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(计算机应用技术专业论文)无线传感器网络节点自身定位算法的研究.pdf.pdf 免费下载
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i at h e s i si nc o m p u t e r a p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y p _ w i r e l e s s s 明s o rn e 咖r k i i 脚。 n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 l 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 r 究,蜾除加以标注和致谢的地方外,不包含其他人己经发表或撰写过的研究 i l 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,苯研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名: - - 夕, c a 日 加孑芋z 7 目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导浏币完全了解东:i lk :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。本人授权东北大学可以将学位论文的全部或部 分为容编入有关数据库进行睑索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后: l ,半年d 年口一年半口两年口 学位论文作者签名:南浇幻导师签名:蝴 签日期: 7 矿歹年g 月 签字日期:工叼莎 一i 一 1 ; f 一 i 0 一, f , 1 r 摘要 无线传感器网络节点自身定位算法的研究 摘要 无线传感器网络是由大量随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信模块的微小节 点通过自组织方式构成的网络。近年来,无线传感器网络技术取得了飞速发展,在工农业、 军事团防、环境监测等许多领域都有着重要的科研价值和实用价值。而网络节点或监测目标 的定位是其中众多应用的一个关键条件。而且无线传感器网络的某些路由机制、覆盖信息、 负载均衡和拓扑控制等都依赖于网络中传感器节点的位置信息。因此,定位在无线传感器网 络的应用、运行和管理等方面有着重要作用;针对无线传感器网络节点自身定位技术的研究 具有重要的理论与实际意义。 本文分析了典型的节点自身定位系统和算法,根据经典的d v h o p 定位算法原理,提 出了一个无线传感器网络节点自身定位算法,即二阶段节点自身定位算法。该算法主要分为 两个阶段:在第一阶段使用与距离无关的定位算法计算出节点的初始位置,在第二阶段使用 迭代的方法,精确地求得传感器节点的精确位置。该算法参考了传感器节点定位能源消耗, 传感暑, 节点定位精度和无线传感器网络覆盖度三个重要的性能参数,能够克服距离无关定位 算法的定位精度低的缺点。最后,通过仿真有效证明了该算法能够比一般的定位算法能源损 耗铰低且定位精度和网络覆盖率较高。 关键字:无线传感器网络;定位:簿法;节点自身定位:定位系统 r , 一 t h er e s e a r c ho f s e l 0 l 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 w 1 r e j e s ss e n s o rn e t w o r k sh a v eg r e a t p r o s p e c ti nt h ea p p l i c a t i o n so fm i l i t a r ya f f a i r s c l r c 啪s t a n c e0 b s e r v a t i o n ,d i s a s t e rr e l i e fo p e r a t i o n ,d a n g e r o u s a r e ad o m i n a t i o n ,e t c o n eo f t h ek e yq u a l i f i c a t i o n sf o rt h e s ea p p l i c a t i o n si s l o c a l i z a t i o no ft h e 岫e t sn e e d i n gm o n i t o r i n g 觚dt h en e t 、】l ,o r kn o d e a n