（计算机科学与技术专业论文）无线传感器网络节点定位算法研究.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：强! 显日期：丝! ! ! s ：监 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) ：立丛立k 导师( 签名) ：到耋至名期：塑皿【：屹 摘要 无线传感器网络作为一种新型的信息获取方式，有着传统信息获取方式无 法比拟的优势，将会对人类的生产和生活产生重大影响。无线传感器网络具有 成本低廉、可快速部署、灵活性强等诸多优点，在军事侦察、工业控制、农业 生产、反恐救灾等领域有着广阔的应用前景。节点定位技术是无线传感器网络 的关键技术之一，是许多应用的基础，然而由于无线传感器网络节点随机部署、 数量众多、软硬件资源非常有限，许多传统的定位算法并不适用于无线传感器 网络，因此研究有效的适用于无线传感器网络的定位算法有着非常重要的意义。 本文首先介绍了无线传感器网络的基本信息，包括网络结构、传感器节点 的组成结构、特点、使用的关键技术以及应用领域等，接着介绍了无线传感器 节点定位技术中的基本概念和术语、定位算法的评价标准、定位算法的分类标 准及分类，介绍了常用的距离测量技术，包括t o a 、t d o a 、a o a 、r s s i 等，常用 的坐标计算方法，包括：三边测量法、三角测量法、极大似然估计等，具体分 析了几种经典的定位算法，例如：a p s 系列分布式定位算法、m d s - m a p 定位算法、 s p a 相对定位算法以及质心定位算法。 本文在深入分析经典的d v h o p 算法的基础上，指出了d v - h o p 算法存在的 不足，并从提高定位精度和覆盖率出发，从以下几个方面改进了d v - h o p 算法： 1 使用r s s i 技术计算距离信标节点一跳的未知节点到信标节点之间的距 离，取代d v - h o p 算法中直接使用平均每跳距离代替一跳内未知节点到信标节点 的距离，提高一跳内未知节点的定位精度。 2 将一跳内完成定位的未知节点升级为信标节点，参与后续的定位计算， 并设定先前信标节点和升级信标节点的优先级，在后续的定位过程中优先使用 先前的信标节点，在提高定位覆盖率的同时保证定位精度。 3 改进平均每跳距离的计算方式，使用多个信标节点的平均每跳距离的算 术平均值代替d v - h o p 算法中使用的单个信标节点的平均每跳距离，综合考虑了 整个网络的状态，进一步提高定位的精度。 最后使用n s 2 仿真软件对d v - h o p 算法和改进算法进行了仿真实验，实验结 果表明改进算法较d v h o p 算法具有更高的定位精度和更大的覆盖率。 本文得到国家自然科学基金项目( 6 0 9 7 0 0 6 4 ) ，国家重点基础研究计划项目 c o n t r o l ，a g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o n , c o u n t e r - t e r r o r i s m a n dd i s a s t e rr e l i e f n o d e l o c a l i z a t i o ni so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e si nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，i ti st h eb a s i s f o rm a n ya p p l i c a t i o n s ，h o w e v e r , b e c a u s er a n d o md e p l o y m e n to fw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r kn o d e s ，t h el a r g en u m b e ro fn o d e sa n dt h e l i m i t a t i o no fh a r d w a r ea n d s o r w a r er e s o u r c e s ，m a n yo ft 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 m sd on o ta p p l yt o w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k st h e r e f o r e , s t u d y i n ge f f e c t i v el 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 sh a sav e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e t h i st h e s i si n t r o d u c e st h eb