無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一種全新的信息獲取和處理技術(shù)。從無線傳感器的概念出發(fā)，概括介紹了其發(fā)展歷程及節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。介紹了目前該技術(shù)的研究重點(diǎn)及各領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，并對每一方向的發(fā)展給出了展望。網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)的發(fā)展離不開仿真工具的模擬試驗(yàn)，本文又對目前應(yīng)用在無線傳感器領(lǐng)域的仿真工具發(fā)展?fàn)顩r給予了概要說明。最后，結(jié)合目前該技術(shù)的發(fā)展，給出了應(yīng)用空間。關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)仿真工具     更小更廉價(jià)的低功耗計(jì)算設(shè)備代表的“后PC時(shí)代”沖破了傳統(tǒng)臺(tái)式計(jì)算機(jī)和高性能服務(wù)器的設(shè)計(jì)模式；普遍的網(wǎng)絡(luò)化帶來的計(jì)算處理能力是難以估量的；微機(jī)電系統(tǒng)(micro

2、-electro-mechanism system，簡稱MEMS)的迅速發(fā)展奠定了設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)片上系統(tǒng)(system on chip，簡稱SOC)的基礎(chǔ)。以上三方面的高度集成又孕育出了許多新的信息獲取和處理模式，在種情況下，一種新型的無線通信技術(shù)無線傳感器應(yīng)運(yùn)而生。1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)11 基本概念    無線傳感網(wǎng)絡(luò)(WSN，wireless sensor networks)是當(dāng)前在際上備受關(guān)注的、涉及多學(xué)科高度交叉、知識(shí)高度集成的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域。它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作地

3、實(shí)時(shí)監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，這些信息通過無線方式被發(fā)送，并以自組多跳的網(wǎng)絡(luò)方式傳送到用戶終端，從而實(shí)現(xiàn)物理世界、計(jì)算世界以及類社會(huì)三元世界的連通。    WSN以最少的成本和最大的靈活性，連接任何有通信需求的終端設(shè)備，采集數(shù)據(jù)，發(fā)送指令。若把WSN各個(gè)傳感器或執(zhí)行單元設(shè)備視為“豆子”，將一把“豆子”(可能100粒，甚至上千粒)任意拋撒開，經(jīng)過有限的“種植時(shí)間”，就可從某一粒“豆子”那里得到其他任何“豆子”的信息。作為無線自組雙向通信網(wǎng)絡(luò)，傳感網(wǎng)絡(luò)能以最大的靈活性自動(dòng)完成不規(guī)則分布的各種傳感器與控制節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)，同時(shí)具有一定的移動(dòng)能力和動(dòng)態(tài)調(diào)整能力。

4、12 WSN的發(fā)展歷程    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新興的下一代傳感器網(wǎng)絡(luò)。最早的代表性論述出現(xiàn)在1999年，題為“傳感器走向無線時(shí)代”。隨后在美國的移動(dòng)計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)國際會(huì)議上，提出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是下一個(gè)世紀(jì)面臨的發(fā)展機(jī)遇。2003年，美國技術(shù)評(píng)論雜志論述未來新興十大技術(shù)時(shí)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被列為第一項(xiàng)未來新興技術(shù)。同年，美國商業(yè)周刊未來技術(shù)專版，論述四大新技術(shù)時(shí)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也列人其中。美國今日防務(wù)雜志更認(rèn)為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和發(fā)展，將引起一場劃時(shí)代的軍事技術(shù)革命和未來戰(zhàn)爭的變革。2004年(IEEE Spectrum)雜志發(fā)表一期專集：傳感器的國度，論述無線傳感器

5、網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和可能的廣泛應(yīng)用。可以預(yù)計(jì)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，將對人們的社會(huì)生活和產(chǎn)業(yè)變革帶來極大的影響和產(chǎn)生巨大的推動(dòng)。    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是從傳感器網(wǎng)絡(luò)開始的，傳感器網(wǎng)絡(luò)經(jīng)歷了如圖1所示的發(fā)展歷程。    第一代傳感器網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代。使用具有簡單信息信號(hào)獲取能力的傳統(tǒng)傳感器，采用點(diǎn)對點(diǎn)傳輸、連接傳感控制器構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)；第二代傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有獲取多種信息信號(hào)的綜合能力，采用串，并接口(如Rs-232、RS-485)與傳感控制器相聯(lián)，構(gòu)成有綜合多種信息的傳感器網(wǎng)絡(luò)；第三代傳感器網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代后期和本

