（通信与信息系统专业论文）无线传感器网络容错目标检测算法研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 于茼晏 传感器网络的发展使得基于它们的新的应用越来越多的涌现出来，目标 跟踪就是其中很有用途的应用之一。目标跟踪对于自然科学里面很多学科的 研究，野生动植物研究以及军事情报收集等领域的方法更新及效率改善都具 有十分重大的意义。传感器网络的目标跟踪应用中，目标检测是跟踪系统进 行后续定位、跟踪等任务的前提和基础。现有的目标跟踪算法在目标侦测阶 段很少考虑网络中错误节点的存在，而忽略了网络的鲁棒性。然而，在实际 应用中，由于传感器网络的工作环境恶劣加之节点自身故障的影响，往往会 导致某些节点失效或出错。而拜占庭错误节点的出现会导致错误节点在信息 交换过程中随机乱发信息，令其它正常节点由于获得不准确的目标信息而产 生错误的判决结果，进而影响目标的定位与跟踪。因此，容错处理成为传感 器网络目标检测算法中一个重要的问题。 本文首先介绍了无线传感器网络的概念、特点、面临的技术挑战及其应 用范围，分析了现有的目标定位及跟踪算法及其存在的问题，进而引出深入 研究拜占庭错误背景下容错目标检测算法的必要性。 接着论文对现有的容错目标检测算法进行了分析比较。在值融合容错目 标检测v f a 算法中，正常节点将通过o m 算法获得一组相同的观测值序列， 通过舍弃序列中的一个最大及最小观测值，并对余下的观测值取平均，之后 与门限值相比较做出判决以达到一致和容错检测的目的。然而在实际应用中， 如果网络规模较大，节点个数较多，大规模执行o m 算法将给系统带来巨大 的通信压力，从而影响网络寿命。因此如何确定数据融合过程中参与o m 算 法的节点个数是值融合目标容错检测算法需要解决的关键问题。节点个数过 多将增大能耗，降低网络寿命；节点个数偏少又可能因为没有全面、准确的 获得目标特征信息而导致错误的目标检测结果。分层拜占庭容错目标检测 h b a 算法通过节点分层次、逐分组、小规模地多次执行s m 算法，能够在一 定程度上减少无线传感器网络在目标检测过程中的通信量。但h b a 算法存在 着通信轮数较多，检测时延较大等问题，不能满足实时性要求较高的目标检 测应用。 本文在h b a 算法和v f a 算法的基础上，提出了分层值融合算法h v f a 。 类似于h b a 算法，h v f a 算法首先也将网络中所有的传感器节点分为若干小 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 | 页 组，并在每个小组中选择一个节点作为小组头节点，且相邻子组之间通过共 享节点来纠正错误；但与h b a 算法不同之处在于，h v f a 算法只在各个小组 头节点之间及相邻子组的共享节点间执行s m 算法，子组成员节点间并不执 行s m 算法。因此，h v f a 算法的通信轮数要比h b a 算法低得多。理论分析 和仿真结果表明，与v f a 算法相比，h v f a 算法在少量增加处理时延的基础 上，可以大幅度降低目标检测过程能耗，且在分组数足够多时，分层值融合 方案可以获得接近值融合算法的检测性能。研究表明，h v f a 算法能够满足 实时性要求不高的目标检测需求。 针对多目标检测问题，论文在分析值融合算法中的极值选取问题的基础 上，分析了一类基于中值的容错多目标检测算法：以邻居节点观测值的中间 值来近似估计节点的本地观测值，之后与门限值相比较做出目标检测判决。 研究表明，基于中值的容错多目标检测算法与v f a 值融合算法相比，数据融 合规模较小，能够有效地降低节点间通信带来的能耗，并且避免了极值选取 问题。算法仿真研究表明，当节点密度较高，节点错误率较小时，基于中值 的容错多目标检测算法能够取得较好的多目标容错检测性能。 论文工作对无线传感器网络环境下的目标检测问题研究有一定参考价 值。 关键词：拜占庭错误；分层值融合；中值容错；目标检测；无线传感器网络。 西南交通大学硕士研究生学位论文第| | i 页 a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fs e n s o rn e t w o r k s ，m a n yn e wa p p l i c a t i o n se m e r g e d i nr e c e n ty e a r s i nt h e s ea p p l i c a t i o n s ，d y n a m i ct a r g e tt r a c k i n gi so n eo ft h em o s t i m p o r t a n ti s s u e s t a r g e tt r a c k i n gi se x t e n s i v e l yd e s i r a b l ef o rd i v e r s ef i e l do f s u b j e c t si nn a t u r a ls c i e n c e ，w i l da n i m a ls t u d ya n dm i l i t a r yi n f o r m a t i o nc o l l e c t i o n ， w h e r e i nt h et a r g e td e t e c t i o ni st h