无线传感器网络期末卷

无线传感器网络期末卷（精选8篇）

无线传感器网络期末卷 第1篇

无线 传感器网络平安机制

平安是系统可用的前提 , 需要在保证通信平安的前提下 , 降低系统开销 , 研究可行的平安算法。由于无线传感器网络受到平安威胁和移动 ad hoc 网络不同 , 所以现有的网络平安机制无法应用于本领域 , 需要开发专门协议。

目前主要存在两种思路简介如下 :

一种思想是从维护路由安全的角度动身 , 寻找尽可能平安的路由以保证网络的平安。如果路由协议被破坏导致传送的消息被篡改 , 那么对于应用层上的数据包来说没有任何的平安性可言。

一种方法是有安全意识的路由 ” SA R , 其思想是找出真实值和节点之间的关系 , 然后利用这些真实值去生成安全的路由。该方法解决了两个问题 , 即如何保证数据在平安路径中传送和路由协议中的信息平安性。这种模型中 , 当节点的平安等级达不到要求时 , 就会自动的从路由选择中退出以保证整个网络的路由安全。可以通过多径路由算法改善系统的稳健性 ( robust , 数据包通过路由选择算法在多径路径中向前传送 , 接收端内通过前向纠错技术得到重建。

另一种思想是把着重点放在平安协议方面 , 此领域也出现了大量的研究效果。假定传感器网络的任务是为高级政要人员提供平安维护的 , 提供一个平安解决方案将为解决这类安全问题带来一个合适的模型，

具体的技术实现上 , 先假定基站总是正常工作的 , 并且总是平安的 , 满足必要的计算速度、存储器容量 , 基站功率满足加密和路由的要求 ; 通信模式是点到点 , 通过端到端的加密保证了数据传输的平安性 ; 射频层总是正常工作。

基于以上前提 , 典型的无线 传感器网络平安 问题：

a 信息被非法用户截获 ;

b 一个节点遭破坏 ;

c 识别伪节点 ;

d 如何向已有传感器网络添加合法的节点。

此方案是不采用任何的路由机制。此方案中 , 每个节点和基站分享一个唯一的 64 位密匙 Keyj 和一个公共的密匙 KeyBS, 发送端会对数据进行加密 , 接收端接收到数据后根据数据中的地址选择相应的密匙对数据进行解密。

无线 传感器网络平安 中的两种专用安全协议 :

平安网络加密协议 SNEP SensorNetwork Encryp tion Protocol 和基于时间的高效的容忍丢包的流认证协议μ TESLA SNEP 功能是提供节点到接收机之间数据的鉴权、加密、刷新 , μ TESLA 功能是对广播数据的鉴权。因为无线传感器网络可能是安排在敌对环境中 , 为了防止供给者向网络注入伪造的信息 , 需要在无线传感器网络中实现基于源端认证的平安组播。但由于在无线传感器网络中 , 不能使用公钥密码体制 , 因此源端认证的组播并不容易实现。传感器网络平安协议 SP INK 中提出了基于源端认证的组播机制 uTESLA , 该方案是对 TESLA 协议的改进 , 使之适用于传感器网络环境。其基本思想是采用 Hash 链的方法在基站生成密钥链 , 每个节点预先保管密钥链最后一个密钥作为认证信息 , 整个网络需要坚持松散同步 , 基站按时段依次使用密钥链上的密钥加密消息认证码 , 并在下一时段公布该密钥。

无线传感器网络期末卷 第2篇

实验报告

2015 5--2016 6 学年第 一 学期

开 课 单 位

海洋信息工程学院

适用年级、专业

课 程 名 称

无线传感器网络

主 讲 教 师

王晓莹

课 程 序 号

1510344

课 程 代 码

BS1620009X0

实 验 名 称

ns2 实验环境配置及应用

实 验 学 时学时

学

号

姓

名

一、

实验目的1)掌握虚拟机的安装方法。

2)熟悉 Ubuntu 系统的基本操作方法。

3)掌握 ns2 环境配置。

4)掌握 tcl 语言的基本语句及编程规则。

5)了解使用 ns2 进行网络仿真的过程。

二、

实验环境

1)系统：Windows 10 专业版 64 位 2)内存：8G 3)软件：VMware Workstation 12 Pro 三、实验内容

((一 一))安装虚拟机（简述安装步骤）

a)在 VMware 官网（https://#allinone 复制到根目录，解压到当前位置 tar xvfz ns-allinone-2.35.tar.gz

在根目录下打开 ns-allinone-2.35 文件夹，在里面找到 ns-2.35 打开找 linkstate文 件 夹，打 开 里 面 的 ls.h 文 件，将 第 137 行 的 void eraseAll(){ erase(baseMap::begin(), baseMap::end());} 改成 void eraseAll(){ this->erase(baseMap::begin(), baseMap::end());}

运行 cd./ns-allinone-2.35 运行./install #进行安装

d)设置环 境变量：

终端中输入 cd，返回根目录，然后

sudo gedit.bashrc 在文件末尾加入：

export PATH=“$PATH:/home/kevin/ns-allinone-2.35/bin:/home/kevin/ns-allinone-2.35/tcl8.5.10/unix:/home/kevin/ns-allinone-2.35/tk8.5.10/unix” export LD_LIBRARY_PATH=“$LD_LIBRARY_PATH:/home/kevin/ns-allinone-2.35ns-allinone-2.35/otcl-1.14:/home/kevin/ns-allinone-2.35/lib” export TCL_LIBRARY=“$TCL_LIBRARY:/home/kevin/ns-allinone-2.35/tcl8.5.10/library” 保存退出