6、世紀(jì)初，用具有智能獲取多種信息信號(hào)的傳感器，采用現(xiàn)場總線連接傳感控制器，構(gòu)成局域網(wǎng)絡(luò)，成為智能化傳感器網(wǎng)絡(luò)；第四代傳感器網(wǎng)絡(luò)正在研究開發(fā)，目前成形并大量投入使用的產(chǎn)品還沒有出現(xiàn)用大量的具有多功能多信息信號(hào)獲取能力的傳感器，采用自組織無線接入網(wǎng)絡(luò)，與傳感器網(wǎng)絡(luò)控制器連接，構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。本文所介紹的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是指第四代傳感器網(wǎng)絡(luò)。2 WSN的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)21 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)    如圖2，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的基本組成包括如下4個(gè)基本單元：傳感單元(由傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換功能模塊組成)、處理單元(包括CPU、存儲(chǔ)器、嵌入式操作系統(tǒng)等)、通信單

7、元(由無線通信模塊組成)以及電源。此外，可以選擇的其他功能單元包括：定位系統(tǒng)、移動(dòng)系統(tǒng)以及電源自供電系統(tǒng)等。22 傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)    在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)可以通過飛機(jī)布撒或人工布置等方式，大量部署在被感知對象內(nèi)部或者附近，這些節(jié)點(diǎn)通過自組織方式構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)作的方式實(shí)時(shí)感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中的信息，并通過多跳網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)經(jīng)由Sink節(jié)點(diǎn)(接收發(fā)送器)鏈路將整個(gè)區(qū)域內(nèi)的信息傳送到遠(yuǎn)程控制管理中心反之，遠(yuǎn)程管理中心也可以對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和操縱。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)主要包括以下幾部分：    網(wǎng)絡(luò)用戶(任務(wù)管理節(jié)點(diǎn))。它負(fù)責(zé)從網(wǎng)絡(luò)中獲

8、取所需要的信息，同時(shí)也可以對網(wǎng)絡(luò)做出各種各樣的指示、操作等；    傳輸介質(zhì)(Internet網(wǎng)或通訊衛(wèi)星)。它是用戶與傳感網(wǎng)絡(luò)之間的橋梁和紐帶。    Sink節(jié)點(diǎn)(接收發(fā)送器)。它擁有足夠的能量，可以將從傳感器網(wǎng)絡(luò)中的能量有限的節(jié)點(diǎn)上傳來的信息轉(zhuǎn)發(fā)到傳輸介質(zhì)上。    傳感網(wǎng)絡(luò)。這是傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心。在感知區(qū)域中，大量的節(jié)點(diǎn)自組成網(wǎng)，監(jiān)測、感知信息向Sink節(jié)點(diǎn)發(fā)送，或接收來自Sink節(jié)點(diǎn)的操作命令，改變自身的工作狀態(tài)。23 傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)    網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是網(wǎng)絡(luò)

9、的協(xié)議分層以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的集合，是對網(wǎng)絡(luò)及其部件所應(yīng)完成功能的定義和描述，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，其網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)由分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、傳感器網(wǎng)絡(luò)管理以及應(yīng)用支撐技術(shù)三部分組成。分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議結(jié)構(gòu)類似于TCPIP協(xié)議體系結(jié)構(gòu)；傳感器網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)主要是對傳感器節(jié)點(diǎn)自身的管理以及用戶對傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理；在分層協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)的基礎(chǔ)上，支持了傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用支撐技術(shù)。結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。在第三部分，我們將基于此結(jié)構(gòu)介紹目前的研究重點(diǎn)和研究現(xiàn)狀。3 目前研究重點(diǎn)及研究現(xiàn)狀    在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的這三大部分中，目前的發(fā)展

