（计算机科学与技术专业论文）无线传感器网络在智能电网中应用的研究.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。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 明并表示了谢意。 签名：茌2 竺褪日期：砸f l 丘互五 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、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电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：杜左里概师( 签名) ： 日期：立丛乡2 鑫 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 无线传感网络技术是当前信息领域里一个前沿性的研究热点，它的出现具 有重大的科学意义和广阔的应用前景。随着器件水平的发展和相关通信协议研 究的深入，无线传感器网络技术在电力系统中具有越来越重要的应用价值。 智能电网是一个较为复杂的综合系统，高安全性是它的主要特点之一，其 安全性表现在多个方面，如发电设备安全、输电设备安全、数据传输安全等等。 作者所讨论的安全性主要集中在输电线路故障的快速准确定位与数据传输安全 两个大的方面。基于前者作者提出了针对输电线路安全的定位机制 d vs a m eh 0 p ，该机制通过在输电线路上安装传感器，结合输电线路的实际特 点，改进传统的定位算法。新的定位方法满足健壮性、自组织性、能量高效、 分布式计算等要求，且简单可行，实验表明它是一种理想的输电线路监测方案。 智能电网的数据传输网的组成包括有线网络与无线网络，其中无线网络主要指 无线传感器网络。相应地智能电网数据传输安全涉及有线传输安全与无线传感 网络安全。有线网络发展的历史较长，安全机制与技术比较成熟，而无线传感 器网络是面向具体应用型的网络，在智能电网中还是一个较新与较热的研究领 域。作者就数字水印技术来解决智能电网下的传感器网络数据传输安全，提出 了用以解决传感器网络安全的水印算法，综合考虑智能电网与传感网络的各自 的特点，利用交变电流时刻变化的特性生成水印信息。由于传感网络节点能量 受限，充分考虑了算法的低复杂度，并用实验仿真数据阐明了该水印算法的合 理性。作者所做的具体如下： ( 1 ) d vh o p 定位算法是建立在距离信息基础上的技术，跳步值是对多跳 距离做平均值而估算得来，因而误差较大，所做的定位也必将粗糙，作者根据 电网输电线路的特点，设计出等跳步模型，并以此来布置传感器节点，进而计 算跳步的物理距离。作者分析三边计算法定位的不足，利用双曲线定位模式计 算未知节点的坐标，求解方法使用c h a n 算法，最后通过仿真进行性能分析。 ( 2 ) 通过分析无线传感器网络传输特点并结合数字水印技术，以此来解决 智能电网中无线传感器网络数据传输的数据安全性问题，提出了基于交变电流的 水印生成、嵌入及检验算法，并通过仿真实验证明了该算法的正确性与可行性。 本课题受到输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室开放课题( 编 号：2 0 0 7 d a l 0 5 1 2 7 1 0 4 0 7 ) 、教育部博士点基金项目( 编号：2 0 0 8 0 4 9 7 1 0 3 0 ) 以及 中央高校基本科研业务费专项资金项目( 编号：n o 2 0 1 0 i a 0 4 9 ) 的资助。 关键字：智能电网，数字水印，无线传感器网络，定位技术，d v _ - h o p 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i f e l e s ss e n s o rn e t w o r k 唧s n ) i st h ec u t t i n g - e d g er e s e a r c hf o c u si nt h ec u r r e n t f i e l do fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y i th a sg r e a ts c i e n t i f i cs i g n i f i c a n c ea n db r o a d a p p l i c a t i o np r o s p e c t s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s e sa n df u r t h e r r e s e a r c hr e l a t e dt oc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s ，i tt a k e sa ni