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无线传感器网络鲁棒性增强第一部分无线传感器网络概述 (2)第二部分鲁棒性增强的必要性 (4)第三部分鲁棒性增强的研究现状 (6)第四部分无线传感器网络的脆弱性分析 (9)第五部分鲁棒性增强的技术手段 (12)第六部分性能评估与优化策略 (15)第七部分实际应用与案例分析 (18)第八部分未来研究方向与挑战 (21)第一部分无线传感器网络概述文章标题：《无线传感器网络鲁棒性增强》 - 第一章：无线传感器网络概述1.1无线传感器网络的研究背景和意义随着科技的快速发展，无线传感器网络已经成为了物联网（IoT）的重要组成部分。
无线传感器网络由大量部署在监测区域内的传感器节点组成，这些节点通过无线通信方式形成一个自组织的网络系统，用于实时感知、监测和采集各种环境参数，如温度、湿度、压力、光照等。
这种网络技术已经在许多领域展现出了巨大的应用潜力，包括环境监测、智能家居、农业物联网、工业自动化等。
然而，由于无线传感器网络中的节点通常由电池供电，能源资源有限，同时网络环境复杂多变，存在许多不确定性因素，如节点故障、通信干扰等，这使得网络的鲁棒性成为一个关键问题。
鲁棒性是指系统在面对各种异常和攻击时，仍能保持稳定运行的能力。
在无线传感器网络中，提高鲁棒性对于保证网络的稳定运行，防止数据丢失，提高系统的总体性能具有重要意义。
1.2无线传感器网络的基本架构典型的无线传感器网络包括传感器节点、汇聚节点和后台服务器。
传感器节点负责采集环境信息，并将数据通过多跳中继的方式传输到汇聚节点。
汇聚节点负责将收集到的数据发送给后台服务器，进行进一步的处理和分析。
后台服务器根据接收到的数据，可以对环境进行实时的监控和预警，也可以根据这些数据进行决策控制，实现智能化的应用。
1.3无线传感器网络的研究内容无线传感器网络的研究内容涵盖了多个方面，包括网络的体系结构、路由协议、能量管理、数据融合、安全与隐私保护等。
其中，路由协议是提高无线传感器网络性能的关键技术之一。
无线传感器网络的基本原理与应用介绍无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是一种由大量分布式无线传感器节点组成的网络系统，用于收集、处理和传输环境中的信息。
它是物联网的关键组成部分，具有广泛的应用前景。
本文将介绍无线传感器网络的基本原理和一些典型的应用场景。
一、无线传感器网络的基本原理无线传感器网络由大量的无线传感器节点组成，每个节点都具有感知、通信和计算能力。
这些节点可以感知环境中的各种参数，如温度、湿度、光照强度等，并将这些信息通过无线通信传输给其他节点或基站。
无线传感器网络的基本原理包括以下几个方面：1. 节点通信：无线传感器节点之间通过无线信号进行通信，可以采用无线电波、红外线等不同的通信方式。
节点之间可以进行直接通信，也可以通过中继节点进行中转。
2. 路由协议：无线传感器网络中的节点通常是分布在广阔的区域内，节点之间的通信需要经过多跳传输。
为了有效地传输数据，需要设计合适的路由协议，使数据能够通过最优的路径传输到目的节点。
3. 能量管理：无线传感器节点通常由电池供电，能源是限制无线传感器网络寿命的重要因素。
因此，节点需要采取一系列的能量管理策略，如休眠、功率控制等，以延长网络的寿命。
二、无线传感器网络的应用场景无线传感器网络具有广泛的应用场景，下面介绍几个典型的应用场景。
1. 环境监测：无线传感器网络可以用于环境监测，如空气质量监测、水质监测等。
通过部署大量的传感器节点，可以实时监测环境中的各种参数，并及时采取相应的措施。
2. 物流管理：无线传感器网络可以用于物流管理，如货物追踪、温湿度监测等。
通过在货物上部署传感器节点，可以实时监测货物的位置和状态，提高物流的效率和安全性。
3. 农业监测：无线传感器网络可以用于农业监测，如土壤湿度监测、气象监测等。
通过在农田中部署传感器节点，可以实时监测农作物的生长环境，为农民提供科学的种植指导。
4. 健康监护：无线传感器网络可以用于健康监护，如老人健康监测、病人生命体征监测等。
无线传感网络概述学号031241119姓名魏巧班级0312411一、无线传感器网络（WSN）的定义：无线传感器网络（WSN）是指将大量的具有通信与计算能力的微小传感器节点，通过人工布设、空投、火炮投射等方法设置在预定的监控区域，构成的“智能”自治监控网络系统，能够检测、感知和采集各种环境信息或检测对象的信息。