10、主要集中在幾個(gè)方面，在協(xié)議通信層主要研究重點(diǎn)是數(shù)據(jù)鏈路層MAC協(xié)議及網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議的研究；在網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)層，主要研究方向是收集數(shù)據(jù)的管理、節(jié)能問題的解決以及網(wǎng)絡(luò)通信安全的實(shí)現(xiàn)；在網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)層，主要研究點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)定位問題的解決、時(shí)間同步技術(shù)的實(shí)現(xiàn)以及用戶應(yīng)用接口的實(shí)現(xiàn)這其中，協(xié)議的研究與節(jié)能的實(shí)現(xiàn)又是相輔相成的。31 協(xié)議通信層的研究311 MAC協(xié)議的研究    傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的核心問題之一是功耗管理。通過對現(xiàn)有系統(tǒng)的分析可知，射頻模塊是節(jié)點(diǎn)中最大的耗能部件，是優(yōu)化的主要目標(biāo)。MAC協(xié)議直接控制射頻模塊對節(jié)點(diǎn)功耗有重要影響。    傳

11、感器節(jié)點(diǎn)無效功耗主要有以下四個(gè)來源?？臻e偵聽：節(jié)點(diǎn)不知道鄰居節(jié)點(diǎn)何時(shí)向自己發(fā)送數(shù)據(jù)，射頻模塊必須一直處于接收狀態(tài)，消耗大量的能源。這是無效功耗的最主要來源；沖突：同時(shí)向同一節(jié)點(diǎn)發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)幀，信號(hào)相互干擾，接收方無法準(zhǔn)確接收，重發(fā)造成能量浪費(fèi)；串?dāng)_(overhearing)：接收和處理發(fā)往其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)屬于無效功耗；控制開銷：控制報(bào)文不傳送有效數(shù)據(jù)，消耗的能量對用戶來說是無效的。    由于上述原因，傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議一般采用了“偵聽休眠”交替的信道偵聽機(jī)制，節(jié)點(diǎn)空閑時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為休眠狀態(tài)，以減少空閑偵聽。我們可以根據(jù)協(xié)議中為減少數(shù)據(jù)碰撞和串音現(xiàn)象而采用的不同方法

12、，將MAC協(xié)議分為三類：(1)利用時(shí)分復(fù)用(TDMA)的方式為各節(jié)點(diǎn)分配獨(dú)立固定的信道；(2)通過頻分復(fù)甩(FDMA)或者碼分復(fù)用(CDMA)的方式，實(shí)現(xiàn)無沖突的強(qiáng)制信道分配；(3)通過競爭機(jī)制，保證節(jié)點(diǎn)隨機(jī)使用信道并且不受其他節(jié)點(diǎn)的干擾。    下面介紹幾個(gè)比較有代表性的協(xié)議。S-MAC和T-MAC協(xié)議在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)采用帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問避免沖突。WiseMAC和B-MAC協(xié)議在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)采用載波偵聽多路訪問(CSMA)。WiseMAC通過增加載波偵聽的范圍來解決隱藏節(jié)點(diǎn)問題，代價(jià)是增加了功耗；在B-MAC中，RTS/CTS握手可由高層通過MAC協(xié)議提供

13、的控制接口實(shí)現(xiàn)。BMA協(xié)議借鑒了LEACH的分簇思想。D-MAC在分析自適應(yīng)工作休眠調(diào)度的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中斷問題，提出了一個(gè)新穎的解決方案。IEEE802154是美國電氣電子工程師學(xué)會(huì)(IEEE)制定的標(biāo)準(zhǔn)，傳感器網(wǎng)絡(luò)是它的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一，目前市場上已經(jīng)可以購買到符合該標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品化射頻芯片。3.1.2 路由協(xié)議    路由協(xié)議的任務(wù)是在傳感器節(jié)點(diǎn)和Sink節(jié)點(diǎn)之間建立路由，可靠地傳遞數(shù)據(jù)。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)資源嚴(yán)重受限，因此路由協(xié)議要遵循的設(shè)計(jì)原則包括不能執(zhí)行太復(fù)雜的計(jì)算、不能在節(jié)點(diǎn)保存太多的狀態(tài)信息、節(jié)點(diǎn)間不能交換太多的路由信息等。為了有效地完成上述任務(wù)，