n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tr o l ei n t h ep o w e rs y s t e m s m a r t 鲥d sa r ear e l a t i v e l yc o m p l e xi n t e g r a t e ds y s t e m o n eo ft h em a i n c h a r a c t e r si sh i 曲s e c u r i t yt h a ta p p e a r si nm a n yw a y s ，s u c ha sp o w e re q u i p m e n ts a f e t y , p o w e rt r a n s m i s s i o ne q u i p m e n ts a f e t y , d a t at r a n s m i s s i o ns e c u r i t ya n d s oo n n e s e c u r i t y d i s c u s s e di nt h i sp a p e rf o c u s e so nt w oa s p e c t s ：r a p i da n da c c u r a t e l o c a l i z a t i o no ft r a n s m i s s i o nl i n ef a u l ta n dd a t at r a n s m i s s i o ns e c u r i t y b a s e do nf o r m e r w o r k ，t h ea u t h o rp r e s e n t sl o c a l i z a t i o nm e c h a n i s mn a m e dd v - _ s a m e _ h o p ，w h i c hw i l l i m p r o v et h et r a d i t i o n a ll o c a t i o na l g o r i t h mb yi n s t a l l i n gt h es e n s o ri nt h et r a n s m i s s i o n l i n eb a s e do ni t sa c t u a lc h a r a c t e r i s t i c s t h en e wl o c a l i z a t i o nm e t h o dc a nm e e tt h e r e q u i r e m e n t s ，s u c h a sr o b u s m e s s ，s e l f - o r g a n i z a t i o n , e n e r g ye f f i c i e n c ya n ds oo n f u r t h e rm o r e ，t h i sm e t h o r di ss i m p l ea n df e a s i b l e ，t h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a ti ti sa n i d e a lt r a n s m i s s i o nl i n e m o n i t o r i n gp r o g r a m d e p e n d i n go nt h ew a yo f d a t a t r a n s m i s s i o n , t h es m a r t 鲥d si n c l u d ec a b l ea n dw i r e l e s sn e t w o r k s ，t h ew i r e l e s s n e t w o r k sm a i n l yr e f e rt ow i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s a c c o r d i n g l yt h ed a t at r a n s m i s s i o n s e c u r i t y , s m a r tg n d si n v o l v e st h es e c u r i t yo f c a b l et r a n s m i s s i o na n dw i f e l e s ss e n s o r n e t w o r k s t h ec a b l en e t w o r k sh a v eal o n gh i s t o r y , t h e i rs e c u r i t ym e c h a n i s ma n d t e c h n o l o g y a r e v e r y m a t u r e h o w e v e rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sa r e a p p l i c