无线传感器网络研究综述

无线传感器网络研究综述

随着通信技术、嵌入式技术和传感器技术的快速发展和成熟，我们开发了几种能够检测、计算和通信能力的微传感器。许多由微传感器组成的无线传感器网络（wsw）引起了人们的极大关注。wss集成了传感器技术、嵌入式控制技术、分布信息处理技术和通信技术，能够实时监测、感知和收集网络分布区域内的不同环境或监测对象的信息，并处理信息，获取详细的信息并向用户提供这些信息。wsd可以随时随地从温度和湿度方面获取大量、可靠、可靠的物理世界信息，并应用于国防、军事、国家安全、环境控制、交通管理、医疗、卫生、工业、反恐救援等领域。信息感知和通信革命是下一代网络中的一项重要变革。美国《商业周刊》（nationalacademyofinformationsecurity）认为，wss是世界上最具影响力的21个技术之一。根据mit的新技术评论，wss是世界上影响最大的前十大技术之一。WSN作为一种新的计算模式正在推动科技发展和社会进步,关系到国家经济和社会安全,已成为国际竞争的制高点,引起了世界各国军事部门、工业界和学术界的极大关注.美国自然科学基金委员会2003年制定了WSN研究计划,投资3400万美元支持相关基础理论的研究.美国国防部和各军事部门都对WSN给予高度重视,把WSN作为一个重要研究领域,设立了一系列的军事WSN研究项目.英特尔公司、微软公司等信息工业界巨头也纷纷设立或启动相应的行动计划.世界很多国家都纷纷展开了该领域的研究工作.我国最近几年也开始重视WSN技术的研究.国家自然科学基金委员会资助了很多WSN研究项目,包括重点项目和面上项目.在“中国未来20年技术预见研究”报告中,有7项技术课题直接论述了传感网络.2006年初发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》为信息技术确定了3个前沿方向,其中有两个与WSN研究直接相关.由于WSN电源能量有限、通信能力有限、节点计算能力有限、传感器节点数量大且分布范围广、网络动态性强、感知数据流巨大、以数据为中心等特点,WSN已经成为21世纪的一个新研究领域,在基础理论和工程技术两个层面向科技工作者提出了大量挑战性问题.从2000年开始,国内外的WSN研究皆日趋热烈,取得了很多研究成果.本文从WSN的网络通信、基础设施、中间件技术、数据管理技术、节点技术及其嵌入式软件系统等5个方面综述WSN的研究进展.1无线传感器网络系统技术的研究1.1wsn的物理层研究目前,物理层通信协议的研究主要集中在传输介质选择、传输频段选择、无线电收发器的设计、调制方式等4个方面,核心问题是能量有效性或节省能量.WSN使用的传输介质目前主要包括无线电、红外线、光波等.无线电是目前最主要的WSN传输介质,需要解决频段选择、调制方式的选择等问题.ISM频段已经被人们普遍采用.文献给出了基于433MHz和915MHz这两个频段的无线电收发器的设计方法.传感器节点μAMPS使用了基于2.4GHz频段的无线电收发器.文献给出的传感器节点使用了基于916MHz频段的无线电收发器.文献研究了调制方式选择问题.文献对二元和多元调制方式进行了比较分析.文献得出结论:在系统启动能量消耗占主导地位的条件下,二元调制方式比多元调试方式节省能量.文献提出了一种适用于WSN的低能量调制方式.文献提出,UWB(Ultrawideband)可用于WSN.红外线和光波传输不需要复杂的调制解调机制,接收器简单,数据传输功耗小,但是易受非透明物阻碍,仅能用于特殊环境下的WSN.文献提出了两种光波传输机制.小结:WSN的物理层研究比较薄弱,还有很多问题待解决,如简单低能耗的WSN的超带宽和通带宽调制机制设计问题、微小低能耗低费用的无线电收发器的硬件设计问题.1.2ac协议分析数据链路层的研究主要集中在MAC协议方面.WSN的MAC协议旨在为资源(特别是能量)受限的大量传感器节点建立具有自组织能力的多跳通信链路,实现公平有效的通信资源共享,处理数据包之间的碰撞,研究重点是如何节省能量.1基于流量自适应侦听文献提出了MAC协议S-MAC,原理如下:周期性侦听?