（运筹学与控制论专业论文）无线传感器网络定位算法的研究.pdf

at h e s i si no p e r a t i o n a lr e s e a r c ha n dc y b e r n e t i c s r e s e a r c ho nl o c a l i z a t i o na l g o r i t h mf o r w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k b yz h a og u a n g x i s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rz h a n gx u e f e n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u l y2 0 0 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示诚挚 的谢意。 学位论文作者签名：抠记熙 签字日期：加c 7 9 7 ，9 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年酣一年半口 学位论文作者签名：丝光熙 签字日期：弘砖7 一 两年口 导师签名：私耍呼 签字日期：p 亿7 、 东北大学硕士学位论文 摘要 无线传感器网络定位算法的研究 摘要 无线传感器网络集中了微机电技术、感知技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理 技术和无线通信技术。无线传感器网络作为一种全新的信息获取和处理技术，能够广泛 应用在国防军事、环境监测、医疗卫生、空间探索及反恐抗灾等许多领域，被认为是二 十一世纪最重要的技术之一。 节点定位问题是传感器网络进行目标识别、监控、跟踪等众多应用的前提，也是无 线传感器网络研究中的热点问题之一。现有的定位算法大致可分为两类：基于测距的定 位算法和无需测距的定位算法。 本文的研究工作围绕着无线传感器网络自身定位算法这一崭新的课题进行的，本文 的主要工作与结构如下： 首先，本文在查阅大量相关文献的基础上，综述了基于无线传感器网络定位技术的 国内外研究现状。介绍了无线传感器网络定位算法的性能评价，着重综述了近年来该领 域具有代表性的算法的原理和特点。 其次，分别以传统的质心算法和b o u n d i n gb o x 算法为基础，融入了数学形态学的 丌运算和二跳信息理论，设计出一种新的定位算法，对其核心思想和算法进行讨论。本 文中提出的基于开运算的质心算法，通过适当改善传统质心定位算法的定位机制，利用 开运算之后各个锚节点收敛到质心的幅度大小和收敛方向的不同，达到了提高定位精度 的目的。基于二跳的b o u n d i n gb o x 算法，则利用二跳范围内的锚节点信息，增加了未 节点的约束条件，减少了未知节点可能出现的区域，由此来达到提高定位精度的目的。 然后，用m a t l a b 分别对以上两种算法做了仿真与分析。仿真分析得到，算法是 行的，并且有效的。但两种算法在某些局部定位上会出现放大定位误差的现象，可是 虑到出现这种特殊情况的概率较小，因此不会对提高全网节点的定位精度产生影响。 最后，对本文做了总结，并对无线传感器网络定位技术做了展望。 键词：无线传感器网络；节点定位：质心算法；b o u n d i n gb o x 算法；数学形态学；二 信息；m a t l a b 图像处理_ 具箱 舞 r e s e a r c ho nl o c a l i z a t i o na l g o r i t h mf o r w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k - a b s t r a c t t w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，w h i c hi n t e g r a t et e c h n o l o g i e so f m i c r o e l e c t r o m e c h a n i s m s e n s l n g ，e m b e d d e dc o m p u t i n g ，d i s t r i b u t e di n f o r m a t i o n p r o c e s s i n ga n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，a sab r a n d - n e wt e c h n i q u ei ni n f o r m a t i o na c q u i s i t i o n a n dp r o c e s s i n g ，c a nb ew i d e l