a t i o n s p e c i f i cn e t w o r k s ，t h e ya r es t i l ln e wa n dh o ti nf i e l do fr e s e a r c h d i g i t a l w a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g yw h i c hc a ns o l v et h es e c u r i t yo fs e n s o rn e t w o r k sd a t a t r a n s m i s s i o ni nt h es m a r tg r i d s ，t h ea u t h o rp r e s e n tw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h ms o l v i n g t h es e n s o rn e t w o r k ss e c u r i t yw h i c hc o n s i d e r sr e s p e c t i v ec h a r a c t e r i s t i c so fs m a r t 鲥d s a n ds e n s o rn e t w o r k s ，g e n e r a t e st h ew a t e r m a r k i n gi n f o r m a t i o nb yu s i n go ft h e c o n s t a n t l yc h a n g i n gc h a r a c t e r i s t i c s o fa l t e r n a t i n gc u r r e n t ，b e c a u s eo ft h ee n e r g y l i m i t a t i o no fs e n s o rn e t w o r kn o d e s ，f u l l yc o n s i d e r i n gt h el o wc o m p l e x i t yo ft h e a l g o r i t h ma n dt a k i n ga d v a n t a g eo fs i m u l a t i o nd a t ao ft h ee x p e r i m e n t ，t h i sp a p e r 武汉理工大学硕士学位论文 i l l u s t r a t e st h er a t i o n a l i t yo fw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m t h ea u t h o r sw o r kc o n s i s t so f t h ef o l l o w i n gt w op o i n t s ： ( 1 ) d v - h o pl o c a t i o na l g o r i t h mi sb a s e do nr a n g ei n f o r m a t i o n , t h eh o pv a l u ei s e s t i m a t e db yd o i n gt h em u l t i - h o pd i s t a n c eo nt h ea v e r a g e t h e r e f o r et h ee r r o ri sl a r g e r a n dt h el o c a l i z a t i o ni sr o u g h ，b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft r a n s m i s s i o nl i n e , t h eh o p m o d e li sd e s i g n e dt oa r r a n g et h es e n s o rn o d e s ，a n dt h e nc a l c u l a t et h ep h y s i c a l d i s t a n c eo fh o p t h ea u t h o ra n a l y z e st h es h o r t c o m i n go fl o c a t i o no ft r i l a t e r a l c a l c u l a t i o n , c a l c u l a t i n gt h ec o o r d i n a t e so fu n k n o w nn o d e sb yh y p e r b o l i cp o s i t i o n i n g m o d e ，u s i n gt h ec h a na l g o r i t h mt os o l v et h ep r o b l e m f i n a l l y , t h ea u t h o