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  • 作者：上海豫淞電子科技有限公司 2019-11-23 09:52 700
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    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵性問題


    1、 網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議問題


    傳感器網(wǎng)絡(luò)受到的安全威脅和移動ad hoc網(wǎng)絡(luò)所受到的安全威脅不同，所以現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制不適合此領(lǐng)域，需要開發(fā)針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的專門協(xié)議。


    一種思想是從維護(hù)路由安全的角度出發(fā)，尋找盡可能安全的路由以保證網(wǎng)絡(luò)的安全。文獻(xiàn)[1]指出，如果路由協(xié)議被破壞導(dǎo)致傳送的消息被篡改，那么對于應(yīng)用層上的數(shù)據(jù)包來說沒有任何的安全性可言。文中介紹了一種方法叫“有安全意識的路由”（SAR），其思想是找出真實值和節(jié)點之間的關(guān)系，然后利用這些真實值去生成安全的路由。該方法解決了兩個問題，即如何保證數(shù)據(jù)在安全路徑中傳送和路由協(xié)議中的信息安全性。文中假設(shè)兩個軍官利用按需距離矢量路由(Ad Hoc On Demand Distance Vector Routing，AODV)協(xié)議通過ad hoc網(wǎng)絡(luò)來通信，他們的通信基于Bell-La安全模型（PadulaBell-La Padula Confidentiality Model） [2]，這種模型中，當(dāng)節(jié)點的安全等級達(dá)不到要求時，其就會自動的從路由選擇中退出以保證整個網(wǎng)絡(luò)的路由安全。文獻(xiàn)[3]指出，可以通過多徑路由算法改善系統(tǒng)的穩(wěn)健性（robustness），數(shù)據(jù)包通過路由選擇算法在多徑路徑中向前傳送，在接收端內(nèi)通過前向糾錯技術(shù)得到重建。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器的數(shù)量眾多并且功能有限，移動ad hoc網(wǎng)絡(luò)中的路由方案不能直接應(yīng)用到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，所以該文給出了一種網(wǎng)狀多徑路由協(xié)議。此協(xié)議中應(yīng)用了選擇性向前傳送數(shù)據(jù)包和端到端的前向糾錯解碼技術(shù)，配合適合傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)狀多徑搜索機(jī)制，能減少信號開支（signaling overhead），簡化節(jié)點數(shù)據(jù)庫，增大系統(tǒng)的吞吐量，相對數(shù)據(jù)包復(fù)制或者有限泛洪法來說，這種方法消耗更少的系統(tǒng)資源(比如信道帶寬和電能)。


    另一種思想是把著重點放在安全協(xié)議方面，在此領(lǐng)域也出現(xiàn)了大量的研究成果。在文獻(xiàn)[4]中，作者假定傳感器網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)是為高級政要人員提供安全保護(hù)的，提供一個安全解決方案將為解決這類安全問題帶來一個普適的模型。在具體的技術(shù)實現(xiàn)上，先假定基站總是正常工作的，并且總是安全的，滿足必要的計算速度、存儲器容量，基站功率滿足加密和路由的要求；通信模式是點到點，通過端到端的加密保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?；射頻層總是正常工作?；谝陨锨疤?，典型的安全問題可以總結(jié)為：


    （1）信息被非法用戶截獲；


    （2）一個節(jié)點遭破壞；
    （3）識別偽節(jié)點；
    （4）如何向已有傳感器網(wǎng)絡(luò)添加合法的節(jié)點。


    作者提出的方案不采用任何的路由機(jī)制。在此方案中，每個節(jié)點和基站分享一個唯一的64位密匙Keyj和一個公共的密匙KeyBS，當(dāng)節(jié)點和基站距離超出了預(yù)定距離時，網(wǎng)絡(luò)會在節(jié)點和基站之間選擇一個節(jié)點作為媒介節(jié)點進(jìn)行接力；發(fā)送端會對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，接收端接收到數(shù)據(jù)后根據(jù)數(shù)據(jù)中的地址選擇相應(yīng)的密匙對數(shù)據(jù)進(jìn)行解密。這種雙加密方式可以防止暴露節(jié)點數(shù)目和地址，也可以防止數(shù)據(jù)被非法截獲，即使個別節(jié)點被破譯，也只有它自己的密匙泄漏，整個網(wǎng)絡(luò)仍然可以正常工作。文獻(xiàn)[5]中介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的兩種專用安全協(xié)議：SNEP(Sensor Network Encryption Protocol)和μ;TESLA。SNEP的功能是提供節(jié)點到接收機(jī)之間數(shù)據(jù)的鑒權(quán)、加密、刷新，μ;TESLA的功能是對廣播數(shù)據(jù)的鑒權(quán)。


    2、 大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點移動性管理


    這個問題實質(zhì)上就是沒有無線基礎(chǔ)設(shè)施的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點查詢問題。最簡單的資源查詢方式是全局泛洪法，但是對于資源有限的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不適用，因此在設(shè)計工作中應(yīng)該盡量避免使用全局泛洪法。擴(kuò)展環(huán)搜索法（expanding ring search）用增加生存時間（Time-To-Live， TTL）的方式重復(fù)泛洪，這種方式和由此派生出來的方式也不適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。在改善泛洪法的效率方面，文獻(xiàn)[6]中提出的方案是通過減少查詢每個節(jié)點時出現(xiàn)的多余消息去減少泛洪法固有的冗余，在沒有出現(xiàn)明顯的冗余情況下，這種方案對提高效率沒有太多貢獻(xiàn)。在ad hoc網(wǎng)絡(luò)中，查詢節(jié)點是通過基于簇（clusters）和界標(biāo)（landmarks）的層次表來實現(xiàn)的，這種方式需要在節(jié)點之間設(shè)置復(fù)雜的協(xié)調(diào)機(jī)制，當(dāng)節(jié)點移動時或者簇頭（cluster-head）或界標(biāo)失敗時，層次表需要重新配置。而且，通常簇頭會成為一個瓶頸，所以我們通常避免這種分層次的協(xié)調(diào)表，也避免使用簇頭。


    GLS[7]中提出的技術(shù)是基于一種所有節(jié)點都已知的網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)格圖。節(jié)點使用位置服務(wù)器保存它們的位置，并用一種基于ID號的算法去更新它們的位置，當(dāng)節(jié)點尋找指定ID號的節(jié)點位置時，也用這種算法去服務(wù)器尋找目標(biāo)節(jié)點的位置。對于知道網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)格圖和它們自己的位置并且知道目標(biāo)節(jié)點的ID號的節(jié)點，這種方法是一個好方法。