ep r e c o n d i t i o na n db a s i sf o rt h et a r g e tl o c a t i o n a n dt a r g e tt r a c k i n g s of a rt h e r eh a v eb e e nan u m b e ro fr e s e a r c hr e s u l t si nt h e l i t e r a t u r eo nt h e t a r g e t d e t e c t i o na l g o r i t h m sf o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s n o n e t h e l e s sm o s to ft h ee x i s t i n ga l g o r i t h m sa d d r e s se x c l u s i v e l yt h ea c c u r a c yo f t a r g e td e t e c t i o n ，b u ti g n o r et h er o b u s t n e s sa g a i n s tt h ef a u l t yn o d e si nn e t w o r k s h o w e v e r , i nr e a la p p l i c a t i o n s ，b y z a n t i n ef a u l t sm a yh a p p e nd u et ot h eh a r s h e n v i r o n m e n t ，w h e r et h en o d e sa r ea s s u m e dt os e n di n c o n s i s t e n ta n da r b i t r a r y v a l u e st oo t h e rn o d e sd u r i n gi n f o r m a t i o nf u s i o n o b v i o u s l y , f a u l t t o l e r a n tt a r g e t d e t e c t i o na l g o r i t h m sa r eh i g h l yd e s i r e dt oa c h i e v et h er o b u s t n e s st ot h eb y z a n t i n e f a u l t s o b v i s o u l y , t h ef a u l t - t o l e r a n c ew i l lb e c o m eac r u c i a lp r o b l e mi nt a r g e t d e t e c t i o nf o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s i nt h i sp a p e r , t h ed e v e l o p m e n to fs e n s o rn e t w o r ka n dt h ec h a l l e n g e st ob ef a c e d ， t h ea p p l i c a t i o nf i e l d st h ew s nt o g e t h e rw i t ht h ek e yt e c h n o l o g i e so fs e n s o r n e t w o r ka r er e v i e w e da tf i r s t t h e ns o m ek n o w na l g o r i t h m sf o rt a r g e tl o c a t i o na n d t r a c k i n gi nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ka r ed i s c u s s e dt oh i g h l i g h tt h ec r u c i a lp r o b l e m s t h e r e i n a sa ni m p o r t a n tt a r g e td e t e c t i o na l g o r i t h m ，t h ev a l u ef u s i o na l g o r i t h ma r e a d d r e s s e d ，w h e r e i nt h em e a s u r e m e n t so fa l ln o d e sa r ec o l l e c t e dt h r o u g ho m a l g o r i t h ma n dt h ene x t r e m e sa r ed i s c a r d e dt oe x c l u d et h ea b n o r m a lr e a d i n g sb y b y z a n t i n ef a u l t yn o d e s t h ep r o b l e mo ft h ev f as c h e m ei s t h ec o s to f c o m m u n i c a t i o no v e r h e a d ，w h i c hw i l lb e c o m eac r i t i c a lp r o b l e mw h e nt h en u m b e r o fn o d e si sl a r g ee n o u g h d u et ot h es t r i c te n e r g yc o n s t r a i n t si nw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k ，c o m m u n i c a t i o ne f f i c i e n ta l g o r i t h mi sd e s i r a b l e a ne n e r g y e f f i c i e n th b a a l g o r i t h mw a sp r o p o s e dr e c e n t l y , w h e r e i ns ma l g o r i t h mi n s t e a do fo ma l g o r i t h m 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 v 页 a r eu t i l i z e dh i e r a r c h i c a l l y c o m p a r e dw i t ht h eo m a l g o r i t h mi nt h ew h o l ei n t e r e s t r e g i o n ，h i e r a r c h i c a ls ma l g o r i t h mi nh b as c h e m ei sa b l et or e d u c et h ee n e r g y d i s s i p a t i o ns i g n i f i c a n t l y h o w e v e r , t h eh i e r a r c h i c a lp r o c e s s i n gs o m e t i m e sb r i n g s a b o u tan u m b e ro fc o m m u n i c a t i o nr o u n d s ，t h u sg i v i n gr i s et oa l lu n w a n t e dl o n g t i m ed e l a y i nt h i sp a p e r , t h eh i e r a r c h i c a lv a l u ef u s i o ns c h e m e ( h v f a ) i s p r o p o s e db a s e do n b o t ht h ev f aa n dh b a a l g o r i t h m s j u s tl i k et h eh b aa l g o r i t h m a us e n s o rn o d e s a l e p a r t i t i o n e di n t os e v e r a ls u b g r o u p sa n dt h es ma l g o r i t h mi s p e r f o r m e d h i e r a r c h i c a l l ya m o n gn o d e st oc o r r e c tf a u l t s h o w e v e r , u n l i k et h eh b as c h e m e w h e r et h es ma l g o r i t h mw i l lb ep e r f o r m e dt h r i c ea m o n gt h es u b g r o u ph e a d s ，t h e m e m b e rn o d e si ne a c hs u b g r o u p ，a n dt h es h a r e dn o d e sb e t w e e ns u b g r o u p sw h e n f a u l t yh e a di sd e t e c t e d ，r e s p e c t i v e l y t h es ma l g o r i t h mw i l lb ep e r f o r m e do n l y t w i c ea m o n gs u b g r o u ph e a d sa n dw h e ns h a r e dn o d e sc o r r e c tt h ef a u l t yh e a di nt h e h v f as c h e m e a sar e s u l t ，t h en u m b e ro fc o m m u n i c a t i o nr o u n d si nh v f ai s m u c h1 e s st h a nt h o s ei nt h eh b a i ti sv a l i d a t e dt h r o u g hn u m e r i c a la n l a y s i sa n d c o m p u t e rs i m u l a t i o n st h a t ，t h eh v f aa l g o r i t h