無線傳感網(wǎng)絡(luò)總結(jié)

無線傳感網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)無線傳感網(wǎng)是由一組無線傳感器節(jié)點以Adhoc（白組織）方式組成的無線網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、收集和處理無線傳感網(wǎng)所覆蓋的地理區(qū)域中感知對象的信息，并傳涕給觀察者。這種無線傳感網(wǎng)集中了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)和無線通信技術(shù)，能協(xié)作地感知、監(jiān)測和收集各種環(huán)境下所感知對象的信息，通過對這些信息的協(xié)作式信息處理，獲得感知對象的準(zhǔn)確信息，然后通過Adhoc方式傳送到需要這些信息的用戶。傳感器、感知對象和觀察者構(gòu)成了無線傳感網(wǎng)的三個要素。如圖1-1所示為典型的無線傳感網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)，它由分布式傳感器節(jié)點群組成。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，并通過多跳方式將整個區(qū)域內(nèi)的信息傳送給基站（BS）或匯集節(jié)點，BS再通過傳輸通信網(wǎng)絡(luò)（由互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星網(wǎng)或移動通信網(wǎng)構(gòu)成）將數(shù)據(jù)傳到數(shù)據(jù)中心或發(fā)送給遠(yuǎn)處的用戶。反之，用戶可以通過傳輸通信網(wǎng)發(fā)送命令給BS，而BS再將命令轉(zhuǎn)發(fā)給各個傳感器節(jié)點。無線傳感網(wǎng)是以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。分布式的無線傳感網(wǎng)多為分簇形式，將傳感器節(jié)點分成多個簇，每個簇存在一個簇頭節(jié)點，負(fù)責(zé)簇內(nèi)節(jié)點的管理和數(shù)據(jù)融合，分簇結(jié)構(gòu)的無線傳感網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1-2所示。分簇方式的特點是簇群內(nèi)的節(jié)點只能與本簇的簇頭通信,簇頭和簇頭之間可以相互傳遞數(shù)據(jù)，可以通過多跳方式傳送數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)中心。1.1.2無線傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)無線傳感器節(jié)點是一個微型化的嵌入式系統(tǒng)，它構(gòu)成了無線傳感網(wǎng)的基礎(chǔ)層支持平臺。典型的傳感器節(jié)點由數(shù)據(jù)采集的感知單元、數(shù)據(jù)處理和存儲單元、通信收發(fā)的傳輸單元和節(jié)點供電的能源供給單元4個部分組成，感知單元由傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器組成，負(fù)責(zé)感知監(jiān)控對象的信息；能源供給單元負(fù)責(zé)供給節(jié)點工作所消耗的能量，一般為小體積的電池；傳輸單元完成節(jié)點間的信息交互通信工作，一般為無線電收發(fā)裝置，由物理層收發(fā)器、MAC層協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議組成；處理單元包括存儲器和微處理器和應(yīng)用部分，負(fù)責(zé)控制整個傳感器節(jié)點的操作，存儲和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)。典型的傳感器節(jié)點體積較小，可能小于1cm3次方，常被部署在無人照看或惡劣的環(huán)境中，無法更換電池，節(jié)點能量受限。實際上各平臺最主要區(qū)別是采用了不同的處理器、無線通信協(xié)議以及與應(yīng)用相關(guān)的不同的傳感器。目前國內(nèi)外出現(xiàn)了多種無線傳感網(wǎng)節(jié)點的硬件平臺。如：美國的CrossBow公司開發(fā)的Mote系列節(jié)點Mica2、MicaZ、Mica2Dot，Infineon公司開發(fā)的EYES傳感器節(jié)點等等。常用的處理器有IntelStrongARM、TexasInstrumentMSP430和AtmelAtmega，常用的無線通信協(xié)議有802.llb、802.15.4/ZigBee和Bluetooth等；與應(yīng)用相關(guān)的傳感器有光傳感器、熱傳感器、壓力傳感器以及濕度傳感器等。1.2.4無線傳感網(wǎng)的特點1.無線傳感網(wǎng)規(guī)模大，密度高2.傳感器節(jié)點的能量、計算能力和存儲容量有限3.無線傳感網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)易變化，具有自組織能力4.網(wǎng)絡(luò)的自動管理和高度協(xié)作性5.傳感器節(jié)點具有數(shù)據(jù)融合能力6.以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)7.安全性問題嚴(yán)重1.3無線傳感網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù).網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂萍夹g(shù).網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議由于傳感器節(jié)點的計算能力、存儲能力、通信能力以及攜帶的能量都十分有限，每個節(jié)點只能獲取局部網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔?，其上運行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議也不能太復(fù)雜。無線傳感網(wǎng)協(xié)議負(fù)責(zé)使各個獨立的節(jié)點形成一個多跳的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，目前研究的重點是網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。在無線傳感網(wǎng)中，路由協(xié)議不僅關(guān)心單個節(jié)點的能量消耗，更關(guān)心整個網(wǎng)絡(luò)能量的均衡消耗，這樣才能延長整個網(wǎng)絡(luò)的生存期。無線傳感網(wǎng)是以數(shù)據(jù)為中心的。這在路由協(xié)議中表現(xiàn)得最為突出，每個節(jié)點沒有必要采用全網(wǎng)統(tǒng)一的編址，選擇路徑可以不用根據(jù)節(jié)點的編址，更多的是根據(jù)感興趣的數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)源到匯聚節(jié)點之間的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。無線傳感網(wǎng)的MAC協(xié)議首先要考慮節(jié)省能源和可擴(kuò)展性，其次才考慮公平性、利用率和實時性等。在MAC層的能量浪費主要表現(xiàn)在空閑偵聽、接收不必要數(shù)據(jù)和碰撞重傳等。為了減少能量的消耗，MAC協(xié)議通常采用“偵聽/睡眠”交替的無線信道偵聽機(jī)制，傳感器節(jié)點在需要收發(fā)數(shù)據(jù)時才偵聽無線信道，沒有數(shù)據(jù)需要收發(fā)時就盡量進(jìn)入睡眠狀態(tài)。.網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù).時間同步技術(shù)RBS、TINY/MINI-SYNC和TPSN被認(rèn)為是三個基本的同步機(jī)制。RBS機(jī)制是基于接收者-接收者的時鐘同步：一個節(jié)點廣播時鐘參考分組，廣播域內(nèi)的兩個節(jié)點分別采用本地時鐘記錄參考分組的到達(dá)時間，通過交換記錄時間來實現(xiàn)它們間的時鐘同步。TINY/MINI-SYNC是簡單的輕量級的同步機(jī)制：假設(shè)節(jié)點的時鐘漂移遵循線性變化，那么兩個節(jié)點之間的時間偏移也是線性的，可通過交換時標(biāo)分組來估計兩個節(jié)點間的最優(yōu)匹配偏移量。TPSN采用層次結(jié)構(gòu)實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的時間同步：所有節(jié)點按照層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行邏輯分級，通過基于發(fā)送者-接收者的節(jié)點對方式，每個節(jié)點能夠與上一級的某個節(jié)點進(jìn)行同步，從而實現(xiàn)所有節(jié)點都與根節(jié)點的時間同步。.節(jié)點定位技術(shù)確定事件發(fā)生的位置或采集數(shù)據(jù)的節(jié)點位置是無線傳感網(wǎng)最基本的功能之一。由于傳感器節(jié)點存在資源有限、隨機(jī)部署、通信易受環(huán)境干擾甚至節(jié)點失效等特點，定位機(jī)制必須滿足自組織性、健壯性、能量高效、分布式計算等要求。根據(jù)節(jié)點位置是否確定，傳感器節(jié)點分為信標(biāo)節(jié)點和位置未知節(jié)點。信標(biāo)節(jié)點的位置是已知的，位置未知節(jié)點需要根據(jù)少數(shù)信標(biāo)節(jié)點，按照某種定位機(jī)制確定自身的位置。在無線傳感網(wǎng)定位過程中，通常會使用三邊測量法、三角測量法或極大似然估計法確定節(jié)點位置。根據(jù)定位過程中是否實際測量節(jié)點間的距離或角度，把無線傳感網(wǎng)中的定位分類為基于測距的定位和無需測距的定位。.數(shù)據(jù)融合技術(shù)無線傳感網(wǎng)是能量約束的網(wǎng)絡(luò)，減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量能夠有效地節(jié)省能量，提高網(wǎng)絡(luò)的生存期。數(shù)據(jù)融合技術(shù)在節(jié)省能量、提高信息準(zhǔn)確度的同時，要以犧牲其他方面的性能為代價。