（计算机应用技术专业论文）无线传感器网络低功耗安全通信技术的探究与实现.pdf

摘要 摘要 集成了传感器、嵌入式计算、网络和无线通信四大技术的无线传感器网络是 ”哥十全新的信息获取和处理技术，能够协作地实时监测、感知和采集各种环境或 监测对象的信息并进行处理，最后传送给需要这些信息的用户。无线传感器网络 是计算机科学技术的一个新的研究领域，具有十分广阔的应用前景，引起了学术 界和工业界的高度重视。 在无线传感器网络中，网络安全通信已逐步得到网络构架人员和研究人员的 重视，密钥分配协议对于无线传感器网络的安全传输起着基础性作用。由于传感 器网络大规模、节点资源非常受限、分布式等特点，传统的基于公钥和可信任的 密钥分配中心等方式已不再实用。当前主要的传感器密钥分配协议都可认为属于 预分配密钥管理协议。作者论述了目前比较典型的几类初始信任的密钥预分配协 汉和随机密钥预分配协议，并使用t i n y o s 系统模拟实现密钥分配过程。 在保证网络安全通信的基础上，尽量减少网络的能源消耗、延长网络生命周 期已经成为无线传感器网络通信的首要目标。因此在本文中作者不仅对密钥预分 配协议进行实现，更模拟建立了一个无线传感器网络实际应用的虚拟环境，选择 a o d v 路由协议作为低层通信协议，融入数据融合技术，簇首节点选择和簇结构 生成等技术，以达到低功耗安全通信技术探究与实现的目的。本文的后几章弹 细描述了该无线传感器网络通信模拟架构的实现过程，包括数据接收、数据感应、 数据融合、数据发送等多个步骤，并使用n s 2 仿真平台进行仿真实现，从另一个 角度对低功耗安全通信进行探究。 ：是键字：无线传感器网络，网络模拟架构，密钥预分配协议，t i n y o s ，n s 电子科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s n ) ，w h i c hi sm a d eb yt h e c o n v e r g e n c eo f s e n s o r ， n e s t e d c o m p u t a t i o n ， n e t w o r k sa n dw i r e l e s sc o m m u n i c a tjo n t e c h n o l o g i e s ，isan o v e t e c h n o l o g ya b o u ta c q u i r i n ga n dp r o c e s sj n g h 1 f o r m a t i o n i tc o u l db eu s e df o r t e s t i n g ，s e n s i n g ，c o l l e c t i n g a n d p r o c e s s i n gi n f o r m a t i o no fm o n i t o r e do b j e c t si nt i m e ，a n df i n a l l ys e n dt h e m l ot h ec u s t o m e r sw h on e e dt h e m w s ni san e wr e s e a r c ha r e ao fc o m p u t e r s c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n dh a saw i d ea p p l i e a t i o nf u t u r e i nw s n ，n e t w o r ks e c u r ec o r n m u n i c a t i o ni sg e t t i n gh i g hs t a t u si nn e t w o r k c o m l ! f i u n i c a t i o na r e a ，k e yd i s t r i b u t i o np r o t o c o l jso n eo fs i g n i f i c a n t c o m p o n e n t sf o rs e c u r i t yd e f e n s eo nw s nt r a n s m i s s i o n d u et ot h es p e c i a p r o p e r t i e so fw s n ，s u c ha sl a r g es c a l e 、l o wr e s o u r c e 、d i s t r i b u t i o na n ds o o n ，t r a d i t i o n a lk e yc e n t e rf o rw i r e dn e t w o r ki s n tu s a b l ea g a i n a u t h o r d e p i c ts e v e r a lk i n d so ft y p i c a lk e yd i s t r i b u t i o np r o t o c o su s e df o rw s n ， a n dt h e nu s et i n y 0 ss y s t e ms i m u l a t i n gk e yd i s t r