无线传感器网络

1、摘要近几十年来，伴随着着传感器、计算机、无线通信及微机等技术的发展和相互交叉融合，产生了无线传感器网络（WSN，wireless sensor networks）。WSN技术与当今主流无线网络技术使用同一个标准802.15.14，它是指由大量的廉价微型传感节点组成，通过无线通信方式形成的一个自组织的网络系统。可应用于布线和电源供给困难的区域、人员不能到达的区域和一些临时场合等。不需要固定网络支持，具有快速展开、抗损坏性强等特点，可广泛应用于军事、工业、交通、环保等领域，引起人们广泛关注。无线传感器网络因其巨大的应用前景而受到学术界和工业界越来越广泛的重视。本文主要针对宽带通信网络中的定位技术进

2、行详细的介绍和总结，同时对宽带通信中的无线传感器网络的构成、结构以及研究热点和不足等概念进行针对性的详细介绍。在关键的定位技术1的总数中，在对定位技术的概括总结上重点论述该定位技术的性能指标要求以及定位技术的分类。关键词：无线传感器网络 定位技术 WSN 宽带通信网络一、 无线传感器网络1.1 无线传感器网络的概述科技发展的脚步越来越快，人类已经置身于信息时代。而作为信息获取最重要和最基本的技术传感器技术，也得到了极大的发展。传感器信息获取技术已经从过去的单一化渐渐向集成化、微型化和网络化方向发展，并将会带来一场信息革命。无线传感器网络是基于微电子技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、

3、分布式信息处理技术实现的。WSN典型工作如下：使用飞行器将大量节点抛撒到感兴趣的区域，节点通过自组织快速形成一个无线网络。节点既是信息的采集者和发出者，也充当着信息的路由着，采集的数据通过多跳路由到达网关。网关也是一类特殊的节点，可以通过lnternet、移动通信网络、卫星等与监控中心通信。1.2 无线传感器网络特点1传感器节点数目大，密度高，采用空间位置寻址。2传感器接点的能量、计算能力和存储能力有限（能量、计算存储低、关键在有效简单的路由协议）3无线传感网络的拓扑结构易变化，有自组织能力。（与传统的有不同的特点和技术要求：它根据需要可以在工作和休眠之间切换，因此网络的拓扑结构容易发生变化于

4、是运用了嵌入式系统。传统重在QOS和更大的宽带保证，并且是静止的。无线的要节省能量，连通性和延长运行寿命）4传感器节点具有数据融合能力（与Mesh网络区别，数据小，移动，重能源。 与无线Ad-hoc网络比数量多、密度大、易受损、拓扑结构频繁、广播式点对多通信、节点能量、计算能力受限。）1.3 无线传感器网络系统及协议系统结构1.3.1 无线传感器网络系统无线传感器网络体系结构1如图1所示,传感器网络通常包括传感器节点，汇聚节点和管理节点。传感器节点任意的分布在某一监测区域内，节点以自组织的形式构成网络，通过多跳中继方式将监测数据传送到汇聚节点，最后通过Internet或其他网络通讯方式将监测信

5、息传送到管理节点。同样的，用户可以通过管理节点进行命令的发布，告知传感器节点收集监测信息。 图1无线传感器网络体系结构1.3.2无线传感器通信协议系统结构WSN是一种分布式网络系统，采用多跳的通信方式，其网络拓扑结构动态变化，具有自组织、自控制以及自适应等智能属性，有传感器节点、感知对象和观察者三者基本组成。物理层技术：为数据流传输所需的物理连接的建立、维护和释放提供的机械的、电气的、功能和规程性的模块就叫做物理层。在物理层面上，无线传感器网络遵从的主要是IEEE 802.15.4标准（Zigbee）数据链路层（MAC层协议）：信号的传输要靠信道，因此信道也就成为了一种宝贵的资源。怎样合理有效

6、的分配信道，就是数据链路层中的MAC子层要解决的问题了。网络层（路由）：共有两个基本功能：确定最佳路径和通过网络传输信息。1泛洪式路由2SPIN（SPIN是一组基于协商并且具有能量自适应功能的协议）3LEACH（LEACH是一种分层网络协议，它以循环的方式随机选择簇首节点，将全网络的能量负载平均分配到每个传感器节点，从而达到降低网络能源消耗的目的。这里要解释一下簇，簇是分层路由协议的概念，根据分层路由协议，网络被划分成不同簇，每一个簇由一个簇首和簇成员组成，多个簇首形成高级的网络，簇首节点不仅负责其辖下簇内信息的收集和融合处理，还负责簇之间数据的转发）4PEGASIS（PEGASIS可谓LEA