ra n a l y s i s e s t h ei m p r o v e da l g o r i t h i m sp e r f o r m a n c eb ys i m u l a t i n g ( 2 ) t h ea u t h o rf u r t h e r s t u d i e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k t r a n s m i s s i o nt os o l v et h ed a t as e c u r i t yi s s u e so fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki ns m a r t g r i d s ，p r e s e n t st h ew a t e r m a r k i n gg e n e r a t i o n 、e m b e d d i n ga n dc h e c k i n ga l g o r i t h m b a s e do na l t e r n a t i n gc u r r e n t ，a n dp r o v e si t sv a l i d i t ya n df e a s i b i l i t yo ft h ea l g o r i t h mb y s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t t h ea u t h o r sw o r ki ss u p p o r t e db yf o l l o w i n gp r o j e c t s ：p o w e rt r a n s m i s s i o n e q u i p m e n t & s y s t e ms e c u r i t ya n dn e wt e c h n o l o g yi s s u e so fs t a t ek e yl a b o r a t o r y ( n o 2 0 0 7 d a l 0 5 1 2 7 1 0 4 0 7 ) ，d o c t o r a l f u n do fm i n i s t r yo fe d u c a t i o n ( n o 2 0 0 8 0 4 9 710 3 0 ) a n ds p e c i a lf u n do fs c i e n t i f i cr e s e a r c ho fc e n t r a lc o l l e g e s ( n o 2 010 - i a - 0 4 9 ) k e y w o r d s ：s m a r tg r i d s ，w a t e r m a r k ，w s n ，l o c a l i z a t i o n ，d l j o p i i i 武汉理工大学硕士学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 研究背景与意义1 1 2 国内外的研究现状2 1 3 论文的结构3 第2 章无线传感器网络与智能电网概述5 2 1 无线传感器网络综述5 2 1 1 无线传感器网络的六大关键技术6 2 1 2 无线传感器网络的特点9 2 1 3 无线传感节点的设计1 2 2 1 4 无线传感器网络的应用领域1 3 2 2 智能电网综述1 6 2 2 1 智能电网的定义1 6 2 2 2 主要技术特点1 7 2 2 3 智能电网的相关技术1 8 2 2 4 智能电网的结构图1 9 2 2 5 智能电网的关键领域2 0 2 2 6 中国电网现状2 l 2 3 智能电网与传感器网络的相关性2 2 2 4 本章小结2 2 第3 章无线传感器网络的定位算法2 3 3 1 无线传感器网络节点定位专业术语2 3 3 2 无线传感网络定位基本概念2 4 3 3w s n 定位算法性能评价参数2 5 3 4 与定位算法的相关的数学理论一2 6 3 4 1 三边测量法2 6 3 4 2 三角测量法2 7 3 4 3 极大似然估计法2 8 3 4 4 迭代搜索法2 9 i v 武汉理工大学硕士学位论文 3 5 经典的定位算法3 0 3 5 1d vh o p 算法3 0 3 5 2 质心定位算法3 1 3 5 3a m o r p h o u s 算法3 2 3 5 4 凸规划定位算法3 2 3 6 本章小结3 3 第4 章无线传感网络在智能电网中的定位3 4 4 1 智能电网传输线路的特殊殊性3 4 4 2 在电网中d v _ _ h o p 的缺点3 4 4 3d vs a m e _ h o p 基本思想3 5 4 4 等距离跳步模型3 5 4 5 故障节点到信标节点的跳步3 6 4 6 定位算法优点3 8 4 7 仿真分析3 9 4 8 缺点4 1 4 9 本章小结4 2 第5 章无线传感网络数据传输安全4 3 5 1 