mc a ne n a b l ee n e r g y - e f f i c i e n tt a r g e t d e t e c t i o nw i t hm u c hl e s s p r o c e s s i n gt i m ed e l a yc o m p a r e dw i t ht h a to fh b a a l g o r i t h m a sf o rv f a a l g o r i t h m o n eo ft h ec h a l l e n g e si st h ed e t e r m i n a t i o no ft h en u m b e r o fe x t r e m ev a l u e st ob ee x c l u d e dd u et ot h e m e a nv a l u e c a l c u l a t i o nd u r i n g m e a s u r e m e n te x c h a n g ea m o n gn e i g h b o r i n gn o d e s a sac o m p a r i s o n ，w ee x p l o r e t h eu t i l i z a t i o no f m e d i a nv a l u e t oe f f e c t i v e l yr e m o v et h o s ee x t r e m ev a l u e sf o r t a r g e td e t e c t i o n i nm e d i a nv a l u ef a u l t t o l e r a n ta l g o r i t h m ，t h em e d i a nv a l u eo fa l l n e i g h b o r i n gr e a d i n g si su s e dt oa p p r o x i m a t et h el o c a lo b s e r v a t i o nt ot h ep o s s i b l e p r e s e n tt a r g e t a n di ti sv a l i d a t e dt h r o u g ht h es i m u l a t i o n so nt h eo p n e tp l a t f o 肋 t h a t ，t h ea l g o r i t h mc a nr e d u c et h ee n e r g yc o n s u m e da n da c h i e v eag o o d p e r f o r m a n c eo ff a u l t t o l e r a n c ea n dd e t e c t i o np r o b a b i l i t yw h e nt h en u m b e ro f b y z a n t i n ef a u l t yn o d e si ss m a l la n dt h en o d ed e n s i t yi sl a r g ee n o u g h k e yw o r d s ：b y z a n t i n ef a u l t s ；h i e r a r c h i c a lv a l u ef u s i o n ；m e d i af a u l t t o l e r a n t ； t a r g e td e t e c t i o n ；w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校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。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密口，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“) 学位论文作者签名：廉习歧 日期：勺甚皋r 冈i l 四 指导老师签名：晦k 隶 日期：。茜季r 同儿日 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 本文提出了一种分层值融合算法，理论分析和仿真结果表明，与值融合 算法相比，分层值融合方案在少量增加处理时延的基础上，可以大幅度降低 目标检测过程能耗；此外，合理的选择分组数目，分层值融合方案可以获得 接近值融合算法的检测性能及系统可靠性，这使得新算法对实时性要求不高 的目标检测任务有实际的应用价值。本文还对中值容错多目标检测算法进行 了验证，结果表明，当节点密度较高，节点错误率较小时，系统能够保证较 好的容错检测性能。 学位论文作者签名：鏖芝设 日期：o ，3 年r 网一l 旧 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 本章首先介绍了无线传感器网络的相关概念及其面临的挑战与关键技 术，接着阐述了了无线传感器网络环境下的目标检测与目标跟踪问题，最后 引入论文的研究内容和方向。 1 1无线传感器网络概述 无线传感器网络和基于无线传感器网络的自主智能系统是涉及微机电系 统、计算机、通信、自动控制、人工智能等多学科的综合性技术。 