無線傳感器網(wǎng)絡技術基礎第四章

無線傳感器網(wǎng)絡技術基礎第四章第一頁，共144頁。

傳感器網(wǎng)絡用戶的使用目的千變?nèi)f化，作為網(wǎng)絡終端節(jié)點的功能歸根結(jié)底就是傳感、探測、感知，用來收集應用相關的數(shù)據(jù)信號。為實現(xiàn)用戶的功能，除要設計通信與組網(wǎng)技術以外，還要實現(xiàn)保證網(wǎng)絡用戶功能的正常運行所需的其它基礎性技術。第二頁，共144頁。應用層的基礎性技術是支撐傳感器網(wǎng)絡完成任務的關鍵，包括時間同步機制、定位技術、數(shù)據(jù)融合、能量管理和安全機制等。第三頁，共144頁。4.1時間同步機制4.1.1傳感器網(wǎng)絡的時間同步機制1、傳感器網(wǎng)絡時間同步的意義無線傳感器網(wǎng)絡的同步管理主要是指時間上的同步管理。第四頁，共144頁。傳感器網(wǎng)絡時間同步的意義在分布式的無線傳感器網(wǎng)絡應用中，每個傳感器節(jié)點都有自己的本地時鐘。

不同節(jié)點的晶體振蕩器頻率存在偏差，以及濕度和電磁波的干擾等都會造成網(wǎng)絡節(jié)點之間的運行時間偏差。第五頁，共144頁。傳感器網(wǎng)絡時間同步的意義有時傳感器網(wǎng)絡的單個節(jié)點的能力有限，或者某些應用的需要，使得整個系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能要求網(wǎng)絡內(nèi)所有節(jié)點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)點間的時間同步，時間同步機制是分布式系統(tǒng)基礎框架的一個關鍵機制。第六頁，共144頁。

分布式系統(tǒng)中的時間同步分類：“物理時間”和“邏輯時間”

物理時間：表示人類社會使用的絕對時間；

邏輯時間：體現(xiàn)了事件發(fā)生的順序關系，是一個相對概念。分布式系統(tǒng)通常需要一個表示整個系統(tǒng)時間的全局時間。全局時間根據(jù)需要可以是物理時間或邏輯時間。第七頁，共144頁。傳感器網(wǎng)絡時間同步機制的意義和作用傳感器節(jié)點需要彼此協(xié)作，去完成復雜的監(jiān)測和感知任務。數(shù)據(jù)融合是協(xié)作操作的典型例子，不同的節(jié)點采集的數(shù)據(jù)最終融合形成了一個有意義的結(jié)果。第八頁，共144頁。傳感器網(wǎng)絡時間同步機制的意義和作用傳感器網(wǎng)絡的一些節(jié)能方案是利用時間同步來實現(xiàn)的。如休眠/喚醒機制，同步機制為本地時鐘提供相同的時鐘基準。第九頁，共144頁。應用中的同步機制槍聲定位系統(tǒng)第十頁，共144頁。

2、時間同步協(xié)議的特點

結(jié)點造價低，體積小，不安裝同步器件，價格和體積是傳感器網(wǎng)絡時間同步主要限制條件。結(jié)點無人值守，有限能量，偵聽通信會消耗能量，運行同步協(xié)議需考慮消耗的能量?，F(xiàn)有網(wǎng)絡的時間同步機制關注于最小化同步誤差來達到最大的同步精度方面，很少考慮計算和通信的開銷及能量消耗。第十一頁，共144頁。網(wǎng)絡時間協(xié)議(NTP)廣泛使用在因特網(wǎng)，精度高、魯棒性好和易擴展，傳感器網(wǎng)絡中難以運行，原因如下：(1)NTP協(xié)議假定網(wǎng)絡鏈路失效的概率很小，而傳感器網(wǎng)絡中無線鏈路通信質(zhì)量受環(huán)境影響較大，甚至時常通信中斷。(2)NTP協(xié)議的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，便于為不同位置的結(jié)點手工配置時間服務器列表，傳感器網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)動態(tài)變化，簡單的靜態(tài)手工配置無法適應這種變化。第十二頁，共144頁。(3)NTP協(xié)議中時間基準服務器間的同步無法通過網(wǎng)絡自身來實現(xiàn)，需其他基礎設施的協(xié)助，如GPS等，傳感器網(wǎng)絡的應用中無法滿足。(4)NTP協(xié)議需頻繁交換信息，來不斷校準時鐘頻率偏差帶來的誤差，通過復雜的修正算法，消除時間同步消息在傳輸和處理過程中的非確定因素干擾，CPU使用、信道偵聽和占用都不受任何約束，而傳感器網(wǎng)絡存在資源約束，必須考慮能量消耗。第十三頁，共144頁。GPS能以納秒級精度保持同步，但代價較高，同時在室內(nèi)、森林或水下等有障礙的環(huán)境中無法使用。傳感器網(wǎng)絡在能量、價格和體積等約束，使得NTP、GPS等現(xiàn)有時間同步機制并不適用于通常的傳感器網(wǎng)絡，需要專門的時間同步協(xié)議才能正常運行和實用化。第十四頁，共144頁。較成熟的傳感器網(wǎng)絡時間同步協(xié)議RBS、TINY/MINI-SYNC、TPSN。RBS同步協(xié)議的基本思想：多個節(jié)點接收同一個同步信號，然后多個收到同步信號的節(jié)點之間進行同步。該算法消除了同步信號發(fā)送一方的時間不確定性。