无线传感器网络数据安全4 3 5 2 无线传感器网络的安全隐患与常见的攻击形式4 4 5 2 1 安全隐患4 4 5 2 2 网络层攻击4 4 5 3 无线传感器网络在安全方面所具有的优势4 6 5 4 无线传感器网络安全目标4 7 5 5 无线传感器网络的安全研究现状4 8 5 5 1 密码技术4 9 5 5 2 认证协议技术4 9 5 5 3 数字水印技术5 1 5 6 本章小结5 1 第6 章数字水印技术解决智能电网下传感器网络数据传输安全5 3 6 1 智能电网数据流体系结构5 3 6 2 数字水印技术原理5 4 6 3 智能电网中水印技术流程5 4 v 武汉理工大学硕士学位论文 6 4 水印算法的实现5 5 6 4 1 水印信息的生成算法5 5 6 4 2 水印信息的嵌入5 7 6 4 3 水印检测算法5 8 6 4 4 实验仿真算法的性能5 9 6 6 本章小结6 2 第7 章总结与展望6 3 致谢6 5 参考文献6 6 攻读硕士学位期间发表的论文、专利与参加的项目7 1 v i 武汉理工大学硕士学位论文 研究背景与意义 第1 章绪论 随着经济的快速发展，电力系统面临新的挑战：满足用户类别的多样化、 用电时段性、高安全性、互动性等多元化的特征。然而传统的电网系统根本无 法应对这些要求，在新的形势下，智能电网应运而生。 智能电网是智能化的电力系统，它涉及传感与检测、通信、r r 、能源、新材 料等诸多产业，先进的微传感器网络和通信技术是其中的基础和关键技术。电 力系统中输电网络、配电网络分布在城市、乡村的各个角落，对其各种电力参 数的感知能够使我们及时有效地了解局部电网的运营状况，从而恰当合理地调 整电力资源分配策略，以达到更合理地利用电力资源。电力企业利用各种物联 网传感器，对电网中的发电、输电、配电、供电相关的各种设备的运行情况进 行实时监测，提升对于远程设备的监控能力，从而及早发现故障迹象并加以维 护，更快地定位并隔离故障区域，提高电网的坚强性。智能电网可以作为电力 运营方与消费方之间的桥梁，它能有效地协调二者之间的关系。作为运营方电 力企业可以自动地采集用户的用电信息，并做相关的统计分析，为营销行为提 供实时的依据，同时可为电力建设决策提供依据，真正做到需求侧的智能管理。 作为消费方电力用户可以利用传感器网络提供的信息，更好地了解自己的用电 情况，居民还可以通过传感网络将家用电器和智能电表互联实现智能家居，以 达到互动、高效、经济、安全、可靠的用电l l 3 1 。 智能电网一个非常核心的问题是：安全性，由于无线传感器网络是智能电 网的关键技术，作者从两个方面来谈解决智能电网安全的方案。其一是在环境 艰难的地段的输电线路上有规律地安置传感器，利用改进的d vh o p 算法，监 测电网传输线路的健康状态，及时预警可能要发生的危险，准确定位故障发生 地点或地段，以达到智能高效地排查：其二，对智能电网传输的数据的安全进 行研究，分析传感器传输数据的特点，结合数字水印技术对传感器接收的数据 进行处理，利用交流电的多变性来生在水印，在数据传输之前进行水印的嵌入， 接收点收到数据后再对其进行水印提取操作，最后对数据进行验证，存储并转 发合法的数据，丢弃非法的数据，从而保障智能电网数据传输的安全。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 国内外的研究现状 由于驱动的因素和发展的环境不尽相同，各个国家的电网企业和科研组织 都在以不同的方式来理解智能电网。针对智能电网所进行实践和研究，各国智 能电网发展的思路、路径和侧重点也互不相同。因此智能电网概念本身也处在 不断地发展、丰富和明晰中。总的来说，智能电网是指电力输、配系统综合传 统的以及前沿的电力工程技术、传感器技术、信息技术和通讯技术以提高电网 的运行效率与安全并支持客户端广泛的附加服务、个性服务的新型电网。广义 上讲智能电网包括可以优先使用清洁能源的智能调度系统、可以动态定价的智 能计量系统以及通过调整发电、用电设备功率优化负荷平衡的智能技术的综合 化系统【州。 早在2 0 0 6 年，以美国为代表的西方发达国家就提出了建设智能电网创新 运营管理的电网运行的新战略，目的是通过传感器连接资产和设备，提升数 字化程度，建立数据的整合系统和数据的接受系统，同时利用已掌握的数据进 行相关的分析，从而在最大程度上对系统的管理和运行实现优化。奥巴马政府 成之初，美国是把发展智能电网产业提升一个新的高度，最大限度地提高美国 国家电网的价值和运行的效率，对风能、太阳能以及地热能逐步完成统一入网， 全面加速分布式能源管理策略，从而创造世界上最高效的能源率。 近些年，作为世界主要经济体之一的中国也提出发展“互动电网 的要求。 它是以开放的系统和共享的信息模式为基础，利用电子终端在电力企业和用户 之间、不同的用户之间建立及时的连接和网络的互动，从而达到实时、快速与 双向地读取数据，实现电能、多媒体、网络、电讯、家电遥控和集成充电等方 面的综合开发。