32、下一代无线传感器网络的机遇与挑战综述

下一代无线传感器网络的机遇与挑战综述

1. 无线传感器网络传输与能耗分析

在25秒的传输时间里，传感器节点额外消耗了0.7毫焦（mJ）的电量，一次传输阶段所需的能量为1.75毫焦。为了更好地了解数据包的移动方式，进行了相关实验。当扩频因子（SF）为10时，在NetAttack节点和三个传感器节点这四个节点都在发送数据包的情况下，丢包率（PLR）为11/15。该故障是由于LoRa网关需要比平时更长的时间来等待更大的数据流而导致的。在两小时的模拟监测中，三个传感器节点共向服务器发送了15个数据包。若对该主题进行进一步研究，有可能减少LoRa网关的延迟（即等待时间）。此模型所采用的攻击规避机制可能会受益于减小扩频因子的整体大小以及加快无线网络中数据包的发送速率。

2. 无线传感器网络模型优化

为确保消息未被篡改，每次发送消息时，节点都会生成一个全新的密钥。然而，这种模式会增加节点对CPU、内存和能量的需求。无线传感器网络的资源分配方式在一定程度上由模型实际实施前选择的参数决定，这在密钥长度、算法、风险评估、数据传输频率以及管理与员工之间的交互等方面非常重要。

为了优化模型，建议对传感器节点的硬件和软件设计进行调整，还需要一些组织技术：
- 硬件和软件布局修改 ：
- 加密模块 ：为使建议的模型发挥作用，需在传感器节点现有的硬件架构中增加加密模块和中间件。加密模块的优势在于能提供安全的密钥存储区域，它可以生成两组不同的密钥（一组私有，一组公有），还能通过非对称方法构建对称密钥（即秘密密钥）。此外，它可以对消息进行加密和解密、执行数字签名、安全地在板上存储加密密钥、管理密钥以及对秘密密钥进行加密和解密。例如，对TNODE5微控制器进行了研究，它是16位微控制器，与基于相同类型微控制器的常用传感器节点系统的软件实现相比，其对称和非对称加密的硬件实现能大幅提高功率效率。不过，该微控制器的加密部分不具备安全存储和处理加密密钥的能力。
- 中间件 ：是一种软件，用于在加密模块和节点的操作系统之间提供安全连接。
- 组织措施 ：
- 加密参数开发 ：无线传感器网络的安全风险评估决定了要使用的加密方法、哈希函数和密钥长度。缩短加密算法和密钥长度，中央处理器（CPU）反应会更快，总体能耗也会降低。建议数据聚合节点使用较长的密钥，因为它们拥有更强大的硬件，但这也使它们更容易受到攻击。有一种加密和解密技术，为每次传输生成一个新的秘密密钥，通过使用该秘密密钥，可以信任传感器节点和消息接收者，但这比使用长期或短期秘密代码需要更多的处理和能量。在密钥到期之前，所有节点都会使用这个定期修改的密钥，以保证通信安全。
- 数据收集规划 ：传感器节点能够收集多种类型的数据。当只发送一种类型的数据时，加密级别和用于编码的资源数量都比同时发送和加密多种类型的数据时要大。因此，制定数据收集计划时，需考虑到加密会耗尽所有可用资源这一事实。
- 证书验证和检查 ：在生成数字签名和数字信封时，必须在过程中的多个点检查证书的真实性。若信任链中的任何证书的有效性被撤销或暂停，就需要采取相应行动。为进行此验证，节点要么能够向认证机构发送请求以检查证书状态，要么能够访问已撤销证书的列表，但这两种方式都会给网络的传输能力和节点带来过大压力。鉴于通信和技术的最新发展，建议在接收方（聚合节点、处理应用程序）处进行数字证书的验证。
- 建立加密通信 ：在使用传感器网络时，数据可能会从一个传感器节点传输到另一个传感器节点。当使用该模型在地理位置相近的两个节点之间发送消息时，另一组节点会承担传输这些消息的负担。因此，在发送节点和接收站点之间建立加密通信对于降低节点的压力至关重要。

