傳感器網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)精選

1、第三部分(b fen)傳感器網(wǎng)絡(luò)的支撐技術(shù)共九十頁(yè) 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)終端結(jié)點(diǎn)的功能歸根結(jié)底就是探測(cè)、感知、傳輸收集到的與應(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(ch le)要設(shè)計(jì)第二部分所介紹的通信與組網(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，包括定位技術(shù)、時(shí)間同步機(jī)制、數(shù)據(jù)融合、能量管理和安全機(jī)制等。2共九十頁(yè)主要(zhyo)內(nèi)容三數(shù)據(jù)融合技術(shù)五安全技術(shù)四能量管理技術(shù)一定位技術(shù)二時(shí)間同步技術(shù)3共九十頁(yè)一、定位(dngwi)技術(shù)共九十頁(yè)在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，位置信息對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)

2、測(cè)活動(dòng)至關(guān)重要，監(jiān)測(cè)到事件之后關(guān)心的一個(gè)重要問(wèn)題就是該事件發(fā)生的位置，沒(méi)有位置信息的監(jiān)測(cè)往往毫無(wú)意義。例如：環(huán)境監(jiān)測(cè)戰(zhàn)場(chǎng)敵方活動(dòng)區(qū)域狀況目標(biāo)跟蹤 目前(mqin)最成熟的定位系統(tǒng)GPS適合于室外環(huán)境，且結(jié)點(diǎn)能耗高、體積大。5共九十頁(yè)1. 定位(dngwi)技術(shù)概述定位及其作用基本術(shù)語(yǔ)結(jié)點(diǎn)位置(wi zhi)計(jì)算的基本方法6共九十頁(yè)1. 定位(dngwi)及其作用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位問(wèn)題的含義是指自組織的網(wǎng)絡(luò)通過(guò)特定方法提供結(jié)點(diǎn)的位置信息。結(jié)點(diǎn)自身定位確定網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置可通過(guò)人工(rngng)標(biāo)定或結(jié)點(diǎn)自定位算法完成對(duì)監(jiān)控目標(biāo)的定位確定網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)一個(gè)事件或一個(gè)目標(biāo)的坐標(biāo)位置。側(cè)重于目標(biāo)跟蹤

3、方面的應(yīng)用。以位置已知的網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)為參考，確定目標(biāo)或事件在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的所處位置。是對(duì)監(jiān)控目標(biāo)的位置估計(jì)。7共九十頁(yè)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(chngd)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。 共九十頁(yè) 根據(jù)不同的依據(jù)，無(wú)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(jy)測(cè)距的定位和不需要測(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，分為被動(dòng)定位（網(wǎng)絡(luò)收集

4、傳感器數(shù)據(jù)）和主動(dòng)定位（結(jié)點(diǎn)主動(dòng)發(fā)出信息用于定位）。共九十頁(yè)根據(jù)是否已知自身位置，傳感器結(jié)點(diǎn)可分為：信標(biāo)結(jié)點(diǎn)：通過(guò)攜帶GPS定位系統(tǒng)等手段獲得(hud)自身精確位置。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中占比較小未知結(jié)點(diǎn)：通過(guò)信標(biāo)結(jié)點(diǎn)的位置信息來(lái)確定 自身位置。10若給定鄰居對(duì)的距離(jl)測(cè)量值，可計(jì)算出結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)pipj共九十頁(yè)3. 基于(jy)測(cè)距的定位技術(shù)包括(boku)測(cè)距和定位通過(guò)測(cè)量相鄰結(jié)點(diǎn)之間的實(shí)際距離或方位，根據(jù)幾何關(guān)系計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的位置。常見(jiàn)的測(cè)距方法根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度指示的測(cè)距法（RSSI）根據(jù)信號(hào)到達(dá)時(shí)間的測(cè)距法（ToA）根據(jù)信號(hào)到達(dá)時(shí)間差的測(cè)距法（TDoA）根據(jù)信號(hào)到達(dá)角度的測(cè)距法（AoA）常用

5、定位方法多邊定位法Min-Max定位法11共九十頁(yè)(1)基于(jy)接收信號(hào)強(qiáng)度的測(cè)距方法PR：無(wú)線信號(hào)的接收功率；PT：無(wú)線信號(hào)的發(fā)射功率r：收發(fā)單元之間的距離；n：傳播因子，其值大小(dxio)取決于無(wú)線信號(hào)傳播環(huán)境12接收機(jī)通過(guò)測(cè)量接收到的射頻信號(hào)的能量來(lái)確定與發(fā)送機(jī)的距離無(wú)線信號(hào)的發(fā)射功率和接收功率之間的關(guān)系表述為：發(fā)射功率為已知信號(hào)接收強(qiáng)度和傳輸距離之間的理論公式共九十頁(yè)無(wú)線信號(hào)(xnho)接收強(qiáng)度指示與信號(hào)(xnho)傳播距離之間的關(guān)系13該方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單(jindn)，但若存在遮蓋或折射，會(huì)影響測(cè)量的精度。無(wú)線信號(hào)在傳播過(guò)程的近距離上信號(hào)衰減較快共九十頁(yè)(2)基于(jy)到達(dá)時(shí)間的