ds o m er o u t i n g s c h e m e ,i n f o r m a t i o no fn e t 、v o r kc o v e r a g e ,l o a d b a l a n :e ,t o p o l o g yc o n t r o l ,a n ds oc i na l s od e p e n do nt h el o c a t i o ni n f o m a t i o no f t l l en o d e si n n e 咖r k s a l lm e s ei n d i c a t et h a tl o c a l i z a t i o ni s af u n d a m e n t a la n dc r i t i c a li s s u e f o r t h e a p p l l c a t l o n ,o p e r a t i o na n dm a n a g e m e n to fw i r e l e s s s e n s o rn e 咖r k s ,卸dm e 咖d vf o r s e j t 。p ) s l t l o n l n go fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sp o s s e s s e sg r e a ts i g n i f i c a n c ei nt h et h e o r ya n d p r a c t i c e ,w i l lb e c o m ea ni m p o r t a n tp a r ti nt h er e s e 棚- c ha r e a a c c o r d l n gt ot h ed v - h o pl o c a t i o na l g o r i t h mt h e o r y ,t h i st h e s i si n t e n d st oa 1 1 a l v z et h e 卯1 c a in o d el o c a t l o ns y s t e ma n di t sa l g o r i t h ms o 勰t op u tf o r w a r das e l f o l o c a t i o n a l g o r i t h m o tw 1 汜l e 8 8s e n s o rn e t w o r kn o d e ,n a m e l y ,t w o p h a s en o d es e l f - l o c a t i o na l g o r i t h l l l 1 1 1 e a i g o m h mc a l lb ed i v i d e di n t ot w op r o c e s s e s :t h ef i r s tp h a s ei sc a l c u l a t i n gt h ei n i t i a l l o c a t i o n o tn o ( 1 e s 硼t l ln oc o n s i d e r a t i o no ft h ed i s t a n c ei n t h el o c a t i o na l g o r i t h m ;t h es e c o n ds t a g ei s a c j l l e n gp r e c i s e l yt h ee x a c tl o c a t i o no fs e n s o rn o d e si ni t e r a t i v em e t h o d t h ea l g o 甜l n lh a s t a k e ni n t oc o n s l d e r a t i o nt h ee n e r g y c o n s u m p t i o na n dl o c a t i o n c u r a c yi nt h el o c a t i o no f s e 。1 s o 。