第一章无线传感网络概述
1.1 无限传感器网络的基本感念
无线传感器网络 Wireless Sdnsor Network
定义：大量静止或移动的传感器节点以自组织和多跳的方式构成的无线网络。
目的：协作探测、处理和传输网络覆盖区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。
传感器网络
功能：实现数据采集、处理和传输
基本要素：传感器、感知对象和用户
Ad Hoc 网络：
定义：是一种多跳的、无中心的、自组织无线网络，又称为多跳网，无基础设施网或自组织网。
1.2 无线传感器网络的特征
1.2.1与现有无线网络的区别（其他网络）
（1）集成了监测、控制以及无线通信的网络系统
（2）节点数目庞大
（3）节点分布密集
（4）节点容易出现故障
（5）网络拓扑结构易发生变化
（6）传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力等都十分有限
（7）传统无线网络的首要设计目标是提供高服务质量和高效带宽利用，其次才考虑节约能源，而传感器网络的首要设计目标是能源的高效使用
1.2.2与现场总线的区别
（1）现场总线是应用在生产现场和微机化测量控制设备之间、实现双向串行多节点数字通信的系统
（2）开放式、数字化、多点通信的底层控制网络
（3）现场总线作为一种网络形式，专门为实现在严格的实时约束条件下工作而特别设计的
（4）由于现场总线通过报告传感数据从而控制物理环境，与传感器网络非常相似
（5）无线传感器网络关注的不是数十毫秒范围内的实时性，而是具体的业务应用，这些应用能够容许较长时间的延迟和抖动
（6）传感器网络自适应协议在现场总线中并不需要，如多跳、自组织的特点，而且现场总线及其协议也不考虑节约能源问题
较为流行的现场总线：
（1）CAN（控制局域网络）
（2）Lonworks（局部操作网络）
（3）Profibus（过程现场总线）
（4）HART（可寻址远程传感器数据通信）
（5）FF（基金会现场总线）
1.2.3传感器节点的限制
1.电源能量限制
（1）传感器节点体积微小
（2）通常携带能量十分有限的电池
（3）传感器节点消耗能量的模块包括传感器模块、处理器模块和无线通信模块
（4）传感器节点的绝大部分能量消耗在无线通信模块
无线通信模块存在发送、接收、空闲和睡眠4种状态
空闲时监听无线信道的使用情况，检查是否有数据发送给自己
睡眠时关闭通信模块
在发送状态的能量消耗最大，接收和空闲时消耗接近，睡眠消耗最少。
如何提高网络通信效率？
较少不必要的转发和接收，不需要通信时尽快进入睡眠状态。
2.通信能力限制
（1）节点部署贴近地面时，障碍物多，干扰大
（2）天线对信号发射质量的影响大
（3）随着通信距离增加能耗将急剧增加
（4）节点的无线通信半径在100m以内
（5）节点通信带宽有限
无线通信的能量消耗与通信距离的关系为：
k是系数，n满足关系2<n<4，n的取值与很多因素有关，例如传感器节点部署贴近地面时，障碍物多干扰大，n 的取值就大
传感器节点的无线通信速率通常仅有几百kbps
3.计算存储能力限制
（1）微型嵌入式设备
（2）价格低，功耗小
（3）携带处理器能力较弱
（4）存储器容量较小
（5）需动态能量管理和动态电压调节模块支持
改进：
开发超低功耗的微处理器
为传感器节点的操作系统设计了动态能量管理和动态点药调节功能，能更有效利用节点各种资源
1.2.4传感器组网的特点
1.自组织性
能够自动地进行配置和管理，通过拓扑控制和网络协议，，自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。
2.以数据为中心
传感器网络以数据本身作为查询或传输线索，当用户需要查询事件时，网络在获得制定事件的信息后汇报给用户。
3.应用相关性
4.动态性
5.网络规模大
6.可靠性
1.3 无线传感器网络的关键性能指标
1.网络的工作寿命
2.网络覆盖范围
3.网络搭建成本和难易程度
4.网络响应时间
1.4 无线传感器网络的应用
1.军事应用
2.环境科学
3.空间探索
4.医疗健康
5.智能家居
6.建筑物和大型设备安全状态的监控
7.紧急援救
8其他商业应用
1.5 无线传感器网络研究历史
1.5.2研究历史
第一阶段 传统的传感器系统
1970-1980
传感器系统特征： 传感器节点只产生探测数据流，没有计算能力，并且相互之间不能通信。
第二阶段 传感器网络节点集成化
1980-1990
技术特征：采用线代微型化的传感器节点，节点具备感知能力、计算能力和通信能力
第三阶段 多跳自组网
2000-
技术特点 网络传输自组织、节点设计低功耗
1.5.3 发展趋势
1. 无线多媒体传感器网络
（1）无线多媒体传感器网络(Wireless Multimedia Sensor Networks，WMSN)
（2）随着半导体技术的发展，在无线传感器网络中引入低功耗视频和音频传感器而形成的
（3）无线多媒体传感器网络由于丰富的传感信息（音频、视频和图像等）已成为一个研究热点
（4）被广泛应用于图像注册、分布式视频监控、环境监控以及目标跟踪等项目中
2. 泛在传感器网络
泛在网络（Ubiquitous Network）是指无所不在的网络
泛在网络时代的显著特征是人们可随时随地利用网络资源
每个人周围的物品，如家电、汽车、计算机、机器、仪表等互联，实现人与人（P2P），人与物（P2M），物与物（M2M）的交流和互动
对网络而言，无处不在意味着网络、设备的多样化以及无线通信手段的广泛运用
各类传感器是人们获取物理世界信息的重要途径，传感器网络是泛在网络的末梢神经网络
人与人通信能扩展到更为丰富多彩和人与物、物与物通信，人们可以利用网络提供的多维环境信息，如位置、家电等机器设备状态、温度、湿度等，进行精确的处理和控制
开发和实现丰富的业务，更好地满足不断增长的社会生活对信息技术的需求。
3. 具有认知功能的传感器网络
无线认知传感器网络（Wireless Cognitive Sensor Network，WCSN）
无线认知传感器节点的分布式网络
感知事件信号
机会地使用频谱空洞
采用多跳方式
完成信息的动态协同通信
满足各种应用需求
4. 基于超宽UWB带技术的无线传感器网络
超宽带（Ultra-wideband，简称UWB）
一种具备低耗电与高速传输的无线个人局域网络通讯技术
适合需要高质量服务的无线通信应用，可以用在无线个人局域网络（WPAN）、家庭网络连接和短距离雷达等领域
超宽带的传输距离都是在十米之内，传输速率高达480Mbps，是蓝牙的159倍，是Wi-Fi的18.5倍
非常适合多媒体信息的大量传输
5. 基于协作通信技术的无线传感器网络
协作通信技术，是一种使得仅有单天线的移动终端也可以实现空间分集的新技术
通过系统中各个用户帮助其伙伴用户传输信息
共享彼此的天线和空间信道资源
构成虚拟MIMO系统
获得空间分集增益
在无线传感器网络中，每个节点的传输功率受电池能量有限的约束，难以进行有效的长距离通信
利用协作通信技术，可以将多个传感器节点构成虚拟天线阵列，通过多节点间的协作进行可靠通信
降低因为信号衰落造成的误码引起的重传
提高节点能量的利用率
克服传感器节点能量受限的弱点