無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)第四章

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)第四章第一頁(yè)，共144頁(yè)。

傳感器網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)的使用目的千變?nèi)f化，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(lái)收集應(yīng)用相關(guān)的數(shù)據(jù)信號(hào)。為實(shí)現(xiàn)用戶(hù)的功能，除要設(shè)計(jì)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(hù)功能的正常運(yùn)行所需的其它基礎(chǔ)性技術(shù)。第二頁(yè)，共144頁(yè)。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。第三頁(yè)，共144頁(yè)。4.1時(shí)間同步機(jī)制4.1.1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(wú)線(xiàn)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。第四頁(yè)，共144頁(yè)。傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步的意義在分布式的無(wú)線(xiàn)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。第五頁(yè)，共144頁(yè)。傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步的意義有時(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(lái)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，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。第六頁(yè)，共144頁(yè)。

分布式系統(tǒng)中的時(shí)間同步分類(lèi)：“物理時(shí)間”和“邏輯時(shí)間”

物理時(shí)間：表示人類(lèi)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。第七頁(yè)，共144頁(yè)。傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步機(jī)制的意義和作用傳感器節(jié)點(diǎn)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。第八頁(yè)，共144頁(yè)。傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步機(jī)制的意義和作用傳感器網(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。如休眠/喚醒機(jī)制，同步機(jī)制為本地時(shí)鐘提供相同的時(shí)鐘基準(zhǔn)。第九頁(yè)，共144頁(yè)。應(yīng)用中的同步機(jī)制槍聲定位系統(tǒng)第十頁(yè)，共144頁(yè)。

2、時(shí)間同步協(xié)議的特點(diǎn)

結(jié)點(diǎn)造價(jià)低，體積小，不安裝同步器件，價(jià)格和體積是傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步主要限制條件。結(jié)點(diǎn)無(wú)人值守，有限能量，偵聽(tīng)通信會(huì)消耗能量，運(yùn)行同步協(xié)議需考慮消耗的能量?，F(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步機(jī)制關(guān)注于最小化同步誤差來(lái)達(dá)到最大的同步精度方面，很少考慮計(jì)算和通信的開(kāi)銷(xiāo)及能量消耗。第十一頁(yè)，共144頁(yè)。網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(NTP)廣泛使用在因特網(wǎng)，精度高、魯棒性好和易擴(kuò)展，傳感器網(wǎng)絡(luò)中難以運(yùn)行，原因如下：(1)NTP協(xié)議假定網(wǎng)絡(luò)鏈路失效的概率很小，而傳感器網(wǎng)絡(luò)中無(wú)線(xiàn)鏈路通信質(zhì)量受環(huán)境影響較大，甚至?xí)r常通信中斷。(2)NTP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，便于為不同位置的結(jié)點(diǎn)手工配置時(shí)間服務(wù)器列表，傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化，簡(jiǎn)單的靜態(tài)手工配置無(wú)法適應(yīng)這種變化。第十二頁(yè)，共144頁(yè)。(3)NTP協(xié)議中時(shí)間基準(zhǔn)服務(wù)器間的同步無(wú)法通過(guò)網(wǎng)絡(luò)自身來(lái)實(shí)現(xiàn)，需其他基礎(chǔ)設(shè)施的協(xié)助，如GPS等，傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中無(wú)法滿(mǎn)足。(4)NTP協(xié)議需頻繁交換信息，來(lái)不斷校準(zhǔn)時(shí)鐘頻率偏差帶來(lái)的誤差，通過(guò)復(fù)雜的修正算法，消除時(shí)間同步消息在傳輸和處理過(guò)程中的非確定因素干擾，CPU使用、信道偵聽(tīng)和占用都不受任何約束，而傳感器網(wǎng)絡(luò)存在資源約束，必須考慮能量消耗。第十三頁(yè)，共144頁(yè)。GPS能以納秒級(jí)精度保持同步，但代價(jià)較高，同時(shí)在室內(nèi)、森林或水下等有障礙的環(huán)境中無(wú)法使用。傳感器網(wǎng)絡(luò)在能量、價(jià)格和體積等約束，使得NTP、GPS等現(xiàn)有時(shí)間同步機(jī)制并不適用于通常的傳感器網(wǎng)絡(luò)，需要專(zhuān)門(mén)的時(shí)間同步協(xié)議才能正常運(yùn)行和實(shí)用化。第十四頁(yè)，共144頁(yè)。較成熟的傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步協(xié)議RBS、TINY/MINI-SYNC、TPSN。RBS同步協(xié)議的基本思想：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。該算法消除了同步信號(hào)發(fā)送一方的時(shí)間不確定性。