6、測(cè)距法到達(dá)時(shí)間（ToA）機(jī)制是已知信號(hào)的傳播(chunb)速度，根據(jù)信號(hào)的傳播(chunb)時(shí)間來(lái)計(jì)算結(jié)點(diǎn)間的距離。14這類方法通過(guò)測(cè)量傳輸時(shí)間來(lái)估算兩結(jié)點(diǎn)之間距離。共九十頁(yè)ToA方法根據(jù)機(jī)制采用偽噪聲序列信號(hào)作為聲波信號(hào)，根據(jù)聲波的傳遞時(shí)間測(cè)量結(jié)點(diǎn)間的距離。要求：兩結(jié)點(diǎn)須預(yù)先實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。測(cè)距原理(yunl)發(fā)送結(jié)點(diǎn)在發(fā)送偽噪聲序列信號(hào)的同時(shí)，通知接收結(jié)點(diǎn)偽噪聲序列信號(hào)發(fā)送的時(shí)間；接收結(jié)點(diǎn)在檢測(cè)到偽噪聲序列信號(hào)后，根據(jù)聲波信號(hào)的傳播時(shí)間和速度計(jì)算結(jié)點(diǎn)間的距離。15共九十頁(yè)16ToA測(cè)距原理的過(guò)程(guchng)示例共九十頁(yè) 發(fā)射結(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)射兩種不同傳播速度的無(wú)線信號(hào)（例：無(wú)線射頻信號(hào)和超聲波

7、信號(hào)），接收結(jié)點(diǎn)記錄下這兩種信號(hào)的到達(dá)時(shí)間（T1、T2）和傳播速度（c1、c2），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)(lin )結(jié)點(diǎn)之間的距離。 兩點(diǎn)之間的距離為： (T2-T1)*S 其中 S=c1*c2/(c1-c2)17（3）基于(jy)到達(dá)時(shí)間差的測(cè)距法共九十頁(yè)例：確定大樓內(nèi)移動(dòng)或靜止結(jié)點(diǎn)在大樓內(nèi)的具體房間的位置。 在每個(gè)房間內(nèi)安裝一個(gè)信標(biāo)結(jié)點(diǎn)，它們周期性地同時(shí)發(fā)射無(wú)線射頻信號(hào)和超聲波信號(hào)。無(wú)線射頻信號(hào)中含有信標(biāo)結(jié)點(diǎn)的位置信息，超聲波信號(hào)僅為單純的脈沖信號(hào)，沒(méi)有任何語(yǔ)義。 由于無(wú)線射頻信號(hào)的傳播速度遠(yuǎn)大于超聲波的傳播速度，故未知結(jié)點(diǎn)在收到無(wú)線射頻信號(hào)時(shí)，會(huì)同時(shí)打

8、開(kāi)超聲波信號(hào)接收機(jī)。 根據(jù)兩信號(hào)的間隔和各自的傳播速度，未知結(jié)點(diǎn)可計(jì)算出和該信標(biāo)結(jié)點(diǎn)之間的距離，然后通過(guò)比較到各個(gè)鄰近(ln jn)信標(biāo)結(jié)點(diǎn)的距離，選擇出離自己最近的信標(biāo)結(jié)點(diǎn)，從該信標(biāo)結(jié)點(diǎn)廣播的信息中取得自身的房間位置。18共九十頁(yè)基于時(shí)間的測(cè)距方法適用于射頻(sh pn)、紅外、超聲波等多種信號(hào)由于無(wú)線信號(hào)的傳輸速度快，時(shí)間測(cè)量上的很小誤差可能會(huì)導(dǎo)致較大的測(cè)距誤差值。因此要求傳感器結(jié)點(diǎn)的CPU應(yīng)具有較強(qiáng)的計(jì)算能力。硬件結(jié)點(diǎn)的成本和功耗都較高，但測(cè)距誤差小，定位精度較高。19基于時(shí)間(shjin)的測(cè)距方法說(shuō)明：共九十頁(yè)多邊(dubin)定位法：假設(shè)已知信標(biāo)結(jié)點(diǎn)A1，A2，A3，A4，的坐標(biāo)依

9、次分別為（x1，y1），（x2，y2），（x3，y3），。若設(shè)未知結(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為（x, y），它至各信標(biāo)結(jié)點(diǎn)的測(cè)距數(shù)值為di ，則有：20（4）計(jì)算結(jié)點(diǎn)位置(wi zhi)的基本方法共九十頁(yè)將第前n-1個(gè)等式(dngsh)減去第n個(gè)等式：用矩陣和向量表達(dá)為形式(xngsh)Ax=b，其中：21根據(jù)最小均方估計(jì)方法，可以求得解為： 共九十頁(yè)例：三邊測(cè)量法：若已知信標(biāo)結(jié)點(diǎn)A、B和C的坐標(biāo)分別(fnbi)為（xa，ya)、（xb，yb)、 （xc，yc)它們到未知結(jié)點(diǎn)D的距離為：da，db，dc則結(jié)點(diǎn)D的位置坐標(biāo)(x，y）為：22共九十頁(yè)3. 無(wú)需測(cè)距的定位(dngwi)技術(shù)無(wú)需測(cè)距的定位技術(shù)不需要直

10、接測(cè)量距離和角度信息。這類定位技術(shù)是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的連通性確定(qudng)網(wǎng)絡(luò)中結(jié)點(diǎn)之間的跳數(shù)，并根據(jù)已知參考結(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)等信息估算出每一跳的大致距離，最后估算出結(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的位置。質(zhì)心算法DV-Hop算法23共九十頁(yè)（1）質(zhì)心(zh xn)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)心結(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(biosh)為pi= (xi，yi)T，則這個(gè)多邊形的質(zhì)心坐標(biāo) 為：24 這種方法是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的連通性確定出目標(biāo)結(jié)點(diǎn)周圍的信標(biāo)參考結(jié)點(diǎn)，直接求解信標(biāo)參考結(jié)點(diǎn)構(gòu)成的多邊形的質(zhì)心。共九十頁(yè)設(shè)：四邊形 ABCD 的頂點(diǎn)(dngdin)坐標(biāo)分別為