    文獻(xiàn)[8]中介紹了一種針對大規(guī)模移動傳感器網(wǎng)絡(luò)的查詢方法，這種方法借用了小世界（small worlds）的概念，利用節(jié)點的移動性去提高查詢效率，并引入了關(guān)聯(lián)（contacts）的概念。其工作原理是首先在相鄰節(jié)點間建立關(guān)聯(lián)，當(dāng)它們移動時，再關(guān)聯(lián)新的相鄰節(jié)點，這樣提高了查詢的效率。與傳統(tǒng)的路由查詢方式不同，這種設(shè)計基本目標(biāo)不是去優(yōu)化路由或者響應(yīng)延時，而是去減少通信的系統(tǒng)開銷，這一點在能量受限的環(huán)境中非常重要，特別是對于傳感器數(shù)量眾多的網(wǎng)絡(luò)中的一次性查詢(通信的生存時間很短)。文中給出的協(xié)議是可升級的（scalable）、自動配置的，非常適應(yīng)節(jié)點的移動性要求。仿真結(jié)果顯示它比邊緣泛洪法提高效率60-70％，比泛洪法提高效率80-90％，比擴(kuò)展環(huán)搜索法則有更大的改善。


    針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的分布式定位，文獻(xiàn)[9]比較了三種定位算法：ad hoc、魯棒定位、N跳多向法（N-hop multilateration）。具體選擇哪種算法要取決于某些網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，比如差錯分布和連通性等。


    3、 網(wǎng)絡(luò)的自動配置和自動康復(fù)和維持系統(tǒng)能量有效性


    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被布置在無人值守的環(huán)境中時，更換能源幾乎不可能，為了節(jié)約能源，發(fā)射功率要盡可能小，傳輸距離要短，節(jié)點間通信需要中間節(jié)點作為中繼。在地震救災(zāi)或者是無人飛行器中，網(wǎng)絡(luò)的自動配置和自動康復(fù)功能顯得異常重要，而大規(guī)模的多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可測量性（scalability）也是一個關(guān)鍵問題。實現(xiàn)可測量性的一種方法是“分而治之（divide and conquer）”，或者說是分層控制（hierarchical），即用某種簇標(biāo)準(zhǔn)將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分成簇組（clusters），在每個簇中選出一個作為簇頭（leader），它在比較高的層次上代表本簇；同樣的機(jī)制也應(yīng)用到簇頭中，使之形成一個層次，這個層次中，每個級別應(yīng)用當(dāng)?shù)乜刂疲╨ocal control）去實現(xiàn)某個全局目標(biāo)。大多數(shù)無線網(wǎng)絡(luò)中的分類思想認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)與地理位置無關(guān)，分類的標(biāo)準(zhǔn)是簇里的節(jié)點數(shù)量和簇間的邏輯直徑（相對于地理直徑而言）。但是，當(dāng)簇頭（cluster leader）和簇內(nèi)其它節(jié)點間的鏈路很長，相鄰簇間地理位置交迭很大，且不同的簇間路由消息載荷（routing traffic load）不平衡時，一個非簇頭（non-leader）節(jié)點和它的簇頭節(jié)點之間通過它們之間僅有的長鏈路通信將要消耗更多的能量，并且相鄰簇間的并行通信沖突頻發(fā)，簇間能量消耗不平衡，由此帶來的結(jié)果是網(wǎng)絡(luò)的壽命和通信質(zhì)量與有效性都大幅減小。因此，為了節(jié)約能量和改善通信質(zhì)量和有效性，在設(shè)計簇算法時，簇的地理半徑應(yīng)該考慮。文獻(xiàn)[10]提出，在傳感器節(jié)點內(nèi)用一種簡單的細(xì)胞聚類結(jié)構(gòu)去構(gòu)成路由協(xié)議，這樣可以維持一種可測量的能量有效的系統(tǒng)，其關(guān)鍵的問題是使這種細(xì)胞簇結(jié)構(gòu)具有自動康復(fù)性。作者針對大規(guī)模多跳傳感器網(wǎng)絡(luò)的自動配置和自動康復(fù)提出了一種分布式算法，這種算法可以保證網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在二維空間里自動配置成細(xì)胞簇結(jié)構(gòu)，其細(xì)胞單元有緊湊的地理半徑，細(xì)胞單元之間的交疊也很小。這種結(jié)構(gòu)在各種擾動下是自動康復(fù)的，比如節(jié)點加入、離開、死亡、移動、被敵方捕獲等。文獻(xiàn)[11]給出了一種針對簇的分布式算法LEACH，它是通過全局上重復(fù)簇操作來處理擾動的，但這種算法既不能保證系統(tǒng)中簇的定位也不能保證簇的數(shù)量。文獻(xiàn)[12]給出了另外一種簇算法，它僅考慮了簇的邏輯半徑，而不考慮地理半徑，當(dāng)簇間存在比較大的交迭時，這種方法會降低無線傳輸?shù)挠行?。另外，它的康?fù)不在本地處理，而是依賴于消息在整個系統(tǒng)中的多次循環(huán)。文獻(xiàn)[13]中給
    出了一種基于訪問的簇算法，這種算法注重簇的穩(wěn)定性，不考慮簇的大小，要求每個節(jié)點都有全球定位系統(tǒng)（GPS）的支持。


    4、 系統(tǒng)功耗問題


    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于特殊場合時，電源不可更換，因此功耗問題顯得至關(guān)重要。


    在系統(tǒng)的功耗模型中，我們最關(guān)心的是：


    （1） 微控制器的操作模式（休眠模式、操作模式、，潛在的減慢時鐘速率等），無線前端的工作模式（休眠、空閑、接收、發(fā)射等）；
    （2）在每種模式中，每個功能塊的功耗量，及它與哪些參數(shù)有關(guān)；
    （3）在發(fā)射功率受限的情況下，發(fā)射功率和系統(tǒng)功耗的映射關(guān)系；
    （4）從一種操作模式轉(zhuǎn)換到另外一種操作模式(假設(shè)可以直接轉(zhuǎn)換)的轉(zhuǎn)換時間及其功耗；
    （5）無線調(diào)制解調(diào)器的接收靈敏度和最大輸出功率；
    （6）附加的品質(zhì)因數(shù)（如發(fā)射前端的溫漂和頻穩(wěn)度、接收信號場強(qiáng)指示(RSSI)信號的標(biāo)準(zhǔn)等）。


    基于以上考慮，文獻(xiàn)[14]提出了一種自組織低功耗網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議i-Beans，并具體說明了此網(wǎng)絡(luò)的功耗。比如，用一個220mAh的小紐扣電池供電，網(wǎng)絡(luò)的平均消耗電流是100μ;A，取樣率是每秒1次，則電池可以持續(xù)80天；如果抽樣率是每兩分鐘一次，平均消耗電流降到1.92μ;A，則電池壽命可以延長到13.1年。