首先是延遲的代價，在數(shù)據(jù)傳送過程中尋找易于進(jìn)行數(shù)據(jù)融合的路由、進(jìn)行數(shù)據(jù)融合操作、為融合而等待其他數(shù)據(jù)的到來，這三個方面都可能增加網(wǎng)絡(luò)的平均延遲。其次是魯棒性的代價，無線傳感網(wǎng)相對于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)有更高的節(jié)點失效率以及數(shù)據(jù)丟失率，數(shù)據(jù)融合可以大幅度降低數(shù)據(jù)的冗余性，但丟失相同的數(shù)據(jù)量可能損失更多的信息，因此相對而言也降低了網(wǎng)絡(luò)的魯棒性。數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以與無線傳感網(wǎng)的多個協(xié)議層次進(jìn)行結(jié)合。在應(yīng)用層設(shè)計中，可以利用分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行逐步篩選，達(dá)到融合的效果；在網(wǎng)絡(luò)層中，很多路由協(xié)議均結(jié)合了數(shù)據(jù)融合機(jī)制，以期減少數(shù)據(jù)傳輸量。數(shù)據(jù)融合技術(shù)已經(jīng)在目標(biāo)踉蹤、目標(biāo)自動識別等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。.數(shù)據(jù)管理技術(shù).無線通信技術(shù).嵌入式操作系統(tǒng).應(yīng)用層技術(shù)第2章物理層通信技術(shù)第3章2.4典型的物理層通信技術(shù)無線傳感網(wǎng)使用的典型物理層通信技術(shù)，包括近距離無線通信技術(shù)的ZigBee技術(shù)、紅外通信技術(shù)，藍(lán)牙技術(shù)，以及WiFi、UWB技術(shù)；廣域網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的GPRS和EDGE技術(shù)、WiMax、3G與LTE（4G）通信技術(shù)。1.ZigBeeZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。ZigBee協(xié)議是由ZigBee聯(lián)盟制定的無線通信標(biāo)準(zhǔn)，該聯(lián)盟成立于2001年8月。ZigBee聯(lián)盟的目的是為了在全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)上實現(xiàn)簡單可靠、價格低廉、功耗低、無線連接的監(jiān)測和控制產(chǎn)品進(jìn)行合作，并于2004年12月發(fā)布了第一個ZigBee正式標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee標(biāo)準(zhǔn)以IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義的物理層及MAC層為基礎(chǔ)，并對其進(jìn)行了擴(kuò)展，對網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，定義了一個靈活、安全的網(wǎng)絡(luò)層，支持多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在動態(tài)的射頻環(huán)境中提供高可靠性的無線傳輸。此外，ZigBee聯(lián)盟還開發(fā)了應(yīng)用層、安全管理、應(yīng)用接口等規(guī)范。ZigBee的通信速率要求低于藍(lán)牙，由電他供電設(shè)備提供無線通信功能，并希望在不更換電池并且不充電的情況下能正常工作幾個月甚至幾年。ZigBee支持mesh型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)規(guī)?？梢员人{(lán)牙設(shè)備大得多，一個網(wǎng)絡(luò)可支持65000個節(jié)點，在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，每一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊之間可以相互通信。ZigBee無線設(shè)備工作在免許可頻段2.4GHz頻段和868/915MHz頻段，傳輸距離為10?75m,具體數(shù)值取決于射頻環(huán)境以及特定應(yīng)用條件下的傳輸功耗。ZigBee物理層規(guī)范均基于直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，對于不同頻段的物理層，其碼片的調(diào)制方式各不相同。ZigBee的通信速率在2.4GHz時為250kbps,在915MHz時為40kbps,在868MH2時為20kbps。第3章無線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議3.2基于爭型MAC協(xié)議基于競爭的MAC協(xié)議的基本思想是，當(dāng)無線節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，主動搶占無線信道，當(dāng)在其通信范圍內(nèi)的其他無線節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，也會發(fā)起對無線信道的搶占，這就需要相應(yīng)的機(jī)制來保證任一時刻在通信區(qū)域內(nèi)只能有一個無線節(jié)點獲得信道使用權(quán)。如果發(fā)送的數(shù)據(jù)產(chǎn)生了碰撞，就按照某種策略重發(fā)數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)發(fā)送成功或放棄發(fā)送?；诟偁幍腗AC協(xié)議有如下優(yōu)點：（1）由于基于競爭的MAC協(xié)議是根據(jù)需要分配信道，所以這種協(xié)議能較好地滿足節(jié)點數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的變化；（2）基于競爭的MAC協(xié)議能較好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?；?）基于競爭的MAC協(xié)議不需要復(fù)雜的時間同步或集中控制調(diào)度算法。通信過程中造成能量損耗主要體現(xiàn)在以下幾方面：（1）空閑監(jiān)聽（idlelistenning）：節(jié)點在不需要收發(fā)數(shù)據(jù)時仍保持對信道的空閑偵聽。（2）沖突重傳：數(shù)據(jù)沖突導(dǎo)致的重傳和等待重傳。（3）控制開銷：為了保證可靠傳輸，協(xié)議將使用一些控制分組，如RTS/CTS，雖然沒有數(shù)據(jù)在其中，但是我們必須消耗一定的能量來發(fā)送它們；（4）串?dāng)_（overhearng）：節(jié)點因接收并處理并非傳輸給自己的分組造成的串音。3.2.2S-MAC協(xié)議2.關(guān)鍵技術(shù)（1）周期性監(jiān)聽和睡眠（2）自適應(yīng)監(jiān)聽（3）沖突和串音避免（4）消息傳遞（分片傳輸機(jī)制）4.3ZigBee協(xié)議ZigBee協(xié)議框架相對于常見的無線通信標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee協(xié)議比較緊湊、簡單，從總體框架來看，可以分為三個基本層次：物理層/數(shù)據(jù)鏈路層、ZigBee堆棧層和應(yīng)用層，物理層/數(shù)據(jù)鏈路層位于最底層，應(yīng)用層位于最高層，ZigBee協(xié)議的架構(gòu)如圖4-4所示。各層的基本功能如下：1.物理層/數(shù)據(jù)鏈路層物理層與物理傳輸媒介（這里主要指無線電波）相關(guān)，負(fù)責(zé)物理媒介與數(shù)據(jù)比特的相互轉(zhuǎn)化，以及數(shù)據(jù)比特與上層一數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)幀的相互轉(zhuǎn)化。數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)尋址功能，發(fā)送數(shù)據(jù)時決定數(shù)據(jù)發(fā)送的目的地址，接收數(shù)據(jù)時判定數(shù)據(jù)的源地址。此外也負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包或數(shù)據(jù)幀的裝配以及接收到的數(shù)據(jù)幀的解析。.ZigBee堆棧層ZigBee堆棧層由網(wǎng)絡(luò)層與安全平臺組成，提供應(yīng)用層與IEEE802.15.4物理層/數(shù)據(jù)鏈路層的連接，由與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、路由、安全相關(guān)的幾個堆棧層次組成。.應(yīng)用層應(yīng)用層包含在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上運行的應(yīng)用程序，賦予節(jié)點自己的功能。應(yīng)用層的主要功能是將輸入轉(zhuǎn)化為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，或者將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為輸出。ZigBee協(xié)議主要特征（1）省電。ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備工作周期較短、收發(fā)信息功率低，并且采用了休眠模式（當(dāng)不傳送數(shù)據(jù)時處于休眠狀態(tài)，當(dāng)需要接收數(shù)據(jù)時由ZigBee網(wǎng)絡(luò)中稱作“協(xié)調(diào)器”的設(shè)備負(fù)責(zé)喚醒他們），所以ZigBee技術(shù)特別省電，避免了頻繁更換電池或充電，從而減輕了網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的負(fù)擔(dān)。（2）可靠。由于采用了可碰撞避免機(jī)制并為需要固定寬帶的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突，而且MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息，因此從根本上保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