優(yōu)點：時間同步與MAC層協(xié)議分離，實現(xiàn)不受限于應用層是否可以獲得MAC層時戳，協(xié)議的互操作性較好。

缺點：協(xié)議開銷大。第十五頁，共144頁。Tiny／Mini-Sync簡單的輕量級時間同步機制，算法假設結(jié)點的時鐘漂移遵循線性變化，兩個結(jié)點之間的時間偏移也是線性的；通過交換時標分組來估計兩個結(jié)點間的最優(yōu)匹配偏移量；為降低算法的復雜度，通過約束條件丟棄冗余分組。第十六頁，共144頁。TPSN時間同步協(xié)議采用層次結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)網(wǎng)絡結(jié)點的時間同步；所有結(jié)點按照層次結(jié)構(gòu)進行邏輯分級，表示結(jié)點到根結(jié)點的距離；通過基于發(fā)送者—接收者的結(jié)點對方式，每個結(jié)點與上一級的一個結(jié)點進行同步，從而最終所有結(jié)點都與根結(jié)點實現(xiàn)時間同步。第十七頁，共144頁。4.1.2TPSN時間同步協(xié)議傳感器網(wǎng)絡TPSN時間同步協(xié)議類似于傳統(tǒng)網(wǎng)絡的NTP協(xié)議，目的是提供傳感器網(wǎng)絡全網(wǎng)范圍內(nèi)節(jié)點間的時間同步。在網(wǎng)絡中有一個與外界可以通信，從而獲取外部時間，這種節(jié)點稱為根節(jié)點。根節(jié)點可裝配諸如GPS接收機這樣的復雜硬件部件，并作為整個網(wǎng)絡系統(tǒng)的時鐘源。第十八頁，共144頁。TPSN協(xié)議采用層次型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，首先將所有節(jié)點按照層次結(jié)構(gòu)進行分級；然后每個節(jié)點與上一級的一個節(jié)點進行時間同步，最終所有節(jié)點都與根節(jié)點時間同步；節(jié)點對之間的時間同步是基于發(fā)送者-接收者的同步機制。第十九頁，共144頁。1、TPSN協(xié)議的操作過程前提條件：

假設每個傳感器結(jié)點都有唯一的標識號ID；結(jié)點間的無線通信鏈路是雙向的，通過雙向的消息交換實現(xiàn)結(jié)點間的時間同步；將整個網(wǎng)絡內(nèi)所有結(jié)點按照層次結(jié)構(gòu)進行管理，負責生成和維護層次結(jié)構(gòu)。第二十頁，共144頁。1、TPSN協(xié)議的操作過程TPSN協(xié)議包括兩個階段：第一個階段生成層次結(jié)構(gòu)，每個節(jié)點賦予一個級別，根節(jié)點賦予最高級別第0級，第i級的節(jié)點至少能夠與一個第（i－1）級的節(jié)點通信；第二個階段實現(xiàn)所有樹節(jié)點的時間同步，第1級節(jié)點同步到根節(jié)點，第i級的節(jié)點同步到第（i－1）級的一個節(jié)點，最終所有節(jié)點都同步到根節(jié)點，實現(xiàn)整個網(wǎng)絡的時間同步。第二十一頁，共144頁。（1）層次發(fā)現(xiàn)階段網(wǎng)絡部署后，根結(jié)點廣播“級別發(fā)現(xiàn)”分組，啟動層次發(fā)現(xiàn)階段，級別發(fā)現(xiàn)分組包含發(fā)送結(jié)點的ID和級別；根結(jié)點的鄰居結(jié)點收到根結(jié)點發(fā)送的分組后，將自己的級別設置為分組中的級別加1，即為第1級，建立它們自己的級別，然后廣播新的級別發(fā)現(xiàn)分組，其中包含的級別為1；第二十二頁，共144頁。（1）層次發(fā)現(xiàn)階段結(jié)點收到第i級結(jié)點的廣播分組后，記錄發(fā)送這個廣播分組的結(jié)點ID，設置向身級別為(i+1)，廣播級別設置為(i+1)的分組；過程持續(xù)進行，直到網(wǎng)絡內(nèi)的每個結(jié)點都賦予一個級別；結(jié)點一旦建立自己的級別，就忽略任何其他級別的發(fā)現(xiàn)分組，以防止網(wǎng)絡產(chǎn)生洪泛擁塞。第二十三頁，共144頁。（2）同步階段層次結(jié)構(gòu)建立后，根結(jié)點通過廣播時間同步分組啟動同步階段；第1級結(jié)點收到該分組后，各分別等待一段隨機時間，與根結(jié)點交換消息同步到根結(jié)點；第2級結(jié)點偵聽到第1級結(jié)點的交換消息后，后退和等待一段隨機時間，并與在層次發(fā)現(xiàn)階段記錄的第1個級別的結(jié)點交換消息進行同步；第二十四頁，共144頁。（2）同步階段等待一段時間的目的是保證第2級結(jié)點在第1級結(jié)點時間同步完成后才啟動消息交換；最后每個結(jié)點與層次結(jié)構(gòu)中最靠近的上一級結(jié)點進行同步，從而所有結(jié)點都同步到根結(jié)點。第二十五頁，共144頁。2、相鄰級別節(jié)點間的同步機制鄰近級別的兩個節(jié)點對間通過交換兩個消息實現(xiàn)時間同步。第二十六頁，共144頁。假設條件：結(jié)點S屬第i級結(jié)點，R屬于第(i-1)級結(jié)點；T1和T4：S本地時鐘在不同時刻測量的時間；T2和T3：R本地時鐘在不同時刻測量的時間；△：兩個結(jié)點之間的時間偏差；D：消息的傳播時延，假設往返延遲相同。第二十七頁，共144頁。