睡眠工作方式,使节点尽可能处于睡眠状态,降低能量消耗;邻居节点由一致性协商睡眠调度机制形成虚拟簇,减少节点空闲侦听时间;通过流量自适应侦听机制,减少消息在网络中的传输延迟;采用带内信令减少重传和避免监听不必要数据;通过消息分割和突发传递机制减少控制消息的开销和消息传递延迟.在S-MAC基础上,文献提出了T-MAC协议,根据通信流量动态调整传感器节点的活动时间,用突发方式发送信息,减少空闲侦听时间.文献提出了一种事件驱矾的MAC协议Sift,其原理是当共享无线信道的N个传感器节点同时监测到同一事件吮,希望R个节点(R≤N)能够在最小时间内无冲突地成功发送出事件监测消息,抑制剩余(N-R)个节点的消息发送.2节点信息传输机制文献提出了一种支持聚簇WSN的基于TDMA的MAC协议.所有节点被划分成多个簇,每个簇具有一个簇头.簇头负责为簇内所有节点分配时槽,收集和处理簇内节点发来的数据,并将数据发送给Sink节点.文献提出了协议DEANA,把一个数据传输周期分为调度访问阶段和随机访问阶段.调度访问阶段由多个连续的数据传输时槽组成.每个数据传输时槽分配给特定节点,用来发送数据.随机访问阶段由多个连续的信令交换时槽组成,用于处理节点的添加、删除以及时间同步等.文献针对周期性发送数据的特定WSN,提出了基于周期性消息调度的MAC协议,采用周期性的消息发送模型,构建节点周期性消息发送调度机制,保证节点之间无冲突地使用无线信道.文献提出流量自适应的协议TRAMA,将时间划分为连续时槽,根据两跳内的邻居节点信息,采用分布式选举机制确定每个时槽的无冲突发送者.文献提出了基于数据采集树的DMAC协议.数据采集树是以Sink为根节点的树型网络结构,所有节点都向Sink转发数据.该协议把节点周期划分为接收时间、发送时间和睡眠时间.接收时间和发送时间均为发送一个数据包的时间.下层节点的发送时间对应上层节点的接收时间.该协议采用ACK应答机制.文献提出了一种基于TDMA的协议,不需要全局时钟同步,结合了异步低能耗侦听机制,能量消耗很低.3数据安全模块文献提出了SMACS和EAR协议,基本思想是为每对邻居节点分配一个特有频率进行数据传输.文献提出了一种CSMA?CA和CDMA相结合的MAC协议,链路侦听采用CSMA?CA机制,数据收发采用CDMA机制,不需要严格时间同步,但需要节点提供链路侦听和数据收发两个硬件模块.4种针对市场需求的数据收集协议文献研究了动态电源管理的问题,提出了5种节省电源模式,并给出了相应的节点间数据传输策略.文献提出了以节省能量为目标的数据包大小的选择方法.文献提出了一种适合于周期性数据收集应用的数据收集协议Dozer,集成管理MAC层、拓扑控制和路由层,使之协调工作,减少空闲监听和串音,节省能耗,提高数据传输率.小结:虽然MAC协议方面取得一些进展,仍然有很多问题没有解决,如移动WSN的MAC协议、WSN自组织所需能量下界、能量有效的错误控制编码模式、能量有效的节点操作模式等问题.1.3网络层域协议的研究网络层路由协议的研究可分为5类:基于聚簇的路由协议、基于地理位置的路由协议、能量感知路由协议、以数据为中心的路由协议、容错路由协议.1打造pegais协议这类协议首先根据某种规则把WSN节点集划分为多个子集.每个子集成为一个簇,具有一个簇头.每个簇的簇头节点负责全局路由,其他节点通过簇头接收或发送数据.LEACH协议是第1个基于聚簇的协议.LEACH协议随机循环地为每个簇选择簇头节点.每个簇头收集本簇中所有节点的数据,聚集后传送到Sink.文献针对LEACH协议的缺点提出了PEGASIS协议.在该协议中,所有传感器节点被视为一个簇,所有传感器节点把数据传送到簇头,簇头执行聚集操作并把结果传输到Sink.