(3)廉價。由于ZigBee協(xié)議棧設(shè)計簡練，因此它的研發(fā)和生產(chǎn)成本相對較低。普通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件上只需8位處理器(如80C51)，最小4KB，最大32KB的ROM；軟件實現(xiàn)上也較簡單。隨著產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化，ZigBee通信模塊價格預(yù)計能降到1.5?2.5美元。(4)短時延。ZigBee技術(shù)與藍(lán)牙技術(shù)的時延指標(biāo)都非常短。ZigBee節(jié)點休眠和工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換只需151^,入網(wǎng)約30ms,而藍(lán)牙為3?10s。(5)大網(wǎng)絡(luò)容量。ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個從設(shè)備和一個主設(shè)備，一個區(qū)域內(nèi)最多可以同時存在100個ZigBee網(wǎng)絡(luò)。(6)安全。ZigBee技術(shù)提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒別功能，加密算法采用AES-128,并且其應(yīng)用可以靈活的確定其安全屬性，使網(wǎng)絡(luò)安全能夠得到有效的保障。ZigBee網(wǎng)絡(luò)層.網(wǎng)絡(luò)層功能網(wǎng)絡(luò)層在MAC層與應(yīng)用層之間提供合適的接口，通過激發(fā)MAC層的動作執(zhí)行尋址和路由功能。主要任務(wù)包括：①發(fā)起一個網(wǎng)絡(luò)并且分配網(wǎng)絡(luò)地址(網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器);②向網(wǎng)絡(luò)中添加設(shè)備或者從網(wǎng)絡(luò)中移除設(shè)備；③將消息路由到目的節(jié)點；④對發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密；⑤在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中執(zhí)行路由尋址并且儲存路由表。.網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)規(guī)范網(wǎng)絡(luò)層安全管理網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)服勢接入點皿C層數(shù)據(jù)