a s i ci n f o r m a t i o ni nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ， i n c l u d i n gn e t w o r ka r c h i t e c t u r e ，c o m p o s i t i o no fs e n s o rn o d e s ，c h a r a c t e r i s t i c s ，k e y t e c h n o l o g i e sa n da p p l i c a t i o nf i e l d sa n ds oo n , t h e ni n t r o d u c e st h eb a s i cc o n c e p t sa n d t e r m i n o l o g yo fl o c a l i z a t i o na l g o r i t h m ，e v a l u a t i o nc r i t e r i ao fl o c a l i z a t i o na l g o r i t h m ， c l a s s i f i c a t i o nc r i t e r i aa n dc l a s s i f i c a t i o no fl o c a l i z a t i o n a l g o r i t h m , i n t r o d u c e dt h e c o m m o n l yu s e dd i s t a n c em e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y , i n c l u d i n gt o a , t d o a ，a o a , r s s i ，e t e ，t h ec o m m o n l yu s e dc a l c u l a t i o nm e t h o d so fc o o r d i n a t e s ，i n c l u d i n g ： t r i l a t e r a t i o n ，t r i a n g u l a t i o nm e t h o d ，m a x i m u ml i k e l i h o o de s t i m a t i o n ，t h es e v e r a l c l a s s i c a ll o c a l i z a t i o na l g o r i t h m s ，s u c ha s a p sl o c a l i z a t i o na l g o r i t h m , m d s m a p l o c a l i z a t i o n a l g o r i t h m , s p a l o c a l i z a t i o n a l g o r i t h m a n dc e n t r o i dl o c a l i z a t i o n a l g o r i t h m t h i st h e s i sp o i n t so u tt h es h o r t c o m i n g so fd v - h o pa l g o r i t h mb a s e do nt h ed e e p a n a l y s i so fi t , b a s e do ni m p r o v i n gp o s i t i o n i n ga c c u r a c ya n dc o v e r a g e ，i m p r o v e s d v - h o pa l g o r i t h mf r o mt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 c a l c u l a t et h ed i s t a n c eb e t w e e nb e a c o nn o d e sa n du n k n o w nn o d e si ns i n g l e h o pu s i n gr s s ii n s t e a do fu s i n gt h ea v e r a g ed i s t a n c eo fe a c hh o pt or e p l a c ei t d i r e c t l yi nd v - h o pa l g o r i t h m t h i sw i l li m p r o v et h ep o s i t i o n i n ga c c u r a c yo ft h e i i i u n k n o w l ln o d e si ns i n g l eh o p 2 u p g r a d et h eu n k n o w nn o d e si ns i n g l eh o pw h i c ha l el o c a t e dt ob e a c o nn o d e s ， m e