無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一種全新的信息獲取和處理技術(shù)。從無線傳感器的概念出發(fā)，概括介紹了其發(fā)展歷程及節(jié)點結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。介紹了目前該技術(shù)的研究重點及各領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，并對每一方向的發(fā)展給出了展望。網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)的發(fā)展離不開仿真工具的模擬試驗，本文又對目前應(yīng)用在無線傳感器領(lǐng)域的仿真工具發(fā)展?fàn)顩r給予了概要說明。最后，結(jié)合目前該技術(shù)的發(fā)展，給出了應(yīng)用空間。關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)仿真工具     更小更廉價的低功耗計算設(shè)備代表的“后PC時代”沖破了傳統(tǒng)臺式計算機和高性能服務(wù)器的設(shè)計模式；普遍的網(wǎng)絡(luò)化帶來的計算處理能力是難以估量的；微機電系統(tǒng)(micro

2、-electro-mechanism system，簡稱MEMS)的迅速發(fā)展奠定了設(shè)計和實現(xiàn)片上系統(tǒng)(system on chip，簡稱SOC)的基礎(chǔ)。以上三方面的高度集成又孕育出了許多新的信息獲取和處理模式，在種情況下，一種新型的無線通信技術(shù)無線傳感器應(yīng)運而生。1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)11 基本概念    無線傳感網(wǎng)絡(luò)(WSN，wireless sensor networks)是當(dāng)前在際上備受關(guān)注的、涉及多學(xué)科高度交叉、知識高度集成的前沿?zé)狳c研究領(lǐng)域。它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作地

3、實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，這些信息通過無線方式被發(fā)送，并以自組多跳的網(wǎng)絡(luò)方式傳送到用戶終端，從而實現(xiàn)物理世界、計算世界以及類社會三元世界的連通。    WSN以最少的成本和最大的靈活性，連接任何有通信需求的終端設(shè)備，采集數(shù)據(jù)，發(fā)送指令。若把WSN各個傳感器或執(zhí)行單元設(shè)備視為“豆子”，將一把“豆子”(可能100粒，甚至上千粒)任意拋撒開，經(jīng)過有限的“種植時間”，就可從某一?！岸棺印蹦抢锏玫狡渌魏巍岸棺印钡男畔ⅰＷ鳛闊o線自組雙向通信網(wǎng)絡(luò)，傳感網(wǎng)絡(luò)能以最大的靈活性自動完成不規(guī)則分布的各種傳感器與控制節(jié)點的組網(wǎng)，同時具有一定的移動能力和動態(tài)調(diào)整能力。

4、12 WSN的發(fā)展歷程    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新興的下一代傳感器網(wǎng)絡(luò)。最早的代表性論述出現(xiàn)在1999年，題為“傳感器走向無線時代”。隨后在美國的移動計算和網(wǎng)絡(luò)國際會議上，提出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是下一個世紀(jì)面臨的發(fā)展機遇。2003年，美國技術(shù)評論雜志論述未來新興十大技術(shù)時，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被列為第一項未來新興技術(shù)。同年，美國商業(yè)周刊未來技術(shù)專版，論述四大新技術(shù)時，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也列人其中。美國今日防務(wù)雜志更認(rèn)為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和發(fā)展，將引起一場劃時代的軍事技術(shù)革命和未來戰(zhàn)爭的變革。2004年(IEEE Spectrum)雜志發(fā)表一期專集：傳感器的國度，論述無線傳感器

5、網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和可能的廣泛應(yīng)用?？梢灶A(yù)計，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，將對人們的社會生活和產(chǎn)業(yè)變革帶來極大的影響和產(chǎn)生巨大的推動。    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是從傳感器網(wǎng)絡(luò)開始的，傳感器網(wǎng)絡(luò)經(jīng)歷了如圖1所示的發(fā)展歷程。    第一代傳感器網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代。使用具有簡單信息信號獲取能力的傳統(tǒng)傳感器，采用點對點傳輸、連接傳感控制器構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)；第二代傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有獲取多種信息信號的綜合能力，采用串，并接口(如Rs-232、RS-485)與傳感控制器相聯(lián)，構(gòu)成有綜合多種信息的傳感器網(wǎng)絡(luò)；第三代傳感器網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代后期和本

