1.0 介紹

與有線通信相比，無線通信在過程和制造業領域已經成為強有力的競爭者。無線網絡技術的進步，特別是在短距離通信方面，為現場設備與主站聯網提供了巨大的機會。過程測量、控制和通信領域正穩步向無線戰略發展，因為最初的缺點正在被消除，而且系統變得越來越堅固和可靠。對于任何要無線聯網的過程控制系統，必須考慮的因素有:可靠性、可擴展性、實時混合數據傳輸、可用性、安全性以及與其他網絡共存。其他一些問題包括:傳感器類型、位置、功耗、本地數據處理能力和時間戳。

由于鋪設電纜會帶來巨大的投資，因此采用無線方式進行數據傳輸是首選的方式?，F場中的每個傳感器都表現為一個節點。在按照既定協議通過多跳通信發送到接收器或網關之前，網絡傳感器在本地采集、計算和處數據。傳感器節點的行為就像收發器一樣。它們都是數據發起者和數據路由器。本地數據處理減少了傳輸介質的負載。

如下圖所示，典型的傳感器網絡布局在到達最終用戶之前由傳感器節點、接收器或網關、互聯網/衛星和任務管理器組成。

無線網絡可以是個人區域網絡(PAN)、局域網(LAN)、城域網(MAN)、廣域網(WAN)或全球區域網絡(GAN)類型。

2.0 有線和無線的比較

有線網絡布設存在許多困難，如，昂貴的布線投入，擴建困難，特別是松散的連接；維護投入大，線路故障排除困難；易受電涌沖擊。

無線網絡更容易擴展，減少盲區。 不過，對于無線網絡來說，仍然存在一些問題，比如可靠性、安全性、信號干擾、信息攔截和竊聽。

3.0 ISM波段

無線傳感器網絡使用免許可的ISM(工業、科學和醫學)通信頻帶。ISM是一種發放許可的頻段，有三個頻段:902 ~ 928mhz、2.4 ~ 2.835 GHz和 分5.725-5.85 GHz。原來，醫療射頻加熱，微波爐的也ISM波段。

當兩臺或兩臺以上的無線設備在同一頻段內相鄰工作時，其中一臺的電磁輻射可能會影響另一臺的工作。每個網絡的設計都應該保證上述情況不會發生。如今，無線網絡越來越多地應用在各種領域，如，使用局域網的無線計算機網絡、藍牙和近場設備、無繩電話等。

下圖，顯示了免許可證電磁頻譜。不同的頻段有不同的輸出功率、帶寬和占空比。

4.0 無線標準

針對不同的需求和目的，使用不同的標準無線協議來發送數據/消息。其中包括:IEEE 802.11、IEEE 802.15、IEEE 802.16等。這些標準又有幾個細分版本，用于特定應用程序的無線協議取決于該應用程序的特定需求。

Wi-Fi是基于IEEE 802.11規范的局域網技術，有時也被稱為無線以太網，于1977年引入，而WiMAX是基于IEEE 802.16規范的。Wi-Fi采用載波感知多址防碰撞(CSMA-CD)作為媒介訪問控制(MAC)協議和半雙工共享媒介配置。WiMAX在傳感器網絡應用中更有優勢,因為它有更好的覆蓋率和容量。WiMAX使用全雙工傳輸模式進行數據傳輸，并采用請求/授權機制，假定入站和出站傳輸的通道是獨立的。

藍牙，有時也被稱為小型無線局域網，是一種低功耗的近距離開放式無線通信協議。它采用IEEE 802.15.1和通道跳頻方案，確保低延遲和高吞吐量?？缃邮諜C的跳頻為每秒1600跳，從而將干擾和衰落的機會降低到最低。藍牙采用時分雙工時分多址(TDD-TDMA)方案傳輸數據或消息。單獨的跳用于來回通信。它不能保證端到端通信延遲。它采用半雙工傳輸方式。

像藍牙一樣,ZigBee使用PAN技術，具有超低功耗，用于監控。它是基于 IEEE 802.15.4物理層和MAC層。它是一種低功耗、低成本、低數據速率的通信協議。ZigBee和藍牙一樣，不能保證端到端通信延遲。采用直接序列擴頻(DSSS)進行信息傳輸。它不提供頻率和路徑多樣性。ZigBee不能保證對干擾和障礙的可靠性。因此，雖然它是一種安全通信，但在工業中很少使用。

無線高速公路可尋址遠程傳輸(Wireless highway addressable remote transmission, WHART)基于IEEE 802.15.4協議，與現有的HART設備向后兼容。它使用2.4 GHz ISM非授權頻段進行通信，是自動化和控制領域WSNs的第一個開放標準協議。它采用TDMA技術，具有250kbits / s的數據速率。它支持任意兩個相鄰信道之間的5 MHz分離的信道跳變。WHART通過128 AES算法從MAC層和網絡層兩個方面提供安全保障。頻率分集、路徑分集和適當的消息傳遞方法保證了采用WHART的網絡的高可靠性。