n o d ea n dn e t w o r kc o v e r a g e 髂w e l l ,w h i c ha r et h r e ei m p o r t a n t p e 墒加f l a n c ep a r a m e t e r s nl sl nt h l sw a ym a ti t c a l lo v e r c o m et h es h o r t c o m i n g so ft h en o n d i s t a i l c er e l a t e dl o c a t i o n a l g o r i , h ms i n c ei th a sal o wl o c a t i o na c c u r a c y f i n a l l y ,t h es i m u l a t i o no f t h en e 咖r kp r o v e s e f t e c t i v et h a no t h e rl o c a t i o na l g o r i t h m sf o r i tc o n s u m e sl e s s e n e 唱ya n dp r o v i d e sm o r e a c c u r t el o c a t i o na n dn e t w o r k c o v e r a g e k e y 7 。r d s :w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ,l o c a t i o na l g 。r i t h m ,n 。d es e l f - i 。c a t i 。n ,l 。c a t i 。ns y s t e m i i i 一 f l c i f _ , c 目录 i i i i i i i 1 1 :; :; ! ; ! ; 2 2 无线传感器网络体系结构6 2 2 1 传感器网络结构6 2 2 2 传感器节点结构8 2 3 无线传感器网络的特殊性1 0 2 4 无线传感器网络的研究现状1 2 第3 章无线传感器网络自身定位系统和算法1 7 3 1 基本概念和定位算法1 7 3 1 1 基本概念和术语1 7 3 1 2 节点间距离( 或角度) 的测量方法1 8 3 1 3 计算节点位置的基本方法1 9 3 2 无线传感器网络自身定位系统和算法的分类2 0 3 2 1 物理定位与符号定位2 1 3 2 2 绝对定位与相对定位2 1 3 2 3 紧密耦合与松散耦合。2 1 3 2 4 集中式计算与分布式计算2 2 3 2 5 基于距离的定位技术和距离无关的定位技术2 2 3 2 6 粗粒度与细粒度2 3 3 2 7 三角测量、场景分析和接近度定位2 3 3 3 无线传感器网络自身定位系统和算法的性能评价。2 3 3 4 典型的自身定位系统和算法概述2 4 3 4 1a c t i v eb a d g e 系统2 5 3 4 2r a d a r 系统2 6 一i v 东北大学硕士论文 目 3 4 3c r i c k e t 着统 3 4 4a h l o s 系统2 7 3 4 5n h o pm u l t i l a t e r a t i o np r i m i t i v e 定位算法2 8 3 4 6 质心算法2 9 3 4 7s p a 相对定位算法:2 9 3 4 8 凸规划定位算法3 0 3 4 9a p s 算法3 1 4 4 1 0a m o r p h o u s 算法3 3 4 4 iic o o p e r a t i v er a n g m g 和t w o - p h a s ep o s i t i o n i n g 算法3 4 4 4 1 2a p i t 算法3 5 3 4 1 3 d v h o p 定位算法3 6 3 4 1 4d v d i s t a n c e 算法3 7 3 5 小结3 7 第4 章二阶段节点自身定位算法3 9 4 1 精确打击效能评估系统3 9 4 1 1 精确打击效能评估系统概述3 9 4 12 精确打击效能评估系统方案3 9 4 1 3 精确打击效能评估系统结构4 0 4 2 无线传感器网络二阶段节点自身定位算法的提出4 2 4 3 无线传感器网络二阶段节点自身定位算法的设计,4 3 4 3 1 未知节点位置计算4 3 4 3 1 1 节点初始化4 3 4 3 1 2 计算跳段距离4 7 4 3 1 3 计算未知节点位置4 8 4 3 2 未知节点位置求精。4 9 4 3 2 1 传感器节点二次求出位置坐标4 9 4 3 2 2 传感器节点更新权值5 1 4 3 2 3 传感器节点循环求精。5l 4 4 、结5 3 第5 章仿真结果及分析5 5 5 1n s 2 仿真软件简介5 5 5 2 在n s 2 上的扩展二阶段算法5 6 5 3 无线传感器网络二阶段节点自身定位算法性能分析5 8 5 3 1 二阶段节点自身定位算法性能分析5 8 一v 一 东北大学硕士论文 目录 5 3 2 二阶段节点自身定位算法与其它算法的性能比较6 0 5 4 小结6 2 第6 章结论与展望6 3 6 1 全文总结6 3 6 2 展望。6 3 参考文献6 5 致谢6 9 一v i 一 r f i 喜| 东北大学硕士论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景 进入2 1 世纪,一场世界性的新军事变革以前所未有的深度和广度迅猛发展,这场变 革以信息技术的飞速发展为直接动力,以军事技术的变革、军事理论的创新和军队体制 结构的调整改革为核心内容,目标是把工业时代的机械化军队建设成为信息时代的信息 队,使战争形态加速演变。