2024-12-10
近年來，無線傳(chuan) 感器網絡的高效設計已成為(wei) 一個(ge) 突出的研究領域。傳(chuan) 感器是一種檢測並響應來自物理或環境條件（如壓力、熱量、光等）的各種輸入的設備。傳(chuan) 感器的輸出通常是傳(chuan) 輸到控製器進行進一步處理的電信號。本文概述了無線傳(chuan) 感器網絡的類型、分類、攻擊類型、移動類型和路由協議。
一、無線通信項目：
基於(yu) 無線通信的項目主要利用各種無線技術，例如GPS、藍牙、RFID、Zigbee和GSM。為(wei) 了更好地了解這些無線通信技術，我們(men) 通過具體(ti) 項目對其進行了探索。讓我們(men) 回顧一下專(zhuan) 門為(wei) 工程專(zhuan) 業(ye) 學生策劃的一些基於(yu) 無線通信的項目創意。我們(men) 相信這些項目想法將對許多最後一年的學生成功完成他們(men) 的B.技術非常有益。
二、WSN（無線傳(chuan) 感器網絡）網絡拓撲：
在無線電通信網絡中，WSN（Wireless Sensor Network）的架構包含各種拓撲，如下所述。
1．星形拓撲：星形拓撲是一種通信布局，其中每個(ge) 節點都直接連接到中央網關(guan) 。一個(ge) 網關(guan) 可以向多個(ge) 遠程節點發送消息或從(cong) 多個(ge) 遠程節點接收消息。在星形拓撲中，節點之間被限製發送消息。此設置有助於(yu) 遠程節點和網關(guan) （基站）之間的低延遲通信。因為(wei) 它依賴於(yu) 單個(ge) 節點來管理網絡，所以網關(guan) 必須在所有單個(ge) 節點的無線電傳(chuan) 輸範圍內(nei) 。這種設計的優(you) 勢是最大限度地減少並輕鬆控製遠程節點的功耗。網絡大小由與(yu) Hub建立的連接數決(jue) 定。
2．樹形拓撲：樹形拓撲也稱為(wei) 級聯星形拓撲，將每個(ge) 節點連接到更高級別的節點，並最終連接到網關(guan) 。樹拓撲的主要優(you) 點是可以輕鬆擴展網絡並檢測錯誤。但是，它的主要缺點是它對總線電纜的依賴性;如果電纜發生故障，則整個(ge) 網絡都會(hui) 崩潰。
3．網格拓撲：網格拓撲支持在其無線電傳(chuan) 輸範圍內(nei) 的節點之間傳(chuan) 輸數據。如果一個(ge) 節點需要向超出其射頻範圍的另一個(ge) 節點發送消息，則中間節點必須將消息中繼到目標節點。網狀拓撲的主要優(you) 點是可以直接隔離和檢測網絡故障。缺點是網絡的大規模需要大量投資。
三、無線傳(chuan) 感器網絡的類型：
網絡類型的選擇取決(jue) 於(yu) 環境，允許在水下、地下、陸地和其他設置中部署。各種類型的WSN包括：
●地麵WSN。
●地下WSN。
●水下WSN。
●多媒體(ti) WSN。
●移動WSN。
1．地麵WSN：地麵WSN與(yu) 基站高效通信，由成百上千個(ge) 無線傳(chuan) 感器節點組成，以非結構化（adhoc）或結構化（預先規劃）方式部署。在非結構化模式下，傳(chuan) 感器節點隨機分布在目標區域內(nei) ，從(cong) 固定平麵上丟(diu) 棄。預先規劃或結構化模式包括最佳放置、網格放置以及2D或3D放置模型。在這些WSN中，電池電量有限，但太陽能電池用作輔助電源。通過低占空比操作、最大限度地減少延遲和采用最佳布線策略來實現節能。
2．地下WSN：由於(yu) 要考慮部署、維護和設備費用，部署地下無線傳(chuan) 感器網絡的成本高於(yu) 地麵WSN，因此需要仔細規劃。這些網絡由隱藏在地下的傳(chuan) 感器節點組成，用於(yu) 監測地下條件。其他接收器節點位於(yu) 地麵以上，用於(yu) 將信息從(cong) 傳(chuan) 感器節點中繼到基站。
由於(yu) 電池電量有限且環境惡劣，為(wei) 部署在地下的傳(chuan) 感器電池節點充電帶來了挑戰。此外，由於(yu) 高水平的衰減和信號損失，地下環境中的無線通信具有挑戰性。