S在T1時間發(fā)送同步請求分組給節(jié)點R，分組中包含S的級別和T1時間。

R在T2時間收到分組，

，然后在T3時間發(fā)送應答分組給節(jié)點S，分組中包含節(jié)點R的級別和T1、T2和T3信息。節(jié)點S在T4時間收到應答，

第二十八頁，共144頁。節(jié)點S在計算時間偏差之后，將它的時間同步到節(jié)點R。可得：第二十九頁，共144頁。在發(fā)送時間、訪問時間、傳播時間和接收時間四個消息延遲組成部分中，訪問時間往往是無線傳輸消息時延中最具不確定性的因素；為提高兩個結(jié)點間的時間同步精度，TPSN協(xié)議在MAC層消息開始發(fā)送到無線信道的時刻，才給同步消息加上時標，消除訪問時間帶來的時間同步誤差。第三十頁，共144頁。TPSN協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)全網(wǎng)范圍內(nèi)結(jié)點間的時間同步，同步誤差與跳數(shù)距離成正比增長；它實現(xiàn)短期間的全網(wǎng)結(jié)點時間同步，如果需要長時間的全網(wǎng)結(jié)點時間同步，則需要周期性執(zhí)行TPSN協(xié)議進行重同步，兩次時間同步的時間間隔根據(jù)具體應用確定。第三十一頁，共144頁。4.1.3時間同步的應用示例這里介紹一個例子，說明磁阻傳感器網(wǎng)絡對機動車輛進行測速，為了實現(xiàn)這個用途，網(wǎng)絡必須先完成時間同步。由于對機動車輛的測速需要兩個探測傳感器節(jié)點的協(xié)同合作，測速算法提取車輛經(jīng)過每個節(jié)點的磁感應信號的脈沖峰值，并記錄時間。如果將兩個節(jié)點之間的距離d除以兩個峰值之間的時差Δt，就可以得出機動目標通過這一路段的速度(Vel):第三十二頁，共144頁。4.2定位技術4.2.1傳感器網(wǎng)絡節(jié)點定位問題1、定位的含義在傳感器網(wǎng)絡的很多應用問題中，沒有節(jié)點位置信息的監(jiān)測數(shù)據(jù)往往是沒有意義的。無線傳感器網(wǎng)絡定位問題的含義是指自組織的網(wǎng)絡通過特定方法提供節(jié)點的位置信息。

第三十三頁，共144頁。自組織網(wǎng)絡定位分為節(jié)點自身定位和目標定位。節(jié)點自身定位是確定網(wǎng)絡節(jié)點的坐標位置的過程。目標定位是確定網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域內(nèi)一個事件或者一個目標的坐標位置。第三十四頁，共144頁。節(jié)點自身定位是網(wǎng)絡自身屬性的確定過程，可以通過人工標定或者各種節(jié)點自定位算法完成。目標定位是以位置已知的網(wǎng)絡節(jié)點作為參考，確定事件或者目標在網(wǎng)絡覆蓋范圍內(nèi)所在的位置。第三十五頁，共144頁。

位置信息有多種分類方法。位置信息有物理位置和符號位置兩大類。物理位置指目標在特定坐標系下的位置數(shù)值，表示目標的相對或者絕對位置。符號位置指在目標與一個基站或者多個基站接近程度的信息，表示目標與基站之間的連通關系，提供目標大致的所在范圍。

第三十六頁，共144頁。

傳感器網(wǎng)絡的定位方法分類：(1)根據(jù)是否依靠測量距離，分為基于測距的定位和不需要測距的定位；

(2)根據(jù)部署的場合不同，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)絡收集傳感器數(shù)據(jù)稱為被動定位，節(jié)點主動發(fā)出信息，用于定位稱為主動定位。第三十七頁，共144頁。2、基本術語(1)錨點：指通過其它方式預先獲得位置坐標的節(jié)點，有時也稱作信標節(jié)點。網(wǎng)絡中相應的其余節(jié)點稱為非錨點。

(2)測距：指兩個相互通信的節(jié)點通過測量方式來估計出彼此之間的距離或角度。

第三十八頁，共144頁。

(3)連接度：包括節(jié)點連接度和網(wǎng)絡連接度兩種含義。

節(jié)點連接度：節(jié)點可探測發(fā)現(xiàn)的鄰居節(jié)點個數(shù)。

網(wǎng)絡連接度：所有節(jié)點的鄰居數(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：傳感器節(jié)點通信半徑范圍以內(nèi)的所有其它節(jié)點，稱為該節(jié)點的鄰居節(jié)點。第三十九頁，共144頁。

(5)跳數(shù)：兩個節(jié)點之間間隔的跳段總數(shù)，稱為這兩個節(jié)點間的跳數(shù)。

(6)基礎設施：協(xié)助傳感器節(jié)點定位的已知自身位置的固定設備，如衛(wèi)星、基站等。

第四十頁，共144頁。

(7)到達時間：信號從一個節(jié)點傳播到另一個節(jié)點所需要的時間，稱為信號到達時間。

(8)到達時間差(TDoA)：兩種不同傳播速度的信號從一個節(jié)點傳播到另一個節(jié)點所需要的時間之差，稱為信號的到達時間差。第四十一頁，共144頁。