1 1 1无线传感器网络的概念和特点 m e m s 的迅速发展奠定了涉及和实现片上系统的基础，使得许多传感器 集成为一体，制造小型化、低成本、多功能的传感器节点成为可能。大量的 m e m s 传感器节点只有通过低功耗的无线通信网络才能够发挥其整体的综合 作用；更小、更廉价的低功耗计算设备代表的“后p c 时代”冲破了传统台式计 算机和高性i i i i 务器的涉及模式，普及的网络化带来了难以估量的计算处理 能力。在通信方式上，无线电、红外、声等多种无线通信技术的发展为传感 器间通信提供了多种选择，尤其以i e e e 8 0 2 1 5 4 为代表的短距离无线电通信 标准的出现，无疑为无线传感器网络的发展奠定了坚实的基础。具有群体智 能的自治系统的行为实现和控制是自动控制和人工智能领域的前沿研究内 容，相关研究成果为无线传感器网络的智能性提供了有力的技术支持。 以上几个方面的高度发展孕育出了许多新的信息获取和处理模式。无线 传感器网络就是其中一例。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白组织的方式构成网络，借助于节点中内置的形式多 样的传感器感知所在周边环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波信号，从 而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、 速度和方向等众多我们感兴趣的物理现象，并通过无线通信传送信息，由此 构成了无线传感器网络。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 无线传感器网络是由大量无处不在的，具有通信与计算能力的微小传感 器节点密集布设在无人值守的监控区域而构成的能够根据环境自主完成指定 任务的“智能”自治测控网络系统【1 1 。一般而言，无线传感器网络有如下特，征【2 】： 1 大规模网络 为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点，传感器节点 数量可能达到成千上万，甚至更多。传感器网络的大规模性包括两方面含义： 一方面是传感器节点分布在很大的地理区域内，如在原始大森林采用传感器 网络进行森林防火和环境监测，需要部署大量的传感器节点；另一方面，传 感器节点部署很密集，在一个面积不是很大的空间内，密集部署了大量的传 感器节点。 传感器网络的大规模性具有如下优点：通过不同空间视角获得的信息具 有更大的信噪比；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，使得系统具有很 强的容错性能：大量节点能够增大覆盖的监测区域，减少覆盖盲区。 2 自组织网络 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网络结 构的地方。传感器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面积广阔的原始森林中， 或随意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，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成 转发监测数据的多跳无线网络系统。 在传感器网络使用过程中，部分传感器节点由于能量耗尽或环境因素造 成失效，也有一些节点为了弥补失效节点、增加监测精度而补充到网络中， 这样在传感器网络中的节点个数是动态变化的( 增加或减少) ，从而使网络的拓 扑结构随之动态变化。传感器网络的自组织性要能够适应这种网络拓扑结构 的动态变化。 3 动态性网络 传感器网络的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。、环境条件变化可能造成无线通 信链路的变化，甚至时断时通；、传感器网络的传感器、感知对象和观察 者这三要素都可能具有移动性；、新节点的加入。就要求传感器网络系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 能够适应这种变化，具有动态的系统可重构性。 4 可靠的网络 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。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 到制定区域进行部署。这些都要求传感器节点非常坚固，不易损坏，适应各 种恶劣环境条件。 由于监测区域环境的限制以及传感器节点数目巨大，不可能人工“照顾” 每个传感器节点，网络的维护十分困难甚至不可维护。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。 因此，传感器网络的软硬件必须具有鲁棒性和容错性。 5 应用相关的网络 传感器网络用于感知客观物理世界，获取物理世界的信息量。客观世界 的物理量多种多样，不可穷尽。不同的传感器网络应用关心不同的物理量， 因此对传感器的应用系统也有多种多样的要求。 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 络协议必须会有很大差别。