14、已經(jīng)提出了很多種路由協(xié)議，它們大都利用了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的以下特點(diǎn)：傳感器節(jié)點(diǎn)按照數(shù)據(jù)屬性尋址，而不是IP尋址；傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)往往被發(fā)送到Sink節(jié)點(diǎn)；原始監(jiān)測數(shù)據(jù)中有大量冗余信息，路由協(xié)議可以合并數(shù)據(jù)、減少冗余性，從而降低帶寬消耗和發(fā)射功耗；傳感器節(jié)點(diǎn)的計(jì)算速度、存儲(chǔ)空間、發(fā)射功率、電源能量有限，需要節(jié)約這些資源。傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議可以歸納為以下幾個(gè)類別：    (1)以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議。    (2)基于簇(cluster)的路由協(xié)議。    (3)基于位置的路由協(xié)議。  

15、;  (4)基于數(shù)據(jù)流模型和服務(wù)質(zhì)量要求的路由協(xié)議。    除了前面幾類經(jīng)典的路由協(xié)議設(shè)計(jì)方法，近年又出現(xiàn)了很多針對傳感器網(wǎng)絡(luò)的新賂由協(xié)議和設(shè)計(jì)方法，路由協(xié)議研究正逐漸深入和務(wù)實(shí)。例如，利用圖論中流量優(yōu)化的方法來為采樣數(shù)據(jù)報(bào)選擇路由；將MAC層和路由層協(xié)議捆綁設(shè)計(jì)，用跨層優(yōu)化技術(shù)來進(jìn)一步節(jié)省功耗；路由能對隨機(jī)部署的傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，并讓冗余?jié)點(diǎn)經(jīng)常處于睡眠狀態(tài)。3.2 網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)層研究321 數(shù)據(jù)處理問題的解決    哈工大的李建中老師在這方面有一定的研究：    基于傳感器網(wǎng)

16、絡(luò)的任何應(yīng)用系統(tǒng)都離不開感知數(shù)據(jù)的管理和處理技術(shù)。不言而喻，感知網(wǎng)數(shù)據(jù)管理和處理技術(shù)是確定感知網(wǎng)可用性和有效性的關(guān)鍵技術(shù)。對于觀察者來說，傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心是感知數(shù)據(jù)，而不是網(wǎng)絡(luò)硬件。觀察者感興趣的是傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，而不是傳感器本身。觀察者不會(huì)提出這樣的查詢：“從A節(jié)點(diǎn)到B節(jié)點(diǎn)的連接是如何實(shí)現(xiàn)的?”，他們經(jīng)常會(huì)提出如下的查詢：“網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中哪些地區(qū)出現(xiàn)毒氣?”。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)不需要地址之類的標(biāo)識(shí)。觀察者不會(huì)提出查詢：“地址為27的傳感器的溫度是多少?”，他們感興趣的查詢是，“某個(gè)地理位置的溫度是多少?”。綜上所述，傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。  

17、60; 顯然，感知數(shù)據(jù)管理和處理技術(shù)的研究是一項(xiàng)實(shí)現(xiàn)高效率傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要和關(guān)鍵的任務(wù)。遺憾的是，到目前為止感知數(shù)據(jù)管理和處理技術(shù)的研究還不多，還有大量的問題需要解決。感知數(shù)據(jù)管理與處理技術(shù)的研究是數(shù)據(jù)庫界面臨的新任務(wù)和新挑戰(zhàn)，也為數(shù)據(jù)庫界提供了新機(jī)遇。    文獻(xiàn)提出了基于數(shù)據(jù)變化趨勢模型進(jìn)行數(shù)據(jù)Cache管理的方法。系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)各種數(shù)的歷史數(shù)據(jù)不斷地調(diào)整各種參數(shù)的趨勢函數(shù)，同時(shí)建立多級(jí)的Cache體系，從而大大減少系統(tǒng)的通信負(fù)載，提高了數(shù)據(jù)的可獲得性，延了Sensor Net的生存時(shí)間。在Cache管理方面已經(jīng)有過很多的研究成果，這些方法都是對于查詢結(jié)果的緩存