因此,新军事变革是军事领域一次新的历史性飞跃,在世界 军事史上具有划时代的意义。 党的十七大报告明确指出,国防和军队建设要“适应世界军新军事变革的趋势”,“努 力完成机械化和信息化建设的双重历史任务 。新军事变革的深入发展,已经深刻改变了 世界军事领域的面貌。认真研究它的内内在规律,探索信息化战争的致胜之道,实现我 军现代化建设的跨越式发展,是我们面临的现实而紧迫的历史任务。面对新军事变革的 浪潮,我们必须更新观念,开阔视野,时刻关注世界军事领域发生的深刻变化,准确预 测世界军事发展的趋势,从我国的国情出发,牢牢把握军事变革的方向,加速推进中国 特色的军事变革,不断提高人民军队现代化作战能力。 军队的现代化程度是一个国家科技水平和综合国力的标志之一,它不仅关系到国家 的安全和经济建设,同时也是体现国际地位的重要方面。为应对当前错综复杂的国际环 境、全面提高我军在未来信息化战争中的作战能力,加快军队现代化建设进程已经成为 目前我军要迫切解决的问题之一。 军队现代化离不开现代化训练方法。当今,一些事强国已在军事训练中引入高科技 的手段来提高训练质量。比如美军有一整套由太空卫星、侦察飞机等组成的高效能探测 手段,范围可达目标国的大部分战略、战役目标,距离可为数百、数千公里。为提高我 军现代化作战水平,迎合高科技战争的需要,针对我空军对地攻击武器军事训练的现状 及其发展,解决我空军对地攻击武器弹着点检测评估主要采用人工检测报靶问题,实现 报靶检测评估自动化。东北大学网络与通信中心与我军某部合作,提出了精确定位评估 系统。要求该系统能快速、真实、精确地检测显示实弹射击的弹着点,准确显示实弹射 击的成绩,为首长机关综合评估部队训练水平提供可靠依据,使用该系统对提高我军对 地攻击武器弹着点、实弹射击训练水平和战斗力有着重要的意义。 精确打击通常由4 个主要环节组成,即精确探测、精确定位、精确摧毁和精确评估。 _引札i、ii 东北大学硕士论文第1 章绪 精确探测,及时准确发现目标,是精确打击的前提。美军有整套由太空卫星、侦察飞 机等组成的高效能探测手段,范围可达目标国的大部分战略、战役目标,距离可为数百、 数千公里。精确定位,确定目标的方位,是精确打击的重要技术保障。科索沃战争时, 美军在战前一年多即对各类目标进行定位,为开战后实施空中打击提供了保障。精确摧 毁是主要环节和关键行动。精确评估的目的是了解打击效果,并实时调整打击方案,是 整个精确打击过程中不可缺少的环节。 融合了传感器技术、通信技术和计算机技术的无线传感器网络( w s n ,w i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k 【l j ) 是由大量传感器节点通过无线通信技术组成的自组织网络。这种网络 集数据的采集、传输和融合分析于一体,是信息技术的一个新领域,具有广阔的应用前 景。能广泛应用于军事、空间探索和灾难拯救、环境,健康、家庭和其他商业领域。以 军事应用为例,无线传感器网络已经成为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 ) 系统必不可少的一部分, c 4 1 s r t 系统的目标是利用先进的高科技技术,为未来的现代战争设计一个集命令、控制、 通信、计算、智能、监视、侦察和定位于一体的战场指挥系统,受到了军事发达国家的 普遍重视。因为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,也正是这一点,使无线传感器网络非常适合应用 在恶劣的战场环境中,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。 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 s ,w s n ) 是当前在国际上倍受关注的一个研 究领域。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络以及无线通信技术、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相互协作,实时监测、感知和采集 各种环境或监测对象的信息【l 】。无线传感器网络一般由大量的具有限能量,装备有小型 的计算处理器并有无线传输功能的传感器节点和一个或多个网关节点( s i n k 节点) 所组 成。每个节点通过对环境的感知收集数据,经过适当的处理,并以自组多跳的通信方式 传输到s i n k 节点,最后由s i n k 节点传给外部网络( 如:i n t e m e o 口j 。