    為了克服遠(yuǎn)程無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的電池工作時間短的問題，美國Millennial Net公司已經(jīng)將其i-Bean無線技術(shù)與來自新興公司Ferro Solutions的“能量獲得（energy harvesting）”技術(shù)結(jié)合在一起，雙方最近展示了一個靠感應(yīng)振蕩能量轉(zhuǎn)換器工作的i-Bean無線發(fā)射機(jī)。這種轉(zhuǎn)換器能由在50mg至100mg力作用下的28Hz至30Hz振蕩產(chǎn)生1.2mV至3.6mV的電壓，并允許在30m距離上以115Kb/s速率發(fā)送數(shù)據(jù)（無電池）。該公司還與其他公司合作開發(fā)太陽能電池板來給無線傳感器供電。


    在能量優(yōu)化研究方面，西安交通大學(xué)的黃進(jìn)宏等在文獻(xiàn)[15]中提出了一種基于能量優(yōu)化的無線傳感網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)組織結(jié)構(gòu)和協(xié)議ALEP。與傳統(tǒng)的無線微傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議相比，ALEP更加充分地考慮到實際應(yīng)用。它將一種高效能量控制算法引入組網(wǎng)協(xié)議，提高了網(wǎng)絡(luò)的能量利用率，顯著延長了無線網(wǎng)絡(luò)的生命周期，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的健壯性。通過對ALEP協(xié)議進(jìn)行OPNET仿真，結(jié)果顯示該協(xié)議與傳統(tǒng)模式的無線微傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議相比，在傳送相同的數(shù)據(jù)量的條件下有更高效的能量特性和信息傳輸特性。

    傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全分析


    由于傳感器網(wǎng)絡(luò)自身的一些特性,使其在各個協(xié)議層都容易遭受到各種形式的攻擊。下面著重分析對網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)讓拥墓粜问健?


    1　物理層的攻擊和防御


    物理層中安全的主要問題就是如何建立有效的數(shù)據(jù)加密機(jī)制,由于傳感器節(jié)點的限制,其有限計算能力和存儲空間使基于公鑰的密碼體制難以應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。為了節(jié)省傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量開銷和提供整體性能,也盡量要采用輕量級的對稱加密算法。


    對稱加密算法在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載,在多種嵌入式平臺構(gòu)架上分別測試了RC4、RC5和IDEA等5 種常用的對稱加密算法的計算開銷。測試表明在無線傳感器平臺上性能最優(yōu)的對稱加密算法是RC4,而不是目前傳感器網(wǎng)絡(luò)中所使用的RC5。


    由于對稱加密算法的局限性,不能方便地進(jìn)行數(shù)字簽名和身份認(rèn)證,給無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制的設(shè)計帶來了極大的困難。因此高效的公鑰算法是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全亟待解決的問題。
    2　鏈路層的攻擊和防御


    數(shù)據(jù)鏈路層或介質(zhì)訪問控制層為鄰居節(jié)點提供可靠的通信通道,在MAC協(xié)議中,節(jié)點通過監(jiān)測鄰居節(jié)點是否發(fā)送數(shù)據(jù)來確定自身是否能訪問通信信道。這種載波監(jiān)聽方式特別容易遭到拒絕服務(wù)攻擊也就是DOS。在某些MAC層協(xié)議中使用載波監(jiān)聽的方法來與相鄰節(jié)點協(xié)調(diào)使用信道。當(dāng)發(fā)生信道沖突時,節(jié)點使用二進(jìn)制值指數(shù)倒退算法來確定重新發(fā)送數(shù)據(jù)的時機(jī),攻擊者只需要產(chǎn)生一個字節(jié)的沖突就可以破壞整個數(shù)據(jù)包的發(fā)送。因為只要部分?jǐn)?shù)據(jù)的沖突就會導(dǎo)致接收者對數(shù)據(jù)包的校驗和不匹配。導(dǎo)致接收者會發(fā)送數(shù)據(jù)沖突的應(yīng)答控制信息ACK使發(fā)送節(jié)點根據(jù)二進(jìn)制指數(shù)倒退算法重新選擇發(fā)送時機(jī)。這樣經(jīng)過反復(fù)沖突,使節(jié)點不斷倒退,從而導(dǎo)致信道阻塞。惡意節(jié)點有計劃地重復(fù)占用信道比長期阻塞信道要花更少的能量,而且相對于節(jié)點載波監(jiān)聽的開銷,攻擊者所消耗的能量非常的小,對于能量有限的節(jié)點,這種攻擊能很快耗盡節(jié)點有限的能量。所以,載波沖突是一種有效的DOS攻擊方法。


    雖然糾錯碼提供了消息容錯的機(jī)制,但是糾錯碼只能處理信道偶然錯誤,而一個惡意節(jié)點可以破壞比糾錯碼所能恢復(fù)的錯誤更多的信息。糾錯碼本身也導(dǎo)致了額外的處理和通信開銷。目前來看,這種利用載波沖突對DOS的攻擊還沒有有效的防范方法。


    解決的方法就是對MAC的準(zhǔn)入控制進(jìn)行限速,網(wǎng)絡(luò)自動忽略過多的請求,從而不必對于每個請求都應(yīng)答,節(jié)省了通信的開銷。但是采用時分多路算法的MAC協(xié)議通常系統(tǒng)開銷比較大,不利于傳感器節(jié)點節(jié)省能量。
    3　網(wǎng)絡(luò)層的攻擊和防御


    通常,在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,大量的傳感器節(jié)點密集地分布在一個區(qū)域里,消息可能需要經(jīng)過若干節(jié)點才能到達(dá)目的地,而且由于傳感器網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)性,因此沒有固定的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),所以每個節(jié)點都需要具有路由的功能。由于每個節(jié)點都是潛在的路由節(jié)點,因此更易于受到攻擊。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要攻擊種類較多,簡單介紹如下。
    3. 1　虛假路由信息


    通過欺騙,更改和重發(fā)路由信息,攻擊者可以創(chuàng)建路由環(huán),吸引或者拒絕網(wǎng)絡(luò)信息流通量,延長或者縮短路由路徑,形成虛假的錯誤消息,分割網(wǎng)絡(luò),增加端到端的時延。
    3. 2　選擇性的轉(zhuǎn)發(fā)


    節(jié)點收到數(shù)據(jù)包后,有選擇地轉(zhuǎn)發(fā)或者根本不轉(zhuǎn)發(fā)收到的數(shù)據(jù)包,導(dǎo)致數(shù)據(jù)包不能到達(dá)目的地。
    3. 3　污水池( sinkhole)攻擊


    攻擊者通過聲稱自己電源充足、性能可靠而且高效,通過使泄密節(jié)點在路由算法上對周圍節(jié)點具有特別的吸引力吸引周圍的節(jié)點選擇它作為路由路徑中的點。引誘該區(qū)域的幾乎所有的數(shù)據(jù)流通過該泄密節(jié)點。
    3. 4　Sybil攻擊

