無線傳感器網絡（WSN）支援新的應用程式，并且由于多種限制，需要非正常範的協定設計範例。由于對低裝置複雜性和低能耗的要求，必須在通信和信号以及資料處理能力之間找到适當的平衡。這激發了人們在該領域的研究活動、标準化過程和工業投資方面巨大努力。
無線傳感器網絡
WSN 可以定義為裝置網絡，表示為節點，它可以感覺環境并通過無線鍊路傳送從受監控區域收集的資訊，資料可以通過多跳轉發到可以在本地使用它或通過網關連接配接到其他網絡的接收器。節點可以是靜止的或移動的。他們可以知道也可以不知道自己的位置。
圖1是一個傳統的單接收器 WSN，這種單接收器場景缺乏可擴充性：通過增加節點數量，接收器收集的資料量會增加，一旦達到其容量，就無法增加網絡規模。此外，由于與 MAC 和路由方面相關的原因，網絡性能不能獨立于網絡規模來考慮。
圖1 單接收器WSN
更一般的場景包括網絡中的多個接收器如圖2。給定一定程度的節點密度，更多數量的接收器将降低由于不幸的信号傳播條件而無法傳送其資料的孤立節點叢集的可能性。
原則上，多接收器 WSN 是可擴充的，即使增加節點數量也可以實作相同的性能，而單接收器網絡顯然不是這樣。
從協定的角度來看，這意味着可以根據合适的标準進行選擇，例如，最小延遲、最大吞吐量、最小跳數等。是以，多個接收器的存在確定了更好的網絡性能關于單接收器的情況，但通信協定必須更複雜并且應根據合适的标準進行設計。
圖2 多接收器場景
無線傳感器網絡的應用
WSN 在現實世界中的各種可能應用實際上是無限的，從環境監測、醫療保健、定位和跟蹤到物流、定位等。
事實上，一旦設定了應用要求，設計人員就必須選擇能夠滿足這些要求的技術。為此，了解不同技術的特點、優勢和劣勢至關重要。
其中一種可能的分類根據必須在網絡中收集的資料類型來區分應用程式。事實上，幾乎所有應用程式都可以分為兩類：事件檢測(ED)和空間過程估計(SPE)。
在第一種情況下，部署傳感器來檢測事件，例如森林火災、地震等。
裝置内的信号處理非常簡單，因為每個裝置都必須将測量的數量與給定的門檻值進行比較，并将二進制資訊發送到接收器。節點的密度必須確定事件被檢測到并以适當的成功機率轉發到接收器，同時保持較低的誤報機率。
興趣現象(POI)的檢測可以以分散的方式執行，這意味着傳感器與接收器一起共同承擔識别POI的任務。然而，與經典的分散檢測問題不同，WSN設定中存在更大的挑戰。
每個節點都有嚴格的功率限制，節點和融合中心之間的通信信道帶寬受到嚴重限制并且不再是無損的，并且每個傳感器節點的觀察在空間上是變化的。
在分散檢測的背景下，協作允許傳感器節點之間的資訊交換以不斷更新它們的本地決策，直到在節點之間達成共識。
在SPE中，WSN 旨在估計給定的實體現象，可以将其模組化為二維随機過程。在這種情況下，主要問題是根據通常放置在随機位置的傳感器采集的樣本，獲得對空間過程整個行為的估計。
然後，測量将受到适當的處理，這些處理可以由節點以分布式方式執行，也可以在監控器集中執行。估計誤差與節點密度以及過程的空間變異性密切相關。更高的節點密度導緻更準确的标量場重建，但代價是更大的網絡吞吐量和成本。
森林中火災的位置，或地震的檢測等如圖3所示。
一般來說，這些應用都是針對室内或室外環境的監控，監控範圍可能是幾百平方米，也可能是幾千平方公裡，監控時間可能長達數年。通過在靠近這些現象可能發生的地方安裝網絡嵌入式系統，可以更早地感覺洪水、森林火災、地震等自然災害。
由于在開放環境中遇到不可避免的損害，這樣的系統不能依賴于固定的基礎設施并且必須非常健壯。系統應盡快響應環境變化。被觀察的環境大多是人類始終無法接近的。是以，魯棒性起着重要作用。
安全和監控應用程式也有一些苛刻和具有挑戰性的要求，例如實時監控和高安全性。
圖3 事件檢測應用程式