yw i l lt a k ep a r ti np o s i t i o nc a l c u l a t i o ni nt h ef o l l o w u p s e tt h ep r i o r i t yo ft h e p r e v i o u sb e a c o nn o d e sa n db e a c o nn o d e s t ou p g r a d e ，a n dt h eu s eo fp r e v i o u sb e a c o n n o d e si s p r e f e r r e di n t h ef o l l o w u pt o i m p r o v ep o s i t i o n i n ga c c u r a c yw h i l e m a i n t a i n i n gc o v e r a g e 3 i m p r o v et h ec a l c u l a t i o nm e t h o do ft h ea v e r a g ed i s t a n c eo fe a c hh o p ，u s et h e a r i t h m e t i cm e a no ft h ea v e r a g ed i s t a n c eo fe a c hh o po fv a r i o u sb e a c o nn o d e st o r e p l a c et h ea v e r a g ed i s t a n c eo fe a c hh o po fas i n g l eb e a c o nn o d ei nd v ：- h o p , c o n s i d e r i n gt h es t a t eo ft h ee n t i r en e t w o r k , a n df u r t h e ri m p r o v et h ep o s i t i o n i n g a c c u r a c y f i n a l l y , t h i st h e s i ss i m u l a t e sd v - h o pa l g o r i t h ma n di m p r o v e da l g o r i t h mu s i n g t h en s 2s i m u l a t i o ns o f t w a r e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ei m p r o v e da l g o r i t h m h a sh i g h e ra c c u r a c ya n dg r e a t e rc o v e r a g et h a nd v - h o pa l g o r i t h m t m sw o r ki ss u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( n o ： 6 0 9 7 0 0 6 4 ) ，n a t i o n a lk e yb a s i cr e s e a r c hp r o g r a mo f c h i n a ( n o 2 0 1 1 c b 3 0 2 6 0 1 ) ， o p e n f u n do ft h es t a t e k e yl a b o r a t o r y o fs o f t w a r e d e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t ( g r a n dn o ：s k l s d e - 2 0 11 k f - 0 1 ) ，n e wc e n t u r ye x c e l l e n tt a l e n t s ， r e s e a r c hf u n d sf o rt h ec e n t r a lu n i v e r s i t i e s ( 2 010 - i i 一0 0 3 ) a n dt h en a t i o n a lh i 曲 t e c h n o l o g yr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp r o g r a mo fc h i n a ( 8 6 3p r o g r a m ) u n d e r g r a n tn o 2 0 0 9 a a 0 4 3 3 0 3 k e yw o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，l o c a l i z a t i o na l g o r i t h m s ，d v - h o pa l g o r i t h m ， p o s i t i o n i n ga c c u r a c y , c o v e r a g e i v 第1 章 1 1 1 2 1 3 1 4 第2 章 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7 第3 章 3 1 3 2 3 3 3 4 3 6 第4 章 4 1 4 2 4 3d v - h o p 算法不足分析2 9 4 4d v - h o p 算法的改进。