    在這種攻擊中,單個節(jié)點以多個身份出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點面前,使之具有更高概率被其他節(jié)點選作路由路徑中的節(jié)點,然后和其他攻擊方法結(jié)合使用,達(dá)到攻3. 5　蠕蟲洞(wormholes)攻擊


    3. 6　Hello洪泛攻擊


    很多路由協(xié)議需要傳感器節(jié)點定時地發(fā)送HELLO包,以聲明自己是其他節(jié)點的鄰居節(jié)點。而收到該Hello報文的節(jié)點則會假定自身處于發(fā)送者正常無線傳輸范圍內(nèi)。而事實上,該節(jié)點離惡意節(jié)點距離較遠(yuǎn),以普通的發(fā)射功率傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包根本到不了目的地。網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議為整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了關(guān)鍵的路由服務(wù)。如受到攻擊后果非常嚴(yán)重。

    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)典型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和工作方式如下：
    將大量傳感器節(jié)點布置或拋灑到感興趣的區(qū)域，節(jié)點通過自組織快速形成一個無線網(wǎng)絡(luò)。每個節(jié)點都有自己控制的一個區(qū)域，通過感知設(shè)備，如溫度、濕度、聲音或光學(xué)設(shè)備，化學(xué)分析裝置，電磁感應(yīng)裝置等，來對周圍的物理環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，也可以通過配置一些專用的功能單元來實現(xiàn)與特定環(huán)境交互的功能。節(jié)點的通信距離一般較短，只能與自己通信范圍內(nèi)的其他傳感器節(jié)點(稱作鄰居節(jié)點或鄰居)交換數(shù)據(jù)。要訪問通信范圍以外的節(jié)點，必須使用多跳路由。因此，節(jié)點既是信息的采集和發(fā)出者，也是信息的轉(zhuǎn)發(fā)傳輸者，采集的數(shù)據(jù)通過多跳路由到達(dá)匯聚節(jié)點(一些文獻(xiàn)也稱作網(wǎng)關(guān))，匯聚節(jié)點是一個特殊的節(jié)點，可以通過Internet、移動通信網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星等與監(jiān)控中心通信。也可以利用飛機(jī)飛越網(wǎng)絡(luò)上空，通過無線通信采集網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)。為了保證網(wǎng)絡(luò)內(nèi)大多數(shù)節(jié)點都可以與網(wǎng)關(guān)建立無線鏈路，并且保證傳感器節(jié)點對目標(biāo)區(qū)域有很好的覆蓋，節(jié)點的分布要相當(dāng)?shù)拿芗?。高密度分布還可以在某些傳感器節(jié)點能量耗盡或者出現(xiàn)故障時不影響網(wǎng)絡(luò)的連通性和整體的工作。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)典型的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。節(jié)點具有傳感、信號處理和無線通信功能。

    與傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有以下特點：
    (1)電源容量有限。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點一般由電池供電，而且在使用過程中也不能給電池充電或更換電池。因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的基本原則就是都要以節(jié)能為前提。


    (2)傳感器節(jié)點由于受到低成本、小體積和低功耗的限制，其硬件、軟件資源非常有限。


    (3)無中心。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般是一個對等式的網(wǎng)絡(luò)。


    (4)自組織。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)和展開無需依賴于任何預(yù)設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施。


    (5)多跳路由。網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點通信距離有限，如果希望與較遠(yuǎn)的節(jié)點進(jìn)行通信，則需要通過中間節(jié)點多跳路由來實現(xiàn)。


    (6)動態(tài)拓?fù)?。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點可以隨處移動；網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會隨時發(fā)生變化，因此網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具有動態(tài)拓?fù)浣M織功能。


    (7)節(jié)點數(shù)量眾多，分布密集。為了對一個區(qū)域執(zhí)行監(jiān)測任務(wù)，傳感器節(jié)點往往分布得非常密集，利用節(jié)點之間高度連接性來保證系統(tǒng)的容錯性和抗毀性。


    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)屬于一種特殊的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)[1—5]，它雖然與傳統(tǒng)的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)有很多相似的地方，但是與傳統(tǒng)的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點分布更加密集，能量更加有限，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點在大多數(shù)情況下是靜止的。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)是被分散處理的，系統(tǒng)會根據(jù)需要盡早對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這樣可以減少網(wǎng)絡(luò)的流量，降低功耗并提高系統(tǒng)利用率。由于成本和功耗的限制，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件設(shè)備資源十分有限，數(shù)據(jù)的處理能力和存儲能力都比較弱。這就決定了在設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的時候都要以簡單和節(jié)能為最重要的前提條件。


    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議分層結(jié)構(gòu)基本采用傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的分層結(jié)構(gòu)，即包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。另外，能量、移動、任務(wù)等管理平臺用于監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中的能量利用、節(jié)點移動和任務(wù)分配。這些平臺能夠幫助傳感器節(jié)點在較低能耗下協(xié)作完成某些監(jiān)控任務(wù)。圖2所示為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)。

    能量管理平臺用來管理一個節(jié)點如何使用它的能量。例如，當(dāng)一個節(jié)點收到一個鄰居節(jié)點發(fā)來的消息之后，它可以將它的接收機(jī)關(guān)閉，避免接收到重復(fù)的消息。同樣，當(dāng)一個節(jié)點的能量極低時，它會向鄰節(jié)點廣播一條消息，告訴鄰節(jié)點自己已經(jīng)沒有多少能量，不能再用來對消息進(jìn)行傳遞了，這樣它就可以不再接收鄰節(jié)點發(fā)來的需要傳遞的消息，將能量都留給自己的消息發(fā)送。移動管理平臺能夠監(jiān)測并記錄節(jié)點的移動。任務(wù)管理平臺用來平衡和規(guī)劃某個區(qū)域的感知任務(wù)，安排哪些節(jié)點執(zhí)行哪些感知任務(wù)，能量高的節(jié)點可以比那些能量低的節(jié)點多承擔(dān)一些任務(wù)。有了這些管理平臺，節(jié)點能夠低能耗地協(xié)調(diào)工作，能夠在移動的情況下傳遞數(shù)據(jù)，能夠在節(jié)點之間共享資源。


    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身的特點決定了它不能使用目前已經(jīng)存在的一些標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，國外的研究工作者為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的各個層次都提出了一些解決方案，但是總的來說，到目前為止還沒有形成可被廣泛認(rèn)同的標(biāo)準(zhǔn)。

    傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全機(jī)制


    安全是系統(tǒng)可用的前提,需要在保證通信安全的前提下,降低系統(tǒng)開銷,研究可行的安全算法。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)受到的安全威脅和移動ad hoc網(wǎng)絡(luò)不同,所以現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制無法應(yīng)用于本領(lǐng)域,需要開發(fā)專門協(xié)議。目前主要存在兩種思路簡介如下:


    一種思想是從維護(hù)路由安全的角度出發(fā),尋找盡可能安全的路由以保證網(wǎng)絡(luò)的安全。如果路由協(xié)議被破壞導(dǎo)致傳送的消息被篡改,那么對于應(yīng)用層上的數(shù)據(jù)包來說沒有任何的安全性可言。一種方法是“有安全意識的路由”( SAR) ,其思想是找出真實值和節(jié)點之間的關(guān)系,然后利用這些真實值去生成安全的路由。該方法解決了兩個問題,即如何保證數(shù)據(jù)在安全路徑中傳送和路由協(xié)議中的信息安全性。這種模型中,當(dāng)節(jié)點的安全等級達(dá)不到要求時,就會自動的從路由選擇中退出以保證整個網(wǎng)絡(luò)的路由安全。可以通過多徑路由算法改善系統(tǒng)的穩(wěn)健性( robustness) ,數(shù)據(jù)包通過路由選擇算法在多徑路徑中向前傳送,在接收端內(nèi)通過前向糾錯技術(shù)得到重建。


    另一種思想是把著重點放在安全協(xié)議方面,在此領(lǐng)域也出現(xiàn)了大量的研究成果。假定傳感器網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)是為高級政要人員提供安全保護(hù)的,提供一個安全解決方案將為解決這類安全問題帶來一個合適的模型。在具體的技術(shù)實現(xiàn)上,先假定基站總是正常工作的,并且總是安全的,滿足必要的計算速度、存儲器容量,基站功率滿足加密和路由的要求;通信模式是點到點,通過端到端的加密保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?射頻層總是正常工作?；谝陨锨疤?典型的安全問題


    可以總結(jié)為:
    a、信息被非法用戶截獲;
    b、一個節(jié)點遭破壞;
    c、識別偽節(jié)點;
    d、如何向已有傳感器網(wǎng)絡(luò)添加合法的節(jié)點。


    此方案是不采用任何的路由機(jī)制。在此方案中,每個節(jié)點和基站分享一個唯一的64位密匙Keyj和一個公共的密匙KeyBS,發(fā)送端會對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密,接收端接收到數(shù)據(jù)后根據(jù)數(shù)據(jù)中的地址選擇相應(yīng)的密匙對數(shù)據(jù)進(jìn)行解密。


    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的兩種專用安全協(xié)議:安全網(wǎng)絡(luò)加密協(xié)議SNEP ( SensorNetwork Encryp tion Protocol)和基于時間的高效的容忍丟包的流認(rèn)證協(xié)議μTESLA。SNEP的功能是提供節(jié)點到接收機(jī)之間數(shù)據(jù)的鑒權(quán)、加密、刷新,μTESLA的功能是對廣播數(shù)據(jù)的鑒權(quán)。因為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可能是布置在敵對環(huán)境中,為了防止供給者向網(wǎng)絡(luò)注入偽造的信息,需要在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)基于源端認(rèn)證的安全組播。但由于在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,不能使用公鑰密碼體制,因此源端認(rèn)證的組播并不容易實現(xiàn)。傳感器網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議SP INK中提出了基于源端認(rèn)證的組播機(jī)制uTESLA,該方案是對TESLA協(xié)議的改進(jìn),使之適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。其基本思想是采用Hash鏈的方法在基站生成密鑰鏈,每個節(jié)點預(yù)先保存密鑰鏈最后一個密鑰作為認(rèn)證信息,整個網(wǎng)絡(luò)需要保持松散同步,基站按時段依次使用密鑰鏈上的密鑰加密消息認(rèn)證碼,并在下一時段公布該密鑰。

    無線傳感器的應(yīng)用


    無線傳感器在交通系統(tǒng)中的應(yīng)用。無線傳感器在交通系統(tǒng)中的實際應(yīng)用總體而言可以分別從信息采集和道路控制兩個方面進(jìn)行分析：首先，全新的無線傳感技術(shù)已經(jīng)結(jié)合了集微電子、通信技術(shù)等一系列信息化技術(shù)，這就使得無線傳感器在交通系統(tǒng)中的應(yīng)用變得更加多元化。對于我國這種發(fā)展中國家而言，在日漸完善的道路交通系統(tǒng)中，要想保證道路交通的能力，就要最大限度的去完善交通信號及道路交通管理的能力。當(dāng)無線傳感器技術(shù)運用到道路交通中時，不但可以對道路實際的路況信息進(jìn)行實時的采集分析，還可以在最短時間內(nèi)做出及時的響應(yīng)。其次，通過傳感器系統(tǒng)的建立，就會使得整個城市的運轉(zhuǎn)能力得到極大的提升，當(dāng)處在城市中或者較遠(yuǎn)區(qū)域的人們掌握到及時的道路交通信息，就會根據(jù)相應(yīng)的路況做出科學(xué)的調(diào)整，這不但會對自身同時也會對他人帶來極大的便利，交通順暢了，整個城市的運輸管理和服務(wù)水平也自然得到了質(zhì)的飛躍。再次，采用先進(jìn)的無線傳感器技術(shù)還可以對車輛進(jìn)行違章檢測、道路收費和信息檢索，同時對停車場收費也可以進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范，當(dāng)?shù)缆方煌ㄖ械耐＼囆畔?shù)據(jù)得到及時的規(guī)范處理，那對于一些人為性的交通事故也就可以得到避免。最后，科學(xué)的運用無線傳感器的相關(guān)技術(shù)還可以提高運輸部門對于整個城市的綜合服務(wù)水平，讓這個城市的運作變得更加科學(xué)，便捷。


    無線傳感器在軍事上的應(yīng)用。在現(xiàn)代電子化的軍事較量中，無線電傳感器的作用更是不容小覷，現(xiàn)在較為成功的是在大型范圍內(nèi)進(jìn)行檢測的傳感器網(wǎng)絡(luò)與在小型區(qū)域檢測的小型傳感器網(wǎng)絡(luò)。在面對一些較為復(fù)雜且人員無法到達(dá)的地形時，就可以通過釋放傳感器來做到對此區(qū)域的全面掌控。而在戰(zhàn)斗單位上安裝各類傳感器，可以做到對敵方戰(zhàn)斗人員的即時監(jiān)控，來方便我方戰(zhàn)隊隨時制定進(jìn)攻方案與防御工事。無線傳感器還可以檢測出戰(zhàn)斗陣地上的一切可疑物體，幫助我方人員及時做出排查，從而最大限度的減少不必要的損失與傷亡。


    無線傳感器在家庭生活中的應(yīng)用。無線傳感器其實離我們的生活并不遙遠(yuǎn)，在很多的日?；顒又袀鞲衅骷夹g(shù)都與我們息息相關(guān)，例如傳感器對于人們生活環(huán)境的及時檢測，不但可以根據(jù)數(shù)據(jù)提供出一個更為舒適的生活環(huán)境，同時還可以及時的對一些災(zāi)害做出預(yù)警，保障每一個人的安全。


