下载文档原格式
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。
无线传感器网络应用技术综述摘要：传感器被越来越多地布置到实际的网络环境中，用于实现某些应用。
无线传感器网络已经成为了科学研究领域最前沿的课题之一，引起了工业界和学术界众多研究者的关注。
通过总结相关方面的工作，综述在不同领域中无线传感器网络的实际应用，并对具体应用的一些重要特性进行分析，在此基础上提出若干值得继续研究的方面。
关键词：无线传感器；网络应用一、无线传感器网络简介随着微机电系统的迅速发展，片上系统SoC(System on Chip)得以实现，一块小小的芯片可以传递逻辑指令，感知现实世界，乃至做出反应。
无线传感器网络WSN(Wireless Sensor Network)，这一由大量具有片上微处理能力的微型传感器节点组成的网络，引起了工业界和学术界众多研究者的关注。
传统的传感器网络通常由两种节点：传感器节点(sensor)和接收器节点(sink)组成。
传感器节点负责对事件的感知和数据包的传输；接收器节点则是数据传输的目标节点，一般具有人机交互界面，并可以接入其它类型的网络体系。
传感器网络以其低成本、低功耗的特点，在军事、环境监测、医疗健康等领域都有着广泛的应用。
在本文中，对大量现有无线传感器和无线传感器网络的应用进行分析，从节点移动性、节点互联方式、网络数据规模、网络分层结构等方面进行分析和比较。
并在此基础上，提出若干值得继续研究的方面，为挖掘传感器网络新的应用打下基础。
二、无线传感器网络的特点目前常见的无线网络包括移动通信网、无线局域网、蓝牙网络、ad hoc网络等，与这些网络相比，无线传感器网络具有以下特点：（1）硬件资源有限。
节点由于受价格、体积和功耗的限制，其计算能力、程序空间和内存空间比普通的计算机功能要弱很多。
这一点决定了在节点操作系统设计中，协议层次不能太复杂。
（2）电源容量有限。
网络节点由电池供电，电池的容量一般不是很大。
任何技术和协议的使用都要以节能为前提。
（3）自组织。
无线传感器网络研究现状与应用一、本文概述无线传感器网络（Wireless Sensor Networks, WSN）是一种由许多在空间上分布的自动装置组成的网络，这些装置能够使用传感器协作地监控不同环境或对象的物理或化学现象，并通过无线方式进行信息传输。
近年来，随着物联网、大数据和等技术的飞速发展，无线传感器网络的研究和应用日益受到关注，成为信息技术领域的一个研究热点。
本文旨在全面综述无线传感器网络的研究现状和应用领域。
我们将对无线传感器网络的基本概念、特点和关键技术进行介绍，包括传感器节点的设计与优化、网络通信协议、能量管理策略等。
接着，我们将对无线传感器网络在环境监测、智能交通、农业物联网、医疗健康、军事防御等领域的应用进行深入探讨，分析其在不同场景下的优势和挑战。
我们还将对无线传感器网络的发展趋势和未来研究方向进行展望，以期为该领域的进一步发展提供参考和借鉴。
通过本文的阐述，我们希望能够为相关领域的学者和工程师提供一个全面而深入的无线传感器网络研究现状和应用概览，同时推动无线传感器网络技术的进一步发展和应用推广。
二、无线传感器网络研究现状无线传感器网络（Wireless Sensor Networks, WSNs）是近年来物联网领域研究的热点之一。
随着微型化、低功耗、高性能传感器技术的快速发展，以及无线通信技术的进步，无线传感器网络得到了广泛的应用和深入的研究。
网络拓扑与协议研究：无线传感器网络拓扑结构的研究主要关注如何有效地组织传感器节点，以提高网络的覆盖范围和连通性。
针对传感器节点的能量限制，研究人员还设计了多种节能的通信协议，如跳频扩频、时分复用等，以延长网络的生命周期。
数据融合与处理技术：在无线传感器网络中，由于传感器节点数量众多，产生的数据量巨大。
因此，数据融合与处理技术成为了研究的重点。
数据融合旨在将多个传感器节点的数据融合成一条或多条有用信息，减少数据传输量并提高数据的准确性。
1、无线传感网络简介无线传感器网络WSN（Wireless Sensor Network）是一种由传感器节点构成的网络，能够实时地监测、感知和采集节点部署区中观察者感兴趣的感知对象的各种信息（如光强、温度、湿度、噪音和有害气体浓度等物理现象），并对这些信息进行处理后以无线的方式发送出去，通过无线网络最终发送给观察者。
2、无线传感网络的特点1）硬件资源有限：节点由于受价格、体积和功耗的限制，其计算能力、程序空间和内存空间比普通的计算机功能要弱很多。
