物聯(lián)網(wǎng)講座07-wsn-支撐技術(shù)培訓(xùn)材料.ppt

1、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,雖然傳感器網(wǎng)絡(luò)用戶的使用目的千變?nèi)f化，但是作為網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)的功能歸根結(jié)底就是傳感、探測(cè)、感知，用來收集應(yīng)用相關(guān)的數(shù)據(jù)信號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)用戶的功能，除了通信與組網(wǎng)技術(shù)以外，還要實(shí)現(xiàn)保證網(wǎng)絡(luò)用戶功能的正常運(yùn)行所需的其它基礎(chǔ)性技術(shù)。 這些應(yīng)用層的基礎(chǔ)性技術(shù)是支撐傳感器網(wǎng)絡(luò)完成任務(wù)的關(guān)鍵，包括時(shí)間同步機(jī)制、定位技術(shù)、數(shù)據(jù)融合、能量管理和安全機(jī)制等,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,時(shí)間同步機(jī)制,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步機(jī)制,1、傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步的意義,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的同步管理主要是指時(shí)間上的同步管理。 在分布式的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都有自己的本地時(shí)鐘。不同節(jié)點(diǎn)的晶體振蕩器頻率存

2、在偏差，以及濕度和電磁波的干擾等都會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的運(yùn)行時(shí)間偏差。 有時(shí)傳感器網(wǎng)絡(luò)的單個(gè)節(jié)點(diǎn)的能力有限，或者某些應(yīng)用的需要，使得整個(gè)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能要求網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)相互配合來共同完成，分布式系統(tǒng)的協(xié)同工作需要節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間同步，因此，時(shí)間同步機(jī)制是分布式系統(tǒng)基礎(chǔ)框架的一個(gè)關(guān)鍵機(jī)制,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,在分布式系統(tǒng)中，時(shí)間同步涉及“物理時(shí)間”和“邏輯時(shí)間”兩個(gè)不同的概念。 “物理時(shí)間”用來表示人類社會(huì)使用的絕對(duì)時(shí)間；“邏輯時(shí)間”體現(xiàn)了事件發(fā)生的順序關(guān)系，是一個(gè)相對(duì)概念。 分布式系統(tǒng)通常需要一個(gè)表示整個(gè)系統(tǒng)時(shí)間的全局時(shí)間。全局時(shí)間根據(jù)需要可以是物理時(shí)間或邏輯時(shí)間,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間

3、同步機(jī)制的意義和作用主要體現(xiàn)在如下兩方面： 首先，傳感器節(jié)點(diǎn)通常需要彼此協(xié)作，去完成復(fù)雜的監(jiān)測(cè)和感知任務(wù)。數(shù)據(jù)融合是協(xié)作操作的典型例子，不同的節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)最終融合形成了一個(gè)有意義的結(jié)果。 其次，傳感器網(wǎng)絡(luò)的一些節(jié)能方案是利用時(shí)間同步來實(shí)現(xiàn)的,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,目前已有幾種成熟的傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步協(xié)議，其中RBS、TINY/MINI-SYNC和TPSN被認(rèn)為是三種最基本的傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步機(jī)制。 RBS同步協(xié)議的基本思想是多個(gè)節(jié)點(diǎn)接收同一個(gè)同步信號(hào)，然后多個(gè)收到同步信號(hào)的節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行同步。這種同步算法消除了同步信號(hào)發(fā)送一方的時(shí)間不確定性。這種同步協(xié)議的缺點(diǎn)是協(xié)議開銷大。 Tiny/Mini-Sy

4、nc是兩種簡(jiǎn)單的輕量級(jí)時(shí)間同步機(jī)制。 TPSN時(shí)間同步協(xié)議采用層次結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,2、相鄰級(jí)別節(jié)點(diǎn)間的同步機(jī)制,鄰近級(jí)別的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)間通過交換兩個(gè)消息實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,邊節(jié)點(diǎn)S在T1時(shí)間發(fā)送同步請(qǐng)求分組給節(jié)點(diǎn)R，分組中包含S的級(jí)別和T1時(shí)間。節(jié)點(diǎn)R在T2時(shí)間收到分組， ，然后在T3時(shí)間發(fā)送應(yīng)答分組給節(jié)點(diǎn)S，分組中包含節(jié)點(diǎn)R的級(jí)別和T1、T2和T3信息。 節(jié)點(diǎn)S在T4時(shí)間收到應(yīng)答， 因此可以推導(dǎo)出右面算式： 節(jié)點(diǎn)S在計(jì)算時(shí)間偏差之后，將它的時(shí)間同步到節(jié)點(diǎn)R,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,4.1.3 時(shí)間同步的應(yīng)用示例,這里介紹一個(gè)例子，說明磁阻傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)機(jī)動(dòng)車輛

5、進(jìn)行測(cè)速，為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)用途，網(wǎng)絡(luò)必須先完成時(shí)間同步。由于對(duì)機(jī)動(dòng)車輛的測(cè)速需要兩個(gè)探測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)的協(xié)同合作，測(cè)速算法提取車輛經(jīng)過每個(gè)節(jié)點(diǎn)的磁感應(yīng)信號(hào)的脈沖峰值，并記錄時(shí)間。 如果將兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離d除以兩個(gè)峰值之間的時(shí)差t，就可以得出機(jī)動(dòng)目標(biāo)通過這一路段的速度(Vel,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,4.2 定位技術(shù),4.2.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位問題,1、定位的含義,在傳感器網(wǎng)絡(luò)的很多應(yīng)用問題中，沒有節(jié)點(diǎn)位置信息的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)往往是沒有意義的。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位問題的含義是指自組織的網(wǎng)絡(luò)通過特定方法提供節(jié)點(diǎn)的位置信息。 這種自組織網(wǎng)絡(luò)定位分為節(jié)點(diǎn)自身定位和目標(biāo)定位。節(jié)點(diǎn)自身定位是確定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置的過程。目

6、標(biāo)定位是確定網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)一個(gè)事件或者一個(gè)目標(biāo)的坐標(biāo)位置。 節(jié)點(diǎn)自身定位是網(wǎng)絡(luò)自身屬性的確定過程，可以通過人工標(biāo)定或者各種節(jié)點(diǎn)自定位算法完成。目標(biāo)定位是以位置已知的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)作為參考，確定事件或者目標(biāo)在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)所在的位置,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,位置信息有多種分類方法。位置信息有物理位置和符號(hào)位置兩大類。 物理位置指目標(biāo)在特定坐標(biāo)系下的位置數(shù)值，表示目標(biāo)的相對(duì)或者絕對(duì)位置。 符號(hào)位置指在目標(biāo)與一個(gè)基站或者多個(gè)基站接近程度的信息，表示目標(biāo)與基站之間的連通關(guān)系，提供目標(biāo)大致的所在范圍,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,根據(jù)不同的依據(jù)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位方法可以進(jìn)行如下分類： (1) 根據(jù)是否依靠測(cè)量距離，分為基于測(cè)距

