无线传感器网络

宽带通信网络节课论文-3-无线传感器网络摘要：无线传感器网络是由大量具有感知能力、计算能力和通信能力的传感器节点组成的网络。首先介绍无线传感器网络的相关术语、评价标准等基本概念，并从基于测距和非测距两个方面介绍无线传感器网络的主要定位方法。然后从实用性、应用环境、硬件条件、供能及安全隐私等方面出发，总结当前无线传感器网络定位技术存在问题，展望未来的研究前景与应用发展趋势。关键词：无线传感器网络；定位方法；存在的问题；研究前景TheWirelessSensorNetworksAbstract:WirelessSensorNetworkiscomposedofalargenumberofsensornodeshavingsensingcapabilities,computingpowerandcommunicationcapabilitiesofanetwork.Firstintroducesthebasicconceptsrelatedtothetermwirelesssensornetworks,evaluationstandards,andintroducethemainpositioningmethodforwirelesssensornetworksbasedrangingandnonrangingfromtwoaspects.Andthensummarizethecurrentwirelesssensornetworkpositioningtechnologyproblemsthroughthepractical,applicationenvironmentsandhardwareconditions,privacyandsecurityofenergysupplyviewpoint,lookingthefutureofprospectsforthestudyandapplicationtrends.Keywords:WirelessSensorNetworks;thepositioningmethod;theexistingproblems;researchprospect1.无线传感器网络随着传感器、计算机、无线通信及微机电等技术的发展和相互融合，产生了无线传感器网络(WSN,wirelesssensornetworks)。无线传感器网络技术与当今主流无线网络技术使用同一个标准——802.15.14，它是一种新型的信息获取和处理技术，是继互联网之后，将对人类社会的生产、生活方式产生重大影响的一项重要技术。无线传感网络综合了嵌入式计算技术、传感器技术、分布式信息处理技术以及通信技术,能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的不同监测对象的信息[1]。无线传感器网络系统(WSNS，wirelesssensornetworkssystem)通常由传感器节点、聚节点和管理节点组成，如图1所示[1]。图1无线传感器网络通信体系结构图无线传感器网络作为一种全新的信息获取和处理技术在目标跟踪、入侵监测及一些定位相关领域有广泛的应用前景。无论是在军事侦察或地理环境监测，还是交通路况监测或医疗卫生中对病人的跟踪等应用场合，很多获取的监测信息需要附带相应的位置信息，否则，这些数据就是不确切的，甚至有时候会失去采集的意义，因此网络中传感器节点自身位置信息的获取是大多数应用的基础。首先，传感器节点必须明确自身位置才能详细说明“在什么位置发什么了什么事件，从而实现对外部目标的定位和跟踪；其次，了解传感器节点的位置分布状况可以对提高网络的路由效率提供帮助，从而实现网络的负载均衡以及网络拓扑的自动配置，改善整个网络的覆盖质量[8]。2.无线传感器网络定位技术2.1相关术语与评价标准无线传感器网络定位最简单的方法是为每个节点装载全球卫星定位系统(GPS)接收器，用以确定节点位置。但是，由于经济因素、节点能量制约和GPS对于部署环境有一定要求等条件的限制，导致方案的可行性较差。关于定位的术语有[8]：锚节点(anchors):也称为信标节点、灯塔节点等，可通过某种手段自主获取自身位置的节点；普通节点(normalnodes):也称为未知节点或待定位节点，预先不知道自身位置，需使用锚节点的位置信息并运用一定的算法得到估计位置的节点；邻居节点(neighbornodes):传感器节点通信半径以内的其他节点；跳数(hopcount):两节点间的跳段总数；跳段距离(hopdistance):两节点之间的每一跳距离之和；连通度(connectivity):一个节点拥有的邻居节点的数目；基础设施(infrastructure):协助节点定位且已知自身位置的固定设备，如卫星基站、GPS等。