yu s e di nm a n ya r e a ss u c ha sn a t i o n a l d e f b n s e ，e n v i r o m n e n t a l s u p e r v i s i o n ，m e d i c a lt r e a t m e n t ，o u t e rs p a c ee x p l o r a t i o n ，c o u n t e r - t e r r o r i s m a i l dd i s a s t e r r e t r i e v a l i ti sc o n s i d e r e da so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tt e c h n i q u e so f t h e2 1 s tc e n t u r y l o c a l i z a t i o n ，w h i c hh a sb e e nf o c u s e da sab a s i cp r o b l e m ，i st h ep r e c o n d i t i o no fm a n v a p p l i c a t i o n so fs e n s o rn e t w o r k s ，s u c ha st a r g e ti d e n t i f i c a t i o n ，s u r v e i l l a n c ea n dt r a c k i n g e x i s t i n gl o c a l i z a t i o na l g o r i t h m sc a nb er o u g h l yd i v i d e di n t ot w oe a t e g o r i e s ：r a n g e b a s e d l o c a l i z a t i o na l g o r i t h ma n dr a n g e f r e el o c a l i z a t i o na l g o r i t h m t h er e s e a r c ho ft h i st h e s i si sb a s e do nt h ea n a l y s i so ft h es e l f - l o c a l i z a t i o na l g o r i t h m s o n w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sa n di t sm a i ns t r u c t u r ei n c l u d e ： f i r s to fa l l ，t h er e s e a r c hs t a t u so fw i r e l e s ss e n s o rl o c a l i z a t i o nt e c h n i q u e sa n dp o s i t i o n i n g s y s t e m sf o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sa r es u m m a r i z e db a s e do nt h es t u d yo fal o to fr e l a t e d l i t e r a t u r e s i nt h i s t h e s i s ，t h ec r i t e r i o no fp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o na n d a l g o r i t h m s t h e t a x o n o m yf o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sl o c a l i z a t i o ns y s t e m sa r ed e s c r i b e d ，t h ep r i n c i p l e sa n d c h a r a c t e r i s t i c so fr e c e n tr e p r e s e n t a t i v el o c a l i z a t i o na p p r o a c h e sa r ed i s c u s s e da n d p r e s e n t e d s e c o n d l y , o nt h eb a s eo ft h ec e n t r o i da l g o r i t h ma n dt h eb o u n d i n gb o xa l g o r i t h m ，i t d e s i g n s an e wl o c a l i z