“互动电网 改造传统电网以全新的模式运行，它对系统中的数 据进行高效地整合、对电网实施优化管理、对电能采取智能化的调度，最终实 现整个电网系统的经济性、互动性、可靠性、智能化、自愈性、以及高安全性 等多重目标。 2 0 0 9 年5 月2 1 日以特高压输电技术为主题的国际会议在北京召开，会上国 家电网公司第一次提出了加快建设以特高压电网为骨干网架构，其它各级电网 协调发展，具有信息化、数字化、自动化和互动化特征的统一的“坚强智能电 网，这标志着中国提出了发展坚强智能电网的设想，主要是通过对传统电网的 升级换代以及电网运行、控制新思路的改革，同时也为中国智能电力市场的真 正形成打下良好的基础。 2 武汉理工大学硕士学位论文 智能电网的安全主要包含物理安全、网络安全、数据安全及备份恢复等方 面。物理安全主要指的是电力系统物理设备的安全运行，数据安全主要指的是 网络中所传输的数据包的真实性。 智能电网的物理安全包含多个领域，如发电设备、输电设备、变电设备等， 输电线路的安全属于输电设备安全研究的内容。当前输电设备安全研究的出发 点大多采取是根据电汽特性，如美国国防部与e p r i 共同完成的项目复杂交 互网络系统创新( c i n s i ) ，根据全局广域向量测量和相关分析，提实时智能 安全控制系统。它的原理是通过采集电力设备的运作的状态信息，对比安全状 态参数，以此来评估电力系统的安全安全性，这方面的研究一个不足之处是没 有充分利用无线传感器网络现有的成果，基于这个原因，作者提出无线传感器 网络在智能电网中的定位，通过改进传统的d vh o p 算法，以此来解决输电线路 的安全问题。 目前针对数据安全的研究主要是基于密钥策略。通常密钥管理与密钥算法 都比较复杂，对处理器与存储器都有一定的要求。智能电网由大量的传感器节 点构成，其能量以及存储容量都非常有限，使得密钥策略并不能很好地应用于 智能电网的数据传输安全。 数字水印技术是信息安全研究的一个重要分支，该技术目前主要应用于多 数字产品的版权保护。水印信息标示数据生产者的身份及真实性，并在数据融以 及传输过程中保留这种信息，应用系统可以通过水印信息辨别接收数据的合法 性。由于水印具有不易觉察、难于提取、难于伪造的特性以及不占用额外的存 储空间等优点，使得数字水印技术在无线传感器网络中具有其它安全技术所没 有的优势。作者提出基于交变电流的数字水印技术，以解决输智能电网中数据 包传输的安全，并通过仿真来论证其优越性。 1 3 论文的结构 论文主要结构如下： 第1 章介绍研究的背景，论述了课题研究的意义； 第2 章对无线传感器网络、智能电网的概念和体系结构进行介绍，并阐述 无线传感器网络与智能电网的相关性。 第3 章介绍了无线传感器网络定位的概念、定位算法的性能评价指标、定 位求解的数学方法、常见的定位算法。 3 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章着重分析了无线传感器网络现经典的d vh o p 定位算法，分别说明 其优缺点，并结合电网传输线路设计传输线路上传感器节点的位置模型，并在 此基础上提出d vs a m eh o p 算法，利用双曲线定位节点。 第5 章主要从数据传输安全方面综述无线传感器网络安全，陈述安全隐患 及易遭受的攻击，并说明无线传感网络在安全方面的优势，最后讨论无线传感 器网络数据安全解决的一般方案。 第6 章介绍数字水印的基本原理，结合无线传感器节点传输数据的特征， 提出解决智能电网数据传输安全的水印技术，在数据的传输前利用电流信息生 成水印，嵌入水印，然后是水印的提取与验证，最后利用仿真软件m a t l a b 对相 关算法进行仿真分析，得出改进后算法的性能。 第7 章总结与展望。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章无线传感器网络与智能电网概述 无线传感器网络扩展了现有网络的功能，拓展了人类认识世界的能力，人 们借助于无线传感器网络直接感知客观世界，在预测未来技术发展的报告中， 美国商业周刊和m r r 技术评论分别将其列为2 1 世纪最有影响的2 1 项技术和改 变世界的十大技术之一。智能电网是当今电力行业发展的新趋势，它在传统电 网的基础上整合前沿的信息技术、网络技术( 有线网与无线网) 、控制技术、通 讯技术、电力核心技术( 发电、输电、配电) ，从而改造原有的电网，以提高电 力服务系统的安全性、高效性与优质性。 本章首先介绍无线传感器网络与智能电网的基本概念，然后围绕概念对两 种网络的对特点、结构、关键技术等展开详细介绍，最后讨论了智能电网与传 感器网络的相关性。 2 1 无线传感器网络综述 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 ) 是指由分布在被监测区域 内的数量众多的微型化传感器节点构成，并且节点这间通过电磁波信号进行通 信，从而行成的一个以多跳为特点的自组织的网络系统，它的作用是节点之间 彼此协作地感知覆盖区域中的被监测对象，采集敏感的信息并发送到决策中心 7 - 9 。