6、世紀(jì)初，用具有智能獲取多種信息信號的傳感器，采用現(xiàn)場總線連接傳感控制器，構(gòu)成局域網(wǎng)絡(luò)，成為智能化傳感器網(wǎng)絡(luò)；第四代傳感器網(wǎng)絡(luò)正在研究開發(fā)，目前成形并大量投入使用的產(chǎn)品還沒有出現(xiàn)用大量的具有多功能多信息信號獲取能力的傳感器，采用自組織無線接入網(wǎng)絡(luò)，與傳感器網(wǎng)絡(luò)控制器連接，構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。本文所介紹的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是指第四代傳感器網(wǎng)絡(luò)。2 WSN的節(jié)點結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)21 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點結(jié)構(gòu)    如圖2，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的基本組成包括如下4個基本單元：傳感單元(由傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換功能模塊組成)、處理單元(包括CPU、存儲器、嵌入式操作系統(tǒng)等)、通信單

7、元(由無線通信模塊組成)以及電源。此外，可以選擇的其他功能單元包括：定位系統(tǒng)、移動系統(tǒng)以及電源自供電系統(tǒng)等。22 傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)    在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點可以通過飛機布撒或人工布置等方式，大量部署在被感知對象內(nèi)部或者附近，這些節(jié)點通過自組織方式構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)作的方式實時感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中的信息，并通過多跳網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)經(jīng)由Sink節(jié)點(接收發(fā)送器)鏈路將整個區(qū)域內(nèi)的信息傳送到遠(yuǎn)程控制管理中心反之，遠(yuǎn)程管理中心也可以對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進(jìn)行實時控制和操縱。整個網(wǎng)絡(luò)主要包括以下幾部分：    網(wǎng)絡(luò)用戶(任務(wù)管理節(jié)點)。它負(fù)責(zé)從網(wǎng)絡(luò)中獲

8、取所需要的信息，同時也可以對網(wǎng)絡(luò)做出各種各樣的指示、操作等；    傳輸介質(zhì)(Internet網(wǎng)或通訊衛(wèi)星)。它是用戶與傳感網(wǎng)絡(luò)之間的橋梁和紐帶。    Sink節(jié)點(接收發(fā)送器)。它擁有足夠的能量，可以將從傳感器網(wǎng)絡(luò)中的能量有限的節(jié)點上傳來的信息轉(zhuǎn)發(fā)到傳輸介質(zhì)上。    傳感網(wǎng)絡(luò)。這是傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心。在感知區(qū)域中，大量的節(jié)點自組成網(wǎng)，監(jiān)測、感知信息向Sink節(jié)點發(fā)送，或接收來自Sink節(jié)點的操作命令，改變自身的工作狀態(tài)。23 傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)    網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是網(wǎng)絡(luò)

9、的協(xié)議分層以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的集合，是對網(wǎng)絡(luò)及其部件所應(yīng)完成功能的定義和描述，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，其網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)的計算機網(wǎng)絡(luò)和通信網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)由分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、傳感器網(wǎng)絡(luò)管理以及應(yīng)用支撐技術(shù)三部分組成。分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議結(jié)構(gòu)類似于TCPIP協(xié)議體系結(jié)構(gòu)；傳感器網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)主要是對傳感器節(jié)點自身的管理以及用戶對傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理；在分層協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)的基礎(chǔ)上，支持了傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用支撐技術(shù)。結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。在第三部分，我們將基于此結(jié)構(gòu)介紹目前的研究重點和研究現(xiàn)狀。3 目前研究重點及研究現(xiàn)狀    在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的這三大部分中，目前的發(fā)展