3．水下WSN：地球表麵的70%以上被水覆蓋。這些係統由多個(ge) 傳(chuan) 感器節點和位於(yu) 水麵下的車輛組成。采用自主潛水器從(cong) 這些傳(chuan) 感器節點收集數據。水下通信中的一個(ge) 障礙包括延長的傳(chuan) 播延遲、帶寬限製和傳(chuan) 感器故障。浸沒式WSN配有不可充電且不可更換的有限電池。解決(jue) 水下WSN的節能問題需要改進水下通信和網絡方法。
4．媒體(ti) WSN：已經提出了以媒體(ti) 為(wei) 中心的無線傳(chuan) 感器網絡，以通過多媒體(ti) 格式（如圖像、視頻和音頻記錄）促進對事件的監視和跟蹤。這些網絡包括嵌入麥克風和攝像頭的廉價(jia) 傳(chuan) 感器節點。這些節點建立無線互連，以促進數據壓縮、檢索和關(guan) 聯。與(yu) 多媒體(ti) WSN相關(guan) 的障礙包括能耗增加、帶寬要求增加以及數據處理和壓縮技術的改進。此外，多媒體(ti) 內(nei) 容需要充足的帶寬才能實現無縫和高效的交付。
5．漫遊WSN：這些網絡包含一組傳(chuan) 感器節點，這些節點能夠自主移動並與(yu) 周圍環境交互。移動節點具有感知、計算和通信的能力。與(yu) 靜態傳(chuan) 感器網絡相比，漫遊無線傳(chuan) 感器網絡表現出更強的適應性。與(yu) 固定式無線傳(chuan) 感器網絡相比，RWNS的優(you) 勢包括增強覆蓋範圍、提高能源效率、增加信道容量等。
四、無線傳(chuan) 感器網絡的分類：
WSN的分類可以基於(yu) 其應用程序，但其屬性主要根據其類型而變化。通常，WSN分為(wei) 各種分類，包括：
●固定和移動。
●確定性和非確定性。
●單基站和多個(ge) 基站。
●固定和移動基站。
●直接和間接WSN。
●自主&非自主。
●同質&異質。
1．固定和移動WSN：在許多應用中，傳(chuan) 感器節點的部署無需移動，從(cong) 而使這些網絡保持靜態。但是，某些應用程序（例如監測生物係統）采用移動傳(chuan) 感器節點，稱為(wei) 移動網絡。一個(ge) 突出的例子是動物追蹤。
2．確定性和非確定性WSN：在確定性網絡中，傳(chuan) 感器節點的排列是預先確定且可計算的。此類網絡可能足以滿足預先計劃的節點操作可行的特定應用程序。相反，由於(yu) 不利的環境條件等因素，非確定性網絡缺乏預定的節點位置，因此需要複雜的控製係統。
3．單基站和多個(ge) 基站：單個(ge) 基站網絡利用位於(yu) 傳(chuan) 感器節點區域附近的單個(ge) 基站，從(cong) 而促進節點通過基站進行通信。相反，多基站網絡使用多個(ge) 基站，傳(chuan) 感器節點將數據傳(chuan) 輸到附近的基站。
4．固定和移動基站：基站類似於(yu) 傳(chuan) 感器節點，可以是移動的，也可以是固定的。固定基站保持固定位置，通常靠近感應區域。相反，移動基站在傳(chuan) 感器區域內(nei) 移動以平衡傳(chuan) 感器節點負載。
5．直接和間接的WSN：在直接WSN中，傳(chuan) 感器節點直接與(yu) 基站通信。相反，間接WSN利用集群頭和對等節點來中繼數據，從(cong) 而降低能耗。
6．自主和非自主配置：在不可自配置的網絡中，傳(chuan) 感器網絡無法自主配置，而是依賴控製單元來收集數據。在無線傳(chuan) 感器網絡中，傳(chuan) 感器節點維護和組織網絡，與(yu) 其他傳(chuan) 感器節點協同工作以實現其目標。
7．同質&異質：在同構無線傳(chuan) 感器網絡中，所有傳(chuan) 感器節點都具有相似的能耗、存儲(chu) 容量和計算能力。相比之下，在異構網絡中，一些傳(chuan) 感器節點比其他傳(chuan) 感器節點具有更高的計算能力和更大的能源需求。因此，處理和通信任務將基於(yu) 這些功能進行分配。
五、WSN中的威脅類型：