7、的定位和不需要測(cè)距的定位； (2) 根據(jù)部署的場(chǎng)合不同，分為室內(nèi)定位和室外定位； (3) 根據(jù)信息收集的方式，網(wǎng)絡(luò)收集傳感器數(shù)據(jù)稱為被動(dòng)定位，節(jié)點(diǎn)主動(dòng)發(fā)出信息，用于定位稱為主動(dòng)定位,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,2、基本術(shù)語,1) 錨點(diǎn)：指通過其它方式預(yù)先獲得位置坐標(biāo)的節(jié)點(diǎn)，有時(shí)也稱作信標(biāo)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)中相應(yīng)的其余節(jié)點(diǎn)稱為非錨點(diǎn)。 (2) 測(cè)距：指兩個(gè)相互通信的節(jié)點(diǎn)通過測(cè)量方式來估計(jì)出彼此之間的距離或角度。 (3) 連接度：包括節(jié)點(diǎn)連接度和網(wǎng)絡(luò)連接度兩種含義。 節(jié)點(diǎn)連接度是指節(jié)點(diǎn)可探測(cè)發(fā)現(xiàn)的鄰居節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。網(wǎng)絡(luò)連接度是所有節(jié)點(diǎn)的鄰居數(shù)目的平均值，它反映了傳感器配置的密集程度。 (4) 鄰居節(jié)點(diǎn)：傳感器節(jié)點(diǎn)通信半徑

8、范圍以內(nèi)的所有其它節(jié)點(diǎn)，稱為該節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn),物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,5) 跳數(shù)：兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間間隔的跳段總數(shù)，稱為這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的跳數(shù)。 (6) 基礎(chǔ)設(shè)施：協(xié)助傳感器節(jié)點(diǎn)定位的已知自身位置的固定設(shè)備，如衛(wèi)星、基站等。 (7) 到達(dá)時(shí)間：信號(hào)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳播到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)所需要的時(shí)間，稱為信號(hào)的到達(dá)時(shí)間。 (8) 到達(dá)時(shí)間差(TDoA)：兩種不同傳播速度的信號(hào)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳播到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)所需要的時(shí)間之差，稱為信號(hào)的到達(dá)時(shí)間差。 (9) 接收信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)：節(jié)點(diǎn)接收到無線信號(hào)的強(qiáng)度大小，稱為接收信號(hào)的強(qiáng)度指示,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,10) 到達(dá)角度(Angle of Arrival, AoA)：節(jié)點(diǎn)接收到的信

9、號(hào)相對(duì)于自身軸線的角度，稱為信號(hào)相對(duì)接收節(jié)點(diǎn)的到達(dá)角度。 (11) 視線關(guān)系(Line of Sight, LoS)：如果傳感器網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間沒有障礙物，能夠?qū)崿F(xiàn)直接通信，則這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間存在視線關(guān)系。 (12) 非視線關(guān)系：傳感器網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間存在障礙物，影響了它們直接的無線通信,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,3、定位性能的評(píng)價(jià)指標(biāo),衡量定位性能有多個(gè)指標(biāo)，除了一般性的位置精度指標(biāo)以外，對(duì)于資源受到限制的傳感器網(wǎng)絡(luò)，還有覆蓋范圍、刷新速度和功耗等其它指標(biāo)。 位置精度是定位系統(tǒng)最重要的指標(biāo)，精度越高，則技術(shù)要求越嚴(yán)，成本也越高。定位精度指提供的位置信息的精確程度，它分為相對(duì)精度和絕對(duì)精度。 絕對(duì)精度指

10、以長(zhǎng)度為單位度量的精度。 相對(duì)精度通常以節(jié)點(diǎn)之間距離的百分比來定義,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,設(shè)節(jié)點(diǎn)i的估計(jì)坐標(biāo)與真實(shí)坐標(biāo)在二維情況下的距離差值為di，則N個(gè)未知位置節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)平均定位誤差為,覆蓋范圍和位置精度是一對(duì)矛盾性的指標(biāo)。 刷新速度是指提供位置信息的頻率。 功耗作為傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，對(duì)于定位這項(xiàng)服務(wù)功能，人們需要計(jì)算為此所消耗的能量。 定位實(shí)時(shí)性更多的是體現(xiàn)在對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)的位置跟蹤,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,4、定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn),在設(shè)計(jì)定位系統(tǒng)的時(shí)候，要根據(jù)預(yù)定的性能指標(biāo)，在眾多方案之中選擇能夠滿足要求的最優(yōu)算法，采取最適宜的技術(shù)手段來完成定位系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。通常設(shè)計(jì)一個(gè)定位系統(tǒng)需要考慮兩個(gè)主要因

11、素，即定位機(jī)制的物理特性和定位算法,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,4.2.2 基于測(cè)距的定位技術(shù),基于測(cè)距的定位技術(shù)是通過測(cè)量節(jié)點(diǎn)之間的距離，根據(jù)幾何關(guān)系計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的位置。解析幾何里有多種方法可以確定一個(gè)點(diǎn)的位置。比較常用的方法是多邊定位和角度定位,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,1、測(cè)距方法,1)接收信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI,RSSI測(cè)距的原理如下：接收機(jī)通過測(cè)量射頻信號(hào)的能量來確定與發(fā)送機(jī)的距離。將無線信號(hào)的發(fā)射功率和接收功率之間的關(guān)系表述為下式所示，其中PR是無線信號(hào)的接收功率，PT是無線信號(hào)的發(fā)射功率，r是收發(fā)單元之間的距離，n傳播因子，傳播因子的數(shù)值大小取決于無線信號(hào)傳播的環(huán)境,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,無線信號(hào)接收強(qiáng)度

12、指示與信號(hào)傳播距離之間的關(guān)系,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,2)到達(dá)時(shí)間/到達(dá)時(shí)間差(ToA/TDoA,這類方法通過測(cè)量傳輸時(shí)間來估算兩節(jié)點(diǎn)之間距離，精度較好。 ToA機(jī)制是已知信號(hào)的傳播速度，根據(jù)信號(hào)的傳播時(shí)間來計(jì)算節(jié)點(diǎn)間的距離,ToA測(cè)距原理的過程示例,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,在基于TDoA的定位機(jī)制中，發(fā)射節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)射兩種不同傳播速度的無線信號(hào)，接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)兩種信號(hào)到達(dá)的時(shí)間差以及這兩種信號(hào)的傳播速度，計(jì)算兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離。 發(fā)射節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)射無線射頻信號(hào)和超聲波信號(hào)，接收節(jié)點(diǎn)記錄下這兩種信號(hào)的到達(dá)時(shí)間T1、T2，已知無線射頻信號(hào)和超聲波的傳播速度為c1、c2, 那么兩點(diǎn)之間的距離為(T2-T1)*S，其中S