所以传感器网络不能像i n t e m e t 一样，有统一的通 信协议平台。对于不同的传感器网络应用虽然存在一些共性问题，但在开发 传感器网络应用中，更关心传感器网络的差异。只有让系统更贴近应用，才 能做出最高效的目标系统。针对每一个具体应用来研究传感器网络技术，这 是传感器网络设计不同于传统网络的显著特征。 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、路由器、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口地址。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。传感器网络中的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。由于传感器节点随机部署，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 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 联系。用户使用传感器网络查询事件时，直接将所关心的事件通告给网络， 而不是通告给某个确定编号的节点。网络在获得指定事件的信息后汇报给用 户。这种以数据本身作为查询或传输线索的思想更接近于自然语言交流的习 惯。所以通常说传感器网络是一个以数据为中心的网络。 例如，在应用于目标跟踪的传感器网络中，跟踪目标可能出现在任何地 方，对目标感兴趣的用户只关心目标出现的位置和事件，并不关心哪个节点 检测到目标。事实上，在目标移动的过程中，必然是由不同的节点提供目标 的位置消息。 由于传感器节点数量众多，布设时只能采用随机投放的方式，传感器节 点的位置不能预先确定：在任意时刻，节点通过无线信道连接，自组织网络 拓扑结构；传感器节点间具有很强的协同能力，通过局部的数据采集、预处 理以及节点间的数据交换来完成全局任务。无线传感器网络是一种无中心节 点的全分布系统。由于大量传感器节点是密集布设的，传感器节点间的距离 很短，因此，多跳、对等通信方式比传统的单跳、主从通信方式更适合在无 线传感器网络中使用，由于每跳的距离较短，无线收发器可以在较低的能量 级别上工作。另外，多跳通信方式可以有效的避免在长距离无线信号传播过 程中遇到的信号衰减和干扰等各种问题。无线传感器网络可以在独立的环境 下运行，也可以通过网关连接到现有的网络基础设施上，如i n t e m e t 等。 1 1 2 无线传感器网络的应用 无线传感器网络可以包含大量的由震动、( 地) 磁、热量、视觉、红外、 声音和雷达等多种不同类型传感器构成的网络节点，可以用于监控温度、湿 度、压力、土壤类别、噪声、机械应力等多种环境条件。传感器节点可以完 成连续的监测、目标发现、位置识别和执行器的本地控制等任务。 无线传感器网络是一种“无处不在”的传感技术，它使用户可以更加深入 地了解和把握周围世界。无线传感器网络的随机布设、自组织、环境适应等 特点使其在军事、环境、医疗、家庭和其它的商用领域有广阔的应用前景和 很高的应用价值【”。当然，在空间探索和灾难拯救等特殊领域，传感器网络也 有其得天独厚的技术优势。 1 ) 军事应用 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 在军事领域，由于传感器网络具有快速布设、自组织和容错等特性，它 将会成为c 4 i s r t 系统不可或缺的一部分。c 4 i s l 玎系统的目标是利用先进的 高科技技术，为未来的现代化战争设计一个集命令、控制、通信、计算、情 报、监视、侦查和定位于一体的战场指挥系统。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，侦查敌方地形 和布防，定位攻击目标，评估损失，侦查和探测核、生物和化学攻击。 2 ) 环境应用 目前，传感器网络的应用已由军事领域扩展到其它许多领域，因为它能 够完成传统系统无法完成的任务，环境监测就是其中之一。传感器网络的环 境应用包括：对鸟类、昆虫等小动物的跟踪，对影响农作物、牲畜的环境条 件的监测，为大范围的地球探测提供生化监测手段。其他的环境应用包括精 细农业、海洋、陆地、大气环境中的生物探测，森林火灾监测，环境的生物 复杂性勘测，洪水监测等。 3 ) 医疗应用 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。 其医疗应用包括：患者的综合监测、诊断，医院的药品管理，对人类生理数 据的无线监测，在医院中对医护人员和患者进行追踪和监控。 4 ) 空间探索 探索外部星球一直是人类梦寐以求的理想，借助于航天器布撒的传感器 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 ( 美国国家航空与航天局) 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 r sw e b s 就是为将来的火星探测进行技术准备的，已在佛罗里达宇航中 心周围的环境监测项目中进行测试和进一步完善。 5 ) 商务应用 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也会有不少的机会。