服畀接入點應(yīng)用支持子層〔APS)MAC房管理

服務(wù)接入點網(wǎng)絡(luò)層管理網(wǎng)絡(luò)層包含網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體(NLDE)和網(wǎng)絡(luò)層管理實體(NLME),NLDE通過網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體服務(wù)接入點(近0￡-54巳提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，NLME通過網(wǎng)絡(luò)層管理實體服務(wù)接入點(NLME-SAP)提供管理服務(wù)。NLME利用NLDE完成一些管理任務(wù)和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)信息庫(NIB),網(wǎng)絡(luò)層安全管理網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)服勢接入點皿C層數(shù)據(jù)

服畀接入點應(yīng)用支持子層〔APS)MAC房管理

服務(wù)接入點網(wǎng)絡(luò)層管理網(wǎng)絡(luò)層

信息管理路山管理網(wǎng)絡(luò)信網(wǎng)絡(luò)層

信息管理路山管理圖4-5網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu)與接口(1)網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體(NLDE)(2)網(wǎng)絡(luò)層管理理實體(NIME).3.5ZigBee應(yīng)用層ZigBee協(xié)議的應(yīng)用層由應(yīng)用支持子層(ApplicationSupportSoblayer,APS)、應(yīng)用框架(ApplicationFramework,AF)、ZigBee設(shè)備對象(ZigBeeDeviceObject,ZDO)以及ZigBee設(shè)備對象管理平臺組成。應(yīng)用層的詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖4-6所示。APS子層的作用包括:維護(hù)綁定表(綁定表作用是基于兩個設(shè)備的服務(wù)和需要把它們綁定在一起)；在綁定的設(shè)備之間來傳輸信息。ZDO的作用包括：在網(wǎng)絡(luò)中定義一個設(shè)備的作用(如定義設(shè)備為協(xié)調(diào)器、路由器或終端設(shè)備)；發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備并確定它們能提供何種應(yīng)用的服務(wù)；起始或回應(yīng)綁

定需求以及在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中建立一個安全的連接。應(yīng)用層應(yīng)用對象2例應(yīng)用框架2D0公用接口人比的電備對象(ZDD)安全平介端點24。

薊S數(shù)據(jù)

實體服務(wù)

接入點數(shù)據(jù)反應(yīng)管理應(yīng)用對象2例應(yīng)用框架2D0公用接口人比的電備對象(ZDD)安全平介端點24。

薊S數(shù)據(jù)

實體服務(wù)