7、CH的升级版本。）传输层与应用层：传输层提供无线传感器网络内部以数据为基础的寻址方式变换为外部网络的寻址方式，也就是完成数据格式的转换。应用层则是无线传感器网络也有一个属于自己的操作系统TinyOS。这个系统不同于传统意义上的操作系统，它更像一个编程构架，在此构架下，搭配一组必要的组件，就能方便地编译出面向特定应用的操作系统。1.4 无线传感器节点传感器网络系统通常包括传感器节点（sensor）、汇聚节点（sink node）和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域（sensor field）内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，在传

8、输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。传感器网络节点的组成（由图2所示）和功能包括如下四个基本单元：传感单元（由传感器和模数转换功能模块组成）、处理单元（由嵌入式系统构成，包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等）、通信单元（由无线通信模块组成）、以及电源部分。此外，可以选择的其它功能单元包括：定位系统、运动系统以及发电装置等。 图2 无线传感器节点构成框图1.5 无线传感器网络应用存在的问题及研究热点在无线传感器网络的设计应用过程中，有多种基础性技术是支撑传感器网络

9、完成任务的关键，这些关键技术解决是保证网络用户功能正常运行的前提。（1）网络协议：在无线传感器网络的网络协议研究中，MAC协议和路由协议是研究的重点。常用的MAC协议有：IEEE802.15.4、S-MAC、及T-MAC协议等；路由协议有：SPIN、DO、GEM、LEACH等协议。（2）时间同步：在WSN，传感器节点通常需要相互合作，完成复杂的检测和感知任务，这需要各节点保持时间上的一致性，方便处理与时间有关的操作；WSN的一些节能方案也通过时间同步来实现的。目前，在WSN中应用比较成熟的时间同步协议有RBS（参考广播同步）、Tiny/mini-Sync（微小/迷你同步）以及TPSN（Timi

10、ng-sync协议的传感器网络）等三种。（3）定位技术：在WSN中，传感器节点获得的检测数据一般是与位置相关联的，用户感兴趣的是收到的数据是从哪个位置送来的，在一些应用中，需要通过空间不同位置的传感器协调实现测量功能。因此，WSN中的定位技术包括节点自身定位和目标定位两种。定位技术可以利用现有的GPS等定位技术，也可以根据WSN自身特点采用一些适用有效的定位算法，目前主要有DV2hop算法、位置分发算法、DV2distance算法等。（4）数据融合：由于WSN的各种局限，在满足用户需求下，需求对监测数据进行融合处理，以节省通信带宽和能量，提高信息收集效率，从耗能角度看，各节点间的通信耗能远高于

11、计算处理耗能。目前数据融合的方法很多，常用的有综合平均法，卡尔曼滤波法、贝叶斯方法、神经网络法、统计决策理论、模糊逻辑法、产生式规则和D-S证据理论等。（5）能量管理：WSN的节点的电池充电和更换困难。因此，在设计时，要致力于高效实用节点的能量，所以能量管理也是WSN研究的重要课题。目前主要采用的能量管理策略有休眠机制、数据融合等，它们主要应用在计算机、存储单元及通信单元部分。休眠机制可以通过相应的硬件芯片、网络协议协调、动态电源管理及动态电压调度等多种措施实现。（6）安全管理：WSN中，安全管理主要体现在通信安全和信息安全两个方面。通信安全主要考虑节点的安全、被动抵御入侵、主动反击入侵，三方

12、面问题，信息安全主要考虑数据的机密性、数据鉴别、数据的完整性和实效性等方面。目前，WSN的安全研究内容主要包括：a）物理层的高效加密算法、扩频抗干扰等。b）数据链路层的安全MAC协议。c）网络层的安全路由协议。d）应用层的密钥管理和安全组播等，目前WSN中专用安全协议有：SNEP（网络安全加密）和uTESLA（微型定时有效流容忍丢失认证协议）。二、 无线传感器网络的定位技术2.1 无线传感器定位技术的概括无线传感器网络的定位机制作为无线传感器网络中的主要技术之一，在应用中具有非常重要的作用。无线传感器网络中的定位机制包括节点自身定位和外部目标定位两部分内容。常见的定位技术如GPS是目前应用最广