18、，只是組織的形式有所不同。我們提出的Cache模型是基于數(shù)據(jù)變化趨勢的，不僅包含了先前的查詢結(jié)果，而且新的查詢也可以通過緩存的趨勢函數(shù)而獲得滿足，而且使用趨勢函數(shù)作為緩存的組織形式，大大減少了所需的存儲(chǔ)空間。322 節(jié)能問題的實(shí)現(xiàn)    能量是節(jié)點(diǎn)工作的基礎(chǔ)，節(jié)能問題，幾乎貫穿無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的各個(gè)方面。協(xié)議的建立需要考慮節(jié)能問題，以上面的MAC協(xié)議的研究和路由協(xié)議的實(shí)現(xiàn)都可以看出；網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)處理需要考慮節(jié)能問題，沒有能量，數(shù)據(jù)無法處理；節(jié)點(diǎn)定位、時(shí)間同步都需要考慮節(jié)能問題，節(jié)能問題的解決，跟隨在每個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)上。    當(dāng)然，純

19、粹的節(jié)能方式也有很多，比如讓節(jié)點(diǎn)定期“休眠”等。但是，大部分的節(jié)能還是包含在了具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)當(dāng)中，如文獻(xiàn)采用了一種帶有能量控制的有效路由方式，通過調(diào)整每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸范圍進(jìn)而調(diào)整消耗的能量，以節(jié)省資源，從而延長網(wǎng)絡(luò)壽命。323 網(wǎng)絡(luò)安全問題    傳感器網(wǎng)絡(luò)多用于軍事、商業(yè)領(lǐng)域，安全性是其重要的研究內(nèi)容。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)性以及信道的不穩(wěn)定性，使傳統(tǒng)的安全機(jī)制無法適用。因此需要設(shè)計(jì)新型的網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制。可借鑒擴(kuò)頻通信、接入認(rèn)證鑒權(quán)、數(shù)據(jù)水印、數(shù)據(jù)加密等技術(shù)。目前，保證網(wǎng)絡(luò)安全性的方法也不少。    一

20、種是借助特殊的無線傳感器終端。例如文獻(xiàn)中，采用PTD(Personal Trust Device)做為傳感器網(wǎng)絡(luò)的終端，在網(wǎng)絡(luò)中設(shè)立認(rèn)證服務(wù)器來提供傳感器需要的服務(wù)，而在PTD和服務(wù)器之間建立認(rèn)證和加密體系，只有在服務(wù)器注冊過的PTD終端才能獲得服務(wù)，未注冊的則不能，從而保證系統(tǒng)安全。通常，這種系統(tǒng)用在家庭環(huán)境中。    一種是采用安全罩(Secure Overlay)。例如文獻(xiàn)中，采用一種稱為SCANv2(Secure Content Addressable Network Version 2)安全內(nèi)容網(wǎng)絡(luò)尋址的安全罩，來實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全。SCANv2其

21、實(shí)是在蓋在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)層上的一個(gè)虛擬結(jié)構(gòu)，通過采用Hash函數(shù)，把實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)映射到這個(gè)罩空間上，某一區(qū)域或某種功能的節(jié)點(diǎn)在罩空間的某一個(gè)共同的特定位置。用戶在從網(wǎng)絡(luò)中獲取服務(wù)時(shí)，需要通過相應(yīng)的安全認(rèn)證進(jìn)入罩空間，再進(jìn)一步通過加密解密過程從這個(gè)映射空間進(jìn)入實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中獲得所需服務(wù)。    此外，網(wǎng)絡(luò)安全中的加密后密銅管理也是個(gè)問題。復(fù)雜的非對稱加密方式不適合完全應(yīng)用于能量有限的傳感器網(wǎng)絡(luò)，而相對簡單的對稱加密方式又使得網(wǎng)絡(luò)容易受到攻擊。在文獻(xiàn)中，提到了一種新的加密方式，綜合采用了對稱和非對稱的兩種加密方式中的某些特點(diǎn)。在假定基站能量不受限制及節(jié)點(diǎn)不移動(dòng)的前提下，基站