为了保证负载平衡,PEGASIS协议轮转地选择簇头.文献改进了PEGASIS协议,减少了簇头收集数据的时间延迟.TEEN协议通过抑制不必要的通信来实现节省能量.TEEN通过各簇头向整个网络下发两个阈值:硬阈值和软阈值.在网络开始工作时,每个节点只在观测值超过硬阈值时才向簇头传输观测值,并将观测值记录在名为SV的变量中.以后,每个节点只在观测值与SV中的值之差超过软阈值时才向簇头传送观测值,并用该值替换SV中的值.2基于地理位置的地理路由协议这类协议假定每个节点都知道自己的地理位置以及目标节点的地理位置.文献提出了基于地理位置的距离贪心路由协议:当节点X向目标位置D转发数据时,首先从自己的所有一跳邻居中选择距离目标位置最近的节点Y,然后向Y转发数据.当满足条件的Y不存在时会出现问题.GPSR协议采用“右手规则”方法解决了这个问题.文献提出了基于地理位置的角度贪心路由协议.当节点X向目标位置D转发数据时,它首先从自己的所有一跳邻居中选择一个节点Y,使得X,Y和D构成的夹角∠dxy最小,而且∠dxy<π,然后向Y转发数据.GEM路由协议用虚拟极坐标系表示WSN的拓扑结构,构造一个以Sink为根的有环树.每个节点由其到树根的跳步数和与根的角度来表示.数据路由通过这个有环树进行.文献提出了支持地理路由协议的虚拟坐标系建立方法,不需要任何地理位置信息,采用基于跳步数的方法建立坐标系,需要较小的通信代价和内存容量.文献利用medialaxis对网络的拓扑结构进行抽象,提出了一种抽象地理路由协议MAP,不需要节点的地理位置且可以根据节点的局部信息进行路由,并实现负载平衡.文献提出了地理路由方法LCR.LCR仅当网络中的某条边影响正常的基于地理位置路由时,才被动地移除造成非平面化网络的边,有效地减少预计算带来的能量开销.3基于数据的sik到事件区域扩散路径定向扩散路由协议是一种典型的以数据为中心的路由协议.与基于地址的路由协议不同,节点不再有全局惟一地址,而代之以此节点观测数据的属性.Sink采用洪泛方式传播用户兴趣消息到整个或部分监测区域内的所有节点.用户兴趣消息表达用户感兴趣的监测数据,例如温度等.在兴趣消息的传播过程中,协议逐跳地在每个传感器节点上建立反向的从数据源到Sink的传输路径.传感器节点把采集到的数据沿着已确定的路径向Sink传送.该协议在路由建立时需要洪泛传播,能量和时间开销较大.Rumor-routing协议采用如下方法克服了定向扩散协议开销大这一问题:当监测区域中的节点感知到事件后,沿随机路径向外扩散传播携带该事件的代理消息,同时Sink发送的查询消息也沿随机路径在网络中传播.当代理消息和查询消息的传输路径交叉在一起时,就形成一条Sink到事件区域的完整路径.文献应用Rumor-routing协议的方法处理需要满足多个条件的查询.文献扩展了Rumor-routing协议,给出了一般化的Rumor-routing协议.TTDD是支持移动Sink的以数据为中心的协议.在TTDD中,发现事件的传感器在网络中建立一个网格状的拓扑结构,把事件信息向网格发送.移动Sink发出的与该事件相关的查询只需在局部范围内广播,当查询到达网格中的某个节点时查询就得到了满足,同时形成了一条Sink到事件区域的完整路径.文献给出了一个类似的协议.文献提出了支持查询的近似路由算法.模拟实验表明这些算法的性能接近最优.4数据传输路径文献提出了一种能量感知路由协议.在该协议中,源节点和目的节点之间建立多条通信路径,每条路径都具有一个与节点剩余能量相关的选择概率.当源节点需要向目的节点传输数据时,协议根据路径的选择概率选择一条路径进行数据传输.GEAR协议根据地理位置信息,建立Sink到监测区域的优化路径,支持Sink向监测区所有节点发送查询命令,避免了洪泛传播方式,减少了路由建立的开销.GEAR把节点到监测区域的距离和节点剩余能量定义为估计路由代价,并利用捎带机制获取实际路由代价,进行数据传输的路径优化,形成能量高效的传输路径.