11、 ， ， ， 則它的質(zhì)心坐標(biāo)計(jì)算如下： 質(zhì)心算法的計(jì)算與實(shí)現(xiàn)都非常簡(jiǎn)單。但希望信標(biāo)(xn bio)結(jié)點(diǎn)有較高的密度。25質(zhì)心算法例共九十頁(yè)DV-Hop算法主要用于解決信標(biāo)結(jié)點(diǎn)(ji din)密度低的問(wèn)題。算法描述：信標(biāo)結(jié)點(diǎn)廣播其坐標(biāo)位置結(jié)點(diǎn)收到新的廣播后若跳數(shù)小于所存儲(chǔ)的跳數(shù)值，則更新并轉(zhuǎn)發(fā)該跳數(shù)否則，丟棄。26（2）DV-Hop算法(sun f)共九十頁(yè)4. 定位系統(tǒng)的應(yīng)用(yngyng)位置信息在某些應(yīng)用(yngyng)中可以起到關(guān)鍵性作用。定位技術(shù)的用途大體可分為導(dǎo)航、跟蹤、虛擬現(xiàn)實(shí)、網(wǎng)絡(luò)路由等。導(dǎo)航是定位最基本的應(yīng)用。如GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，在戶外空曠場(chǎng)所有很好的定位效果。定位精度可達(dá)1m。

12、基于位置的服務(wù)是通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)獲取終端用戶位置信息，在電子地圖平臺(tái)支持下為用戶提供相應(yīng)服務(wù)的一種業(yè)務(wù)。跟蹤是可以實(shí)時(shí)了解物體所處位和移動(dòng)軌跡。如物品跟蹤、人員跟蹤等。27共九十頁(yè)二、時(shí)間同步(tngb)機(jī)制共九十頁(yè)1.傳感器網(wǎng)絡(luò)(wnglu)時(shí)間同步的意義 無(wú)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。 有時(shí)傳感器網(wǎng)絡(luò)的單個(gè)結(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)(shxin)的功能需要網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有結(jié)點(diǎn)相互配合來(lái)共同完成，分布式系統(tǒng)的協(xié)同工作需要結(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。 在分布式的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，每個(gè)傳感器結(jié)點(diǎn)都有自己的本地

13、時(shí)鐘。不同結(jié)點(diǎn)的晶體振蕩器頻率存在偏差，另外，濕度、電磁波干擾等都會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)之間的運(yùn)行時(shí)間偏差。2929共九十頁(yè) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步機(jī)制的意義和作用主要體現(xiàn)在如下兩方面： 首先，傳感器結(jié)點(diǎn)(ji din)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，不同的結(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(lái)實(shí)現(xiàn)的。如在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間休眠，再在需要的時(shí)間喚醒。 時(shí)間同步機(jī)制為網(wǎng)絡(luò)中所有結(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘提供共同的時(shí)間戳。 例：槍聲定位系統(tǒng)中，聲波信號(hào)通過(guò)WSN送到附近的計(jì)算機(jī)，以計(jì)算槍手的位置。此時(shí)的聲波到達(dá)時(shí)間測(cè)量要求一個(gè)

14、共同的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間值，實(shí)現(xiàn)WSN的精確時(shí)間同步。3030共九十頁(yè) 目前(mqin)已有一些成熟的傳感器網(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。312.傳感器網(wǎng)絡(luò)(wnglu)時(shí)間同步協(xié)議的特點(diǎn) 根據(jù)WSN的特點(diǎn)，傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步協(xié)議應(yīng)更多考慮以下因素： 結(jié)點(diǎn)體積小，能量有限，傳輸鏈路受環(huán)境影響較大，動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，價(jià)格等。31共九十頁(yè)3. TPSN時(shí)間同步(tngb)協(xié)議 TPSN（Timing-sync Protocol for Sensor Networks）協(xié)議采用層次型樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，整個(gè)(zhngg)網(wǎng)絡(luò)為一棵樹(shù)，根結(jié)

15、點(diǎn)可以與外界通信并獲取外部時(shí)間。根結(jié)點(diǎn)裝配有諸如GPS接收機(jī)這樣的復(fù)雜硬件部件，并作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的時(shí)鐘源。 TPSN協(xié)議將所有結(jié)點(diǎn)按照層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行分級(jí)，然后每個(gè)結(jié)點(diǎn)與上一級(jí)的一個(gè)結(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間同步，最終所有結(jié)點(diǎn)都與根結(jié)點(diǎn)時(shí)間同步。結(jié)點(diǎn)對(duì)之間的時(shí)間同步是基于發(fā)送者-接收者的同步機(jī)制。3232共九十頁(yè)TPSN協(xié)議假設(shè)每個(gè)傳感器結(jié)點(diǎn)都有惟一的標(biāo)識(shí)號(hào)ID，結(jié)點(diǎn)間的無(wú)線鏈路為雙向，通過(guò)雙向信息交換實(shí)現(xiàn)結(jié)點(diǎn)間的時(shí)間同步。TPSN協(xié)議包括兩個(gè)階段(jidun)層級(jí)發(fā)現(xiàn)階段。生成層次結(jié)構(gòu)，為每個(gè)結(jié)點(diǎn)賦予一個(gè)級(jí)別，根結(jié)點(diǎn)賦予最高級(jí)別第0級(jí)，第i級(jí)的結(jié)點(diǎn)至少能夠與一個(gè)第（i1）級(jí)的結(jié)點(diǎn)通信。同步階段。實(shí)現(xiàn)所有樹(shù)結(jié)

