1.0 介紹

與有線通信相比，無線通信在過程和制造業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)成為強(qiáng)有力的競爭者。無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步，特別是在短距離通信方面，為現(xiàn)場設(shè)備與主站聯(lián)網(wǎng)提供了巨大的機(jī)會(huì)。過程測(cè)量、控制和通信領(lǐng)域正穩(wěn)步向無線戰(zhàn)略發(fā)展，因?yàn)樽畛醯娜秉c(diǎn)正在被消除，而且系統(tǒng)變得越來越堅(jiān)固和可靠。對(duì)于任何要無線聯(lián)網(wǎng)的過程控制系統(tǒng)，必須考慮的因素有:可靠性、可擴(kuò)展性、實(shí)時(shí)混合數(shù)據(jù)傳輸、可用性、安全性以及與其他網(wǎng)絡(luò)共存。其他一些問題包括:傳感器類型、位置、功耗、本地?cái)?shù)據(jù)處理能力和時(shí)間戳。

由于鋪設(shè)電纜會(huì)帶來巨大的投資，因此采用無線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸是首選的方式。現(xiàn)場中的每個(gè)傳感器都表現(xiàn)為一個(gè)節(jié)點(diǎn)。在按照既定協(xié)議通過多跳通信發(fā)送到接收器或網(wǎng)關(guān)之前，網(wǎng)絡(luò)傳感器在本地采集、計(jì)算和處數(shù)據(jù)。傳感器節(jié)點(diǎn)的行為就像收發(fā)器一樣。它們都是數(shù)據(jù)發(fā)起者和數(shù)據(jù)路由器。本地?cái)?shù)據(jù)處理減少了傳輸介質(zhì)的負(fù)載。

如下圖所示，典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)布局在到達(dá)最終用戶之前由傳感器節(jié)點(diǎn)、接收器或網(wǎng)關(guān)、互聯(lián)網(wǎng)/衛(wèi)星和任務(wù)管理器組成。

無線網(wǎng)絡(luò)可以是個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(PAN)、局域網(wǎng)(LAN)、城域網(wǎng)(MAN)、廣域網(wǎng)(WAN)或全球區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(GAN)類型。

2.0 有線和無線的比較

有線網(wǎng)絡(luò)布設(shè)存在許多困難，如，昂貴的布線投入，擴(kuò)建困難，特別是松散的連接；維護(hù)投入大，線路故障排除困難；易受電涌沖擊。

無線網(wǎng)絡(luò)更容易擴(kuò)展，減少盲區(qū)。 不過，對(duì)于無線網(wǎng)絡(luò)來說，仍然存在一些問題，比如可靠性、安全性、信號(hào)干擾、信息攔截和竊聽。

3.0 ISM波段

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)使用免許可的ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué))通信頻帶。ISM是一種發(fā)放許可的頻段，有三個(gè)頻段:902 ~ 928mhz、2.4 ~ 2.835 GHz和 分5.725-5.85 GHz。原來，醫(yī)療射頻加熱，微波爐的也ISM波段。

當(dāng)兩臺(tái)或兩臺(tái)以上的無線設(shè)備在同一頻段內(nèi)相鄰工作時(shí)，其中一臺(tái)的電磁輻射可能會(huì)影響另一臺(tái)的工作。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)都應(yīng)該保證上述情況不會(huì)發(fā)生。如今，無線網(wǎng)絡(luò)越來越多地應(yīng)用在各種領(lǐng)域，如，使用局域網(wǎng)的無線計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙和近場設(shè)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(biāo)準(zhǔn)

針對(duì)不同的需求和目的，使用不同的標(biāo)準(zhǔn)無線協(xié)議來發(fā)送數(shù)據(jù)/消息。其中包括:IEEE 802.11、IEEE 802.15、IEEE 802.16等。這些標(biāo)準(zhǔn)又有幾個(gè)細(xì)分版本，用于特定應(yīng)用程序的無線協(xié)議取決于該應(yīng)用程序的特定需求。