優(yōu)點(diǎn)：時(shí)間同步與MAC層協(xié)議分離，實(shí)現(xiàn)不受限于應(yīng)用層是否可以獲得MAC層時(shí)戳，協(xié)議的互操作性較好。

缺點(diǎn)：協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)大。第十五頁(yè)，共144頁(yè)。Tiny／Mini-Sync簡(jiǎn)單的輕量級(jí)時(shí)間同步機(jī)制，算法假設(shè)結(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘漂移遵循線(xiàn)性變化，兩個(gè)結(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間偏移也是線(xiàn)性的；通過(guò)交換時(shí)標(biāo)分組來(lái)估計(jì)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)間的最優(yōu)匹配偏移量；為降低算法的復(fù)雜度，通過(guò)約束條件丟棄冗余分組。第十六頁(yè)，共144頁(yè)。TPSN時(shí)間同步協(xié)議采用層次結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步；所有結(jié)點(diǎn)按照層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行邏輯分級(jí)，表示結(jié)點(diǎn)到根結(jié)點(diǎn)的距離；通過(guò)基于發(fā)送者—接收者的結(jié)點(diǎn)對(duì)方式，每個(gè)結(jié)點(diǎn)與上一級(jí)的一個(gè)結(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步，從而最終所有結(jié)點(diǎn)都與根結(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。第十七頁(yè)，共144頁(yè)。4.1.2TPSN時(shí)間同步協(xié)議傳感器網(wǎng)絡(luò)TPSN時(shí)間同步協(xié)議類(lèi)似于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的NTP協(xié)議，目的是提供傳感器網(wǎng)絡(luò)全網(wǎng)范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間同步。在網(wǎng)絡(luò)中有一個(gè)與外界可以通信，從而獲取外部時(shí)間，這種節(jié)點(diǎn)稱(chēng)為根節(jié)點(diǎn)。根節(jié)點(diǎn)可裝配諸如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。第十八頁(yè)，共144頁(yè)。TPSN協(xié)議采用層次型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，首先將所有節(jié)點(diǎn)按照層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行分級(jí)；然后每個(gè)節(jié)點(diǎn)與上一級(jí)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間同步，最終所有節(jié)點(diǎn)都與根節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步；節(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。第十九頁(yè)，共144頁(yè)。1、TPSN協(xié)議的操作過(guò)程前提條件：