文献给出的协议通过尽量多地选择节点使之处于睡眠状态来节省能量.在这种协议中,节点一旦进入活动状态就不能回到睡眠状态.文献提出的方法则允许节点根据需要从活动状态回到睡眠状态.文献提出的协议在保证网络连通条件下,令尽量多节点处于睡眠状态.5主要网络可靠性和主要问文献提出了利用多条路径来实现协议可靠性的思想.该协议首先利用局部信息建立多通信路径.在传输数据时,同一个数据包沿多条路径同时传输到目的节点.文献给出了根据用户指定的可靠性要求计算冗余路径条数的方法.文献提出了通过重复传输数据包来保证传输可靠性的方法.文献提出一种基于编码的机会路由协议MORE,不需要严格的同步策略,并且提高了网络吞吐量.由于该协议严重依赖节点间的失效概率,不适于动态性高的WSN.小结:在路由协议方面目前仍然有很多关键问题未解决,如节能与通信服务质量的平衡、支持拓扑结构频繁改变的路由协议、面向应用的路由协议、安全路由协议等问题.1.4wsn的传输层当WSN与Internet或其他网络相连接时,传输层协议尤其重要.WSN的能量受限性、节点命名机制、以数据为中心等特征,使其传输控制很困难.WSN的传输层需要特殊的技术和方法.小结:令人惊奇的是,目前关于WSN传输层方面的研究非常少.2其他研究成果除了通信协议,WSN及其应用系统需要很多其他技术的支持,如拓扑控制、时间同步、节点定位、能量管理、网络安全、QoS管理等.人们在这些方面已经开展了很多研究工作,本节对主要研究成果进行简略介绍.2.1基于节点个数的功率分配算法WSN拓扑控制的问题是在满足网络覆盖度和连通度的前提下,通过功率控制或层次拓扑控制,最小化网络的能量消耗.功率控制问题定义如下:在满足给定网络覆盖度和连通度的前提下,对WSN节点发射功率进行控制,最小化网络节点的能量消耗.当传感器节点部署在二维或三维空间时,功率控制问题是一个NP难问题.目前在功率控制方面,已经提出了统一功率分配算法COMPOW;基于节点度数的算法LINT?LILT和LMN?LMA;基于邻近图的近似算法CBTC,LMST,RNG,DRNG和DLSS.层次拓扑控制是根据一定机制选择某些节点作为骨干节点,打开其通信模块,关闭非骨干节点的通信模块,构建一个满足覆盖度的连通网络.这样既保证了原有覆盖范围内的数据通信,也在很大程度上节省了节点能量.在层次拓扑控制方面,目前已经提出了成簇算法TopDisc、虚拟地理网格分簇算法GAF以及自组织成簇算法LEACH和HEED.小结:WSN拓扑控制的研究仍需深入.我们需要以实际应用为背景,研究多种机制,强调网络拓扑控制的自适应和鲁棒性,在保证网络连通性和覆盖度的前提下提高网络通信效率,最大限度地节省能量,延长网络的生存期.2.2过网络物理层广播时间在WSN中,每个节点都有自己的时钟.由于不同节点的晶体振荡器频率存在误差以及环境干扰,即使在某个时刻所有节点都达到了时间同步,它们的时间也会逐渐出现偏差.WSN的协同工作特点需要各传感器节点的时间同步.所以,时间同步机制是WSN的关键机制.由于传统分布式协同系统中的时间同步机制不适用于WSN,人们在WSN时间同步方面开展了一些工作并取得了一些结果.文献提出了无线网络时钟同步机制RBS:网络节点通过网络物理层定期向相邻节点广播时间信号;接受方把信息的到达时间作为参照点来比较它们的时钟,实现时钟同步.文献提出了WSN时间同步机制post-facto,采用如下方法解决RBS能耗大的问题:通常情况下不进行时间同步,仅当检测到事件发生时才采用RBS机制进行时间同步.文献提出了实现全网络时间同步的机制TPSN.TPSN需要一个获取外界时间的节点,该节点可以装配如GPS接收机那样的复杂硬件,作为整个网络的时钟源,称为根节点.TPSN首先把所有网络节点分成层次级别,然后逐级进行时间同步,每个节点与上一级的一个节点进行同步,最终所有节点与根节点同步.