随着微机电系统 的感应技术、低功耗电路设计技术以及无线通信结束的飞速发展。人们可以制造出体积 更小、成本更低、应用更加广泛的无线传感器节点。当数以千计的节点构成无线传感器 网络时,所具有的协同工作和容错能力有效的弥补了单个节点的不足,可以高质量的实 现多种感知任务。正因为其自身独特的优势,无线传感器网络在科学研究、环境监测、 武器装备、工农业生产、日常生活等领域具有非常广阔的应用前景,将使整个社会发生 一2 一 l , f 蕾 东北大学硕士论文第1 章绪论 又一次变革口3 。 无线传感器网络是由密集型、州低成本、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环境中被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,也正是这一点,使无线传感器网络非常适合应用在恶劣的战 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。 - 在这样的背景下,在精确打击效能评估系统中采用无线传感器网络技术来实现对弹 着点的定位是比较可行的一种解决方案。 p 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,而定位就是其中之一。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t 节点自身定位和外部目标定位。在精确打击效能 评估系统中,弹着点定位属于外部目标定位,而传感器节点自身定位是弹着点定位的前 提和基础。 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消息中所包含的重要信息,没有位置信息的 监测消息往往毫无意义。但是只有在传感器节点自身正确定位后,才能确定监测到的事 件发生的具体位置。因此在无线传感器网络中,节点自身的正确定位是提供监测事件位 置信息的前提,对传感器网络应用的有效性起着关键的作用。 传感器节点的微型化和有限的电池供电能力使其在节点硬件的选择上受到很大限 制,因此低功耗是其最主要的设计目标。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低功耗定位算法。 1 3 研究内容和论文结构 旁 本论文详细分析d v - h o p 算法的核心思想及主要误差来源,并在d v h o p 算法基础上, 利用几何法和最大似然估计法,设计一种新的定位算法二阶段节点自身定位算法,并进 行仿真。 本论文的结构作如下安排:全文共分六章,第一章叙述了研究背景和意义,从课题 引出研究节点自身定位的必要性;第二章概述了无线传感器网络得基本概念、体系结构 及研究现状等;第三章综述了无线传感器网络自身定位算法和系统的评价指标、分类方 一3 一 东北大学硕士论文 第1 章绪论 法以及现有典型的算法和系统。第四章结合精确打击效能评估系统,参考传感器节点定 。位能源消耗、传感器节点定位精度和无线传感器网络覆盖度三个重要的性能参数,提出 一个能源损耗较低、定位精度和网络覆盖率较高的、比较简单的无线传感器节点自身定 位算法。第五章对该算法进行了仿真,由仿真结果可以看出,通过仿真有效证明了该算 法能够比一般的定位算法能源损耗较低且定位精度和网络覆盖率较高。第六章总结全文, 并对自身定位算法未来的研究工作做了进一步展望。 一4 一 , 一 东北大学硕士论文 第2 章无线传感器网络概述 第2 章无线传感器网络概述 2 1 无线传感器网络的概念 我们可以如下定义无线传感器网络:无线传感器网络是由一组无线传感器以a d h o c 方式构成的无线网络,其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中 感知对象的信息,并发布给观察者。 从上述定义可以看到,无线传感器、感知对象和观察者是无线传感器网络的三个 基本要素;无线是传感器之间、传感器与观察者之间的通信方式,用于在传感器与观 察者之间建立通信路径;协作地感知、采集、处理、发布感知信息是无线传感器网络 的基本功能;一组功能有限的无线传感器能够协作地完成大的感知任务是无线传感器 网络的重要特点;无线传感器网络中的部分或全部节点可以移动,无线传感器网络的 拓扑结构也会随着节点的移动而不断地动态变化,节点间以a dh o c 方式进行通信, 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态搜索、定位和恢复连接 的能力。下面,我们详细地来讨论传感器、感知对象和观察者。 