(9)接收信號強度指示(RSSI)：節(jié)點接收到無線信號的強度大小，稱為接收信號的強度指示。

(10)到達角度(AngleofArrival,AoA)：節(jié)點接收到的信號相對于自身軸線的角度，稱為信號相對接收節(jié)點的到達角度。第四十二頁，共144頁。

(11)視線關系(LineofSight,LoS)：如果傳感器網(wǎng)絡的兩個節(jié)點之間沒有障礙物，能夠?qū)崿F(xiàn)直接通信，則這兩個節(jié)點間存在視線關系。(12)非視線關系：傳感器網(wǎng)絡的兩個節(jié)點之間存在障礙物，影響了它們直接的無線通信。第四十三頁，共144頁。3、定位性能的評價指標衡量定位性能有多個指標，除了一般性的位置精度指標以外；對于資源受到限制的傳感器網(wǎng)絡，還有覆蓋范圍、刷新速度和功耗等其它指標。第四十四頁，共144頁。位置精度是定位系統(tǒng)最重要的指標，精度越高，則技術要求越嚴，成本也越高。定位精度指提供的位置信息的精確程度，它分為相對精度和絕對精度。絕對精度：以長度為單位度量的精度。相對精度：以節(jié)點之間距離的百分比。第四十五頁，共144頁。設節(jié)點i的估計坐標與真實坐標在二維情況下的距離差值為Δdi，則N個未知位置節(jié)點的網(wǎng)絡平均定位誤差為：第四十六頁，共144頁。

覆蓋范圍和位置精度是一對矛盾性的指標。

刷新速度是指提供位置信息的頻率。

功耗是傳感器網(wǎng)絡設計的一項重要指標，對于定位這項服務功能，人們需要計算為此所消耗的能量。

定位實時性更多的是體現(xiàn)在對動態(tài)目標的位置跟蹤。第四十七頁，共144頁。4、定位系統(tǒng)的設計要點設計定位系統(tǒng)時，根據(jù)性能指標，在眾多方案中選擇能夠滿足要求的最優(yōu)算法，采取適宜的技術手段來完成定位系統(tǒng)的實現(xiàn)。設計一個定位系統(tǒng)需要考慮兩個主要因素，即定位機制的物理特性和定位算法。第四十八頁，共144頁。4.2.2基于測距的定位技術

基于測距的定位技術是通過測量節(jié)點間的距離，根據(jù)幾何關系計算出網(wǎng)絡節(jié)點的位置。解析幾何里有多種方法可確定一個點的位置。比較常用的方法是多邊定位和角度定位。第四十九頁，共144頁。1、測距方法(1)接收信號強度指示(RSSI)

RSSI測距的原理如下：接收機通過測量射頻信號的能量來確定與發(fā)送機的距離。將無線信號的發(fā)射功率和接收功率之間的關系表述為下式：第五十頁，共144頁。1、測距方法PR-無線信號的接收功率，PT-無線信號的發(fā)射功率，r-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傳播的環(huán)境。第五十一頁，共144頁。無線信號接收強度指示與信號傳播距離之間的關系第五十二頁，共144頁。(2)到達時間/到達時間差(ToA/TDoA)通過測量傳輸時間來估算兩節(jié)點之間距離，精度較好。ToA機制是已知信號的傳播速度，根據(jù)信號的傳播時間來計算節(jié)點間的距離。第五十三頁，共144頁。(2)到達時間/到達時間差(ToA/TDoA)ToA測距原理的過程示例第五十四頁，共144頁。

TDoA的定位機制中，發(fā)射節(jié)點同時發(fā)射兩種不同傳播速度的無線信號，接收節(jié)點根據(jù)兩種信號到達的時間差以及這兩種信號的傳播速度，計算節(jié)點間的距離。第五十五頁，共144頁。發(fā)射節(jié)點同時發(fā)射無線射頻信號和超聲波信號，接收節(jié)點記錄下這兩種信號的到達時間T1、T2

已知無線射頻信號和超聲波的傳播速度為c1、c2,那么兩點之間的距離為(T2-T1)*S，其中S=c1*c2/(c1-c2)。第五十六頁，共144頁。(3)到達角(AoA)通過配備特殊天線來估測其它節(jié)點發(fā)射的無線信號的到達角度。AoA測距技術易受外界環(huán)境影響，需要額外硬件，它的硬件尺寸和功耗指標不適用于大規(guī)模的傳感器網(wǎng)絡，在某些應用領域可以發(fā)揮作用。第五十七頁，共144頁。(3)到達角(AoA)第五十八頁，共144頁。2、多邊定位多邊定位法基于距離測量(如RSSI、ToA/TDoA)的結(jié)果。

確定二維坐標至少具有三個節(jié)點至錨點的距離值；確定三維坐標，則需四個此類測距值。

第五十九頁，共144頁。2、多邊定位

已知信標錨點A1，A2，A3，A4，…的坐標依次分別為（x1，y1），（x2，y2），（x3，y3），（x4，y4），…，即各錨點位置為（xi，yi）

。如果待定位節(jié)點的坐標為（x,y），并且已知它至各錨點的測距數(shù)值為d，可得下式，其中(x，y)為待求的未知坐標。第六十頁，共144頁。2、多邊定位第六十一頁，共144頁。將第前n-1個等式減去最后等式：用矩陣和向量表達為形式Ax=b，其中：第六十二頁，共144頁。根據(jù)最小均方估計的方法原理，求得解為：