16、點(diǎn)的時(shí)間同步，第1級(jí)結(jié)點(diǎn)同步到根結(jié)點(diǎn)，第i級(jí)的結(jié)點(diǎn)同步到第（i1）級(jí)的一個(gè)結(jié)點(diǎn)，最終所有結(jié)點(diǎn)都同步到根結(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步。33（1）TPSN協(xié)議(xiy)的操作共九十頁(yè)網(wǎng)絡(luò)部署后根結(jié)點(diǎn)廣播“級(jí)別發(fā)現(xiàn)分組”，啟動(dòng)層次發(fā)現(xiàn)。分組中包含發(fā)送(f sn)結(jié)點(diǎn)的ID和級(jí)別（根結(jié)點(diǎn)的級(jí)別為0級(jí)）；鄰居結(jié)點(diǎn)收到分組后，將自己的級(jí)別設(shè)置為分組中的級(jí)別加1，建立自己的級(jí)別，廣播新的級(jí)別發(fā)現(xiàn)分組（對(duì)根結(jié)點(diǎn)的鄰居結(jié)點(diǎn)，其級(jí)別為1級(jí)）；重復(fù)，直到網(wǎng)絡(luò)中所有結(jié)點(diǎn)都被賦予一個(gè)級(jí)別。34層級(jí)發(fā)現(xiàn)(fxin)階段的操作過(guò)程結(jié)點(diǎn)一旦建立自己的級(jí)別，就忽略任何其他的級(jí)別發(fā)現(xiàn)分組，以防止網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生洪泛擁塞。共九十頁(yè)層次結(jié)構(gòu)

17、建立后根結(jié)點(diǎn)廣播“時(shí)間同步分組”，啟動(dòng)同步階段；第1級(jí)結(jié)點(diǎn)收到分組后，各自分別等待一段隨機(jī)時(shí)間，通過(guò)與根結(jié)點(diǎn)交換消息，同步到根結(jié)點(diǎn)。第i級(jí)結(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)到第i-1級(jí)結(jié)點(diǎn)的交換消息后，后退和等待一段隨機(jī)時(shí)間，并與它在層次發(fā)現(xiàn)階段記錄的第i-1個(gè)級(jí)別(jbi)的結(jié)點(diǎn)進(jìn)行消息交換，以實(shí)現(xiàn)同步。等待一段時(shí)間的目的是保證第i級(jí)結(jié)點(diǎn)在第i-1級(jí)結(jié)點(diǎn)時(shí)間同步完成后才啟動(dòng)消息交換。重復(fù)，直到網(wǎng)絡(luò)中所有結(jié)點(diǎn)都被賦予一個(gè)級(jí)別。35同步(tngb)階段的操作過(guò)程共九十頁(yè)（2）相鄰級(jí)別(jbi)結(jié)點(diǎn)間的同步例36S為第i 級(jí)結(jié)點(diǎn)(ji din)，R為第i -1級(jí)結(jié)點(diǎn)，d為傳播時(shí)延。為兩結(jié)點(diǎn)間的時(shí)間偏差 結(jié)點(diǎn)S在T1時(shí)間發(fā)送

18、同步請(qǐng)求給結(jié)點(diǎn)R，請(qǐng)求分組中包含S的級(jí)別和T1時(shí)間。 結(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)答分組給結(jié)點(diǎn)S，分組中包含結(jié)點(diǎn)R的級(jí)別和T1、T2和T3信息。36共九十頁(yè)結(jié)點(diǎn)S在T4時(shí)間收到應(yīng)答， ，因此可以推導(dǎo)(tudo)出算式：37結(jié)點(diǎn)S在計(jì)算時(shí)間偏差之后(zhhu)，將其時(shí)間同步到結(jié)點(diǎn)R37共九十頁(yè)（3）TPSN時(shí)間(shjin)同步協(xié)議小結(jié)TPSN（Timing-sync Protocol for Sensor Networks）能夠?qū)崿F(xiàn)全網(wǎng)范圍內(nèi)結(jié)點(diǎn)間的時(shí)間同步，同步誤差與跳數(shù)成正比增長(zhǎng)。TPSN適合于實(shí)現(xiàn)時(shí)內(nèi)的全網(wǎng)結(jié)點(diǎn)時(shí)間同步，若需長(zhǎng)時(shí)間同步，需周期性執(zhí)行TPSN協(xié)議。不足

19、：未考慮結(jié)點(diǎn)失效(sh xio)問(wèn)題；當(dāng)有新結(jié)點(diǎn)加入時(shí)，需初始化層次發(fā)現(xiàn)階段。38在TPSN協(xié)議中，WSN的匯聚結(jié)點(diǎn)即為根結(jié)點(diǎn)共九十頁(yè)4. 時(shí)間同步的應(yīng)用(yngyng)示例 利用磁阻傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)車輛測(cè)速。 對(duì)機(jī)動(dòng)車輛的測(cè)速需要兩個(gè)探測(cè)(tnc)傳感器結(jié)點(diǎn)的協(xié)同合作。測(cè)速算法提取車輛經(jīng)過(guò)每個(gè)結(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)結(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(guò)這一路段的速度(Vel):3939共九十頁(yè)三、數(shù)據(jù)融合(rngh)技術(shù)共九十頁(yè)1.多傳感器數(shù)據(jù)(shj)融合定義多傳感器數(shù)據(jù)融合（Data Aggregation）研究的對(duì)象是各類傳感器