Wi-Fi是基于IEEE 802.11規(guī)范的局域網(wǎng)技術(shù)，有時(shí)也被稱為無線以太網(wǎng)，于1977年引入，而WiMAX是基于IEEE 802.16規(guī)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(xié)議和半雙工共享媒介配置。WiMAX在傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中更有優(yōu)勢(shì),因?yàn)樗懈玫母采w率和容量。WiMAX使用全雙工傳輸模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并采用請(qǐng)求/授權(quán)機(jī)制，假定入站和出站傳輸?shù)耐ǖ朗仟?dú)立的。

藍(lán)牙，有時(shí)也被稱為小型無線局域網(wǎng)，是一種低功耗的近距離開放式無線通信協(xié)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。跨接收機(jī)的跳頻為每秒1600跳，從而將干擾和衰落的機(jī)會(huì)降低到最低。藍(lán)牙采用時(shí)分雙工時(shí)分多址(TDD-TDMA)方案傳輸數(shù)據(jù)或消息。單獨(dú)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(lán)牙一樣,ZigBee使用PAN技術(shù)，具有超低功耗，用于監(jiān)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(shù)據(jù)速率的通信協(xié)議。ZigBee和藍(lán)牙一樣，不能保證端到端通信延遲。采用直接序列擴(kuò)頻(DSSS)進(jìn)行信息傳輸。它不提供頻率和路徑多樣性。ZigBee不能保證對(duì)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(yè)中很少使用。

無線高速公路可尋址遠(yuǎn)程傳輸(Wireless highway addressable remote transmission, WHART)基于IEEE 802.15.4協(xié)議，與現(xiàn)有的HART設(shè)備向后兼容。它使用2.4 GHz ISM非授權(quán)頻段進(jìn)行通信，是自動(dòng)化和控制領(lǐng)域WSNs的第一個(gè)開放標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。它采用TDMA技術(shù)，具有250kbits / s的數(shù)據(jù)速率。它支持任意兩個(gè)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(wǎng)絡(luò)層兩個(gè)方面提供安全保障。頻率分集、路徑分集和適當(dāng)?shù)南鬟f方法保證了采用WHART的網(wǎng)絡(luò)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(xié)議相關(guān)的一些特征是，低成本，低復(fù)雜性，低功耗，抗射頻干擾，互操作性，可擴(kuò)展性。它可以在星形和網(wǎng)格拓?fù)渲羞\(yùn)行。通過使用包含非對(duì)稱加密的128 AES算法來確保消息保護(hù)。ISA 100.11a采用時(shí)分多址模式，確保路由器處于休眠狀態(tài)，因此功耗非常低。

5.0 節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

傳感器節(jié)點(diǎn)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(gè)傳感器或多個(gè)傳感器組成。物理參數(shù)如溫度、壓力等通常由傳感器單元感知。然后由ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并送至處理單元。

處理單元接收ADC輸出的數(shù)據(jù)，并將其與物理無線層連接，管理無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。通過軟件控制，該單元還設(shè)法減少無線電子系統(tǒng)、傳感器、信號(hào)調(diào)理和通信的功耗。它被預(yù)先編程來執(zhí)行分配給它的任務(wù)。處理器的性能是根據(jù)數(shù)據(jù)速率、處理速度、內(nèi)存和外設(shè)來選擇。

通信單元包括一個(gè)公共收發(fā)器，該收發(fā)器將節(jié)點(diǎn)連接到網(wǎng)絡(luò)。它主要用于在各節(jié)點(diǎn)和基站之間傳輸和接收數(shù)據(jù)/信息，反之亦然。通信單元主要有四種狀態(tài):發(fā)送、接收、空閑和休眠。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不依賴電力基礎(chǔ)設(shè)施向節(jié)點(diǎn)供電。電力來自可充電電池，或太陽能，適合各種環(huán)境。

傳感器節(jié)點(diǎn)執(zhí)行數(shù)據(jù)采集，處理單元執(zhí)行分析、聚合、壓縮和融合任務(wù)。節(jié)點(diǎn)中的另一個(gè)塊執(zhí)行數(shù)據(jù)的管理、協(xié)調(diào)和配置。

6.0 傳感器網(wǎng)絡(luò)

