无线传感器网络技术中的关键性问题

《无线传感器网络技术中的关键性问题》由会员分享，可在线阅读，更多相关《无线传感器网络技术中的关键性问题（7页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、、引言无线传感器网络是一种独立出现的计算机网络，它的基本组成单位是节点，这些节点集 成了传感器、微处理器、无线接口和电源四个模块。传统的计算机网络技术中业已成熟的解 决方案可以借鉴到无线传感器网络中来。但是基于无线传感器网络自身的用途和优点，开发 专用的通信协议和路由算法已经成为了当前无线传感器网络领域内急待研究的课题。二、无线传感器网络的特点1、无线传感器网络包括了大面积的空间分布比如在军事应用方面，可以将无线传感器网络部署在战场上跟踪敌人的军事行动，智能 化的终端可以被大量地装在宣传品、子弹或炮弹壳中，在目标地点撒落下去，形成大面积的 监视网络。2、能源受限制网络中每个节点的电源是有限的，

2、网络大多工作在无人区或者对人体有伤害的恶劣环境 中，更换电源几乎是不可能的事，这势必要求网络功耗要小以延长网络的寿命，而且要尽最 大可能的节省电源消耗。3、网络自动配置，自动识别节点这包括自动组网、对入网的终端进行身份验证、防止非法用户入侵。相对于那些布置在 预先指定地点的传感器网络而言，无线传感器网络可以借鉴ad hoc方式来配置，当然 前提是要有一套合适的通信协议保证网络在无人干预情况下自动运行。4、网络的自动管理和高度协作性在无线传感器网络中，数据处理由节点自身完成，这样做的目的是减少无线链路中传送 的数据量，只有与其他节点相关的信息才在链路中传送。以数据为中心的特性是无线传感器 网络的

3、又一个特点，由于节点不是预先计划的，而且节点位置也不是预先确定的，这样就有 一些节点由于发生较多错误或者不能执行指定任务而被中止运行。为了在网络中监视目标对 象，配置冗余节点是必要的，节点之间可以通信和协作，共享数据，这样可以保证获得被监 视对象比较全面的数据。对用户来说，向所有位于观测区内的传感器发送一个数据请求，然后将采集的数据送到指定 节点处理，可以用一个多播路由协议把消息送到相关节点，这需要一个唯一的地址表，对于 用户而言，不需要知道每个传感器的具体身份号，所以可以用以数据为中心的组网方式。5、与移动ad hoc网络的区别无线传感器网络作为一种分布式传感器网络，和移动ad hoc网络有

4、相似点，但又 有很多不同。移动ad hoc网络可以用于没有无线基础设施存在或出于费用和安全方面 的考虑不方便设置无线基础设施的场合，而传感器很多时候被布置在近地环境中，地波吸收 现象不能被忽视，并且高密度布置的传感器网络中的多用户接口也造成了很高的误比特率。 作为移动通信的两种基本组网模式之一，移动ad hoc网络中的传输模型是典型的多对 多式，而传感器网中的传输模型更偏向于分层次模型（多对一传输）。一般来说，无线传感 器网络的节点比典型的移动终端或手持设备有更多的资源受限要求，但对于计算的要求则是 可有可无的，当需要执行计算任务时，如果通信成本比计算成本低，计算任务就被送到中心 节点去执行。

5、三、无线传感器网络中的关键性问题1、网络安全协议问题传感器网络受到的安全威胁和移动ad hoc网络所受到的安全威胁不同，所以现有 的网络安全机制不适合此领域，需要开发针对无线传感器网络的专门协议。一种思想是从维护路由安全的角度出发，寻找尽可能安全的路由以保证网络的安全。文 献1指出，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 说没有任何的安全性可言。文中介绍了一种方法叫“有安全意识的路由”（SAR），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，即如何保证数据在安全路径中传送和路由协议中的信息安全性。文中假设两个军官