传感器网络的一些 商务应用包括：在结构监测应用中监测物质疲劳程度、构建虚拟键盘、清单 管理、产品质量检测、构建智能办公室、自动化制造环境中的机器人控制与 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 引导、互动玩具、互动博物馆、工厂的过程控制与自动化、灾区监测、智能 楼宇、设备诊断、执行器的本地控制、车辆防盗系统、车辆的追踪与监控等。 1 1 3 无线传感器网络面临的挑战 如前所述，无线传感器网络具有很多不同于传统数据网络的特点，这对 于无线传感器网络的设计与实现提出了新的挑战。目前在无线传感器网络研 究与开发中所面临的主要挑战主要有以下几点m 】： 1 ) 低能耗 无线传感器网络长期在无人值守的状态下工作，要求网络中节点的平均 能耗比现有无线网络中节点的能耗更低。在些工业监控应用中，装备纽扣 电池的传感器需要在无人值守的情况下工作几个月甚至几年。而在森林火灾 监测等大范围的环境监测应用中，为大量的传感器节点频繁地更换电池是不 现实的。这些典型的应用要求在传感器网络运行的过程中，每个节点都要最 小化自身的能量消耗，获得最长的工作时间。 2 ) 低成本 传感器网络由成千上万的节点构成，单个节点的价格将极大地影响系统 的成本。为了达到降低成本的目的，需要设计对计算和存储能力要求较低的 简单网络系统和通信协议。此外，降低系统成本的另一个重要因素是减少系 统管理与维护的开销。传感器网络中节点规模较大，人工的管理与维护开销 很大，因此需要网络系统具有自配置、自修复的能力。自配置是指在没有人 工干预的条件下，网络中的节点能够检测到其它节点的存在并共同组成一个 具有一定功能和结构的网络系统。自修复是指在没有人为干预的条件下，系 统能够检测到网络节点或通信链路的损坏并能够从错误状态中恢复。 3 ) 通用性 无线行李标牌、集装箱定位系统等传感器网络的许多应用需要系统能够 在世界范围内正常工作。此外，为了扩大生产规模、开拓市场，一个能在全 球范围内正常运转的系统也是必要的。尽管在理论上，我们可以通过为每个 节点安装全球定位系统( g p s ) 或全球卫星导航系统( g l o n a s s ) 的接收器并 根据地理位置信息来调整节点行为的方法解决这一问题，但接收器的成本很 高，难以大量使用。因此，需要采用一种被各国政府允许的通用设计。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 4 1 网络拓扑 传统的星型结构包含一个主节点，一个或多个从节点。在通信时，主节 点与从节点可以直接通信，从节点的通信需要依靠主节点的转发。星型结构 适合在一些小规模网络中使用。在传感器网络系统中，节点规模很大，节点 间以一种对等、多跳的方式通信，系统的动态性很强。需要设计一种适合传 感器网络通信特点、低开销、便于维护的网络拓扑结构。 5 ) 安全 在一些应用中，网络的安全是必需的。传感器网络系统具有严格的资源 限制，需要设计低开销的通信协议，但同时会带来严重的安全问题。一方面 入侵者可以比较容易的进行服务拒绝攻击( d o s ) ；另一方面，传感器网络系统 的资源严格受限以及节点间白组织协调工作的特点使其难以实现严密的安全 防护。由于低成本的限制，一些传感器网络系统只能采用单频率通信机制。 入侵者通过频率扫描的手段可以很容易的捕获传感器网络的工作频率，通过 在网络中植入伪装节点，采用各种手段发动攻击。这些手段包括：以较高的 能量广播报文，通知周围节点其通信链路质量良好，使临近节点选择伪装节 点来转发报文，而伪装节点收到报文后直接丢弃；或伪装节点持续唤醒周围 节点，通过组织节点休眠来耗尽其能量。提高大规模系统通信实时性的一种 有效的方法是在中间节点给予转发报文比新接收报文更高的优先级，减少其 在多跳传输中的延迟。但这种协议给泛洪式攻击提供了便利的条件。总之， 保障传感器网络的安全是很困难的，迫切需要提供符合传感器网络特点的简 捷有效的安全机制。 6 ) 实时性 传感器网络是在真实的物理世界中运行的，因此，时间约束是很重要的。 一些应用具有不明确的实时要求。例如，一个用户进入房间后，系统需要在 一个很短的时间内对这一事件做出反应。反应的时延越短，我们认为系统的 性能越好。一些应用具有明确的实时要求，如车载控制系统需要每l o m s 读一 次加速度仪的测量值，否则无法正确估计速度，可能导致交通事故。一些对 端到端通信实时性有明确要求的应用，如工业控制中压力表的测量值需要按 时到达监测站和执行器等。而传感器网络的超大规模、动态变化以及易受干， 扰等特点给实时设计提出了很大的挑战。 7 ) 智能性 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 传感器网络系统通过自组织的方式来完成用户指定的任务。系统需要感 知环境变化，通过节点间的协同工作来产生需要的输出。由于在工作的过程 中无需人为干预，因此，网络节点这种根据感知的信息协同工作的方式体现 了系统的智能性。传感器网络系统的超大规模、资源严格受限，以及与物理 世界密切相关等特点使其需要一种新的工作模式。在网络系统中，单个节点 并不重要，我们关心的是群体行为。用户需要知道当前地下室的平均温度而 不是地下室中某点的温度，并且不关心是哪个节点传回的信息，或者他需要 知道当前地下室的温度是否超过了预警值。这些例子都说明传感器网络系统 是以数据为中心的。