傳感器網(wǎng)絡(luò)，如下圖所示，包括遠(yuǎn)程傳感器、匯聚節(jié)點(diǎn)(或中間處理節(jié)點(diǎn))和最終處理節(jié)點(diǎn)。傳感器支持單跳連接和多跳連接。整個(gè)組合被稱為傳感器域。

如果傳感器的位置和它們的時(shí)間戳都做得正確，它就能可靠地運(yùn)行。節(jié)點(diǎn)與接收器通信。節(jié)點(diǎn)必須具備全球定位系統(tǒng)(GPS)的定位功能。節(jié)點(diǎn)收集數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、壓縮數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)(路由)到接收器。

數(shù)據(jù)在基站(最終處理節(jié)點(diǎn))采集，因此離基站較近的節(jié)點(diǎn)有較大的數(shù)據(jù)負(fù)擔(dān)。一個(gè)合理的路由機(jī)制將緩解這個(gè)問題.

7.0 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是可擴(kuò)展的，使用非授權(quán)的ISM頻段進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。它是一種無基礎(chǔ)設(shè)施的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。這種網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化頻繁，通信是多對(duì)一的(數(shù)據(jù)在基站收集)，而不是對(duì)等類型。有些節(jié)點(diǎn)是密集的，而其他節(jié)點(diǎn)則不一定。節(jié)點(diǎn)本質(zhì)上是功率受限和自配置的。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)是能量受限的，并且對(duì)節(jié)點(diǎn)的加入/退出等拓?fù)渥兓哂恤敯粜浴碜詭捉M節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)被聚集在一起，因此需要的傳輸次數(shù)更少。

8.0 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量非常有限，因此針對(duì)這種網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議必須具有很高的能率。因此，這類協(xié)議主要考慮功耗和效率，而傳統(tǒng)的協(xié)議主要考慮吞吐量和時(shí)延.

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)部署是協(xié)議開發(fā)很大程度上依賴的另一個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域。傳感器節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)部署需要開發(fā)自組織協(xié)議。這樣的節(jié)點(diǎn)應(yīng)該與其他節(jié)點(diǎn)協(xié)作，可以在沒有任何人為干預(yù)的情況下適應(yīng)故障。在大多數(shù)情況下，部署在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)是無人值守的，因此修復(fù)、維護(hù)和對(duì)新環(huán)境的適應(yīng)應(yīng)該是它們固有的。應(yīng)該看到，傳感器節(jié)點(diǎn)的這種自我管理特性必須設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，以便它們能夠在一致的基礎(chǔ)上運(yùn)行.

9.0 與互聯(lián)網(wǎng)連接限制

能量和內(nèi)存效率是兩個(gè)性能指標(biāo)，在普通協(xié)議中不太受關(guān)注，而在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中則正好相反。因此，為了實(shí)現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)的無縫連接，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將需要在設(shè)計(jì)上進(jìn)行重大修改。

隨著無線技術(shù)的不斷發(fā)展和日益廣泛的應(yīng)用，不同的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)被應(yīng)用于不同的領(lǐng)域，如認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等。為了將這些不同的無線網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)集成，需要互操作。為了實(shí)現(xiàn)這些協(xié)議與互聯(lián)網(wǎng)的無縫連接，開發(fā)位置和頻譜感知的跨層通信協(xié)議以及異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)管理工具至關(guān)重要。6LoWPAN標(biāo)準(zhǔn)是為了將IPv6標(biāo)準(zhǔn)與部署在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的低功率傳感器節(jié)點(diǎn)集成而開發(fā)的。為了將IPv6設(shè)備和傳感器節(jié)點(diǎn)有機(jī)地結(jié)合在一起，對(duì)IPv6報(bào)文頭進(jìn)行了壓縮，使其能夠適應(yīng)傳感器節(jié)點(diǎn)。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和無線局域網(wǎng)(WLAN)運(yùn)行在相同的頻譜范圍內(nèi)，它們?cè)贛AC層的共存帶來了重大挑戰(zhàn)。