a t i o na l g o r i t h mb yi n t e g r a t i n gi n t ot h eo p e n i n go p e r a t i o ni d e ao ft h e m a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g ya n dt h et o wh o pt h e o r y , a n dd i s c u s s e si t sc o r ei d e a sa n d a l g o r i t h m s i nt h i st h e s i s ，b ye n h a n c i n gt h ec o m p l e x i t yo ft h ec e n t r o i da l g o r i t h ma n du s i n ga l l t h es i n k n o d ec o n v e r g e n c et od i f f e r e n tr a n g ea n dd i r e c t i o na f t e rp r o c e s s i n gt h eo p e n i n go p e r a t i o n ，a p r e s e n t e dc e n t r o i da l g o r i t h mb a s e do nt h eo p e n i n go p e r a t i o nr e a c h e sf i l ea i mo fr e d u c i i l g l o c a l i z a t i o ne r r o r t h ea l g o r i t h mo fb o u n d i n gb o xb a s e do nt h et w oh o pi n f o r m a t i o nm a k e s u s eo ft h ei n f o r m a t i o no fa n c h o rn o d e sw i t h i nt h es c o p eo ft w oh o p s ，a n di n c r e a s e st h e c o n s t r a i n t sc o n d i t i o n so fu n k n o w nn o d e ，a n dr e d u c e st h ep o t e n t i a lr e g i o no ft h eu n k n o w n n o d e s ，s ot h i sa l g o r i t h ma c h i e v e st h eo b j e c t i v eo f i m p r o v i n gt h ep o s i t i o n i n ga c c u r a c y v 东北大学硕士学位论文 塑墨 r h e n , w es h o u l ds i m u l a t ea n da n a l y z et w oa l g o r i t h m s u s i n gm a t l a b ，t h em e t h o di s 姥a s l b l ea n de 疏c t i v eb ys i m u j a t i 。n a n a l y s i s ，h 。w e v e r ，t w oa i g o r i t h m sw i l j a p p e a ro nt h e p h e n o m e n o no nt h ee n l a r g i n g p o s i t i o n i n ge l t o ri ns o m el o c a ll o c a t i o n ，b u tt a k i n gi n t oa c c o u n t t h l ss m a l l p r o b a b i l i t yo ft h es p e c i a l p r o b l e m ，s 。i m p r o v i n gt 1 1 en e t w o r kn o d e s o ft h e t p o s i t i o n i n ga c c u r a c yw i l ln o th a v ea u le f r e c t 1 n a l l y ，w eh a v eg i v e nac o n c l u s i o na n dp u tf o r w a r d t h ef u t u r eo nt h el o c a l i z a t i o n t e c h n o l o g yo fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k si nt h el a s tp a r a 脚h v i 的 鸭 