各種威脅以無線傳(chuan) 感器網絡為(wei) 目標，帶來了不同的挑戰。這些威脅分為(wei) 兩(liang) 種主要類型：主動攻擊和被動攻擊。在主動攻擊中，攻擊者旨在更改或攔截網絡內(nei) 傳(chuan) 輸的消息。他們(men) 可能會(hui) 操縱或重放舊消息，或注入自己的流量以中斷網絡操作或誘發拒絕服務。被動攻擊涉及監控和分析交換的流量，而不進行任何更改。雖然更容易檢測，但被動攻擊更微妙，因為(wei) 它們(men) 不會(hui) 修改交換的數據。攻擊者追求這些數據是為(wei) 了收集機密信息或收集有關(guan) 網絡拓撲和節點數據的見解。
這些威脅的示例包括：
●篡改
●身份複製攻擊
●黑洞
●蟲洞攻擊
●選擇性轉發
●疲憊
●女巫攻擊
● 勒索攻擊
●HELLO洪水攻擊
●幹擾
六、無線傳(chuan) 感器網絡中的各種移動性：
在特設網絡中，節點移動性是一個(ge) 基本方麵。在WSN中，移動性主要用於(yu) 區分網絡元素，其相關(guan) 性取決(jue) 於(yu) 特定應用程序。雖然無線傳(chuan) 感器網絡應用涵蓋不同的領域，但並非所有領域都需要移動性，這強調了它在相關(guan) 環境中的重要性。WSN具有三種不同類型的移動性：
1．傳(chuan) 感器節點移動性：當傳(chuan) 感器節點的最微小組件是移動的時，就會(hui) 發生傳(chuan) 感器節點移動。一個(ge) 典型的例子是傳(chuan) 感器節點在監控區域內(nei) 自主遍曆和漫遊。這種配置適用於(yu) 動物監測和跟蹤，其中傳(chuan) 感器安裝在動物身上。
2．匯聚節點移動性：在這種情況下，接收器節點在監控區域內(nei) 具有獨立的移動性，可以從(cong) 傳(chuan) 感器網絡收集數據。這種移動性有助於(yu) 高效的數據收集和傳(chuan) 播。
3．受監控對象或事件移動：當部署無線傳(chuan) 感器網絡用於(yu) 跟蹤或監控目的，並在事件驅動型數據模型下運行時，就會(hui) 發生這種類型的移動性。網絡動態響應受監控對象或事件的移動模式。此外，采用運動建模進行目標跟蹤增強了網絡的預測能力，有助於(yu) 估計整個(ge) 跟蹤過程中的數據生成模式。
七、無線傳(chuan) 感器網絡中的各種路由協議：
路由協議用作確定從(cong) 源到目標的數據傳(chuan) 輸的最佳路徑的機製。此過程會(hui) 遇到各種挑戰，這些挑戰受網絡類型、性能指標和通道特征的影響。路由的選擇取決(jue) 於(yu) 網絡拓撲、能源效率、數據可靠性和延遲等因素。路由協議的多樣性可滿足不同WSN部署的獨特要求和約束，確保高效可靠的數據傳(chuan) 輸。
路由障礙：
與(yu) 傳(chuan) 統無線網絡相比，WSN的路由協議設計具有獨特的特性，因此帶來了重大挑戰。WSN中會(hui) 出現各種路由挑戰，其中一些將在下麵概述。
將通用標識符分配給大量傳(chuan) 感器節點非常複雜，這使得基於(yu) IP的經典協議變得不切實際。與(yu) 傳(chuan) 統通信網絡不同，WSN必須有效地將來自不同來源的信息聚合到特定的基站。
在WSN中，生成的數據冗餘(yu) 很常見，因為(wei) 多個(ge) 傳(chuan) 感器節點可能會(hui) 檢測到類似的信息。路由協議必須利用這種冗餘(yu) ，同時考慮可用帶寬和能源限製。
無線節點在帶寬、傳(chuan) 輸能量、存儲(chu) 容量和板載功率方麵麵臨(lin) 限製，因此需要開發專(zhuan) 門的路由協議來應對WSN路由挑戰。
設計困境：
WSN帶來了一些設計挑戰，這些挑戰源於(yu) 帶寬、處理能力、存儲(chu) 和能源等資源限製。在製定新的路由協議時，網絡工程師必須確保遵守以下原則：
●能效
●傳(chuan) 感器定位
●複雜性管理
●數據傳(chuan) 輸和模型
●可擴展性
●魯棒性
●延遲管理
八、WSN挑戰：
無線傳(chuan) 感器網絡中遇到的挑戰包括：
●容錯
●可擴展性
●部署成本
●運行環境
●服務質量
●數據聚合
●數據壓縮