22、首先發(fā)出特定信息，建立網(wǎng)絡(luò)的分層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。外圍分布的節(jié)點(diǎn)又有子節(jié)點(diǎn)和父節(jié)點(diǎn)之分，父節(jié)點(diǎn)保有子節(jié)點(diǎn)的密鑰，確保子節(jié)點(diǎn)發(fā)送上來的信息是有效地子節(jié)點(diǎn)發(fā)送上來的；同時(shí)，子節(jié)點(diǎn)又保有父節(jié)點(diǎn)的密鑰，以便對發(fā)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤。基站擁有所有密鑰且擁有唯一的初始入網(wǎng)認(rèn)證密鑰。33 網(wǎng)絡(luò)支撐層的研究3 31 節(jié)點(diǎn)定位問題    與一般的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相比，WSN在計(jì)算機(jī)軟硬件所組成計(jì)算世界與實(shí)際物理世界之間建立了更為緊密的聯(lián)系，只有結(jié)合位置信息，傳感器獲取的數(shù)據(jù)才有實(shí)際意義。許多WSN的研究成果都表明了節(jié)點(diǎn)位置信息的重要性，如在網(wǎng)絡(luò)層，因?yàn)閃SN節(jié)點(diǎn)無全局標(biāo)識(shí)，可以設(shè)計(jì)基于節(jié)點(diǎn)位置信息的

23、路由算法；在應(yīng)用層，根據(jù)節(jié)點(diǎn)位置，WSN系統(tǒng)可以智能地選擇一些特定的節(jié)點(diǎn)來完成任務(wù)，從而大大降低整個(gè)系統(tǒng)的能耗，提高系統(tǒng)的存活時(shí)間。許多對目標(biāo)追蹤問題的研究更是將節(jié)點(diǎn)位置已知作為一個(gè)前提條件。    節(jié)點(diǎn)定位是WSN系統(tǒng)布設(shè)完成后面臨的首要問題，它可表述為：依靠有限的位置已知節(jié)點(diǎn)，確定布設(shè)區(qū)中其它節(jié)點(diǎn)的位置，傳感器節(jié)點(diǎn)間建立起一定的空間關(guān)系。當(dāng)前對節(jié)點(diǎn)定位問題的研究一般都基于以下前提：(1)有一定比例的節(jié)點(diǎn)位置已知或具有GPS定位功能，這些節(jié)點(diǎn)的位置可作為定位參考點(diǎn)；(2)節(jié)點(diǎn)可能具有測量與鄰節(jié)點(diǎn)距離的能力；(3)節(jié)點(diǎn)不具有自主移動(dòng)能力。全球定位系統(tǒng)(GPS)已經(jīng)

24、在許多領(lǐng)域得到了應(yīng)用，但由于價(jià)格高及有特殊環(huán)境要求等因素，不能為每個(gè)節(jié)點(diǎn)配備GPS接收裝置。    目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身定位系統(tǒng)和算法的分類如下：    (1)物理定位與符號(hào)定位。    (2)絕對定位與相對定位。    (3)緊密耦合與松散耦合。    (4)集中式計(jì)算與分布式計(jì)算。    (5)基于測距技術(shù)的定位和無須測距技術(shù)的定位。    (6)粗粒度與細(xì)粒度。 

25、60;  (7)三角測量、場景分析和接近度定位。332 時(shí)間同步    傳統(tǒng)的分布式系統(tǒng)時(shí)間同步算法一般采用集中發(fā)布方式，即系統(tǒng)內(nèi)的時(shí)間服務(wù)器通過單播或廣播方式周期性地向客戶節(jié)點(diǎn)發(fā)布時(shí)間。如：NTP。這種中心發(fā)布方式不適合在具有能量受限、節(jié)點(diǎn)易損壞和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化等特點(diǎn)的WSN中使用。    目前對WSN時(shí)間同步的研究主要集中在兩個(gè)方面：一是盡量減少同步算法對時(shí)間服務(wù)器及信道質(zhì)量的依賴，縮短可能引起同步誤差的“關(guān)鍵路徑”；二是從能耗的角度，研究節(jié)能、高教的同步算法。    Eison等人分