这一点决定了在节点操作系统设计中，协议层次不能太复杂。
2）传感节点数目多、易失效：根据应用的不同，传感器节点的数量可能达到几百万个，甚至更多。
此外，传感器网络工作在比较恶劣的环境中，经常有新节点加入或已有节点失效，网络的拓扑结构变化很快，而且网络一旦形成，人很少干预其运行。
因此，传感器网络的硬件必须具有高强壮性和容错性，相应的通信协议必须具有可重构和自适应性。
3）通信能力有限：考虑到传感器节点的能量限制和网络覆盖区域大，传感器网络采用多跳路由的传输机制。
传感器节点的无线通信带宽有限，通常仅有几百kbps 的速率。
由于节点能量的变化，受高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响，无线通信性能可能经常变化，频繁出现通信中断。
4）电源能量有限：网络节点由电池供电，电池的容量一般不是很大。
其特殊的应用领域决定了在使用过程中，不能给电池充电或更换电池，一旦电池能量用完，这个节点也就失去了作用。
因此在无线传感器网络设计过程中，任何技术和协议的使用都要以节能为前提。
5）以数据为中心是网络的核心技术：对于观察者来说，传感器网络的核心是感知数据，而不是网络硬件。
例如，在应用于目标跟踪的传感器网络中，跟踪目标可能出现在任何地方，对目标感兴趣的用户只关心目标出现的位置和时间，并不关心哪个节点监测到目标。
以数据为中心的特点要求传感器网络的设计必须以感知数据管理和处理为中心，把数据库技术和网络技术紧密结合，从逻辑概念和软、硬件技术两个方面实现一个高性能的以数据为中心的网络系统，使用户如同使用通常的数据库管理系统和数据处理系统一样自如地在传感器网络上进行感知数据的管理和处理。
无线传感器网络研究综述摘要:无线传感器网络作为计算、通信和传感器三项技术相结合的产物,是一种全新的信息获取和处理技术。
在简要介绍无线传感器网络的基础上,分析和展望了一些有价值的应用领域。
结合已有研究,从无线传感器网络的热点问题、特点和应用三方面介绍无线传感器网络的研究现状。
随着无线通信技术、微型制造技术及电池技术的快速发展，微小的无线传感器已具备感应、无线通信及信息处理能力。
成千上万个微型传感器构成了自治的无线传感器网络。
无线传感器网络节点的微处理能力和无线通信能力使无线传感器网络有广阔的应用前景，能广泛用于军事、环境、医疗保健、空间探索及各种商业应用。
1 无线传感器网络简介无线传感器网络由许许多多个功能相同或不同的无线传感器节点组成。
每一个传感器节点由数据采集模块(传感器、A/D转换器)、数据处理和控制模块(微处理器、存储器)、通信模块(无线收发器)和供电模块(电池、DC/DC能量转换器)等组成(如图1所示)。
节点在网络中可以充当数据采集者、数据中转站或类头节点(cluster-head node)的角色。
作为数据采集者,数据采集模块收集周围环境的数据(如温度、湿度),通过通信路由协议直接或间接将数据传输给远方基站(base station)或汇节点(sink node);作为数据中转站,节点除了完成采集任务外,还要接收邻居节点的数据,将其转发给距离基站更近的邻居节点或者直接转发到基站或汇节点;作为类头节点,节点负责收集该类内所有节点采集的数据,经数据融合后,发送到基站或汇节点。
图1 传感器节点结构框图与传统Ad Hoc网络相比,无线传感器网络具有一些明显的特征: (1)网络节点密度高,传感器节点数量众多,单位面积所拥有的网络节点数远大于传统的Ad Hoc网络; (2)传感器节点由电池供电,节点能量有限; (3)网络拓扑变化频繁; (4)网络应具备容错能力。
2 无线传感器网络的热点问题2.1 安全问题通常，在无线传感器网络中，大量的传感器节点密集分布在一个区域里，消息可能需要经过若干节点才能到达目的地，而且传感器网络具有动态性和多跳结构，要求每个节点都应具有路由功能。
无线传感器网络的研究内容综述
摘要：无线传感器网络具有广泛的应用前景，且能够实现多种功能，因而是当前学术研究的一个重点领域。
本文介绍了无线传感器网络的体系结构和组网特点，详细分析了当前无线传感器网络中各层次的通信协议。
关键词：无线传感器网络体系结构组网特点通信协议
1 无线传感器网络结构
无线传感器网络的典型结构为自组多跳网络。
该网络中的节点同时具有传感、信息处理以及无线通信功能，每个节点通过多跳路由连接到无线网关，通过无线网关实现与监控终端的通信。