6、利用按需距离矢量路由(Ad Hoc On Demand Dis tance Vec tor Routi ng,AODV)协议通过ad hoc网络来通信，他们的通信基于 BellLa 安全模型(PadulaBellLa Padula Confide ntiality Model) 2,这种模型中，当节点的安全等级达不到要求时， 其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。文献3指出，可以通过多 径路由算法改善系统的稳健性(robus tn ess)，数据包通过路由选择算法在多径 路径中向前传送，在接收端内通过前向纠错技术得到重建。无线传感器网络中传感器的数量 众多并且功能有限，移动ad

7、 hoc网络中的路由方案不能直接应用到无线传感器网络 中，所以该文给出了一种网状多径路由协议。此协议中应用了选择性向前传送数据包和端到 端的前向纠错解码技术，配合适合传感器网络的网状多径搜索机制，能减少信号开支(si gnaling overhead)，简化节点数据库，增大系统的吞吐量，相对数据包 复制或者有限泛洪法来说，这种方法消耗更少的系统资源(比如信道带宽和电能)。另一种思想是把着重点放在安全协议方面，在此领域也出现了大量的研究成果。在文献4 中，作者假定传感器网络的任务是为高级政要人员提供安全保护的，提供一个安全解决方案 将为解决这类安全问题带来一个普适的模型。在具体的技术实现上，先假

8、定基站总是正常工 作的，并且总是安全的，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安全性；射频层总是正常工作。 基于以上前提，典型的安全问题可以总结为：(1) 信息被非法用户截获；(2) 一个节点遭破坏；(3) 识别伪节点；4)如何向已有传感器网络添加合法的节点。作者提出的方案不采用任何的路由机制。在此方案中，每个节点和基站分享一个唯一的6 4位密匙Key j和一个公共的密匙KeyBS，当节点和基站距离超出了预定距离时， 网络会在节点和基站之间选择一个节点作为媒介节点进行接力；发送端会对数据进行加密， 接收端接收到数据后根

9、据数据中的地址选择相应的密匙对数据进行解密。这种双加密方式可 以防止暴露节点数目和地址，也可以防止数据被非法截获，即使个别节点被破译，也只有它 自己的密匙泄漏，整个网络仍然可以正常工作。文献5中介绍了无线传感器网络中的两 种专用安全协议：SNEPCSensor Net work Encryp tion P rotocol)和？TESLASNEP的功能是提供节点到接收机之间数据的鉴权、 加密、刷新，？TESLA的功能是对广播数据的鉴权。2、大规模传感器网络中的节点移动性管理这个问题实质上就是没有无线基础设施的无线传感器网络中的节点查询问题。最简单的 资源查询方式是全局泛洪法，但是对于资源有限的无

10、线传感器网络不适用，因此在设计工作 中应该尽量避免使用全局泛洪法。扩展环搜索法(expanding ring sea rch )用增加生存时间(Time-To-Live， TTL )的方式重复泛洪，这种 方式和由此派生出来的方式也不适合无线传感器网络。在改善泛洪法的效率方面，文献6 中提出的方案是通过减少查询每个节点时出现的多余消息去减少泛洪法固有的冗余，在没有 出现明显的冗余情况下，这种方案对提高效率没有太多贡献。在ad hoc网络中，查询 节点是通过基于簇(clus ters)和界标(landmarks)的层次表来实现的， 这种方式需要在节点之间设置复杂的协调机制，当节点移动时或者簇头(c

11、lus ter head)或界标失败时，层次表需要重新配置。而且，通常簇头会成为一个瓶颈，所以我 们通常避免这种分层次的协调表，也避免使用簇头。GLS7中提出的技术是基于一种所有节点都已知的网络网格图。节点使用位置服务器 保存它们的位置，并用一种基于ID号的算法去更新它们的位置，当节点寻找指定ID号的 节点位置时，也用这种算法去服务器寻找目标节点的位置。对于知道网络的网格图和它们自 己的位置并且知道目标节点的ID号的节点，这种方法是一个好方法。文献8中介绍了一种针对大规模移动传感器网络的查询方法，这种方法借用了小世 界(small worlds )的概念，利用节点的移动性去提高查询效率，并引入

