基于通信半径动态调整的无线传感器网络密钥管理方案

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1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文络的ALERT系统[5]用来监测降水量、水位、和土壤水分，并据此预测爆发山洪的可能性[6]。在医疗护理领域，在住院病人身上安装特殊用途的传感器节点，如心率和血压监测设备，通过无线传感器网络，医生可以随时了解被监护人的病情，并进行及时处理[3]。在其他领域，如空间探索[7]等，无线传感器网络也有巨大的应用背景。总之，无线传感器网络的特点决定了它的应用价值。1.2.2无线传感器网络的结构普通无线传感器节点通常由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块四部分组成[1,8]。图1-1描述了节点的组成[1]。传感器模块用于感知、获取外界的

2、物理信号，并将模拟信号转换为数字信号。处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据，通常选用嵌入式CPU。无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发数据，主要由低功耗、短距离的无线通信模块组成，如Nordic公司的nRF905芯片，RFM公司的TR1000等[8]。电源模块为传感器节点提供正常运行所必需的能量，通常使用微型电池。图1-1传感器节点结构[1]Figure1-1Structureofsensornode一个典型的无线传感器网络通常包含大量的传感器节点、一个或者多个汇聚节点、互联网或者卫星、

3、任务管理节点组成，如图1-2所示[4]。每个传-2-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文感器节点不仅可以采集数据，还可以转发收到的数据给邻居节点。因此，节点在部署后能以自组织的方式形成网络。传感器节点采集到的数据通过节点间多跳转发到达汇聚节点，经过互联网或卫星到达用户控制的任务管理节点。最后用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理。汇聚节点可以是一个具有增强功能的无线传感器节点，拥有相对普通传感器节点比较强的处理能力、存储能力、通信能力以及足够的能量供应，也可以是一个仅有无线通信接口的特殊网关设备。它主要用来实现将采集的数据转发到外部网络，以及将来自管理节点的配置命令

4、、查询请求下发到传感器网络中[9]。互联网或卫星汇聚节点EDCB A任务管理节点用户监测区域传感器节点图1-2一个典型的无线传感器网络结构[4]Figure1-2Sensornodesscatteredinasensorfield当无线传感器网络规模比较大的时候，还可以对网络通过分簇进行分层管理。每个分簇可以有一个或者多个簇头，簇头可以是分簇内选举产生的普通传感器节点，也可以是事先指定的具有相对更强通信能力、计算能力、存储能力及能源供应的高级传感器节点。簇头管理分簇内的其它普通节点，而汇聚节点管理簇头节点，通过簇头节点下发用户配置命令以及查询请求。图1-3给出了一

5、个典型的分层管理的传感器网络[8]。-3-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文图1-3一个典型的分层传感器网络[8]Figure1-3Architectureofheterogeneoussensornetwork1.2.2无线传感器网络的特点由于在大规模应用中要求普通传感器节点必须造价低廉、体积微小，使得传感器节点存在一些现实约束，主要在电源能力有限、通信能力有限以及计算和存储能力有限这三个方面[1,4]。首先，传感器节点携带的电源能量有限。传感器节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池。另外由于传感器节点个数多、成本要求低廉、分布区域广，而且部署区域环境复杂，甚至有

6、时人员也不能安全抵达，所以通过更换电池来补充能源是不可行的。传感器节点消耗能量的主要模块有传感器模块、处理器模块和无线通信模块。DeborahEstrin指出，传感器节点的处理模块和传感器模块的功耗已经变得很低，绝大部分能量消耗在无线通信模块上，传输1比特信息100 米距离需要的能量大约相当于执行3000条计算指令消耗的能量[10]。如图1-4所示，无线通信模块有发送、接收、空闲和睡眠四种状态，其中处于发送状态时能量消耗最大，处于睡眠状态时能量消耗最小[10]。-4-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文图1-4传感器节点能量消耗情况[10]Figure1-4Energy

7、costofsensornode无线传感器节点的通信能力有限主要体现在普通节点的通信半径有限上。这是由无线发送模块的廉价性、微型化以及节点的能量有限决定的。无线通信的能量消耗E可以用公式(1-1)描述[9]：E=kdn(1-1)其中，参数n满足关系2

8、作时根据需