無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

寬帶通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)課論文-3-無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)摘要：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量具有感知能力、計(jì)算能力和通信能力的傳感器節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)。首先介紹無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)術(shù)語(yǔ)、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等基本概念，并從基于測(cè)距和非測(cè)距兩個(gè)方面介紹無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要定位方法。然后從實(shí)用性、應(yīng)用環(huán)境、硬件條件、供能及安全隱私等方面出發(fā)，總結(jié)當(dāng)前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)存在問(wèn)題，展望未來(lái)的研究前景與應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；定位方法；存在的問(wèn)題；研究前景TheWirelessSensorNetworksAbstract:WirelessSensorNetworkiscomposedofalargenumberofsensornodeshavingsensingcapabilities,computingpowerandcommunicationcapabilitiesofanetwork.Firstintroducesthebasicconceptsrelatedtothetermwirelesssensornetworks,evaluationstandards,andintroducethemainpositioningmethodforwirelesssensornetworksbasedrangingandnonrangingfromtwoaspects.Andthensummarizethecurrentwirelesssensornetworkpositioningtechnologyproblemsthroughthepractical,applicationenvironmentsandhardwareconditions,privacyandsecurityofenergysupplyviewpoint,lookingthefutureofprospectsforthestudyandapplicationtrends.Keywords:WirelessSensorNetworks;thepositioningmethod;theexistingproblems;researchprospect1.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)隨著傳感器、計(jì)算機(jī)、無(wú)線通信及微機(jī)電等技術(shù)的發(fā)展和相互融合，產(chǎn)生了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN,wirelesssensornetworks)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與當(dāng)今主流無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使用同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)——802.15.14，它是一種新型的信息獲取和處理技術(shù)，是繼互聯(lián)網(wǎng)之后，將對(duì)人類(lèi)社會(huì)的生產(chǎn)、生活方式產(chǎn)生重大影響的一項(xiàng)重要技術(shù)。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)綜合了嵌入式計(jì)算技術(shù)、傳感器技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)以及通信技術(shù),能夠協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的不同監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息[1]。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(WSNS，wirelesssensornetworkssystem)通常由傳感器節(jié)點(diǎn)、聚節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)組成，如圖1所示[1]。圖1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信體系結(jié)構(gòu)圖無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種全新的信息獲取和處理技術(shù)在目標(biāo)跟蹤、入侵監(jiān)測(cè)及一些定位相關(guān)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。無(wú)論是在軍事偵察或地理環(huán)境監(jiān)測(cè)，還是交通路況監(jiān)測(cè)或醫(yī)療衛(wèi)生中對(duì)病人的跟蹤等應(yīng)用場(chǎng)合，很多獲取的監(jiān)測(cè)信息需要附帶相應(yīng)的位置信息，否則，這些數(shù)據(jù)就是不確切的，甚至有時(shí)候會(huì)失去采集的意義，因此網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)自身位置信息的獲取是大多數(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)。首先，傳感器節(jié)點(diǎn)必須明確自身位置才能詳細(xì)說(shuō)明“在什么位置發(fā)什么了什么事件，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)外部目標(biāo)的定位和跟蹤；其次，了解傳感器節(jié)點(diǎn)的位置分布狀況可以對(duì)提高網(wǎng)絡(luò)的路由效率提供幫助，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖詣?dòng)配置，改善整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋質(zhì)量[8]。2.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)2.1相關(guān)術(shù)語(yǔ)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位最簡(jiǎn)單的方法是為每個(gè)節(jié)點(diǎn)裝載全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)接收器，用以確定節(jié)點(diǎn)位置。但是，由于經(jīng)濟(jì)因素、節(jié)點(diǎn)能量制約和GPS對(duì)于部署環(huán)境有一定要求等條件的限制，導(dǎo)致方案的可行性較差。