13、的、最成熟的定位系统，通过卫星的授时和测距来对用户节点进行定位，具有较高的定位精度，实时性较好，抗干扰能力强。但是，使用GPS技术定位只适合于视距通信的场合，如室外无遮挡的环境，用户节点通常能耗高、体积大且成本较高，还需固定的基础设施等。目前，无线传感器网络的定位很多，各种方法也不断涌现。一个定位系统的实现主要考虑两点：定位机制的物理特性和相应的算法。2.2 定位技术的性能要求定位精度：指定位系统提供的位置信息的精确程度。 如，在基于距离定位的算法中，可以用定位坐标与实际坐标的距离来对比；在非距离定位的算法中，可以用误差值和节点通信半径的比例来表示代价：主要包括时间代价、资金代价、硬件代价等。

14、规模：不同的定位算法使用的应用场合范围和规模也不同。大规模的定位算法可以在大范围的场合使用，如森林或城市：中等规模算法可在大型商场、小区和学校内进行定位应用；小规模的定位算法只能在一栋楼内或者一个房间内实现定位应用。锚节点密度：锚节点通常需要人工部署，这些节点常常会受到网络部署环境的制约，会严重影响无线传感器网络应用的可扩展性。所以锚节点的密度严重影响整个传感器网络的成本。因此，锚节点密度也是评价定位系统和算法性能的重要指标2之一。定位覆盖率：在定位系统中，能够实现定位的未知节点的数目占整个未知节点数目的比例。它和精度是一对矛盾（如图3所示）。 图3定位覆盖率与精度关系表容错性和自适应性：通常

15、，定位算法需要比较理想的无线通信环境和可靠的网络节点设备。但在实际的应用场合中常会有诸如以下的问题：外界环境中存在严重的多径传播、衰减、非视距、通信盲点等问题；网络节点由于周围环境或自身原因(如电池耗尽、物理损伤）而出现失效的问题；外界影响和节点硬件精度限制造成节点间测量误差增大的问题。因此，定位算法必须具有很强的容错性和自适应性，能够通过自动调整或重构纠正错误3、适应环境、减小各种误差的影响，以提高定位精度。鲁棒性：在理想的实验室环境内，大部分定位算法误差性比较小。但是在实际应用场合，有许多干扰因素影响测量结果。比如，障碍物引起的非视距(NLOS)，大气中存在严重的多径传播，部分传感器节点电

16、能耗尽，节点间通信阻塞等问题容易造成定位误差突发性增大，甚至造成整个定位系统的瘫痪。因此，传感器网络定位算法必须具有很强的鲁棒性，减小各种误差的影响，以提高定位精度和可靠性4。2.3 WSN定位技术的分类目前无线传感器网络的节点定位技术5主要分为：1与距离相关。2集中式与分布式。3相对定位与绝对定位。4紧耦合与松耦合式。其中最常见的分类方法是与距离相关。其分为基于测距的定位技术和无需测距的定位技术。1.基于测距（Range-based）的定位技术，基本思想是先测量锚节点和未知节点之间的距离，然后再利用几何关系来估算未知节点的坐标位置。共有三个阶段：测距阶段6：未知节点首先测量到邻居节点的距离或

17、角度，然后进一步计算到邻近信标节点的距离或方位7；定位阶段：未知节点在计算出到达三个或三个以上信标节点的距离或角度后，利用三边测量法、三角测量法或极大似然估计法89计算未知节点的坐标；正阶段：对求得的节点的坐标进行求精，提高定位精度，减少误差。而常见的基于测距的定位技术可以分为以下三类：基于接收信号强度指示（RSSI）的定位算法、基于信号传播时间/时间差（TOA/TDOA）的定位算法以及基于到达角（AOA）的定位算法。2.基于无需测距的定位技术10-14：该技术不用对距离进行测量，而是利用网络连通度、网络拓扑结构等信息对节点坐标进行估计，其多为理论上的研究，定位精度较低且与网络的连通度和节点的