文献提出了轻量级时间同步算法mini-sync和tiny-sync.文献提出了一种实现全网络时间同步的机制DMTS,计算开销小,需要传输的消息条数少,能够与外部标准时间同步,但同步精度较低.文献在TPSN的基础上提出了LTS同步机制,只需要与其父节点同步,同步次数是节点与根节点距离的线性函数,降低了交换信息量.文献提出了一种适用于高密度网络的时间同步机制,比RBS需要的数据交换量少.文献提出了洪泛时间同步机制,综合考虑了能量感知、可扩展性、鲁棒性、稳定性等方面的要求.小结:还有很多WSN时间同步关键问题没有解决,如同步精度与能量有效性之间的平衡、局部同步和全网同步之间关系、抗外来侵扰的同步机制、同步机制的性能估计、安全时间同步机制等问题.2.3与测量距离无关的定位方法在WSN系统中,位置信息对于WSN应用至关重要,没有位置信息的数据几乎没有意义.因此,传感器节点定位是WSN的关键技术之一.目前人们提出了两类传感器节点定位方法:基于测量距离的定位方法、与测量距离无关的定位方法.基于距离的定位方法首先使用测距技术测量相邻节点间的实际距离或方位,然后使用三角计算、三边计算、多边计算、模式识别、极大似然估计等方法进行定位.传感器节点定位中使用的测距技术主要有如下4种:测量无线信号的到达时间(TOA)、测量无线电信号强度(RSSI)、测量普通声波与无线电到达的时间差(TDOA)、测量无线信号到达角度(AOA).下面我们讨论这4个有代表性的定位方法.与测量距离无关的定位方法主要包括APIT算法、质心算法、DV-Hop算法、Amorphous算法.APIT算法首先确定多个包含待定位节点的多边形,然后计算这个多边形区域的质心,并将质心作为待定位节点的位置.在质心定位算法中,信标节点周期性地向邻近节点广播信标消息;当待定位节点收到来自不同信标节点的信标消息数量超过阈值k,或收到消息数量小于k而超过等待时间超过阈值t后,就把自身位置定为这些信标节点所组成的多边形的质心.在DV-Hop算法中,待定位节点首先计算与信标节点的最小跳数,然后估算平均每跳的距离,利用最小跳数乘以平均每跳距离,得到待定位节点与信标节点之间的估计距离,再利用三边测量法或极大似然估计法计算待定位节点的坐标.在Amorphous算法中,待定位节点先计算它与每个信标节点之间的最小跳数,再计算它到每个信标节点的距离;然后,利用三边测量法或极大似然法计算待定位节点的位置.文献改进了Amorphous算法.这些方法降低了对节点硬件的要求,但定位的误差较大.文献提出了一种适于带有“空洞”的非均匀网络的与测量距离无关的定位算法REP.文献提出了定位算法MSL和MSL*,适于静止和移动节点组合的WSN,所需的seed节点密度低,定位时间短,精度高,但需要更多的通信和计算开销.最近,人们开始注意节点定位的安全问题.文献提出了安全定位方法,使用隐藏和移动基站的方法来保障定位安全.小结:WSN节点定位问题的研究还很不完善,基于测量距离的定位方法需要附加的硬件设备,与测量距离无关的定位方法精度低.目前还有很多关键问题需要解决,如定位精度评估、信标节点自身位置误差对定位精度的影响、测量距离的误差对定位精度的影响、网络拓扑结构对定位的影响等问题.2.4网络安全研究目前,WSN安全研究主要集中在密钥管理、身份认证和数据加密方法、攻击检测与抵御、安全路由协议和隐私问题.1基于物联网的密钥管理方法由于资源消耗较大,公钥密码系统无法应用于WSN.目前WSN使用的主要是基于密钥预分配的对称加密技术和利用基站管理密钥的非对称加密技术.预分配密钥方法的缺点是无法有效地支持节点的加入;而且,当部分节点被敌方捕获后预分配的密钥也将失效.文献提出了一种结合全局密钥和随机密钥共享技术的密钥管理方法.TinySec发现RC5和Skipjack适合于在嵌入式控制芯片上利用软件实现.