e)验证 完成后在新终端窗口 输入 ns 出现%

测试：

ns./ns-allinone-2.35/ns-2.35/tcl/ex/simple.tcl

输入 exit 退出 ns2

((四 四))l tcl 语言基本使用（举例说明）

a)创建 test01.tcl 文件，编辑 test01.tcl 文件,在终端输入 touch test01.tcl #创建文件 gedit test01.tcl #编辑文件 b)在 test01.tcl 中输入“九九乘法表”TCL 语言

c)运行 test01.tcl，结果如图：

((五 五))网络仿真（可以选示例，也可以自己参考资料设计仿真）

((六 六))遇到的问题及解决方法

1.Ns2 验证：安装完成后在新终端窗口 输入 ns 不出现 %

使用 sudo apt-get install ns2 安装后新窗口输入 ns 出现 %

2.TCL 语言测试：找不到 tk.tcl

ns./ns-allinone-2.35/ns-2.35/tcl/ex/simple.tcl 提示找不到 tk.tcl，因为没安装 nam，输入命令 sudo apt-get install nam 安装成功，再验证就可以了。

四、

实验总结

用无线传感器组成无线传感器网络 第3篇

无线传感器网络要想得到广泛采用,必须适合实际部署,并能够可靠

地运行很多年(通常超过10年)。为了实现这样的目标,无线传感器网络必须满足一些关键要求:

·在任何地方都能够放置传感器一测量点必须置于最适合检测的地方,但这种地方未必最适合通信。因此,放置传感器节点的地方常常未必便于通信连接或便于连接电力基础设施,而是常常处于富挑战性的RF环境中(例如,靠近大地、在隧道中、在汽车底下或深入机器内部)。

·很少需要维护一无线传感器网络必须能够在绝大部分情况下进行自我维护,而且任何物理维护(例如更换电池)都必须在无需“上门服务”或没有技术人员到场的情况下完成。例如,在智能停车应用中,嵌入到街道下面的电池供电传感器仅在满足如下条件时才允许使用:其更换周期与道路定期维修周期相同,而道路定期维修通常为5至7年才进行一次。在其他应用中,无线传感器网络要能够连续使用10年以上。

·通信可靠性一必须能够可靠地与所有传感器通信,尽管这些传感器可能位于非常严苛的RF环境中。

·可扩展性一无线传感器网络必须满足各种类似但又不完全相同的部署要求,例如适合各种网络规模(无线传感器节点数量及覆盖的地域范围)、深度(即节点与数据出口点之间的无线跳转次数)及大小不同的数据流量等。

在不可预测的介质上建立可预测的网络

如果不做出折中,低功率难以实现一有很多无线传感器联网方法是针对低功耗运行情况而设计的。有些无线网络(例如ZigBee)仅在网络边缘处的检测设备上实现低功率,但任何传送节点都需要线路功率。其他一些网络则引入了基本的占空比方法,称为“信标”,采用这种方法时,整个网络在很长的时段内停机,处于低功率休眠模式,但是这种方法牺牲了网络可用性和网络总体容量。然而,针对物联网的应用,无线传感器网络必须能够满足规模非常大的网络需求,并按照均匀的时间间隔发布数据。因此挑战是,在不牺牲可靠性或网络可用性的前提下实现低功率。

RF环境是不可预测—RF是一种不可预测的通信介质。在有线通信环境中,通信信号通过电缆系统屏蔽,与外界隔离,与此不同,RF露天传播,需要与周围环境互动。但是RF传输源有可能引起有源干扰。较常见的是多径衰落的影响,即RF信号遇到周围表面后,反射回来的异相信号可能衰减RF信号本身。手机用户每天都会遭遇多径衰落问题,例如手机可能在一个地点信号强度不佳,但是只需移动几厘米,信号强度就可得到改善。此外,多径衰落影响随时间变化而改变,因为附近的反射表面(例如人、车、门等)一般会移动。最终结果是,随着时间变化,任何RF通道都会遭遇信号质量显著变化的问题。不过,既然多径衰落对每个RF通道的影响是不同的,那么用通道跳频实现频率多样性,可以最大限度地减小多径衰落的负面影响。因此无线传感器网络面临的挑战就变成,能否在大型网络上采用可多次跳转的跳频方法。

时间同步通道跳频网状网络

采用凌力尔特公司的Dust Networks产品部率先开发的时间同步通道跳频(Time Synchronized Channel Hopping,简称TSCH)网状网络,可以实现可靠的低功率无线传感器网络,而且这种网络在某些最严苛的环境中已经得到证实。TSCH已经成为WirelessHART(IEC62591)等现有工业无线标准的基本构件,也是实现新兴和基于IP协议的无线传感器网络标准的有利部份。

在TSCH网络中,每个节点都有一个共同的时间标准,整个网络的准确度在几十微妙内。网络通信安排在各个时隙中,以实现低功率数据包交换、配对的通道跳频和全面的路径多样性。

低功率数据包交换一采用TSCH允许节点在预定的通信操作之间处于超低功耗的休眠状态。每个设备仅在发送数据包或检测相邻设备是否发送数据包时才处于工作状态。更重要的是,因为每个节点都知道自己的设定唤醒时间,所以每个节点都始终可用于转发相邻设备的信息。因此,TSCH网络常常达到<1%的占空比,同时保持网络完全可用。此外,因为每个数据包的收发时间都是设定好的,所以在TSCH网络中不存在网络内数据包碰撞问题。网络可以很密集和增加规模,而不会产生逐渐衰减的RF自干扰。

配对的通道跳频一时间同步允许在每对发送器接收器上进行通道跳频,实现频率多样性。在TSCH网络中,每个数据包交换通道都会跳频,以避开不可避免的RF干扰和衰落。此外,不同成对设备之间的多通道传输可能同时在不同的通道上发生,从而扩大了网络带宽。