其他需要解決的主要問題是，(a)傳感器節(jié)點(diǎn)和互聯(lián)網(wǎng)之間的端到端路由(或連接)，(b)現(xiàn)有的傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸層解決方案與互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)中廣泛使用的傳輸控制協(xié)議(TCP)和用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(UDP)不兼容。同樣，傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸協(xié)議應(yīng)該這樣設(shè)計(jì)，以保證傳感器數(shù)據(jù)和其他事件特征的無縫可靠傳輸貫穿整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)。

10.0 拓?fù)?/h5>

網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)是相互關(guān)聯(lián)的,稱為拓?fù)洹o線網(wǎng)絡(luò)中使用的不同拓?fù)淙纾切?單點(diǎn)對(duì)多點(diǎn))、網(wǎng)格和星網(wǎng)(混合)。

星型網(wǎng)絡(luò)，如下圖所示：

基站可以從遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)接收/發(fā)送數(shù)據(jù)。一個(gè)遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)不能向另一個(gè)遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，也就是說，端到端的通信是不可能的。星型網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，簡單、快速和遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)的能量消費(fèi)保持在最低限度。從基站到遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)始終保持低電平狀態(tài)。但基站必須在連接到它的所有節(jié)點(diǎn)的無線電傳輸范圍。這種拓?fù)湓谝欢ǔ潭壬弦灿腥觞c(diǎn)，因?yàn)槿绻境霈F(xiàn)故障，這部分網(wǎng)絡(luò)就會(huì)離線。

網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò),如下圖所示：

當(dāng)傳感器被放置在一個(gè)具有高冗余的大型地理區(qū)域時(shí)使用。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)自配置的網(wǎng)絡(luò),如果一個(gè)傳感器突發(fā)故障,它會(huì)自動(dòng)確定最好的路徑。這種拓?fù)渚哂腥哂嘈院涂缮炜s性的優(yōu)點(diǎn)。

當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)想要將數(shù)據(jù)發(fā)送到它的無線電傳輸范圍之外的節(jié)點(diǎn)時(shí)，就使用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。在這種情況下，節(jié)點(diǎn)將其數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆谄錈o線電傳輸范圍內(nèi)的相鄰節(jié)點(diǎn)。它從第二個(gè)節(jié)點(diǎn)傳遞到第三個(gè)節(jié)點(diǎn)。這個(gè)過程一直重復(fù)，直到消息到達(dá)最終目的地。這被稱為多跳通信。

由于網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中的多跳通信類型，位于中間的節(jié)點(diǎn)需要傳遞和轉(zhuǎn)發(fā)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(gè)相關(guān)缺點(diǎn)是消息的傳遞時(shí)間——當(dāng)消息到達(dá)目的地的跳數(shù)增加時(shí)，傳遞時(shí)間就變長。

在網(wǎng)格拓?fù)渲羞M(jìn)行的多跳通信導(dǎo)致單跳覆蓋的距離更短。由于信號(hào)路徑損耗是路徑距離的逆指數(shù)，因此保證了接收到的信號(hào)在接收器處的質(zhì)量。

星形網(wǎng)格或混合拓?fù)湎氯鐖D所示。得到了星形網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，即星形網(wǎng)絡(luò)的功耗較低，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)具有自修復(fù)能力。

11.0 共存的問題

當(dāng)多個(gè)相鄰無線信道同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，射頻干擾將成為影響接收端正確接收數(shù)據(jù)的問題。共存被定義為“一個(gè)系統(tǒng)在給定環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)的能力，其中其他系統(tǒng)有能力執(zhí)行其任務(wù)，并且可能使用或不使用同一套規(guī)則“。例如，IEEE 802.15.4和IEEE 802.11b/g都使用2.4 GHz的非授權(quán)頻段進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。如果這兩種協(xié)議在相鄰的區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，則射頻干擾可能會(huì)影響兩個(gè)信道。必須注意減少這種干擾，以提高接收質(zhì)量。當(dāng)使用這些協(xié)議且能量充足的兩個(gè)消息在時(shí)域或頻域發(fā)生碰撞或重疊時(shí)，問題會(huì)更加嚴(yán)重。

針對(duì)上述問題，采用了時(shí)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(píng)估等技術(shù)。