當矩陣求逆不能計算時，該方法不適用，否則可成功得到位置估計

。從上述過程看出，這種定位方法本質(zhì)上就是最小二乘估計。第六十三頁，共144頁。3、Min-max定位方法多邊定位法的浮點運算量大，計算代價高。Min-max定位是根據(jù)若干錨點位置和至待求節(jié)點的測距值，創(chuàng)建多個邊界框；所有邊界框的交集為一矩形，取此矩形的質(zhì)心作為待定位節(jié)點的坐標。第六十四頁，共144頁。3、Min-max定位方法采用三個錨點進行定位的Min–max方法示例，即以某錨點i(i=1,2,3)坐標()為基礎，加上或減去測距值

，得到錨點i的邊界框：

第六十五頁，共144頁。

在所有位置點

中取最小值、所有

中取最大值，則交集矩形取作：

三個錨點共同形成交叉矩形，矩形質(zhì)心即為所求節(jié)點的估計位置。第六十六頁，共144頁。第六十七頁，共144頁。4.2.3無需測距的定位技術

無需測距的定位技術不需要直接測量距離和角度信息。1、質(zhì)心算法2、DV-Hop算法第六十八頁，共144頁。4.2.4定位系統(tǒng)的典型應用位置信息有很多用途，在某些應用中可以起到關鍵性的作用。定位技術的用途大體可分為導航、跟蹤、虛擬現(xiàn)實、網(wǎng)絡路由等。導航是定位最基本的應用，在軍事上具有重要用途。除了導航以外，定位技術還有很多應用。例如，辦公場所的物品、人員跟蹤需要室內(nèi)的精度定位。虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)中需實時定位物體的位置和方向。第六十九頁，共144頁。4.3數(shù)據(jù)融合4.3.1多傳感器數(shù)據(jù)融合概述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)處理的對象。源信息、傳感器與環(huán)境之間的關系：第七十頁，共144頁。消除噪聲與干擾，實現(xiàn)對觀測目標的連續(xù)跟蹤和測量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，也稱多傳感器信息融合或多傳感器融合；它是對多傳感器信息進行處理的最關鍵技術，在軍事和非軍事領域的應用都非常廣泛。

第七十一頁，共144頁。數(shù)據(jù)融合也稱信息融合，是一種多源信息處理技術；通過對來自同一目標的多源數(shù)據(jù)進行優(yōu)化合成，獲得比單一信息源更精確、完整的估計或判決。第七十二頁，共144頁。數(shù)據(jù)融合的定義多傳感器數(shù)據(jù)融合是一種多層次、多方面的處理過程；是對多源數(shù)據(jù)進行檢測、互聯(lián)、相關、估計和組合；以更高的精度、較高的置信度得到目標的狀態(tài)估計和身份識別，以及完整的態(tài)勢估計和威脅評估，為指揮員提供有用的決策信息。第七十三頁，共144頁。三個要點數(shù)據(jù)融合是多信源、多層次的處理過程，每個層次代表信息的不同抽象程度；數(shù)據(jù)融合過程包括數(shù)據(jù)的檢測、關聯(lián)、估計與合并；數(shù)據(jù)融合的輸出包括低層次上的狀態(tài)身份估計和高層次上的戰(zhàn)術態(tài)勢的評估。第七十四頁，共144頁。數(shù)據(jù)融合的主要內(nèi)容主要內(nèi)容：多傳感器的目標探測、數(shù)據(jù)關聯(lián)、跟蹤與識別、情況評估和預測?；灸康模和ㄟ^融合得到比單獨的各個輸入數(shù)據(jù)更多的信息。這是協(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。第七十五頁，共144頁。4.3.2傳感器網(wǎng)絡中數(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：(1)提高信息的準確性和全面性(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)的實時性第七十六頁，共144頁。傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的資源十分有限，在收集信息的過程中，各節(jié)點單獨地直接傳送數(shù)據(jù)到匯聚節(jié)點，則是不合適的，主要原因如下：(1)浪費通信帶寬和能量(2)降低信息收集的效率第七十七頁，共144頁。

傳感器網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)融合的主要作用(1)節(jié)省整個網(wǎng)絡的能量；(2)增強所收集數(shù)據(jù)的準確性；(3)提高收集數(shù)據(jù)的效率。第七十八頁，共144頁。4.3.3數(shù)據(jù)融合技術的分類

傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)融合技術從不同角度分類：(1)依據(jù)融合前后數(shù)據(jù)的信息含量進行分類；(2)依據(jù)數(shù)據(jù)融合與應用層數(shù)據(jù)語義關系分類；(3)依據(jù)融合操作的級別進行分類。第七十九頁，共144頁。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)進行融合操作前后的信息含量，將數(shù)據(jù)融合分為無損失融合和有損失融合兩類。（1）無損失融合無損失融合中，所有細節(jié)信息均保留，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。第八十頁，共144頁。1、根據(jù)融合前后數(shù)據(jù)的信息含量分類（2）有損失融合有損失融合會省略一些細節(jié)信息或降低數(shù)據(jù)的質(zhì)量，減少需要存儲或傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，以達到節(jié)省存儲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用所必需的全部信息量。第八十一頁，共144頁。2、根據(jù)應用層數(shù)據(jù)語義之間的關系分類