10、主要集中在幾個方面，在協(xié)議通信層主要研究重點是數(shù)據(jù)鏈路層MAC協(xié)議及網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議的研究；在網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)層，主要研究方向是收集數(shù)據(jù)的管理、節(jié)能問題的解決以及網(wǎng)絡(luò)通信安全的實現(xiàn)；在網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)層，主要研究點是節(jié)點定位問題的解決、時間同步技術(shù)的實現(xiàn)以及用戶應(yīng)用接口的實現(xiàn)這其中，協(xié)議的研究與節(jié)能的實現(xiàn)又是相輔相成的。31 協(xié)議通信層的研究311 MAC協(xié)議的研究    傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的核心問題之一是功耗管理。通過對現(xiàn)有系統(tǒng)的分析可知，射頻模塊是節(jié)點中最大的耗能部件，是優(yōu)化的主要目標(biāo)。MAC協(xié)議直接控制射頻模塊對節(jié)點功耗有重要影響。    傳

11、感器節(jié)點無效功耗主要有以下四個來源?？臻e偵聽：節(jié)點不知道鄰居節(jié)點何時向自己發(fā)送數(shù)據(jù)，射頻模塊必須一直處于接收狀態(tài)，消耗大量的能源。這是無效功耗的最主要來源；沖突：同時向同一節(jié)點發(fā)送多個數(shù)據(jù)幀，信號相互干擾，接收方無法準(zhǔn)確接收，重發(fā)造成能量浪費；串?dāng)_(overhearing)：接收和處理發(fā)往其他節(jié)點的數(shù)據(jù)屬于無效功耗；控制開銷：控制報文不傳送有效數(shù)據(jù)，消耗的能量對用戶來說是無效的。    由于上述原因，傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議一般采用了“偵聽休眠”交替的信道偵聽機制，節(jié)點空閑時自動轉(zhuǎn)換為休眠狀態(tài)，以減少空閑偵聽。我們可以根據(jù)協(xié)議中為減少數(shù)據(jù)碰撞和串音現(xiàn)象而采用的不同方法

12、，將MAC協(xié)議分為三類：(1)利用時分復(fù)用(TDMA)的方式為各節(jié)點分配獨立固定的信道；(2)通過頻分復(fù)甩(FDMA)或者碼分復(fù)用(CDMA)的方式，實現(xiàn)無沖突的強制信道分配；(3)通過競爭機制，保證節(jié)點隨機使用信道并且不受其他節(jié)點的干擾。    下面介紹幾個比較有代表性的協(xié)議。S-MAC和T-MAC協(xié)議在發(fā)送數(shù)據(jù)時采用帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問避免沖突。WiseMAC和B-MAC協(xié)議在發(fā)送數(shù)據(jù)時采用載波偵聽多路訪問(CSMA)。WiseMAC通過增加載波偵聽的范圍來解決隱藏節(jié)點問題，代價是增加了功耗；在B-MAC中，RTS/CTS握手可由高層通過MAC協(xié)議提供

13、的控制接口實現(xiàn)。BMA協(xié)議借鑒了LEACH的分簇思想。D-MAC在分析自適應(yīng)工作休眠調(diào)度的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中斷問題，提出了一個新穎的解決方案。IEEE802154是美國電氣電子工程師學(xué)會(IEEE)制定的標(biāo)準(zhǔn)，傳感器網(wǎng)絡(luò)是它的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一，目前市場上已經(jīng)可以購買到符合該標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品化射頻芯片。3.1.2 路由協(xié)議    路由協(xié)議的任務(wù)是在傳感器節(jié)點和Sink節(jié)點之間建立路由，可靠地傳遞數(shù)據(jù)。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)資源嚴(yán)重受限，因此路由協(xié)議要遵循的設(shè)計原則包括不能執(zhí)行太復(fù)雜的計算、不能在節(jié)點保存太多的狀態(tài)信息、節(jié)點間不能交換太多的路由信息等。為了有效地完成上述任務(wù)，