無線傳感器網絡設計的主要特點
WSN的主要特征，正如前面部分給出的一般描述所推斷的那樣，相對于網絡中節點數量的可擴充性、自組織、自愈、能源效率、足夠程度的連接配接性節點之間，低複雜度，低成本和節點大小。
那些提供這些特性的協定架構和技術解決方案可以被認為是建立這些網絡的潛在架構，但不幸的是，這樣的協定架構和技術解決方案的定義并不簡單，研究仍然需要努力。
對無線傳感器網絡的大規模研究始于 2000 年之後。然而，它利用了自上世紀下半葉以來對無線網絡的研究成果。
特别是 ad hoc 網絡的研究幾十年來引起了很多關注，一些研究人員試圖将他們在 ad hoc 網絡領域獲得的技能報告給無線傳感器網絡的研究。
顯然，這個定義可以包括無線傳感器網絡。然而，事實并非如此。這是無線自組織網絡的主要特性清單：無計劃和高度動态。
節點是“智能”終端（筆記本電腦等）；典型應用包括實時或非實時資料、多媒體、語音；每個節點都可以是資訊的來源或目的地；每個節點都可以成為其他節點的路由器；能源不是最相關的問題；容量是最相關的問題。
除了第一項，這是WSN所共有的，在所有其他情況下，WSN和無線自組織網絡之間都有明顯的差別。在WSN中，節點是簡單且低複雜度的裝置；典型的應用程式需要定期或根據請求或根據某些外部事件發送少量位元組；
每個節點都可以是資訊的來源或目的地，但不能同時是兩者；一些節點不起到路由器的作用；能源效率是一個非常相關的問題，而容量則不适用于大多數應用。
是以，WSN不是無線自組織網絡的特例。在考慮适用于 ad hoc 網絡的協定和算法以及在WSN環境中使用它們時，必須格外小心。
IEEE 802.15.4 無線技術是一種短程通信系統，旨在為 WPAN 中的應用程式提供寬松的吞吐量和延遲要求。該技術的主要應用領域是無線傳感器網絡的實施。802.15.4 核心系統由射頻收發器和協定棧組成，如圖4所示。
圖4 ZigBee 協定棧
IEEE 802.15.4 MAC層使用基于CSMA/CA算法的協定，它需要在傳輸之前監聽信道，以減少與其他正在進行的傳輸發生沖突的可能性。
在啟用信标的模式中，對信道的通路是通過超幀管理的，從一個稱為信标的資料包開始，由 WPAN 協調器傳輸。
超幀可能包含一個非活動部分，允許節點進入休眠模式，而活動部分分為兩部分：競争通路期（CAP）和無競争期（CFP），由保證時隙（GTS）組成，可以由接收器配置設定給特定節點，如圖5所示。GTS 的使用是可選的。
圖5 超幀結構
超寬帶無線電是一種快速興起的技術，具有獨特的吸引力，引起了學術界、工業界和全球标準化的極大興趣。
UWB 信号最廣泛接受的定義是瞬時頻譜占用超過 500 MHz 或部分帶寬超過 20% 的信号。最有前途的 UWB 技術之一，特别是對于 WSN 應用，被稱為脈沖無線電 UWB (IR-UWB)。
IR-UWB 技術依賴于超短（納秒級）波形，這些波形可以不含正弦波載波，并且不需要 IF 處理，因為它們可以在基帶上運作。IR-UWB 技術已被選為 IEEE 802.15.4a 任務組的 PHY 層，用于 WPAN 低速率替代 PHY 層。
802.15.4a 的基線基于兩個可選的 PHY，包括一個 UWB 脈沖無線電（在未經許可的 UWB 頻譜中運作）和另一個在未經許可的 2.4 GHz 頻譜中運作的選項，前者将能夠提供通信和高精度測距。
藍牙無線技術是一種短程通信系統，旨在取代 WPAN 中的電纜。藍牙無線技術的主要特點是穩健、低功耗和低成本。核心規範的許多功能都是可選的，這允許産品差異化。
藍牙 RF（實體層）在未經許可的 ISM 頻段中運作，對于大多數國家/地區，大約在 (2400, 2483.5) MHz 中為 2.4 GHz。ISM 頻帶中有 79 個間隔為 1 MHz 的頻道可用。該系統采用跳頻收發器來對抗幹擾和衰落。