传感器由电源、感知部件、处理部件、收发部件和软件这几部分构成, 如图2 1 所示: 产一一一一一一一一一 f ;l o c a t i o nf i n d i n gs y s t c mi 一 m 。b i l l z c r 图2 1 无线传感器结构图 f i g 2 1t h ea r c h i t e c t u r eo fw s n 电源为传感器提供正常工作所必需的能源。处理部件负责协调节点各部分的工作, 如对感知部件获取的信息进行必要的处理、保存,控制感知部件和电源的工作模式等。 一5 一 东北大学硕士论文 第2 章无线传感器网络概述 收发部件负责与其他传感器或观察者的通信。软件则为传感器提供必要的软件支持, 如嵌入式操作系统、嵌入式数据库系统等。 观察者是无线传感器网络的用户,是感知信息的接受和应用者。观察者可以是人, 也可以是计算机或其他设备。例如,军队指挥官可以是无线传感器网络的观察者;一 个由飞机携带的移动计算机也可以是无线传感器网络的观察者。一个无线传感器网络 可以有多个观察者,一个观察者也可以是多个无线传感器网络的用户。观察者可以主 动地查询或收集无线传感器网络的感知信息,也可以被动地接收无线传感器网络发布 的信息。观察者将对感知信息进行观察、分析、挖掘、制定决策,或对感知对象采取 相应的行动。 感知对象是观察者感兴趣的监测目标,也是无线传感器网络的感知对象,如坦克、 军队、动物、有害气体等。感知对象一般通过表示物理现象、化学现象或其他现象的 数字量来表征,如温度、湿度等。一个无线传感器网络可以感知网络分布区域内的多 个对象,一个对象也可以被多个传感器网络所感知。 2 2 无线传感器网络体系结构 2 2 1 传感器网络结构 从体系结构上来讲,无线传感器网络由传感器节点、s i n k 节点、i n t e r n e t 或通信卫 星、任务管理节点等部分构成。传感器节点散布在指定的感知区域内,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。s i n k 节点也可以用同 样的方式将信息发送给各节点。在典型的无线传感器网络中,节点任意散落在被监测 区域内,这一过程是通过飞行器撤播、人工埋置和火箭弹射等方式完成的,当然,也 有的无线传感器网络是由人工布置安放的。节点以自组织形式构成网络,通过多跳路 由方式将监测数据传到s i n k 节点处理,最终借助长距离或临时建立的s i n k 链路将整 个区域内的数据传送到远程中心。卫星链路可用作s i n k 链路,借助游弋在监测区上空 的无人飞机回收s i n k 节点上的数据也是一种方式,u cb e r k e l e y 在进行u a v ( u n m a n n e d a e r i a lv e h i c l e ) 项目的外场测试时便采用了这种方式。图2 1 给出了无线传感器网络 体系结构一般形式的描述。 根据节点规模的大小,传感器网络结构可分成两种:平面结构和聚类分层结构。 当网络的规模较小时,可以采用简单的平面式结构,“智能尘埃”目前使用的就是平面 式结构;而当网络的规模增大时,就必须使用聚类分层结构。 平面结构的网络中所有节点的地位是平等的,也称作对等式结构。在这种结构中, 一6 一 东北大学硕士论文 第2 章无线传感器网络概述 每个节点可以和无线通信半径范围内的所有节点通信,因而容错性比较高,少数节点 的失效不会影响网络的正常工作。但是这种结构的缺点是每个节点必须维护庞大的路 由记录,以保证数据可以发送到网络中的每个节点,同时,维护这些路由信息也要占 用有限的网络带宽。 图2 2 无线传感器网络体系结构 f i g 2 2 t h ea r c h i t e c t u r eo fw s n 如果网络规模太大,可以采用聚类分层的管理模式,如图2 3 所示。 传感器节点 簇首 图2 3以簇为单位的无线传感器网络 f i g 2 3 w s nb a s e do i lc l u s t e r 聚类分层结构中,网络由若干簇( c l u s t e r ) 组成,每个簇包括一个簇首( c l u s t e rh e a d ) 和多个簇成员( c l u s t e rm e m b e r ) ,这些簇首相互通信构成高一级的网络,簇头节点负 责簇间数据的转发,它可以预先指定,也可以由节点使用分簇算法自动选举产生。在 一7 一一,一 东北大学硕士论文第2 章无线传感器网络概述 分级结构的网络中,簇成员的功能比较简单,不需要维护复杂的路由信息,这大大减 少了网络中路由控制信息的数量,因此具有良好的可扩充性。由于簇首节点可以随机 选举产生,分级结构也具有很强的容错性。分级结构的缺点是:维护分级结构需要节 点执行分簇算法,簇首节点可能会成为网络的瓶颈。具体的分簇算法有最小节点i d 分簇算法、考虑能量耗费和稳定度的分簇算法、自适应按需加权的分簇算法( a o w ) 、 限制簇尺寸的分簇算法等等,必须按照系统本身具体的需要进行选取和设计。 