鉴于节点的属性限制，其通信距离较短，因此必须使用多跳路由，且节点数量要多，分布要密集。
2 无线传感器网络特点
无线传感器网络具有如下几方面特点。
①硬件功能有限。
由于节点体积较小、价格相对低廉且要求运行的功耗较低，故其在性能方面要比通用的计算设备差很多。
②续航时间有限。
该方式为电池供电，且节点体积较小，分部环境较复杂，因而无法为电池充电或者为节点更换电池，一旦能源消耗完毕，该节点也就死亡，因此在传感器网络的设计中，一切以节能为前提。
③自组织性。
无线传感器网络的覆盖都是由节点自助完成的，不需要依赖任何支撑网络设施。
④无中心性。
网络中所有节点都是相对独立和平等的，任意节点的离开或加入都不会影响整个网络的运行。
⑤多跳路由。
无线传
输网络中的节点只能在小范围内进行通信，因而若希望实现与网关或者外围监控终端的通信则必须通过其他节点进行路由实现。
⑥节点数量庞大，网络分布密集。
在某一区域进行无线传感器网络部署时需要使用大量的节点来维持网络的容错性和抗毁性。
3 无线传感器网络协议层次
无线传感器网络的通信协议主要分为物理层、链路层、网络层和传输层。
对于这些协议需要进行具体讨论，现有的如ieee802.1x
协议无法在无线传感器网络中应用。
3.1 物理层物理层的主要作用为产生载波对所需传输的数据进行调制与解调。
当前时期对物理层节点的设计思路主要有两种，一种为使用mems和集成电路技术等对节点的微处理器、传感器等模块进行设计；另一种为使用现有的商业元器件进行节点构建。
在物理层的无线通信方面，可选择的载波媒体有红外线、激光、电磁波等。
其中，红外线频段为开放频段，无电磁干扰，具有性价比优势；激光则在通信保密性能和传输速度方面具有优势，但是这两种方式均要求发送端和接收端在视线范围内，很难在实际中应用实现，因而通常情况还是使用电磁波进行无线通信。
在载波频段选择中有902mhz、2.4ghz和5.8ghz等多个ism频段，基于这些频段的电磁波特性对节点进行设计是一个无线传感器网
络的研究方向。
3.2 链路层链路层的主要作用是对节点通信进行控制。
其中主要涉及媒体访问控制协议（mac协议）和错误控制算法。
其中媒体访问控制协议可以在节点之间建立通信链路，维持节点之间使用平等有效的带宽进行数据传输。
通常这些协议可以分为基于随机竞争和基于预约的两种协议。
基于竞争的mac协议以ieee802.11协议为代表，该类协议可以依靠射频接收部分的侦听功能对网络中的节点进行通信控制，但是该类协议需要通信设备处于持续监听状态，故能源消耗较高。
为解决该问题，一类低功耗唤醒射频通信协议被研究应用到无线传感器网络中，该协议使用载波侦听多路访问/冲突避免技术保证节点在进行通信时维持在唤醒状态，通信完毕进入睡眠状态，当其他节点需要使用该节点进行路由时，该节点可以被唤醒。
基于预约的mac协议主要是基于时分多址的协议，如自组织媒体访问控制协议等。
使用该协议的节点可以发现临近节点，并与其建立通信链路。
当前节点使用一个tdma协议框架在时隙时间内与临近节点进行数据通信，完成通信后进入睡眠状态。
错误控制算法则是对网络传输信号进行差错控制，保证通信的可靠性。
在无线传感器网络中使用的错误控制算法主要有两种，一种是前向纠正，一种是自动重复请求。
前向纠正算法是在数据帧中添加冗余信息，当接收端接收到的信息具有错误时可以使用冗余信息进行错误纠正；自动重复请求算法则是对接收的信息进行回复，若两者之间信息不符则重新进行数据发送，若信息相同则认为数据传输无误。
3.3 网络层网络层协议主要负责对路由进行维护和发现，并设
计适当的路由协议对传输数据进行路由。
无线传感器网络为拓扑结构，按照路由协议不同可以分为平面路由协议和分级路由协议。
其中平面路由协议中的各节点处于平等地位，但会产生大量的控制信息，可控性能较差；而分级路由协议可以有效控制网络路由信息数量，可控性能较好，但是其在群头节点方面的缺陷限制了无线传感网络的规模。
4 总结
鉴于无线传感器网络具有其独特性，且硬件投入和资源配置方面的限制使其无法应用成熟的通用协议，故目前无线传感器网络的研究主要集中在mac协议和路由协议等方面。
参考文献：
[1]崔莉，鞠海玲，苗勇，李天璞，刘巍，赵泽.无线传感器网络研究进展[j].计算机研究与发展，2005，42（1）.
[2]洪锋，褚红伟，金宗科，单体江，郭忠文.无线传感器网络应用系统最新进展综述[j].计算机研究与发展，2010，47（z2）. [3]马祖长，孙怡宁，梅涛.无线传感器网络综述[j].通信学报，2004，25（4）.。