    無線傳感器在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用。因為若要將無線監(jiān)測器用于外界環(huán)境當(dāng)中，就要考慮到外界環(huán)境的不穩(wěn)定性與隨機(jī)性，這就要求所選取的無線傳感器要具備價格低廉、部署簡單、操作簡便等優(yōu)點，從而保證對于環(huán)境監(jiān)測的可持續(xù)性。
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點定位機(jī)制
    關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位問題分為兩類，一類是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對自身傳感器節(jié)點的定位，另一類是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對外部目標(biāo)的定位。本文主要討論前者。


    節(jié)點準(zhǔn)確地進(jìn)行自身定位是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的重要條件。由于節(jié)點工作區(qū)域或者是人類不適合進(jìn)入的區(qū)域，或者是敵對區(qū)域，傳感器節(jié)點有時甚至需要通過飛行器拋撒于工作區(qū)域，因此節(jié)點的位置都是隨機(jī)并且未知的。然而在許多應(yīng)用中，節(jié)點所采集到的數(shù)據(jù)必須結(jié)合其在測量坐標(biāo)系內(nèi)的位置信息才有意義，否則，如果不知道數(shù)據(jù)所對應(yīng)的地理位置，數(shù)據(jù)就失去意義。除此之外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點自身的定位還可以在外部目標(biāo)的定位和追蹤以及提高路由效率等方面發(fā)揮作用。因此，實現(xiàn)節(jié)點的自身定位對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有重要的意義。


    獲得節(jié)點位置的一個直接想法是利用全球定位系統(tǒng)(GPS)來實現(xiàn)。但是，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用GPS來獲得所有節(jié)點的位置受到價格、體積、功耗以及可擴(kuò)展性等因素限制，存在著一些困難。因此目前主要的研究工作是利用傳感器網(wǎng)絡(luò)中少量已知位置的節(jié)點來獲得其他未知位置節(jié)點的位置信息。已知位置的節(jié)點稱作錨節(jié)點，它們可能是被預(yù)先放置好的，或者采用GPS或其他方法得知自己的位置。未知位置的節(jié)點稱作未知節(jié)點，它們需要被定位。錨節(jié)點根據(jù)自身位置建立本地坐標(biāo)系，未知節(jié)點根據(jù)錨節(jié)點計算出自己在本地坐標(biāo)系里的相對位置。


    根據(jù)具體的定位機(jī)制，可以將現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身定位方法分為兩類：基于測距的(Range-based)方法和不基于測距的(Range-free)方法[6]。基于測距的定位機(jī)制需要測量未知節(jié)點與錨節(jié)點之間的距離或者角度信息，然后使用三邊測量法、三角測量法或最大似然估計法計算未知節(jié)點的位置。而不基于測距的定位機(jī)制無需距離或角度信息，或者不用直接測量這些信息，僅根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的連通性等信息實現(xiàn)節(jié)點的定位。


    1.1 基于測距的定位方法
    常用的定位方法是基于測距定位方法，在這種定位機(jī)制中需要先得到兩個節(jié)點之間的距離或者角度信息，通常采用以下方法。


    1.1.1 信號強(qiáng)度測距法
    已知發(fā)射功率，在接收節(jié)點測量接收功率，計算傳播損耗，使用理論或經(jīng)驗的信號傳播模型將傳播損耗轉(zhuǎn)化為距離。例如，在自由空間中，距發(fā)射機(jī)d 處的天線接收到的信號強(qiáng)度由下面的公式給出：
    Pr(d )=PtGtGrλ2/(4π)2d 2L (1)


    其中，Pt為發(fā)射機(jī)功率；Pr(d )是在距離d 處的接收功率；Gt、Gr分別是發(fā)射天線和接收天線的增益；d 是距離，單位為米；L為與傳播無關(guān)的系統(tǒng)損耗因子；λ是波長，單位為米。由公式可知，在自由空間中，接收機(jī)功率隨發(fā)射機(jī)與接收機(jī)距離的平方衰減。這樣，通過測量接收信號的強(qiáng)度，再利用式(1)就能計算出收發(fā)節(jié)點間的大概距離。


    得到錨節(jié)點與未知節(jié)點之間的距離信息后，采用三邊測量法或最大似然估計法可計算出未知節(jié)點的位置。三邊計算的理論依據(jù)是，在三維空間中，知道了一個未知節(jié)點到三個以上錨節(jié)點的距離，就可以確定該點的坐標(biāo)。


    三邊測量法在二維平面上用幾何圖形表示出來的意義是：當(dāng)?shù)玫轿粗?jié)點到一個錨節(jié)點的距離時，就可以確定此未知節(jié)點在以此錨節(jié)點為圓心、以距離為半徑的圓上；得到未知節(jié)點到3個錨節(jié)點的距離時，3個圓的交點就是未知節(jié)點的位置。如圖3所示。

    然而，公式(1)只是電磁波在理想的自由空間中傳播的數(shù)學(xué)模型，實際應(yīng)用中的情況要復(fù)雜的多，尤其是在分布密集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。反射、多徑傳播、非視距(NLOS)、天線增益等問題都會對相同距離產(chǎn)生顯著不同的傳播損耗。因此這種方法的主要誤差來源是環(huán)境影響所造成的信號傳播模型的復(fù)雜性。信號強(qiáng)度測距法通常屬于一種粗糙的測距技術(shù)。


    還有一些其他算法：如文獻(xiàn)[7]提出了一種節(jié)點位置推測算法，該算法通過一種判決節(jié)點，利用收集到的錨節(jié)點的位置信息和節(jié)點間的距離信息，執(zhí)行節(jié)點位置推測算法，推測出所有位置可確定的待測節(jié)點的位置。


    1.1.2 到達(dá)時間及時間差測距法
    到達(dá)時間(TOA)技術(shù)通過測量信號傳播時間來測量距離。在TOA方法中，若電波從錨節(jié)點到未知節(jié)點的傳播時間為t，電波傳播速度為c，則錨節(jié)點到未知節(jié)點的距離為t×c。TOA要求接收信號的錨節(jié)點或未知節(jié)點知道信號開始傳輸?shù)臅r刻，并要求節(jié)點有非常精確的時鐘。


    使用TOA技術(shù)比較典型的定位系統(tǒng)是GPS，GPS系統(tǒng)需要昂貴高能耗的電子設(shè)備來精確同步衛(wèi)星時鐘。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點間的距離較小，采用TOA測距難度較大，同時節(jié)點硬件尺寸、價格和功耗的限制也決定了TOA技術(shù)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是不可行的。


    時間差(TDOA)測距技術(shù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方案中得到了較多的應(yīng)用[8]。通過記錄兩種不同信號(常使用無線電信號和超聲波信號)的到達(dá)時間差異，根據(jù)已知的兩種信號的傳播速度，直接把時間差轉(zhuǎn)化為距離。該技術(shù)受到超聲波傳播距離的限制和非視距問題對超聲波信號傳播的影響，不僅需要精確的時鐘記錄兩種信號的到達(dá)時間差異，還需要傳感器節(jié)點同時具備感知兩種不同信號的能力。