接入點數(shù)據(jù)反應(yīng)管理應(yīng)用支持子房仁的)APS信總管建網(wǎng)結(jié)尾數(shù)摳服務(wù)接入由端點0AFSO宣體用備接入點應(yīng)用對象1端點L￡5數(shù)據(jù)實體服翁套入點NW管理平臺圖4—6.應(yīng)用支持子層(APS)應(yīng)用支持子層在網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層之間，通過ZDO和應(yīng)用設(shè)備共同使用的一套通用的服務(wù)機(jī)制提供兩層間的接口。應(yīng)用支持子層包含兩個實體：APS數(shù)據(jù)實體(APSDE)和APS管理實體(APSME)°APSDE通過APS數(shù)據(jù)實體服務(wù)接入點(APSDE-SAP)在同一網(wǎng)絡(luò)的兩個或多個設(shè)備之間提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)；APSME通過APS管理實體服務(wù)接入點(APSME-SAP)提供服務(wù)機(jī)制，以發(fā)現(xiàn)和綁定設(shè)備，并維護(hù)一個管理對象的數(shù)據(jù)庫，稱為APS信息庫(AIB)。.應(yīng)用框架(AF)ZigBee應(yīng)用層框架是應(yīng)用設(shè)備和ZigBee設(shè)備連接的環(huán)境。在應(yīng)用層框架中，應(yīng)用對象(ApplicationObject)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)通過APSDE-SAP實現(xiàn)，而對應(yīng)用對象的控制和管理則通過ZDO公用接口來實現(xiàn)。APSDE-SAP提供的數(shù)據(jù)服務(wù)包括請求、確認(rèn)、響應(yīng)以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹甘拘畔?。用戶可以定義多達(dá)240個不同的應(yīng)用對象，每個應(yīng)用對象由端口(Endpoint)1到端口240來標(biāo)識，端口241-254保留作將來使用，止匕外，還有兩個附加的端口：端口0用于ZDO的數(shù)據(jù)接口，端口255用于所有應(yīng)用對象的廣播數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)接口。使用APSDE一SAP提供的服務(wù)，應(yīng)用層框架提供了應(yīng)用對象的兩種數(shù)據(jù)服務(wù)類型：鍵值對(KeyvaluePair,KVP)服務(wù)和通用信息(GenericMessage,MSG)服務(wù)。兩者傳輸機(jī)制一樣，不同的是：KVP較為嚴(yán)格，是專門為傳輸一組特征量而設(shè)計的；MSG結(jié)構(gòu)上則比較自由，不采用應(yīng)用支持子層數(shù)據(jù)幀的內(nèi)容，留給用戶自己定義。.ZigBee設(shè)備對象(ZDO)ZigBee設(shè)備對象(ZDO),描述了一個基本的功能函數(shù)類，在應(yīng)用對象、配置文件(Profile)和應(yīng)用支持子層之間提供了一個接口。ZDO位于應(yīng)用框架和應(yīng)用支持子層之間。它滿足了ZigBee協(xié)議棧所有應(yīng)用操作的一般要求。ZDO還有以下作用：①初始化應(yīng)用支持子層、網(wǎng)絡(luò)層、安全服務(wù)文檔。②從終端應(yīng)用中集合配置信息來確定和執(zhí)行發(fā)現(xiàn)、安全管理、網(wǎng)絡(luò)管理、以及綁定管理。ZDO描述了應(yīng)用框架層的應(yīng)用對象的公用接口以控制設(shè)備和應(yīng)用對象的網(wǎng)絡(luò)功能。ZDO提供了與協(xié)議棧中低一層相連的接口，數(shù)據(jù)信息通過APSDE-SAP相連，控制信息通過APSME-SAP相連。在ZigBee協(xié)議棧的應(yīng)用框架中，ZDO公用接口提供設(shè)備發(fā)現(xiàn)、綁定以及安全等功能的地址管理。.ZigBee設(shè)備對象管理平臺ZigBee設(shè)備對象管理平臺管理網(wǎng)路層和應(yīng)用支持子層，在ZigBee設(shè)備對象執(zhí)行內(nèi)部工作時允許其與網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用支持子層通信。此外，管理平臺也負(fù)責(zé)ZigBee設(shè)備對象處理應(yīng)用請求接入網(wǎng)絡(luò)及使用ZigBee設(shè)備文件信息的安全功能。思考題（4）ZigBee協(xié)議主要特征有哪些？（5）ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)備類型有幾種？在Zigbee網(wǎng)絡(luò)中，一共有3種設(shè)備類型：協(xié)調(diào)器、路由、終端。（6）簡述Zigbee協(xié)議體系結(jié)構(gòu)。第5章無線傳感網(wǎng)路由協(xié)議5.1.2路由協(xié)議的分類.按源節(jié)點獲取路徑策略劃分（1）主動路由協(xié)議。（2）按需路由協(xié)議。（3）混合路由協(xié)議：.按通信的邏輯結(jié)構(gòu)劃分（1）平面路由協(xié)議：（2）層次路由協(xié)議：3?按路由的發(fā)現(xiàn)過程劃分（1）以位置信息為中心的路由協(xié)議：。（2）以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議：5.3.1Flooding和Gosipping協(xié)議1,洪泛路由協(xié)議洪泛路由協(xié)議（Floodingprotocol）內(nèi)爆現(xiàn)象：重疊現(xiàn)象：.