13、=c1*c2/(c1-c2,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,3)到達(dá)角(AoA,該方法通過配備特殊天線來估測(cè)其它節(jié)點(diǎn)發(fā)射的無線信號(hào)的到達(dá)角度。 AoA測(cè)距技術(shù)易受外界環(huán)境影響，且需要額外硬件，它的硬件尺寸和功耗指標(biāo)不適用于大規(guī)模的傳感器網(wǎng)絡(luò)，在某些應(yīng)用領(lǐng)域可以發(fā)揮作用,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,2、多邊定位,多邊定位法基于距離測(cè)量(如RSSI、ToA/TDoA)的結(jié)果。確定二維坐標(biāo)至少具有三個(gè)節(jié)點(diǎn)至錨點(diǎn)的距離值；確定三維坐標(biāo)，則需四個(gè)此類測(cè)距值。 假設(shè)已知信標(biāo)錨點(diǎn)A1，A2，A3，A4，的坐標(biāo)依次分別為（x1，y1），（x2，y2），（x3，y3），（x4，y4），即各錨點(diǎn)位置為 。如果待定位節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為（x, y），

14、并且已知它至各錨點(diǎn)的測(cè)距數(shù)值為 ，可得如下圖，其中(x，y)為待求的未知坐標(biāo),物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,將第前n-1個(gè)等式減去最后等式,用矩陣和向量表達(dá)為形式Ax=b，其中,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,根據(jù)最小均方估計(jì)（Minimum Mean Square Error, MMSE）的方法原理，可以求得解為： ，當(dāng)矩陣求逆不能計(jì)算時(shí)，這種方法不適用，否則可成功得到位置估計(jì) 。從上述過程可以看出，這種定位方法本質(zhì)上就是最小二乘估計(jì),物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,3、Min-max定位方法,多邊定位法的浮點(diǎn)運(yùn)算量大，計(jì)算代價(jià)高。Min-max定位是根據(jù)若干錨點(diǎn)位置和至待求節(jié)點(diǎn)的測(cè)距值，創(chuàng)建多個(gè)邊界框，所有邊界框的交集為一矩形，取此矩

15、形的質(zhì)心作為待定位節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo),采用三個(gè)錨點(diǎn)進(jìn)行定位的Minmax方法示例，即以某錨點(diǎn)i (i=1, 2, 3) 坐標(biāo)( )為基礎(chǔ)，加上或減去測(cè)距值 ，得到錨點(diǎn)i的邊界框,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,在所有位置點(diǎn) 中取最小值、所有 中取最大值，則交集矩形取作： 三個(gè)錨點(diǎn)共同形成交叉矩形，矩形質(zhì)心即為所求節(jié)點(diǎn)的估計(jì)位置,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,4.2.3 無需測(cè)距的定位技術(shù),無需測(cè)距的定位技術(shù)不需要直接測(cè)量距離和角度信息,1、質(zhì)心算法,在計(jì)算幾何學(xué)里多邊形的幾何中心稱為質(zhì)心，多邊形頂點(diǎn)坐標(biāo)的平均值就是質(zhì)心節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。 假設(shè)多邊形定點(diǎn)位置的坐標(biāo)向量表示為pi= (xi，yi)T，則這個(gè)多邊形的質(zhì)心坐標(biāo) 為,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概

16、論,例如，如果四邊形 ABCD 的頂點(diǎn)坐標(biāo)分別為 ， ， ， 則它的質(zhì)心坐標(biāo)計(jì)算如下,這種方法的計(jì)算與實(shí)現(xiàn)都非常簡(jiǎn)單，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的連通性確定出目標(biāo)節(jié)點(diǎn)周圍的信標(biāo)參考節(jié)點(diǎn)，直接求解信標(biāo)參考節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的多邊形的質(zhì)心,質(zhì)心算法,基本過程 信標(biāo)節(jié)點(diǎn)周期性向鄰近節(jié)點(diǎn)廣播信標(biāo)分組，信標(biāo)分組中包含信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)號(hào)和位置信息； 當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)接收到來自不同信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)分組數(shù)量超過某一個(gè)門限k或接收一定時(shí)間后，就確定自身位置為這些信標(biāo)節(jié)點(diǎn)所組成的多邊形的質(zhì)心。 評(píng)價(jià) 簡(jiǎn)單：基于網(wǎng)絡(luò)連通性，無信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)； 假設(shè)節(jié)點(diǎn)都擁有理想的球型無線信號(hào)傳播模型，而實(shí)際上無線信號(hào)的傳播模型； 位置估計(jì)精確度和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的密度

17、和分布有很大關(guān)系,不定形定位算法,在不定形計(jì)算機(jī)（Amorphous Computer）上實(shí)現(xiàn)的定位算法。 不定形計(jì)算機(jī)是一種并行計(jì)算結(jié)構(gòu)，和智能群（蟻群、鳥群、粒子群等）很相似。 本質(zhì)上，不定形算法是DV-Hop算法的增強(qiáng)，引入了多參考點(diǎn)測(cè)量進(jìn)行估計(jì)求精的步驟。 兩個(gè)重要的參數(shù)修正： 不定形算法通過平滑（smoothing）修正節(jié)點(diǎn)到參考節(jié)點(diǎn)的梯度跳數(shù)。 采用通信半徑作為每跳距離，使得節(jié)點(diǎn)到參考節(jié)點(diǎn)的最終估計(jì)距離偏大。不定形算法采用下面的公式來修正每跳距離,無需測(cè)距的定位技術(shù)- APIT算法,近似三角形內(nèi)點(diǎn)測(cè)試法（APIT, Approximate Point-In-Triangulatio

18、n test）找到若干個(gè)由參考節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的三角形，則節(jié)點(diǎn)必然在這些三角形的交集內(nèi)。使用這個(gè)交集的重心估計(jì)節(jié)點(diǎn)的位置。 APIT算法分四步：（1）信標(biāo)交換，（2）三角形內(nèi)點(diǎn)測(cè)試（PIT, Point-In-Triangulation testing），（3） 交集運(yùn)算計(jì)算三角形的重合區(qū)域，（4）重心（COG, Center of Gravity）計(jì)算求節(jié)點(diǎn)的位置,APIT算法,基本過程 未知節(jié)點(diǎn)首先收集其鄰近信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置信息； 從這些信標(biāo)節(jié)點(diǎn)組成的集合中任意選取三個(gè)節(jié)點(diǎn)，假設(shè)集合中有n個(gè)元素，那么共有Cn3種不同選取方法，確定Cn3個(gè)不同三角形，逐一測(cè)試未知節(jié)點(diǎn)是否位于每個(gè)三角形內(nèi)部，直到窮盡所