下圖，顯示了802.15.4和802.11 b/g在2.4 GHz下的響應(yīng) ISM頻段。從圖中可以看出，前者有16個(gè)頻道，后者有3個(gè)頻道。從圖中可以明顯看出，802.15.4的頻道號(hào)15、20、25和26(針對(duì)北美)或15、16、21和22(針對(duì)歐洲)將較少受到802.11 b/g斜率的影響。WHART利用偽隨機(jī)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(shù)在任何給定的時(shí)刻每個(gè)頻率信道發(fā)送一條消息，以避免碰撞。WHART網(wǎng)絡(luò)可以通過配置來避免某些其他網(wǎng)絡(luò)也經(jīng)常使用的信道。這樣可以避免碰撞和干擾。WHART網(wǎng)絡(luò)在初始化消息/數(shù)據(jù)傳輸之前監(jiān)聽信道。如果信道繁忙，則將當(dāng)前傳輸預(yù)留出來，并分配一個(gè)未來的時(shí)隙用于重傳。

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

空間多樣性是通過采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的。在這種情況下，原始消息可能通過不同的路徑傳遞到網(wǎng)關(guān)(這取決于流量負(fù)載和中間節(jié)點(diǎn)的可用性)。

12.0 傳統(tǒng)、現(xiàn)場總線和無線網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的比較

常規(guī)現(xiàn)場總線系統(tǒng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)如下圖所示：

無線網(wǎng)絡(luò)的主要優(yōu)點(diǎn)是沒有其他系統(tǒng)中普遍存在的有線連接。它導(dǎo)致更少的維護(hù)，更少的成本，更少的人力投入，等等。但是，無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)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(tài)或移動(dòng)傳感器.

13.0 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

有線網(wǎng)絡(luò)中的通信是通過引導(dǎo)介質(zhì)進(jìn)行的，而無線網(wǎng)絡(luò)中的通信則是通過空氣中的電磁信號(hào)傳輸進(jìn)行的。對(duì)于后一種情況，傳感器節(jié)點(diǎn)需要自組織以具有多跳通信功能。為了提高效率，節(jié)點(diǎn)必須以非常有效的方式共享所有資源。這可以通過一個(gè)決定網(wǎng)絡(luò)整體性能的高效MAC來實(shí)現(xiàn)。

傳感器節(jié)點(diǎn)和接收器使用的協(xié)議棧，如下圖所示：

由于網(wǎng)絡(luò)中使用了許多節(jié)點(diǎn)，因此要確保在任何時(shí)間點(diǎn)都有一個(gè)節(jié)點(diǎn)訪問傳輸介質(zhì)。

數(shù)據(jù)鏈路層(DLL)被細(xì)分為兩個(gè)子層:上層邏輯鏈路控制(LLC)子層和下層MAC子層。LLC需要適應(yīng)媒介共享訪問所需的邏輯，并支持不同的MAC版本。根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、所需的服務(wù)質(zhì)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(diào)節(jié)對(duì)共享媒介的訪問，(b)在數(shù)據(jù)流的前面附加包含地址信息的報(bào)頭字段，并在數(shù)據(jù)流的尾部附加用于錯(cuò)誤檢測(cè)的拖尾字段。(c)在接收端，刪除地址和錯(cuò)誤控制字段，并就接收到的地址和數(shù)據(jù)的正確性作出判斷。

為了決定哪個(gè)節(jié)點(diǎn)可以訪問通信通道，節(jié)點(diǎn)之間必須交換一些信息。因此，MAC協(xié)議的復(fù)雜性和開銷增加了。

協(xié)議的性能指標(biāo)取決于許多因素，如吞吐量、延遲、健壯性、穩(wěn)定性、可伸縮性、公平性和能源效率。較高的吞吐量使系統(tǒng)快速，從而減少消息到達(dá)接收者的延遲。如果這個(gè)網(wǎng)絡(luò)不受錯(cuò)誤和錯(cuò)誤信息的影響，它就被認(rèn)為是強(qiáng)大的。穩(wěn)定性是指在一段時(shí)間內(nèi)以可靠的方式處理流量負(fù)載波動(dòng)的能力。如果一個(gè)系統(tǒng)的性能與網(wǎng)絡(luò)的大小保持不變，則該系統(tǒng)被稱為可伸縮的。公平性是指在競爭節(jié)點(diǎn)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(wǎng)絡(luò)中最重要的問題之一，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)在地理上廣泛分散時(shí)尤其如此。導(dǎo)致能源效率低下的因素有:沖突、控制包開銷、空閑監(jiān)聽和不同模式之間的切換。