ISA 100.11a和WHART一樣，基于IEEE 802.15.4，使用無許可的2.4 GHz ISM頻段。它不是向后兼容的。與該協議相關的一些特征是，低成本，低復雜性，低功耗，抗射頻干擾，互操作性，可擴展性。它可以在星形和網格拓撲中運行。通過使用包含非對稱加密的128 AES算法來確保消息保護。ISA 100.11a采用時分多址模式，確保路由器處于休眠狀態，因此功耗非常低。

5.0 節點結構

傳感器節點由傳感單元、處理單元、電源單元和通信單元等模塊組成。如下圖所示。

傳感單元可以由單個傳感器或多個傳感器組成。物理參數如溫度、壓力等通常由傳感器單元感知。然后由ADC轉換成數字信號，并送至處理單元。

處理單元接收ADC輸出的數據，并將其與物理無線層連接，管理無線網絡協議。通過軟件控制，該單元還設法減少無線電子系統、傳感器、信號調理和通信的功耗。它被預先編程來執行分配給它的任務。處理器的性能是根據數據速率、處理速度、內存和外設來選擇。

通信單元包括一個公共收發器，該收發器將節點連接到網絡。它主要用于在各節點和基站之間傳輸和接收數據/信息，反之亦然。通信單元主要有四種狀態:發送、接收、空閑和休眠。

無線傳感器網絡不依賴電力基礎設施向節點供電。電力來自可充電電池，或太陽能，適合各種環境。

傳感器節點執行數據采集，處理單元執行分析、聚合、壓縮和融合任務。節點中的另一個塊執行數據的管理、協調和配置。

6.0 傳感器網絡

傳感器網絡，如下圖所示，包括遠程傳感器、匯聚節點(或中間處理節點)和最終處理節點。傳感器支持單跳連接和多跳連接。整個組合被稱為傳感器域。

如果傳感器的位置和它們的時間戳都做得正確，它就能可靠地運行。節點與接收器通信。節點必須具備全球定位系統(GPS)的定位功能。節點收集數據、分析數據、壓縮數據并轉發(路由)到接收器。

數據在基站(最終處理節點)采集，因此離基站較近的節點有較大的數據負擔。一個合理的路由機制將緩解這個問題.

7.0 無線傳感器網絡的特點

無線傳感器網絡是可擴展的，使用非授權的ISM頻段進行數據傳輸。它是一種無基礎設施的點對點網絡。這種網絡的拓撲結構變化頻繁，通信是多對一的(數據在基站收集)，而不是對等類型。有些節點是密集的，而其他節點則不一定。節點本質上是功率受限和自配置的。無線傳感器網絡中的節點是能量受限的，并且對節點的加入/退出等拓撲變化具有魯棒性。來自幾組節點的數據被聚集在一起，因此需要的傳輸次數更少。

8.0 無線傳感器網絡的挑戰

由于無線傳感器網絡的能量非常有限，因此針對這種網絡的通信協議必須具有很高的能率。因此，這類協議主要考慮功耗和效率，而傳統的協議主要考慮吞吐量和時延.

無線傳感器網絡中的節點部署是協議開發很大程度上依賴的另一個關鍵領域。傳感器節點的隨機部署需要開發自組織協議。這樣的節點應該與其他節點協作，可以在沒有任何人為干預的情況下適應故障。在大多數情況下，部署在無線傳感器網絡中的節點是無人值守的，因此修復、維護和對新環境的適應應該是它們固有的。應該看到，傳感器節點的這種自我管理特性必須設計和實現，以便它們能夠在一致的基礎上運行.

9.0 與互聯網連接限制

能量和內存效率是兩個性能指標，在普通協議中不太受關注，而在無線傳感器網絡中則正好相反。因此，為了實現與互聯網的無縫連接，無線傳感器網絡將需要在設計上進行重大修改。

隨著無線技術的不斷發展和日益廣泛的應用，不同的網絡架構被應用于不同的領域，如認知無線電網絡、網狀網絡、無線傳感器網絡等。為了將這些不同的無線網絡與互聯網集成，需要互操作。為了實現這些協議與互聯網的無縫連接，開發位置和頻譜感知的跨層通信協議以及異構網絡管理工具至關重要。6LoWPAN標準是為了將IPv6標準與部署在無線傳感器網絡中的低功率傳感器節點集成而開發的。為了將IPv6設備和傳感器節點有機地結合在一起，對IPv6報文頭進行了壓縮，使其能夠適應傳感器節點。由于無線傳感器網絡和無線局域網(WLAN)運行在相同的頻譜范圍內，它們在MAC層的共存帶來了重大挑戰。