二、传感器的节点分布及通信方式：由于传感器节点数量众多，布设时智能采用随机投放的方式，传感器节点的位置不能预先确定。
节点之间可以通过无线信道连接，并具有很强的协同能力，通过局部的数据采集、预处理以及节点间的数据交互来完成全局任务，同时节点之间采用自组织网络拓扑结构。
由于传感器节点是密集布设的，因此节点之间的距离很短，在传输信息方面多跳（multi—hop）、对等（peer to peer）通信方式比传统的单跳、主从通信方式更适合在无线传感器网络中使用，例如：使用多跳的通信方式可以有效地避免在长距离无线信号传播过程中遇到的信号衰落和干扰等各种问题。
三、WSN运行的环境：1、WSN可以在独立封闭的环境下（如局域网中）运行。
2、WSN也可以通过网关连接到网络基础设施上（如Internet）。
在这种情况中，远程用户可以通过Internet 浏览无线传感器网络采集的信息。
四、无线数据网络的定义及无线自组网络的特点：主流的无线网络技术，如IEEE 802.11、Bluetooth都是为了数据传输而设计的，我们称之为无线数据网络。
目前，无线数据网络研究的热点问题就是无线自组网络技术，这项技术可以实现不依赖于任何基础设施的移动节点在短时间内的互联。
特点有如下几点：（1）无中心和自组性（优点）：无线自组网络没有绝对的控制中心，网络中节点通知分布式的算法来协调彼此的行为，这种算法无需人工干预和其他预置网络设施就可以在任何时刻任何地方快速展开并自动组网。
（2）动态变化的网络拓扑（缺点）：移动终端能够以任意速度和方式在网中移动，在通过无线信道形成的网络拓扑随时可能发生变化。
南京邮电大学硕士研究生学位论文术语表术语表Adaptive Threshold sensitive Energy APTEEN 自适应敏感阀值节能型传感网络协议CDMA码分多址Code Division Multiple AccessCSMA 载波侦听多路访问Carrier Sense Multiple AccessDD 定向扩散Directed DiffusionGEAR 地理和能量感知路由Geographic and Energy Routing LEACH 低功耗自适应分簇协议介质访问控制Media Access ControlMCU 微控制单元Micro-Controller UnitPEGASIS Po-Efficient Gathering in SensorInformation System服务质量Quality of Service信息协商传感协议Sensor Protocol for Information viaNegotiationTCP 传输控制协议Transfer Control ProtocolTDMA 时分多址Time Division Multiple AccessTEEN 敏感阀值节能型传感网络协议Threshold sensitive Energy Efficient sensorNetwork protocol用户数据包协议User Datagram ProtocolWSN 无线传感器网络Wireless Sensor Network南京邮电大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
无线传感网络概述学号031241119姓名魏巧班级0312411一、无线传感器网络（WSN）的定义：无线传感器网络（WSN）是指将大量的具有通信与计算能力的微小传感器节点，通过人工布设、空投、火炮投射等方法设置在预定的监控区域，构成的“智能”自治监控网络系统，能够检测、感知和采集各种环境信息或检测对象的信息。
二、传感器的节点分布及通信方式：由于传感器节点数量众多，布设时智能采用随机投放的方式，传感器节点的位置不能预先确定。
节点之间可以通过无线信道连接，并具有很强的协同能力，通过局部的数据采集、预处理以及节点间的数据交互来完成全局任务，同时节点之间采用自组织网络拓扑结构。
由于传感器节点是密集布设的，因此节点之间的距离很短，在传输信息方面多跳（multi—hop）、对等（peer to peer）通信方式比传统的单跳、主从通信方式更适合在无线传感器网络中使用，例如：使用多跳的通信方式可以有效地避免在长距离无线信号传播过程中遇到的信号衰落和干扰等各种问题。