數(shù)據(jù)融合技術可以在傳感器網(wǎng)絡協(xié)議棧的多個層次中實現(xiàn)，既能在MAC協(xié)議中實現(xiàn)，也能在路由協(xié)議或應用層協(xié)議中實現(xiàn)。根據(jù)數(shù)據(jù)融合是否基于應用數(shù)據(jù)的語義，將數(shù)據(jù)融合技術分為三類：(1)依賴于應用的數(shù)據(jù)融合；(2)獨立于應用的數(shù)據(jù)融合；(3)結(jié)合以上兩種技術的數(shù)據(jù)融合。第八十二頁，共144頁。3、根據(jù)融合操作的級別分類

（1）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)，是面向數(shù)據(jù)的融合。（2）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）決策級融合根據(jù)應用需求進行較高級的決策，是最高級的融合。第八十三頁，共144頁。4.3.4數(shù)據(jù)融合的主要方法(1)綜合平均法把來自多個傳感器的眾多數(shù)據(jù)進行綜合平均。它適用于同類傳感器檢測同一個檢測目標。這是最簡單、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行加權(quán)平均，結(jié)果作為融合值。第八十四頁，共144頁。如果對一個檢測目標進行了k次檢測，則綜合平均的結(jié)果為：其中，Wi為分配給第i次檢測的權(quán)重。第八十五頁，共144頁。(2)卡爾曼濾波法卡爾曼濾波法用于融合低層的實時動態(tài)多傳感器冗余數(shù)據(jù)。該方法利用測量模型的統(tǒng)計特性，遞推地確定融合數(shù)據(jù)的估計，且該估計在統(tǒng)計意義下是最優(yōu)的。第八十六頁，共144頁。(2)卡爾曼濾波法如果系統(tǒng)可用一個線性模型描述，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)計意義下的最優(yōu)估計。第八十七頁，共144頁。(2)卡爾曼濾波法應用卡爾曼濾波器對n個傳感器的測量數(shù)據(jù)進行融合后，既可獲得系統(tǒng)的當前狀態(tài)估計，又可以預報系統(tǒng)的未來狀態(tài)。所估計的系統(tǒng)狀態(tài)可能表示移動機器人的當前位置、目標的位置和速度、從傳感器數(shù)據(jù)中抽取的特征或?qū)嶋H測量值本身。第八十八頁，共144頁。4.4能量管理4.4.1能量管理的意義在無線網(wǎng)絡通信中，能量消耗E與通信距離d存在關系：E=kdn，其中k為常量，2≤n≤4。無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點體積小，發(fā)送端和接收端都貼近地面，干擾較大，障礙物較多，n通常接近于4，即通信能耗與距離的四次方成正比。第八十九頁，共144頁。從上述的關系式反映出，隨著通信距離的增加，能耗急劇增加，通常為了降低能耗，應盡量減小單跳通信距離。多個短距離跳的數(shù)據(jù)傳輸比一個長跳的傳輸能耗會低些。在傳感器網(wǎng)絡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。第九十頁，共144頁。傳感器節(jié)點通常由四個部分組成：處理器單元、無線傳輸單元、傳感器單元和電源管理單元。傳感器單元能耗與應用特征相關，采樣周期越短、采樣精度越高，能耗越大。第九十一頁，共144頁。

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，可以忽略，通常只討論處理器單元和無線傳輸單元的能耗問題。第九十二頁，共144頁。4.4.2傳感器網(wǎng)絡的電源節(jié)能方法

節(jié)能策略主要有休眠機制、數(shù)據(jù)融合等，它們應用在計算單元和通信單元的各個環(huán)節(jié)。第九十三頁，共144頁。1、休眠機制休眠機制的主要思想：當節(jié)點周圍沒有感興趣的事件發(fā)生時，計算與通信單元處于空閑狀態(tài)；把這些組件關掉或調(diào)到更低能耗的狀態(tài)，即休眠狀態(tài)。第九十四頁，共144頁。（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，從而實現(xiàn)在全負載周期運行時的低能耗。無線收發(fā)器有四種操作模式：發(fā)送、接收、空閑和休眠。第九十五頁，共144頁。（1）硬件支持除休眠狀態(tài)，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)；如果傳感器節(jié)點不再收發(fā)數(shù)據(jù)時，最好把無線收發(fā)器關掉或進入休眠狀態(tài)以降低能耗。狀態(tài)能耗/mW發(fā)送14.88接收12.50空閑12.36睡眠0.016第九十六頁，共144頁。（2）專門的節(jié)點功率管理機制①動態(tài)電源管理動態(tài)電源管理(DPM)的工作原理：當節(jié)點周圍沒有感興趣的事件發(fā)生時，部分模塊處于空閑狀態(tài)；把這些組件關掉或調(diào)到更低能耗的狀態(tài)(即休眠狀態(tài))，從而節(jié)省能量。第九十七頁，共144頁。①動態(tài)電源管理這種事件驅(qū)動式能量管理對于延長傳感器節(jié)點的生存期十分必要；動態(tài)電源管理中，狀態(tài)轉(zhuǎn)換消耗一定的能量，且有時延，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，反而會導致能耗的增加。第九十八頁，共144頁。②動態(tài)電壓調(diào)度

對于大多數(shù)傳感器節(jié)點來說，計算負荷的大小是隨時間變化的，因而并不需要節(jié)點的微處理器在所有時刻都保持峰值性能。根據(jù)CMOS電路設計的理論，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：Eop∝V2。第九十九頁，共144頁。②動態(tài)電壓調(diào)度動態(tài)電壓調(diào)節(jié)(DVS)技術利用該特點，動態(tài)改變微處理器的工作電壓和頻率，使得剛好滿足當時的運行需求，從而在性能和功耗之間取得平穩(wěn)。動態(tài)電壓調(diào)節(jié)要解決的核心問題是實現(xiàn)微處理器計算負荷與工作電壓及頻率間的匹配。第一百頁，共144頁。2、數(shù)據(jù)融合