3 0 4 4 1 一跳内的未知节点到信标节点距离的计算3 0 4 4 2 扩充信标节点的数量3 1 4 4 3 平均每跳距离的计算。3 2 4 4 4 改进后的算法具体步骤3 3 4 4 5 改进后的算法流程3 6 4 5 本章小结3 8 第5 章仿真实验及结果分析3 9 5 1 仿真工具介绍3 9 5 2n s 2 的功能模块4 0 5 3n s 2 仿真过程4 2 5 4 仿真环境4 2 5 5 仿真实验及结果分析4 3 5 6 本章小结5 0 第6 章总结与展望5 1 6 1 总结5 1 6 2 展望5 2 致谢5 4 参考文献5 5 攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目5 8 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 近年来，传感器技术、无线传输技术以及嵌入式技术得到快速发展并逐渐 成熟起来。这些技术的发展和成熟为微型传感器的大量生产和应用奠定坚实的 基础。无线传感器网络是通过随机投放在特定监测区域内的大量微型传感器组 成的，这些传感器节点之间通过无线传输技术进行通信，从而形成一个多跳的 自组织网络。无线传感器网络中的传感器节点之间能够相互协作配合，共同 收集网络覆盖区域内被监测对象的各种信息，然后将这些信息加工处理后发送 给观察者。要完成这些功能，传感器节点需要在微小的体积内集成信息采集、 数据处理、无线通信以及电源管理等多个模块，同时由于一次部署的传感器节 点的数量很大，也要求传感器节点具有低成本、低功耗的特点。无线传感器网 络的出现为人类获取物理环境的信息提供了一种新的形式，它有着传统信息获 取方式无法比拟的优势，因此它的快速发展和推广将会对人类生产和生活的各 个方面产生巨大而深远的影响晗1 。 无线传感器网络是一种全分布式系统，它的所有传感器节点都是平等的， 没有中心节点。这些传感器节点通过随机投放的方式，分布在特定的监测区域 内。它们通过集成在内部的各种各样的传感器，探测周围环境的温度、湿度、 压力等人们感兴趣的物理现象，使人们在任何时间、任何地点和任何环境条件 下都能够获取大量翔实可靠的信息盼，。传感器节点间具有良好的协作能力，它 们通过局部的数据交换来完成全局任务。传感器节点之间的通信采用多跳、对 等的通信方式，而不是传统的单跳、主从的通信方式，一方面是因为传感器网 络节点体积小，自身携带的能量有限而且能量无法得到补充，采用多跳、对等 的通信方式能节省更多的能量；另一个方面，多跳、对等的通信方式可以有效 避免在长距离传播过程中无线信号遇到的信号衰落和干扰等各种问题。无线传 感器网络是一种自组织网络，它有着不同于传统有线网络的许多特点，例如能 量有限、通信能力有限、网络拓扑结构动态变化等等h 1 。这样导致许多适用于 传统有线网络的通信协议、技术等不再适用于无线传感器网络，需要针对无线 传感器网络自身的特点开发适用于无线传感器网络的新协议、新技术。 武汉理工大学硕士学位论文 无线传感器网络集众多高新技术于一身，是当前国际上备受关注的多学科 高度交叉、热点研究领域。由于无线传感器网络将信息世界和客观物理世界融 合到一起，带来了人与自然界交互方式的巨大变革，因此它被认为是继因特网 之后，将对2 1 世纪人类生活方式产生重大影响的i t 技术之一，同时被美国技 术评论杂志评为未来十大新兴技术之一阵1 。无线传感器网络具有成本低、可 快速部署、容易扩张等优点，因此被广泛应用于环境监测、军事侦察、农业生 产、工业控制、反恐抗灾等诸多领域，极大的扩展了网络的功能和人类认知世 界的能力。无线传感器网络以其众多的优点和广阔的应用前景引起了世界范围 内的广泛关注，成为当前的研究热点。 1 2 国内外研究的现状 最早的传感器网络起源于2 0 世纪7 0 年代美国国防部高级研究计划局的一 个军事研究项目，由于当时的技术限制，最初的传感器网络的功能比较简单， 应用领域也较为单一，主要是在军事领域。后来随着相关技术的不断发展和成 熟，传感器节点的功能越来越强大，无线传感器网络的应用价值不断被挖掘出 来，应用领域不断扩大，因此引起了工业界和学术界的极大关注。进入二十一 世纪以来，世界上的许多国家特别是西方发达国家，包括美国、英国、德国、 日本、巴西等，都对无线传感器网络表现出极大的兴趣，并且投入大量财力和 人力进行该领域的研究陋1 。美国麻省理工学院、哈佛大学、加州伯克利分校、 斯坦福大学等世界著名大学都先后成立了研究小组进行无线传感器网络基础理 论的研究以及相关关键技术的研究。美国计算机协会( a c m ) 和i e e e 在2 0 0 1 年成 立了第一个专门针对传感器网络技术会议，在这些世界著名的计算机组织的不 断努力和推动下，一批针对传感器网络技术的会议相继组建，为无线传感器网 络的发展开拓了一片新的技术园地。