全面的路径和频率多样性一每个设备都有冗余路径,以克服由干扰、物理障碍或多径衰落引起的通信中断问题。如果一条路径上的数据包传输失败,那么节点将自动尝试下一条可用路径和不同的RF通道。与其他网状网络技术不同,TSCH网络不需要由电源供电的路由器和耗费时间的路径再发现。

基于TSCH的网络已经成功用于多种应用,例如智能停车应用[1],在数据中心中监视能效[2],用于工厂[3]中。诸如管道监视、桥梁及隧道的结构监视以及电力传输线监视等很多应用都要求无线传感器网络跨越很长的距离。然而,跨越这么长的距离建立无线网络并成功保持可靠性和低功率,需要一种更加富有挑战性的拓扑。按照定义,深跳网络意味着,来自最远节点的信息需要经过很多次跳转,才能到达目的地。尽管这么做能够使单一网络覆盖很大的地理范围,而且收发器的功率相对较低,但是这种方法有时会产生一个问题,即一个覆盖面积很大的网络是否能够成功保持所有无线节点都有均匀的数据流量,以及是否能够以可接受的延迟和电流消耗,保持这样的数据流量。

案例分析—深跳网状网络

为了描述这类网络的特征,我们用Dust Networks的SmartMesh IP网络构建了一个100个节点、32跳的深跳网络,并对其进行了测量。100个节点中的每一个都是每隔30秒产生并发送一个数据包,预计每个数据包的接收都在30秒的延迟时间内完成(即在同一节点产生下一个数据包之前完成)。

该深跳网络是由真实的无线设备构成的,其中7款设备(以编号1～7表示)直接与管理器通信。设备8～10通过上述7个节点通信,其余设备(设备11～101)在编号位于其前后3个设备的覆盖范围之内。例如,设备50在设备47、48、49、51、52和53的覆盖范围之内。在这种拓扑中,到达设备101的最小传输(跳转)次数为32,尽管实际上大多数数据包需要更多跳转次数。

截至本文截稿时,这个网络已经连续运行52天。总共接收了1700万个数据包,由于跳转深度和重试,所以进行了总数超过4亿次的单独传输。在所发送的1700万个数据包中,一个都没丢,因此数据传输可靠性达到了100%。在这些数据包中,约针对2.5万个提交了“健康报告”,即节点周期性发送的诊断信息。

对延迟和电流消耗的分析

每个数据包在传感器节点上产生时以及在管理器上接收时,都有时间戳,因此每个数据包的延迟都可以监视。图3所示是这个网络在一个超过90分钟的时段内的数据分布情况。正如所预期的那样,编号较大的那些节点,即处于网络较深处的节点,延迟时间较长,每个数据包的变化也较大,因为路径选择随深度加大而成指数上升。尽管这样,来自最远节点(编号101)的数据包全部在不到30秒的预定延迟时间内到达了目的地。

所有节点内部都保持一份所消耗电池电量的数据,并周期性地向管理器报告这一信息。从这一信息中,可以画出整个网络的平均电流曲线,如图4所示。编号较小的节点之电流消耗最大,因为这些节点需要传输来自较远节点的数据流量。如图4所示,在这个32跳的深跳网络中,即使负载最重的路由器,平均电流消耗也仅为几百微安。既然电流消耗这么低,那么路由节点就可以用一对D-cell锂电池供电,可持续工作超过15年。

结论

在富有挑战性的应用中,基于时间同步通道跳频的SmartMesh IP网络通常提供>99.999%的数据可靠性,功耗也非常低。因为用相当小的锂电池可工作10至15年,所以无线传感器实际上可以放置在任何地方,从而可实现真正城市级的物联网应用。

参考文献

[1]Streetline[R/OL].www.linear.com/docs/41387

[2]Vigilenl(R/OL].www.linear.com/docs/41384

无线传感器网络的密钥管理 第4篇

无线传感器网络期末卷 第5篇

常清

摘 要：无线传感器网络是继因特网之后对人类生活产生重大影响的技术，它在逻辑上将虚

幻的信息和真实的物理世界联系起来。无线传感器网络是由大量无处不在的、具有通信与计 算能力的微小传感器节点密集地布设在无人值守的监控区域而构成的能够根据环境自主完 成指定任务的智能自治测控网络系统。它能为人类生活带来不可估量的好处，所以，传感器 网络的路由协议的设计也是对人类的一项挑战，需要利用节点有限的能量更好的为人类服 务。目前已有多种路由协议，但其分类方式不是很清晰，本文以节点的传播方式为出发点，对几种典型的路由协议给予重新分类，并对其进行分析，最后选出相对好的类别。

1.引言

随着微电子技术、计算技术和无线通信技术的进步，多功能传感器快速发展，进而使无 线传感器网络（wireless sensor network, WSN）成为目前研究热点。WSN 是由部署在检测区域内的大量廉价微型传感器节点组成，形成一个多跳的自组织网络系统，使其在小体积内集成信息采集、数据处理和无线通信等功能，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并提供给终端用户。WSN 能够广泛应用于军事、环境检测和预报、健康护理、智能家居、建筑物状态监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理、以及机场、大型工业园区的安全检测和其他商业等领域，且将逐渐深入到人类生活的各个领域。本文首先简要说明衡量路由协议的四个标准，然后就WSN 中路由协议的几种路由协议提出新的分类方法并利用标准加以比较。

2.路由协议的衡量标准

无线传感器网络的路由协议不同于传统网络的协议，它具有能量优先、基于局部的拓扑 信息、以数据为中心和应用相关四个特点，因而，根据具体的应用设计路由机制时，从四个 方面衡量路由协议的优劣【1】：（1）能量高效