節(jié)能效果主要體現(xiàn)在路由協(xié)議的實現(xiàn)上；中間節(jié)點并不是簡單的轉(zhuǎn)發(fā)所收到的數(shù)據(jù)；

同一區(qū)域內(nèi)的節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)具有很大的冗余性，中間節(jié)點需對這些數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合；第一百零一頁，共144頁。2、數(shù)據(jù)融合

將經(jīng)本地融合處理后的數(shù)據(jù)路由到匯聚點，只轉(zhuǎn)發(fā)有用的信息；數(shù)據(jù)融合有效地降低整個網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)流量。第一百零二頁，共144頁。2、數(shù)據(jù)融合LEACH路由協(xié)議就具有這種功能；它是一種自組織的在節(jié)點之間隨機分布能量負載的分層路由協(xié)議。第一百零三頁，共144頁。4.5安全機制4.5.1傳感器網(wǎng)絡的安全問題網(wǎng)絡安全一直是網(wǎng)絡技術的重要組成部分，加密、認證、防火墻、入侵檢測、物理隔離等都是網(wǎng)絡安全保障的主要手段。第一百零四頁，共144頁。無線傳感器網(wǎng)絡作為一種起源于軍事應用領域的新型無線網(wǎng)絡，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)絡的安全性需求主要來源于通信安全和信息安全兩個方面。第一百零五頁，共144頁。1、通信安全需求

(1)節(jié)點的安全保證傳感器節(jié)點是構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡的基本單元，節(jié)點的安全性包括節(jié)點不易被發(fā)現(xiàn)和節(jié)點不易被篡改。第一百零六頁，共144頁。1、通信安全需求(2)被動抵御入侵的能力傳感器網(wǎng)絡安全的基本要求：在網(wǎng)絡局部發(fā)生入侵時，保證網(wǎng)絡的整體可用性。被動防御是指當網(wǎng)絡遭到入侵時網(wǎng)絡具備的對抗外部攻擊和內(nèi)部攻擊的能力，它對抵御網(wǎng)絡入侵至關重要。第一百零七頁，共144頁。外部攻擊者是指那些沒有得到密鑰，無法接入網(wǎng)絡的節(jié)點。外部攻擊者雖然無法有效地注入虛假息，但通過竊聽、干擾、分析通信量等方式，為進一步的攻擊行為收集信息，因此對抗外部攻擊首先需要解決保密性問題。第一百零八頁，共144頁。其次，要防范擾亂網(wǎng)絡正常運轉(zhuǎn)的簡單網(wǎng)絡攻擊，如重發(fā)數(shù)據(jù)包等，這些攻擊會造成網(wǎng)絡性能的下降。要盡量減少入侵者得到密鑰的機會，防止外部攻擊者演變成內(nèi)部攻擊者。第一百零九頁，共144頁。內(nèi)部攻擊者是指那些獲得了相關密鑰，并以合法身份混入網(wǎng)絡的攻擊節(jié)點。傳感器網(wǎng)絡不可能阻止節(jié)點被篡改，且密鑰可能被對方破解，總有入侵者在取得密鑰后以合法身份接入網(wǎng)絡。由于至少能取得網(wǎng)絡中一部分節(jié)點信任，內(nèi)部攻擊者能發(fā)動的網(wǎng)絡攻擊種類更多，危害性更大，也更隱蔽。第一百一十頁，共144頁。(3)主動反擊入侵的能力

主動反擊能力是指網(wǎng)絡安全系統(tǒng)能夠主動地限制甚至消滅入侵者，為此需要具備以下能力：①入侵檢測能力和傳統(tǒng)的網(wǎng)絡入侵檢測相似，首先需要準確識別網(wǎng)絡內(nèi)出現(xiàn)的各種入侵行為并發(fā)出警報。其次，入侵檢測系統(tǒng)還必須確定入侵節(jié)點的身份或者位置，只有這樣才能在隨后發(fā)動有效攻擊。第一百一十一頁，共144頁。(3)主動反擊入侵的能力②隔離入侵者的能網(wǎng)絡需要具有根據(jù)入侵檢測信息調(diào)度網(wǎng)絡正常通信來避開入侵者，同時丟棄任何由入侵者發(fā)出的數(shù)據(jù)包的能力。這相當于把入侵者和己方網(wǎng)絡從邏輯上隔離開來，可以防止它繼續(xù)危害網(wǎng)絡。第一百一十二頁，共144頁。(3)主動反擊入侵的能力

③消滅入侵者的能力由于傳感器網(wǎng)絡的主要用途是為用戶收集信息，因此讓網(wǎng)絡自主消滅入侵者是較難實現(xiàn)的。一般的做法是，在網(wǎng)絡提供的入侵信息引導下，由用戶通過人工方式消滅入侵者。第一百一十三頁，共144頁。2、信息安全需求

信息安全就是要保證網(wǎng)絡中傳輸信息的安全性。傳感器網(wǎng)絡信息安全需求內(nèi)容如下：①數(shù)據(jù)的機密性—保證網(wǎng)絡內(nèi)傳輸?shù)男畔⒉槐环欠ǜ`聽。②數(shù)據(jù)鑒別—保證用戶收到的信息來自己方節(jié)點而非入侵節(jié)點。第一百一十四頁，共144頁。2、信息安全需求