假設(shè)每個(gè)傳感器結(jié)點(diǎn)都有唯一的標(biāo)識(shí)號(hào)ID；結(jié)點(diǎn)間的無(wú)線(xiàn)通信鏈路是雙向的，通過(guò)雙向的消息交換實(shí)現(xiàn)結(jié)點(diǎn)間的時(shí)間同步；將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有結(jié)點(diǎn)按照層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行管理，負(fù)責(zé)生成和維護(hù)層次結(jié)構(gòu)。第二十頁(yè)，共144頁(yè)。1、TPSN協(xié)議的操作過(guò)程TPSN協(xié)議包括兩個(gè)階段：第一個(gè)階段生成層次結(jié)構(gòu)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)賦予一個(gè)級(jí)別，根節(jié)點(diǎn)賦予最高級(jí)別第0級(jí)，第i級(jí)的節(jié)點(diǎn)至少能夠與一個(gè)第（i－1）級(jí)的節(jié)點(diǎn)通信；第二個(gè)階段實(shí)現(xiàn)所有樹(shù)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步，第1級(jí)節(jié)點(diǎn)同步到根節(jié)點(diǎn)，第i級(jí)的節(jié)點(diǎn)同步到第（i－1）級(jí)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，最終所有節(jié)點(diǎn)都同步到根節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步。第二十一頁(yè)，共144頁(yè)。（1）層次發(fā)現(xiàn)階段網(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)階段，級(jí)別發(fā)現(xiàn)分組包含發(fā)送結(jié)點(diǎn)的ID和級(jí)別；根結(jié)點(diǎn)的鄰居結(jié)點(diǎn)收到根結(jié)點(diǎn)發(fā)送的分組后，將自己的級(jí)別設(shè)置為分組中的級(jí)別加1，即為第1級(jí)，建立它們自己的級(jí)別，然后廣播新的級(jí)別發(fā)現(xiàn)分組，其中包含的級(jí)別為1；第二十二頁(yè)，共144頁(yè)。（1）層次發(fā)現(xiàn)階段結(jié)點(diǎn)收到第i級(jí)結(jié)點(diǎn)的廣播分組后，記錄發(fā)送這個(gè)廣播分組的結(jié)點(diǎn)ID，設(shè)置向身級(jí)別為(i+1)，廣播級(jí)別設(shè)置為(i+1)的分組；過(guò)程持續(xù)進(jìn)行，直到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的每個(gè)結(jié)點(diǎn)都賦予一個(gè)級(jí)別；結(jié)點(diǎn)一旦建立自己的級(jí)別，就忽略任何其他級(jí)別的發(fā)現(xiàn)分組，以防止網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生洪泛擁塞。第二十三頁(yè)，共144頁(yè)。（2）同步階段層次結(jié)構(gòu)建立后，根結(jié)點(diǎn)通過(guò)廣播時(shí)間同步分組啟動(dòng)同步階段；第1級(jí)結(jié)點(diǎn)收到該分組后，各分別等待一段隨機(jī)時(shí)間，與根結(jié)點(diǎn)交換消息同步到根結(jié)點(diǎn)；第2級(jí)結(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)到第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，并與在層次發(fā)現(xiàn)階段記錄的第1個(gè)級(jí)別的結(jié)點(diǎn)交換消息進(jìn)行同步；第二十四頁(yè)，共144頁(yè)。（2）同步階段等待一段時(shí)間的目的是保證第2級(jí)結(jié)點(diǎn)在第1級(jí)結(jié)點(diǎn)時(shí)間同步完成后才啟動(dòng)消息交換；最后每個(gè)結(jié)點(diǎn)與層次結(jié)構(gòu)中最靠近的上一級(jí)結(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步，從而所有結(jié)點(diǎn)都同步到根結(jié)點(diǎn)。第二十五頁(yè)，共144頁(yè)。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(guò)交換兩個(gè)消息實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。第二十六頁(yè)，共144頁(yè)。假設(shè)條件：結(jié)點(diǎn)S屬第i級(jí)結(jié)點(diǎn)，R屬于第(i-1)級(jí)結(jié)點(diǎn)；T1和T4：S本地時(shí)鐘在不同時(shí)刻測(cè)量的時(shí)間；T2和T3：R本地時(shí)鐘在不同時(shí)刻測(cè)量的時(shí)間；△：兩個(gè)結(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間偏差；D：消息的傳播時(shí)延，假設(shè)往返延遲相同。第二十七頁(yè)，共144頁(yè)。