传统路由协议在选择最优路径时，很少考虑节点的能量问题。由于无线传感器网络 中节点的能量有限，传感器网络路由协议不仅要选择能量消耗小的消息传输路径，更要 能量均衡消耗，实现简单而且高效的传输，尽可能地延长整个网络的生存期。（2）可扩展性

无线传感器网络的应用决定了它的网络规模不是一成不变的，而且很容易造成拓扑 结构动态发生变化，因而要求路由协议有可扩展性，能够适应结构的变化。具体体现在 传感器的数量、网络覆盖区域、网络生命周期、网络时间延迟和网络感知精度等方面。（3）鲁棒性

无线传感器网络中，由于环境和节点的能量耗尽造成传感器的失效、通信质量的降 低使网络变得不可靠，所以在路由协议的设计过程中必须考虑软硬件的高容错性，保障 网络的健壮性。

4）快速收敛性

由于网络拓扑结构的动态变化，要求路由协议能够快速收敛，以适应拓扑的动态变 化，提高带宽和节点能量等有限资源的利用率和消息传输效率。

3.路由协议的分类

针对不同传感器网络的应用，研究人员提出了不同的路由协议，目前已有的分类方式主 要有两种：按网络结构可以分为平面路由协议、分级网络路由协议和基于位置路由协议；按 协议的应用特征可以分为基于多径路由协议、基于可靠路由协议、基于协商路由协议、基于 查询路由协议、基于位置路由协议和基于QoS 路由协议。但这种分类方式太过分散，没有 整体概念，本文就各个协议的不同侧重点提出一种新的分类方法，把现有的代表性路由协议 按节点的传播方式划分为广播式路由协议、坐标式路由协议和分簇式路由协议。下面进行详 细的介绍和分析。

4.广播式路由协议

4.1 扩散法（Flooding）

扩散法是一种传统的网络通信路由协议。它实现简单，不需要为保持网络拓扑信息和实 现复杂的路由算法消耗计算资源，适用于健壮性要求高的场合。但是，扩散发存在信息爆炸 问题，即能出现一个节点可能得到数据多个副本的情况，而且也会出现部分重叠的现象，此 外，扩散法没有考虑各节点的能量，无法作出相应的自适应路由选择，当一个节点能量耗尽，网络就死去。

具体实现：节点 A 希望发送数据给节点B，节点A 首先通过网络将数据的副本传给其 每一个邻居节点，每一个邻居节点又将其传给除A 外的其他的邻居节点，直到将数据传到B 为止或者为该数据设定的生命期限变为零为止或者所有节点拥有此副本为止。

4.2 定向路由扩散DD（Directed Diffusion）

C.Intanagonwiwat【2】等人为传感器网络提出一种新的数据采集模型，即定向路由扩散。它通过泛洪方式广播兴趣消息给所有的传感器节点，随着兴趣消息在整个网络中传播，协议 逐跳地在每个传感器节点上建立反向的从数据源节点到基站或者汇聚节点的传输梯度。该协 议通过将来自不同源节点的数据聚集再重新路由达到消除冗余和最大程度降低数据传输量 的目的，因而可以节约网络能量、延长系统生存期。然而，路径建立时的兴趣消息扩散要执 行一个泛洪广播操作，时间和能量开销大。

具体实现：首先是兴趣消息扩散，每个节点都在本地保存一个兴趣列表，其中专门存在 一个表项用来记录发送该兴趣消息的邻居节点、数据发送速率和时间戳等相关信息，之后建 立传输梯度。数据沿着建立好的梯度路径传输。

4.3 谣传路由（Rumor Routing）

D.Braginsky【3】等人提出的适用于数据传输量较小的无线传感器网络高效路由协议。其 基本思想是时间监测区域的感应节点产生代理消息，代理消息沿着随机路径向邻居节点扩散 传播。同时，基站或汇聚节点发送的查询消息也沿着随机路径在网络中传播。当查询消息和 代理消息的传播路径交叉在一起时就会形成一条基站或汇聚节点到时间监测区域的完整路 径。

具体实现：每个传感器节点维护一个邻居列表和一个事件列表，当传感器节点监测到一 个事件发生时，在事件列表中增加一个表项并根据概率产生一个代理消息，代理消息是一个 包含事件相关信息的分组，将事件传给经过的节点，收到代理消息的节点检查表项进行更新 和增加表项的操作。节点根据事件列表到达事件区域的路径，或者节点随机选择邻居转发查 询消息。

4.4 SPIN（Sensor Protocols for Information via Negotiation）

W.Heinzelman【4】等人提出的一种自适应的SPIN 路由协议。该协议假定网络中所有节 点都是Sink 节点，每一个节点都有用户需要的信息，而且相邻的节点拥有类似的数据，所 以只要发送其他节点没有的数据。SPIN 协议通过协商完成资源自适应算法，即在发送真正 数据之前，通过协商压缩重复的信息，避免了冗余数据的发送；此外，SPIN 协议有权访问

每个节点的当前能量水平，根据节点剩余能量水平调整协议，所以可以在一定程度上延长网 络的生存期。

具体实现：SPIN 采用了3 种数据包来通信：ADV 用于新数据的广播，当节点有数据 要发送时，利用该数据包向外广播；REQ 用于请求发送数据，当节点希望接收数据时，发 送该报文；DATA 包含带有Meta-data 头部数据的数据报文；

当一个传感器节点在发送一个 DATA 数据包之前，首先向其邻居节点广播式地发送ADV 数据包，如果一个邻居希望接收该DATA 数据包，则像该节点发送REQ 数据包，接着节点向其邻居节点发送DATA 数据包。