i b u t ep r o c e s s r e d u c i n gt h es o u r c ec o n s u m e ，a n dp r o l o n g i n gt h ew s n1 i f e c y c l ei s h e c o m i n gt h ec h i e ft a r g e to fw s n w h i c hw a sb a s e do nt h ea s s u r a n c eo f h e t w o r ks e c u r ec o m m u n i c a t i o n t h e r e f o r e ，a u t h o rn o to n l yp a ya t t e n t i o n 十0 k e y 出s t r i b u t i o np r o t o c o lr e s e a r c ha n di m p l e m e n t a tjo n ，b u ta l s oa t t e n dt o b u i l du paw s ns i m u l a t e da p p l i c a t i o ns t r u c t u r e c h o o s i n ga o d vr o u t i n g pc o l o c o la su n d e r c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，c o m b i n i n gd a t ai n t e g r a t i o n ， cl u s t e rs e l e c t i o n ，e l u s t e rb u i l d i n ga n do t h e rt e c h n i q u e s ，a u t h o ri n t e n d t 0r e a li z ew s nt o w c o n s u m i n gn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nb yv a r i o u sm e a s u l e s i nt h i sa r t i c l e ，a u t h o rs i m u l a t et h en e t w o r ks t r u c t u r eb yn s 2s i m u l a t i o n p 1 a t f o r m ，i n c l u d i n gd a t at r a n s m i s s i o n 、d a t ec o l l e c t i n g 、d a t ac o m b i n a t i o n a n ds oo n a u t h o rd e s c r i b et h ew h o l ep r o c e s so fw s nc o m m u n i c a t i o n f i n is h 蕾l el o w c o n s u m er e s e a r c ho nw s nf r o ma n o t h e rp o i n to fv i e w k e yw o r d s ：w s n ，n e t w o r ks t r u c t u r e ，t i n y o s ，n s 2 ，k e yp r e - d i s t r i b u t i o np r o t o c o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，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 为获得电子科技大学或其它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 确的说明并表示谢意。 签名： 日期：9 0 - o 年f 月t 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，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。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 繇竹蒜缫 第一章引言 1 1 课题背景与意义 第一章引言 无线传感器网络是一种无基础设施的无线网络，它综合了传感器技术、嵌入 式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术，能够协作地实时监测、感知 和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些数据进行处理， 获得详尽而准确的信息，传送到需要这些信息的用户。无线传感器网络被认为是 2 1 世纪最重要的技术之一，给人类未来的生活方式产生巨大影响。麻省理：r 学院 的技术评论杂志( t e c h n o l o g yr e v i e w ) 评出了对人类未来生活产生深远影响 的十大新兴技术，无线传感器网络即停于这十种新技术之首。 