三、WSN运行的环境：1、WSN可以在独立封闭的环境下（如局域网中）运行。
2、WSN也可以通过网关连接到网络基础设施上（如Internet）。
在这种情况中，远程用户可以通过Internet 浏览无线传感器网络采集的信息。
四、无线数据网络的定义及无线自组网络的特点：主流的无线网络技术，如IEEE 802.11、Bluetooth都是为了数据传输而设计的，我们称之为无线数据网络。
目前，无线数据网络研究的热点问题就是无线自组网络技术，这项技术可以实现不依赖于任何基础设施的移动节点在短时间内的互联。
特点有如下几点：（1）无中心和自组性（优点）：无线自组网络没有绝对的控制中心，网络中节点通知分布式的算法来协调彼此的行为，这种算法无需人工干预和其他预置网络设施就可以在任何时刻任何地方快速展开并自动组网。
（2）动态变化的网络拓扑（缺点）：移动终端能够以任意速度和方式在网中移动，在通过无线信道形成的网络拓扑随时可能发生变化。
AODV协议1. 概述Nokia研究中心开发，自组网路由协议的RFc标准，它是DSR和DSDV的综合，借用了DSR中路由发现和路由维护的基础程序，及DSDV的逐跳(Hop-by-HoP)路由、目的节点序列号和路由维护阶段的周期更新机制，以DSDV为基础，结合DSR中的按需路由思想并加以改进。
它应用于无线自组织网络中进行路由选择的路由协议, 它能够实现单播和多播路由。
该协议是自组织网络中按需生成路由方式的典型协议。
用于特定网络中的可移动节点。
它能在动态变化的点对点网络中确定一条到目的地的路由，并且具有接入速度快，计算量小，内存占用低，网络负荷轻等特点。
它采用目的序列号来确保在任何时候都不会出现回环，避免了传统的距离向量协议中会出现的很多问题。
AODV最初提出的目的是为了建立一个纯粹的按需路由的系统。
网络中的节点完全不依赖活动路径，既不维护任何路由信息，也不参与任何定期的路由表交换。
节点不需要发现和维护到其他节点的路由，除非两个节点需要通讯或者节点是作为中间转发节点提供特定的服务来维护另外两个节点的连接性。
提出：With the goals of minimizing broadcasts and transmission latency when new routes are needed, we designed a protocol to improve up on the performance characteristics of DSDV in the creation and maintenance of ad-hoc networks.2. 特点优点：（1）基本路由算法为距离向量算法，但有所改进，思路简单、易懂。
（2）按需路由协议，而且节点只存储需要的路由，减少了内存的需求和不必要的复制。
（3）采用UDP 封装，属于应用层协议。
（4）支持中间节点应答，能使源节点快速获得路由，有效减少了广播数，但存在过时路由问题。
实用标准文案 精彩文档 1、引言 无线传感器 网络（Wireless Sensor Network）是由大规模部署的成百上千的节点构成。这些微传感器节点具有感知能力、无线通信能力以及计算能力。无线传感器网络的发展得益于微机电系统以及处理器、存储技术的发展，这些发展使得制造低功率、微体积、低成本的微传感器节点逐步成为现实。无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，各个节点能够协同地
1、引言 无线传感器 网络（Wireless Sensor Network）是由大规模部署的成百上千的节点构成。这些微传感器节点具有感知能力、无线通信能力以及计算能力。无线传感器网络的发展得益于微机电系统以及处理器、存储技术的发展，这些发展使得制造低功率、微体积、低成本的微传感器节点逐步成为现实。无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，各个节点能够协同地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并将处理后的信息传送到需要这些信息的用户（观察者）。 实用标准文案