26、析了WSN的工作模式，認(rèn)為傳感器節(jié)點(diǎn)在大部分時(shí)間內(nèi)處于自主工作狀態(tài)，只有在被監(jiān)測事件發(fā)生后才需要協(xié)同通信?；谶@種工作模式，Elson提出了一種“事后同步”方法(post-factosynchronization)，即在被監(jiān)測事件發(fā)生之前，不對各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步。只有當(dāng)被監(jiān)測事件發(fā)生后，參與協(xié)同工作的節(jié)點(diǎn)間才開始同步，共同推斷事件發(fā)生時(shí)間。仿真表明，該方法有較好的節(jié)能特性，但實(shí)時(shí)性較差。Hill等人分析了同步過程中由節(jié)點(diǎn)本地硬件處理引起的同步誤差，提出了從硬件設(shè)計(jì)的角度提高時(shí)間同步精度的方法。為了準(zhǔn)確記錄物理層數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)間，文中設(shè)計(jì)了專用硬件“同步加速器”，消除了由于對同步報(bào)文的本地處理所引發(fā)的

27、不確定性，提高了時(shí)間同步的精度。綜合WSN現(xiàn)有的時(shí)間同步方法在同步精度、同步有效時(shí)間、同步有效范圍、能量消耗等方面的特點(diǎn)，Elson提出了針對WSN時(shí)間同步方法設(shè)計(jì)的五點(diǎn)建議：    ·結(jié)合使用多種、可調(diào)的同步方式    ·盡量不維護(hù)全局時(shí)間信息    ·使用事后同步節(jié)能方式    ·能夠動(dòng)態(tài)適應(yīng)不同的應(yīng)用需求    ·充分利用底層通信服務(wù)。4 WSN的仿真平臺(tái)   

28、 對于一般的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，通常是采用模擬仿真和實(shí)際的物理測量結(jié)合來衡量一個(gè)新的協(xié)議和方法的適用性。但是對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，由于其自身的特點(diǎn)，物理測量在很多環(huán)境下是行不通的，此時(shí)計(jì)算機(jī)的模擬仿真就變成傳感器網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)價(jià)的重要手段。高效準(zhǔn)確的仿真工具對推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展作用很大。例如，NS-2網(wǎng)絡(luò)仿真工具采用了一系列面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，通過大量的仿真模塊，提供了對廣泛使用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的仿真分析，并取得了非常直觀的系統(tǒng)性能分析，類似的還有0PNET以及專門用于移動(dòng)通信仿真的GlomoSim等。    盡管目前存在各種成熟的網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)，如NS-2，OMNdT+，OPNET，

29、GloMoSim和QuMNet。但是由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的極其特殊性，這些仿真平臺(tái)都具有某些使用的局限性，因此許多學(xué)者都投入大量精力專門研究適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的仿真工具，比較有代表性的成果有以下幾項(xiàng)。    (1)SENSE項(xiàng)目    SENSE是為了解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)仿真工具在無線傳感器周絡(luò)領(lǐng)域使用的缺陷而開發(fā)的一款仿真程序。SENSE是針對NS-2作出必要修改后得來的。SENSE使用了面向模塊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，模塊間利用了可重用性原理，只要模塊間的接口符合要求，模塊既可以重用也可以進(jìn)行替換。    (2)TOSSIM

30、項(xiàng)目    TOSSIM是建立在TinyOS系統(tǒng)上的一種仿真工具，其特點(diǎn)是建立了TinyOS的底層部分硬件的軟件抽象，并增加了仿真必須的事件模型和外部通信機(jī)制。    (3)SensorSim項(xiàng)目    SensorSim是以NS-2仿真工具為基礎(chǔ)發(fā)展起來的，其思路是在NS-2上建立適應(yīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的模型庫。SensorSim目前主要完成了電源和射頻接收電路模型，其他方面的模型正在完善之中。SensorSim項(xiàng)目的努力方向是模擬電池的間斷特性來進(jìn)一步細(xì)化電池的使用模型另外還要繼續(xù)完成模型庫的建設(shè)包括各種傳感器硬件特性的軟件模擬工作。    (4)EYES項(xiàng)目    Stefan Dulman，Paul Havivga等在OMNeT+仿真平臺(tái)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)的開發(fā)工作，并實(shí)現(xiàn)了一些已有協(xié)議的驗(yàn)證工作。該項(xiàng)目是歐洲EYES proiect中的重要內(nèi)容。5 WSN的應(yīng)用    對網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的深入研究，得到更先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和路由