20、采集的信息，可以是信號(hào)、波形、圖像、數(shù)據(jù)、文字、聲音等。傳感器是電子信息系統(tǒng)的信息來(lái)源(liyun)。源信息各種傳感器直接給出的信息源數(shù)據(jù)數(shù)字化后的源信息源信息是信息系統(tǒng)處理的對(duì)象。信息系統(tǒng)的功能就是將各種傳感器提供的信息進(jìn)行加工處理，以獲得可直接使用的波形、數(shù)據(jù)或結(jié)論。41共九十頁(yè)源信息、傳感器與環(huán)境(hunjng)之間的關(guān)系：42 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)量等一系列問(wèn)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

21、關(guān)鍵技術(shù)，在軍事和非軍事領(lǐng)域(ln y)的應(yīng)用都非常廣泛。共九十頁(yè)數(shù)據(jù)融合：將多份數(shù)據(jù)或信息進(jìn)行處理，組合出更高效、更符合用戶需求(xqi)的數(shù)據(jù)的過(guò)程。以獲得比單一信息源更精確、完整的估計(jì)或判決。從軍事應(yīng)用的角度來(lái)看，數(shù)據(jù)融合包含了三個(gè)要點(diǎn)：數(shù)據(jù)融合是多信源、多層次的處理過(guò)程，每個(gè)層次代表信息的不同抽象程度；數(shù)據(jù)融合過(guò)程包括數(shù)據(jù)的檢測(cè)、關(guān)聯(lián)、估計(jì)與合并；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。43共九十頁(yè) 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(guò)融合得到比單獨(dú)的各個(gè)輸入數(shù)據(jù)更多的信息。這一點(diǎn)是協(xié)

22、同作用的結(jié)果，即由于(yuy)多傳感器的共同作用，使系統(tǒng)的有效性得以增強(qiáng)。442. 數(shù)據(jù)(shj)融合的內(nèi)容共九十頁(yè)3.傳感器網(wǎng)絡(luò)(wnglu)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)：提高信息的準(zhǔn)確性和全面性；降低信息的不確定性；提高系統(tǒng)的可靠性增加系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的資源十分有限，若各結(jié)點(diǎn)單獨(dú)直接傳送數(shù)據(jù)到匯聚(hu j)結(jié)點(diǎn)，會(huì)浪費(fèi)通信帶寬和能量，降低信息收集的效率。傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)融合的主要作用有：節(jié)省整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量增強(qiáng)所收集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性提高收集數(shù)據(jù)的效率。45共九十頁(yè)4. 數(shù)據(jù)(shj)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，主要(zhy

23、o)有： (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(yǔ)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。46共九十頁(yè) 根據(jù)數(shù)據(jù)融合前后的信息含量，可以將數(shù)據(jù)融合分為無(wú)損失融合和有損失融合兩類。1）無(wú)損失融合 在無(wú)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(jiàn)做法是去除信息中的冗余部分。如： 將多個(gè)數(shù)據(jù)分組打包為一個(gè)數(shù)據(jù)分組，但不改變各分組所帶的數(shù)據(jù)內(nèi)容。 網(wǎng)絡(luò)中某結(jié)點(diǎn)在一個(gè)短時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)行了多次匯報(bào)，每次匯報(bào)除時(shí)間戳不同外，其他內(nèi)容均相同。收到此匯報(bào)的中間結(jié)點(diǎn)可以只傳送時(shí)間戳更新(gngxn)的一次匯報(bào)，以表示之前的其他信息均

24、相同。47共九十頁(yè)2）有損失融合 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。 有損融合一般在網(wǎng)內(nèi)對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行(jnxng)處理。如： 溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，求某一區(qū)域中的平均溫度或最低、最高溫度等。48共九十頁(yè)5. 數(shù)據(jù)融合的一般(ybn)過(guò)程將被測(cè)對(duì)象的輸出結(jié)果轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量；對(duì)數(shù)字化后的電信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理（濾除干擾和噪聲等）；對(duì)經(jīng)過(guò)(jnggu)處理后的信號(hào)進(jìn)行特征提取，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合，或直接進(jìn)行數(shù)據(jù)融合；輸出融合結(jié)果。49共九十頁(yè)

25、6. 數(shù)據(jù)(shj)融合的主要方法常用數(shù)據(jù)融合方法有：綜合平均法卡爾曼濾波法貝葉斯估計(jì)法D-S證據(jù)(zhngj)推理法統(tǒng)計(jì)決策理論模糊邏輯法產(chǎn)生式規(guī)則法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法50共九十頁(yè) 綜合平均法是最簡(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(tgng)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： 其中，Wi為分配給第i次檢測(cè)的權(quán)重。51綜合(zngh)平均法該方法將來(lái)自多個(gè)傳感器的眾多數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合平均。適用于同類傳感器檢測(cè)同一個(gè)檢測(cè)目標(biāo)。共九十頁(yè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法(fngf) 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(xnx)處理技術(shù)，它采

26、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(lái)處理信息(xnx)。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合的過(guò)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。52共九十頁(yè)7. 應(yīng)用層數(shù)據(jù)(shj)融合傳感器網(wǎng)絡(luò)具有以數(shù)據(jù)為中心的特點(diǎn)(tdin)，其數(shù)據(jù)融合常