12、了关 联(co ntacts)的概念。其工作原理是首先在相邻节点间建立关联，当它们移动时， 再关联新的相邻节点，这样提高了查询的效率。与传统的路由查询方式不同，这种设计基本 目标不是去优化路由或者响应延时，而是去减少通信的系统开销，这一点在能量受限的环境 中非常重要，特别是对于传感器数量众多的网络中的一次性查询(通信的生存时间很短)。 文中给出的协议是可升级的(scalable)、自动配置的，非常适应节点的移动性要 求。仿真结果显示它比边缘泛洪法提高效率6 0 7 0 %,比泛洪法提高效率8 0 9 0 %, 比扩展环搜索法则有更大的改善。针对无线传感器网络中的分布式定位，文献9比较了三种定位

13、算法：ad hoc、 鲁棒定位、N跳多向法(Nhop multilat era tion)。具体选择哪种 算法要取决于某些网络参数，比如差错分布和连通性等。3、网络的自动配置和自动康复和维持系统能量有效性无线传感器网络被布置在无人值守的环境中时，更换能源几乎不可能，为了节约能源， 发射功率要尽可能小，传输距离要短，节点间通信需要中间节点作为中继。在地震救灾或者 是无人飞行器中，网络的自动配置和自动康复功能显得异常重要，而大规模的多跳无线传感 器网络系统的可测量性(scalabi lity)也是一个关键问题。实现可测量性的一 种方法是“分而治之(divide and conquer),或者说是分

14、层控制(h ierarchical )，即用某种簇标准将网络节点分成簇组(clus ters), 在每个簇中选出一个作为簇头(leader)，它在比较高的层次上代表本簇；同样的机 制也应用到簇头中，使之形成一个层次，这个层次中，每个级别应用当地控制(l ocal control)去实现某个全局目标。大多数无线网络中的分类思想认为网络与地理位置 无关，分类的标准是簇里的节点数量和簇间的逻辑直径(相对于地理直径而言)。但是，当 簇头(clus ter leader)和簇内其它节点间的链路很长，相邻簇间地理位置 交迭很大，且不同的簇间路由消息载荷(ro uting t raffic load)不 平

15、衡时，一个非簇头(nonleader)节点和它的簇头节点之间通过它们之间仅有 的长链路通信将要消耗更多的能量，并且相邻簇间的并行通信冲突频发，簇间能量消耗不平 衡，由此带来的结果是网络的寿命和通信质量与有效性都大幅减小。因此，为了节约能量和 改善通信质量和有效性，在设计簇算法时，簇的地理半径应该考虑。文献10提出，在 传感器节点内用一种简单的细胞聚类结构去构成路由协议，这样可以维持一种可测量的能量 有效的系统，其关键的问题是使这种细胞簇结构具有自动康复性。作者针对大规模多跳传感 器网络的自动配置和自动康复提出了一种分布式算法，这种算法可以保证网络节点在二维空 间里自动配置成细胞簇结构，其细胞单

16、元有紧凑的地理半径，细胞单元之间的交叠也很小。 这种结构在各种扰动下是自动康复的，比如节点加入、离开、死亡、移动、被敌方捕获等。 文献11给出了一种针对簇的分布式算法LEACH,它是通过全局上重复簇操作来处 理扰动的，但这种算法既不能保证系统中簇的定位也不能保证簇的数量。文献12给出 了另外一种簇算法，它仅考虑了簇的逻辑半径，而不考虑地理半径，当簇间存在比较大的交 迭时，这种方法会降低无线传输的有效性。另外，它的康复不在本地处理，而是依赖于消息 在整个系统中的多次循环。文献13中给出了一种基于访问的簇算法，这种算法注重簇 的稳定性，不考虑簇的大小，要求每个节点都有全球定位系统（GPS）的支持。4、系统功耗问题无线传感器网络应用于特殊场合时，电源不可更换，因此功耗问题显得至关重要。在系统的功耗模型中，我们最关心的是：（1）微控制器的操作模式（休眠模式、操作模式、，潜