与此同时，微软公司、英特尔公司等一批 商业界巨头通过与大学、研究机构等合作的形式积极参与到无线传感器网络领 域的研究开发工作，并取得了许多重要的研究成果，为推动无线传感器网络由 理论到应用做出了重大贡献。 我国在无线传感器网络及其应用方面的研究几乎与发达国家同步启动， 1 9 9 9 年中国科学院 将无线传感器网络作为 重大项目之一，国家“十五 科技攻关项目也把无线传感器网络列为重大研究 项目。中国科学院、中国国家自然科学基金委员会等机构组织纷纷成立研究中 2 武汉理工大学硕士学位论文 心、部署传感器网络相关的课题，制定了关于无线传感器网络的长期发展计划， 积极推动无线传感器网络领域的基础理论研究和关键技术研究，这将大大推动 无线传感器网络的快速发展。同时国内的一些高校如清华大学、哈尔滨工业大 学、中国科学技术大学等也从体系结构、通信协议、数据管理、定位技术等方 面展开了研究工作。另一方面，关于无线传感器网络的一些学术论坛和组织也 相继成立，比如国内首次无线传感器网络产业发展高峰论坛2 0 0 7 年1 1 月在杭 州举行，“中国无线传感网产业发展联盟 也是在这次会议上宣告正式成立的， 这些都将对无线传感器网络的快速发展起到积极作用。 定位技术是无线传感器网络的关键技术之一，是无线传感器网络研究的一 个重要方面口1 。在无线传感器网络节点定位方面，国内外研究者已经取得了较 为丰硕的研究成果。目前已经存在很多的定位算法，例如：南加州大学提出的 质心算法、维吉尼亚大学提出的a p i t 定位算法、瑞士洛桑联邦工业大学提出的 s p a 定位算法以及美国路特葛斯大学提出的一系列分布式a p s 定位算法等。这 些定位算法在一定程度上解决了无线传感器网络节点的问题，但是这些算法都 有其局限性和应用范围。 1 3 论文的主要工作 无线传感器网络以其广阔的应用前景受到学术界和工业界的广泛关注，成 为当前热点的研究领域。无线传感器网络的各种应用需要一些关键技术的支撑， 目前无线传感器网络的研究内容也是围绕着这些关键技术而展开的，而定位技 术就是这些关键技术的其中一种。无线传感器网络的许多应用都依赖于传感器 节点的位置信息，因而研究无线传感器网络节点的定位技术有重要意义。本文 首先介绍了无线传感器网络的体系结构、特点、关键技术、应用领域等基本信 息，接着介绍了无线传感器网络定位技术中的一些基本概念、定位的基本原理， 包括：距离的计算方法以及坐标的计算方式、定位算法的分类、定位算法的评 价指标、以及介绍一些经典的定位算法，然后本文针对r a n g e - f r e e 算法中经典 的d v h o p 算法进行了分析，指出d v h o p 算法在定位过程中存在的不足，然后 针对d v h o p 算法的不足，从一跳内未知节点到信标节点的距离计算方式，扩充 信标节点的数量以及全网平均每跳距离的计算方式三个方面进行改进，提高算 法的定位精度和定位覆盖率；最后对改进算法进行仿真实验，验证改进算法的 有效性。 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 论文的组织结构 本文共有六章，内容结构安排如下： 第一章主要介绍了无线传感器网络的研究背景，国内外研究现状，论文的 主要工作。 第二章主要介绍了无线传感器网络结构，传感器节点的基本构成，主要特 点，各种关键技术以及应用的领域。 第三章主要介绍了无线传感器网络定位技术中的一些基本概念，定位的基 本原理，包括节点间距离的计算方法以及节点坐标的计算方式，定位算法的分 类，定位算法的评价指标以及典型的定位算法举例。 第四章首先深入分析了d v h o p 算法，指出d v - h o p 算法存在的不足，然后 针对算法存在的不足从三个方面进行改进，最后总结了改进后算法的详细步骤 和流程。 第五章使用n s 2 仿真工具对改进后的算法进行仿真实验，从算法定位误差， 算法定位覆盖率以及能量消耗三个方面对改进算法和d v h o p 算法进行了对比， 并对实验结果进行了深入分析。 第六章对全文的工作进行了总结，并对未来的工作进行了展望。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章无线传感器网络概述 2 1 无线传感器网络简介 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，w s n ) 是由大量部署在特定监 测区域内的传感器节点组成的一个多跳、自组织网络。这些传感器节点体积小 但是功能强大，内部集成了信息采集、数据处理、无线通信以及电源管理等多 个功能模块，能够感知和采集周围物理环境的温度、湿度等众多人们感兴趣的 物理数据。传感器节点之间通过无线传输技术进行通信，它们相互协作配合来 完成全局任务，最终将收集的数据发送给观察者1 。无线传感器网络具有成本 低，可快速部署、灵活性强等优点，因此被应用于军事侦察、工业控制、农业 生产、反恐救灾等诸多领域。 2 2 无线传感器网络的结构 典型的无线传感器网络的结构如图2 - 1 所示，无线传感器网络系统包括传 感器节点，汇聚节点和任务管理节点阳1 。