RF 操作使用高斯形狀的二進制頻移鍵控調制來最大限度地降低收發器的複雜性，并使用前向糾錯編碼技術。比特率為 1 Mbps。
節點以微微網的形式組織，由主節點管理，最多有七個活動從節點。實體信道被細分為稱為時隙的時間單元，持續時間為625μs。藍牙技術通過使用時分雙工 (TDD) 方案提供全雙工傳輸效果。
Z-Wave 是丹麥公司 Zensys 開發的一項技術；它使用低功率射頻無線電進行低功率遠端控制應用。該技術已由 Z-Wave 聯盟标準化。該技術與 802.15.4 不相容。與 802.15.4 相比，這項技術的主要優勢在于其在低于 1 GHz 的頻段内運作。
事實上，2.4 GHz RF 頻段受到 802.11 和 802.15.1 裝置的嚴重幹擾。另一方面，Z-Wave 使用的 868 MHz ISM 頻段受歐洲法規的限制，隻能在 1% 或以下運作。然而，對于大多數控制應用來說，頻帶内 1% 的占空比操作就足夠了。
可以形成網狀拓撲，但是所使用的尋址方案允許網絡中最多有 232 個節點。可操作的資料速率為 9.6 kbps 和 40 kbps。
這種超低功耗藍牙技術的開發過程始于 FP6 資助的項目 MIMOSA。該技術于 2006 年 10 月以“Wibree”的名稱向公衆釋出。基本上它是藍牙的簡化版本。
它使用與藍牙使用的 2.4 GHz ISM 相同的實體層與現有藍牙裝置進行互操作，并允許在最遠 10 米的範圍内實作 1 Mbit/s 的資料速率。Bluetooth low energy 旨在以非常低的延遲非常高效地向其他裝置傳輸非常少量的資料。
與傳統藍牙技術相比，它的效率最多提高 15 倍。它通過優化三個基本功能領域來實作這些效率提升：可連接配接和可發現模式、連接配接期間傳輸的資料包數量以及每個資料包的大小。
在經典藍牙技術中，要使裝置可連接配接或可發現，它必須啟用其接收器。是以，響應的唯一方法是讓無線電在很長一段時間内處于活動狀态。
兩個跳頻裝置進行通信的一個基本要求是它們需要同時使用相同的頻率或信道，即它們需要同步。當裝置剛開始通信時，它們是不同步的，它們需要搜尋不同的頻道才能找到對方。在藍牙技術中，使用了 32 個通道。
搜尋那麼多頻道需要時間，而在藍牙技術中，兩個裝置可能需要幾秒鐘才能找到對方，這會消耗電量。相反，在低功耗藍牙技術中，隻有三個通道用于廣告。
兩個版本的标準之間還有另外兩個主要差別：低功耗藍牙使用的信道較少，無線電使用的跳頻序列不同。信道較少的原因有兩個：低功耗藍牙使用更大的調制指數，這意味着其信号占用更多帶寬，并且放寬了對信道濾波器陡峭度的要求。
是以，低功耗藍牙信道的間隔為 2 MHz，而不是藍牙技術中的 1 MHz。這兩種設計選擇都是為了提供更低的功耗。
低功耗版本的另一個重要改進是，當從裝置沒有任何資料要傳輸時，它甚至不必費心去監聽主裝置的通信事件資料包。這使得從屬裝置能夠盡可能長時間地保持在盡可能低的功耗模式，進而進一步節省大量電量。
然而，如果它确實有重要的東西要傳輸，那麼它可以在下一個适當的通信事件中醒來并非常快速地傳輸它的資料。這在超低功耗操作和低延遲資料傳輸之間實作了極好的折衷。
WSN 解決方案的開發需要在根據應用程式的特定需求定制可用的 HW/SW 平台方面付出大量努力。是以，如果市場規模較小，開發/部署成本可能會非常高。是以，WSN 技術最成功的應用将是那些面向包含大量節點的應用。
大量節點需要存在許多具有相似性質的上下文，在這些上下文中可以部署相同的技術/應用程式。例如，在本次讨論中，我們考慮建築物、人和車輛；所有這些“上下文”都大量存在于目前世界中，是以它們代表着巨大的潛在市場。