14、已經(jīng)提出了很多種路由協(xié)議，它們大都利用了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的以下特點：傳感器節(jié)點按照數(shù)據(jù)屬性尋址，而不是IP尋址；傳感器節(jié)點監(jiān)測到的數(shù)據(jù)往往被發(fā)送到Sink節(jié)點；原始監(jiān)測數(shù)據(jù)中有大量冗余信息，路由協(xié)議可以合并數(shù)據(jù)、減少冗余性，從而降低帶寬消耗和發(fā)射功耗；傳感器節(jié)點的計算速度、存儲空間、發(fā)射功率、電源能量有限，需要節(jié)約這些資源。傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議可以歸納為以下幾個類別：    (1)以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議。    (2)基于簇(cluster)的路由協(xié)議。    (3)基于位置的路由協(xié)議。  

15、;  (4)基于數(shù)據(jù)流模型和服務(wù)質(zhì)量要求的路由協(xié)議。    除了前面幾類經(jīng)典的路由協(xié)議設(shè)計方法，近年又出現(xiàn)了很多針對傳感器網(wǎng)絡(luò)的新賂由協(xié)議和設(shè)計方法，路由協(xié)議研究正逐漸深入和務(wù)實。例如，利用圖論中流量優(yōu)化的方法來為采樣數(shù)據(jù)報選擇路由；將MAC層和路由層協(xié)議捆綁設(shè)計，用跨層優(yōu)化技術(shù)來進(jìn)一步節(jié)省功耗；路由能對隨機部署的傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌⒆屓哂喙?jié)點經(jīng)常處于睡眠狀態(tài)。3.2 網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)層研究321 數(shù)據(jù)處理問題的解決    哈工大的李建中老師在這方面有一定的研究：    基于傳感器網(wǎng)

16、絡(luò)的任何應(yīng)用系統(tǒng)都離不開感知數(shù)據(jù)的管理和處理技術(shù)。不言而喻，感知網(wǎng)數(shù)據(jù)管理和處理技術(shù)是確定感知網(wǎng)可用性和有效性的關(guān)鍵技術(shù)。對于觀察者來說，傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心是感知數(shù)據(jù)，而不是網(wǎng)絡(luò)硬件。觀察者感興趣的是傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，而不是傳感器本身。觀察者不會提出這樣的查詢：“從A節(jié)點到B節(jié)點的連接是如何實現(xiàn)的?”，他們經(jīng)常會提出如下的查詢：“網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中哪些地區(qū)出現(xiàn)毒氣?”。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點不需要地址之類的標(biāo)識。觀察者不會提出查詢：“地址為27的傳感器的溫度是多少?”，他們感興趣的查詢是，“某個地理位置的溫度是多少?”。綜上所述，傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。  

17、60; 顯然，感知數(shù)據(jù)管理和處理技術(shù)的研究是一項實現(xiàn)高效率傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要和關(guān)鍵的任務(wù)。遺憾的是，到目前為止感知數(shù)據(jù)管理和處理技術(shù)的研究還不多，還有大量的問題需要解決。感知數(shù)據(jù)管理與處理技術(shù)的研究是數(shù)據(jù)庫界面臨的新任務(wù)和新挑戰(zhàn)，也為數(shù)據(jù)庫界提供了新機遇。    文獻(xiàn)提出了基于數(shù)據(jù)變化趨勢模型進(jìn)行數(shù)據(jù)Cache管理的方法。系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)各種數(shù)的歷史數(shù)據(jù)不斷地調(diào)整各種參數(shù)的趨勢函數(shù)，同時建立多級的Cache體系，從而大大減少系統(tǒng)的通信負(fù)載，提高了數(shù)據(jù)的可獲得性，延了Sensor Net的生存時間。在Cache管理方面已經(jīng)有過很多的研究成果，這些方法都是對于查詢結(jié)果的緩存

