無線傳感器網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)第六章課件

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的支撐技術(shù)主要內(nèi)容時(shí)間同步機(jī)制定位技術(shù)數(shù)據(jù)融合能量管理安全機(jī)制

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、感知，用來收集應(yīng)用相關(guān)的數(shù)據(jù)信號。為了實(shí)現(xiàn)用戶的功能，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。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。

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。

定位技術(shù)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。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。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)測距：指兩個(gè)相互通信的節(jié)點(diǎn)通過測量方式來估計(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)。(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，稱為信號的到達(dá)時(shí)間。(8)視線關(guān)系(LineofSight,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。

(9)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。

3、定位性能的評價(jià)指標(biāo)衡量定位性能有多個(gè)指標(biāo)：位置精度覆蓋范圍刷新速度功耗等。覆蓋范圍和位置精度是一對矛盾性的指標(biāo)。刷新速度是指提供位置信息的頻率。消除噪聲與干擾，實(shí)現(xiàn)對觀測目標(biāo)的連續(xù)跟蹤和測量等一系列問題的處理方法，就是傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，它是對傳感器信息進(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。

“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)過程是對多源數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測（detection）、互聯(lián)（association）、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)勢估計(jì)和威脅評估，為指揮員提供有用的決策信息”。數(shù)據(jù)融合的基本目的是通過融合得到比單獨(dú)的各個(gè)輸入數(shù)據(jù)更多的信息。這一點(diǎn)是協(xié)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)。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。(5)節(jié)省整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量；

根據(jù)融合操作的級別分類

（1）數(shù)據(jù)級融合數(shù)據(jù)級融合是最底層的融合，操作對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）特征級融合特征級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）決策級融合決策級融合根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行較高級的決策，是最高級的融合。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。與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的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)。根據(jù)類SQL語言進(jìn)行網(wǎng)內(nèi)處理的示例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。傳感器網(wǎng)絡(luò)的電源節(jié)能方法1、休眠機(jī)制計(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)。2、數(shù)據(jù)融合中間節(jié)點(diǎn)并不是簡單的轉(zhuǎn)發(fā)所收到的數(shù)據(jù)將經(jīng)過本地融合處理后的數(shù)據(jù)路由到匯聚點(diǎn)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

1、通信安全需求(1)節(jié)點(diǎn)的安全保證節(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)具備的對抗外部攻擊和內(nèi)部攻擊的能力，它對抵御網(wǎng)絡(luò)入侵至關(guān)重要。(3)主動(dòng)反擊入侵的能力①入侵檢測能力準(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)入侵檢測系統(tǒng)還必須確定入侵節(jié)點(diǎn)的身份或者位置②隔離入侵者的能力根據(jù)入侵檢測信息調(diào)度網(wǎng)絡(luò)正常通信來避開入侵者丟棄任何由入侵者發(fā)出的數(shù)據(jù)包③消滅入侵者的能力在網(wǎng)絡(luò)提供的入侵信息引導(dǎo)下，由用戶通過人工方式消滅

傳感器網(wǎng)絡(luò)安全問題的解決方法與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全問題不同，主要原因如下：(1)有限的存儲(chǔ)空間和計(jì)算能力(2)缺乏后期節(jié)點(diǎn)布置的先驗(yàn)知識(shí)(3)布置區(qū)域的物理安全無法保證(4)有限的帶寬和通信能量(5)側(cè)重整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的安全(6)應(yīng)用相關(guān)性傳感器網(wǎng)絡(luò)安全框架協(xié)議：SPINS

SPINS安全協(xié)議族是最早的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全框架之一，包含了SNEP(SecureNetworkEncryptionProtoco