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。

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，

第二十八頁(yè)，共144頁(yè)。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。可得：第二十九頁(yè)，共144頁(yè)。在發(fā)送時(shí)間、訪問(wèn)時(shí)間、傳播時(shí)間和接收時(shí)間四個(gè)消息延遲組成部分中，訪問(wèn)時(shí)間往往是無(wú)線(xiàn)傳輸消息時(shí)延中最具不確定性的因素；為提高兩個(gè)結(jié)點(diǎn)間的時(shí)間同步精度，TPSN協(xié)議在MAC層消息開(kāi)始發(fā)送到無(wú)線(xiàn)信道的時(shí)刻，才給同步消息加上時(shí)標(biāo)，消除訪問(wèn)時(shí)間帶來(lái)的時(shí)間同步誤差。第三十頁(yè)，共144頁(yè)。TPSN協(xié)議能夠?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)距離成正比增長(zhǎng)；它實(shí)現(xiàn)短期間的全網(wǎng)結(jié)點(diǎn)時(shí)間同步，如果需要長(zhǎng)時(shí)間的全網(wǎng)結(jié)點(diǎn)時(shí)間同步，則需要周期性執(zhí)行TPSN協(xié)議進(jìn)行重同步，兩次時(shí)間同步的時(shí)間間隔根據(jù)具體應(yīng)用確定。第三十一頁(yè)，共144頁(yè)。4.1.3時(shí)間同步的應(yīng)用示例這里介紹一個(gè)例子，說(shuō)明磁阻傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)輛進(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(chē)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(chē)輛經(jīng)過(guò)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?xún)蓚€(gè)峰值之間的時(shí)差Δt，就可以得出機(jī)動(dòng)目標(biāo)通過(guò)這一路段的速度(Vel):第三十二頁(yè)，共144頁(yè)。4.2定位技術(shù)4.2.1傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位問(wèn)題1、定位的含義在傳感器網(wǎng)絡(luò)的很多應(yīng)用問(wèn)題中，沒(méi)有節(jié)點(diǎn)位置信息的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)往往是沒(méi)有意義的。無(wú)線(xiàn)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)特定方法提供節(jié)點(diǎn)的位置信息。

第三十三頁(yè)，共144頁(yè)。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(guò)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。第三十四頁(yè)，共144頁(yè)。節(jié)點(diǎn)自身定位是網(wǎng)絡(luò)自身屬性的確定過(guò)程，可以通過(guò)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。第三十五頁(yè)，共144頁(yè)。

位置信息有多種分類(lèi)方法。位置信息有物理位置和符號(hào)位置兩大類(lèi)。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。

第三十六頁(yè)，共144頁(yè)。

傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位方法分類(lèi)：(1)根據(jù)是否依靠測(cè)量距離，分為基于測(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，網(wǎng)絡(luò)收集傳感器數(shù)據(jù)稱(chēng)為被動(dòng)定位，節(jié)點(diǎn)主動(dòng)發(fā)出信息，用于定位稱(chēng)為主動(dòng)定位。第三十七頁(yè)，共144頁(yè)。2、基本術(shù)語(yǔ)(1)錨點(diǎn)：指通過(guò)其它方式預(yù)先獲得位置坐標(biāo)的節(jié)點(diǎn)，有時(shí)也稱(chēng)作信標(biāo)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)中相應(yīng)的其余節(jié)點(diǎn)稱(chēng)為非錨點(diǎn)。

(2)測(cè)距：指兩個(gè)相互通信的節(jié)點(diǎn)通過(guò)測(cè)量方式來(lái)估計(jì)出彼此之間的距離或角度。

第三十八頁(yè)，共144頁(yè)。

(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：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：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?xún)?nèi)的所有其它節(jié)點(diǎn)，稱(chēng)為該節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)。第三十九頁(yè)，共144頁(yè)。

(5)跳數(shù)：兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間間隔的跳段總數(shù)，稱(chēng)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。

第四十頁(yè)，共144頁(yè)。

(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(chēng)為信號(hào)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(chēng)為信號(hào)的到達(dá)時(shí)間差。第四十一頁(yè)，共144頁(yè)。

(9)接收信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)：節(jié)點(diǎn)接收到無(wú)線(xiàn)信號(hào)的強(qiáng)度大小，稱(chēng)為接收信號(hào)的強(qiáng)度指示。