18、，只是組織的形式有所不同。我們提出的Cache模型是基于數(shù)據(jù)變化趨勢的，不僅包含了先前的查詢結(jié)果，而且新的查詢也可以通過緩存的趨勢函數(shù)而獲得滿足，而且使用趨勢函數(shù)作為緩存的組織形式，大大減少了所需的存儲空間。322 節(jié)能問題的實現(xiàn)    能量是節(jié)點工作的基礎(chǔ)，節(jié)能問題，幾乎貫穿無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的各個方面。協(xié)議的建立需要考慮節(jié)能問題，以上面的MAC協(xié)議的研究和路由協(xié)議的實現(xiàn)都可以看出；網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)處理需要考慮節(jié)能問題，沒有能量，數(shù)據(jù)無法處理；節(jié)點定位、時間同步都需要考慮節(jié)能問題，節(jié)能問題的解決，跟隨在每個環(huán)節(jié)的實現(xiàn)上。    當(dāng)然，純

19、粹的節(jié)能方式也有很多，比如讓節(jié)點定期“休眠”等。但是，大部分的節(jié)能還是包含在了具體實現(xiàn)細(xì)節(jié)當(dāng)中，如文獻(xiàn)采用了一種帶有能量控制的有效路由方式，通過調(diào)整每個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時的數(shù)據(jù)傳輸范圍進(jìn)而調(diào)整消耗的能量，以節(jié)省資源，從而延長網(wǎng)絡(luò)壽命。323 網(wǎng)絡(luò)安全問題    傳感器網(wǎng)絡(luò)多用于軍事、商業(yè)領(lǐng)域，安全性是其重要的研究內(nèi)容。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點隨機部署、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭討B(tài)性以及信道的不穩(wěn)定性，使傳統(tǒng)的安全機制無法適用。因此需要設(shè)計新型的網(wǎng)絡(luò)安全機制?？山梃b擴頻通信、接入認(rèn)證鑒權(quán)、數(shù)據(jù)水印、數(shù)據(jù)加密等技術(shù)。目前，保證網(wǎng)絡(luò)安全性的方法也不少。    一

20、種是借助特殊的無線傳感器終端。例如文獻(xiàn)中，采用PTD(Personal Trust Device)做為傳感器網(wǎng)絡(luò)的終端，在網(wǎng)絡(luò)中設(shè)立認(rèn)證服務(wù)器來提供傳感器需要的服務(wù)，而在PTD和服務(wù)器之間建立認(rèn)證和加密體系，只有在服務(wù)器注冊過的PTD終端才能獲得服務(wù)，未注冊的則不能，從而保證系統(tǒng)安全。通常，這種系統(tǒng)用在家庭環(huán)境中。    一種是采用安全罩(Secure Overlay)。例如文獻(xiàn)中，采用一種稱為SCANv2(Secure Content Addressable Network Version 2)安全內(nèi)容網(wǎng)絡(luò)尋址的安全罩，來實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全。SCANv2其

21、實是在蓋在實際網(wǎng)絡(luò)層上的一個虛擬結(jié)構(gòu)，通過采用Hash函數(shù)，把實際網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點映射到這個罩空間上，某一區(qū)域或某種功能的節(jié)點在罩空間的某一個共同的特定位置。用戶在從網(wǎng)絡(luò)中獲取服務(wù)時，需要通過相應(yīng)的安全認(rèn)證進(jìn)入罩空間，再進(jìn)一步通過加密解密過程從這個映射空間進(jìn)入實際網(wǎng)絡(luò)中獲得所需服務(wù)。    此外，網(wǎng)絡(luò)安全中的加密后密銅管理也是個問題。復(fù)雜的非對稱加密方式不適合完全應(yīng)用于能量有限的傳感器網(wǎng)絡(luò)，而相對簡單的對稱加密方式又使得網(wǎng)絡(luò)容易受到攻擊。在文獻(xiàn)中，提到了一種新的加密方式，綜合采用了對稱和非對稱的兩種加密方式中的某些特點。在假定基站能量不受限制及節(jié)點不移動的前提下，基站