精彩文档 由于无线传感器网络具有可快速部署、可自组织和高容错性的特点，因此非常适合在军事上应用。比如通过飞机将传感器节点撒播在战场上，可以组成网络对战场中化学武器的使用、敌方车辆和士兵的运动进行及时的监测和报告。同时，无线传感器网络对于比较恶劣的环境和人不宜到达的场所也非常适用，比如荒岛上的环境和生态监控，原始森林的防火和动物活动情况监测，污染区域以及地震和火灾等突发灾难现场的监控。另外，它还可用于城市的交通监测，医疗机构的病员及环境监测，大型车间原材料和仓库货物进出情况的监测，以及机场、大型工业园区的安全监测。无线传感器网络可以使人们在任何时间、地点和任何环境条件下获取大量信息。因此，这种网络系统可以被广泛地应用于国防军事、国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐抗灾等领域。可以说无线传感器网络是信息感知和采集的一场革命，是21世纪最重要的技术之一。
2、无线传感器网络 在讨论无线传感器网络之前，有必要了解无线传感器网络的组成和协议框架。典型的无线传感器网络如图1所示。 实用标准文案
精彩文档 图1 无线传感器网络的典型结构 无线传感器网络的协议框架如图2所示，包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。物理层负责载波频率的产生，信号的调制、解调等；数据链路层负责媒体接入和差错控制，媒体接入协议可以在通信网络中确保点对点和点对多点的连接；差错控制则保证源节点发出的信息可以完整、无误地到达目标节点；网络层协议负责 路由 发现与维护，在无线传感器网络中占据着重要的地位，可以说路由协议的选择是无线传感器网络设计成功与否的关键。在无线传感器网络中，大多数节点无法与汇聚网关/节点直接进行通信，因此需要利用中间节点进行路由转发，以完成数据传送。基于网络组建的目的，需要在应用层上开发和使用不同的软件系统。应用层管理协议使低层的硬件、软件对于传感器网络的管理应用是透明的。当前主要的无线传感器网络协议有传感器管理协议SMP（Sensor Management Protocol），任务分配和数据通知协议TADAP（Task Assignment and Data Advertisement Protocol），传感器查询和数据分发协议SQDDP（Sensor Query and Data DissEMInation Protocol）。 实用标准文案 精彩文档 图2 无线传感器网络的协议框架 由于无线传感器网络通常是为特定应用设计的专用无线网络，其各层次的协议设计得以在能量分配、移动控制及应用优化等各方面优化，以获得网络的最佳性能。能量分配是延长网络可用时间的必要需求，由于无线传感器节点通常由电池供电，能量分配在网络设计中尤其重要。移动管理完成检测和注册传感器节点的移动，维护到汇聚点的路由，使得传感器节点能够跟踪它的邻居。应用优化根据具体的应用需求，管理应用实施，并在一个给定的部署区域内达到平衡并调度应用任务的目的。
与现有的IP网络不同，传感器网的突出特色是以数据为中心，有处理能力和传输能力实用标准文案 精彩文档 限制，这使得其设计与现有IP网络有很多不同。传统的Internet网络中为每个节点分配一个惟一的标识符，但在传感器网络中，由于传感器节点被大量部署，为每个节点维护一个全局惟一的标识符将会带来很大的额外开销。对于无线传感器网络而言，最重要的是传感数据能被成功地发送到观察者，而无线传感器网络节点的标识相对不太重要。
3、发展方向 大规模的传感器网络将产生海量的、各具特征的传感数据。通常传感数据经单跳或多跳路由的方式，被发送到数据基站节点（Base Station Node）或数据接收发器，进而传送到观察者（任务管理节点）。除了感知物理现象之外，传感器节点通常还需承担路由器节点的功能，为别的传感器收集到的传感数据提供转发功能。由于被感知的物理现象的周围可能存在多个传感器节点，因此传感器感知到的数据通常是非常冗余的，在适当的时机完成冗余数据的网内聚合（in-Network Data Aggregation），对于减少通信量、节省能源是非常重要的，而减少通信量、节省能源则是无线传感器网络长期依赖的重要发展方向。另外，近些年对无线传感器网络的研究 和实践表明，无线传感器网络还在向多应用和 异构 化方向发展。 实用标准文案
精彩文档 3.1 多应用