19、有Cn3種組合或達(dá)到定位所需精度； 計(jì)算包含目標(biāo)節(jié)點(diǎn)所有三角形的重疊區(qū)域，并求質(zhì)心,APIT定位的理論基礎(chǔ),PIT：最佳三角形內(nèi)點(diǎn)測(cè)試法 PIT原理 假如存在一個(gè)方向，節(jié)點(diǎn)M沿著這個(gè)方向移動(dòng)會(huì)同時(shí)遠(yuǎn)離或接近頂點(diǎn)A、B、C，那么節(jié)點(diǎn)M位于ABC外；否則，節(jié)點(diǎn)M位于ABC內(nèi),APIT算法的具體步驟,收集信息 未知節(jié)點(diǎn)收集鄰近信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信息，如位置、標(biāo)識(shí)號(hào)、接收到的信號(hào)強(qiáng)度等；鄰居節(jié)點(diǎn)之間交換各自接收到的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信息 ； APIT 測(cè)試 測(cè)試未知節(jié)點(diǎn)是否在不同信標(biāo)節(jié)點(diǎn)組合成三角形內(nèi)部 ； 計(jì)算重疊區(qū)域 統(tǒng)計(jì)包含未知節(jié)點(diǎn)三角形，計(jì)算所有三角形的重疊區(qū)域； 計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)位置 計(jì)算重疊區(qū)域的質(zhì)心位置，作

20、為未知節(jié)點(diǎn)的位置,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,2、DV-Hop算法,DV-Hop算法解決了低錨點(diǎn)密度引發(fā)的問題，它根據(jù)距離矢量路由協(xié)議的原理在全網(wǎng)范圍內(nèi)廣播跳數(shù)和位置。 已知錨點(diǎn)L1與L2、L3之間的距離和跳數(shù)。L2計(jì)算得到校正值（即平均每跳距離）為（40+75）/（2+5）=16.42m。假設(shè)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的待定位節(jié)點(diǎn)A從L2獲得校正值，則它與3個(gè)錨點(diǎn)之間的距離分別是L1=316.42，L2=216.42，L3=316.42，然后使用多邊測(cè)量法確定節(jié)點(diǎn) 的位置,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,4.2.4 定位系統(tǒng)的典型應(yīng)用,位置信息有很多用途，在某些應(yīng)用中可以起到關(guān)鍵性的作用。定位技術(shù)的用途大體可分為導(dǎo)航、跟蹤、虛擬現(xiàn)實(shí)

21、、網(wǎng)絡(luò)路由等。 導(dǎo)航是定位最基本的應(yīng)用，在軍事上具有重要用途。 除了導(dǎo)航以外，定位技術(shù)還有很多應(yīng)用。例如，辦公場(chǎng)所的物品、人員跟蹤需要室內(nèi)的精度定位。 虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)中需要實(shí)時(shí)定位物體的位置和方向,隱藏終端,基站A向基站B發(fā)送信息，基站C未偵測(cè)到A也向B發(fā)送，故A和C同時(shí)將信號(hào)發(fā)送至B，引起信號(hào)沖突，最終導(dǎo)致發(fā)送至B的信號(hào)都丟失了。隱藏終端多發(fā)生在大型單元中（一般在室外環(huán)境），這將帶來效率損失，并且需要錯(cuò)誤恢復(fù)機(jī)制。當(dāng)需要傳送大容量文件時(shí)，尤其需要杜絕隱藏終端現(xiàn)象的發(fā)生,隱藏終端2,隱藏終端可分為隱發(fā)送終端和隱接收終端。隱發(fā)送終端可通過握手協(xié)議解決，隱接收終端在單信道條件內(nèi)無法解決,暴露終端

22、,暴露終端指發(fā)送節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍內(nèi)，而在接收節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍外的節(jié)點(diǎn)。它的發(fā)送不會(huì)造成延遲，但會(huì)造成不必要的延遲,暴露終端,暴露終端可分為暴露發(fā)送終端和暴露接收終端。在單信道條件下，暴露接收終端和暴露接收終端不能解決：所有發(fā)送給暴露接收終端的報(bào)文會(huì)產(chǎn)生沖突，暴露發(fā)送終端也無法與目的節(jié)點(diǎn)握手,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,4.3 數(shù)據(jù)融合,4.3.1 多傳感器數(shù)據(jù)融合概述,我們將各種傳感器直接給出的信息稱作源信息，如果傳感器給出的信息是已經(jīng)數(shù)字化的信息，就稱作源數(shù)據(jù)，如果給出的是圖像就是源圖像。源信息是信息系統(tǒng)處理的對(duì)象。 源信息、傳感器與環(huán)境之間的關(guān)系,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,消除噪聲與干擾，實(shí)現(xiàn)對(duì)觀測(cè)目標(biāo)的連續(xù)跟蹤和測(cè)量

23、等一系列問題的處理方法，就是多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，有時(shí)也稱作多傳感器信息融合(Information Fusion, IF)技術(shù)或多傳感器融合(Sensor Fusion, SF)技術(shù)，它是對(duì)多傳感器信息進(jìn)行處理的最關(guān)鍵技術(shù)，在軍事和非軍事領(lǐng)域的應(yīng)用都非常廣泛。 數(shù)據(jù)融合也被人們稱作信息融合，是一種多源信息處理技術(shù)，它通過對(duì)來自同一目標(biāo)的多源數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化合成，獲得比單一信息源更精確、完整的估計(jì)或判決,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,從軍事應(yīng)用的角度來看，Waltz等人對(duì)數(shù)據(jù)融合的定義較為確切，即： “多傳感器數(shù)據(jù)融合是一種多層次、多方面的處理過程，這個(gè)過程是對(duì)多源數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)（detection）、互聯(lián)（as

24、sociation）、相關(guān)（correlation）、估計(jì)（estimation）和組合（combination），以更高的精度、較高的置信度得到目標(biāo)的狀態(tài)估計(jì)和身份識(shí)別，以及完整的態(tài)勢(shì)估計(jì)和威脅評(píng)估，為指揮員提供有用的決策信息”。 這個(gè)定義包含三個(gè)要點(diǎn)： （1）數(shù)據(jù)融合是多信源、多層次的處理過程，每個(gè)層次代表信息的不同抽象程度； （2）數(shù)據(jù)融合過程包括數(shù)據(jù)的檢測(cè)、關(guān)聯(lián)、估計(jì)與合并； （3）數(shù)據(jù)融合的輸出包括低層次上的狀態(tài)身份估計(jì)和高層次上的總戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢(shì)的評(píng)估,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,數(shù)據(jù)融合的內(nèi)容主要包括：多傳感器的目標(biāo)探測(cè)、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、跟蹤與識(shí)別、情況評(píng)估和預(yù)測(cè)。 數(shù)據(jù)融合的基本目的是通過融合得到比單