22、首先發(fā)出特定信息，建立網(wǎng)絡(luò)的分層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。外圍分布的節(jié)點又有子節(jié)點和父節(jié)點之分，父節(jié)點保有子節(jié)點的密鑰，確保子節(jié)點發(fā)送上來的信息是有效地子節(jié)點發(fā)送上來的；同時，子節(jié)點又保有父節(jié)點的密鑰，以便對發(fā)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤?；緭碛兴忻荑€且擁有唯一的初始入網(wǎng)認(rèn)證密鑰。33 網(wǎng)絡(luò)支撐層的研究3 31 節(jié)點定位問題    與一般的計算機網(wǎng)絡(luò)相比，WSN在計算機軟硬件所組成計算世界與實際物理世界之間建立了更為緊密的聯(lián)系，只有結(jié)合位置信息，傳感器獲取的數(shù)據(jù)才有實際意義。許多WSN的研究成果都表明了節(jié)點位置信息的重要性，如在網(wǎng)絡(luò)層，因為WSN節(jié)點無全局標(biāo)識，可以設(shè)計基于節(jié)點位置信息的

23、路由算法；在應(yīng)用層，根據(jù)節(jié)點位置，WSN系統(tǒng)可以智能地選擇一些特定的節(jié)點來完成任務(wù)，從而大大降低整個系統(tǒng)的能耗，提高系統(tǒng)的存活時間。許多對目標(biāo)追蹤問題的研究更是將節(jié)點位置已知作為一個前提條件。    節(jié)點定位是WSN系統(tǒng)布設(shè)完成后面臨的首要問題，它可表述為：依靠有限的位置已知節(jié)點，確定布設(shè)區(qū)中其它節(jié)點的位置，傳感器節(jié)點間建立起一定的空間關(guān)系。當(dāng)前對節(jié)點定位問題的研究一般都基于以下前提：(1)有一定比例的節(jié)點位置已知或具有GPS定位功能，這些節(jié)點的位置可作為定位參考點；(2)節(jié)點可能具有測量與鄰節(jié)點距離的能力；(3)節(jié)點不具有自主移動能力。全球定位系統(tǒng)(GPS)已經(jīng)

24、在許多領(lǐng)域得到了應(yīng)用，但由于價格高及有特殊環(huán)境要求等因素，不能為每個節(jié)點配備GPS接收裝置。    目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身定位系統(tǒng)和算法的分類如下：    (1)物理定位與符號定位。    (2)絕對定位與相對定位。    (3)緊密耦合與松散耦合。    (4)集中式計算與分布式計算。    (5)基于測距技術(shù)的定位和無須測距技術(shù)的定位。    (6)粗粒度與細(xì)粒度。 

25、60;  (7)三角測量、場景分析和接近度定位。332 時間同步    傳統(tǒng)的分布式系統(tǒng)時間同步算法一般采用集中發(fā)布方式，即系統(tǒng)內(nèi)的時間服務(wù)器通過單播或廣播方式周期性地向客戶節(jié)點發(fā)布時間。如：NTP。這種中心發(fā)布方式不適合在具有能量受限、節(jié)點易損壞和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)變化等特點的WSN中使用。    目前對WSN時間同步的研究主要集中在兩個方面：一是盡量減少同步算法對時間服務(wù)器及信道質(zhì)量的依賴，縮短可能引起同步誤差的“關(guān)鍵路徑”；二是從能耗的角度，研究節(jié)能、高教的同步算法。    Eison等人分