无线传感器网络与传统的无线网络( 如w l a n 和蜂窝移动电话网络) 有着不同 的设计目标，后者在高度移动的环境中通过优化路由和资源管理策略最大化带宽 的利用率，同时为用户提供一定的服务质量保证。在无线传感器网络中，除了少 数节点需要移动以外，大部分节点都是静止的。因为它们通常运行在人无法接近 的恶劣甚至危险的远程环境中，能源无法更换，设计有效的策略延长网络的生命 周期成为无线传感器网络的核心问题。 无线传感器网络路由协议设计与传统的无线a dh o c 网络也有很多不同，无线 传感器网络路由设计的重要目标是降低节点能源损耗，提高网络生命周期：而传 统的无线a dh o c 网络的路由协议设计的首要任务是移动条件下高服务质量的提 供。这些不同导致了传统的无线a dh o c 网络路由协议不能直接用于无线传感器网 络中，许多新的适用于无线传感器网络的路由协议得到提出，它的研究已经成为 无线传感器网络研究中的热点。 在密集分布的无线传感器网络中，相邻节点问的距离非常短，低功耗的多跳 通信模式节省了功耗，同时也增加了通信的隐蔽性，避免了长距离的无线通信易 受外界噪声干扰的影响，这些独特的要求和制约因素为传感器网络的研究提出了 新的技术问题。无线传感器网络正处于新技术的最前沿，目前尚存在着许多值得 探讨的热点课题，国内外学者也在进行深入研究。不同的研究人员对无线传感器 网络的许多问题存在不同观点，例如，在节点命名问题上，有的学者认为不需要 勾每个节点分配唯的标识，用基于属性的方式来标识一类节点；有的学者则 认为需要为每一个节点分配唯一的标识。 电子科技大学硕士学位论文 无线传感器网络处于新技术的最前沿，i e e e 还没有成立无线传感器网络的标 准制定小组“，国际上从2 0 0 0 年开始出现一些有关传感器网络研究结果的报道。 1 h 是，这些研究成果处于起步阶段，距离实际需求还相差甚远。总体而言，我国 在无线传感器网络方面的研究工作还很少。由于无线传感器网络是一门新兴技术， 团内与国际水平的差距并不很大，及时开展这项对人类未来生活影响深远的前沿 科技的研究，对整个国家的社会、经济将有重大的战略意义。 鉴于无线传感器网络的巨大应用价值，已经引起了世界许多国家的军事部门、 ：业界和学术界的极大关注，美国自然科学基金委员会2 0 0 3 年制定了无线传感器 网络研究计划，投资3 4 0 0 万美元，支持相关基础理论的研究，美国国防部和各军 事部门都对无线传感器网络给予了高度重视，提出了c 4 i s r t 计划，强调战场情报 的感知能力、信息的综合能力和信息的利用能力，把无线传感器网络作为一个重 要研究领域，设立了一系列的军事传感器网络研究项目。美国英特尔公司、美国 微软公司等信息工业界巨头也开始了无线传感器网络方面的工作，纷纷设立或启 动相应的行动计划。日本、英国、意大利、巴西等国家也对无线传感器网络表现 出了极大的兴趣，纷纷展开了该领域的研究工作。总体而言，我国在无线传感器 r 恻络方面的研究工作还很少。 由于无线传感器网络是一门新兴技术，国内与国际水平的差距并不很大，及 刚开展这项对人类未来生活影响深远的前沿科技的研究，对整个国家的社会、经 济将有重大的战略意义。目前，国内的清华大学、电子科技大学、哈尔滨工业大 学等单位已经开始了该领域的研究工作。 作者在已有开发的基础上，结合无线传感器网络在实际应用中的需求，提出 了低功耗安全通信的概念，通过路由改进、密钥预分配模拟、网络通信模拟架构 二= 个方面，采取簇结构建立方式和数据融合技术，逐层论证和实现。 在网络模拟结构开发过程中，课题选择改进后的a o d v 路由协议作为通信路由 协议，在n s 2 仿真模拟平台上模拟实现无线传感器网络的数据传输网络构架，采 用簇结构生成和数据融合技术减少数据传输能源消耗，最终将融合信息发送给汇 聚节点。该无线传感器网络低功耗模拟通信平台可以运用于多方军事或非军事的 应用，例如居民小区无线安放网络信息获取、海洋无线信息网络信息捕获等。 同时出于安全通信的考虑，作者分析了当前通用的密钥预分配协议，提出更 适合无线传感器网络低功耗要求的二元t 次多项式算法协议的普及应用，并在 t 1n y o s 操作系统上加以实现，保证在较低资源消耗的情况下节点间通信密钥的安 全分配。 第一章引言 1 2 本人工作 本课题来源于四川省新型计算机应用技术重点实验室，课题主要任务之是 探索无线传感器网络的低功耗安全通信问题。该课题在教研室师兄、同学的帮助 和共同努力下，最终获得了预期性的成效，为无线传感器网络的进一步研究、开 发和应用发展提供了实践结果，帮助后期开发人员熟悉无线传感器网络的整体构 架应用和低功耗安全通信的下期开发。作为本科研项目的参与人员，作者使用不 同的网络模拟工具和操作系统模拟实现无线传感器网络低功耗安全通信开发，攻 克存在的无线传感器网络构架和密钥预分配协议两大技术难关。作者的具体工作 圭要有： 设计无线传感器网络整体结构，包括数据源节点、传感器节点和汇聚节点三 类= 审点，并为每个节点设置能源消耗标准； 模拟节点间通信过程中簇节点推出和簇结构生成方式； 分析二元t 次多项式密钥预分配协议，设置其t 次门限： 实现节点随机密钥生成，并使用二元t 次多项式密钥预分配算法实现节点问 安全通信。 