27、在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合設(shè)計(jì)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：對(duì)用戶屏蔽底層操作，使其不必了解數(shù)據(jù)是如何收集上來(lái)的。提供靈活的查詢提交手段數(shù)據(jù)應(yīng)便于進(jìn)行網(wǎng)內(nèi)計(jì)算，以減少通信數(shù)據(jù)量。53 為滿足上述要求，將分布式數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)應(yīng)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收集過(guò)程，采用類SQL語(yǔ)言（結(jié)構(gòu)化查詢）進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理。共九十頁(yè)在傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，SQL融合操作主要包括以下基本操作符：COUNT計(jì)算集合中元素的個(gè)數(shù)MIN/MAXSUMAVERAGEGROUP可以返回一組數(shù)據(jù)，而非一個(gè)數(shù)值。HAVING用于對(duì)參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)的屬性(shxng)值進(jìn)行限制54例：SELECT AVERAGE （Temp），MAX（Temp） FROM Sen

28、sors WHERE Light 10返回光照指數(shù)(zhsh)（Light）大于10的傳感器結(jié)點(diǎn)的平均溫度（Temp）和最高溫度共九十頁(yè)某建筑物中第6層有4個(gè)房間。查詢第6層房間中溫度超過(guò)25的房間號(hào)及其最高溫度。設(shè)：所有結(jié)點(diǎn)都已知道了查詢請(qǐng)求(qngqi)；各結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸路徑已由某種路由算法確定；走廊盡頭的黑色結(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將查詢結(jié)果提交給用戶。查詢請(qǐng)求：SELECT Room，MAX（Temp） FROM Sensors WHERE Floor=6 GROUP BY Room HAVING Temp2555傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層數(shù)據(jù)融合(rngh)示例共九十頁(yè)操作過(guò)程各結(jié)點(diǎn)首先檢查自己的數(shù)據(jù)是否符合

29、HAVING語(yǔ)句的要求（溫度高于25），以決定自己的數(shù)據(jù)是否參與運(yùn)算或需要發(fā)送。各結(jié)點(diǎn)在接收到其他結(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)后，進(jìn)行本地運(yùn)算（將數(shù)據(jù)按房間號(hào)進(jìn)行分組，比較得出此房間目前(mqin)已知的最高溫度），將運(yùn)算結(jié)果向上一級(jí)結(jié)點(diǎn)提交，并逐級(jí)提交到匯聚結(jié)點(diǎn)。56共九十頁(yè)根據(jù)類SQL語(yǔ)言(yyn)進(jìn)行網(wǎng)內(nèi)處理的示例57共九十頁(yè)四、能量(nngling)管理共九十頁(yè)1. 能量管理(gunl)的意義在WSN中，能量消耗E與通信距離d存在(cnzi)如下關(guān)系：E=kdn 其中k為常量，n3 。即通信能耗與距離的3次方成正比59 上式反映：隨著通信距離的增加，能耗急劇增加。共九十頁(yè) 在傳感器結(jié)點(diǎn)中，消耗能量的

30、模塊有：傳感器模塊，處理器模塊和通信模塊。其中，主要的能量消耗是通信模塊。 控制各結(jié)點(diǎn)通信機(jī)制的是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，協(xié)議棧中的核心是網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和鏈路層協(xié)議。 網(wǎng)絡(luò)層主要是路由協(xié)議，它決定信息傳輸?shù)穆窂?；鏈路層主要是MAC協(xié)議，它決定可信道的使用方式和收發(fā)模塊的工作模式。因此，它們是影響(yngxing)WSN能量消耗的主要因素。 為了降低能耗，應(yīng)盡量減小單跳通信距離。即：多個(gè)短跳距的數(shù)據(jù)傳輸比一個(gè)長(zhǎng)跳的傳輸能耗會(huì)低。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(wú)線通信方式。60共九十頁(yè) 傳感器結(jié)點(diǎn)中，傳感器單元的能量消耗與應(yīng)用特征相關(guān)，采樣周期(zhuq)越短、采樣精度越高，則傳感器單

31、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(wú)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(wú)線傳輸單元的能耗問(wèn)題。61共九十頁(yè)2. 電源(dinyun)節(jié)能方法針對(duì)傳感器結(jié)點(diǎn)中的計(jì)算單元和通信單元，常采用的節(jié)能策略(cl)主要有：休眠機(jī)制數(shù)據(jù)融合等62共九十頁(yè)主要思想：當(dāng)結(jié)點(diǎn)周圍沒(méi)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)，此時(shí)將這些組件關(guān)掉或調(diào)到更低能耗狀態(tài)，即休眠狀態(tài)。特點(diǎn)：可延長(zhǎng)傳感器結(jié)點(diǎn)的生存(shngcn)周期。休眠與工作狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換會(huì)產(chǎn)生一定的時(shí)延。若轉(zhuǎn)換策略不當(dāng)，可能會(huì)加大能耗。通過(guò)休眠實(shí)現(xiàn)節(jié)能的主要策略有：硬件改進(jìn)采用休眠機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議專門的

32、結(jié)點(diǎn)功率管理機(jī)制63（1）休眠(ximin)機(jī)制共九十頁(yè)硬件(yn jin)改進(jìn) 現(xiàn)有很多處理器都支持工作電壓和頻率的調(diào)節(jié)?，F(xiàn)有的無(wú)線收發(fā)器也可以通過(guò)喚醒(hunxng)裝置喚醒(hunxng)休眠中的結(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)低能耗運(yùn)行。 可以看出，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，當(dāng)傳感器結(jié)點(diǎn)不再收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，可以把無(wú)線收發(fā)器關(guān)掉或進(jìn)入休眠狀態(tài)以降低能耗。無(wú)線收發(fā)器狀態(tài)能耗/mW發(fā)送14.88接收12.50空閑12.36睡眠0.01664一種無(wú)線收發(fā)器的能耗情況共九十頁(yè)采用(ciyng)休眠機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議WSN中的MAC協(xié)議通常都采用休眠機(jī)制（周期偵聽(tīng)/休眠