根据对数据处理方式的不同，w s n 分为三个部分即：数据采集部分、数据 分布部分、以及控制管理部分。网络的最小逻辑单位是节点，节点是一个微系 统，集成有传感器模块、数据处理模块以及通信模块，各节点之间依赖于网络 协议形成链路、自组织成一个分布式结构的网络，优化采集的数据并传输到信 息处理中心，无线传感器网络的拓扑结构如图2 一l 。 无线传感器网络体系结构按层次来化分大致可以分为三层，其系统成通常 由以下三种结点构成：传感器节点( s e n s o rn o d e ) ，汇聚节点( s i n kn o d e ) 和管 理节点。在监测区域的内部或附近部署的大量传感器节点以自组织的方式构成 传感器网络。传感其节点检测的数据沿着其它节点以跳步为单位进行逐跳传输， 其传输过程通常要经过多个节点处理，经过多跳后到达汇聚节点，最后通过联 结互联网或卫星途径达到管理节点，管理员凭借管理节点对传感器网络进行相 5 武汉理工大学硕士学位论文 关的配置和管理，实施检测任务以及整理检测到的数据。以同样的方式，管理 员可以通过管理节点发布命令，告知传感器节点实时采集特定的信息。 图2 1 无线传感器网络结构图 在图2 1 所示的体系结构中，传感器节点是一个微型的嵌入式系统，它具有 信息收集能力和信息处理能力。汇聚节点也称为网关，它在信息的收集、处理 及通信方面比一般的传感器节点能力强，它用于连接无线传感器网络与外部网 络( 万维网或卫星) 。汇聚节点的功能根据实际监测环境可以设计得很强大，拥 有足够的能量、资源，当然它也可以是只有路由功能的网络设备。管理节点有 多种不同的表现形式，从在网络中扮演的角色来看，它的作用相当于网络的“大 脑，观察者通过管理节点对传感器节点收集的数据进行分析以及向传感器节点 发出具体的监测任务。 无线传感器在军事应用、环境科学、医疗健康、空间探索、抢险救灾以及 商业应用等众多的领域具有广阔的应用前景，在企业界与科研界引起了的广泛 关注与研究热情。无线传感器网络是当今信息科学研究的新热点，关系到多种 领域与多f - j q ：科的交叉与融合，面临非常多的有待研究的关键技术，下面就主 要的部分逐一陈述。 2 1 1 无线传感器网络的六大关键技术 ( 1 ) 拓扑控制 网络拓扑控制在无线传感器网络中具有非常重要的地位，它是无线传感器 网络研究的核心技术之一【1 0 1 ，良好的拓扑控制能极大地提高网络的综合性能。 拓扑控制的一个重要目标是在保证网络连通性和覆盖度的前提下，尽最大可能 合理高效地使用网络能量，从而延长整个网络的生存时间。由于传感器节点采 6 武汉理工大学硕士学位论文 用能量受限的电池供电，如何有效地减少节点能量是拓扑控制必须关注的问题 之一。目前对网络拓扑控制的研究通常要实现以下几个目标：网络的连通性、 网络的覆盖性( 区域覆盖、点覆盖和栅栏覆盖) 、网络的生存时间、网络的吞吐 能力、节点移动时网络的鲁棒性、拓扑控制算法的总开销、平衡网络能量损耗 等。 合理的网络拓扑控制能很好地提升路由协议和m a c 协议的效率，并且为数 据融合、目标定位和时间同步奠定基础。常见的拓扑结构有：平面型网络结构、 层次型网络结构、混和型网络结构、m e s h 网络结构等。 ( 2 ) 时间同步 传感器网络节点之间相互合作共同完成一项任务时必须解决一个关键问题 即时间同步【l l 】。由于无线传感器网络是以低功耗、低成本为特点的网络，传统 网络同步机制无法满足这种特殊要求。因此针对无线传感器网络，必须提出新 的解决方案。当前有三种常见的时间同步机制，它们分别是参考广播同步r b s 、 无线传感器网络时间同步协议t p s n 和t i n y m i n i s y n c 。这三种算法是以提 高单跳同步精度、采用最短路径同步以达到减少跳步数，从而降低多跳误差累 积。r b s 机制用于接收者接收者之间的时间同步，当一个节点在广播时钟参考 分组时，广播域内的其它两个节点以本地时钟分别记录参考分组的到达时间， 然后通过交换时间信息来完成时间同步。t p s n 是典型的发送者接收者之间同 步协议，它采用层次结构来实现网络同步：网络中的任何一个节点能够与上层 某个节点进行同步，最终实现从根节点到所有节点之间的时间同步。与其它机 制相比，t i n y m i n i s y n c 是一种较为简单的轻量型时间同步机制：它假设节 点的时钟漂移同时遵循线性变化，由此得出两个节点之间的时间偏移同样是线 性的，从而通过交换时标分组可以估计出两个节点间的最优匹配偏移量。 ( 3 ) 数据融合与数据管理 传感器网络在对目标的监测时，所采集的数据不可避免地出现冗余，如果 不对这些数据进行去冗处理就直接传给观察者，这样会造成巨大的网络流量， 从而造成网络流量的极大损耗。此外，无线传感器的网络流量的分布是不均衡 的，离观察者近的节点越容易因为能量的快速损耗而失效。鉴于此网络的的节 点在采集数据的过程中，采取数据融合策略至关重要，进行数据融合的另一个 好处是它在一定程度上滤除了噪声，提高信息的准确率【1 2 1 。 在数据管理体系方面，传感器网络与传统的分布式数据库存在较大的区别。 