1 3 章节安排 本文详细介绍了无线传感器网络网络架构的模拟实现以及密钥预分配协议的 底层实现，并阐述了与此联系紧密的相关技术。 主要分为以下几个章节： 第一章首先介绍了本文的课题背景，阐述了本课题的研究目的以及意义 第二章主要论述了无线传感器网络的现有研究信息，包括无线网络技术的分 类、无线传感器网络的结构与特征、无研究与应用、相关关键技术、模拟实现工 具等内容。使读者能快速形象地对无线传感器网络得到大致的了解。 第三章作者讲述了与本课题相关的一些关键技术，例如无线网络技术中相关 的路由协议标准及相互的差异、现有的数据融合技术、无线传感器网络中密钥预 分配协议的特殊性和应用性等，该章节为本文的关键技术讨论章节，为以f 几章 的介绍和描述提供了前提和铺垫。 第四章与第五章为本文的重点，阐述了作者在无线传感器网络方面所作的工 作和成效。 电子科技大学硕士学位论文 第四章主要描述了二元t 次多项式密钥预分配算法，其原理类似于b 1o m 密钥 预分配协议，密钥对生成模型根据定义在有限域f ( q ) 上的一个二元t 次多项式 r ( x 一) 完成。作者通过对t i n y o s 整体文件的分析获得t i n y o s 操作系统的底层运 作机制，并在系统中编写相关代码实现密钥随机生成及低功耗网络安全通信过程。 第五章主要论述了无线传感器网络的模拟架构的实现，作者根据实际需求定 义了数据源节点、传感器节点和汇聚节点三类节点，选择改良的无线路由协议， 采用一定的数据融合模拟方式，提出簇结构，最终模拟实现无线传感器网络中节 点的数据收集、数据融合和数据发送等功能。 第六章则是对全文以及本人的工作做出总结，提出了无线传感器网络未来的 研究方向。 1 4 绵略语 a s s o c i a t i v i t yb a s e dr o u t i n g a d h o co nd e m a n dd is t a n c e c o o p e r a t i v ee n g a g e m e n tc a p a b i li t y c l u s t e r e dg a t e w a ys w i t e hr o u t i n g c a r n e g i em e l l o nu n i v e r s i t y d e s t i n a t i o ns e q u e n c e dd i s t a n c ev e c t o r d y n a m ics o u r c er o u ti n g f is h e y es t a t er o u t i n g g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m g l o b a ls t a t er o u t i n g h i e r a r c h i c a ls t a t er o u t i n g i n t e r z o n er o u t i n gp r o t o c o l i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e j e tp r o p u l s i o nl a b o r a t o r y m o b i l ea d h o cn e t w o r k m i c r oe l e c t r om e e h a n i c a ls y s t e m m o t ed a t aa c q u i s i t i o nb o a r d m o t ep r o c e s s o rr a d i ob o a r d n e t w o r ks i m u l a t i o n融叫巳姝m叫融艮吼趾艮印汴b旧惦“艮上星|删呱吣墓；刚薹|鏖|慨鏖|脚|耋肌|茎慨慨燃 电子科撞大学硕士学位论文 第四章主要描述了二元t 次多项式密钥j l i i 分配算法，其原理类似于b 】o m 密钥 预分配协议，密钥对生成模型根据定义在有限域f ( q ) 上的一个二元l 次多项式 ，( x ，y ) 完成。作者通过对t i n y o s 整体文件的分析获得t i n y o s 操作系统的底层运 作机制，并在系统中编写相关代码实现密钥随机生成及低功耗网络安全通信过程。 第五章主要论述了无线传感器网络的模拟架构的实现，作者根据实际需求定 义了数据源节点、传感器节点和汇聚节点三类节点，选择改良的无线路由协议， 采用一定的数据融合模拟方式，提出簇结构，鼹终模拟实现无线传感器网络中节 点的数据收集、数据融合和数据发送等功能。 第a 章则是对全文以及本人的工作做出总结，提出了无线传感器网络未来的 研究方向。 