其他需要解決的主要問題是，(a)傳感器節點和互聯網之間的端到端路由(或連接)，(b)現有的傳感器網絡傳輸層解決方案與互聯網服務中廣泛使用的傳輸控制協議(TCP)和用戶數據報協議(UDP)不兼容。同樣，傳感器網絡的傳輸協議應該這樣設計，以保證傳感器數據和其他事件特征的無縫可靠傳輸貫穿整個傳感器網絡。

10.0 拓撲

網絡中的傳感器節點是相互關聯的,稱為拓撲。無線網絡中使用的不同拓撲如，星型(單點對多點)、網格和星網(混合)。

星型網絡，如下圖所示：

基站可以從遠程節點接收/發送數據。一個遠程節點不能向另一個遠程節點發送數據，也就是說，端到端的通信是不可能的。星型網絡的優點，簡單、快速和遠程節點的能量消費保持在最低限度。從基站到遠程節點始終保持低電平狀態。但基站必須在連接到它的所有節點的無線電傳輸范圍。這種拓撲在一定程度上也有弱點，因為如果基站出現故障，這部分網絡就會離線。

網格網絡,如下圖所示：

當傳感器被放置在一個具有高冗余的大型地理區域時使用。由于無線傳感器網絡是一個自配置的網絡,如果一個傳感器突發故障,它會自動確定最好的路徑。這種拓撲具有冗余性和可伸縮性的優點。

當一個節點想要將數據發送到它的無線電傳輸范圍之外的節點時，就使用網狀網絡。在這種情況下，節點將其數據傳輸到在其無線電傳輸范圍內的相鄰節點。它從第二個節點傳遞到第三個節點。這個過程一直重復，直到消息到達最終目的地。這被稱為多跳通信。

由于網狀網絡中的多跳通信類型，位于中間的節點需要傳遞和轉發信息，將消耗更多的電池電量，從而限制了它們的壽命。多跳通信的另一個相關缺點是消息的傳遞時間——當消息到達目的地的跳數增加時，傳遞時間就變長。

在網格拓撲中進行的多跳通信導致單跳覆蓋的距離更短。由于信號路徑損耗是路徑距離的逆指數，因此保證了接收到的信號在接收器處的質量。

星形網格或混合拓撲下如圖所示。得到了星形網絡和網狀網絡的優點，即星形網絡的功耗較低，網狀網絡具有自修復能力。

11.0 共存的問題

當多個相鄰無線信道同時發送數據時，射頻干擾將成為影響接收端正確接收數據的問題。共存被定義為“一個系統在給定環境中執行任務的能力，其中其他系統有能力執行其任務，并且可能使用或不使用同一套規則“。例如，IEEE 802.15.4和IEEE 802.11b/g都使用2.4 GHz的非授權頻段進行數據傳輸。如果這兩種協議在相鄰的區域進行數據傳輸，則射頻干擾可能會影響兩個信道。必須注意減少這種干擾，以提高接收質量。當使用這些協議且能量充足的兩個消息在時域或頻域發生碰撞或重疊時，問題會更加嚴重。

針對上述問題，采用了時間分集、頻率分集、功率分集、編碼分集、空間分集、黑名單和信道評估等技術。

下圖，顯示了802.15.4和802.11 b/g在2.4 GHz下的響應 ISM頻段。從圖中可以看出，前者有16個頻道，后者有3個頻道。從圖中可以明顯看出，802.15.4的頻道號15、20、25和26(針對北美)或15、16、21和22(針對歐洲)將較少受到802.11 b/g斜率的影響。WHART利用偽隨機信道跳變序列，通過使用這些不重疊的信道來減少這種干擾。

WHART使用TDMA技術在任何給定的時刻每個頻率信道發送一條消息，以避免碰撞。WHART網絡可以通過配置來避免某些其他網絡也經常使用的信道。這樣可以避免碰撞和干擾。WHART網絡在初始化消息/數據傳輸之前監聽信道。如果信道繁忙，則將當前傳輸預留出來，并分配一個未來的時隙用于重傳。

在編碼分集中，采用DSSS技術將消息傳播到所選信道的整個帶寬上。這樣可以減少干擾。

空間多樣性是通過采用網狀網絡實現的。在這種情況下，原始消息可能通過不同的路徑傳遞到網關(這取決于流量負載和中間節點的可用性)。

12.0 傳統、現場總線和無線網絡體系結構的比較

常規現場總線系統和無線傳感器網絡的體系結構如下圖所示：

無線網絡的主要優點是沒有其他系統中普遍存在的有線連接。它導致更少的維護，更少的成本，更少的人力投入，等等。但是，無線網絡應該防止竊聽和來自鄰近信道的射頻干擾，而且它必須保持連接，不管靜態或移動傳感器.