这些节点相互配合，完成数据采集和 发送的任务。传感器节点内部集成了各种各样的传感器，能够感知周围环境中 的各种物理信息，主要完成信息采集和数据处理的任务。汇聚节点通常具有较 强的通信能力以及数据处理能力，能够承担大量数据的远程发送任务，主要将 收集的数据通过i n t e r n e t 或者卫星等通信方式发送到任务管理节点。任务管理 节点通常是可视化的计算机终端，主要是将无线传感器网络收集的数据展现给 用户或者向无线传感器网络发送用户的指令或者任务。 5 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1 无线传感器网络的结构 2 3 无线传感器节点结构 典型的传感器节点的结构如图2 - 2 所示。传感器节点需要完成信息采集、 数据融合以及和邻居节点通信的功能，主要由信息采集模块、数据处理模块、 无线通信模块以及电源管理四个模块组成。 信息采集模块主要由各种传感器组成，传感器能够感知周围环境中对象的 各种信息，将感知到的各种信息离散化，数字化以便于后续的处理。信息采集 模块是传感器节点的“眼睛 ，主要完成监测区域内对象的各种信息的采集以及 数字化。 数据处理模块是传感器节点的“大脑”，主要完成数据的存储、计算、任务 的调度等。数据处理模块包含计算器、控制器、存储器等。数据处理模块处理 的数据可能是传感器节点本身采集的数据，也可能是其他传感器节点发送过来 的数据。数据处理模块控制整个传感器节点的各种操作，协调各个模块之间的 工作，是传感器节点的核心。 无线通信模块是传感器节点和其他传感器节点信息传递的桥梁，负责传感 器节点和其他传感器节点之间交换控制信息以及收发采集数据。当传感器节点 需要向其他节点发送数据的时候，无线通信模块根据通信协议将要发送的数据 打包发送出去；当有来自其他传感器节点的数据包到达时，无线通信模块根据 6 武汉理工大学硕士学位论文 通信协议，将数据包中数据解析出来交给数据处理模块处理。 由于传感器节点体积的限制，传感器节点携带的能量非常有限，因此最大 限度利用传感器节点有限的能量显得非常重要。电源管理模块就是为传感器节 点的工作提供能量同时对能量的使用进行合理的安排。电源管理模块通过优化 能量的使用，尽量减少能量的浪费，提高能量的使用效率，使有限的能量可以 尽可能做更多的工作。比如，在传感器节点空闲的时隙，电源管理模块可以选 择关闭无线通信模块以节省能量，延长传感器节点的使用时间进而延长整个网 络的生命周期。 图2 - 2 传感器节点结构图 2 4 无线传感器网络的特点 无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的传感器节点组成的，是一个 多跳的自组织网络。无线传感器网络与传统的无线网络如移动通信网、无线局 域网、蓝牙网络、a dh o c 网络等有所不同，它有着自身的很多特点： 1 硬件资源有限 通常传感器节点和普通的计算机相比，计算能力、存储能力、通信能力要 弱得多，这是因为传感器节点需要体积小而且成本低廉。传感器节点的通信范 围有限，无法直接远距离的传输数据，因此无线传感器网络采用对等、多跳的 通信方式。使用这种通信方式，传感器节点将数据发送给邻居节点，然后由邻 7 武汉理工大学硕士学位论文 居节点接着向下转发直至到达目的地。因此这样来看，传感器节点既可以是信 息的发送者，也可以是信息的转发者。 2 通信能力有限 传感器节点的通信范围很有限，通常只有几十到几百米，而且无线电信号 在传播的过程中很容易受到障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影 响。这就决定了传感器节点通常只能和邻居节点进行通信，通过多跳转发的方 式达到远距离传输数据的目的。 3 能量有限 通常传感器节点的体积较小，因此传感器节点一般采用微型电池供电，这 种电池的电量一般非常有限。另一方面，由于无线传感器网络的特殊应用领域 决定了传感器节点的能量无法得到补充，一旦传感器节点的能量用尽，这个节 点再也不能工作，成为死亡节点。 4 计算和存储能力有限 传感器节点需要在微小的体积内集成多个功能模块，包括嵌入式的处理器 和存储器，这种处理器和存储器的能力和容量有限，传感器相对于普通的计算 机而言计算能力和存储能力非常有限。 5 网络规模大 无线传感器网络采用随机投放的方式部署传感器节点，为了获取精确信息， 通常需要在监测区域内部署大量的传感器节点，传感器节点的数量可能达到成 千上万，甚至更多。 6 网络动态性强 传感器节点可能因为能量耗尽或者发生故障而无法工作；周围环境条件发 生变化可能导致某些传感器节点之间的通信链路中断；地势地貌的变化可能造 成某些传感器节点的移动；向无线传感器网络中补充新的传感器节点，这些变 化都可能造成无线传感器网络的拓扑发生变化，而这些情况在无线传感器网络 中经常发生，因此无线传感器网络的拓扑会经常发生变化，动态性很强。 2 5 无线传感器网络的关键技术 1 网络拓扑控制 将传感器节点抽象为点，将传感器节点之间的通信链路抽象为线，这些点 线构成的几何图形就是无线传感器网络的拓扑。