③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。

④數(shù)據(jù)的實效性—保證數(shù)據(jù)在時效范圍內(nèi)被傳輸給用戶。第一百一十五頁，共144頁。主要內(nèi)容：通信安全和信息安全。

通信安全是信息安全的基礎。通信安全保證傳感器網(wǎng)絡內(nèi)部的數(shù)據(jù)采集、融合和傳輸?shù)然竟δ艿恼＿M行，是面向網(wǎng)絡功能的安全性；信息安全側(cè)重于網(wǎng)絡中所傳信息的真實性、完整性和保密性，是面向用戶應用的安全。傳感器網(wǎng)絡安全技術的設計第一百一十六頁，共144頁。

傳感器網(wǎng)絡在大多數(shù)的民用領域，如環(huán)境監(jiān)測、森林防火、候鳥遷徙跟蹤等應用中，安全問題不是一個非常緊要的問題。在商業(yè)上的小區(qū)無線安防網(wǎng)絡，軍事上在敵控區(qū)監(jiān)視敵方軍事部署的傳感器網(wǎng)絡等，則對數(shù)據(jù)的采樣、傳輸過程，甚至節(jié)點的物理分布重點考慮安全問題，很多信息都不能讓無關人員或者敵方人員了解。第一百一十七頁，共144頁。

傳感器網(wǎng)絡的安全問題和一般網(wǎng)絡的安全問題相比而言，出發(fā)點是相同的，需要解決如下問題：(1)機密性問題。所有敏感數(shù)據(jù)在存儲和傳輸?shù)倪^程中都要保證機密性，讓任何人在截獲物理通信信號的時候不能直接獲得消息內(nèi)容。安全問題主要解決問題第一百一十八頁，共144頁。

(2)點到點的消息認證問題。網(wǎng)絡節(jié)點在接收到另外一個節(jié)點發(fā)送過來的消息時，能夠確認這個數(shù)據(jù)包確實是從該節(jié)點發(fā)送出來的，而不是其它節(jié)點冒充的。

(3)完整性鑒別問題。網(wǎng)絡節(jié)點在接收到一個數(shù)據(jù)包的時候，能夠確認這個數(shù)據(jù)包和發(fā)出來的時候完全相同，沒有被中間節(jié)點篡改或者在傳輸中通信出錯。第一百一十九頁，共144頁。(4)新鮮性問題。數(shù)據(jù)本身具有時效性，網(wǎng)絡節(jié)點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。導致新鮮性問題一般有兩種原因：

一是由網(wǎng)絡多路徑延時的非確定性導致數(shù)據(jù)包的接收錯序而引起;二是由惡意節(jié)點的攻擊而引起。第一百二十頁，共144頁。

(5)認證組播/廣播問題。認證組播/廣播解決的是單一節(jié)點向一組節(jié)點/所有節(jié)點發(fā)送統(tǒng)一通告的認證安全問題。認證廣播的發(fā)送者是一個，接收者是多個，所以認證方法和點到點通信認證方式完全不同。第一百二十一頁，共144頁。(6)安全管理問題。安全管理包括安全引導和安全維護兩個部分。

安全引導是指一個網(wǎng)絡系統(tǒng)從分散的、獨立的、沒有安全通道保護的個體集合，按照預定的協(xié)議機制，逐步形成統(tǒng)一完整的、具有安全信道保護的、連通的安全網(wǎng)絡的過程。第一百二十二頁，共144頁。(6)安全管理問題-安全引導過程安全引導過程對于傳感器網(wǎng)絡來說是最重要、最復雜，也是最富挑戰(zhàn)性的內(nèi)容，因為傳統(tǒng)的解決安全引導問題的各種方法，由于它的計算復雜性在傳感器網(wǎng)絡中基本上不能使用。第一百二十三頁，共144頁。(6)安全管理問題

安全維護主要設計通信中的密鑰更新，以及網(wǎng)絡變更引起的安全變更，方法往往是安全引導過程的一個延伸。第一百二十四頁，共144頁。網(wǎng)絡協(xié)議安全問題的層次側(cè)重點物理層主要側(cè)重在安全編碼方面；鏈路層和網(wǎng)絡層考慮的是數(shù)據(jù)幀和路由信息的加解密技術；應用層在密鑰的管理和交換過程中，為下層的加解密技術提供安全支撐。第一百二十五頁，共144頁。

解決方法與傳統(tǒng)網(wǎng)絡安全的差異(1)有限的存儲空間和計算能力(2)缺乏后期節(jié)點布置的先驗知識(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)重整個網(wǎng)絡的安全(6)應用相關性第一百二十六頁，共144頁。4.5.2傳感器網(wǎng)絡的安全設計分析1、物理層物理層面臨的主要問題是無線通信的干擾和節(jié)點的淪陷，遭受的主要攻擊包括擁塞攻擊和物理破壞。(1)擁塞攻擊(2)物理破壞①完善物理損害感知機制。②信息加密。第一百二十七頁，共144頁。2、鏈路層(1)碰撞攻擊①使用糾錯編碼。②使用信道監(jiān)聽和重傳機制。(2)耗盡攻擊(3)非公平競爭第一百二十八頁，共144頁。

①虛假的路由信息。②選擇性的轉(zhuǎn)發(fā)。③Sinkhole攻擊。④Sybil攻擊。⑤Wormhole攻擊。⑥HE