33、）在數(shù)據(jù)發(fā)送(f sn)時(shí)，若結(jié)點(diǎn)既不是發(fā)送(f sn)者也不是接收者，則轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)。喚醒后若有信息發(fā)送則競(jìng)爭(zhēng)信道；若無(wú)則偵聽(tīng)其是否為下一個(gè)數(shù)據(jù)的接收者。65共九十頁(yè)專門的節(jié)點(diǎn)(ji din)功率管理機(jī)制動(dòng)態(tài)電源(dinyun)管理 動(dòng)態(tài)電源管理(Dynamic Power Management，DPM)主要針對(duì)通信模塊。 其工作原理是：當(dāng)結(jié)點(diǎn)周圍沒(méi)有感興趣的事件發(fā)生時(shí)，部分模塊處于空閑狀態(tài)，就將這些組件關(guān)掉或調(diào)到更低能耗狀態(tài)(即休眠狀態(tài))，以節(jié)省能量。66共九十頁(yè)動(dòng)態(tài)(dngti)電壓調(diào)度 主要針對(duì)處理器模塊。 對(duì)于大多數(shù)傳感器結(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，計(jì)算負(fù)荷的大小是隨時(shí)變化的，因而并不需要結(jié)點(diǎn)的微處理

34、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)電壓調(diào)節(jié)(Dynamic Voltage Scaling，DVS)技術(shù)(jsh)通過(guò)動(dòng)態(tài)改變微處理器的工作電壓和頻率，使其剛好滿足當(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(wèn)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。67共九十頁(yè)（2）數(shù)據(jù)(shj)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。由于同一(tngy)區(qū)域內(nèi)的結(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)具有很大的冗余性，因此路由過(guò)程的中間結(jié)點(diǎn)并不是簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)發(fā)所收到的數(shù)據(jù)，而需

35、要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，將經(jīng)過(guò)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。例： LEACH路由協(xié)議就具有這種功能，它是一種自組織的在結(jié)點(diǎn)之間隨機(jī)分布能量負(fù)載的分層路由協(xié)議。 LEACH路由協(xié)議的基本原理是：相鄰結(jié)點(diǎn)形成簇并選舉簇首。簇首負(fù)責(zé)融合簇內(nèi)結(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)后發(fā)給用戶。68共九十頁(yè)五、安全(nqun)機(jī)制共九十頁(yè) 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(niǎo)遷徙跟蹤等應(yīng)用中，安全問(wèn)題并不是一個(gè)非常緊要的問(wèn)題。 但在另外一些領(lǐng)域，如商業(yè)上的小區(qū)無(wú)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(guò)程，甚

36、至結(jié)點(diǎn)(ji din)的物理分布等都需要重點(diǎn)考慮安全問(wèn)題，很多信息都不能讓無(wú)關(guān)人員或者敵方人員了解。70共九十頁(yè)1.傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全(nqun)問(wèn)題 網(wǎng)絡(luò)安全一直是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的重要組成部分，常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)安全保障技術(shù)有：加密、認(rèn)證、防火墻、入侵檢測(cè)(jin c)、物理隔離等。 WSN作為一種起源于軍事應(yīng)用領(lǐng)域的新型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，其安全性問(wèn)題顯得尤為重要。 傳感器網(wǎng)絡(luò)安全的基本要求：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。 傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全性需求主要來(lái)源于通信安全和信息安全兩個(gè)方面。71共九十頁(yè)結(jié)點(diǎn)的安全保證：包括結(jié)點(diǎn)不易(b y)被發(fā)現(xiàn)和不易(b y)被篡改被動(dòng)抵御入侵的能力當(dāng)網(wǎng)絡(luò)遭到入侵時(shí)網(wǎng)絡(luò)具備

37、的對(duì)抗外部攻擊和內(nèi)部攻擊的能力。反擊主動(dòng)入侵的能力：能主動(dòng)限制或消滅入侵者入侵檢測(cè)能力隔離入侵者能力消滅入侵者能力72（1）通信安全需求(xqi)共九十頁(yè) 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(bx)確定入侵結(jié)點(diǎn)的身份或者位置，只有這樣才能在隨后發(fā)動(dòng)有效反擊。 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(lái)避開(kāi)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(kāi)來(lái)，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

38、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(guò)人工方式消滅入侵者。73共九十頁(yè)（2）信息安全需求(xqi) 信息安全就是要保證網(wǎng)絡(luò)中傳輸信息的安全性。具體需求內(nèi)容包括： 數(shù)據(jù)(shj)的機(jī)密性保證網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳輸?shù)男畔⒉槐环欠ǜ`聽(tīng)。 數(shù)據(jù)鑒別保證用戶收到的信息來(lái)自己方結(jié)點(diǎn)而非入侵結(jié)點(diǎn)。 數(shù)據(jù)的完整性保證數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中沒(méi)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。74共九十頁(yè)2. WSN中安全管理(gunl)應(yīng)解決的問(wèn)題75 (1) 機(jī)密性問(wèn)題。所有敏感數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)和傳輸?shù)倪^(guò)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(xio