    1.1.3 時間差定位法
    TDOA測距是通過計算兩種不同無線信號到達(dá)未知節(jié)點的時間差，再根據(jù)兩種信號傳播速度來計算得到未知節(jié)點與錨節(jié)點之間的距離。TDOA定位與TDOA測距不同，TDOA定位計算兩個錨節(jié)點信號到達(dá)未知節(jié)點的時間差，將其轉(zhuǎn)換成到兩個錨節(jié)點的距離之差，未知節(jié)點通過到多組錨節(jié)點的距離之差得出自身的位置。


    在二維平面上的，雙曲線的幾何意義是到兩個定點的距離之差為一個常數(shù)的所有點的集合，兩個定點稱作焦點。因此TDOA定位在二維平面上的幾何意義為：得到未知節(jié)點與兩個錨節(jié)點的距離之差，即可知未知節(jié)點定位于以兩個錨節(jié)點為焦點的雙曲線方程上，通過測量得到未知節(jié)點所屬的兩個以上雙曲線方程時，這些雙曲線唯一的交點即為未知節(jié)點的位置。由于這種方法不是采用到達(dá)的絕對時間來確定節(jié)點的位置，降低了對時間同步的要求，但是仍然需要較精確的計時功能，同時由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有分布密集和無線通信范圍小的特點，這種方法實現(xiàn)起來難度較大。


    1.1.4 到達(dá)角定位法
    到達(dá)角(AOA)定位法通過陣列天線或多個接收器結(jié)合來得到相鄰節(jié)點發(fā)送信號的方向，從而構(gòu)成一根從接收機(jī)到發(fā)射機(jī)的方位線。兩根方位線的交點即為未知節(jié)點的位置。


    圖4所示為基本的AOA定位法，未知節(jié)點得到與錨節(jié)點N1和N2所構(gòu)成的角度之后就可以確定自身位置。另外，AOA信息還可以與TOA、TDOA信息一起使用成為混合定位法。采用混合定位法或者可以實現(xiàn)更高的精確度，減小誤差，或者可以降低對某一種測量參數(shù)數(shù)量的需求。AOA定位法的硬件系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜，并且需要兩節(jié)點之間存在視距(LOS)傳輸，因此不適合用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位。

    1.2 不基于測距的定位算法
    基于測量距離和角度的算法的缺點是使傳感器節(jié)點造價增高，消耗了有限的電池資源，而且在測量距離和角度的準(zhǔn)確性方面需要大量的研究。下面介紹不基于測距的定位算法。不基于測距的算法不需要知道未知節(jié)點到錨節(jié)點的距離或者不需要直接測量此距離，在成本和功耗方面比基于測距的方法具有優(yōu)勢。


    下面先介紹4種重要的分布式不基于測距的算法，它們分別為質(zhì)心法、基于距離矢量計算跳數(shù)的算法(DV-Hop)、無定形的(Amorphous)算法和以三角形內(nèi)的點近似定位(APIT)算法，然后對這4種算法進(jìn)行分析對比。


    1.2.1 質(zhì)心法
    質(zhì)心法[9]是南加州大學(xué)Nirupama Bulusu等學(xué)者提出的一種僅基于網(wǎng)絡(luò)連通性的室外定位算法。該算法的中心思想是：未知節(jié)點以所有在其通信范圍內(nèi)的錨節(jié)點的幾何質(zhì)心作為自己的估計位置。具體過程為：錨節(jié)點每隔一段時間向鄰居節(jié)點廣播一個信標(biāo)信號，信號中包含有錨節(jié)點自身的ID和位置信息。當(dāng)未知節(jié)點在一段偵聽時間內(nèi)接收到來自錨節(jié)點的信標(biāo)信號數(shù)量超過某一個預(yù)設(shè)的門限后，該節(jié)點認(rèn)為與此錨節(jié)點連通，并將自身位置確定為所有與之連通的錨節(jié)點所組成的多邊形的質(zhì)心。


    質(zhì)心定位算法的最大優(yōu)點是它非常簡單，計算量小，完全基于網(wǎng)絡(luò)的連通性，但是需要較多的錨節(jié)點。


    1.2.2 DV-Hop算法
    DV-Hop算法[10]是由D.Niculescu和B.Nath等人提出的。DV-Hop定位算法的原理與經(jīng)典的距離矢量路由算法比較相似。在DV-Hop算法中，錨節(jié)點向網(wǎng)絡(luò)廣播一個信標(biāo)，信標(biāo)中包含有此錨節(jié)點的位置信息和一個初始值為1的表示跳數(shù)的參數(shù)。此信標(biāo)在網(wǎng)絡(luò)中被以泛洪的方式傳播出去，信標(biāo)每次被轉(zhuǎn)發(fā)時跳數(shù)都增加1。接收節(jié)點在它收到的關(guān)于某一個錨節(jié)點的所有信標(biāo)中保存具有最小跳數(shù)值的信標(biāo)，丟棄具有較大跳數(shù)值的同一錨節(jié)點的信標(biāo)。通過這一機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(包括其他錨節(jié)點)都獲得了到每一個錨節(jié)點的最小跳數(shù)值。圖5為一個示意圖[6]，表示了網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點到錨節(jié)點A的跳數(shù)值。

    為了將跳數(shù)值轉(zhuǎn)換成物理距離，系統(tǒng)需要估計網(wǎng)絡(luò)中平均每跳的距離。錨節(jié)點具有到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部其他錨節(jié)點的跳數(shù)值以及這些錨節(jié)點的位置信息，因此錨節(jié)點可以通過計算得到距其他錨節(jié)點的實際距離。經(jīng)過計算，一個錨節(jié)點得到網(wǎng)絡(luò)的平均每跳距離，并將此估計值廣播到網(wǎng)絡(luò)中，稱作校正值，任何節(jié)點一旦接收到此校正值，就可以估計自己到這個錨節(jié)點的距離。


    如果一個節(jié)點能夠獲得到3個以上錨節(jié)點的估計距離，它就可以利用三邊法估計其自身的位置。


    DV-Hop算法與基于測距算法具有相似之處，就是都需要獲得未知節(jié)點到錨節(jié)點的距離，但是DV-Hop獲得距離的方法是通過網(wǎng)絡(luò)中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息的計算而不是通過無線電波信號的測量。


    在基于測距的方法中，未知節(jié)點只能獲得到自己射頻覆蓋范圍內(nèi)的錨節(jié)點的距離，而DV-Hop算法可以獲得到未知節(jié)點無線射程以外的錨節(jié)點的距離，這樣就可以獲得更多的有用數(shù)據(jù)，提高定位精度。