文献提出了μTESLA和Multi-LevelμTESLA的身份认证方法.研究表明,在WSN中使用软件实现加密是比较可行的选择.例如,TinySec利用软件实现加密仅增加了5%～10%的计算负载.文献对TinySec做了进一步改进.文献提出了一种多元变量密钥预分配方案,不需要额外的存储开销,实现了节点到节点的认证和密钥合成,并且保证部分节点被捕获后网络仍具有保密性.文献提出了一种适合基于组的传感器节点部署的密钥预分配机制,允许任何一对相邻节点建立惟一对称密钥,不需要考虑节点的密度或者分布.文献使用传感器节点上的多信道,提出了用于对称密钥发布的协议,信道多样化和节点位置空间多样化,允许节点从它的邻近节点广播的明文密钥来建立安全链路密钥.2wsn的攻击检测方法在许多WSN的应用中,传感器节点常常布置在人们易于接近的环境中.因此,WSN也容易受到各种恶意的攻击,例如干扰服务、节点捕获等.文献对干扰服务攻击进行了研究,识别出几种攻击的简单形式:敌方通过向整个WSN广播高能信号来干扰整个网络的运行;在更复杂的攻击中,敌方可通过违反802.11的MAC层协议来抑制网络中的数据传输.文献提出了一种对抗阻塞攻击的方法,该方法自动发现拥塞的区域并通过路由绕开拥塞区域.文献采用被干扰区内节点切换通信频率的方式抵御干扰,并解决了干扰区节点和干扰区外节点通信频率协调问题.文献分别从攻击者和防御者的角度考虑以多大的概率实施干扰攻击和检测才能取得最优的效果.当传感器被敌方获取、解密甚至篡改程序后将对WSN的运行和数据的正确性带来很大的威胁.文献提出了一种通过向独立多路径发送验证数据来发现异常节点的方法.文献提出了如何对抗被捕获节点的恶劣影响和进攻.文献研究了在时间同步过程中如何对抗攻击的问题,提出了安全并具有弹性的时间同步协议,可以对抗外部攻击和被俘获节点的影响.文献研究了在节点定位过程中如何检测和抵御攻击问题,提出了对于位置和距离欺骗攻击的抵抗技术,给出了WSN的安全定位机制.文献针对于网内数据融合过程中恶意节点篡改计算结果的攻击,利用Merklehashtree技术完成对计算结果的正确性检验.文献提出了一种恶意节点检测方案:每个节点在多属性上监视其邻居节点的网络行为,通过异常数据值检测技术和投票方式来发现恶意节点.文献提出了追踪恶意数据包来源节点的方法,采用转发节点以一定概率进行嵌套签名的策略实现对恶意数据包的准确追踪.3基于认证抵御恶意注入的网络保护目前在WSN中的路由协议有很多安全弱点,容易受到攻击.敌方可以向WSN中注入恶意的路由信息使网络瘫痪.Karlof等人对目前路由协议的攻击和相应对策进行了研究.文献提出了采用认证抵御恶意注入的方法.文献提出了广播加密方案RBE.文献提出了一种广播基站随机检测节点是否能接收到其广播信息的方法.4隐私保护:一种道德风险技术WSN的隐私包括位置隐私、时间隐私和数据隐私.文献研究了位置隐私保护问题,利用随机路由和随机伪造数据包插入技术来抵御敌方的数据包追踪,保护位置隐私.文献针对源位置隐私保护问题提出了一种幻影路由技术来加强隐私保护.文献考虑了事件报告数据包到达基站时间会暴露事件发生时间的隐私问题,提出了每跳转发时引入随机延迟的抵御方案.文献研究数据隐私问题,提出了秘密的地理位置散列存储方法,实现数据隐私保护.小结:WSN安全问题的研究工作相对较少,亟待解决的挑战性问题还很多,如使用有限内存空间管理大量预分配密钥、支持新节点加入的密钥预分配技术、低能耗加密方法、入侵模型和入侵抵御方法、安全路由方法、安全网内数据处理技术等问题.2.5wsn的qos管理WSN的服务质量(QoS)是其可用性的关键.所以QoS管理的理论和技术是一个重要的研究领域.文献分析了各类WSN应用的新QoS需求,并提出了WSNQoS管理的挑战和研究问题.文献提出了一种基于中间件的QoS机制,支持多Sink的多种QoS需求,利用节点的冗余保障网络操作的容错性,并能够以较低的开销为应用提供实时性服务.