无线传感器网络的研究现状探讨

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  摘 要:伴随着21世纪科学技术的飞速发展,无线传感器网络能够实现多种功能,它的应用领域十分宽广,其发展跟信息数字处理技术、微机电技术以及无线通信技术等紧密相连,容易看出无线传感器非常重要,应该得到国家的瞩目。无线传感器的定义、特征、机构在文中首先被阐述,然后通过分析物联网的研究内容及两者的相互关联、访问控制的研究、mac层网络协议以及应用方向来探讨无线传感器网络的研究现状。
  关键词:无线传感器网络;物联网;访问控制;MAC;应用方向
  无线传感器网络由节点组成,节点分布在监测区域内,它们采用的通信方式是无线的,网络系统多跳并且是自组织。数据获取网络、数据分布网络和控制管理中心构成了无线传感器网络的三个重要组成。
  一、无线传感器网络的特点
  1、动态性。传感器网络采用拓扑结构,这种结构中节点坏掉或者出现故障可能是由于环境影响或者电能消耗;通信线路通断状况发生改变或者宽度发生改变都可能是因为环境变化;把新的节点带到原有的节点中;传感器、感知队形和观察者这三个传感器网络的三个要素的移动特性引起动态改变,包括传感器、感知者和观察者。正因为上面这三种情况造成结构的动态变化需要网络能够快速适应。
  2、自组织。无线传感器网络的组成节点可以各自协调各自的行为,协调的关键在于分层协议和分布式算法,之后一个独立的网络便由各节点快速、自动地组成。
  3、无中心。各个节点在无线传感器网络中根本没有预先制定的中心,它们的地位平等,各自通过分层协议和分布式算法互相协调。
  4、大规模。为了获取精确信息,通常在监测区域分布大量的节点,可能达到成千上万。规模大包括两方面的含义,既从一个角度体现在较大的分布区域范围的传感器节点,又从另一个角度体现在节点分布的密度相对集中,也就是指在极其有限的面积上存在数量极大的节点。
  5、硬件资源有限。无线传感器网络的节点是它的重要构成,它的分析数据能力有限,另外节点对数据的存储也相当受限制。计算能力跟存储能力有限,造成这一现象的原因是嵌入式处理器跟存储器在组成节点中的使用。
  6、多跳路由。已经介绍节点对数据的分析能力是很受限制的,不能满足用户的最高要求,它只能跟相邻者直接通信,其覆盖范围很小。
  二、物联网
  1、物联网的研究内容
  作为新时代科技发展的产物,充分认识物联网的概念十分重要。利用新时代信息传递的高科技设备,来对进行监控的信息资源采集资料、记录过程,采集的信息在物联网的基础上跟科技结合在一起,形成一个复杂的网络体系,这个体系把连接物跟物、人跟物为目的,并对信息进行监控、联系和互相动作。在物联网应用中有三项关键技术:传感器技术、RFID标签技术以及嵌入式系统技术。
  2、无线传感器网络跟物联网的相互关联
  物联网包括底层网络分布、汇聚网关接入、互联网络融合以及终端用户应用四个部分。无线传感器网络是物联网底层网络的重要技术形式,它的再一次拓展跟创新是进一步迈向物联网的重要体现。物联网底层网络负责感知和记录信息,从而准确反映每个对象的特点,而使物与物之间或者各个对象之间实现信息交换是物联网的重要特点。无线传感器网络能够通过缩小物理世界跟虚拟世界两者之间的差距来描述物体的动态特征。
  底层网络包括无线传感器网络,底层网络在物联网中的作用。一个对象可以使客观世界中的任何一个事物,用来描述对象动态特征的是行为,用来描述对象静态特征的是属性。客观世界的存在是需要用成千上万台的对象来证明的。消息是客观世界向对象发出的一个信息。对象彼此之间通过消息来进行信息传递和交流。
  3、面物联网的无线传感器网络发展新思路
  无线传感器网络应用背景的不同需要以不同的网络服务支持策略以及网络通信协议为依托,研究人员把更多的注意力投放到无线传感器网络的差异性,而不是它的开发,相对传统网络而言,这是现有阶段的显著特征。物联网技术伴随着技术的多方面发展应运而生,它允许用户获取并且处理信息而且不分时间、地点和方式。想要有效地避免相关应用带来的差异性,建立符合用户需求的协议和策略,无线传感器网络必须要充分合理的利用物联网的技术优势,准确有效地担当起感知信息的有效载体的任务。资源管理包括低功耗设计这一部分。想要解决由于构成无线传感器网络的微小节点数以万计,电源容量有限造成的能量消耗较多、网络生命周期短这些问题,必须要积极应对,得到解决办法,这个难题在一定程度上阻碍了无线传感器网络的快速发展。有限的硬件资源是无线传感器网络的一大缺点,想要保证降低能量消耗必须协同安排各个软硬件,需提前考虑的问题:系统能量在网络输入和输出间的比例关系;合理划分软件、硬件;系统性地选择器件并进行合理设计。网络层向数据层提供顺畅的数据资源服务,这顺应了物联网时代的发展趋势,网络为了把更有价值、更具针对性的数据信息提供给用户,它深度挖掘、系统挑选海量的信息资源,信息资源必须保证灵活简单、无连接、满足用户需求。现在的网络传输基于多个宿主进行,网络通过有效链路接入采集到的信息,多宿主网络的研究,对实现负载均衡、增强网络可靠性有重大的实际意义。