●數據延遲
1．容錯：在WSN中，由於(yu) 斷電或物理損壞而導致的偶發傳(chuan) 感器節點故障不應中斷整體(ti) 網絡性能。這種在節點故障的情況下維持網絡功能的能力稱為(wei) 容錯能力。
2．可擴展性：由於(yu) 傳(chuan) 感區域中可能部署了數千個(ge) 甚至數百個(ge) 節點，因此路由方案必須具有可擴展性，才能有效處理事件並保持穩定性。
3．部署成本：傳(chuan) 感器網絡的成本效益在很大程度上取決(jue) 於(yu) 單個(ge) 傳(chuan) 感器節點的可負擔性。確保每個(ge) 節點的低價(jia) 格對於(yu) 將整個(ge) 網絡的生產(chan) 成本維持在合理水平至關(guan) 重要。
4．運行環境：傳(chuan) 感器網絡部署在各種環境中，從(cong) 工業(ye) 機械和水下位置到化學或生物汙染區域、家庭、戰場，甚至用於(yu) 森林監測的快速移動的車輛或動物。適應如此不同的操作環境對WSN部署構成了重大挑戰。
5．服務質量：應用程序需要特定的服務質量要求，例如能源效率、延長使用壽命和數據可靠性，因此需要量身定製的方法來有效滿足這些需求。
6．數據聚合：使用各種功能（如平均、最大值或最小值）組合來自不同來源的數據稱為(wei) 數據聚合，有助於(yu) 在WSN中高效處理和傳(chuan) 輸數據。
7．數據壓縮：減小數據包的大小以優(you) 化帶寬和存儲(chu) 利用率稱為(wei) 數據壓縮，可在資源受限的WSN中實現更高效的數據傳(chuan) 輸和存儲(chu) 。
8．數據延遲：數據延遲受數據聚合和多跳中繼等因素的影響，是設計路由協議時的一個(ge) 關(guan) 鍵考慮因素，因為(wei) 它直接影響網絡性能和響應能力。
九、無線傳(chuan) 感器網絡麵臨(lin) 的挑戰：
無線傳(chuan) 感器網絡在設計、拓撲和操作方麵遇到了各種挑戰。不同類型WSN的設計挑戰包括：
1．低延遲。
2．容錯。
3．覆蓋範圍問題。
4．傳(chuan) 輸介質。
5．可擴展性。
十、WSN中的拓撲挑戰包括：
1．傳(chuan) 感器覆蓋孔。
2．地理路由。
3．覆蓋拓撲。
十一、影響WSN設計和性能的關(guan) 鍵問題包括：
1．WSN的操作係統和硬件選擇。
2．中間件實現。
3．無線電通信的特點。
4．介質訪問控製方案。
5．部署策略。
6．定位技術。
7．傳(chuan) 感器網絡編程模型。
8．同步機製。
9．網絡架構設計。
10．傳(chuan) 感器校準。
11．以數據庫為(wei) 中心的方法和查詢方法。
12．網絡層協議。
13．數據傳(chuan) 播和聚合技術。
14．傳(chuan) 輸層協議。
有效解決(jue) 這些問題對於(yu) 確保各種應用和環境中無線傳(chuan) 感器網絡的可靠性、效率和穩健性至關(guan) 重要。
十二、約束：
無線傳(chuan) 感器網絡麵臨(lin) 以下幾個(ge) 限製：
1．存儲(chu) 容量有限，通常在幾百KB的範圍內(nei) 。
2．中等處理能力，通常在8MHz左右。
3．在較短的通信範圍內(nei) 工作，導致高功耗。
4．需要最少的能源，限製協議設計。
5．使用使用壽命有限的電池。
6．無源設備對網絡的貢獻很小。
十三、無線傳(chuan) 感器網絡的應用：
無線傳(chuan) 感器網絡在各個(ge) 領域都有不同的應用：
1．環境監測，包括森林檢測、動物追蹤、洪水檢測和天氣預報。
2．地震活動預測和監測等商業(ye) 應用。
3．用於(yu) 跟蹤、環境監測和監視的軍(jun) 事應用。
4．用於(yu) 跟蹤和監控患者和醫療專(zhuan) 業(ye) 人員的健康應用程序。
5．用於(yu) 交通監控、動態路線管理和停車場監控的運輸係統。
6．快速應急響應、工業(ye) 過程監測、自動化建築氣候控製、生態係統和棲息地監測以及土木結構健康監測。
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