文献研究了路由协议的QoS问题,提出一个包发送协议,称为多路径多速度路由协议,保证路由的实时性和可靠性.该协议通过设置多包发送速度,提供多级别的实时保证.通过选择多路径,提供各种各样的可靠性保证.文献介绍WSN信息服务平台ANSWER,为移动用户提供可靠信息服务,同时满足用户的QoS需求.ANSWER在大量传感器节点组成的静态网络中额外放置一些功能强大的可移动节点,称为聚集?转发节点AFN,用于数据转发和数据聚集.ANSWER利用AFN节点的移动性,缩短到事件监测节点的数据传输距离,既可以节省能量,又能保证数据的可靠性,满足用户QoS要求.文献把网络连通可靠性和感知覆盖度结合起来作为WSN的QoS度量,提出评估这种面向覆盖的QoS可靠性的方法.小结:WSN的QoS管理问题很多,研究成果较少,需要系统深入的研究.3wsn中间件的主要研究动态我们认为,WSN中间件是位于操作系统和应用软件之间的软件系统.这样,WSN数据管理系统也是一种中间件.由于WSN数据管理系统是一个相对独立而且比较大的软件,我们将在下一节介绍其研究进展,这里仅涉及与数据管理无关的中间件技术.WSN中间件的研究目前主要集中在两个方面:一是问题的识别和探索;二是部分算法和中间件组件的研究.文献[114,115,116,117,118,119,120]进行了问题识别与探索方面的研究.文献对WSN中间件进行了一般性讨论,提出了WSN中间件一些必要的机制.文献提出了可用于WSN中间件的以位置为中心的计算方法.文献提出了可用于WSN中间件的基于执行迁移的分布式计算模型.文献提出了在多应用同时运行时WSN的节点级能量管理方法.文献提出了一种自适应WSN中间件框架,解决在信息收集阶段资源与信息质量之间的平衡问题.文献提出了基于聚簇的WSN的中间件框架,提出了相应的研究问题.文献提出了基于聚簇WSN中间件系统中的资源管理技术.除了上述探索性研究以外,目前也出现了WSN中间件部分组件的研究.NEST是一个实时网络协同和控制中间件组件.NEST把操作系统与应用程序员之间的界面抽象为一个高级界面Microcell.Microcell能够完成服务的自复制、迁移、分组等操作.中间件组件MiLAN实现了以满足应用系统性能要求为目标的网络资源动态管理机制.Mate是一个建立在TinyOS之上的中间件组件.Mate提供了单个传感器节点上的高级程序界面,以通信为中心,支持WSN经常性的重编程工作.文献介绍了一个中间件系统Agilla.Agilla系统提高了网络的灵活性,同时还简化了应用的开发,并实现了多个应用共享同一个WSN.文献提出了中间件系统框架TinyCubus,包含一个数据管理框架、一个交叉层框架和一个配置引擎.数据管理框架允许动态选择和调整系统及数据管理部件.交叉层框架支持数据共享和各部件之间的交互,目的是提供交叉层优化.配置引擎通过考虑节点的拓扑和功能来可靠地高效地分布代码.文献研究了如何在WSN节点间分配应用任务并确定优化任务调度策略,保证实时性和能源高效性,提出任务分配、路由路径分配、动态电压调制的遗传算法,并提出了基于优先级的任务调度的算法,充分考虑了应用的实时性和能源高效性.小结:WSN中间件的研究处于问题识别和探索阶段,研究工作很少,仅探讨了少数问题的算法和部分中间件组件,大量关键问题还没有被提出,系统的理论、技术和方法更无从谈起,需要深入系统的研究.4数据库研究方法WSN以数据为中心的特点使得WSN与数据库系统类似:WSN可视为一个数据空间或数据库,面向的是以数据为中心的查询.于是,数据库研究者开始采用数据库系统的研究方法来研究WSN,目前主要集中在感知数据的存储与索引技术、WSN数据查询处理技术.1支持层次索引di景观s在WSN内存储感知数据的方法和感知数据索引技术对WSN数据查询处理的性能具有重要影响.人们提出了一些新技术和方法.文献提出了一种称为基于地理散列表的数据存储方法.