m 幻 讹 鸣 蜘嘲 埘 即 咖 黔 似鼢：蚕悯型 出 k 喜 雌 m m 幽 一 w 砌 懿 m mw 砒 倒炉 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i i a b s t r a c t 1 、7 第一章绪论一l 1 1 研究背景1 1 2 课题的提出2 1 3 本文主要工作与章节安排3 第二章预备知识5 2 1 无线传感器网络概述5 2 1 1 无线传感器网络的体系结构5 2 1 2 无线传感器网络的特点6 2 1 3 无线传感器网络研究中的关键性技术7 2 1 4 无线传感器网络的应用8 2 2 节点定位技术10 2 2 1 节点定位计算方法1 l 2 2 2 定位算法的评价标准：1 3 2 2 3 基于测距的定位算法14 2 2 4 无需测距的定位算法16 2 3 二值数学形态学基本运算2l 2 3 1 腐蚀运算2l 2 3 2 膨胀运算2 3 2 3 3 丌运算2 4 2 3 4 闭运算2 5 2 4 本章小结2 5 第三章基于开运算的质心定位算法2 7 3 1 基本概念2 7 3 2 质心定位算法分析2 8 3 2 1 加权质心定位算法2 9 3 2 2 多跳质心定位算法31 3 2 3 质心定位算法的误差分析3 2 3 3 基于丌运算的质心定位算法3 3 东北大学硕士学位论文 目录 3 3 1 算法的提出3 3 3 3 2 算法的描述3 4 3 3 3 替代收敛点机制3 6 3 4 本章小结3 9 第四章基于- 的b o u n d i n gb o x 定位算法4 1 4 1b o u n d i n gb o x 定位算法分析4 1 4 2 基于二跳的b o u n d i n gb o x 定位算法4 2 4 2 1 算法的提出4 2 4 2 2 算法的描述4 4 4 3 本章小结：4 6 第五章仿真与分析4 7 5 1 仿真工具简介 4 7 5 2 基于开运算的质心定位算法的仿真与分析4 8 5 2 1 m a t l a b 数学形态学操作4 8 5 2 2 算法的仿真5l 5 2 3 参数的分析5 4 5 3 基于二跳的b o u n d i n gb o x 定位算法的仿真与分析5 6 5 3 1 算法的仿真5 6 5 3 1 参数的分析5 8 5 4 本章小结6 0 第六章总结与展望6l 6 1 全文总结6l 6 2 展望61 参考文献6 3 、 致谢6 7 攻读硕士学位期间发表的论文6 9 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k ，w s n ) 是当前国际上倍受关注的、由多 学科高度交叉的新兴前沿研究热点领域。无线传感器网络是由大量体积小、成本低、具 有感知能力、无线通讯能力和数据处理能力的微型传感器节点以自组织方式构成的【l - 2 1 。 无线传感器节点是网络的基本单位，节点的稳定运行是整个网络可靠性的基本保i 正 3 l 。 根据不同的任务需求，传感器节点集成了不同类型的传感器，以感知和测量所在周 边环境的温度、湿度、噪声、光强度、压力、速度、加速度、土壤成分等；数量巨大的 传感器节点通过飞机抛洒或其他特定的方式分散在监控区域内，通过无线通信自主地构 成网络，并通过协作式的感知、数据采集和分布式的计算，实现对监控区域内用户所感 兴趣的物理量的监测，并将监测结果通过网络传送给用户【4 巧1 。 无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信计算、 分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采 集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织无 线通信网络以多跳方式所感知信息传送到用户终端。无线传感器网络的研究采用系统发 展模式，因而必须将现代的先进微电子技术、微细加工技术、系统s o c 芯片设计技术、 纳米材料与技术、现代信息通讯技术、计算机网络技术等相融合，以实现其微型化、集 成化、多功能化及系统化、网络化，特别是实现无线传感器网络特有的超低功耗系统设 计。无线传感器网络具有十分广阔的应用前景，在军事国防、工农业、城市管理、生物 医疗、环境监测、抢险救灾、危险区域远程控制等许多领域都有重要的科研价值和巨大 使用价值，已经引起了世界许多国家军事晃、学术界和工业界的高度重视，并成为了进 入2 0 0 0 年以来公认的新兴前沿热点研究领域，被认为是将对二十一世纪产生巨大影响 力的技术之一。 无线传感器网络自身定位就是根据少数已知位置的节点，按照某种定位机制确定网 络中所有节点的位置。 