i4 缩略语 a s s o c i a t i v i t yb a s e dr o u t i n g a d h o co nd e m a n dd i s t a n c e c o o p e r a t i v ee n g a g e m e n tc a p a b l t y c l u s t e r e dg a t e w a ys w i t c hr o u t i n g c a r n e g i ek | e l i o nu n i v e r s i t y d e s t i n a t i o ns e q u e n c e dd i s t a n c ev e c t o r d y n a m i cs o u r c er o u t i n g f i s h e y es t a t er o u t i n g g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m g 1 e b a ls t a t er o u t i n g h ie r a r c h i c a ls t a t er o u t i n g i n t e r z o n er o u t i n gp r o t o c o l i n t e r n e te n g i n e e r l n gt a s kf o r c e j e tp r o p u l s i o nl a b o r a ；o r y m o b i l ea d h o cn e t w o r k m ie r ee 1e e t r om e c h a n i c a ls y s t e m m o t ed a t ah e q u i s i t i o r lb o a r d m o t ep r o c e s s u rr a d i ob o a r d n e t w o r ks l m u a t l o i l n e t w o r ks i m u l a t i o n慨姗呱呲刚吼隅吼吼册岍m飘胁黑 曼二：兰! ! 亘 一一 s c a d d s ：s c a l a b l ec o o r d i n a i o na r c h i t e c t u r ef o rd e e p l yd i s t r i b u t e ds y s t e m s s r ： s i g n a ls t a b i l i t yr o u t i n g 1 0 r a ：t e m p o r a l l yo r d e r e dr o u t i n ga l g o r i t h m i n t ：v i r t u a li n t e r n e t w o r kt e s t b e d w r p ：w i r e l e s sr o u t i n gp r o t o c o l z h l s ：z o n eb a s e dh i e r a r c h i c a ll i n ks t a t e z r p ： z o n er o u t i n gp r o t o c o l 5 电子科技大学硕士学位论文 第二章无线传感器网络概述 本章首先对无线传感器网络的发展由来进行了阐述，描述了无线传感器网络 的结构特点以及与其他无线网络之间的性能差异，提出了无线传感器网络目前面 临的一系列技术挑战以及研究热点，并介绍了目前传感器网络已经获得的科研成 果和应用范围。最后重点介绍了无线传感器网络领域研究所用一系列模拟工具， 以及加州大学伯利克分校专门为传感器网络开发研究所设计的t i n y o s 操作系统， 课题即是在n s 2 网络模拟器和t i n y o s 操作系统的基础上进行开发的。 2 1 无线网络技术的分类 从广义上划分，无线网络通常具有两种组织形式“：基础设旌网络 i n f r a s t r u c t u r e dn e t w o r k ) 和无基础设施网络( i n f r a s t r u c t u r e l e s sn e t w o r k ) 。 基础设施网络也称作中心结构网络，由包含固定有线网关的网络组成。在无 线覆盖范围内，移动主机与基站( 固定有线网关) 进行通信，并可在通信过程中 移动。在这种组网和通信方式中，基站位置是固定不动的。中心结构网络的主要 目标就是提供高的服务质量和高的带宽效率，蜂窝无线系统和无线局域网即是采 用这种网络组织形式。 无基础设施网络是无线网络的另一种组织方法。在很多文献中，无基础设旖 网络也称为无线移动自组网、自组网，a dh o c 网络。无基础设施网络是一组带有 无线通信装置的移动节点组成自创造、自组织和自管理的无中心网络。节点可以 在任何时刻、任何地点不需要现有信息基础网络设施的支持，快速构建起一个移 动通信网络，网中的每个节点可以自由移动，地位相等。参与无基础设施网络的 每个节点需要承担为其他节点进行分组转发的义务，所以节点兼备路由器和主机 两种功能，作为主机，节点运行面向用户的应用程序；作为路由器，节点运行相 应的路由协议，依据路由策略和路由表参与数据分组的转发和路由维护。在部分 通信网络遭破坏后，这种分布式控制和无中心的网络结构能维持剩余的通信能力， 确保重要的通信指挥畅通，因而具有很强的健壮性和抗毁性。这种网络既可以单 独运行，又可以通过网关接入到有线骨干网络( 如i n t e r n e t ) 。 根据节点的性质和节点是否频繁且大规模移动，可以将无基础设施网络分为 移动a dh o c 网络和无线传感器网络“。在无线传感器网络的研究初期，人们一度 第二章无线传感器网络概述 认为成熟的i n t e r n e t 技术加上a dh o c 路由机制对无线传感器网络的设计是足够 充分的，但深入的研究表明：无线传感器网络与传统网络有着明显不同的技术要 求。