25、獨(dú)的各個(gè)輸入數(shù)據(jù)更多的信息。這一點(diǎn)是協(xié)同作用的結(jié)果，即由于多傳感器的共同作用，使系統(tǒng)的有效性得以增強(qiáng),物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,4.3.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)融合的作用,數(shù)據(jù)融合的主要作用可歸納為以下幾點(diǎn)： (1) 提高信息的準(zhǔn)確性和全面性。 (2) 降低信息的不確定性。 (3) 提高系統(tǒng)的可靠性。 (4) 增加系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。 由于傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的資源十分有限，在收集信息的過程中，如果各個(gè)節(jié)點(diǎn)單獨(dú)地直接傳送數(shù)據(jù)到匯聚節(jié)點(diǎn)，則是不合適的，主要原因如下： (1) 浪費(fèi)通信帶寬和能量。 (2) 降低信息收集的效率,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,在傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)融合起著十分重要的作用，它的主要作用在于： (1) 節(jié)省整個(gè)網(wǎng)絡(luò)

26、的能量； (2) 增強(qiáng)所收集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性； (3) 提高收集數(shù)據(jù)的效率,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,4.3.3 數(shù)據(jù)融合技術(shù)的分類,傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以從不同的角度進(jìn)行分類，這里介紹三種分類方法： (1) 依據(jù)融合前后數(shù)據(jù)的信息含量進(jìn)行分類； (2) 依據(jù)數(shù)據(jù)融合與應(yīng)用層數(shù)據(jù)語義的關(guān)系進(jìn)行分類； (3) 依據(jù)融合操作的級(jí)別進(jìn)行分類,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,1、根據(jù)融合前后數(shù)據(jù)的信息含量分類,根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合操作前后的信息含量，可以將數(shù)據(jù)融合分為無損失融合和有損失融合兩類。 （1）無損失融合 在無損失融合中，所有的細(xì)節(jié)信息均被保留，只去除冗余的部分信息。此類融合的常見做法是去除信息中的冗余部分。 （2）有損

27、失融合 有損失融合通常會(huì)省略一些細(xì)節(jié)信息或降低數(shù)據(jù)的質(zhì)量，從而減少需要存儲(chǔ)或傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，以達(dá)到節(jié)省存儲(chǔ)資源或能量資源的目的。在有損失融合中，信息損失的上限是要保留應(yīng)用所必需的全部信息量,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,2、根據(jù)數(shù)據(jù)融合與應(yīng)用層數(shù)據(jù)語義之問的關(guān)系分類,數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以在傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的多個(gè)層次中實(shí)現(xiàn)，既能在MAC協(xié)議中實(shí)現(xiàn)，也能在路由協(xié)議或應(yīng)用層協(xié)議中實(shí)現(xiàn)。 根據(jù)數(shù)據(jù)融合是否基于應(yīng)用數(shù)據(jù)的語義，將數(shù)據(jù)融合技術(shù)分為三類： (1)依賴于應(yīng)用的數(shù)據(jù)融合； (2)獨(dú)立于應(yīng)用的數(shù)據(jù)融合； (3)結(jié)合以上兩種技術(shù)的數(shù)據(jù)融合,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,3、根據(jù)融合操作的級(jí)別分類,根據(jù)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的操作級(jí)別，可將數(shù)據(jù)

28、融合技術(shù)分為以下三類： （1）數(shù)據(jù)級(jí)融合 數(shù)據(jù)級(jí)融合是最底層的融合，操作對(duì)象是傳感器采集得到的數(shù)據(jù)，因而是面向數(shù)據(jù)的融合。 （2）特征級(jí)融合 特征級(jí)融合通過一些特征提取手段將數(shù)據(jù)表示為一系列的特征向量，來反映事物的屬性。 （3）決策級(jí)融合 決策級(jí)融合根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行較高級(jí)的決策，是最高級(jí)的融合,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,4.3.4 數(shù)據(jù)融合的主要方法,1) 綜合平均法 該方法是把來自多個(gè)傳感器的眾多數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合平均。它適用于同類傳感器檢測(cè)同一個(gè)檢測(cè)目標(biāo)。這是最簡(jiǎn)單、最直觀的數(shù)據(jù)融合方法。該方法將一組傳感器提供的冗余信息進(jìn)行加權(quán)平均，結(jié)果作為融合值。 如果對(duì)一個(gè)檢測(cè)目標(biāo)進(jìn)行了k次檢測(cè)，則綜合平均的結(jié)果為：

29、 其中，Wi為分配給第i次檢測(cè)的權(quán)重,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,2) 卡爾曼濾波法,卡爾曼濾波法用于融合低層的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)多傳感器冗余數(shù)據(jù)。該方法利用測(cè)量模型的統(tǒng)計(jì)特性，遞推地確定融合數(shù)據(jù)的估計(jì)，且該估計(jì)在統(tǒng)計(jì)意義下是最優(yōu)的。如果系統(tǒng)可以用一個(gè)線性模型描述，且系統(tǒng)與傳感器的誤差均符合高斯白噪聲模型，則卡爾曼濾波將為融合數(shù)據(jù)提供唯一的統(tǒng)計(jì)意義下的最優(yōu)估計(jì)。 例如，應(yīng)用卡爾曼濾波器對(duì)n個(gè)傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行融合后，既可以獲得系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)估計(jì)，又可以預(yù)報(bào)系統(tǒng)的未來狀態(tài)。所估計(jì)的系統(tǒng)狀態(tài)可能表示移動(dòng)機(jī)器人的當(dāng)前位置、目標(biāo)的位置和速度、從傳感器數(shù)據(jù)中抽取的特征或?qū)嶋H測(cè)量值本身,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,3) 貝葉斯估計(jì)法,貝

30、葉斯估計(jì)是融合靜態(tài)環(huán)境中多傳感器低層信息的常用方法。它使傳感器信息依據(jù)概率原則進(jìn)行組合，測(cè)量不確定性以條件概率表示。當(dāng)傳感器組的觀測(cè)坐標(biāo)一致時(shí)，可以用直接法對(duì)傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。在大多數(shù)情況下，傳感器是從不同的坐標(biāo)系對(duì)同一環(huán)境物體進(jìn)行描述，這時(shí)傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)要以間接方式采用貝葉斯估計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。 多貝葉斯估計(jì)把每個(gè)傳感器作為一個(gè)貝葉斯估計(jì)，將各單獨(dú)物體的關(guān)聯(lián)概率分布組合成一個(gè)聯(lián)合后驗(yàn)概率分布函數(shù)，通過使聯(lián)合分布函數(shù)的似然函數(shù)最小，可以得到多傳感器信息的最終融合值,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,4) D-S證據(jù)推理法,D-S（Dempster-Shafter）證據(jù)推理法是目前數(shù)據(jù)融合技術(shù)中比較常用的一種

