《面向物联网的传感器网络综述》 钱志鸿，王义君，电子与信息学报，2013,1 Vol.35 No.1

1、什么是无线传感器网络(WSN)，WSN与物联网的关系？

无线传感器网络是由部署在监测区域内的大量传感器节点，通过无线通信，形成的多跳自组织网络。

物联网系统架构由四部分组成：底层网络分布，汇聚网关接入，互联网络融合以及终端用户。

关系：无线传感器网络是物联网底层网络的重要技术形式。

2、WSN亟待突破的关键技术有哪些？

WSN关键技术体现在三个方面：信息采集系统设计、网络服务支持、网络通信协议设计。

3、信息采集系统设计中的关键技术有哪些？

• WSNs网络模型设计

• 系统平台和操作系统

• 数据存储方式

• 测试床设计

WSN网络模型：从整体上把握网络面向应用的特点，协调网络结构，适应不同应用环境。

主要困境：WSN网络模型支持大范围的传感器节点布置，但是每个厂商的传感器节点产品在无线通信模块、微处理器和存储空间方面不尽相同，对于融合多类型传感器节点到统一的系统平台是一个巨大挑战。

操作系统，必须支持多种类型的传感器节点，同时做到感知和处理数据的高效性.

WSN存储数据研究工作集中于：网络外部存储、本地存储、以数据为中心的存储   三个方面

测试床设计：对于研究者在真实物理环境中进行WSNs实验十分重要。

它可以给研究者提供一个验证相关协议、算法和各种网络应用的有效平台。 Idriya、MoteLab就是这种测试床

但是目前对于测试床的设计，并没有一个统一的标准规范。

4、网络服务支持方面的关键技术有哪些？

• 传感器节点的配置、处理和控制

• 数据管理和控制服务

• 网络安全机制

节点配置主要有两方面的应用：网络覆盖度 和 定位。

覆盖度： 对于WSN非常重要，它影响了需要配置的传感器节点的数量，节点的位置，连通性和能量。

定位：位置信息是传感器节点感知数据过程中不可少的参量，缺少位置信息的感知数据通常是没有意义的。

时间同步技术：应用于传感器数据融合、节点数据处理、测量距离、定位等方面。

由于能量限制，传统网络的同步算法不适用WSN 。

WSN时间同步算法，需要从扩展性、稳定性、能量有效和鲁棒性等方面综合考虑。保证最大精度和最小能耗的折中。

目前绝大多数WSNs的相关应用研究，都假设系统时钟已经同步，然而，在实际应用系统中，时钟总会存在一定偏差，应用结构必然受到影响。

WSN定位：测距定位算法、非测距定位算法

前者定位精度高，但对于硬件要求高，开销大。 主要有：到达角度(AOA)、到达时间(TOA)、到达时间差(TDOA)、基于信号接收强度(RSSI)四种方法

后者定位精度比较差，但对于硬件要求低，开销小。主要有：质心算法、DV-Hop算法

目前，前者技术相对成熟，后者还处于理论研究阶段。

后者更受关注，因为其在成本、功耗方面的优势。

网络拓扑覆盖：在达到网络连通性和覆盖度的要求下，通过网络内节点选择策略，避免节点间的冗余通信链路，形成数据转发优化的网络结构。

目前主要有两种方法：层次型拓扑控制 和 功率控制

层次型拓扑控制：采用分簇机制，选择部分网内节点作为簇头，由簇头节点形成数据处理和转发的传输体系。

功率控制：通过调整网络中节点的发射功率，在网络保证连通的前提下，均衡节点路由邻居节点数量和网络能量消耗。

现有的算法通常只是针对网络拓扑的某一方面进行了优化和设计，相关研究缺乏系统性。

所以，WSN的拓扑研究还处于理论研究阶段，多种拓扑结构结合可能取得良好的效果，可采用启发式或者计算几何算法等机制。

数据融合与压缩

WSN中的数据收集模式有三种：基于查询的数据收集模式、基于周期汇报的数据收集模式、基于事件汇报的数据收集模式

网络安全机制：

WSN安全策略包括安全路由、访问控制、入侵检测、认证和密钥管理等。

传统的计算机网络中，主机之间是采用固定网络连接的，采用分层的网络体系结构。 

由于WSN分散连接，每个节点都可以随意移动，节点间通过无线信道连接，节点自身充当路由器，致使传统网络中的安全机制不再适用于WSN。

5、网络通信协议设计的关键技术有哪些？

WSN通信协议栈的研究重点在 数据链路层、网络层、传输层 以及 跨层交互

数据链路层：通过介质访问控制来构建底层基础结构，控制节点工作模式。

网络层：路由协议决定感知信息的传输路径。

传输层：确保源节点和目的节点处数据的可靠性和高效性。

① IEEE802.15.4/ZigBee协议

IEEE802.15.4标准致力于低速率网络，Zigbee建立在IEEE802.15.4标准之上。

IEEE802.15.4协议规定了网络的物理层和MAC层；

ZigBee协议规定了网络层和应用层；

IEEE802.15.4 + ZigBee协议具有组网灵活方便、成本低、能量消耗低等特点，所以WSN通常采用该协议作为无线通信的标准。

IEEE802.15.4/ZigBee协议的宗旨：在保证数据传输质量的基础上达到最小的功率消耗。

如何尽可能地降低网络能量消耗一直是研究人员追求的目标。

对于IEEE802.15.4标准物理层的研究，目前仅仅停留在物理层的低功耗无线电收发器设计或者对物理层的软件仿真，几乎没有对协议改进的研究。

对于IEEE802.15.4标准MAC层的研究，重点是解决隐藏节点，精确同步，竞争管理，异步唤醒等问题，其核心还是如何节约能量。

对于ZigBee网络层的研究相对较少，没有形成相对成熟的理论体系，已有的研究局限于对现有协议的分析和完善。几乎所有的研究都是围绕节约能量展开的。

对于ZigBee的研究，目前和未来的研究方向将主要集中在进一步降低网络能耗，延长网络寿命等路由算法方面。

② 6LOWPAN协议

物联网包含两层含义：

• 互联网是物联网的核心和基础，物联网必须在互联网的基础上进行延伸和扩展；

• 终端用户为所有物品与物品之间，可以进行信息交换和通信；

当前阶段，物联网所要解决的关键问题之一是底层异构网络语互联网的相互融合。

IEEE802.15.4协议是短距离无线通信标准，

IPv6是下一代互联网网络层的主导技术，

因此，在IP协议的基础上实现物联网底层异构网络与互联网的相互融合是未来无线传感器网络的主要发展方向。

在网络层，未来的研究热点主要集中在WSN与互联网的无缝连接、路由安全、路由服务质量保证等方面。

附表：WSN关键技术 和 WSN面临的挑战

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读书笔记——面向物联网的传感器网络综述