定位信息除用来报告事件发生的地点外，还具有下列用途：目标跟踪，实时监视目 标的行动路线，预测目标的前进轨迹；协助路由，如直接利用节点位置信息进行数据传 递的地理路由协议，避免信息在整个网络中的扩散，并可以实现定向的信息查询；进行 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 网络管理，利用传感器节点传回的位置信息构建网络拓扑图，并实时统计网络覆盖情况， 对节点密度低的区域及时采取必要的措施等等。在无线网络传感器中，传感器节点的精 确定位对各种应用有着重要的作用。 无线传感器网络的广泛深入应用需要定位技术的发展。全球定位系统g p s 是目前 应用得最广泛最成熟的定位系统，通过卫星的授时和测距对用户节点进行定位，具有定 位精度高、实时性好、抗干扰能力强等优点，但是g p s 定位只适应于无遮挡的室外环 境，用户节点通常能耗高，体积大，成本也比较高，需要固定的基础设施等，这使得它 不适用于低成本自组织的无线传感器网络。 在无线传感器网络中，传感器节点能量有限、可靠性差、节点规模大且随机布放、 无线模块的通信距离有限，对定位技术和定位算法提出了很高的要求。这就需要无线传 感器网络的自定位算法具备以下特点： ( 1 ) 自组织性：无线传感器网络的节点随机分布，不能依靠全局的基础设施补助定 位。 ( 2 ) 健壮性：传感器节点的硬件配置低、能量少、可靠性差、测量距离时会产尘误 差，算法必须具有较好的容错性。 ( 3 ) 能量高效：尽可能地减少算法中计算的复杂性，减少节点间的通信开销，以尽 量延长网络的生存周期。通信开销是无线传感器网络的主要能量开销。 ( 4 ) 分布式计算：每个节点计算自身位置，不能将所有信息传送到某个节点进行集 中计算。 许多技术都能够解决无线传感器网络定位问题，但每一种方法都是用来解决不同的 问题或支持不同的应用，它们在用于定位的物理现象、传感器设备的组成、能量需求、 基础设施和时空的复杂性等许多方面存在不同。这一领域的研究在国内才刚刚起步，国 外虽有一定研究，但并不成熟，就像整个无线传感器网络研究一样，处于研究初期。 1 2 课题的提出 无线传感器网络作为一种全新的技术，为科技工作者提出了许多具有挑战性的研究 课题，而定位就是其中之。定位是大多数应用，特别是军事应用的基础。无线传感器 网络中的定位机制与算法包括两部分：节点自身定位和外部目标定位。 在无线传感器网络中，位置信息对传感器网络的监测活动至关重要，事件发生的位 置或获取信息的节点位置是传感器节点监测信息中所包含的重要信息，没有位置信息的 东北大学硕士学位论文 监测信息往往毫无意义。只有在传感器节点自 生的具体位置。因此在无线传感器网络中，节 息的前提，对传感器网络应用的有效性起着关键的作用。 节点定位精度是定位技术重要的评价指标之一。然后，很多定位算法达不到很高的 定位精度，尤其是无需测距的定位算法。而人工部署和为所有节点安装g p s 接收器都 会受到成本、功耗、扩展性等问题的限制，甚至在某些场合根本无法实现。因此必须针 对其密集性、节点的计算、存储和通信能力都有限的特点设计有效的定位算法。 1 3 本文主要工作与章节安排 节点定位问题和覆盖问题、布局、网络通信协议是传感器网络研究的几个基本问题。 其中，节点定位问题是传感器网络进行目标识别、监控、定位等众多应用的前提，也是 传感器网络研究中的基础性问题和热点问题之一。本文就传感器网络的定位技术展开深 入探讨，其主要工作与创新点如下： ( 1 ) 在全面收集、阅读和系统分析与无线传感器网络定位技术相关的文献资料的基 础上，简单介绍了现有的几种经典的定位算法和需要的其他预备知识。 ( 2 ) 深入了解和研究经典的质心算法，并分析目前的定位算法产生误差的可能性与 算法的局限性，结合数学形态学的相关理论知识，提出了基于丌运算的质心算法。本算 法力求转换研究方法，把定位问题转换到了几何图像学范畴来研究和实现，通过仿真分 析得出，本文提出的算法是可行的，并且有效的。 ( 3 ) 分别以传统的质心算法和b o u n d i n gb o x 算法为基础，融入了数学形态学的开运 算和二跳信息理论，设计出一种新的定位算法，对其核心思想和算法进行讨论。本文中 提出的基于开运算的质心算法，通过适当改善传统质心定位算法的定位机制，利用丌运 算之后各个锚节点收敛到质心的幅度大小和收敛方向的不同，达到了提高定位精度的目 的。基于二跳的b o u n d i n gb o x 算法，则利用二跳范围内的锚节点信息，增加了未知节 点的约束条件，减少了未知节点可能出现的区域，由此来达到提高定位精度的目的。本 文从数学形态学角度出发分析了无线传感器网络中的定位问题，并且利用数学形态学的 相关知识改善了原有的定位算法。这跟以往的无线传感器网络研究大不相同。无需测距 的定位算法，都可以归结到简单的数学和几何图像问题。使得无需测距的定位算法结合 数学形态学方面的相关知识或利用其他几何学、图形学理论，都存在改善和提高定位精 度的可能性。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 本文的章节安排如下： 第一章：绪论。