31、方法。這種方法是貝葉斯方法的擴(kuò)展，因?yàn)樨惾~斯方法必須給出先驗(yàn)概率，證據(jù)理論則能夠處理這種由不知道引起的不確定性，通常用來對(duì)目標(biāo)的位置、存在與否進(jìn)行推斷,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,5) 統(tǒng)計(jì)決策理論,與多貝葉斯估計(jì)不同，統(tǒng)計(jì)決策理論中的不確定性為可加噪聲，從而不確定性的適應(yīng)范圍更廣。不同傳感器觀測(cè)到的數(shù)據(jù)必須經(jīng)過一個(gè)魯棒綜合測(cè)試，以檢驗(yàn)它的一致性，經(jīng)過一致性檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)用魯棒極值決策規(guī)則進(jìn)行融合處理,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,6) 模糊邏輯法,針對(duì)數(shù)據(jù)融合中所檢測(cè)的目標(biāo)特征具有某種模糊性的現(xiàn)象,利用模糊邏輯方法對(duì)檢測(cè)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別和分類。建立標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)目標(biāo)和待識(shí)別檢測(cè)目標(biāo)的模糊子集是此方法的基礎(chǔ)。模糊子集的建立需要有各種

32、各樣的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)目標(biāo),同時(shí)必須建立合適的隸屬函數(shù),物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,7) 產(chǎn)生式規(guī)則法,這是人工智能中常用的控制方法。一般要通過對(duì)具體使用的傳感器的特性及環(huán)境特性進(jìn)行分析，才能歸納出產(chǎn)生式規(guī)則法中的規(guī)則。通常系統(tǒng)改換或增減傳感器時(shí)，其規(guī)則要重新產(chǎn)生。這種方法的特點(diǎn)是系統(tǒng)擴(kuò)展性較差，但推理過程簡(jiǎn)單明了，易于系統(tǒng)解釋，所以也有廣泛的應(yīng)用范圍,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,8) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法是模擬人類大腦行為而產(chǎn)生的一種信息處理技術(shù)，它采用大量以一定方式相互連接和相互作用的簡(jiǎn)單處理單元（即神經(jīng)元）來處理信息。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合的過程如下： 用選定的N個(gè)傳感器檢測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)； 采集N個(gè)傳感器的測(cè)量信

33、號(hào)并進(jìn)行預(yù)處理； 對(duì)預(yù)處理后的N個(gè)傳感器信號(hào)進(jìn)行特征選擇； 對(duì)特征信號(hào)進(jìn)行歸一化處理，為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入提供標(biāo)準(zhǔn)形式； 將歸一化的特征信息與已知的系統(tǒng)狀態(tài)信息作為訓(xùn)練樣本，送神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，直到滿足要求為止。 將訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)作為已知網(wǎng)絡(luò)，只要將歸一化的多傳感器特征信息作為輸入送入該網(wǎng)絡(luò)，則網(wǎng)絡(luò)輸出就是被測(cè)系統(tǒng)的狀態(tài)結(jié)果,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,4.3.5 傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層的數(shù)據(jù)融合示例,分布式數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)被應(yīng)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收集過程，應(yīng)用層接口可以采用類似“結(jié)構(gòu)化查詢語言”(SQL)的風(fēng)格。 在傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，SQL融合操作一般包括5個(gè)基本操作符：COUNT，MIN，MAX，SUM和AVERAGE

34、。與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的SQL應(yīng)用類似，COUNT用于計(jì)算一個(gè)集中元素的個(gè)數(shù)；MIN和MAX分別計(jì)算最小值和最大值；SUM計(jì)算所有數(shù)值的和；AVERAGE用于計(jì)算所有數(shù)值的平均數(shù),物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,根據(jù)類SQL語言進(jìn)行網(wǎng)內(nèi)處理的示例,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,4.4 能量管理,4.4.1 能量管理的意義,在無線網(wǎng)絡(luò)通信中，能量消耗E與通信距離d存在關(guān)系：E=kdn，其中k為常量，2n4。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)體積小，發(fā)送端和接收端都貼近地面，干擾較大，障礙物較多，所以n通常接近于4，即通信能耗與距離的四次方成正比。 從上述的關(guān)系式反映出，隨著通信距離的增加，能耗急劇增加。通常為了降低能耗，應(yīng)盡量減小單跳通信距離

35、。簡(jiǎn)單地說，多個(gè)短距離跳的數(shù)據(jù)傳輸比一個(gè)長(zhǎng)跳的傳輸能耗會(huì)低些。因此，在傳感器網(wǎng)絡(luò)中要減少單跳通信距離，盡量使用多跳短距離的無線通信方式,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,傳感器節(jié)點(diǎn)通常由四個(gè)部分組成：處理器單元、無線傳輸單元、傳感器單元和電源管理單元。其中傳感器單元能耗與應(yīng)用特征相關(guān)，采樣周期越短、采樣精度越高，則傳感器單元的能耗越大。 由于傳感器單元的能耗要比處理器單元和無線傳輸單元的能耗低得多，幾乎可以忽略，因此通常只討論處理器單元和無線傳輸單元的能耗問題,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,4.4.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)的電源節(jié)能方法,目前人們采用的節(jié)能策略主要有休眠機(jī)制、數(shù)據(jù)融合等，它們應(yīng)用在計(jì)算單元和通信單元的各個(gè)環(huán)節(jié),1、休眠

36、機(jī)制,休眠機(jī)制的主要思想是，當(dāng)節(jié)點(diǎn)周圍沒有感興趣的事件發(fā)生時(shí)，計(jì)算與通信單元處于空閑狀態(tài)，把這些組件關(guān)掉或調(diào)到更低能耗的狀態(tài)，即休眠狀態(tài),物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,1）硬件支持,現(xiàn)有的無線收發(fā)器也支持休眠，而且可以通過喚醒裝置喚醒休眠中的節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)在全負(fù)載周期運(yùn)行時(shí)的低能耗。 無線收發(fā)器有四種操作模式：發(fā)送、接收、空閑和休眠。 表給出了一種無線收發(fā)器的能耗情況，除了休眠狀態(tài)外，其他三種狀態(tài)的能耗都很大，空閑狀態(tài)的能耗接近于接收狀態(tài)，所以如果傳感器節(jié)點(diǎn)不再收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，最好把無線收發(fā)器關(guān)掉或進(jìn)入休眠狀態(tài)以降低能耗,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,2）專門的節(jié)點(diǎn)功率管理機(jī)制,動(dòng)態(tài)電源管理,動(dòng)態(tài)電源管理(DPM)的工作原理

