【正文】 網(wǎng)絡需要實現(xiàn)一些最基 本的安全機制，如何保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C密性、點到點的消息認證、完整性鑒別、新鮮性、認證廣播和安全管理，就成為無線傳感器網(wǎng)絡需要全面考慮的內(nèi)容。 數(shù)據(jù)管理 ：從數(shù)據(jù)存儲的角度來看，傳感器網(wǎng)絡可被視為一種分布式數(shù)據(jù)庫。這是一個針對低速無線個人域網(wǎng)絡的通信標準，在些標準上，如何提供具有對信道衰落不敏感、發(fā)射信號功率密度低、低截獲能力、系統(tǒng)復雜度低、能提供較高的定位精度等要求通信技術，也是無線傳感器網(wǎng)絡研究的重點之一。 應用層技術 ：應用層由各種面向應用的軟件系統(tǒng)構成，主要研究如何在多任務中進行協(xié)調(diào)，以及為傳感器網(wǎng)絡的研究提供有效的開發(fā)環(huán)境和開發(fā)工具。 但對大部分的應用來說 ，節(jié)點所采集到的數(shù)據(jù)必須結合 產(chǎn)生數(shù)據(jù)的地理 位置信息才有 具體的意義 。 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)。 位置 未知的節(jié)點稱作 未知節(jié)點，它們需要被定位。 信號強度測距法 ： 通過 已知 的節(jié)點 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化為距離 ； 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。反射、多徑傳播、非視距、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。 使用 TOA 技術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備來精確同步衛(wèi)星時鐘。 TDOA 定位與 TDOA測距不同， TDOA 定位計算兩個錨節(jié)點信號到達未知節(jié)點的時間差，將其轉換成到兩個錨節(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。 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。 基于不測距 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。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。 此信標在網(wǎng)絡中被以泛洪的方式傳播出去，信標每次被轉發(fā)時跳數(shù)都增加 1。錨節(jié)點具有到網(wǎng)絡內(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 與 其他錨節(jié)點的實際距離。 Amorphous 算法 ：該 算法 與 DVHop 算法類似。 原理及過程詳見 文獻 [35]。 3． 2． 1 問題的提出 在基于測距的定位系統(tǒng)中， 如果為每個節(jié)點安裝用于發(fā) 射測距信號的硬件無疑會增加節(jié)點成本和能源消耗，因此考慮利用基站為所有節(jié)點發(fā)射測距信號，這就要求 節(jié)點必須處于 基站的 測距信號發(fā)射范圍之內(nèi) 。 3． 2． 2． 1 基于測距 的 定位 實現(xiàn) 在 3． 1． 1 一 節(jié)中已經(jīng)提到了用于節(jié)點定位的時間差測距方法。 t)/(V1?V2) ① 其中 Ri（ i=1,2,3）分別表示三個錨點到該點的距離。在二維空間中，最少需要三個參考點才能唯一確定一點的坐標。 為提高測距信號利用率和減少節(jié)點接收信號的能量消耗，在基站廣播的測距信號基于復合定位的無線傳感器網(wǎng)絡層次路由協(xié)議設計與實現(xiàn) 28 中，已經(jīng)包含了發(fā)射源的位置信息，其數(shù)據(jù)包結構如下： 測距起始標識 發(fā)射源 ID 發(fā)射源坐標 發(fā)射時間 傳感器節(jié)點在未完成自身定位之前，一直處于偵聽接收狀態(tài)，在收到基站測距的同步起始標識后，打開記時器，同時開啟接收速度較慢的聲波或超聲波信號，在收到聲波或超聲波信號后，計時器停止記時，利用公式 ①計算出與信源的距離 Ri (i = 3)，然后將 Ri 代入方程組中求解得出節(jié)點的具體位置 （ρ , θ ） 。基站獲取此數(shù)據(jù)后利用前面提到的定位原理和算法可得到各節(jié)點的具體位置。為確保最外圍的節(jié)點首先開始發(fā)送應答信息包，為每個節(jié)點設置一個發(fā)送應答信息包的時間延遲值：β－ t，這可保證外圍節(jié)點首先發(fā)送（β為一常數(shù)）。在一定時間延遲后（確保所有節(jié)點都接收到廣播信息），各節(jié)點組織應答信息包的發(fā)送。 信息廣播過程：信息廣播源為基站中三個位置各異的信號發(fā)射器 ，各發(fā)射器分別以足夠覆蓋全部節(jié)點的功率發(fā)送一個信息包（速度為 V1）和一測距信號（速度為 V2），各節(jié)點收到信息包后開始記時，收到測距信號則停止記時，得到時間差值 t。