随着 无线传感器 网络的发展，同一传感器网络将从支持单一应用向支持多种不同应用发展，大规模的无线传感器网络中将包括大量的 异构 的传感器节点。作为以数据为中心的网络，这样的无线传感器网络中将产生具有不同属性的、海量的传感数据。例如，在一个综合型大楼内采用大规模的传感网，可要求传感器网提供以下的服务：温度和湿度传感器负责监测大楼各部分的温度和湿度，并为中央空调提供调节的依据；需要移动目标监测传感器，监测大楼内部的人员分布情况，为分布式空调调节提供依据；需要视频传感器用于大楼安全。可以独立地部署这些传感器，也可以将不同的传感功能集合到同一传感器节点。所用传感器节点的功能不一定相同，它们产生的传感数据种类可能不同，同时由于需要满足不同的服务质量要求，传感数据的分发速率也可能不同。
3.2 异构化 随着无线传感器网的发展，传感器网内部的异构性（Heterogeneous）逐渐突出。除了传感器种类的不同导致传感数据种类不同之外，传感器节点的异构性还体现在节点的能源状况、通信能力、通信愿望、数据处理能力和数
据处理愿望等。通信能力包括节点发送、接收数据的能力，转发（ 路由 ）数据的能力。通实用标准文案
精彩文档 信愿望是指节点当前是否愿意参与网络通信；当节约能源不够充裕或者是因为当前周围环境很差、能够成功通信的概率很小时，节点可主动暂时退出网络通信。数据处理能力是指传感器节点是否能够完成网内数据聚合。部分节点可能不具有网内数据处理能力，或者为了节能或其它原因，暂时不参与网内数据处理。传感器节点之间的无线通信链路也不一定相同。
4、路由需求 路由问题是无线传感器网络的一个非常重要的问题，长期依赖是无线传感器网络研究的重点。现有的路由方法可以从网络体系结构上分为两种类型：平面型路由和分级路由算法。
平面型路由算法中，采用多跳方式完成数据从源节点到基站节点的传送。节点不仅同构，并且承担相同的角色：既感知环境收集传感数据，又作为路由器完成路由查询和数据转发。平面型路由算法中，最著名的是基于谈判的SPIN算法和定向发布算法。
SPIN算法假定每个节点都是潜在的基站节点，需要将每个节点的传感数据向其它节点分发。用户在查询任意节点时，都能很快得到所需要的数据。 SPIN算法中引入了谈判机制，能够避免洪泛型路由为传感网带来过量的传感数据，从而节约能源。其改进算法SPIN-2能够根据自己的能源状况，决定是否减少参与转发其它节点的数据。SPIN最大的问题在于无法保证数据的送达。如果对某些传感数据感兴趣的节点远离感知数据的源节点，而源节点与目的节点之间的中间节点对这些数据不感兴趣，数据将不能被送达目的节点。所以SPIN算法不可能提供服务质量的保证。定向发布算法也是一种典型的多通路算法，采用洪泛的方式将查询注入网络，在产生传感数据的源节点和收集数据的基站节点间建立多条通路。多条通实用标准文案 精彩文档 路的使用能够提高网络的可靠，提供鲁棒的数据路由。但是冗余数据在多条通路中传送会导致通信量大增，定向扩散算法引入了网内数据聚合来去掉冗余数据，减少通信量，节约能源。很多研究者在定向发布算法的基础上提出了改进，以提高能源利用率、降低能源消耗、防止部分节点的能源过度消耗。
上述的无线传感器网络中数据路由的研究主要针对同构的传感器节点相互协作，进行数据收集、处理和路由，完成传感任务。收集网络状态信息是实现数据路由的基础，但是网络的异构发展为异构无线传感网中收集网络状态信息带来了更大的挑战。描述异构的节点、链路的状态信息需要更多的数据量。由于整个网络中可能存在大量的传感器节点，对应着大量的资源状态信息，要将所有节点、链路的所有信息完整、及时地发送到每个节点是不现实的。在网络中发送洪泛信息将消耗大量的能源，甚至可能造成网络的拥塞，使异构无线传感器网络无法完成传感数据的传送。因此，研究高效、动态地汇聚、分发和更新网络资源状态信息的协议对异构无线传感器网络是非常重要的。
很多传感应用中对传感数据的 路由 有服务质量要求，比如监测环境温度的 无线传感器 网络，必须将感知到的异常的温度数据（比如火灾发生时）及时传送到观察者。如果不能及时传送到，观察者和决策系统就无法作出及时的响应，传感数据就失去了采集的意义。在同构的无线传感器网络中，在为有传输时延限制的传感数据寻找路由时，通常只需考虑通信链路的时延。在 异构 的无线传感器网络中，在选择路由时，还必须将潜在的通路中各个节点的不同通信能力、通信愿望以及通信链路的质量等因素纳入考虑范围。因此，需要研究异构无线传感器网络中支持服务质量的数据路由算法。