37、是，當(dāng)節(jié)點(diǎn)周圍沒有感興趣的事件發(fā)生時(shí)，部分模塊處于空閑狀態(tài)，應(yīng)該把這些組件關(guān)掉或調(diào)到更低能耗的狀態(tài)(即休眠狀態(tài))，從而節(jié)省能量。 這種事件驅(qū)動(dòng)式能量管理對(duì)于延長(zhǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)的生存期十分必要。在動(dòng)態(tài)電源管理中，由于狀態(tài)轉(zhuǎn)換需要消耗一定的能量，并且?guī)в袝r(shí)延，所以狀態(tài)轉(zhuǎn)換策略非常重要。如果狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程的策略不合適，不僅無法節(jié)能，反而會(huì)導(dǎo)致能耗的增加,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,動(dòng)態(tài)電壓調(diào)度,對(duì)于大多數(shù)傳感器節(jié)點(diǎn)來說，計(jì)算負(fù)荷的大小是隨時(shí)間變化的，因而并不需要節(jié)點(diǎn)的微處理器在所有時(shí)刻都保持峰值性能。 根據(jù)CMOS電路設(shè)計(jì)的理論，微處理器執(zhí)行單條指令所消耗的能量Eop與工作電壓V的平方成正比，即：EopV2。 動(dòng)態(tài)電

38、壓調(diào)節(jié)(DVS)技術(shù)就是利用了這一特點(diǎn)，動(dòng)態(tài)改變微處理器的工作電壓和頻率，使得剛好滿足當(dāng)時(shí)的運(yùn)行需求，從而在性能和功耗之間取得平穩(wěn)。 動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)要解決的核心問題是實(shí)現(xiàn)微處理器計(jì)算負(fù)荷與工作電壓及頻率之間的匹配,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,2、數(shù)據(jù)融合,數(shù)據(jù)融合的節(jié)能效果主要體現(xiàn)在路由協(xié)議的實(shí)現(xiàn)上。路由過程的中間節(jié)點(diǎn)并不是簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)發(fā)所收到的數(shù)據(jù)，由于同一區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)具有很大的冗余性，中間節(jié)點(diǎn)需要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，將經(jīng)過本地融合處理后的數(shù)據(jù)路由到匯聚點(diǎn)，只轉(zhuǎn)發(fā)有用的信息。數(shù)據(jù)融合有效地降低了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量。 LEACH路由協(xié)議就具有這種功能，它是一種自組織的在節(jié)點(diǎn)之間隨機(jī)分布能量負(fù)載的分

39、層路由協(xié)議,拓?fù)淇刂扑惴ǎ↙EACH,LEACH算法： 簇頭節(jié)點(diǎn)作為一定區(qū)域所有節(jié)點(diǎn)的代理，負(fù)責(zé)和Sink的通信； 非簇頭節(jié)點(diǎn)可以使用小功率和簇頭節(jié)點(diǎn)通信； 簇頭節(jié)點(diǎn)可以對(duì)所轄區(qū)域節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，減少網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)； 簇頭選舉算法的設(shè)計(jì)，要求保證公平性,構(gòu)建階段,穩(wěn)態(tài)階段,輪,拓?fù)淇刂扑惴ǎ↙EACH,每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)選擇0，1之間的一個(gè)隨機(jī)數(shù)，如果選定的值小于某一個(gè)閾值，那么這個(gè)節(jié)點(diǎn)成為簇頭節(jié)點(diǎn)，計(jì)算如下： N表示網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，k為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)，r為已完成的回合數(shù)，G為網(wǎng)絡(luò)生存期總的回合數(shù),拓?fù)淇刂扑惴ǎ↙EACH,網(wǎng)絡(luò)按照周期工作，每個(gè)周期分為兩個(gè)階段： 簇頭建立階段

40、： 節(jié)點(diǎn)運(yùn)行算法，確定本次自己是否成為簇頭； 簇頭節(jié)點(diǎn)廣播自己成為簇頭的事實(shí)； 其他非簇頭節(jié)點(diǎn)按照信號(hào)強(qiáng)弱選擇應(yīng)該加入的簇頭，并通知該簇頭節(jié)點(diǎn)； 簇頭節(jié)點(diǎn)按照TDMA的調(diào)度，給依附于他的節(jié)點(diǎn)分配時(shí)間片； 數(shù)據(jù)傳輸階段： 節(jié)點(diǎn)在分配給他的時(shí)間片上發(fā)送數(shù)據(jù),拓?fù)淇刂扑惴ǎ↙EACH,優(yōu)點(diǎn) 優(yōu)化了傳輸數(shù)據(jù)所需能量； 優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)量； 缺點(diǎn) 節(jié)點(diǎn)硬件需要支持射頻功率自適應(yīng)調(diào)整； 無法保證簇頭節(jié)點(diǎn)能遍及整個(gè)網(wǎng)絡(luò),物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,4.5 安全機(jī)制,4.5.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全問題,網(wǎng)絡(luò)安全一直是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的重要組成部分，加密、認(rèn)證、防火墻、入侵檢測(cè)、物理隔離等都是網(wǎng)絡(luò)安全保障的主要手段。 無線傳感器網(wǎng)

41、絡(luò)作為一種起源于軍事應(yīng)用領(lǐng)域的新型無線網(wǎng)絡(luò)，主要采用了射頻無線通信組網(wǎng)，它的安全性問題顯得尤為重要。傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全性需求主要來源于通信安全和信息安全兩個(gè)方面,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,1、通信安全需求,1) 節(jié)點(diǎn)的安全保證 傳感器節(jié)點(diǎn)是構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單元，節(jié)點(diǎn)的安全性包括節(jié)點(diǎn)不易被發(fā)現(xiàn)和節(jié)點(diǎn)不易被篡改。 (2) 被動(dòng)抵御入侵的能力 傳感器網(wǎng)絡(luò)安全的基本要求是：在網(wǎng)絡(luò)局部發(fā)生入侵時(shí)，保證網(wǎng)絡(luò)的整體可用性。被動(dòng)防御是指當(dāng)網(wǎng)絡(luò)遭到入侵時(shí)網(wǎng)絡(luò)具備的對(duì)抗外部攻擊和內(nèi)部攻擊的能力，它對(duì)抵御網(wǎng)絡(luò)入侵至關(guān)重要,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,外部攻擊者是指那些沒有得到密鑰，無法接入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)。 外部攻擊者雖然無法有效地注入