閑聊法閑聊法（Gossiping）引入了隨機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的方法.5基于查詢的路由協(xié)議定向擴(kuò)散路由定向擴(kuò)散（directeddiffusion，DD）路由協(xié)議是一種基于查詢的路由方法定向擴(kuò)散路由機(jī)制包括周期性的興趣擴(kuò)散、梯度建立、數(shù)據(jù)傳播與路徑加強(qiáng)等階段。（a）ST Lb）褶度逑立 叱〉路徑加強(qiáng)圖5MDD算法示意圖謠傳路由第6章定位技術(shù)6.1節(jié)點定位技術(shù)基本概念.定位的含義無線傳感網(wǎng)定位問題是指網(wǎng)絡(luò)通過特定方法提供節(jié)點的位置信息。其定位方式可分為節(jié)點自身定位和目標(biāo)定位。節(jié)點自身定位是確定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的坐標(biāo)位置的過程，目標(biāo)定位是確定網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)一個事件或者一個目標(biāo)的坐標(biāo)位置。節(jié)點自身定位是網(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)點的自定位算法完成。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。.基本術(shù)語(名詞解釋)(1)信標(biāo)節(jié)點：指通過其他方式預(yù)先獲得位置坐標(biāo)的節(jié)點，有時也被稱作錨點。網(wǎng)絡(luò)中相應(yīng)的其余節(jié)點被稱為非錨點。(2)測距：指兩個相互通信的節(jié)點通過測量的方式來估計出彼此之間的距離或角度。(3)連接度：包括節(jié)點連接度和網(wǎng)絡(luò)連接度兩種含義。節(jié)點連接度是指節(jié)點可探測發(fā)現(xiàn)的鄰居節(jié)點個數(shù)。網(wǎng)絡(luò)連接度是所有節(jié)點的鄰居節(jié)點數(shù)目的平均值，它反映了傳感網(wǎng)節(jié)點配置的密集程度。(4)鄰居節(jié)點：傳感網(wǎng)節(jié)點通信半徑范圍以內(nèi)的所有其他節(jié)點，被稱為該節(jié)點的鄰居節(jié)點。(5)接收信號強(qiáng)度指示(receivedsignalstrengthindicator,RSSI)：節(jié)點接收到無線信號的強(qiáng)度大小，被稱為接收信號的強(qiáng)度指示。(6)到達(dá)角度(angleofarrival,AoA):節(jié)點接收到的信號相對于自身軸線的角度，被稱為信號相對接收節(jié)點的到達(dá)角度。(7)視線關(guān)系(lineofsight,LoS):如果傳感網(wǎng)的兩個節(jié)點之間沒有障礙物，能夠?qū)崿F(xiàn)直接通信，則稱這兩個節(jié)點間存在視線關(guān)系。(8)非視線關(guān)系(nonelineofsight,NLoS):傳感網(wǎng)兩個節(jié)點之間存在障礙物，影響了它們直接的無線通信。.定位性能的評價指標(biāo)(1)定位精度：(2)覆蓋范圍：(3)刷新速度：(4)功耗：(5)代價：時間代價空間代價.資金代價6.2.1測距方法.接收信號強(qiáng)度指示(RSSI).到達(dá)時間(ToA).到達(dá)時間差(TDoA).到達(dá)角(AoA)6.2.2節(jié)點定位計算方法(1)三邊測量法三邊測量法(trilateration),已知A、B、C三個節(jié)點的坐標(biāo)，以及它們到未知節(jié)點D的距離,求D的坐標(biāo)(2)三角測量法三角測量法(仃12四口3班0#,已知人、B、C三個節(jié)點的坐標(biāo)，節(jié)點D相對于節(jié)點A、B、C的角度，求D的坐標(biāo)對于節(jié)點A、C和角/A。。，如果弧段AC在4ABC內(nèi)，那么能夠惟一確定一個圓，圖；.角測時法圖示確定圓心O1點的坐標(biāo)和半徑。同理對A、B、/ADB和B、C、/BDC分別確定相應(yīng)的圓心、半徑。最后利用三邊測量法，由三個圓心點及其半徑確定D點坐標(biāo)。(3)極大似然估計法極大似然估計法(maximumlikelihoodestimation，MLE)，己知1、2、3等n個節(jié)點的坐標(biāo)，它們到未知節(jié)點D的距離，求未知節(jié)點的坐標(biāo)■6-6極大似然估W法圖示使用標(biāo)準(zhǔn)的最小均方差估計方法可得到節(jié)點的坐標(biāo)為：6.3無需測距的定位算法無須測距的定位技術(shù)是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的連通性確定網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點之間的跳數(shù)，同時根據(jù)已知位置的參考節(jié)點的坐標(biāo)等信息估計出每一跳的大致距離，然后估計出節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中的位置。1.質(zhì)心算法DV-Hop算法距離向量-跳數(shù)(distancevector-hop，DV-Hop)算法定位機(jī)制非常類似于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的距離向量路由機(jī)制。在距離向量定位機(jī)制中，未知節(jié)點首先計算與信標(biāo)節(jié)點的最小跳數(shù),然后估算平均跳數(shù)的距離，利用最小跳數(shù)乘以平均每跳距離，得到未知節(jié)點與信標(biāo)節(jié)點之間的估計距離，再利用三邊測量法或極大似然估計法計算未知節(jié)點的坐標(biāo)。