前者以数据为中心，后者以传输数据为目的。为了适应广泛的应用程序，传 统网络的设计遵循着“端到端”的边缘论思想，强调将一切与功能相关的处理都 放在网络的端系统上，中间节点仅仅负责数据分组的转发。无线传感器网络中的 大部分节点不像传统a dh o c 网络中的节点一样快速移动，因此没有必要花费很大 的代价频繁地更新路由表信息；中间节点上与具体应用相关的数据处理、融合和 缓存也显得很有必要。 无线传感器网络最初来源于美国高级国防研究项目署( d a r p a ) 的一个研究项 目，当时处于冷战时期，为了监测敌方潜艇的活动情况，需要在海洋中布置大量 的传感器，使用这些传感器所监测的信息来实时监测海水中潜艇的行动“。但是 由于受到当时技术条件的限制，使得无线传感器网络的应用只能局限于军方的一 些项日中，难以得到推广和发展。近年来随着无线通信、微处理器、m e l d s 等技术 的发展，使得无线传感器网络的理想蓝图能够得以实现，其应用前景越来越广， 国外各个研究机构对它的研究也正方兴未艾。 2 2 无线传感器网络的结构与特征 对无线传感器网络可以进行如下定义：无线传感器网络是由一组无线传感器 以a dh 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。 无线传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三大基本要素；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。 传感器节点由电源、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) 。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 净部分的工作，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 电子科技大学硕士学位论文 和电源的工作模式等。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。 图2 1传感器节点的物理与逻辑结构 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。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。 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。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，这一过程通常是通过飞行器撒播、人工埋置和火箭弹射等 方式完成的，当然，也可通过人工进行布置安放。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 h t 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 第二章无线传感器嗣络概述 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 c b e r k e l e y 在进行u a v 项目的外场测试时便采用了这种方式。如果网络规模太大， 可以使用聚类分层的管理模式，图2 2 给出了无线传感器网络体系结构一般形式 的描述，本文讨论的所有内容都是以这种体系结构为前提的。 传感器节点 图2 - 2无线传感器网络体系结构图 无线传感器网络除了具有a dh o c 网络的移动性、自组织性、电源能力有限等 共同特征以外，还具有节点数量庞大、单个节点资源极其有限、可监视范围广等 鲜明的特点，这些特点向我们提出了一系列挑战性问题： ( 1 ) 通信能力有限：无线传感器网络的通信带宽窄而且经常变化，通信覆盖 范围只有几十到几百米。传感器之间的通信断接频繁，经常导致通信失败。由于 无线传感器网络更多地受到高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自 然环境的影响，传感器可能会长时间脱离网络、离线工作。如何在有限通信能力 的条件下高质量地完成感知信息的处理与传输，是我们面临的挑战之一： ( 2 ) 电源能量有限：传感器的电源能量极其有限，网络中的传感器由于电源 能量的原因经常失效或废弃，电源能量约束是阻碍无线传感器网络应用的严重问 题。商品化的无线发送接收器电源远远不能满足无线传感器网络的需要，传感器 传输信息要比执行计算更消耗电能，传感器传输一位信息所需要的电能足以执行 3 ，0 0 0 条计算指令。如何在网络工作过程中节省能源，最大化网络的生命周期， 是我们面临的第2 个挑战； ( 3 ) 计算能力有限：无线传感器网络中的传感器都具有嵌入式处理器和存储 电子科技大学硕士学位论文 器，这些传感器都具有计算能力，可以完成一些信息处理工作。