  三、访问控制
  在无线传感器网络的特点中已经提到它的安全问题,针对这些安全现状,应该系统性地分析和比较安全访问控制方案。访问控制技术在信息系统安全中扮演者重要的角色,访问控制能够有效地保证客户对系统认识的合法化。
  访问控制能够利用系统的某种手段来限制用户使用数据资源,用户的这种能力由此受到限制。访问控制系统具有保密性,能够通过判断用户的使用权限来对提供的数据资源进行合理化监控。另外系统还具有保证可用性和判断合法使用性的重要功能。无线网络想要更好的防范安全、保护资源必须要采用系统访问的策略。访问控制包括主体、客体和控制策略这三个要素,它的主要目的是限制主体对客体的访问,以有效地使用和管理数据资源。访问控制由三种模式:自主访问模式、强制访问模式和基于角色访问模式。   基于网络访问控制的体系结构比较复杂,由于这种复杂性,系统的将结构分成两种类型。这两类体系结构分别是外部访问控制和内部访问控制。前者的体系结构建立在使用数据资源的用户跟组成无线传感器网络的节点之间,后者的体系结构建立在节点之间或者节点与基站之间。无线传感器网络中的节点分布环境恶劣且没有固定的基础设施,易于受到攻击,致使网络应用大大受限。访问控制可以提供认证、授权这两种授权服务,认证阶段需要建立不能被伪造和复制的身份,并由节点判断其合法性。授权阶段用来判断用户是否具备访问操作的授权服务,另外私密性、完整性、真实性是必须要考虑在设计数据之中的网络对用户发送访问请求,可以依赖基站,也可以不依赖基站。依赖基站进行访问控制的过程有三个主要过程:用户使用前的资料注册、登记信息后用户进入系统阶段以及系统对用户登录的信息进行核实阶段。在无线传感器网络中,有些查询的起点是基站,而有些查询的起点是用户,第一种情况属于内部查询认证,第二种情况属于外部查询认证。用户需要查询访问的数据信息资源可以经过基站,另外还可以利用转发节点的转发作用。这样便存在攻击者破坏网络的危险,因此必须加强查询认证机制建立与改进,改进中每个节点都有自己对应的位置,产生各自独立的访问控制功能,这样转发节点跟源节点之间的安全性能增强。网线网络随着科技发达逐渐发展,无线传感器网络的应用也在对应地变得越来越广泛,访问控制能相应保证网络中的安全问题,应该得到相应部门的高度重视。
  四、MAC协议
  MAC协议是保证无线传感器网络高效通信的关键协议,处于网络协议底层,与网络性能以及无线通道的使用方式有关。MAC协议需要重点考虑的问题有节点的能源有效性、可扩展性、性能的综合测评以及分布式算法。
  在传统局域网中,各种传输介质的物理层对应到相应的MAC层,目前普遍使用的网络采用CSMA/CD访问控制方式。MAC层的目的是在LLC层的支持下为共享介质提供访问控制功能。分布式的访问控制,用载波监听控制站点对介质的访问;集中式访问控制由一个中央的决定着来协调访问。MAC层的优点:避免节点间数据的碰撞,有效地减少碰撞过程中产生的能耗;在睡眠时隙进入睡眠状态进行节能,较少空闲侦听产生的能耗;发送数据时控制信息数量来减少信息控制能耗。
  根据现有的协议,根据组成网络的节点的信道机制,MAC协议大体分成基于随机竞争和基于固定分配这两类MAC协议。前者利用按需使用信道,通过竞争方式使用无线信道,在节点发送的数据碰撞时,对数据重发知道发送成功或者主动放弃发送数据。它主要有S-MAC协议和这两种。S-MAC协议采用CSA/CA竞争机制和RTS/CTS握手机制。这个协议以竞争为基础,它的优点是能够减少空闲侦听中的能耗,优点存在的关键是它充分利用周期性的睡眠跟幻想机制。延缓和缓存的大小决定了S-MAC协议的周期,T-MAC协议以S-MAC协议为基础。这个协议在某个程度上定义了五个激活事件,节点的活跃期结束,开始睡眠期的标志是五个激活时间没有任何一个发生。后者是将一个物理信道分成多个,各个通信节点互不影响,不是对数据重发而是从源头上避免了信息数据碰撞。它主要有TRAMA协议和DMAC协议这两种。TRAMA协议能够进行无冲突的通信,无线传感器网络中的节点利用预先分配好的时隙,这是协议的主要目的。邻居协议NP算法、调度交换协议SEP算法以及自适应时槽指定算法是包含在这个协议中的主要的算法。
