測、交通管理、醫療衛生、制造業、反恐抗災乃至商業和家庭等諸多領域，正受到政府、軍隊、研究機構、商業界的廣泛關注和高度重視，具有十分廣闊的應用前景，是目前非常活躍的一個領域。
WSN是在移動AdHoc網絡的基礎上發展起來的，在自組織的組網方式和多跳通信等方面與移動Adhoc網絡具有相似性，但WSN在組網方式和具體應用上存在一些新的特點，主要表現為：與Adhoc網絡中節點的動態移動相比，WSN的節點位置相對固定，網絡拓撲會因節點能量耗盡而發生變化;由于節點體積較小，傳感器網絡具有許多資源上的限制，比如有限的電池功率和有限的網絡通信帶寬等。
傳感器節點間更多的是一種協作而非競爭的關系，為了完成共同目標而相互協作;不同節點采集的數據間具有一定相關性，需要進行數據會聚以減小冗余信息的轉發，降低通信負荷;WSN中的應用多為多對一的情形，即存在一個Sink節點來收集數據并與外界通信等等。
無線傳感器網絡是新一代的傳感器網絡，具有非常廣泛的應用前景，其發展和應用，將會給人類的生活和生產的各個領域帶來深遠影響。
發達國家，非常重視無線傳感器網絡的研究和發展，如美國國防部和各軍事部門都對WSN給予了高度重視，在C4ISR的基礎上提出了C4KISR計劃，強調戰場情報的感知能力、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域，設立了一系列的軍事傳感器網絡研究項目。
美國自然科學基金委員會(NSF)2003年制定了WSN的研究計劃，投資3400萬美元，支持相關基礎理論的研究。
在NSF的推動下，美國的加州大學伯克利分校、麻省理工學院、洛克維爾研究中心、加州大學洛杉磯分校等機構開始了WSN的基礎理論和關鍵技術的研究。
英國、日本、意大利等國家的一些大學和研究機構也紛紛開展了該領域的研究工作。
學術界的研究主要集中在傳感器網絡技術和通信協議的研究上，也開展了一些感知數據查詢處理技術的研究，取得了一些初步研究結果。
IEEE正在努力推進無線傳感器網絡的應用和發展，美國的《技術評論》雜志在論述未來新興十大技術時，更是將無線傳感器網絡列為第一項未來新興技術，《商業周刊》預測的未來四大新技術中，無線傳感器網絡也列入其中。
可以預計，無線傳感器網絡的廣泛是一種必然趨勢，它的出現將會給人類社會帶來極大的變革。
一、無線傳感器網絡的組成
一個完整的無線傳感器網絡的體系結構主要由傳感器節點、匯聚節點、用戶節點三部
分組成。
大量傳感器節點被放置在監測區域(云圖包圍部分)，假定傳感器節點A有監測數據要上報到用戶節點，則通過自組織路由協議建立A，B，C，D之間的無線鏈路，D再通過與之連接的匯聚節點將數據經由衛星、互聯網或移動通信網等傳輸網絡送達用戶節點。
由于被監測區域往往不方便建立固定設施及有線鏈路，因此傳感器節點之間的數據傳輸通常采取無線方式，而匯聚節點與用戶節點之間的傳輸既可采用有線方式，也可采用無線方式。
在無線傳感器網絡中，傳感器節點是整個網絡的基礎，它們擔負著感知數據、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的監測數據。
通信模塊將計算模塊的處理結果通過無線方式傳輸到下一個節點。
二、無線傳感網的熱點研究問題
2.1 安全問題
2.1.1 安全路由
通常，在無線傳感器網絡中，大量的傳感器節點密集分布在一個區域里，消息可能需要經過若干節點才能到達目的地，而且傳感器網絡具有動態性和多跳結構，要求每個節點都應具有路由功能。
由于每個節點都是潛在的路由節點，因此更易受到攻擊，使網絡不安全。
網絡層路由協議為整個無線傳感器網絡提供了關鍵的路由服務，安全的路由算法會直接影響無線傳感器網絡的安全性和可用性。
安全路由協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，有效提高網絡抵御外部攻擊的能力，增強路由的安全性。
2.1.2 安全協議
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：無線傳感器網絡有諸多限制，例如節點能力限制，使其只能使用對稱密鑰和Hash技術;電源能力限制，應使其在無限傳感器網絡中盡量減少通信，因為通信的耗電將大于計算的耗電;傳感器網絡還應考慮匯聚等減少數據冗余的問題。
在部署節點前，將密鑰預先配置在節點中，通常，預配置的密鑰方案通過預存的秘密信息計算會話密鑰，由于節點存儲和能量的限制，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銷。
2)安全組播：無線傳感器網絡可能設置在敵對環境中，為了防止供給者向網絡注入偽造信息，需要在無線傳感器網絡中實現基于源端認證的安全組播。
2.2 能量問題
傳感器的節點分布眾多，并且需要進行監測、數據處理等活動，而無線傳感器網絡中的節點一般用電池供電，可使用的電量非常有限，并且對于有成千上萬節點的無線傳感器網絡來說，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絡的生存時間長達數月甚至數年，因此，如何在不影響功能的前提下，盡可能節約無線傳感器網絡的電池能量成為無線傳感器網絡軟硬件設計中的核心問題。
現在已有一些解決方法，在大多數網絡應用中，由于傳感器節點監測事件的偶發性，沒有必要讓所有單元均工作在正常狀態下，可采用休眠模式，能自適應的休眠和喚醒，進行突發工作，節省能量。
還可將所有功耗單元有機組合，形成不同狀態，讓傳感器節點能根據需要在不同狀態間切換，這樣既可以滿足系統需要，又節省了能源。
還可以動態調節電壓以節省能量，根據負載狀態動態調節供電電壓，形成一個閉環控制系統，節省能量。
總之，在滿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線傳感器網絡實際應用的因素及目前的研究熱點。
無線傳感網絡最終將成為聯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絡獲得客觀物理世界的信息并采取相應措施。
參考文獻
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