网络拓扑反映出网络中各实体 武汉理工大学硕士学位论文 之间的结构关系，它对网络的性能、系统的可靠性和通信代价都有重要影响。 一个结构良好的网络拓扑能够有效提高路由协议和m h c 协议的效率，减少传感 器节点的能量消耗，进而延长整个网络的生命周期。网络拓扑控制的主要目标 就是在满足网络覆盖度和连通度的前提下，通过控制传感器节点的功率和选择 网络核心节点，消除节点间冗余的通信链路，形成一个高效的网络拓扑结构。 因此研究网络拓扑控制技术具有重要的意义。 2 数据融合技术 数据融合技术对来自多个传感器节点的数据进行分析、综合处理，将各种 传感器在空间和时间上的互补与冗余信息依据某种优化准则或算法组合来产生 对观测对象的一致性解释和描述。其目标是基于各传感器检测信息分解人工观 测信息通过对信息的优化组合来导出更多的有效信息。无线传感器网络中存 在大量的传感器节点，这些节点各自的监测区域相互交叉，采集的数据必然存 在大量的冗余。利用数据融合技术对传感器节点采集的原始数据进行分析整理， 数据融合可以去掉大量的冗余数据，传感器节点在传输数据的时候需要发送的 数据量就会减少，这样可以节省传感器节点的能量，延长整个网络的生命周期。 另一方面，由于传感器节点的易失效性，利用数据融合技术分析处理来自多个 传感器节点的数据，也有利于提高数据的准确性。 3 路由协议 由于无线传感器网络具有计算和存储能力有限、通信能力有限、能量有限 等特点，使得传统的路由协议并不适用于无线传感器网络，同时无线传感器网 络的拓扑结构不断在发生变化，节点能量等资源也在不断变化，这就要求无线 传感器的路由协议能够适应这些变化。路由协议的主要任务是在源节点和目的 节点之间建立可靠的路由，保证数据的传输。传感器节点的数据处理能力和能 量有限，这决定了运行其上的路由协议不能过于复杂，无线传感器网络的路由 不仅需要尽量减小单个节点的能量消耗，同时还需要均衡网络中所有节点的能 量消耗，不能让某些节点过早死亡，从而影响整个网络的生命周期。 4 定位技术 无线传感器网络的许多应用都是在知道网络节点的位置信息的前提下进行 的，因此定位功能是无线传感器网络最基本的功能之一，它是许多应用的基础 n 町。定位技术通常是依赖一定数量的能够完成自身定位的传感器节点来计算其 他未知节点的位置信息，能够完成自身定位的传感器节点通常集成了g p s 设备， 但是受成本等因素的限制，这种节点的数量有限。w s n 中的定位技术必须满足 9 武汉理工大学硕士学位论文 自组织性、能量高效、分布式计算等要求。目前，已经存在很多定位算法和定 位系统能够解决无线传感器网络中的自身定位问题。 5 安全技术 无线传感器网络多应用于军事侦察等特殊领域，可能会遭到各种恶意的入 侵和破坏，因此保证数据采集传输过程中的安全性显得尤为重要。无线传感器 网络在完成任务的过程中，要进行数据采集，数据传输，数据融合，任务协调 等操作，因此保证这个过程中数据的机密性、完整性、真实性是无线传感器网 络安全问题需要考虑的问题。同时，w s n 计算存储能力以及能量有限的特点也 使得w s n 中的安全机制有别于其他网络。 6 时间同步技术 无线传感器网络是一个多跳、自组织的分布式网络，时间同步技术是任何 一个分布式系统的重要基础。如同位置信息一样，传感器节点采集的信息中如 果没有时间信息是没有任何意义的。传感器节点需要相互协作配合才能完成各 种任务，而准确的时间同步是传感器节点之间合作的基础。例如，节点睡眠调 度依赖于准确的时间同步技术，各个节点只有在自己的工作时隙内才工作，其 他的时隙处于睡眠状态，这样有利节省节点能量，延长整个网络的生命周期。 试想，如果没有时间同步技术，这样的调度是无法完成的。 2 6 无线传感器网络的应用 无线传感器网络具有成本低廉、可快速部署、灵活性强等诸多优点，因此 他在军事侦察、环境监测、医疗健康等领域有着巨大的优势和广阔的使用前景。 1 军事应用 无线传感器网络具有快速部署、自组织性、高容错性等优点，使其尤其适合 于军事战场上的情报搜集、目标定位、环境探测等任务。最早的无线传感器网 络出于军事目的而开始研究的。无线传感器网路可以通过飞机投送等方式部署 到战场上，快速搜集有效的战场信息，为制定作战计划和决策提供重要的依据。 无线传感器网络不会因为部分节点的损坏而瘫痪，这使得它拥有传统情报搜集 方式无法比拟的优势，因此无线传感器网络非常适合于恶劣的战场环境。 2 环境监测 环境问题越来越受到人类的重视，研究环境问题需要采集大量的环境数据， 而通过传统的数据采集方式采集原始数据是一件非常困难的事情，而且传统的 l o 武汉理工大学硕士学位论文 数据采集方式还会给环境带来侵入式破坏。无线传感器网络的出现为采集野外 环境中的随机性数据提供了便利，无线传感器网络可以用来监测降雨量、水位、 天气等自然条件，也可以用来进行森林环境监测和火灾报告以及跟踪候鸟、昆 虫的迁徙等。 3 智能家居 在家电和家具中嵌入无线传感器节点，然后通过无线网络或者i n t e r n e t ， 用户可以对家电进行远程控制，从而享受方便快捷的智能家居环境。