(10)到達(dá)角度(AngleofArrival,AoA)：節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)相對(duì)于自身軸線(xiàn)的角度，稱(chēng)為信號(hào)相對(duì)接收節(jié)點(diǎn)的到達(dá)角度。第四十二頁(yè)，共144頁(yè)。

(11)視線(xiàn)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(méi)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(xiàn)關(guān)系。(12)非視線(xiàn)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(wú)線(xiàn)通信。第四十三頁(yè)，共144頁(yè)。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)。第四十四頁(yè)，共144頁(yè)。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：以長(zhǎng)度為單位度量的精度。相對(duì)精度：以節(jié)點(diǎn)之間距離的百分比。第四十五頁(yè)，共144頁(yè)。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Δdi，則N個(gè)未知位置節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)平均定位誤差為：第四十六頁(yè)，共144頁(yè)。

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。

功耗是傳感器網(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。第四十七頁(yè)，共144頁(yè)。4、定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)設(shè)計(jì)定位系統(tǒng)時(shí)，根據(jù)性能指標(biāo)，在眾多方案中選擇能夠滿(mǎn)足要求的最優(yōu)算法，采取適宜的技術(shù)手段來(lái)完成定位系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)一個(gè)定位系統(tǒng)需要考慮兩個(gè)主要因素，即定位機(jī)制的物理特性和定位算法。第四十八頁(yè)，共144頁(yè)。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(guò)測(cè)量節(jié)點(diǎn)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。第四十九頁(yè)，共144頁(yè)。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(guò)測(cè)量射頻信號(hào)的能量來(lái)確定與發(fā)送機(jī)的距離。將無(wú)線(xiàn)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：第五十頁(yè)，共144頁(yè)。1、測(cè)距方法PR-無(wú)線(xiàn)信號(hào)的接收功率，PT-無(wú)線(xiàn)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，傳播因子的數(shù)值大小取決于無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳播的環(huán)境。第五十一頁(yè)，共144頁(yè)。無(wú)線(xiàn)信號(hào)接收強(qiáng)度指示與信號(hào)傳播距離之間的關(guān)系第五十二頁(yè)，共144頁(yè)。(2)到達(dá)時(shí)間/到達(dá)時(shí)間差(ToA/TDoA)通過(guò)測(cè)量傳輸時(shí)間來(lái)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(lái)計(jì)算節(jié)點(diǎn)間的距離。第五十三頁(yè)，共144頁(yè)。(2)到達(dá)時(shí)間/到達(dá)時(shí)間差(ToA/TDoA)ToA測(cè)距原理的過(guò)程示例第五十四頁(yè)，共144頁(yè)。

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(wú)線(xiàn)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)算節(jié)點(diǎn)間的距離。第五十五頁(yè)，共144頁(yè)。發(fā)射節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)射無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)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=c1*c2/(c1-c2)。第五十六頁(yè)，共144頁(yè)。(3)到達(dá)角(AoA)通過(guò)配備特殊天線(xiàn)來(lái)估測(cè)其它節(jié)點(diǎn)發(fā)射的無(wú)線(xiàn)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，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。第五十七頁(yè)，共144頁(yè)。(3)到達(dá)角(AoA)第五十八頁(yè)，共144頁(yè)。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(lèi)測(cè)距值。

第五十九頁(yè)，共144頁(yè)。2、多邊定位

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（xi，yi）

。如果待定位節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為（x,y），并且已知它至各錨點(diǎn)的測(cè)距數(shù)值為d，可得下式，其中(x，y)為待求的未知坐標(biāo)。第六十頁(yè)，共144頁(yè)。2、多邊定位第六十一頁(yè)，共144頁(yè)。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：第六十二頁(yè)，共144頁(yè)。根據(jù)最小均方估計(jì)的方法原理，求得解為：

當(dāng)矩陣求逆不能計(jì)算時(shí)，該方法不適用，否則可成功得到位置估計(jì)