4.5 GEAR（Geographical and Energy Aware Routing）

Y.Yu 等人提出了GEAR 路由协议，即根据时间区域的地址位置，建立基站或者汇聚节 点到时间区域的优化路径。把GEAR 划分为广播式路由协议有点牵强，但是由于它是在利 用地理信息的基础上将数据发送到合适区域，而且又是基于DD 提出，这里仍然作为广播式 的一种。具体实现：首先向目标区域传递数据包，当节点收到数据包时，先检查是否有邻居比它更接近目标区域。如有就选择离目标区域最近的节点作数据传递的下一跳节点。如果数据包已经到达目标区域，利用递归的地理传递方式【3】和受限的扩散方式发布该数据。

5.坐标式路由协议

5.1 GEM（Graph Embedding）

J.Newsome 和D.Song 提出了建立一个虚拟极坐标系统（VPCS, Virtual Polar 的

Coordinate System）GEM 路由协议，用来代表实际的网络拓扑结构。整个网络节点形成一 个以基站或汇聚节点为根的带环树（Ringed Tree）。每个节点用距离树根的跳数距离和角度 范围两个参数表示。

具体实现：首先建立虚拟极坐标系统，主要有三个阶段：由跳数建立路由并扩展到整个 网络形成生成树型结构，再从叶节点开始反馈子树的大小，即树中包含的节点数目，最后确 定每个子节点的虚拟角度范围。建立好系统之后，利用虚拟极坐标算法发送消息，即节点收 到消息检查是否在自己的角度范围内，不在就向父节点传递，直到消息到达包含目的位置角 度的节点。另外，当实际网络拓扑结构发生变化时，需要及时更新，比如节点加入和节点失效

5.2 GRWLI（Geographic Routing Without Location Information）

A.Rao【3】等人提出了建立全局坐标系的路由协议，其前提是需要少数节点精确位置信 息。首先确定节点在坐标系中的位置，根据位置进行数据路由。关键是利用某些知道自己位 置信息的信标节点确定全局坐标系及其他节点在坐标系中的位置。

具体实现：A.Rao 等人提出了3 中策略确定信标节点。一是确定边界节点都为信标节 点，则非边界节点通过边界节点确定自己的位置信息。在平面情况下，节点通过邻居节点位 置的平均值计算。二是使用两个信标节点，则边界节点只知道自己处于网络边界不知道自己 的精确位置消息。引入两个信标节点，并通过边界节点交换信息建立全局坐标系。三是使用 一个信标节点，到信标节点最大的节点标记自己为边界节点。

6.分簇式路由协议

6.1 LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）

MIT 的Chandrakasan【5】等人为无线传感器设计的一种分簇路由算法，其基本思想是以 循环的方式随机选择簇首节点，平均分配整个网络的能量到每个传感器节点，从而可以降低 网络能源消耗，延长网络生存时间。簇首的产生是簇形成的基础，簇首的选取一般基于节点 的剩余能量、簇首到基站或汇聚节点的距离、簇首的位置和簇内的通信代价。簇首的产生算

法可以被分为分布式和集中式两种【6】，这里不予介绍。

具体实现：LEACH 不断地循环执行簇的重构过程，可以分为两个阶段：一是簇的建立，即包括簇首节点的选择、簇首节点的广播、簇首节点的建立和调度机制的生成。二是传输数 据的稳定阶段。每个节点随机选一个值，小于某阈值的节点就成为簇首节点，之后广播告知 整个网络，完成簇的建立。在稳定阶段中，节点将采集的数据送到簇首节点，簇首节点将信 息融合后送给汇聚点。一段时间后，重新建立簇，不断循环。

6.2 GAF（Geographic Adaptive Fidelity）

Y.Xu【3】等人提出的一种利用分簇进行通信的路由算法。它最初是为移动Ad Hoc 网络 应用设计的，也可以适用于无线传感器网络。其基本思想是网络区被分成固定区域，形成虚 拟网格，每个网格里选出一个簇首节点在某段时间内保持清醒，其他节点都进入睡眠状态，但是簇首节点并不做任何数据汇聚或融合工作。GAF 算法即关掉网络中不必要的节点节省 能量，同样可以达到延长网络生存期的目的。

具体实现：当划分好固定的虚拟网格之后，网络中每个节点利用 GPS 接受卡指示的位 置信息将节点本身与虚拟网格中某个点关联映射起来。网格上同一个点关联的节点对分组路 由的代价是等价的，因而可以使某个特定网格区域的一些节点睡眠，且随着网络节点数目的 增加可以极大地提高网络的寿命，在可扩展性上有很好的表现。

7.比较与分析

经过上面的简单介绍，每个协议在其设计的时候都有各自的侧重点和最优的方面，按照 衡量标准可以把以上协议做简略的比较并找出相对较好的一类协议。其中，如何提供有效的 节能，即能量有效性是无线传感器网络路由协议最首要注重的方面，可扩展性和鲁棒性是路 由协议应该满足的基本要求，而快速收敛性和网络存在的时间有紧密的联系。依据上述四个 标准，对本文所列举的路由协议的比较见表1。

由上表可见，广播式总是存在一种矛盾，当具有好的扩展性时势必以差的鲁棒性和能量 高效为代价，即以牺牲鲁棒性换取扩展性和高能量，这同时也严重影响了节点的快速收敛性。而坐标式弥补了广播式的不足，可以同时达到四个衡量标准。分簇式相对于前两种方式来说，具备了较好的性能，可以满足人们对传感器网络的一般要求。所以，以能量高效、可扩展性、鲁棒性和快速收敛性四个基本标准来衡量路由协议，分簇式是最佳的选择。

8.总结

本文首先确定了四个衡量路由协议的标准，并按一种新的方法把现有一些协议分成三 类，之后进行比较，最后得出分簇式是相对来讲最优的路由协议类。但是，分簇式只是相对 较好的协议类别，由于分簇式总是依附簇首节点的能量，即使簇首在不断的更替选出，仍有 最后某个簇首节点能量耗尽的情况，因此势必影响整体网络的生存时间。再者，由于衡量标 准的局限性，本文未能考虑安全性等方面的要求，因此得出的结论仅仅是一定的范围内比较 结果。由此，一种尽可能考虑多方面要求的路由协议仍是被期望的。参考文献

土壤水分传感器无线网络化设计 第6篇

为实现多点土壤水分传感器和现地监测终端的多点无线连接,在介绍MP-406土壤水分传感器结构原理的`基础上,分析了将增强型ZigBee技术通过微功耗PIC微处理器桥接整合到MP-406土壤水分传感器中,实现土壤水分传感器的无线网络化的具体设计.利用无线网络化技术能组成实用的土壤墒情在线监测系统,且组网简单灵活.