若從 X到 A、 B、 C 的距離 分別為 R R R3，則 X 位置就是可確定的。 本文 采用常用的三邊 (trilateration)定位。節(jié)點記錄兩個信號到達的時間差值 t，通過公式： Ri＝ (V1 鑒于 此， 本文 提出了基于測距與不測距的 復 合定位 機制。 當在定位技術中一旦用到錨節(jié)點，那么一個重要的問題就是要設置多少錨節(jié)點 以及在什么區(qū)域布置錨節(jié)點。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。未知節(jié)點收集鄰居節(jié)點的梯度值，計算關于某個錨節(jié)點的局部梯度平均值。 DVHop 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DVHop 獲得距離的方法是通過網(wǎng)絡中拓撲結構信息的計算而不是通過無線電波信號的測量。通過這一機制，網(wǎng)絡中所有節(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。 該 算法的原理與經(jīng)典的距離矢量路由算法比較相似。當未知節(jié)點在一段偵聽時間內(nèi)接收到來自錨節(jié)點的信標信號數(shù)量超過某一個預設的門限后，該節(jié)點認為與此錨節(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。 南京航空航天大學碩士學位論文 25 3． 1． 2 基于不測 距 的定位 方 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確性方面需要大量的研究。兩根方位線的交點即為未知節(jié)點的位置。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。 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。信號強度測距法通常屬于一種粗糙的測距技術。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?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)點基于復合定位的無線傳感器網(wǎng)絡層次路由協(xié)議設計與實現(xiàn) 24 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。 正如 2． 2． 3節(jié)中提到的一樣， 現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡自身定位方法分為基于測距 (Rangebased)和 基于不測距 (Rangefree) 的 方法。因此目前主要的研究工作是利用傳感器網(wǎng)絡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。因此，實現(xiàn)節(jié)點的自身定位對無線傳感器網(wǎng)絡有重要的意義。 南京航空航天大學碩士學位論文 23 第 三 章 節(jié)點定位 與改進措施 對無線傳感器網(wǎng)絡 節(jié)點進行自身定位是 其實際 應用的 重要前提 條件 之一 。 嵌入式操作系統(tǒng) ：傳感器節(jié)點是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，攜帶非常有限的硬件資源，需要操作系統(tǒng)能夠節(jié)能高效地使用其有限的內(nèi)存、處理器和通信模塊，且能夠對各種特定應用提供 最大的支持。 數(shù)據(jù)融合 ：傳感器網(wǎng)絡存在能量約束，減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量能夠有效地節(jié)省能量，基于復合定位的無線傳感器網(wǎng)絡層次路由協(xié)議設計與實現(xiàn) 22 因此在從各節(jié)點收集數(shù)據(jù)的過程中，可利用節(jié)點的本地計算和存儲能力處理數(shù)據(jù)，去除冗余信息，從而達到節(jié)省能量的目的。 由于傳感器網(wǎng)絡具有應用相關的特性，在眾多不同應用中很難采用統(tǒng)一的時間同步機制，即使在單個應用中，多個層次上可能都需要時間同步，并且每個層次對時間同步的要求也不盡相同，因此，必須針對特定的應用環(huán)境設計相應的時間同步機制。 目前，許多大學和科研機構已經(jīng)提出了多種用于無線傳感器網(wǎng)絡的同步機制，其中 影響較為重要的主要有 ： 參考廣播同步機制 (Reference Broadcast Synchronization, RBS)[42][43]、 傳感器網(wǎng)絡時間同步協(xié)議 (Timingsync Protocol for Sensor Networks, TPSN)[44][45]、延遲測量時間同步 (Delay Measurement Time Synchronization, DMTS)[46]等 。在傳感器網(wǎng)絡應用中同樣需要時間同步機制，例如時間同 步能夠用于形成分布式波束系統(tǒng)、構成 TDMA 調(diào)度機制和多傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)融合，在節(jié)點間時間同步的基礎上，用 帶 時間序列的目標位置檢測可以估計目標的運行速度和方向，通過測量聲音的傳播時間能夠確定節(jié)點到聲源的距離或聲源的位置等。 