但是，由于嵌入 式处理器和存储器的能力和容量有限，传感器的计算能力十分有限，如何使用大 量具有有限计算能力的传感器进行协作分布式信息处理，是我们面临的第3 个挑 战； ( 4 ) 传感器数量大、分布范围广：无线传感器网络中传感器节点密集，数量 巨大，可能达到几万、几十万，甚至更多。此外，无线传感器网络可以分布在很 广泛的地理区域。传感器数量大、分布广的特点使得网络的维护十分困难甚至不 可维护，人们希望无线传感器网络的软、硬件必须具有高强壮性和容错性，这是 我们面临的第4 个挑战； ( 5 ) 网络动态性：无线传感器网络具有一定的动态性，网络中的传感器、感 知对象和观察者这三要素都可能具有移动性，并且经常有新节点加入或已有节点 失效，因此，网络的拓扑结构会经常动态变化，传感器、感知对象和观察者三者 之间的路径也随之变化，无线传感器网络必须具有可重构和自调整性，这是我们 面临的第5 个挑战； ( 6 ) 感知数据流巨大：无线传感器网络中的每个传感器通常都面临较大的流 式数据，并具有实时性，每个传感器仅具有有限的计算资源，难以处理巨大的实 时数据流，我们需要研究强有力的分布式数据流管理、查询、分析和挖掘方法， 这是我们面临的第6 个挑战。 2 1 3 无线传感器网络的研究与应用 随着无线传感器网络各方面技术的不断完善和发展，赋予其广阔的应用前景， 主要表现在军事、商业和各个民用领域。当然，在空间探索和灾难拯救等特殊的 领域，无线传感器网络也有其得天独厚的技术优势。 1 军事领域 无线传感器网络最早应用于军事领域，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 中的损坏丽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 使其适合环境恶劣的战场环境中。在战场，指挥员往往需要及时准确地了解部队、 武器装备和军用物资供给的情况，铺设的传感器将采集相应的信息，并通过汇聚 节点将数据送至指挥所，再转发到指挥部，最后融合来自各战场的数据形成我军 完备的战区态势图。在战争中，对冲突区和军事要地的监视也是至关重要的，通 0 第二章无线传感器网络概述 过铺设传感器网络，以更隐蔽的方式近距离地观察敌方的布防，也可以直接将传 感器节点撤向敌方阵地，在敌方还未来得及反应时迅速收集利于作战的信息。 2 0 0 0 年，美国国防部把s m a r ts e n s o rw e b 定为国防部科学技术5 个尖端研 究领域之一。s m a r ts e n s o rw e b 的基本思想是在整个作战空间中放置大量的传感 器节点来收集、传递信息，并且将信息汇集到融合点，在那里综合成一张图片， 并分发给需要该信息的作战者。s m a r ts e n s o rw e b 将为军队提供大覆盖面、及时、 高分辨率信息的能力，s m a r ts e n s o rw e b 是智能、安全、以w e b 为中心的传感器 信息分发和融合网络，可以提高军队的敏感度。 美国陆军2 0 0 1 年提出了“灵巧传感器网络通信”计划，已被批准为2 0 0 1 财 政年度的一项科学技术研究计划，并在2 0 0 1 2 0 0 5 财政年度期间实旋。灵巧传感 器网络通信的目标是建设一个通用通信基础设施，支援前方部署，将无人值守式 弹药、传感器和未来战斗系统所用的机器人系统连成网络，成倍地提高单一传感 器的能力，使作战指挥员能更好、更快地做出决策，从而改进未来战斗系统的生 存能力。 美国陆军最近还确立了“战场环境侦察与监视系统”项目。该系统是一个智 能化传感器网络，可以更为详尽、准确地探测到精确信息，如一些特殊地形地域 的特种信息( 登陆作战中敌方岸滩的翔实地理特征信息，丛林地带的地面坚硬度、 f 湿度) 等，为更准确地制定战斗行动方案提供情报依据。它通过“数字化路标” 作为传输工具，为各作战平台与单位提供“各取所需”的情报服务，使情报侦察 与获取能力产生质的飞跃。该系统组由撒布型微传感器网络系统、机载和车载型 渍察与探测设备等构成。 美国海军最近开展的协同交战能力( c e c ) 是一项革命性的技术。c e c 的实质 就是把高性能传感器网络能快速生成交战质量的态势信息，交战网络则可把这 态势信息转化为更高的作战能力。c e c 传感器网络的感知数据来源于雷达，通过 舰船或飞机战斗群携带的处理器进行感知数据的处理。每艘战船不但通过自己的 雷达，而且还从其他战船或者装载c e c 的战机来获取数据。空中传感器负责侦察 更大范围的低空目标，这些传感器也是网络中重要的一部分。c e c 可以从多方面 侦测目标，极大地提高测量精度和击中目标的概率。c e c 还可以快速而准确地跟 踪混乱战争环境中的敌机和导弹。使战船可以击中多个地平线或地平线以上近海 面飞行的超声波目标。 2 民用与商业领域 随着无线传感器网络技术的成熟与发展，人们更希望将该先进技术应用到人 电子科技大学硕士学位论文 们日常生活中，为人们的切身利益所服务。主要表现为在环境领域、医疗领域和 空问领域。 近年来人们对环境科学日益关注，无线传感器网络为野外随机性的研究数据 获取提供了方便，比如，跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响， 监测海洋、大气和土壤的成分等。