解析物理层、MAC层和传输层技术问题

WSAN可以看做是WSN和执行器网络（移动Ad Hoc网络）的组合，因而当前传感器网络和Ad Hoc网络中存在的问题和挑战同样也存在于WSAN中。

物理层要完成的功能包括：处理信号、排除传感器网络的硬件故障、管理有限带宽和有限能量、控制感知范围和传输范围、选择天线和工作信道。参考文献（Roundy et al.，2005）对能量采集和非传统电源进行了概括。传感器采用无线通信，在这种通信方式中，RF（Radio Frequency，射频）噪声和多径衰落会导致严重的丢包现象，且易发生窃听、欺骗或拒绝服务（Denial of Service，DoS）攻击。红外和光视距（Line of Sight，LOS）通信也是一种可选解决方案。节点面临着物理风险，因为它们可能存在缺陷、丢失、损坏、受到威胁或者已经过期。无线通信意味着有限带宽，在大多数情况下能量有限（除非充电电池、太阳能或其他能源供应方案是可行的）。同时，无线通信还意味着一对全通信，在这种情况下，传输半径内所有邻居同时接收由一个节点发送的消息。也可考虑采用智能全向天线（尤其是对于反应器来说），但这会使得传感器更为复杂。处理功率小限制了处理时间，缩小了安全方案、数据压缩和差错控制技术的可用选择范围。由于存储空间有限，因而路由表小，这也降低了路由表的可用性。通常假定所有传感器工作在同一频率上（或者可能工作在两个频率上，一个频率用于传输控制消息），否则在“错误”频率上发送大量数据包会极大地消耗能源，也会导致无法及时发现其处于工作状态的邻居。因此，对于WSAN来说，并不将跳频方案（如蓝牙）看做是一种可行的解决方案。

MAC层的主要目标是提供节能、无碰撞通信。WAN中的媒体接入主要通过IEEE 801.15.4标准（IEEE Standard 802，2003）及其扩展标准ZigBee来实现。ZigBee网络规范（ZigBee Alliance，2004）是首批Ad Hoc和传感器网络的标准之一。作为一项无线个域网（Wireless Personal Area Network，WPAN）标准，ZigBee规定了一套采用小型、低速率、低功率数字无线电台的高级通信协议。ZigBee技术比其他WPAN技术（如蓝牙）简单、成本低。标准支持两种拓扑，两种拓扑都要用到中央协调器。在对等拓扑结构中，传感器（设备）之间可以直接进行通信，而在星形拓扑结构中，它们必须通过协调器进行通信。在典型的ZigBee网络中，节点的网络地址是以层次结构方式进行组织的，这样某个节点可以轻松识别出树邻居（如其父节点和子节点）的地址。协调器能够为相关设备缓冲所有数据包，这样设备能够进入休眠模式，仅当设备需要从协调器处检索数据时才唤醒。同时，对于设备来说，协调器负责为所有数据包寻找路由。可以看出，协调器和设备的作用分别类似于执行器和传感器。传感器是时间同步的，遵循联合休眠-激活调度机制。传感器在经历较长的休眠周期后同时被激活。在激活周期的开始，传感器竞争即将到来的时隙，用于发送消息。当传感器都处于激活状态时，ZigBee媒体接入工作原理与基于IEEE 802.11的WiFi（Wireless Fidelity，无线保真）流行标准类似，时间被分为多个时隙，有消息要发送的站点首先等待帧间分隔的若干个时隙。在特定时间间隔（如[0.31]）内，产生一个随机数x，并使用载波侦听来确定等待重传期间在每个时隙内是否使用信道媒体。站点将等待x个空闲时隙（任何站点都不向该站点传送信息），然后在不验证是否存在碰撞的情况下传输完整消息。我们同时也考虑了其他一些偏离基于随机接入ZigBee的方案。例如，Z-MAC（Rhee et al.，2005）将TDMA和CSMA（Carrier Sense Multiple Access，载波侦听多路访问）结合起来。当竞争激烈和不激烈时，该方案分别将MAC转换为CSMA和TDMA。(www.xing528.com)

在传输层，采用数据采集和数据融合来降低流量，提高可靠性和提供QoS控制。此类问题大多已在WSN和Ad Hoc网络中得到了较为深入的研究。需要注意的是，有线网络中传统的端到端可靠性对无线网络已经不适应，因为链路失效可能是由移动性或节点能量耗尽造成的。因此，通常情况下，WSN中QoS问题更注重通信可靠性，而不是带宽和/或延迟。每个传感器测量数据是不可靠的，需要与来自于其他传感器的信息结合起来，以实现集中的可靠性。实际上，WSN传输层的首要任务是在传感器网络向汇聚节点报告过程中，实现足够高的可靠性水平，并最大限度降低能量和带宽资源消耗。

无线传感器网络和WSAN新增了诸多问题，通常具备跨层特征，文献对每个问题都进行了研究，且每个问题对整个网络正常运行都是非常重要的。本书将不讨论这些问题，而主要关注网络层基本问题。建议读者参考其他材料，如传感器网络手册（Stojmenovic，2005），该书涵盖了认证、密钥管理、安全问题、操作系统、数据库、路径暴露、目标定位、分类、跟踪、数据采集和融合、定位（位置确定）、时间同步和校准。