DV-Hop算法的定位過程分為以下三個階段：（1）計算未知節(jié)點與信標(biāo)節(jié)點的最小跳數(shù)信標(biāo)節(jié)點向鄰居節(jié)點廣播自身的位置信息的分組，其中包括跳數(shù)字段，初始化為0。接收節(jié)點記錄具有到每個信標(biāo)節(jié)點的最小跳數(shù)，忽略來自同一個信標(biāo)節(jié)點的最大跳數(shù)的分組。然后將跳數(shù)值加1，并轉(zhuǎn)發(fā)給鄰居節(jié)點。通過這種方法，網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點能夠記錄下到每個信標(biāo)節(jié)點的最小跳數(shù)。如圖6-7所示，信標(biāo)節(jié)點A廣播的分組以近似于同心圓的方式在網(wǎng)絡(luò)中逐次傳播，圖中的數(shù)字代表距離信標(biāo)節(jié)點A的跳數(shù)。（2）計算未知節(jié)點與信標(biāo)節(jié)點的實際跳數(shù)距離每個信標(biāo)節(jié)點根據(jù)第一個階段記錄的其他信標(biāo)節(jié)點的位置信息和相距跳數(shù)，利用式（6-8）估算平均跳數(shù)的實際平均距離值。然后，信標(biāo)節(jié)點將計算的每跳平均距離用帶有生存期字段的分組廣播到網(wǎng)絡(luò)中，未知節(jié)點僅記錄接收到的每一跳平均距離，并轉(zhuǎn)發(fā)給鄰居節(jié)點。這個策略確保了絕大多數(shù)節(jié)點從最近的信標(biāo)節(jié)點接收每跳平均距離值。未知節(jié)點接收到每跳距離平均值后，根據(jù)記錄的跳數(shù)，計算到每個信標(biāo)節(jié)點的跳段距離。（3）利用三邊測量法或極大似然估計法計算自身位置未知節(jié)點利用第二階段中記錄的每個信標(biāo)節(jié)點的跳段距離，利用三邊測量法或極大似然估計法計算自身坐標(biāo)。如圖6-8給出了DV-Hop算法示例。經(jīng)過第一階段和第二階段，能夠計算出信標(biāo)節(jié)點L1、L2、L3間的實際距離和跳數(shù)，那么信標(biāo)節(jié)點L2計算的每跳平均距離為d=（40+75）/（2+5）=16.42m。假設(shè)未知節(jié)點A從L2獲得每跳平均距離，則節(jié)點A與三個信標(biāo)節(jié)點之間的距離分別為3d，2d，3d，最后利用三邊測量法計算出節(jié)點A的坐標(biāo)。DV-Distance算法APIT算法RBS同步機(jī)制RBS協(xié)議是基于接收者和接收者時間同步機(jī)制的代表協(xié)議，基本原理如圖7-1所示。發(fā)送節(jié)點廣播一個參考（reference）分組，廣播域中兩個節(jié)點都能夠接收到這個分組，每個接收節(jié)點分別根據(jù)自己的本地時鐘記錄接收到reference分組的時刻，然后交換它們記錄的reference分組的接收時間。兩個接收時間的差值相當(dāng)于兩個接收節(jié)點間的時間差值，其中一個節(jié)點根據(jù)這個時間差值更改它的本地時間，從而達(dá)到兩個接收節(jié)點的時間同步。RBS機(jī)制中不是通告發(fā)送節(jié)點的時間值，而是通過廣播同步參考分組來實現(xiàn)接收節(jié)點間的相對時間同步，參考分組本身不需要攜帶任何時標(biāo)，也不需要知道是何時發(fā)送出去的。影響RBS機(jī)制性能的主要因素包括接收節(jié)點間的時鐘偏差（時鐘歪斜）、接收節(jié)點的非確定性因素、接收節(jié)點的個數(shù)等等。為了提高時間同步的精度，RBS機(jī)制采用了統(tǒng)計技術(shù)，通過多次發(fā)送參考消息，獲得接收節(jié)點之間時間差異的平均值。對于時鐘偏差問題，采用了最小平方的線性回歸方法進(jìn)行線性擬合，直線的斜率就是兩個節(jié)點的時鐘偏差，直線上的點就表示節(jié)點間的時間差。1^17-1RBS時間同步機(jī)制原理圖Tiny-sync/mini-sync同步機(jī)制在通常情況下，節(jié)點i的硬件時鐘是時間t的單調(diào)非遞減函數(shù)。用來產(chǎn)生實時時間的晶體頻率依賴于周圍環(huán)境條件，在相當(dāng)長一段時間內(nèi)可以認(rèn)為保持不變。由于節(jié)點之間時鐘頻偏和時鐘相偏往往存在差異，但是它們時鐘頻偏或相偏之間的差值在一段時間內(nèi)保持不變，根據(jù)節(jié)點之間的線性相關(guān)性，可以得出：4（。二如 （7.1）式中，〃12和b12分別表示兩個時鐘之間的相對時鐘頻偏和相對時鐘相偏。Tiny-sync算法和Mini-sync算法采用傳統(tǒng)的雙向消息設(shè)計來估計節(jié)點時鐘間的相對漂移和相對偏移。節(jié)點1給節(jié)點2發(fā)送探測消息，時間戳是10,節(jié)點2在接收到消息后產(chǎn)生時間戳tb。并且立刻發(fā)送應(yīng)答消息。最后節(jié)點1在收到應(yīng)答消息時產(chǎn)生時間戳j利用這些時間戳的絕對順序和上面的等式可以得到下面的不等式：「。⑴<3亦⑴+如 （72）q2右（。+42 '三個時間戳（10、tb、t））叫做數(shù)據(jù)點，Tiny-sync和Mini-sync利用這些數(shù)據(jù)點進(jìn)行工作。隨著數(shù)據(jù)點數(shù)目的增多，算法的精確度也提高。每個數(shù)據(jù)點遵循相對漂移和相對偏移的兩個約束條件。圖7-3描述了數(shù)據(jù)點加在112和b12上的約束。Tiny-sync中每次獲得新的數(shù)據(jù)點時，首先和以前的數(shù)據(jù)點比較，如果新的數(shù)據(jù)點計算出的誤差大于以前數(shù)據(jù)點計算出的誤差，則拋棄新的數(shù)據(jù)點，否則就采用新的數(shù)據(jù)點，而拋棄舊的數(shù)據(jù)點。這樣時間同步總共只需要存儲三到四個數(shù)據(jù)點，就可以實現(xiàn)一定精度的時間同步。