无线传感器网络定位性能的评价标准主要分为7种[1]：定位精度：定位技术首要的评价指标就是定位精确度，其又分为绝对精度和相对精度。绝对精度是测量的坐标与真实坐标的偏差，一般用长度计量单位表示。相对误差一般用误差值与节点无线射程的比例表示，定位误差越小定位精确度越高。规模：不同的定位系统或算法也许可以在一栋楼房、一层建筑物或仅仅是一个房间内实现定位。另外，给定一定数量的基础设施或一段时间，一种技术可以定位多少目标也是一个图2元胞自动机组成示意图3.存在的问题与研究前景截至目前，无线传感器网络定位研究已广泛开展并取得了许多研究成果，但仍存在着一些没有被解决或被发现的问题，目前最为关键的问题仍然是WSN节点的能耗问题，一切的定位算法应该在精度和能量消耗上选取一个较为折衷的效果。目前存在的问题及相应可能的解决方案总结如下[1]：第一，实用性差。大部分基于非测距的定位算法只是停留在理论研究阶段，且大都是在仿真环境下进行的，需要假设很多不确定因素，而这些因素在实际应用中往往不能满足，则这些算法就失去了实际的意义。因此定位算法的设计应该更多的从实际应用上考虑，结合实际应用情况设计实用的定位算法。第二，应用环境单一。多数的算法都是针对特定的应用场景进行设计的，也就是说，每个算法都只能解决特殊的问题或应用于特定的场景，一旦环境发生变动，算法或系统的测量误差将增大甚至不再适用。因此，探索更具通用性的定位算法或定位系统，将其应用于更为复杂多变的环境中是一项新的挑战。第三，受硬件限制。在实际定位中，一些算法由于受到传感器节点硬件成本和性能的限制，如某些算法需要在定位节点上增加GPS，超声波收发器，有向天线阵列等设备，增加了节点硬件成本，阻碍了其在实际定位系统中的应用。因此，算法设计应多考虑WSN节点的实际情况，如只在部分节点上增加额外硬件，或根据实际节点资源受限情况采用其他定位算法等。第四，能量受限。测量精度、容错性和能量消耗等问题也是目前无线传感器网络研究的热点，更是定位技术研究的热点。通常情况下，高测量精度和低能量消耗不可兼得，往往需要在测量精度和能量消耗上进行有效的折衷。因此，可以在提高储能设备的容量，或利用可能的外界环境资源为节点提供能量方向进行研究，另外，提出高效、节能、符合实际情况的无线传感器网络定位算法将具有现实的意义。第五，安全和隐私问题。在大范围部署的无线传感器网络中，安全和隐私的问题也是一个主要的研究方向。一方面，一些应用需要节点位置信息，另一方面，向一些不需要知道位置的节点透露位置信息则会使网络面临安全问题。此外，鉴于无线传感器网络的性质，集中式算法在后台处理定位程序也使得节点的位置信息通过层层传递被过多的节点所知晓，因此分布式算法相对于集中式算法可以减少信息传递次数，增强网络安全性。4.小结无线传感器网络在军事和民用领域都有着广泛的潜在用途，是当前技术研究的热点。结合近年来无线传感器网络定位技术的发展状况，对无线传感器网络定位的基本概念、评价标准以及国内外研究现状进行了概述，重点对基于测距和基于非测距的无线传感器网络定位算法进行了分析，并列举了新型WSN定位的算法，总结了目前无线传感器网络定位领域研究存在的问题和一些可以研究的内容和方向。希望本文能够为无线传感器网络定位相关领域的研究者提供一些参考和帮助。参考文献：[1]孙利民，李建中，陈渝等.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社,2005:7-8,135-140.[2]PicardJ,WeissA.LocalizationofNetworksUsingVariousRangingBiasModels[J].WirelessCommunicationsandMobileComputing,2008,8(5):553-562.[3]GUVENCI,CHONGCC.AsurveyonTOAbasedwirelesslocalizationandNLOSmitigationtechniques[J].IEEECommunicationsSurveys&Tutorials,2009,11(3):107-123.[4]王福豹，史龙，任丰原.无线传感器网络中的自身定位系统和算法[J].软件学报，2005,16(5):857-868.[5]IEEEStd802.15.4,Part15.4:WirelessMediumAccessControl(MAC)andPhysicalLayer(PHY)specificationforLowRateWirelessPersonalAreaNetworks(LR-WPANs)[S].IEEEStd.802.15.4-2003,Dec.2003.[6]EUNCHANK,KIMK.Distanceestimationwithweightedleastsquaresformobilebeacon-basedl