網(wǎng)絡(luò)的性能取決于MAC協(xié)議的選擇。這樣的協(xié)議有，固定分配協(xié)議、按需分配協(xié)議、隨機(jī)分配協(xié)議、泛洪協(xié)議和流言協(xié)議。開發(fā)它們是為了在實(shí)現(xiàn)合理的資源分配和實(shí)現(xiàn)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(jié)點(diǎn)很容易成為網(wǎng)絡(luò)釣魚等外部惡意攻擊的目標(biāo)。對(duì)手可以監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)中的流量，操縱數(shù)據(jù)，甚至冒充操作節(jié)點(diǎn)之一。

通常情況下，這樣的網(wǎng)絡(luò)有大量的節(jié)點(diǎn)，為每個(gè)節(jié)點(diǎn)提供安全性實(shí)際上是一個(gè)挑戰(zhàn)。由于擴(kuò)展或刪除突然失效的節(jié)點(diǎn)而增加的節(jié)點(diǎn)對(duì)軟件設(shè)計(jì)工程師來說是一個(gè)挑戰(zhàn)。

密碼學(xué)確保發(fā)送端和接收端之間的安全數(shù)據(jù)通路。在發(fā)送端，普通或純文本被轉(zhuǎn)換成密文，稱為加密。相反的過程稱為解密，在接收端進(jìn)行。數(shù)據(jù)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?cái)?shù)是巨大的，不可能得到密鑰的組合。有兩種類型的密碼:對(duì)稱密碼和非對(duì)稱密碼。在對(duì)稱密碼體制中，加密和解密使用相同的密鑰，而非對(duì)稱密碼體制則使用不同的密鑰。密碼學(xué)保證了數(shù)據(jù)的完整性、機(jī)密性、設(shè)備和消息的認(rèn)證。任何密碼系統(tǒng)的安全強(qiáng)度都取決于使用的密鑰，而不是算法。

安全服務(wù)還包括驗(yàn)證、訪問控制、可伸縮性和數(shù)據(jù)新鮮性。驗(yàn)證意味著使用資源的授權(quán)是否正確，而訪問控制是指限制對(duì)資源的訪問。可擴(kuò)展性是指在不影響安全性的前提下增加節(jié)點(diǎn)，保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。數(shù)據(jù)新鮮性意味著消息保持新鮮，即它們不會(huì)被重用，而且是有序的。

有效的密鑰管理方案(KMS)是有效應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)安全或網(wǎng)絡(luò)釣魚攻擊的必要手段。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)加入或退出系統(tǒng)時(shí)，KMS對(duì)于一個(gè)安全可靠的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境起著至關(guān)重要的作用。

傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全目標(biāo)包括:機(jī)密性、完整性、認(rèn)證性和可用性。機(jī)密性意味著系統(tǒng)能夠保護(hù)消息不被竊聽，因?yàn)橄囊粋€(gè)節(jié)點(diǎn)依次傳遞到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，直到到達(dá)接收者。完整性是指消息在網(wǎng)絡(luò)中傳播時(shí)不被篡改/更改/改變。身份驗(yàn)證指的是確認(rèn)消息來源的能力。可用性意味著確保網(wǎng)絡(luò)對(duì)消息在網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)是可用的。

數(shù)據(jù)的新鮮度成為一個(gè)嚴(yán)重的安全問題，特別是當(dāng)WSN節(jié)點(diǎn)使用共享密鑰進(jìn)行消息通信。在這種情況下，攻擊者可以使用舊密鑰發(fā)起重放攻擊，因?yàn)樾旅荑€正在刷新并傳播到網(wǎng)絡(luò)中連接的所有節(jié)點(diǎn)。可以通過在每個(gè)數(shù)據(jù)包中添加nonce或時(shí)間戳來保證數(shù)據(jù)的新鮮度。