以下是传感器节点优化的操作步骤总结：
| 步骤 | 操作内容 |
| ---- | ---- |
| 1 | 对传感器节点的硬件和软件设计进行调整，增加加密模块和中间件 |
| 2 | 开发加密参数，根据安全风险评估选择加密方法、哈希函数和密钥长度 |
| 3 | 制定数据收集计划，考虑加密资源消耗 |
| 4 | 进行证书验证和检查，建议在接收方处进行 |
| 5 | 建立加密通信，降低节点压力 |

下面是传感器节点优化流程的mermaid流程图：

graph LR
    A[开始] --> B[调整硬件和软件设计]
    B --> C[开发加密参数]
    C --> D[制定数据收集计划]
    D --> E[证书验证和检查]
    E --> F[建立加密通信]
    F --> G[结束]

无线传感器网络在农业等领域的应用越来越广泛，其信息的标准直接影响农场的产量和质量。新的数据保护模型通过技术和组织解决方案，加快了数据保护过程，同时提高了传感器的利用率和数据的最佳使用效果。尽管该方法在模拟中需要大量能量来实施，但成功地防止了基于通信的攻击。

3. 无线传感器网络的发展与架构

无线传感器网络（WSN）能够通过无线交互的传感器节点网络收集周围环境的信息。由于其低功耗和分散性的特点，大多数节点可以按需部署。传感器在网络中的紧密布局缩短了数据包的传输距离，进而延长了传感器的电池寿命，扩大了WSN的覆盖范围。而且，相较于有线系统，WSN的安装和移动更加便捷。借助能量收集设备，WSN可以实现实时功能和能源独立，具有高度的可扩展性和可靠性。它能从多个位置收集数据，并将其传输到中央位置，以便实时访问和用于各种目的。不过，计算机系统的功率、内存、计算速度和带宽会受到其尺寸和成本的限制。

WSN有多种结构形式，例如简单的星型网络或先进的多跳网状网络，消息可以通过路由或泛洪的方式进行分发。目前，WSN在众多应用中变得越来越重要，主要体现在以下方面：
- 主要功能 ：WSN的主要作用是分析和传输从遥远地点获取的数据，其监测区域可以覆盖大量的传感器。
- 发展进展 ：WSN中的节点由与基站相连的处理器进行监控，这些处理器通过WSN处理单元与互联网共享数据。WSN不仅可以监测感知参数，还在物联网（IoT）、安全监控、威胁检测、环境参数测量等多个领域有应用。然而，它也面临着一些挑战，如安全、服务质量、性能、跨层优化和可扩展性等问题。WSN的几个关键组件包括：
- 传感器 ：用于获取信号或变量，并将感知到的信息转换为电信号。
- 无线电节点 ：帮助从传感器检索数据，并将其传输到作为接入点的下一个组件，该接入点通过无线方式接收数据，并使用评估软件向用户呈现报告。
- 架构类型 ：WSN中有两种不同类型的节点，即无线传感器节点和基站节点（汇聚节点）。传感器节点监测物理环境，生成数据包并将其传输到基站。在灾害管理、安全和危机应对等多种场景中，传感器网络架构是一种理想的解决方案。WSN主要采用分层网络架构和集群架构两种方式：
- 分层网络架构 ：使用一个强大的基站和数百个传感器节点，节点在网络中按离心层排列。
- 集群架构 ：暂未详细提及，但它也是WSN架构的重要组成部分。

4. 下一代网络与相关挑战

4.1 物联网（IoT）

物联网技术可以满足各种不同需求的应用，如农业、智慧城市、智能环境应用以及库存管理系统等都能从LoRaWAN的节点长距离传输中受益。网络寿命是物联网的一个关键性能指标（KPI），它衡量网络在达到目标之前需要更换的时间。在现实应用中，使用不可再生电池为传感器网络供电时，网络寿命通常由执行有意义网络操作所需的关键节点的死亡来决定，这表现为完全断电或能量浪费的积累。