圖7-3探測信息的數(shù)捱，點美累如圖7-4所示，在收至U(A1,B1)和(A2,B1)后，計算出頻偏和相偏的估計值，在收到數(shù)據(jù)點(A3,B3)之后，約束A1、B1、A3、B3被儲存，A2、B2被丟棄了，但是后來接收到數(shù)據(jù)點(A4,B4)可以和(A2,B2)聯(lián)合而構(gòu)成更好的估計，但是此時(A2,B2)已經(jīng)丟棄，只能獲得次優(yōu)估計。含"V圖7-4liny-sync方法丟失有用數(shù)據(jù)點的情況Mini-sync算法是為了克服Tiny-sync算法中丟失有用數(shù)據(jù)點的缺點而提出的，該算法建立約束條件來確保僅丟掉將來不會有用的數(shù)據(jù)點，并且每次獲取新的數(shù)據(jù)點后都更新約束條件。因為只有Aj滿足： 這個條件就表示這個數(shù)據(jù)點是以后有用的數(shù)據(jù)點(機(jī)(A,B)表示通過點A和B的直線的斜率)8.3無線傳感網(wǎng)的安全防護(hù)技術(shù)安全框架SPINS安全協(xié)議族是最早的無線傳感網(wǎng)的安全框架之一，主要由安全加密協(xié)議(SNEP)和認(rèn)證流廣播(RTESLA)兩部分組成。SNEP提供雙向通信認(rèn)證、數(shù)據(jù)機(jī)密性、數(shù)據(jù)新鮮度等安全服務(wù)；UESLA協(xié)議則提供對廣播消息的數(shù)據(jù)認(rèn)證服務(wù)。安全協(xié)議與防護(hù)技術(shù)本地加密與認(rèn)證協(xié)議(LEAP)是無線傳感網(wǎng)的一個密鑰管理協(xié)議。LEAP+支持每個節(jié)點建立4種密鑰：與中心節(jié)點共享的單獨密鑰、每個相鄰節(jié)點共享的成對密鑰、與一組相鄰節(jié)點共享的分群密鑰、與所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點共享的全網(wǎng)密鑰。.認(rèn)證和訪問控制技術(shù)1）無線傳感網(wǎng)內(nèi)部實體之間認(rèn)證2）無線傳感網(wǎng)對用戶的認(rèn)證⑴直接基站請求認(rèn)證⑵路由基站請求認(rèn)證⑶分布式本地認(rèn)證請求⑷分布式遠(yuǎn)程請求認(rèn)證3）無線傳感網(wǎng)廣播認(rèn)證.安全通信與安全路由技術(shù).安全時鐘同步技術(shù)根據(jù)定位機(jī)制的不同，這些傳感器節(jié)點定位協(xié)議可以分為兩類：基于測距的定位和不基于測距的定位。無線傳感網(wǎng)時間同步協(xié)議可以有效地實現(xiàn)傳感器節(jié)點點對點的時間同步或傳感器節(jié)點的全局時間同步。傳感器節(jié)點點對點的時間同步是指鄰居節(jié)點間獲得高精度的相互時間同步，而傳感器節(jié)點的全局時間同步是讓整個無線傳感網(wǎng)中所有節(jié)點共享一個全局的時鐘。大多數(shù)全局時間同步協(xié)議都是建立在點對點時間同步的基礎(chǔ)上的，通過在無線傳感網(wǎng)中建立多跳路徑使所有的節(jié)點能夠沿著多跳路徑與鄰居節(jié)點進(jìn)行點對點的時鐘同步，從而使自己的本地時鐘能夠與一個特定的源時鐘同步，達(dá)到全局同步的目的。.入侵檢測與容錯技術(shù)入侵檢測是發(fā)現(xiàn)、分析和匯報未授權(quán)或者毀壞網(wǎng)絡(luò)活動的過程。無線傳感網(wǎng)入侵檢測系統(tǒng)由3個部分組成：入侵檢測、入侵踉蹤和入侵響應(yīng)。這3個部分順序執(zhí)行。.2無線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)融合的作用1,數(shù)據(jù)融合的必要性（1）浪費通信帶寬和能量。（2）降低信息收集的效率。2.數(shù)據(jù)融合的作用1）節(jié)省能量2）獲得更準(zhǔn)確的信息3）提高數(shù)據(jù)的收集效率根據(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)融合分為無損融合和有損融合從信息流通形式和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點處理的層次看，跟蹤級融合模型可以分為集中式與分布式。9.4無線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)融合技術(shù)基于路由的數(shù)據(jù)融合.基于查詢路由的數(shù)據(jù)融合以定向擴(kuò)散（DD）為代表的查詢路由中的數(shù)據(jù)融合主要是在其數(shù)據(jù)傳播階段進(jìn)行，所采用的是抑制副本的方法，即對轉(zhuǎn)發(fā)過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，若發(fā)現(xiàn)重復(fù)的數(shù)據(jù)將不予轉(zhuǎn)發(fā)，這樣不僅簡單易行，還能有效地減輕網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量。.基于分層路由的數(shù)據(jù)融合以LEACH為代表的分層路由使用分簇的方法使得數(shù)據(jù)融合的操作過程更為便利。每個簇頭在收到本簇成員的數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，并將結(jié)果發(fā)送給匯聚節(jié)點，如圖9.4所示。LEACH算法僅強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)融合的重要性，并未給出具體的融合方法。TEEN是LEACH的改進(jìn)，它與定向擴(kuò)散路由一樣通過緩存機(jī)制抑制不需要轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)，但它利用閾值的設(shè)置使得抑制操作更加靈活，能夠進(jìn)一步減少數(shù)據(jù)融合過程中的數(shù)據(jù)量。

圖例匯集節(jié)點/r