    1.2.3 Amorphous算法
    Amorphous定位算法[11]與DV-Hop算法類似。首先，采用與DV-Hop算法類似的方法獲得距錨節(jié)點的跳數(shù)，稱為梯度值。未知節(jié)點收集鄰居節(jié)點的梯度值，計算關(guān)于某個錨節(jié)點的局部梯度平均值。與DV-Hop算法不同的是：Amorphous算法假定預(yù)先知道網(wǎng)絡(luò)的密度，然后離線計算網(wǎng)絡(luò)的平均每跳距離，最后當(dāng)獲得3個或更多錨節(jié)點的梯度值后，未知節(jié)點計算與每個錨節(jié)點的距離，并使用三邊測量法和最大似然估計法估算自身位置。


    1.2.4 APIT算法
    在APIT算法[6]中，一個未知節(jié)點從它所有能夠與之通信的錨節(jié)點中選擇3個節(jié)點，測試它自身是在這3個錨節(jié)點所組成的三角形內(nèi)部還是在其外部；然后再選擇另外3個錨節(jié)點進(jìn)行同樣的測試，直到窮盡所有的組合或者達(dá)到所需的精度。如果未知節(jié)點在某三角形內(nèi)部，稱此三角形包含未知節(jié)點；最后，未知節(jié)點將包含自己的所有三角形的相交區(qū)域的質(zhì)心作為自己的估計位置。


    APIT算法最關(guān)鍵的步驟是測試未知節(jié)點是在3個錨節(jié)點所組成的三角形內(nèi)部還是外部，這一測試的理論基礎(chǔ)是三角形內(nèi)的點(PIT)測試。PIT測試用來測試一個節(jié)點是在其他3個節(jié)點所組成的三角形內(nèi)部還是在其外部，其原理如圖6所示：假如存在一個方向，沿著這個方向M點會同時遠(yuǎn)離或者同時接近A、B、C 3個點，那么M位于△ABC外；否則，M位于△ABC內(nèi)。這就是PIT測試的原理，其證明可以在文獻(xiàn)[6]中找到。

    在靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)中，M點固定，不能朝著不同的方向移動，此時無法執(zhí)行PIT測試，為此定義APIT測試(Approximate PIT)：假如節(jié)點M的鄰居節(jié)點中沒有同時遠(yuǎn)離或同時靠近3個錨節(jié)點A、B、C的節(jié)點，那么M就在△ABC之內(nèi)；否則M就在△ABC外，如圖7所示。

    這種方法是利用網(wǎng)絡(luò)較高的節(jié)點密度來模擬節(jié)點移動，根據(jù)給定方向上一個節(jié)點距離錨節(jié)點越遠(yuǎn)接收信號強(qiáng)度越弱的無線傳播特性來判斷距錨節(jié)點的遠(yuǎn)近。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，鄰居節(jié)點間互相交換信息，仿效PIT測試的節(jié)點移動。如圖7中左圖所示，節(jié)點M通過與鄰居節(jié)點1交換信息，得知自身如果運動至節(jié)點1，將遠(yuǎn)離錨節(jié)點B和C，但會接近錨節(jié)點A，與鄰居節(jié)點2、3、4的通信和判斷過程類似，最終確定自身位于△ABC內(nèi)，而在圖7的右圖中，節(jié)點M可知假如自身運動至鄰居節(jié)點2處，將同時遠(yuǎn)離錨節(jié)點A、B、C，故判斷自身不在△ABC中。


    當(dāng)節(jié)點M比較靠近△ABC的一條邊，或者M(jìn)周圍的鄰居節(jié)點分布不均勻時，APIT的判斷可能會發(fā)生錯誤，當(dāng)未知節(jié)點密度較大時，APIT判斷發(fā)生錯誤的概率較小。
    1.2.5 幾種不基于測距的定位算法的比較
    節(jié)點之間的無線通信所消耗的電能比其他部件所消耗的電能要大很多，所以應(yīng)盡量減少節(jié)點之間的無線通信量。由于每個節(jié)點的能量十分有限，也不宜將大量的通信和計算固定于某個或者某些節(jié)點，否則，這些節(jié)點的電能會很快耗盡，出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點不均衡的情況。因此，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，要求盡量采用分布式的節(jié)點定位算法，即定位的計算過程分散在每個未知節(jié)點上而不是依賴于在某個中心節(jié)點進(jìn)行集中計算。前邊介紹的4種不基于測距的定位算法都屬于分布式算法，此外，還有很少的幾種集中式不基于測距的定位算法，它們的定位精度與分布式算法沒有明顯區(qū)別，并且需要進(jìn)行集中計算。


    質(zhì)心、DV-Hop、Amorphous和APIT算法是完全分布式的，僅需要少量通信和簡單計算，具有良好的擴(kuò)展性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身定位算法的性能對其可用性有直接的影響，如何評價定位算法是一個需要研究的問題。目前已有幾個常用的標(biāo)準(zhǔn)，如定位精度、錨節(jié)點密度、未知節(jié)點密度、計算量、節(jié)點之間的通信量等，但這些標(biāo)準(zhǔn)還沒有達(dá)到完善和統(tǒng)一的程度，需要進(jìn)一步地模型化和量化。文獻(xiàn)[6]中經(jīng)過大量實驗對比了4種分布式不基于測距的定位算法，其結(jié)果見表1。表1可以幫助加強(qiáng)對不基于測距的定位算法的理解以及促進(jìn)完整評估體系的建立。

    不規(guī)則性的程度(DOI)表示節(jié)點無線傳播模型的不規(guī)則性。當(dāng)它為0時，無線傳播模型為球型，DOI值越大表示節(jié)點無線傳播模型越不規(guī)則。


    總的來說，不基于測距的定位機(jī)制屬于粗精度的定位機(jī)制，然而粗精度定位對大多數(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用已經(jīng)足夠，研究表明，當(dāng)定位誤差小于傳感器節(jié)點無線通信半徑的40%時，定位誤差對路由性能和目標(biāo)追蹤精確度的影響不會很大。
    無線傳感器的發(fā)展趨勢


    向微型化發(fā)展。在當(dāng)代為了適應(yīng)紛繁多變的時代背景與發(fā)展環(huán)境，各類檢測控制類設(shè)備的功能也越來越趨于完善化，但更小的體積意味著更大的可塑空間與發(fā)展未來，這就要求無線電檢測設(shè)備也要向著這一方向不斷的靠攏，從而保證自己的發(fā)展未來。


    向低耗能及數(shù)字化發(fā)展。無線傳感器雖然得到很大的歡迎，但是也不能忘記自身模擬信號單一與耗能較多的弊端，所以只有發(fā)展出更為高效的數(shù)字化信號，無線電傳感器的受用面也才會更為廣泛。因此，開發(fā)出低耗能及數(shù)字化的無線傳感器必然是今后發(fā)展的重點方向。

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