基于不測距 的定位機制無須實際測量節(jié)點間的絕對距離或方位就能夠確定未知節(jié)點的位置，目前提出的定位機制主要有質(zhì)心算法 [38]、 DVHop[39][40]算法、 Amorphous算法 [41]、 APIT 算法 [36]等。根據(jù)定位過程中是否實際測量節(jié)點間的距離或角度，把傳感器網(wǎng)絡中的定位 分為 基于測距 （ RangeBased） 的定位和 基于不測距 (RangeFree)的定位 [36]。定位機制必須滿足自組織性、健壯性、能量高效、分布式計算等要求。 2． 3． 3 節(jié)點定位技術 位置信息是傳感器節(jié)點采集數(shù)據(jù)中不可缺少的部分，沒有位 置信息的監(jiān)測消息通常毫無意義。在 MAC 層的能量浪費主要表現(xiàn)在空閑偵聽、接收不必要的數(shù)據(jù)和碰撞重傳等。 在無線傳感器網(wǎng)絡中 ，路由協(xié)議不僅關心單個節(jié)點的能量消耗，更關心整個網(wǎng)絡能量的均衡消耗，這樣才能延長整個網(wǎng)絡的生存期。 2． 3． 2 網(wǎng)絡協(xié)議 由于傳感器節(jié)點的計算能力、存儲能力、通信能量以及攜帶的能量都十分有限，每個節(jié)點只能獲取局部網(wǎng)絡的拓撲信息，其上運行的網(wǎng)絡協(xié)議也不能太復雜。 層次型的拓撲控制利用分簇機制，讓一些節(jié)點作為簇頭節(jié)點，由簇頭節(jié)點形成一個處理并轉發(fā)數(shù)據(jù)的骨干網(wǎng)，其他非骨干網(wǎng)節(jié) 點可以暫時關閉通信模塊，進入休眠狀態(tài)以節(jié)省能量；目前提出了 TopDisc[19]成簇算法，改進的 GAF 虛擬地理網(wǎng)格分簇算法[20]，以及 LEACH[21]和 HEED[22]等自組織成簇算法。 目前 ， 傳感器網(wǎng)絡拓撲控制研究的主要問題是在滿足網(wǎng)絡覆蓋度和連通度的前提下，通過功率控制和骨干網(wǎng)節(jié)點選擇，剔除節(jié)點之間不必要的無線通信鏈路，生成一個高效的數(shù)據(jù)轉發(fā)網(wǎng)絡拓撲結構。在此， 本文 僅簡單列出部分當前認為是比較重要的一些技術，并結合本文的研究內(nèi)容，著重對網(wǎng)絡拓撲控制、網(wǎng)絡 協(xié)議、節(jié)點定位做比較詳細的 介紹。 通信幀各字段代表的意義如表 2－ 2所示： 時間 延遲 幀長 度 幀類 型 是否加密 后繼包標識 應答 節(jié)點 號 目的地址句柄 目的地 址 源節(jié)點 句柄 源地址 數(shù)據(jù)類型 信號接收強度 信號質(zhì)量 循環(huán)校驗 T dT Len Type Encr Pnd Ack Seq DstPAN DstAdd SrcPAN SrcAdd Type RSSI LQI FCS . …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. 表 22 通信幀字段說明 圖 2－ 10（見下頁） 所示為 各節(jié)點向上傳送節(jié)點信息 過程 的部分截圖 ， 從圖中可以看出節(jié)點地址為 796F、 4A30 以及 3A58 的孤兒節(jié)點（ Orphan Notification） 在廣播一個查找上級節(jié)點信息后（目的地址為 FFFF），地址為 6C18 的節(jié)點向它們分別發(fā)出了響應信息，之后，孤兒節(jié)點就與 6C18 節(jié)點發(fā)送請求建立數(shù)據(jù)鏈路的信號 (Association Request),并報告自己的節(jié)點信息（如： RFD（簡化功能設備）類型，即葉節(jié)點，采用電池供電等），節(jié)點 6C18 繼續(xù)向上傳送尋找更高一級節(jié)點，直至匯聚節(jié)點 (基站 )。 DS18b20P I C 1 8 L F 4 6 2 0R D 0V D D+ 5 VG N D 圖 28 DS18b20 與 PIC18F4620 連線示意圖 圖 28所示為 DS18b20 與 PIC18F4620 連線示意圖 。利用此芯片開發(fā)的無線通信設備支持數(shù)據(jù)傳輸率高達 250kbps， 可以實現(xiàn)多點對多點的快速組網(wǎng) 該芯片采用 SPI 通信接口，射頻輸出的功率可調(diào)，具有接收信號強度監(jiān)測器輸出接口，可方便用在基于接收信號強度的算法 (比如定位 )中信號強度的獲得。CC2420 的 主要性能特點 ： 它是 ChipCon 公司推 出的首款符合 標準的射頻收發(fā)器。如 圖 2－ 4所示 。每個支持的收發(fā)器都有一個獨立的文件。它獨立處理傳入數(shù)據(jù)請求、關聯(lián)、解除關聯(lián)和孤立通知請求。 ZigBee 設備對象（ ZDO） 負責打 開和處理 EP0接口。 應用層（ APL）模塊提供高級協(xié)議棧管理功能。如有需要，能很容易地修改該協(xié)議棧以支持 其他編譯器。如果需要的話，可以修改非易失性存儲器（ NVM）程序來支持任何其他類型的 NVM 而不使用可自編程的單片機。 ZigBee 協(xié)議棧是采用 C語言編寫的，可用 MPLABC18 和 HiTech PICC18 編譯器