26、析了WSN的工作模式，認(rèn)為傳感器節(jié)點在大部分時間內(nèi)處于自主工作狀態(tài)，只有在被監(jiān)測事件發(fā)生后才需要協(xié)同通信?；谶@種工作模式，Elson提出了一種“事后同步”方法(post-factosynchronization)，即在被監(jiān)測事件發(fā)生之前，不對各節(jié)點進(jìn)行同步。只有當(dāng)被監(jiān)測事件發(fā)生后，參與協(xié)同工作的節(jié)點間才開始同步，共同推斷事件發(fā)生時間。仿真表明，該方法有較好的節(jié)能特性，但實時性較差。Hill等人分析了同步過程中由節(jié)點本地硬件處理引起的同步誤差，提出了從硬件設(shè)計的角度提高時間同步精度的方法。為了準(zhǔn)確記錄物理層數(shù)據(jù)包到達(dá)時間，文中設(shè)計了專用硬件“同步加速器”，消除了由于對同步報文的本地處理所引發(fā)的

27、不確定性，提高了時間同步的精度。綜合WSN現(xiàn)有的時間同步方法在同步精度、同步有效時間、同步有效范圍、能量消耗等方面的特點，Elson提出了針對WSN時間同步方法設(shè)計的五點建議：    ·結(jié)合使用多種、可調(diào)的同步方式    ·盡量不維護(hù)全局時間信息    ·使用事后同步節(jié)能方式    ·能夠動態(tài)適應(yīng)不同的應(yīng)用需求    ·充分利用底層通信服務(wù)。4 WSN的仿真平臺   

28、 對于一般的計算機網(wǎng)絡(luò)，通常是采用模擬仿真和實際的物理測量結(jié)合來衡量一個新的協(xié)議和方法的適用性。但是對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，由于其自身的特點，物理測量在很多環(huán)境下是行不通的，此時計算機的模擬仿真就變成傳感器網(wǎng)絡(luò)性能評價的重要手段。高效準(zhǔn)確的仿真工具對推動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展作用很大。例如，NS-2網(wǎng)絡(luò)仿真工具采用了一系列面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法，通過大量的仿真模塊，提供了對廣泛使用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的仿真分析，并取得了非常直觀的系統(tǒng)性能分析，類似的還有0PNET以及專門用于移動通信仿真的GlomoSim等。    盡管目前存在各種成熟的網(wǎng)絡(luò)仿真平臺，如NS-2，OMNdT+，OPNET，

29、GloMoSim和QuMNet。但是由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的極其特殊性，這些仿真平臺都具有某些使用的局限性，因此許多學(xué)者都投入大量精力專門研究適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的仿真工具，比較有代表性的成果有以下幾項。    (1)SENSE項目    SENSE是為了解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)仿真工具在無線傳感器周絡(luò)領(lǐng)域使用的缺陷而開發(fā)的一款仿真程序。SENSE是針對NS-2作出必要修改后得來的。SENSE使用了面向模塊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，模塊間利用了可重用性原理，只要模塊間的接口符合要求，模塊既可以重用也可以進(jìn)行替換。    (2)TOSSIM

30、項目    TOSSIM是建立在TinyOS系統(tǒng)上的一種仿真工具，其特點是建立了TinyOS的底層部分硬件的軟件抽象，并增加了仿真必須的事件模型和外部通信機制。    (3)SensorSim項目    SensorSim是以NS-2仿真工具為基礎(chǔ)發(fā)展起來的，其思路是在NS-2上建立適應(yīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的模型庫。SensorSim目前主要完成了電源和射頻接收電路模型，其他方面的模型正在完善之中。SensorSim項目的努力方向是模擬電池的間斷特性來進(jìn)一步細(xì)化電池的使用模型另外還要繼續(xù)完成模型庫的建設(shè)包括各種傳感器硬件特性的軟件模擬工作。    (4)EYES項目    Stefan Dulman，Paul Havivga等在OMNeT+仿真平臺的基礎(chǔ)上進(jìn)行了針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點的開發(fā)工作，并實現(xiàn)了一些已有協(xié)議的驗證工作。該項目是歐洲EYES proiect中的重要內(nèi)容。5 WSN的應(yīng)用    對網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的深入研究，得到更先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和路由