39、xi)內(nèi)容。 (2) 點(diǎn)到點(diǎn)的消息認(rèn)證問(wèn)題。網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)在接收到另外一個(gè)結(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的消息時(shí)，能夠確認(rèn)這個(gè)數(shù)據(jù)包確實(shí)是從該結(jié)點(diǎn)發(fā)送出來(lái)的，而不是其它結(jié)點(diǎn)冒充的。 (3) 完整性鑒別問(wèn)題。網(wǎng)絡(luò)結(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(lái)的時(shí)候完全相同，沒(méi)有被中間節(jié)點(diǎn)篡改或者在傳輸中通信出錯(cuò)。共九十頁(yè) (4) 新鮮性（數(shù)據(jù)的時(shí)效性）問(wèn)題。結(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(wèn)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，二是由惡意結(jié)點(diǎn)的重放攻擊而引起。 (5) 認(rèn)證組播/廣播問(wèn)題。解決單一結(jié)點(diǎn)向一組結(jié)點(diǎn)/所有結(jié)點(diǎn)發(fā)送統(tǒng)一通告的認(rèn)證

40、安全問(wèn)題。 (6) 安全管理問(wèn)題。包括安全引導(dǎo)和安全維護(hù)。安全引導(dǎo)是指使一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)逐步形成安全網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程(guchng)。安全維護(hù)主要設(shè)計(jì)通信中的密鑰更新，以及網(wǎng)絡(luò)變更引起的安全變更，方法往往是安全引導(dǎo)過(guò)程(guchng)的一個(gè)延伸。76共九十頁(yè) 這些安全問(wèn)題在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的各個(gè)層次都應(yīng)該充分考慮，只是側(cè)重點(diǎn)不盡相同。物理層主要側(cè)重在安全編碼方面；鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層考慮的是數(shù)據(jù)幀和路由信息的加解密技術(shù)；應(yīng)用層在密鑰的管理和交換過(guò)程中，為下層(xicng)的加解密技術(shù)提供安全支撐。77共九十頁(yè) 傳感器網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)的設(shè)計(jì)包括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)

41、采集、融合和傳輸?shù)然竟δ艿恼?zhngchng)進(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、完整性和保密性，是面向用戶應(yīng)用的安全。 傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全隱患在于網(wǎng)絡(luò)部署區(qū)域的開(kāi)放性和無(wú)線通信的廣播特性。協(xié)議棧的各層都可能受到攻擊。783. WSN的安全(nqun)設(shè)計(jì)共九十頁(yè)4. 傳感器網(wǎng)絡(luò)安全框架(kun ji)協(xié)議：SPINS SPINS安全協(xié)議族是最早的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全框架之一，包含了SNEP(Secure Network Encryption Protocol)和TESLA(micro Timed Efficient Streaming Loss-tole

42、rant authentication Protoco1)兩個(gè)(lin )安全協(xié)議。 SNEP協(xié)議提供點(diǎn)到點(diǎn)通信認(rèn)證、數(shù)據(jù)機(jī)密性、完整性和新鮮性等安全服務(wù)；TESLA協(xié)議則提供對(duì)廣播消息的數(shù)據(jù)認(rèn)證服務(wù)。 SPINS定義的是一個(gè)協(xié)議框架，在使用的時(shí)候還需要考慮很多具體的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。例如，使用什么樣的加密、鑒別、認(rèn)證、單向密鑰生成算法和隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，如何在有限資源內(nèi)融合各種算法以達(dá)到最高效率等。79共九十頁(yè)傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)共九十頁(yè) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的價(jià)值就在于它的低成本和可以大量部署。為了降低產(chǎn)品成本、擴(kuò)大市場(chǎng)和實(shí)現(xiàn)規(guī)模效益，傳感器網(wǎng)絡(luò)的某些特征和共性(gngxng)技術(shù)必須實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，這樣來(lái)

43、自不同產(chǎn)商的產(chǎn)品才能協(xié)同工作。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化工作受到了許多國(guó)家及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織的普遍關(guān)注，已經(jīng)完成了一系列草案甚至標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制定。其中最出名的就是IEEE 802.15.4/ZigBee規(guī)范，它甚至已經(jīng)被一部分研究及產(chǎn)業(yè)界人士視為傳感器網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)。IEEE 802.15.4定義了短距離無(wú)線通信的物理層及鏈路層規(guī)范，ZigBee則定義了網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、傳輸和應(yīng)用規(guī)范。 目前傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化工作的兩個(gè)公認(rèn)成果是IEEE 1451接口標(biāo)準(zhǔn)和IEEE 802.15.4低速率無(wú)線個(gè)域網(wǎng)協(xié)議。81共九十頁(yè) IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)(biozhn) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的底層標(biāo)準(zhǔn)一般沿用無(wú)線個(gè)域網(wǎng)（IEE

44、E 802.15）的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)部分。無(wú)線個(gè)域網(wǎng)（WPAN）的出現(xiàn)比傳感器網(wǎng)絡(luò)要早，通常定義為提供個(gè)人及消費(fèi)類電子設(shè)備之間進(jìn)行互聯(lián)的無(wú)線短距離專用網(wǎng)絡(luò)。 無(wú)線個(gè)域網(wǎng)專注(zhunzh)于便攜式移動(dòng)設(shè)備之間的雙向通信技術(shù)問(wèn)題，其典型覆蓋范圍一般在10米以內(nèi)。IEEE 802.15工作組就是為完成這一使命而專門設(shè)置的，且已經(jīng)完成一系列相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，其中就包括了被廣泛用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的底層標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.4。82共九十頁(yè) IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義的網(wǎng)絡(luò)具有如下特點(diǎn)： (1) 在不同的載波頻率下實(shí)現(xiàn)20kbps、40kbps和250kbps三種不同的傳輸速率； (2) 支持(zhch)星型和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)； (3) 有16位和64位兩種地址格式，其中64位地址是全球惟一的擴(kuò)展地址； (4) 支持沖突避免的載波多路偵聽(tīng)技術(shù)(CSMA-CA)； (5) 支持確認(rèn)機(jī)制，保證傳輸可靠性。