  DMAC协议的提出是建立在数据采集的基础之上的。传感器网络收集用户需要的数据资源,通过组成传感器网络的节点向外发送数据,然后再利用有些节点的转发作用转发数据信息,最终数据采集树顺利形成,并且是把汇聚节点作为根节点。不管是基于随机竞争,还是基于固定分配,协议都需要加以改进,能够为用户提供更高性能何地复杂性的服务。DMAC协议以交错调度制度为核心思想,帧在节点的作用下是具有周期性的,接收、发送、休眠是帧的三个显示状态,其中前两种状态在工作时紧密连接并且在长度上保持高度一致,节点自己调整偏移时间。
  五、无线传感器网络的研究现状
  无线传感器网络技术在很多技术应用范畴都具有极重要的价值,我们国家起步不晚,早就开始了对它的研究探讨,与此同时它很自然的引起了多个部门的注意。无线传感器网络采用拓扑动态结构,其控制能力非常强大。这种结构是其他网络服务的技术支持,能够提高网络通信协议的效率,同时还能克服网络生命周期短的缺点。层次型拓扑和功率控制是无线传感器网络拓扑控制方法的两个关键。当代研究技术迅猛发展,现在基于无线传感器网络的定位技术研究有两类:基于测距定位测法;非测距定位算法。第一类对网络的硬件要求很高,所以精度很高,但是在定位过程中开销很大,需要大量的资金做后盾。第二类成本较低、功耗较小,受到人们更高的关注。美国作为一个发达国家,把研究传感器网络放在至关重要的位置,分析利用无线网络传感器的特点跟性能,充分挖掘它所可能几倍的功能,比如探测情报、感知温度、自动智能的分析并处理数据信息等。另外美国还在此项研究上投放大量资金,制定完备的方案以保证探讨工作的顺畅进行,比如在军事探讨上、信息工业探讨领域等。文章想要正面全面详细地展现无线传感器网络面临的机遇以及可能会出现的挑战。
  1、目标跟踪
  跟踪目标是网络传感器的一个显著功能体现,跟踪网络的研究氛围集中式跟踪和层次式跟踪。距今,集中式跟踪出现的时间最长,利用网状结构来观察节点动作,它监视节点状态记录数据的频率必须是一致的,跟踪到目标的判断依据便是定期读取的数据跟假想的条件相吻合,确认完目标进一步断定准确方位以完成实质性的跟踪监视定位。这种方法发生跟踪定位失败有两种原因,一个是节点太多,造成接收数据信息繁杂,系统的记录、分析瘫痪,还有一个就是数以万计的节点时刻动作,消耗过多的能量。层次式跟踪以集中式跟踪为基础,各个传感器用树形结构连接,之后根据原则进行等级划分。动态访问式跟踪的传感器中传感器负责探测基本通信,动态访问端向传感器发送信息。
  2、扩散控制
  利用扩散控制可以在很多领域为人们带来福利:判断辐射区域、控制污染河水、界定污染空气等等。这个现状对人们的日常生活关系重大,需要急速解决。
  3、目标定位
  通过GPS充分结合传感器网络实现局部定位,目前有许多系统能够解决自身定位问题,它们在用于定位的物理现象、网络组成、能量需求等方面有不同。
  六、无线传感器网络的应用内容
  1、军事防御
  在恶劣的战场环境中,无线传感器网络能够检测地方的兵力状况和装备状况,还能对敌军区域内的战场状况、定位目标物等进行实时监测,能够有效地监测核攻击和生物化学攻击。
  2、环境检测
  目前国家的环境状况日渐趋下,为保障环境满足人类所需有关部门应该加强环境的监测。无线传感器网络能够监测到的内容:平原、森林、海洋等的环境变化;灾害判定;空气、谁、土壤等的污染、生态上的监控;提供遭受化学污染的位置,检定污染种类。
  3、医疗卫生
  医疗水平快速提高的今天,无线传感器网络在医疗卫生领域大显身手。主要涉及远程健康管理、病人看护、紧急救护等。
  4、农业方面
  列举农业方面的一个典型例子,依据无线传感器网络在大兴的育苗场来检测土壤湿度和空气湿度来控制育苗场内的灌溉。
  无线传感器网络随着现代科技的高速发展得到了大众的广泛关注,它是一种多跳式无线的通信系统。无线传感器网络的应用领域宽广,文章通过细致分析物联网研究现状、与访问控制的关联、MAC层的具体含义与重要作用来对无线传感器网络的优点、现状和发展前景进行了深刻的剖析和探讨。
  参考文献
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