绪论中简要阐述了课题背景，课题的提出和本文的主要工作与章节 安排。 第二章：预备知识。查阅大量相关文献的基础上，首先，简要介绍了无线传感器网 络的基本知识与应用。其次，介绍了基于无线传感器网络定位技术的国内外研究现状， 把定位算法分为基于测距的定位算法和无需测距的定位算法，着重综述了近年来该领域 具有代表性的算法的原理和特点。最后，介绍了二值数学形态学的四个基本运算：腐蚀 运算、膨胀运算、开运算、闭运算。并且结合实例和图片说明了上述运算的主要应用。 第三章：基于开运算的质心定位算法。第三、第四、第五章是本文的主要部分。在 第三章，一开始对传统的质心算法做了详细的分析的概括，与现有的改进的质心算法分 析和比较中，得出了质心定位算法固有的缺点和相应的解决方法。本文把质心算法的定 位问题转换到了几何图像问题，并结合数学形态学的相关运算在这方面的优势，提出了 基于开运算的质心定位算法。对算法的提出到最后的实现，给出了详细的说明。 第四章：基于二跳的b o u n d i n gb o x 定位算法。第四章引入二跳信息理论，利用与 未知节点连通的二跳内锚节点信息，增加了约束条件，减少了未知节点出现的区域，由 此来达到提高定位精度的目的。 第五章：仿真与分析。仿真是研究问题中不可缺少的重要部分之一。首先介绍了网 络仿真工具和m a t l a b 软件，并利用m a t l a b 对算法进行了仿真。通过大量的仿真实 验，分别从不同的方砸讨论了各个参数对两种算法的影响。通过仿真分析得到，本文的 算法是可行的，并且有效的。 第六章：总结与展望。最后对本文做了总结，并对无线传感器网络定位技术做了展 望。 东北大学硕士学位论文第二章预备知识 第二章预备知识 2 1 无线传感器网络概述 无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信计算、 分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采 集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织无 线通信网络以多跳方式所感知信息传送到用户终端。无线传感器网络的研究采用系统发 展模式，因而必须将现代的先进微电子技术、微细加工技术、系统s o c 芯片设计技术、 纳米材料与技术、现代信息通讯技术、计算机网络技术等相融合，以实现其微型化、集 成化、多功能化及系统化、网络化，特别是实现无线传感器网络特有的超低功耗系统设 计。无线传感器网络具有十分广阔的应用前景，在军事国防、工农业、城市管理、生物 医疗、环境监测、抢险救灾、危险区域远程控制等许多领域都有重要的科研价值和巨大 使用价值，已经引起了世界许多国家军事界、学术界和工业界的高度重视，并成为了进 入2 0 0 0 年以来公认的新兴前沿热点研究领域，被认为是将对二十一世纪产生巨大影响 力的技术之一。 2 1 1 无线传感器网络的体系结构 典型的传感器网络由传感器节点、接收发送器( t g 称网关节点、s i n k 节点) 、i n t e m e t 或通信卫星、任务管理节点等部分构成。传感器节点散布在制定的感知区域内，每个节 点都可以收集数据，并通过“多跳”路由方式把数据传送到s i n k 节点嘲。s i n k 节点也可 以用同样的方式将信息发送给各个节点。s i n k 节点直接与i n t e m e t 或通信卫星相连，通 过i n t e m e t 或通信卫星实现任务管理节点( 观察者) 与传感器之间的通信，如图2 1 所 示。 由此可知，传感器、感知对象和观察者是传感器网络的三个基本要素；有线或无线 网络是传感器之问、传感器与观察者之间的通信方式，用于在传感器与观察者之问建立 通信路径；协作地感知、采集、处理、发布感知信息是传感器网络的基本功能。一组功 能有限的传感器协作地完成大的感知任务是传感器网络的重要特点。传感器网络中的部 分或全部节点可以移动，传感器网络的拓扑结构也会随着节点的移动而不断地动念变 化。节点间可以相互通信，每个节点都可以充当路由器的角色，并且每个节点都具备动 东北大学硕士学位论文 第二章预备知识 态搜索、定位和恢复连接的能力。从本质上来说，传感器节点是一个微型化的嵌入式系 统1 7 j ，由电池提供能量，具有有限的计算、存储、通信能力，节点的通信距离也比较短， 一般只与其紧邻的节点交换信息，通过多跳的方式传输数据。因此，节点在网络中兼顾 传统网络节点的终端和路由器双重功能，除了进行本地数据采集和处理外，还要与其他 节点协作进行数据存储、融合等处理。相对而言，s i n k 节点的计算、存储、通信能力较 强，可以是特殊的网关设备，它实现了传感器网络和外部网络的互连。 