a l e r t 系统中就有数种传感器来监测降雨量、 河水水位和土壤水分，并依此预测爆发山洪的可能性。类似地，无线传感器网络 对森林火灾准确、及时地预报也应该是有帮助的。此外，无线传感器网络也可以 应用在精细农业中，以监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和旌肥状况等。 在医疗方面，如果在住院病人身上安装特殊用途的传感器节点，如心率和血 压监测设备，利用无线传感器网络，医生就可以随时了解被监护病人的病情，进 行及时处理，还可以利用无线传感器网络长时间地收集人的生理数据，这些数据 在研制新药品的过程中是非常有用的，而安装在被监测对象身上的微型传感器也 不会给人的正常生活带来太多的不便。此外，在药物管理等诸多方面，它也有新 颖而独特的应用。 探索外部星球一直是人类梦寐以求的理想，借助于航天器撒布的无线传感器 网络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 的j p l 实 验室研制的s e n s o rw 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完善。 在商业应用中，无线传感器网络也为其提供了不少的机会。例如，嵌入家具 和家电中的传感器与执行机构组成的无线网络与i n t e r n e t 连接在一起将会为我 们提供更加舒适、方便和具有人性化的智能家居环境；城市车辆监测和跟踪系统 中成功地应用了无线传感器网络；德国某研究机构正在利用无线传感器网络技术 为足球裁判研制一套辅助系统，以减小足球比赛中越位和进球的误判率。此外， 在灾难拯救、仓库管理、交互式博物馆、交互式玩县、工厂自动化生产线等众多 领域，无线传感器网络都将会孕育出全新的设计和应用模式。 1 9 9 5 年，美国交通部提出了“国家智能交通系统项目规划”，预计到2 0 2 5 年 全面投入使用。该计划试图把先进的信息技术、数据通信技术、传感器技术、控 制技术及计算机处理技术有效地集成运用于整个地面交通管理，建立一个在大范 围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合交通运输管理系统。这种新 至! 系统将有效地使用传感器网络进行交通管理，不仅可以使汽车按照一定的速度 行驶、前后车距自动地保持一定的距离，而且还可以提供有关道路堵塞的最新消 息，推荐最佳行车路线以及提醒驾驶员避免交通事故等。由于该系统将应用大量 第二章无线传感器网络概述 的传感器与各种车辆保持联系，人们可以利用计算机来监视每一辆汽车的运行状 况，如制动质量、发动机调速时间等。根据具体情况，计算机可以自动进行调整， 使车辆保持在高效低耗的最佳运行状态，并就潜在的故障发出警告，或直接与事 故抢救中心取得联系。 2 0 0 2 年1 0 月2 4 日，美国英特尔公司发布了“基于微型传感器网络的新型计 算发展规划”，今后，英特尔将致力于微型传感器网络在预防医学、环境监测、森 林灭火乃至海底板块调查、行星探查等领域的应用。实现该计划需要3 个阶段， 即物理阶段、实现阶段和应用阶段。物理阶段主要开发集成感知、计算和通信功 能的超微型传感器( 也被称作尘粒( m o t e ) 或智能微尘( s m a r td u s t ) ) ，实现阶段将 在实际商务中使用来自传感器网络的感知数据，应用阶段将应用传感器网络于预 防医学、环境监测及灾害对策等领域。英特尔研究中心伯克利实验室和大西洋学 院的研究人员计划部署和使用无线传感器网络来研究岛上环境，这些传感器由温 度、湿度、气压等芯片和红外线传感器组成，科学家们使用这些设备可以在不干 扰野生动植物正常生活的情况下监视它们及其生存环境。 现在已经有一些致力于无线传感器网络的公司，如美国的c r o s s b o w 公司和 d u s t 公司等，其中c r o s s b o w 公司已经推出了m i c a 系列传感器网络产品，到现在 已经有了m i c a ，m i c a 2 ，m i c a 2 d o t 三种产品，现在关于无线传感器网络的大多数 科研和演示系统都是以m i c a 为平台的。 2 4 无线传感器网络的关键技术 无线传感器网络作为当今信息领域新的研究热点，涉及多学科交叉的研究领 域，有非常多的关键技术有待发现和研究，下面仅列出部分与本文有关的关键技 j 靛： 1 网络拓扑控制 对于无线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。通 过拓扑控制自动生成的良好的网络拓扑结构，能够提高路由协议和m a c 协议的效 率，可为数据融合、时间同步和目标定位等多方面奠定基础，有利于节省节点的 能量来延长网络的生存期。所以拓扑控制是无线传感器网络研究的核心技术之。 传感器网络拓扑控制目前主要的研究问题是在满足网络覆盖度和连通度前提下， 通过功率控制和骨干网节点选择，剔除节点之间不必要的无线通信链路，生成 个高效的数据转发的网络拓扑结构。 电子科技大学硕士学位论文 2 网络协议 由于传感器节点的计算能力、存储能力、通信能量以及携带的能量均十分有 限，每个节点只能获取局部网络的拓扑信息，所以其运行的网络协议不能过于复 杂。同时，传感器拓扑结构动态变化，网络资源也在不断