当一个感知数据X产生时,该方法首先使用地理散列函数,把X的关键字随机地映射到一个地理位置(x,y),然后使用地理路由协议GPSR把X存储在距离(x,y)最近的传感器节点上;当查询数据X时,首先使用同样的地理散列函数确定地理位置(x,y),然后使用地理路由协议GPSR获得X.文献提出了支持层次式查询的层次索引DIMENSIONS.DIMENSIONS利用数据的小波系数,采用以数据为中心的概念,使用感知数据的键属性,构建层次索引结构,支持大规模感知数据集上层次式联机分析查询的处理.文献提出了一种支持区域查询的一维索引结构DIFS.类似于DIMENSIONS,DIFS使用感知数据的一个键属性,采用地理散列函数和空间分解技术构造多根层次结构树.这种索引具有两个特点.首先,层次结构树具有多个根,解决了DIMENSIONS的根瓶颈问题;其次,它沿层次结构树向上传播聚集数据,可以实现在层次树的高层剪断不必要的树遍历.文献提出了支持多维区域查询的索引结构DIM.DIM利用k-d树将多维空间保局域性地映射到二维地理空间.WSN中的每个节点都为自己分配一个子空间,称为这个节点的域.每个域的感知数据都存储在该域所属的节点上.文献针对WSN的多层次特点,提出了存储体系结构TSAR,存储传感器的历史数据.文献提出了一种压缩算法来减少需要传回Sink节点的数据的传输量,节省了能量消耗.文献应用传感器节点的新一代NAND闪存,提出了一个对象存储系统Capsule,使得WSN可以作为存储资源.Capsule用一个硬件抽象层来隐藏了闪存的不同运用,支持流、文件、数组、队列、列表等对象的存储.文献提出了一种新的数据存储方法,利用gossip技术快速地将数据发布到整个网络,形成多粒度的网内存储结构.文献提出了一种基于环的网内数据存储方法,解决了其他存储方法的热点问题和热区域问题.2无线传感器数据的捕获和处理技术WSN数据的查询处理技术的研究主要集中在连续查询和近似查询的处理方面.网内查询处理TinyDB具有一套完整的数据查询处理技术.TinyDB查询优化的目标是最小化WSN的总能量消耗.TinyDB采用了基于代价的查询优化方法来产生能量消耗最低的查询执行计划.TinyDB的查询优化技术主要是为各节点选择执行连接、选择和采样操作的次序,形成一个节省能量的查询执行计划.文献介绍了Cougar系统的查询处理方法,提出了网内查询处理的思想,给出了相应的查询处理器的结构,并讨论了查询语言、多查询优化、catalog管理等问题,但是没有给出具体解决方法.文献提出了一种查询处理算法,解决对极值(最大或最小值)的观测.算法利用一系列层次化的局部约束(或称为阈值)来调整网络拓扑结构以最小化网络通信量.文献提出了一种应用非参数模型联机监测WSN中离群点数据的算法.文献提出了一系列算法,处理WSN中静态数据表连接查询,并评估了3种基于分布式连接技术的算法.这些算法不受丢包和节点失效的影响.文献提出了一种新的事件查询,并给出了该查询的优化处理算法.文献研究了在WSN规模大活动节点稀疏的情况下如何有效地处理聚集的问题.提出了传感器节点自发建立优化传输路径的方法,节省了聚集过程所用的能量.文献提出了WSN中事件的模型,提出了事件的存储方法和索引技术,给出了有效的事件位置查询的处理算法.文献提出了WSN中的时空查询处理方法,并考虑了节点采样控制和数据压缩机制.文献[146,147,148,149]研究了传感器节点上无限数据流的查询处理和挖掘问题,提出了一系列查询处理算法和挖掘算法.基于低代价的近似查询处理文献证明了基于概要的近似技术可以应用到WSN中.文献提出了一种信息驱动的传感器查询处理方法IDSQ,使用概率模型估计目标跟踪应用中目标的位置.IDSQ按照最小化目标位置不确定性原理为每个传感器节点分派任务.文献提出了一种模型驱动的查询处理方法:首先基于已经存储和正在产生的感知数据,建立一个感知数据的数学模型,