例如，用 户可以在回家之前打开空调，到家后就可以直接享受舒适的室内温度；通过无 线传感器网络，用户可以实时监测家里的温度、湿度变化并进行适当的调整， 甚至可以对家里的烟雾、天然气进行监测，对火灾和天然气泄漏都可以及时报 告，最大程度减少损失。 4 医疗健康 传感器节点也可以被安装在病人身上，对脉搏、血压、心率等体能特征进行 实时监测，这样医生可以随时了解病人的病情发展，以便做出及时的处理。传 感器节点体积很小，放在病人身上不会给病人带来太多的不便，因此可以长期 放在病人的身上，不断收集病情相关的数据，对于研究疾病的产生、变化及其 治疗手段都很有帮助。 5 其他商业应用 除了以上提到的应用领域，无线传感器网络还可以应用于其他的领域。比如， 在结构体上安装传感器节点进行结构检测，在一些危险的工业环境中部署传感 器进行安全监测。同样，可以在建筑物内布置图像、声音、气体、温度、压力、 辐射等传感器，发现异常情况及时报警，并自动启动应急措施。尽管无线传感 器网络技术目前仍处于初步应用阶段，但已经展示出了非凡的应用价值，相信 随着相关技术的发展和推进，一定会取得更广泛的应用。 2 7 本章小结 本章首先介绍了无线传感器网络结构以及传感器节点的基本构成；接着介 绍了无线传感器网络硬件资源有限、通信能力有限以及能量有限等基本特点； 然后介绍了无线传感器网络中数据融合、路由协议以及定位技术等关键技术； 最后介绍了无线传感器网络的应用领域。 3 1 位置 通常 于成 为参 点定位技术中经常用到的概念和术语。 未知节点( u n k n o w nn o d e s ) ：无线传感器网络中不知道自身位置信息的节 点，它们是定位的对象。 信标节点( a n c h o rn o d e s ) ：也称为锚节点，它们是网络中已经获得自身位 置信息的节点。它们通常携带有g p s 等定位设备，利用这些设备获得精确的位 置信息，由于成本的限制，信标节点的数量不多，它们是未知节点定位的参考 节点。 邻居节点( n e i g h b o rn o d e s ) ：网络节点a 位于网络节点b 的通信半径内， 称节点a 是节点b 的邻居节点，邻居节点之间可以直接通信，而不需要其他节 点中转信息。 网络连通度( n e t w o r kc o n n e c t i v i t y ) ：网络中所有节点的邻居节点数量的 算术平均值成为网络的网络连通度，它反映了网络中节点的密集程度。 测距( r a n g e ) ：估算或者测量两个传感器节点之间的距离。 定位误差：定位误差是衡量定位算法精度的重要指标，一般用测量距离和 实际距离的差值的绝对值与传感器节点的通信半径的比值来表示。 跳数( h o pc o u n t ) ：表示两个通信节点之间的跳段总数。 接收的信号强度指示( r e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t hi n d i c a t o rr s s i ) ：节点 接收的信号的强弱。 1 2 武汉理工大学硕七学位论文 3 2 无线传感器网络节点定位算法的分类 1 ) r a n g e b a s e d 定位算法和r a n g e f r e e 定位算法 根据是直接测量还是估算节点之间的距离，可以将定位算法分为 r a n g e b a s e d 定位算法和r a n g e f r e e 定位算法两类。前者在定位的时候是 直接测量节点之间的实际距离，根据测量的实际距离来计算未知节点的位 置；而后者不需要直接测量节点之间的实际距离，它们通常是通过估算的 方式估计得出节点问的距离，然后计算未知节点的位置。在基于测距的定 位算法中，用于距离测量的常用方法有：接收的信号强度指示( r s s i ) m 儿川， 到达时间( t o a ) n 羽，达到时间差( t d o a ) n 引，到达角度( a o a ) n 剐n 制。r a n g e b a s e d 定位算法直接测量节点间的实际距离，因而定位精度较高，但是测量节点 间距离需要额外的硬件，成本和功耗较高。r a n g e f r e e 定位算法不需要直 接测量节点之间的距离，功耗和成本较低，同时精度也能满足大多数应用。 2 ) 集中式计算的定位算法和分布式计算的定位算法 根据将定位过程中的计算放在中心节点上还是普通节点上进行，可以将 定位算法分为集中式的定位算法和分布式的定位算法。前者在定位过程中 信息的处理和计算放在一个中心节点上( 例如，一台服务器) ；而后者依赖 于节点间的信息交换和协调，节点自行计算。集中式的定位算法可以从全 局角度进行统筹规划，因而可以获得相对精确的位置估算，但同时也可能 使中心节点周围的节点因为大量的数据传输消耗过多的能量而过早死亡； 另一方面，整个网络中的未知节点都依赖于中心节点完成定位，如果中心 节点出现故障，那么将会导致整个网络中的未知节点都无法定位。典型的 集中式定位算法包括：凸计划n 力n 引、m i ) s m a p n 们伽3 等。 3 ) b e a c o n b a s e d 定位算法和b e a c o n f r e e 定位算法