由于与物理世界密切相关，其高出错概率、易受干扰和 不确定的特点使传统的分布式系统解决方案无法适用，需要为其设计新的工 作模式。 1 2 跟踪系统 在传感器网络的许多实际应用中，跟踪运动目标是一项基本功能。由于 传感器节点体积小，价格低廉，采用无线通信方式，以及传感器网络的部署 随机，具有自组织、鲁棒性和隐蔽性等特点，传感器网络非常适合于移动目 标的定位和跟踪 7 1 。例如在战场上即时跟踪敌方车辆的行进路线和兵力的调动 情况，将获取的战场信息即时发送回我方指挥中心。由于这一技术的广泛应 用价值和光明前景，深入开展对目标跟踪的相关研究不论是对于我国的经济 建设还是国防现代化建设都有着重要的意义。 1 2 1目标跟踪问题概述 传感器节点存在许多硬件资源的限制，还经常遭受周围环境的影响，无 线链路易受到干扰，网络拓扑结构动态变化，而传感器网络的目标跟踪应用 通常具有较强的实时性要求，因此，许多传统的跟踪算法并不适用于传感器 网络。无线传感器网络环境下的目标跟踪算法必须满足以下要求：应尽可能 根据局部信息计算目标的位置和运动轨迹，相关算法需具有鲁棒性以适应由 于恶劣环境导致的节点错误以及网络的动态变化，能够实时传输跟踪数据和 计算结果，具有较低的通信代价等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 目标跟踪需要传感器网络根据节点的侦测信号判断目标是否出现。如果 目标出现，需要在一定时间内判断出目标的运动轨迹。这就不仅要求传感器 节点对侦测数据进行处理，根据不同的任务需求和有限资源选择合适的算法 确定目标状态，而且需要网络中的多个节点协同工作，通过交换侦测信息共 同确定目标的运动轨迹，并将跟踪结果发送给网络用户。 传感器网络的目标跟踪实质上是协作跟踪的过程。通过节点间相互协作 对目标进行跟踪，就能在资源受限的情况下得到比单个节点独立跟踪更加精 确的结果。传感器网络协作跟踪技术的关键问题在于如何共享数据信息、协 作处理数据和管理参与跟踪的节点组，比如哪些节点参与跟踪、何时唤醒参 与跟踪的节点、跟踪信息的传播方式和范围、如何传送跟踪数据给控制节点 以及节点需要多长时间进行通信等。这些都需要综合具体任务要求、网络环 境等加以确定。 按照跟踪对象的数量不同，传感器网络的目标跟踪可以分为单目标跟踪 和多目标跟踪；按照目标形状的不同，可以分为点目标跟踪和面目标跟踪； 按照传感器节点的运动方式不同，可以分为静态目标的侦测和移动目标的跟 踪。 单目标跟踪是指传感器网络的多个或全部节点协作跟踪同一个目标。传 感器节点交换侦测数据，确定目标的位置和运动轨迹，预测目标的运动方向， 并通过一定的唤醒机制使得目标运动方向上的节点及时加入检测过程。单目 标跟踪是多目标跟踪的基础，目前传感器网络的目标跟踪研究主要集中于单 目标跟踪。 目标跟踪算法主要有空间相关性和时间一空间相关性两种。最新的研究 动向包括采用人工智能等最新成果来改善检测性能，以及基于多传感器数据 融合的目标检测等。对这一应用领域的研究是作为多学科交叉课题出现的， 它所涉及的领域涵盖了信号处理、网络架构、数据融合以及m e m s 传感器技 术等。 如何以最低的能量代价高效地融合有效信息是各种目标跟踪算法的核心 问题。若要提高目标跟踪精度，必然需要融合较多节点的数据，这就会带来 较高的能量开销。而若要节省能量，就只能在有效范围内进行通信和计算， 那么结果精度就会受到影响。实际中需要根据目标检测结果精度要求和能量 消耗限制等方面的多个因素进行综合考虑，以选择和确定合适的跟踪策略。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 传感器网络目标跟踪涉及目标检测、定位、运动轨迹预测、预警等重要 问题。在研究过程中需综合传感器网络的自治性、低存储和计算能力、数据 传送的鲁棒性、通信延迟、可靠性等特点深入思考，并要在节省能耗、增大 测量精度、延长生存期等性能指标的提高上进行更深入的研究。 1 2 2 协作目标跟踪过程实例 j - ， ，暑奠，一：- 2 ： - ：- 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 2 定位阶段 为了节省能量，只有距离车辆较近的节点才会对车辆位置进行估计。如 果一个节点除了自己检测到车辆出现以外，还收到了另外两个或两个以上节 点的侦测信息，该节点就可以利用三角测量法对目标进行定位。 三角测量法的基本原理如图1 2 所示。已知l ，2 ，3 三个节点的位置 信息以及它们与车辆之间的距离，以三个节点的坐标为圆心，以它们到车辆 的距离为半径分别画圆。如果测量精确，三个圆应相交于一点，该点就是车 辆的实际位置。但是由于测量误差，三个圆通常会产生一个重叠区域，如图 1 2 所示。这时任意两圆的交点可定义一条直线，其中任两条直线的交点就作 为车辆的估计位置，如图1 2 中点p 为最后确定的车辆位置坐标。 图1 2 三角测量法基本原理 确定车辆位置后，还要进一步确定车辆的运动趋势，以便通知车辆将要 到达区域的传感器节点。估计车辆的运动趋势，一般需要车辆在连续时间内 的两个不同位置点，并由此确定车辆的运动方向和速度。任何侦测到目标并 且收到两个或更多邻居节点的侦测消息的节点都会使用线性拟合算法计算车 辆轨迹。如果要得到车辆更精确的运动轨迹，则需要获得更多车辆位置的历 史数据。通过三个连续时间点上的位置的估计来计算车辆的运动轨迹