42、虛假信息，但可以通過竊聽、干擾、分析通信量等方式，為進(jìn)一步的攻擊行為收集信息，因此對(duì)抗外部攻擊首先需要解決保密性問題。 其次，要防范能擾亂網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)攻擊，如重放數(shù)據(jù)包等，這些攻擊會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)性能的下降。另外，要盡量減少入侵者得到密鑰的機(jī)會(huì)，防止外部攻擊者演變成內(nèi)部攻擊者。 內(nèi)部攻擊者是指那些獲得了相關(guān)密鑰，并以合法身份混入網(wǎng)絡(luò)的攻擊節(jié)點(diǎn)。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)不可能阻止節(jié)點(diǎn)被篡改，而且密鑰可能被對(duì)方破解，因而總會(huì)有入侵者在取得密鑰后以合法身份接入網(wǎng)絡(luò)。由于至少能取得網(wǎng)絡(luò)中一部分節(jié)點(diǎn)的信任，內(nèi)部攻擊者能發(fā)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)攻擊種類更多，危害性更大，也更隱蔽,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,3) 主動(dòng)反擊入侵的能力,主動(dòng)

43、反擊能力是指網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)能夠主動(dòng)地限制甚至消滅入侵者，為此需要至少具備以下能力： 入侵檢測(cè)能力。和傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)入侵檢測(cè)相似，首先需要準(zhǔn)確識(shí)別網(wǎng)絡(luò)內(nèi)出現(xiàn)的各種入侵行為并發(fā)出警報(bào)。其次，入侵檢測(cè)系統(tǒng)還必須確定入侵節(jié)點(diǎn)的身份或者位置，只有這樣才能在隨后發(fā)動(dòng)有效攻擊。 隔離入侵者的能力。網(wǎng)絡(luò)需要具有根據(jù)入侵檢測(cè)信息調(diào)度網(wǎng)絡(luò)正常通信來避開入侵者，同時(shí)丟棄任何由入侵者發(fā)出的數(shù)據(jù)包的能力。這相當(dāng)于把入侵者和己方網(wǎng)絡(luò)從邏輯上隔離開來，可以防止它繼續(xù)危害網(wǎng)絡(luò)。 消滅入侵者的能力。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要用途是為用戶收集信息，因此讓網(wǎng)絡(luò)自主消滅入侵者是較難實(shí)現(xiàn)的。一般的做法是，在網(wǎng)絡(luò)提供的入侵信息引導(dǎo)下，由用戶通過人工

44、方式消滅入侵者,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,2、信息安全需求,信息安全就是要保證網(wǎng)絡(luò)中傳輸信息的安全性。對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，具體的信息安全需求內(nèi)容包括如下： 數(shù)據(jù)的機(jī)密性保證網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳輸?shù)男畔⒉槐环欠ǜ`聽。 數(shù)據(jù)鑒別保證用戶收到的信息來自己方節(jié)點(diǎn)而非入侵節(jié)點(diǎn)。 數(shù)據(jù)的完整性保證數(shù)據(jù)在傳輸過程中沒有被惡意篡改。 數(shù)據(jù)的實(shí)效性保證數(shù)據(jù)在時(shí)效范圍內(nèi)被傳輸給用戶,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,相應(yīng)地，傳感器網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)的設(shè)計(jì)也包括兩方面內(nèi)容，即通信安全和信息安全。通信安全是信息安全的基礎(chǔ)。通信安全保證傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的數(shù)據(jù)采集、融合和傳輸?shù)然竟δ艿恼＿M(jìn)行，是面向網(wǎng)絡(luò)功能的安全性；信息安全側(cè)重于網(wǎng)絡(luò)中所傳信息的真實(shí)性、完整性

45、和保密性，是面向用戶應(yīng)用的安全,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,傳感器網(wǎng)絡(luò)在大多數(shù)的民用領(lǐng)域，如環(huán)境監(jiān)測(cè)、森林防火、候鳥遷徙跟蹤等應(yīng)用中，安全問題并不是一個(gè)非常緊要的問題。 但在另外一些領(lǐng)域，如商業(yè)上的小區(qū)無線安防網(wǎng)絡(luò)，軍事上在敵控區(qū)監(jiān)視敵方軍事部署的傳感器網(wǎng)絡(luò)等，則對(duì)數(shù)據(jù)的采樣、傳輸過程，甚至節(jié)點(diǎn)的物理分布重點(diǎn)考慮安全問題，很多信息都不能讓無關(guān)人員或者敵方人員了解,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全問題和一般網(wǎng)絡(luò)的安全問題相比而言，它們的 出發(fā)點(diǎn)是相同的，都需要解決如下問題： (1) 機(jī)密性問題。所有敏感數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)和傳輸?shù)倪^程中都要保證機(jī)密性，讓任何人在截獲物理通信信號(hào)的時(shí)候不能直接獲得消息內(nèi)容。 (2) 點(diǎn)

46、到點(diǎn)的消息認(rèn)證問題。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在接收到另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的消息時(shí)，能夠確認(rèn)這個(gè)數(shù)據(jù)包確實(shí)是從該節(jié)點(diǎn)發(fā)送出來的，而不是其它節(jié)點(diǎn)冒充的。 (3) 完整性鑒別問題。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在接收到一個(gè)數(shù)據(jù)包的時(shí)候，能夠確認(rèn)這個(gè)數(shù)據(jù)包和發(fā)出來的時(shí)候完全相同，沒有被中間節(jié)點(diǎn)篡改或者在傳輸中通信出錯(cuò),物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,4) 新鮮性問題。數(shù)據(jù)本身具有時(shí)效性，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠判斷最新接收到的數(shù)據(jù)包是發(fā)送者最新產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包。導(dǎo)致新鮮性問題一般有兩種原因：一是由網(wǎng)絡(luò)多路徑延時(shí)的非確定性導(dǎo)致數(shù)據(jù)包的接收錯(cuò)序而引起，二是由惡意節(jié)點(diǎn)的重放攻擊而引起。 (5) 認(rèn)證組播/廣播問題。認(rèn)證組播/廣播解決的是單一節(jié)點(diǎn)向一組節(jié)點(diǎn)/所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送統(tǒng)一通告的認(rèn)證安全問題。認(rèn)證廣播的發(fā)送者是一個(gè)，而接收者是很多個(gè)，所以認(rèn)證方法和點(diǎn)到點(diǎn)通信認(rèn)證方式完全不同,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論,6) 安全管理問題。安全管理包括安全引導(dǎo)和安全維護(hù)兩個(gè)部分。安全引導(dǎo)是指一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)從分散的、獨(dú)立的、沒有安全通道保護(hù)的個(gè)體集合，按照預(yù)定的協(xié)議機(jī)制，逐步形成統(tǒng)一完整的、具有安全信道保護(hù)的、連通的安全網(wǎng)絡(luò)的過程。安全引導(dǎo)過程對(duì)于傳感器網(wǎng)絡(luò)來說是最重要、最復(fù)雜，而且也是最富挑戰(zhàn)性的內(nèi)容，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的解決安全引導(dǎo)問題的各種方法，由于它的計(jì)算復(fù)雜性在傳感器網(wǎng)絡(luò)中基本上不能使用。安全維護(hù)主要設(shè)計(jì)通信中的密鑰更新，以及網(wǎng)