18、密度相关。其使用范围有一定的局限性。三、 WSN定位技术的应用1.定向信息查询：如果监测需要，可以对某一个监测区内的监测对象进行定位， 需要管理节点发送任务给这个区域内的传感器节点。2.协助路由：通过节点的位置信息路由算法可以进行路由的选择。3.目标跟踪：对目标的行动路线进行实时监测，并且预测目标的前进轨迹。4. 网络管理：使用定位技术可以实现网络管理，利用这些节点传送过来的节点位置信息来构成网络的拓扑结构，可以对整个网络的覆盖情况实时观察，并且也可以对节点分布情况进行管理。四、 WSN的前景和展望近几十年来，随着传感器、计算机等一系列周边技术的迅猛发展，WSN也随之兴起。并且WSN技术渗透了

19、各个领域，工业、军事、民用都被广泛的应用。不过，目前大部分已部署的WSN，都仅限于采集温度、湿度、位置、光强、压力、生化等标量数据，而在医疗监护、交通监控、智能家居等实际应用中，我们需要获取视频、音频、图像等多媒体信息，这就迫切需要一种新的无线传感器网络无线多媒体传感器网络。并且在其他领域结合一些新型的传感器技术依旧是我们研究的方向之一。比如在传感器网络中的定位技术中，基于UWB和CSS的定位技术仍有许多待人开发和进步的技术点，是具有很多优点的定位技术。同时基于该两种算法的定位技术也有许多不足和缺点。1.随着通信技术，特别是物理层的发展，UWB（Ultra Wide Band，超宽带）可能成为

20、下一个广泛使用的技术。UWB具有一系列优良独特的技术特性，是一种极具竞争力的短距无线传输技术。UWB不采用正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。UWB适用于高速、近距离的无线个人通信。按照FCC的规定，从3.1GHz到10.6GHz之间的7.5GHz的带宽频率为UWB所使用的频率范围。2.UWB解决了困扰传统无线技术多年的有关传播方面的重大难题，具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、被截获的可能性低、系统复杂度低、厘米级的定位精度等优点。3.虽然UWB有厘米级的定位精度，但是UWB的通信范围仅有几米，对于很多定位和跟踪应用，几米的范围显然太小了。4.

21、 CSS提供中等带宽（1to2 Mbps）、低功耗，高距离。当chirp pulse的持续时间固定为1s，数据率达到2Mbps。5.CSS还考虑到定位需求，提供SDS-TWR （Symmetrical Double-Sided Two Way Ranging）测距服务，以TOA的方式测距、定位，用于确定使用CSS调制方式通信的两个无线设备直接距离的方法，使用了相当复杂的算法。6. CSS的最大通信范围是室内环境60米的、户外环境900米。这是一个相当大的覆盖范围，提供几十厘米的精度。就目前技术而言，这种定位技术方案相对于基于Wi-Fi和超声波技术的定位系统有一定应用范围内的优势。五、 总结综述

22、本篇综述论文首先概述了传感器网络的总体框架，并且简单介绍了传感器网络的特点以及应用优势。同时着重介绍了传感器网络的协议系统结构，节点分布的结构组成。最后总结了传感器网络现今存在的一些不足缺陷和一些热门领域的发展现状。本文主要是对传感器网络中的定位技术做了理论方面的综述研究。从定位技术的概述入手，了解传感器网络的定位技术的大概框架。然后列举了一些评定定位技术的指标要求，这是检验定位技术性能的关键参数。接着介绍了定位技术的分类算法以及应用。最后提出了一些关于传感器网络定位技术领域的展望和建议。参考文献1马玉秋. 基于无线传感器网络的定位技术研究及实现D.北京:北京邮电大学, 2006: 23-24

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24、 B,LIU M,SHEN W M,et al.Localization in cooperative wireless sensor networks:A reviewC.Pro-ceedings of the 2009 13thInternationalConference on Computer Supported Cooperative Work in Design, 2009: 438-443.6SAHINOGLU Z,GEZICI S. Ranging in the IEEE 802.15.4a standardC.Wireless and Microwave Tech-nology Conference, 2006: 1-5.7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, 135-140.8许磊,石为人.一种无线传感器网络分步求精节点定位算法J.仪器仪表学报,2008,29(2): 314-319.9GOLDONI E,SAVIOLI A,RISI M,et al.Experimental analysis of RSSI-ba