關(guān)于定位的術(shù)語(yǔ)有[8]：錨節(jié)點(diǎn)(anchors):也稱(chēng)為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)、燈塔節(jié)點(diǎn)等，可通過(guò)某種手段自主獲取自身位置的節(jié)點(diǎn)；普通節(jié)點(diǎn)(normalnodes):也稱(chēng)為未知節(jié)點(diǎn)或待定位節(jié)點(diǎn)，預(yù)先不知道自身位置，需使用錨節(jié)點(diǎn)的位置信息并運(yùn)用一定的算法得到估計(jì)位置的節(jié)點(diǎn)；鄰居節(jié)點(diǎn)(neighbornodes):傳感器節(jié)點(diǎn)通信半徑以內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)；跳數(shù)(hopcount):兩節(jié)點(diǎn)間的跳段總數(shù)；跳段距離(hopdistance):兩節(jié)點(diǎn)之間的每一跳距離之和；連通度(connectivity):一個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有的鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)目；基礎(chǔ)設(shè)施(infrastructure):協(xié)助節(jié)點(diǎn)定位且已知自身位置的固定設(shè)備，如衛(wèi)星基站、GPS等。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要分為7種[1]：定位精度：定位技術(shù)首要的評(píng)價(jià)指標(biāo)就是定位精確度，其又分為絕對(duì)精度和相對(duì)精度。絕對(duì)精度是測(cè)量的坐標(biāo)與真實(shí)坐標(biāo)的偏差，一般用長(zhǎng)度計(jì)量單位表示。相對(duì)誤差一般用誤差值與節(jié)點(diǎn)無(wú)線射程的比例表示，定位誤差越小定位精確度越高。規(guī)模：不同的定位系統(tǒng)或算法也許可以在一棟樓房、一層建筑物或僅僅是一個(gè)房間內(nèi)實(shí)現(xiàn)定位。另外，給定一定數(shù)量的基礎(chǔ)設(shè)施或一段時(shí)間，一種技術(shù)可以定位多少目標(biāo)也是一個(gè)圖2元胞自動(dòng)機(jī)組成示意圖3.存在的問(wèn)題與研究前景截至目前，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位研究已廣泛開(kāi)展并取得了許多研究成果，但仍存在著一些沒(méi)有被解決或被發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，目前最為關(guān)鍵的問(wèn)題仍然是WSN節(jié)點(diǎn)的能耗問(wèn)題，一切的定位算法應(yīng)該在精度和能量消耗上選取一個(gè)較為折衷的效果。目前存在的問(wèn)題及相應(yīng)可能的解決方案總結(jié)如下[1]：第一，實(shí)用性差。大部分基于非測(cè)距的定位算法只是停留在理論研究階段，且大都是在仿真環(huán)境下進(jìn)行的，需要假設(shè)很多不確定因素，而這些因素在實(shí)際應(yīng)用中往往不能滿足，則這些算法就失去了實(shí)際的意義。因此定位算法的設(shè)計(jì)應(yīng)該更多的從實(shí)際應(yīng)用上考慮，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況設(shè)計(jì)實(shí)用的定位算法。第二，應(yīng)用環(huán)境單一。多數(shù)的算法都是針對(duì)特定的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行設(shè)計(jì)的，也就是說(shuō)，每個(gè)算法都只能解決特殊的問(wèn)題或應(yīng)用于特定的場(chǎng)景，一旦環(huán)境發(fā)生變動(dòng)，算法或系統(tǒng)的測(cè)量誤差將增大甚至不再適用。因此，探索更具通用性的定位算法或定位系統(tǒng)，將其應(yīng)用于更為復(fù)雜多變的環(huán)境中是一項(xiàng)新的挑戰(zhàn)。第三，受硬件限制。在實(shí)際定位中，一些算法由于受到傳感器節(jié)點(diǎn)硬件成本和性能的限制，如某些算法需要在定位節(jié)點(diǎn)上增加GPS，超聲波收發(fā)器，有向天線陣列等設(shè)備，增加了節(jié)點(diǎn)硬件成本，阻礙了其在實(shí)際定位系統(tǒng)中的應(yīng)用。因此，算法設(shè)計(jì)應(yīng)多考慮WSN節(jié)點(diǎn)的實(shí)際情況，如只在部分節(jié)點(diǎn)上增加額外硬件，或根據(jù)實(shí)際節(jié)點(diǎn)資源受限情況采用其他定位算法等。第四，能量受限。測(cè)量精度、容錯(cuò)性和能量消耗等問(wèn)題也是目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的熱點(diǎn)，更是定位技術(shù)研究的熱點(diǎn)。通常情況下，高測(cè)量精度和低能量消耗不可兼得，往往需要在測(cè)量精度和能量消耗上進(jìn)行有效的折衷。因此，可以在提高儲(chǔ)能設(shè)備的容量，或利用可能的外界環(huán)境資源為節(jié)點(diǎn)提供能量方向進(jìn)行研究，另外，提出高效、節(jié)能、符合實(shí)際情況的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法將具有現(xiàn)實(shí)的意義。第五，安全和隱私問(wèn)題。在大范圍部署的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，安全和隱私的問(wèn)題也是一個(gè)主要的研究方向。一方面，一些應(yīng)用需要節(jié)點(diǎn)位置信息，另一方面，向一些不需要知道位置的節(jié)點(diǎn)透露位置信息則會(huì)使網(wǎng)絡(luò)面臨安全問(wèn)題。此外，鑒于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)，集中式算法在后臺(tái)處理定位程序也使得節(jié)點(diǎn)的位置信息通過(guò)層層傳遞被過(guò)多的節(jié)點(diǎn)所知曉，因此分布式算法相對(duì)于集中式算法可以減少信息傳遞次數(shù)，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全性。4.小結(jié)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事和民用領(lǐng)域都有著廣泛的潛在用途，是當(dāng)前技術(shù)研究的熱點(diǎn)。結(jié)合近年來(lái)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位的基本概念、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)以及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了概述，重點(diǎn)對(duì)基于測(cè)距和基于非測(cè)距的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法進(jìn)行了分析，并列舉了新型WSN定位的算法，總結(jié)了目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位領(lǐng)域研究存在的問(wèn)題和一些可以研究的內(nèi)容和方向。希望本文能夠?yàn)闊o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位相關(guān)領(lǐng)域的研究者提供一些參考和幫助。參考文獻(xiàn)：[1]孫利民，李建中，陳渝等.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京:清華大學(xué)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，史龍，任豐原.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的自身定位系統(tǒng)和算法[J].軟件學(xué)報(bào)，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