2 2 2 传感器节点结构 ( 1 ) 节点的硬件结构 根据不同的应用,无线传感器节点的组成不尽相同,但一般由电源、传感器、a d 转换接口、处理器单元、存储器单元和数据发送接受的传输单元这几部分构成。个别 的功能更强大的可能还包括定位系统、运动或执行机构、电源再生装置。节点的基本 组成见图2 4 。电源为传感器提供正常工作所必需的能源。传感器用于感知、获取外 界的信息,并通过a d 转换器将其转换为数字信号。处理器单元负责协调节点各部分 的工作,如对感知部件获取的信息进行必要的处理、保存,控制传感器和电源的工作 模式等。传输单元负责于其他传感器或观察者的通信。 电源 图2 4 节点基本组成 f i g 2 4 b a s i ca r c h i t e c t u r eo ft h en o d e ! 电 j 源j 再i 生 ,装 置 传感器的选择标准是基于精度与功耗的折中。根据不同的应用,有些传感器暂时 不用,为了达到节能的目的,系统硬件采用多路数字开关阵列控制各个传感器的电源, 这样在应用软件中可以灵活控制不同传感器的开关。处理器可以采用通用嵌入式 c p u ,比如a r m 公司的a r m 7 等。但是随着单片机运算速度的提高以及功能的扩充, 一8 一 东北大学硕士论文笫2 章无线传感器网络概述 并出于降低功耗和节约成本的考虑,现有节点的硬件一般都采用一些高性能的单片机, 比如a t m e l 公司的a v r 单片机。数据传输单元主要由低功耗、短距离的无线通信模块 组成,比如c h i p c o n 公司的c c l 0 0 0 等。 在实际应用中,传感器的体积越小越好,功能越强大越好,然而这两者是互相制 约的。很明显,为了实现一定的功能而缩小体积是硬件设计的最大挑战。“智能尘埃 的最终目标是将传感器集成到与尘埃大小相同的体积上,甚至可以利用传感器所处环 境提供能量。然而在目前阶段,出于原型开发与实验阶段的传感器体积都还有火柴盒 的大小。 ( 2 ) 节点的软件结构 很多因素影响传感器网络节点的软件结构。软件结构与系统的硬件资源有关,如 果节点m c u 采用低端单片机,其内存可能在5 1 2 字节以内,这样很难实现一种操作系 统来管理硬件资源,其软件结构可能就是单层结构。软件结构跟系统的应用有关,如 果每个节点始终执行单一的任务,为了节省系统有限的内存空间供用户使用,可以去 掉操作系统的任务调度器。图2 5 所示是从通用意义上对传感器节点软件结构的描述。 图2 5 传感器节点软件结构 f i g 2 5 s o f t w a r es t r u c t u r eo ft h en o d e 操作系统层基于传感器节点硬件环境,以多任务调度为核心,合理管理系统的软、 硬件资源,如传感器元器件、处理器输入输出、存储器、无线收发器等。操作系统层 完成的功能包括检测感知对象、采集对象的信息、多跳传输感知信息以及初步的信息 处理。在传感器节点软件结构中,操作系统是对系统硬件的封装,向网络层、数据管 理层、以及应用层提供程序接口。 一9 一 东北大学硕士论文第2 章无线传感器网络概述 网络层以通信网络为核心,实现传感器与传感器、传感器与观测者之间的通信, 支持多传感器协作完成大型感知任务。网络层包括通信网络、支持网络通信的各种协 议和软、硬件资源。 数据管理与处理层以传感器数据管理与处理软件为核- t l , ,包括支持感知数据的采 集、标定、存储、查询、分析、挖掘等各种数据管理和分析处理软件系统,有效地支 持感知数据的存储、查询、分析和挖掘,为用户决策提供有效的支持。由于受到节点 硬件存储容量的限制,现有的传感器节点软件系统没有实现本层,而是将本层的功能 在s i n k 节点上或者远程主机上实现。一般s i n k 节点比其他节点有更强的处理能力, 或者拥有更多的能源,所以在s i n k 节点上实现数据处理是目前采用的方法之一。 应用开发环境层为用户能够在操作系统层、网络层和数据管理与处理层的基础上 开发各种传感器网络应用软件提供有效的软件开发环境和软件工具。传感器网络节点 的开发都是在宿主机如p c 上进行,应用开发环境提供软件编译、连接、和代码下载的 功能。 应用层由各种传感器网络应用软件系统构成。 2 3 无线传感器网络的特殊性 作为一种新兴出现的技术,建立一个运转良好、鲁棒性好的无线传感器网络还是 面临着许多挑战,而且由于它的一些独特性质,无线传感器网络的设计方法与传统无 线网络的设计方法存在着很大不同。 ( 1 ) 规模巨大 为了能够对整个监测区域有着全面的掌控和获取精确的信息,传感器网络通常要 在监测区域部署几百、几千万,甚至更多的传感器节点。