13.0 無線傳感器網絡協議

有線網絡中的通信是通過引導介質進行的，而無線網絡中的通信則是通過空氣中的電磁信號傳輸進行的。對于后一種情況，傳感器節點需要自組織以具有多跳通信功能。為了提高效率，節點必須以非常有效的方式共享所有資源。這可以通過一個決定網絡整體性能的高效MAC來實現。

傳感器節點和接收器使用的協議棧，如下圖所示：

由于網絡中使用了許多節點，因此要確保在任何時間點都有一個節點訪問傳輸介質。

數據鏈路層(DLL)被細分為兩個子層:上層邏輯鏈路控制(LLC)子層和下層MAC子層。LLC需要適應媒介共享訪問所需的邏輯，并支持不同的MAC版本。根據傳感器節點的拓撲結構、所需的服務質量(QoS)和通信通道的特性，需要不同的版本。

MAC子層的功能包括:(a)調節對共享媒介的訪問，(b)在數據流的前面附加包含地址信息的報頭字段，并在數據流的尾部附加用于錯誤檢測的拖尾字段。(c)在接收端，刪除地址和錯誤控制字段，并就接收到的地址和數據的正確性作出判斷。

為了決定哪個節點可以訪問通信通道，節點之間必須交換一些信息。因此，MAC協議的復雜性和開銷增加了。

協議的性能指標取決于許多因素，如吞吐量、延遲、健壯性、穩定性、可伸縮性、公平性和能源效率。較高的吞吐量使系統快速，從而減少消息到達接收者的延遲。如果這個網絡不受錯誤和錯誤信息的影響，它就被認為是強大的。穩定性是指在一段時間內以可靠的方式處理流量負載波動的能力。如果一個系統的性能與網絡的大小保持不變，則該系統被稱為可伸縮的。公平性是指在競爭節點之間公平地共享信道容量，而不降低吞吐量。能源效率是無線網絡中最重要的問題之一，當網絡在地理上廣泛分散時尤其如此。導致能源效率低下的因素有:沖突、控制包開銷、空閑監聽和不同模式之間的切換。

網絡的性能取決于MAC協議的選擇。這樣的協議有，固定分配協議、按需分配協議、隨機分配協議、泛洪協議和流言協議。開發它們是為了在實現合理的資源分配和實現資源所需的開銷之間取得平衡。

14.0 安全

資源受限的無線傳感器節點很容易成為網絡釣魚等外部惡意攻擊的目標。對手可以監聽網絡中的流量，操縱數據，甚至冒充操作節點之一。

通常情況下，這樣的網絡有大量的節點，為每個節點提供安全性實際上是一個挑戰。由于擴展或刪除突然失效的節點而增加的節點對軟件設計工程師來說是一個挑戰。

密碼學確保發送端和接收端之間的安全數據通路。在發送端，普通或純文本被轉換成密文，稱為加密。相反的過程稱為解密，在接收端進行。數據加密需要算法和密鑰。雖然算法可能不是秘密的，但用于加密的密鑰是完全保密的。組成密鑰的比特數是巨大的，不可能得到密鑰的組合。有兩種類型的密碼:對稱密碼和非對稱密碼。在對稱密碼體制中，加密和解密使用相同的密鑰，而非對稱密碼體制則使用不同的密鑰。密碼學保證了數據的完整性、機密性、設備和消息的認證。任何密碼系統的安全強度都取決于使用的密鑰，而不是算法。

安全服務還包括驗證、訪問控制、可伸縮性和數據新鮮性。驗證意味著使用資源的授權是否正確，而訪問控制是指限制對資源的訪問。可擴展性是指在不影響安全性的前提下增加節點，保證系統的可靠運行。數據新鮮性意味著消息保持新鮮，即它們不會被重用，而且是有序的。

有效的密鑰管理方案(KMS)是有效應對數據安全或網絡釣魚攻擊的必要手段。當一個節點加入或退出系統時，KMS對于一個安全可靠的網絡環境起著至關重要的作用。

傳感器網絡的安全目標包括:機密性、完整性、認證性和可用性。機密性意味著系統能夠保護消息不被竊聽，因為消息從一個節點依次傳遞到下一個節點，直到到達接收者。完整性是指消息在網絡中傳播時不被篡改/更改/改變。身份驗證指的是確認消息來源的能力。可用性意味著確保網絡對消息在網絡中移動是可用的。

數據的新鮮度成為一個嚴重的安全問題，特別是當WSN節點使用共享密鑰進行消息通信。在這種情況下，攻擊者可以使用舊密鑰發起重放攻擊，因為新密鑰正在刷新并傳播到網絡中連接的所有節點。可以通過在每個數據包中添加nonce或時間戳來保證數據的新鮮度。