传感器网络中节点的数量很庞大，传感器节点所产生的数据流是无限的，由于 7 武汉理工大学硕士学位论文 能量受限性会导致节点失效，因此传感器网络的数据管理系统须要在尽可能地 减少能耗前提下提供高效的数据服务。同时传统的分布式数据库管理技术并不 适用于无线传感器网络中的数据查询，这是因为传感网络中的查询通常是连续 的查询或者随机性的抽样查询，研究高效的数据管理算法对无线传感器网络意 义重大。 ( 4 ) 定位技术 传感器节点的位置信息和节点采集的数据密切相关，对目标的监测如果没 有位置信息将毫无意义，传感器网络的一项最基本的功能是确定出采集节点的 位置或者监测事件发生的位置，由于传感器节点是随部署的，本身存在的一些 问题如：资源受限、通信易受干扰、节点失效等，这就要求传感器网络的定位 机制要满足自组织性、健壮性、能量高效、分布式计算等方面的要求。针对智 能电网下定位算法的研究是作者的一个重点讨论对象。 ( 5 ) 网络协议 无线传感器网络是一种依靠节点自组织构成的网络，对网络协议的设计与 传统的网络有很大的不同，它需要充分考虑传感器节点非常有限的能量、存储 容量、计算能力、通信能力以及存储能力等，在设计网络协议是不可以太复杂【i 习； 此外，在某些情况下网络拓扑结构会动态的变化，随之而来网络资源也处在动 态变化中，这些特点也是网络协议设计所不可忽视的。当今网络协议研究的重 点包括数据链路层协议与网络层协议，前者的介质访问控制协议主要用于网络 底层的基础结构，以及控制传感器节点的通信过程和工作模式。后者的路由协 议主要用于监测信息的传输路径。 ( 6 ) 网络安全 无线传感器网络也是任务型的网络【1 4 】，它不单单地传输数据，而且要做数 据采集和融合工作、以及任务的协同控制等必要操作。提高无线传感器网络任 务实施的机密性、产生数据的可靠性、数据融合算法的高效性以及数据在传输 过程中的安全性，这些都是无线传感器网络安全所涉及的核心内容。为了使监 测任务的机密布置、监测结果的融合和安全传输得到保证，无线传感器网络通 常要实现一系列很基本的安全机制：数据机密性与完整性的鉴别、节点与节点 之间的消息认证、认证广播和管理安全。数字加密策略是较为常见的安全技术， 为了确保数据融合后数据源信息的保留，水印技术也成为无线传感器网络安全 的一项研究内容，这也是作者讨论的一个重点。 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 2 无线传感器网络的特点 无线传感器网络集三大技术( 传感器科学、信息处理科学和网络科学技术) 于一体，它是由分布在被监测区域内的大量传感器节点构成，依靠无线通信方 式形成的多跳步的自组织网络体系。它的目的是通过节点间的协作来感知、采 集和处理监测区域中目标的信息。无线传感器网络与传统的网络相比，它有以 下特点： ( 1 ) 自组织性网络 无线传感器网络一个显著的特点是网络的形成不依靠预设的基础设施【1 5 1 ， 节点之间在任意时间、任意的地点自动连接构成网络，从而实现节点之间信息 的交互与转发。具体地说就是网络采取的路由、网络临时的拓扑结构不需要外 部干涉，而是根据当时情况采取自我组织、并依据环境的变化做自我调整。无 线传感器网络中的节点使用自身的无线收发装置实现与邻近的节点交换信息， 如果节点之间不在彼此收发设备的射频半径的覆盖范围时，可以通过第三方节 点作为中继节点来实现两节点的多跳通信。在这种方式下，中继节点首先接收 第一个节点发送的分组，然后再向接收节点转发分组。 山1 2 工1 1 1 2 工 _ _ ：l 1 w i t 丫之工工 ， 5 百 1 工 。 工斗 7 舀 1 0 远秸! 监控中心 圜雪 图2 2 节点间自组成网 无线传感器网络中的节点自组织形成通信链路，结合图2 2 作以说明。假设 监控节点1 有数据需要和监控中心进行信息交换，它会通过某种路由算法在网 络中找出一条链路( 1 - 2 3 4 5 一 本地监控中心) ，在这个过程中节点 通过多跳达到数据的交换。一旦网络中节点4 发生失效，如图2 3 ，之前所形成 的链路会立即失效，网络将根据路由策略重新建立一条新的链路( 1 一 2 一 3 8 1 0 _ _ 本地监控中心) 从而避开系统中的失效节点，达到了降低网络瘫痪 的可能性。 9 工， 可 工9 以 武汉理工大学硕士学位论文 工 l 远程监控中心 国习 本地监控中心 图2 3 重新自组新的链路 ( 2 ) 动态变化的网络拓扑 无线传感器网络是无线自组网络，网络中的节点可以自由移动，可以随时 因失效而退出；无线信道间的彼此干扰、复杂地形和恶劣天气等因素的影响； 节点的天线类型不尽相同；这些都可能导致节点间所形成的网络拓扑结构在随 时变化，并且变化的方式和速度是不可确定的【1 6 】。 ( 3 ) 无线传输带宽受限 无线自组网底层通信手段采用无线传输技术，由于无线信道是时变的，它 随着传输距离的增大逐渐衰落并且容易受到干扰，因此提供的带宽远比有线信 道低。另外射频器件的非线性还会引入互调干扰，如果同一通信系统内不同信 道间的隔离度