传感器网络的大规模部署通 常有两个原因:一方面是监测区域是很大的地理区域,如在火灾监测预警系统,传感 器网络需要覆盖整个原始森林,则需要部署大量的传感器节点。另一方面,特殊应用 需要传感器节点部署很密集,在一个面积不大的空间内,高密度地分布大量的传感器 节点以获得更精确的数据。 传感器网络的规模具有如下优点:通过不同空间视角获得的信息具有更大的信噪 比,具有更大的价值通过分布式处理大量的采集信息能够提高监测的精确度,降低对 单个节点传感器的精度要求大量冗余节点的存在,使得网络系统具有很强的容错能力 和健壮性大量节点能够增大覆盖的监测区域,减少盲区。 ( 2 ) 自组织 在传感器网络应用中,通常情况下传感器节点被放置在没有基础设施的地方。传 一l0 一 东北大学硕士论文 第2 章无线传感器网络概述 感器网络节点的位置不能预先精确设定,节点之间的相互邻居关系预先也不知道,如 通过飞机播撒大量传感器节点到广阔的原始森林中,或随机放置到人不可到达或危险 的区域。这样就要求传感器节点具有自组织的能力,能够自动进行路由配置和管理, 通过传感器网络特有的拓扑协议和网络协议自动形成转发监测数据的无线传感器网络 系统。 在传感器网络中,由于环境因素或能源耗尽等客观原因,或者在军事侦查中被敌 方干扰,部分传感器节点会失效。同时,也会有一些节点为了弥补失效节点、增加监 测精度而再次部署到网络中,这样在传感器网络中的节点就会动态增加或减小,传感 器网络的拓扑路由关系也随之动态变化。 ( 3 ) 动态拓扑 传感器网络中,拓扑结构可能因为下列因素而改变:环境因素或电能耗尽造成的 传感器节点出现故障或失效;军事侦察应用中,敌方的恶意破坏;环境条件变化可能 造成无线通信链路带宽变化,甚至中断通信;在移动传感器网络中,传感器和被观察 者都可能具有移动性;新节点的部署。这要求传感器网络系统要能够适应这种不可预 测的结构变化,具有动态的系统可重构性。 ( 4 ) 安全可靠 传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域,传感器节点可能工 作在露天环境中,遭受太阳的暴晒或风吹雨淋,甚至遭到无关人员或动物的破坏。由 于监测区域环境的限制以及传感器节点数目巨大,对每个传感器节点和整个网络进行 人工维护十分困难甚至不可维护。 传感器节点往往采用随机部署,如通过飞机撤播或发射炮弹到指定区域进行部署。 这些都要求传感器节点非常坚固,不宜损坏,适应各种恶劣环境条件。传感器网络的通 信保密性和安全性也十分重要,要防止监测数据被盗取和获取伪造的监测信息。这就 给无线传感器网络的应用提出了巨大挑战。传感器网络的软硬件必须具有鲁棒性和容 错性。 无线传感器网络的特点决定了它的安全与传统网络安全在研究方法和计算手段上 有很大的不同。首先,无线传感器网络的节点的各方面能力都不能与目前因特网的任 何一种网络终端设备相比。其次,有限的计算资源和能量资源往往需要系统的各种技 术综合考虑,以减少系统代码的数量。另外,无线传感器网络任务的协作特性和路由 的局部特性使节点之间存在安全耦合,单个节点的安全泄露都会影响网络的安全。 ( 5 ) 应用相关 东北大学硕士论文 第2 章无线传感器网络概述 传感器网络的应用非常广阔,能够广泛应用于军事、环境监测和预报、健康护理、 森林预报监测、智能家居以及其他方面。在这些应用中,传感器节点通过感知监测周 围客观环境,得到监测信息。不同的传感器网络应用关心不同的物理量,因此对传感 器网络的应用系统也有各种各样的特殊要求。不同的应用背景对传感器网络的要求不 同,其硬件平台、软件系统和网络协议也有特定要求。传感器网络不能像因特网一样, 有统一的通信协议。对于无线的自组织的传感器网络而言,网络拓扑控制具有特别重 要的意义。 ( 6 ) 以数据为中心的网络 目前的互联网是先有计算机终端系统,然后再互联成为网络,终端系统可以脱离 网络独立存在。在互联网中,网络设备用网络中唯一的i p 地址标识,资源定位和信息 传输依赖于终端、服务器等网络设备的地址。如果想访问互联网中的资源,首先要知 道存放资源的服务器地址。可以说目前的互联网是一个以地址为中心的网络。 传感器网络是任务型的网络,脱离传感器网络谈论传感器节点没有任何意义。传 感器网络中节点采用节点编号标识,节点编号是否需要全网唯一取决于网络通信协议 的设计。由于传感器节点随即部署,构成的传感器网络与节点编号之间的关系是完全 动态的,表现为节点编号与节点位置没有必然联系。用户使用传感器网络查询事件时, 直接将所关心的实践通告给网络,而不是通告给某个特定编号的节点。网络在获得指 定事件的信息后汇报给用户。所以通常说传感器网络是一个以数据为中心的网络。 2 4 无线传感器网络的研究现状 根据研究侧重点的不同,我们认为可以把无线
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