检测区域传感器节点 图2 1 典型传感器网络结构 f i g 2 1t h ea r c h i t e c t u r eo fs e n s o rn e t w o r k 2 1 2 无线传感器网络的特点 传感器网络为中短距离、低速率网络，射频传输成本低，各节点只需要很少的能量， 功耗小适于电池长期供电，可实现一点对多点、两点间对等通信、快速组网自动配置、 自动恢复和高级电源管理，任意的传感器之间可相互协调实现数据通信。与目前常见的 其他无线网络，如移动通信网、无线局域网、蓝牙网络以及a d h o c 网络相比，无线传 感器网络由于其使用目的以及要求不同，存在如下特点【8 j ： ( 1 ) 硬件资源有限：在无线传感器网络中，节点的计算能力与内存空问受到种种限 制，如价格、体积，最主要的是能耗，因此，相对于普通计算机，它们的功能要弱很多。 ( 2 ) 电源容量有限：在网络中节点采用电池作为能量来源，而由于其特殊的应用领 东北大学硕士学位论文第二章预备知识 域，决定了电池在使用过程中既不能接受充电也不能被更换，这就使得电池能量完全决 定了节点的寿命1 9 j 。为此，网络节点硬件设计方面一定要考虑最大限度节电，而软件设 计方面各层协议也要将节能置于重要地位，必要时甚至可以为节能而牺牲其他网络性能 指标，尽可能地提高节点的工作寿命，从而延长整个网络的工作时间。 ( 3 ) 无中心：网络中没有严格的控制中心，一般情况下所有节点位置平等( 也有可 能在网络中有些节点由于携带特殊模块而居于更为重要的地位) ，属于对等式网络。节 点加入网络或从网络中分离可以随时发生，而一个节点的故障也不会导致整个网络崩 溃，这也决定了其极强的抗破坏性与抗毁灭性。 ( 4 ) 自组织：由于网络开始架构时节点是从飞行器上被抛散出去的，不依赖于任何 预先设定的网络设施。节点通过分层协议与分布式算法协调各自的行为，快速组成一个 独立网络。 ( 5 ) 多跳路由：由于网络中节点通信半径有限，故要想与更多的节点交换信息，就 必须通过中间节点进行路由。无线传感器网络的路由无法像固定网络一样通过网关与路 由器，而只能通过普通节点对信息的发送与转发完成。 ( 6 ) 动态拓扑：毫无疑问无线传感器网络是动态网络，因为在网络中节点可以随处 移动，网络中随时可能发生节点加入或退出网络的事件，这样会使网络的拓扑结构随时 发生变化，故网络中应具有动态拓扑组织功能。 ( 7 ) 节点数量众多，分布密集：为保证对目标区域的监控任务能够完成，同一时间 段内会有大量传感器被投入目标区域，传感器节点的分布相当密集，利用节点之间的高 连通度保证系统的容错性和抗毁性。 2 1 3 无线传感器网络研究中的关键性技术 作为一种新兴的网络形态，同时又是传感技术、通信技术、微机电技术、嵌入式技 术、分布式计算技术等多学科交叉的领域，无线传感器网络技术一经提出便引起了多方 面的关注，且在近几年发展迅速，但要达到很成熟的应用目的，还有很多的问题需要解 决。目前，需要深入研究解决的无线传感器网络关键性问题如下 7 , 1 0 】： ( 1 ) 网络拓扑控制：对于无线自组织形式的传感器网络而言，自动生成网络拓扑的 意义在于在满足网络连通度的情况下，以较低的代价实现对监控区域的有效覆盖；良好 的网络拓扑结构，能够有效地提高链路层协议和路由协议的效率，可为上层的数据融合、 时间同步、目标定位等许多应用奠定基础，有利于整个网络的负载均衡，从而节省节点 东北大学硕士学位论文 第二章预备知识 的能量来延长整个网络的生存期。 ( 2 ) 网络协议：特指数据链路层和网络层的协议，与传统的有线网络、a d h o c 网络 不同，由于节点的计算、存储、通信、能量都受到很大的限制，运行在节点上的网络协 议不能太复杂；传感器网络拓扑结构会发生动态变化，这些对网络协议提出了更高的要 求。m a c 协议首先要考虑节省能源和可扩展性，其次才考虑到公平性、信道利用率和 实时性等；由于传感器网络是以数据为中心的，路由协议没有必要为每个节点进行统一 编址，在保证拓扑结构适应性、低丌销的同时，还要考虑到整个网络的流量均衡。 ( 3 ) 时间同步：时间同步问题是传感器网络各节点在进行协同工作时需要面临的一 个关键问题。同样，现有的同步机制尚无法满足传感器网络低功耗、低成本的要求。 ( 4 ) 节点定位技术：传感器网络对目标的观察必须建立在了解目标位置的基础上， 因此随机部署的传感器节点要能在完成部署后自土地确定自己的位置。传感器网络的特 点再次决定了定位机制需要满足自组织性、健壮性、能量高效、分布式计算等要求。 ( 5 ) 节点数据融合：由于传感器网络对目标的观察存在数据冗余，若这些冗余数据 不加任何处理就传送给观察者，将会带来巨大的网络流量，从而带来急剧的能量消耗； 另一方面，这种流量通常都是不均衡分布的，靠近观察者的节点非常容易因快速的能量 消耗而失效。因此在各节点收集数据的过程中，即可进行数据的融合，在数据融合的过 程中也滤除了部分噪声，提高了信息的准确度。 ( 6 ) 低功耗无线通信技术：传感器网络要求通信技术具有信道衰减小、发射信号功 率谱密度低、系统复杂度低、能耗低的特点，目前主要的研究热点集中在超宽带技术上。 ( 7 ) 嵌入式操作系统：传感器节点本质上是一个微型的嵌入式系统，硬件资源非常 有限，这就要求操作系统能够高效地使用其硬件资源。同时，传感器节点具有并发程度 高的特点，因此操作系统要能有效地满足发生频繁、并发程度高、执行过程短的逻辑控 制流程，目前b e r k e l e y 的t i n y o s 采用基于组件的架构和基于事件的驱动来满足上述要 求。 2 1 4 无线传感器网络的应用 微小传感器技术和节点问的无线通信能力为传感器网络赋予了广阔的应用前景，主 要表现在军事、环境、健康、家庭和其他商业领域。当然，在空间探索和灾难拯救等特 殊的领域，传感器网络也有其得天独厚的技术优势。 ( 1 ) 军事应用：最早提出应用无线传感器网络的就是军事领域，应用研究水平最高 东北大学硕士学位论文第二章预备知识 的也是军事领域。由于无线传感器网络是由密集型、低成本、随机分布的节点组成的， 自组织性和容错能力使其不会因为某些节点在恶意攻击中的损坏而导致整个系统的崩 溃，这一点是传统的传感器技术所无法比拟的，也下是这一点，使无线传感器网络非常 适合应用于恶劣的战场环境中，包括监控我军兵力、装备和物资，监视冲突区，侦察敌 方地形和布防，定位攻击目标，评估损失，侦察和探测核、生物和化学攻击。因此无线 传感器网络成为战场c 4 i s r t ( c o m m a n d , c o n t r o l ，c o m m u n i c a t i o n ，c o m p u t i n g ，i n t e l l i g e n c e ， s u r v e i l l a n c e ，r e c o n n a i s s a n c ea n dt a r g e t i n g ) 系统不可或缺的一部分。 ( 2 ) 环境科学：随着人们对于环境的同益关注，环境科学所涉及的范围越来越广泛。 通过传统方式采集原始数据是一件困难的工作。传感器网络为野外随机性的研究数据获 取提供了方便，比如，跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响，监测海 洋、大气和土壤的成分等。a l e r t t 系统中就有数种传感器来监测降雨量、河水水位和 土壤水分，并依此预测爆发山洪的可能性【l2 1 。类似地，传感器网络对森林火灾准确、及 时地预报也应该是有帮助的。此外，传感器网络也可以应用在精细农业中，以监测农作 物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。 ( 3 ) 医疗健康：如果在住院病人身上安装特殊用途的传感器节点，如心率和血压监 测设备，利用传感器网络，医生就可以随时了解被监护病人的病情，进行及时处理【1 3 】。 还可以利用传感器网络长时间地收集人的生理数据，这些数据在研制新药品的过程中是 非常有用的，而安装在被监测对象身上的微型传感器也不会给人的芷常生活带来太多的 不便。此外，在药物管理等诸多方面，它也有新颖而独特的应用。总之，传感器网络为 未来的远程医疗提供了更加方便、快捷的技术实现手段。 ( 4 ) 智能交通管理：应用无线传感器网络使得智能化的实时监控复杂的交通状况变 得可能，这将大大减轻交通管理部门的工作压力，同时提高了道路通行的效率，减少了 能源的消耗，更重要的能够减少交通事故的发生。例如1 9 9 5 年，美国交通部提出了“国 家智能交通系统项目规划 ，预计到2 0 2 5 年全面投入使用。该计划试图把先进的信息技 术、数据通信技术、传感器技术、控制技术及计算机处理技术有效地集成运用于整个地 面交通管理，建立一个在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合交通 运输管理系统。这种新型系统将有效地使用传感器网络进行交通管理，不仅可以使汽车 按照一定的速度行驶、前后车距自动地保持一定的距离，而且还可以提供有关道路堵塞 的最新消息，推荐最佳行车路线以及提醒驾驶员避免交通事故等。 ( 5 ) 空间探索：探索外部星球一直是人类梦寐以求的理想，借助于航天器命撒的传 东北大学硕士学位论丈第二章预备知识 感器网络节点实现对星球表面长时间的监测，应该是一种经济可行的方案。n a s a 的 j p l ( j e tp r o p u l s i o nl a b o r a t o r y ) 实验室研制的s e n s o rw e b s tj 4 就是为将来的火星探测进行 技术准备的，已在佛罗早达宇航中心周围的环境监测项目中进行测试和完善。 ( 6 ) 其他商业应用：自组织、微型化和对外部世界的感知能力是传感器网络的三大 特点，这些特点决定了传感器网络在商业领域应该也会有不少的机会。比如，嵌入家具 和家电中的传感器与执行机构组成的无线网络与i n t e m e t 连接在一起将会为我们提供更 加舒