作 者：王吉星 丘宗书 WANG Ji-xing QIU Zong-shu 作者单位：王吉星,WANG Ji-xing(水利部南京水利水文自动化研究所,江苏,南京,210012)

丘宗书,QIU Zong-shu(云南省水文水资源局红河分局,云南,开远,661000)

无线传感器网络多目标跟踪的介绍 第7篇

无线传感器网络目标跟踪一直作为研究的热点，之前的研究多是单目标的跟踪，通过传感器网络的多个或全部节点协作跟踪同一个目标。

Mechitov K 等利用二元检测 ( binary-detect 协作跟踪的思想，通过目标是否处于传感器侦测距离之内或者之外，根据多个传感器的协作确定目标的位置，这种方法需要节点间的时钟同步，并要求节点知道自身的位置信息； Zhao F 等利用信息驱动 ( information-driven 协作跟踪的思想，利用传感器节点侦测到信息和接收的其他节点的侦测信息判断目标可能的运动轨迹，唤醒合适的传感器节点在下一时刻参与跟踪活动，由于有合适的预测机制，可有效的减少节点间的通讯，从而节省节点有限的能量资源和通讯资源； Zhang W S 等在解决无线传感器网络单目标跟踪时提出了传送树 ( convei tree 跟踪算法，这种算法是一种分布式算法，而之前的大多数跟踪算法为集中式的传送树是一种由移动目标附近的节点组成的动态树型结构，并且会随着目标的移动动态地添加或者删除一些节点，保证对目标进行高效跟踪的同时减少节点间的通信开销。

当前的目标跟踪算法主要是针对不同环境下的单目标跟踪，如何以较低的能量代价高效地融合有效的信息，增大丈量精度和延长网络生存期，并解决多目标跟踪，成为目前研究无线传感器网络目标跟踪的热点。研究无线传感器网络多目标跟踪时需要考虑能量有限；跟踪算法的分布式以延长网络寿命；传感器的量测可能是多个目标的合成量测，这些给传统的多目标跟踪算法带来了挑战。

Jaewon Shin 采用分布式的多尺度框架，用转移矩阵的思想，优化解决多目标识别的计算量问题，该算法通过局部节点信息更新给出全局的目标信息，该算法框架在解决无线传感器网络多目标跟踪时有一定的可行性； Lei Chen 等也提出了采用分布式数据关联的算法解决无线传感器网络多目标跟踪； Mauric Chu 采用贝叶斯估计的方法，解决多目标跟踪的数据关联问题，并采用分布式的算法实现了无线传感器网络多目标跟踪，

无线传感器网络多目标跟踪

线传感器网络跟踪是传感器网络的主要用途之一，也是一个难点和关键问题，同时具有很多商业和军事应用的基本要素，如交通监控、机构平安和战场状况获取等。利用无线传感器网络中的节点协同跟踪，无线传感器网络技术应用的一个很重要的方面。

最早的无线传感器网络系统跟踪实验是美国 DA RPA Defens Advanc Research Project Agenci SensIT 项目中一些跟踪方法实现。现在许多跟踪应用方案依然处于研究阶段。由于传感器节点存在很多硬件资源的限制，还经常遭受外界环境的影响，无线链路易受到干扰，网络拓扑结构动态变化，而传感器网络的活动目标跟踪应用具有很强的实时性要求，因此，许多传统的跟踪算法并不适用于传感器网络。活动目标跟踪在雷达领域研究多年，效果很多经典的活动目标跟踪是单传感器跟踪系统，发展了如最近邻法 ( NN 集合论描述法、广义相关法、经典分配法、多假设法、概率数据关联 ( PDA 法、联合数据互联 ( JPDA 法、交互多模型 ( IMM 法等数据互联算法。

无线传感器网络综述 第8篇

近年来随着传感器、计算机、无线通信及微机电等技术的发展和相互融合, 产生了无线传感器网络 (WSN, wireless sensor networks) 。无线传感器网络技术与当今主流无线网络技术使用同一个标准——802.15.14, 它是一种新型的信息获取和处理技术。无线传感网络综合了嵌入式计算技术、传感器技术、分布式信息处理技术以及通信技术, 能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的不同监测对象的信息。它的应用极其广泛, 当前主要应用于国防军事、智能建筑、国家安全、环境监测、医疗卫生、家庭等方面。

无线传感器网络系统 (WSNS, wireless sensor networks system) 通常由传感器节点、聚节点和管理节点组成。它的结构图如图1。传感器节点负责将所监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输, 经过多跳路由, 然后到达汇聚节点, 最后通过卫星或者互联网到达管理节点, 然后, 用户1通过管理节点对传感器网络进行管理, 发布监测任务及收集监测数据。通过无线传感器网络可以实现数据采集、数据融合、任务的协同控制等。

1 无线传感器网络特点

目前常见的无线网络包括移动通信网、Ad Hoc网络、无线局域网、蓝牙网络等, 与这些网络相比, 无线传感器网络具有以下特征:

(1) 硬件资源有限

由于受到价格、硬件体积、功耗等的限制, WSN节点的信号处理能力、计算能力有限, 在程序空间和内存空间上与普通的计算机相比较, 其功能更弱。

(2) 电源容量有限

由于受到硬件条件的限制, 网络节点通常由电池供电, 电池能量有限。同时, 无线传感网络节点通常被放置在恶劣环境或者无人区域, 使用过程中, 不能及时给电池充电或更换电池。

(3) 无中心

无线传感器网络中没有严格的中心节点, 所有节点地位平等, 是一个对等式网络。每一个节点仅知道自己邻近节点的位置及相应标识, 无线传感器网络利用相邻节点之间的相互协作来进行信号处理和通信, 它具有很强的协作性。

(4) 自组织

网络的布设和展开不需要依赖于任何预设的网络设备, 节点通过分层协议和分布式算法协调各自的监控行为, 节点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的无线网络。

(5) 多跳路由

在无线传感器网络中, 节点只能同它的邻居直接通信。如果想与其射频覆盖范围之外的节点进行数据通信, 则需要通过中间网络节点进行路由。无线传感器网络中的多跳路由是由普通网络节点来完成的, 没有专门的路由设备。

(6) 动态拓扑

无线传感器网络是一个动态的网络, 节点能够随处移动;一个节点可能会因为电池能量用完或其他故障原因, 退出网络运行;一个节点也可能由于某种需要而被添加到当前网络中。这些都会使网络的拓扑结构发生变化, 因此无线传感器网络具有动态拓扑组织功能。

(7) 节点数量多, 分布密集

为了对一个区域执行监测, 往往需要很多的传感器节点被放置到该区域。传感器节点分布非常密集, 通常利用节点之间高度连接性来保证系统的抗毁性和容错性。

2 无线传感器网络协议栈

无线传感器网络协议栈由以下五部分组成:物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层, 与互联网协议栈的五层协议相对应, 其结构如图2。

2.1 物理层

物理层主要负责感知数据的收集, 并对收集的数据进行采样、信号的发送和接收、信号的调制解调等任务。在物理层中的主要安全问题是建立有效的数据加密机制。由于对称加密算法的局限性, 它不能在WSN中很好的发挥作用, 因而如何使用高效的公钥算法是WSN有待解决的问题。

2.2 数据链路层

数据链路层主要负责媒体接入控制和建立网络节点之间可靠通信链路, 为邻居节点提供可靠的通信通道, 主要由介质访问控制层组成。介质访问控制层使用载波监听方式来与邻节点协调使用信道, 一旦发生信道冲突, 节点使用相应的算法来确定重新传输数据的时机。无线传感器网络的介质访问控制协议通常采用基于预先规划的机制来保护节点的能量。

2.3 网络层

网络层的主要任务是发现和维护路由。正常情况下, 无线传感器网络中的大量传感器节点分布在一个区域里, 消息可能需要经过多个节点才能到达目的地, 且由于传感器网络的动态性, 使得每个节点都需要具有路由的功能。节点一般采用多跳路由连接信源和信宿。

2.4 传输层

由于无线传感器网络节点的硬件限制, 节点无法维持端到端连接的大量信息传输, 而且节点发送应答消息也会消耗大量能量, 因而, 目前还没有成熟的关于传感器节点上的传输层协议的研究。汇聚节点只是传感器网络与外部网络的接口。

2.5 应用层

应用层主要负责为无线传感器网络提供安全支持, 即实现密钥管理和安全组播。无线传感器网络的应用十分广泛, 其中一些重要的应用领域有:军事方面, 无线传感器网络可以布置在敌方的阵地上, 用来收集敌方一些重要目标信息, 并跟踪敌方的军事动向:环境检测方面, 无线传感器网络能够用来检测空气的质量, 并跟踪污染源;民用方面, 无线传感器网络也可用来构建智能家居和个人健康等系统。

3 安全性需求

基于无线传感器网络的特殊性, 形成了与其他网络系统不同的网络安全特性, 并能直接应用到实际的无线传感网络中。归纳为以下几个方面:

3.1 鲁棒性

传感器网络一般被放置在恶劣环境、无人区域或敌方阵地中, 环境条件、现实威胁和当前任务具有不确定性, 它需要设计具有抵抗节点故障的机制。一种常用方法是部署大量节点。网络协议应该具有识别发生故障的相邻节点的能力, 并根据更新的拓扑进行相应的调节。

3.2 扩展性

WSN节点会随着环境条件的变化或恶意攻击或任务的变化而发生变化, 从而影响传感器网络的结构。同时, 节点的加入或失效也会导致网络的拓扑结构不断变化, 路由组网协议和W S N S必须适应W S N拓扑结构变化的特点。

3.3 机密性

传感器网络在数据传输过程中, 应该保证不泄露任何敏感信息。应用中, 通过密钥管理协议建立的秘密密钥和其他的机密信息, 必须保证只对授权用户公开。同时, 也应将因密钥泄露造成的影响尽可能控制在一个较小范围, 不影响整个网络的安全。解决数据机密性的常用方法是使用会话密钥来加密待传递的消息。

3.4 数据认证

由于敌方能够很容易侵入信息, 接收方从安全角度考虑, 有必要确定数据的正确来源。数据认证可以分为两种, 即两部分单一通信和广播通信。

3.5 数据完整性

在网络通信中, 数据的完整性用来确保数据在传输过程中不被敌方所修改, 可以检查接收数据是否被篡改。根据不同的数据种类, 数据完整性可分为三类:选域完整性、无连接完整性和连接完整性业务。

