无线传感器网络应用若干关键问题研究

【摘要】：集成了传感器技术、微机电系统(MEMS)技术、无线通信技术和分布式信息处理技术的无线传感器网络(WSN)是当前信息技术的前沿之一。目前,无线传感器网络是一种廉价、方便的信息采集方法,尤其是在敌对和恶劣的网络应用环境下,传统的方法代价高昂因而几乎无法使用,如战场的生存性应用、恶劣环境的监测应用、安全相关的应用以及灾难管理等应用,无线传感器网络都显示了巨大的应用价值。在这些应用中,传感器往往是随机部署在监测区域,我们希望传感器一直正常工作直到其能量耗尽为止。 无线传感器网络部署之后,传感器节点采集现实世界中诸如热、光或者某个监测对象的相关物理信息,对于传感器网络中各个节点,都通过自身的传感电路来感知监测对象的相关信息,从而获取原始数据,然后通过一类称为基站的特殊节点经过汇聚和融合等相应处理,最后由基站传送到外界的控制中心进行最后处理。 目前,无线传感器网络已经在很多方面得到了应用,如环境监测、森林防火、灾难急救、候鸟迁徙跟踪、军事情报收集、无线定位等。与固定网络一样,无线传感器网络广泛、有效地应用取决于安全的网络协议、有效的定位、连通方案以及高效、节能的网络路由形成机制等诸多限制性问题的有效解决。 本论文针对无线传感器网络安全中的定位认证技术、覆盖连通性技术和自适应路由拓扑技术等关键问题进行研究并设计开发出相关的研究成果,并对研究成果进行了详细的分析及讨论。 论文的主要章节以及研究内容具体如下: 第1章主要介绍了无线传感器网络的特点及应用,在目前情况下,无线传感器网络应用所面临的制约因素,从而引出本论文研究的动机和意义。 第2章从无线传感器网络系统、应用、网络安全等三个方面论述了目前无线传感器网络所面临的关键问题;其中,主要论述了无线传感器网络在应用方面存在的问题,突出了本文的研究重点。 第3章介绍了无线传感器网络的定位系统,剖析了其各组成部分以及所面临的安全威胁,在此基础上,提出了一种基于身份的安全定位认证方案,该认证方案能够有效地运用在定位系统的各个部分。 第4章针对无线传感器网络部署区域内,由于通信障碍和其他一些因素产生的某些节点无法与网络通信的情况,给出了一种使用节点代理解决监测区域内节点通信不可达的方案,并基于一般意义的网络系统模型提出了一种探测覆盖区域内节点连通性的算法,分析和测试结果表明了该方案具有一定的有效性及先进性。 第5章在介绍了无线传感器网络特征的基础上,研究一种基于自适应的网络节点路由形成机制。通过该机制所构造的路由协议算法具有高效、合理的特点。对该机制所进行的理论和应用分析表明,所构造的网络路由可以提高无线传感器网络的平均寿命,并且可以使网络数据传输具有高效、可靠的特点。 第6章在前几章研究结果的基础上,进行了全文的总结并对无线传感器网络应用关键技术的进一步研究方向和发展趋势进行了展望。 全文的研究成果及创新总结如下: 基于身份的节点定位认证方案:无线传感器网络自身的能量、处理能力以及带宽方面的局限性使得一些有效的高资源消耗技术,如加密、检测和位置认证等技术在无线传感器网络的网络定位中难以获得有效应用。本文在介绍了无线传感器网络的定位系统,并剖析其各组成部分所面临的安全威胁的基础上,提出了一种基于身份的安全定位认证方案,该认证方案能够有效地运用在定位系统的各个部分。安全性分析验证了该方案能够有效地阻止针对定位系统各种形式的网络攻击。对相关方案的性能分析和比较表明,所提出的方案在网络资源消耗、有效性和可实现方面都比较适合无线传感器网络。 基于代理的无线传感器网络覆盖连通性方案:针对无线传感器网络部署区域由于通信障碍和其他一些因素产生的某些节点无法与网络通信的情况,给出了一种使用代理节点解决监测区域内节点通信不可达的方案,并基于一般意义的网络系统模型提出了一种探测覆盖区域内节点连通性的算法:基于深度探测的节点覆盖连通性判定算法DBDAFNCJ。节点连通性分析和仿真实验结果表明节点代理方案可以很好地改善节点部署区域内节点通信不可达的情况,同时表明DBDAFNCJ算法可以高效、准确地获悉部署区域内节点连通性的情况。 基于自适应的无线传感器网络路由机制:无线传感器网络由于其自身计算资源、能量及带宽的局限性从而使得如何寻找合适的路由问题变得很关键。本文研究了基于自适应的传感器网络节点路由机制,该机制通过节点自身的剩余能量及相邻节点的成簇密度决定网络的路由形成方式,所构造的路由具有高效、合理的特点。理论和应用分析表明,所提出自适应路由机制可以提高网络的平均寿命,使网络数据传输更加高效、可靠。