物联网面临的挑战包括：
| 挑战类型 | 具体内容 |
| ---- | ---- |
| 安全 | 由于安全、隐私、计算和能源限制以及可靠性问题，WSN路由是最具挑战性的部分之一。有效的WSN路由系统必须处理数据完整性、保密性和可用性等问题。 |
| 平台 | 物联网平台需要具备高效的数据处理、存储和管理能力，以支持大量设备的连接和交互。 |
| 互操作性和标准化 | 不同厂商的物联网设备和系统之间需要实现互操作性，这需要统一的标准和协议。 |
| 数据存储和分析 | 随着物联网设备产生的数据量不断增加，如何有效地存储和分析这些数据成为一个重要问题。 |
| IoT传感器和设备 | 传感器和设备的性能、可靠性和成本等因素会影响物联网的发展。 |

4.2 智能电网

智能电网的远程系统监控包括以下方面：
- 定义 ：智能电网是一种先进的电力网络，它集成了通信、信息技术和自动化技术，以实现电力的高效传输、分配和管理。
- 组成部分 ：包括发电、输电、配电和用电等环节，通过智能电表、传感器和通信网络等设备实现数据的实时采集和传输。
- 市场现状 ：目前，智能电网市场正在不断发展，越来越多的国家和地区开始重视智能电网的建设。
- 需求原因 ：智能电网可以提高电力系统的可靠性、效率和灵活性，减少能源浪费和环境污染。
- 收益 ：用户可以通过智能电网实现实时电价调整、能源管理等功能，从而降低用电成本。
- 未来趋势 ：智能电网将朝着更加智能化、自动化和分布式的方向发展。

4.3 绿色通信

绿色通信旨在实现能源的高效利用，主要包括以下方面：
- 能量监测 ：通过对通信系统的能量消耗进行监测，了解能量的使用情况，以便采取相应的节能措施。
- 算法视角 ：
- MAC协议 ：用于能量收集无线传感器网络（EH - WSNs）的MAC协议可以优化节点的能量使用。
- 传输方案分类 ：不同的传输方案可以根据能量效率进行分类，以选择最合适的传输方式。
- 路由协议 ：EH - WSNs的路由协议可以根据节点的能量状态选择最优的路由路径。
- 基于电池操作优化的方案 ：通过优化电池的充放电过程，提高电池的使用寿命和能量利用效率。
- 链路质量测量 ：准确测量链路质量可以帮助选择可靠的通信链路，减少能量浪费。

4.4 干扰测量

干扰测量对于无线传感器网络的正常运行至关重要。干扰可能来自其他无线设备、环境噪声等因素，会影响数据的传输质量和可靠性。通过对干扰进行测量，可以采取相应的措施来减少干扰的影响，如调整频率、增加发射功率等。

以下是下一代网络相关挑战及应对方向的mermaid流程图：

graph LR
    A[下一代网络] --> B[物联网]
    A --> C[智能电网]
    A --> D[绿色通信]
    A --> E[干扰测量]
    B --> B1[安全挑战]
    B --> B2[平台挑战]
    B --> B3[互操作性和标准化挑战]
    B --> B4[数据存储和分析挑战]
    B --> B5[IoT传感器和设备挑战]
    C --> C1[远程系统监控]
    D --> D1[能量监测]
    D --> D2[算法视角]
    D2 --> D21[MAC协议]
    D2 --> D22[传输方案分类]
    D2 --> D23[路由协议]
    D2 --> D24[基于电池操作优化的方案]
    D2 --> D25[链路质量测量]

综上所述，下一代无线传感器网络在多个领域有着广泛的应用前景，但也面临着诸多挑战。通过不断的技术创新和优化，有望克服这些挑战，实现无线传感器网络的高效、可靠和可持续发展。