3.6 数据更新

表示数据是最新的, 是没有被敌手侵入过的旧信息。网络中有弱更新和强更新两种类型的更新。弱更新用于提供局部信息排序, 它不支持延时消息;强更新要求提供完整的次序, 并且允许延时估计。

3.7 可用性

它要求WSN能够按预先设定的工作方式向合法的系统用户提供信息访问服务, 然而, 攻击者可以通过信号干扰、伪造或者复制等方式使传感器网络处于部分或全部瘫痪状态, 从而破坏系统的可用性。

3.8 访问控制

WSN不能通过设置防火墙进行访问过滤;由于硬件受限, 也不能采用非对称加密体制的数字签名和公钥证书机制。WSN必须建立一套符合自身特点的、综合考虑性能、效率和安全性的访问控制机制。

4 攻击方式及采取的相应措施

无线传感网络可能遭遇多种攻击。攻击者可以直接从物理上将其破坏。另一方面, 攻击者可以通过操纵数据或路由协议报文, 在更大范围内对无线传感网络进行破坏。具体的攻击类别如下:

4.1 欺骗、篡改或重发路由信息

攻击者通过向WSN中注入大量欺骗路由报文, 或者截取并篡改路由报文, 把自己伪装成发送路由请求的基站节点, 使全网范围内的报文传输被吸引到某一区域内, 致使各传感器节点之间能效失衡。对于这种攻击方式的攻击, 通常采用数据加密技术抵御。

4.2 选择转发攻击

攻击者在俘获传感器节点后, 丢弃需要转发的报文。为了避免识破攻击点, 通常情况下, 攻击者只选择丢弃一部分应转发的报文, 从而迷惑邻居传感节点。通常采用多路径路由选择方法抵御选择性转发攻击。

4.3 DoS拒绝服务攻击

攻击者通过以不同的身份连续向某一邻居节点发送路由或数据请求报文, 使该邻居节点不停的分配资源以维持一个新的连接。对于这种攻击方式, 可以采用验证广播和泛洪予以抵御。

4.4 污水池攻击

攻击点在基站和攻击点之间形成单跳路由或是比其他节点更快到达基站的路由, 以此吸引附近的传感器以其为父节点向基站转发数据。污水池攻击“调度”了网络数据报文的传输流向, 破坏了网络负载平衡。可以采用基于地理位置的路由选择协议抵御污水池攻击。

4.5 告知收到欺骗攻击

当攻击点侦听到某个邻居节点处于将失效状态时, 冒充该邻居节点向源节点反馈一个信息报文, 告知数据已被接受。使发往该邻居节点的数据报文相当于进了“黑洞”。可以调控全球知识以抵御告知收到欺骗。

4.6 女巫攻击

攻击点伪装成具有多个身份标识的节点。当通过该节点的一条路由破坏时, 网络会选择另一条完全不同的路由, 由于该节点的多重身份, 该路由可能又通过了该攻击点。它降低了多经选路的效果。针对这种攻击方式, 可以采用鉴别技术抵御。

5 今后的研究方向

目前, 有关传感器网络的研究还处于初步阶段, 由于无线传感网络的体系结构和模型没有形成最后的标准, 无线传感器网络安全研究方面还面临着许多不确定的因素, 对于WSN而言, 仍然存在着如下有待进一步研究的问题。

5.1 安全的异常检测和节点废除

在传感器网络中, 由于被盗用节点对网络非常有害, 因而希望能即时检测和废除被盗用节点。Chan提出使用分布式投票系统来解决这个问题。

5.2 安全路由

安全的路由协议应允许在有不利活动的情况下, 继续保持网络的正常通信。传感器网络中的许多类型的攻击方式的抵御可以通过提高路由的安全设计来实现。如何设计一种高效、安全的路由有待进一步的研究。

5.3 有效的加密原语

Perrig提出了SPINS协议族, 通过该协议, 使用有效的块加密, 对于不同块进行不同的加密操作。Karlof设计了Tiny Sec, 在效率与安全性之间折中。在密钥建立和数字签名时, 如何使用有效的非对称加密机制, 是一个值得进一步研究的方向。

5.4 入侵检测问题

在数据认证和源认证之前, 有必要设计相应的方案来确认通信方是不是恶意节点。目前有些无线传感网络都是假设网络节点具有全网惟一标识, 这其实是不符合现实的。

5.5 传感器安全方案和技术方案的有机结合

根据WSN的特点, 其安全解决方案不能设计得过于复杂, 并尽可能的避免使用公钥算法。如何在不明显增加网络开销的情况下, 使性能和效率达到最佳, 并设计出相应的协议和算法有待于进一步的研究。

5.6 管理和维护节点的密钥数据库

在传感器网络中, 每个节点需要维护和保持一个密钥数据库。在网络节点存储能力有限的情况下, 如何保证密钥建立、撤消和更新等阶段动态地维护和管理数据库需要进一步的研究。

6 总结

无线传感器网络在军事和民用领域都有着广泛的潜在用途, 是当前技术研究的热点。本文从无线传感器网络的特点、无线传感网络的协议栈、安全需求、可能受到的安全攻击及相应的防御方法及今后有待进一步研究的问题等方面对目前国内外开展的研究进行了较为系统的总结, 有助于了解当前无线传感器网络研究进展及现状。

参考文献

[1]Prtra JC, PalR N.A functional link artificial neural network foradaptive channel equalization[J].Signal Processing.1995.

[2]PasqualeArpaia, Pasquale Daponte, DomcaicoGrmi ald, i et a.l ANN-Based Error Reduction for Expermi entally Modeled Sensors[J].IEEE Trans.on Instrumentation andMeasurement.2002.

[3]徐丽娜.神经网络控制[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社.1999.

[4]遗传算法结合FANN实现加速度传感器动态特性补偿[J].计量学报.2005.