。從上述過(guò)程看出，這種定位方法本質(zhì)上就是最小二乘估計(jì)。第六十三頁(yè)，共144頁(yè)。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，取此矩形的質(zhì)心作為待定位節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。第六十四頁(yè)，共144頁(yè)。3、Min-max定位方法采用三個(gè)錨點(diǎn)進(jìn)行定位的Min–max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：

第六十五頁(yè)，共144頁(yè)。

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。第六十六頁(yè)，共144頁(yè)。第六十七頁(yè)，共144頁(yè)。4.2.3無(wú)需測(cè)距的定位技術(shù)

無(wú)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2、DV-Hop算法第六十八頁(yè)，共144頁(yè)。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)、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)中需實(shí)時(shí)定位物體的位置和方向。第六十九頁(yè)，共144頁(yè)。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(chēng)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(chēng)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：第七十頁(yè)，共144頁(yè)。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)，也稱(chēng)多傳感器信息融合或多傳感器融合；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。

第七十一頁(yè)，共144頁(yè)。數(shù)據(jù)融合也稱(chēng)信息融合，是一種多源信息處理技術(shù)；通過(guò)對(duì)來(lái)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。第七十二頁(yè)，共144頁(yè)。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(guò)程；是對(duì)多源數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)、互聯(lián)、相關(guān)、估計(jì)和組合；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。第七十三頁(yè)，共144頁(yè)。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)和高層次上的戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢(shì)的評(píng)估。第七十四頁(yè)，共144頁(yè)。數(shù)據(jù)融合的主要內(nèi)容主要內(nèi)容：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)?；灸康模和ㄟ^(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)。第七十五頁(yè)，共144頁(yè)。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)性第七十六頁(yè)，共144頁(yè)。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(guò)程中，各節(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第七十七頁(yè)，共144頁(yè)。

傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)融合的主要作用(1)節(jié)省整個(gè)網(wǎng)絡(luò)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。第七十八頁(yè)，共144頁(yè)。4.3.3數(shù)據(jù)融合技術(shù)的分類(lèi)

傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)融合技術(shù)從不同角度分類(lèi)：(1)依據(jù)融合前后數(shù)據(jù)的信息含量進(jìn)行分類(lèi)；(2)依據(jù)數(shù)據(jù)融合與應(yīng)用層數(shù)據(jù)語(yǔ)義關(guān)系分類(lèi)；(3)依據(jù)融合操作的級(jí)別進(jìn)行分類(lèi)。第七十九頁(yè)，共144頁(yè)。1、根據(jù)融合前后數(shù)據(jù)的信息含量分類(lèi)根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合操作前后的信息含量，將數(shù)據(jù)融合分為無(wú)損失融合和有損失融合兩類(lèi)。（1）無(wú)損失融合無(wú)損失融合中，所有細(xì)節(jié)信息均保留，去除冗余的部分信息，此類(lèi)融合的常見(jiàn)做法是去除信息中的冗余部分。第八十頁(yè)，共144頁(yè)。1、根據(jù)融合前后數(shù)據(jù)的信息含量分類(lèi)（2）有損失融合有損失融合會(huì)省略一些細(xì)節(jié)信息或降低數(shù)據(jù)的質(zhì)量，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。第八十一頁(yè)，共144頁(yè)。2、根據(jù)應(yīng)用層數(shù)據(jù)語(yǔ)義之間的關(guān)系分類(lèi)

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(yǔ)義，將數(shù)據(jù)融合技術(shù)分為三類(lèi)：(1)依賴(lài)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。第八十二頁(yè)，共144頁(yè)。3、根據(jù)融合操作的級(jí)別分類(lèi)

（1）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)，是面向數(shù)據(jù)的融合。（2）特征級(jí)融合通過(guò)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(lái)反映事物的屬性。（3）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。第八十三頁(yè)，共144頁(yè)。4.3.4數(shù)據(jù)融合的主要方法(1)綜合平均法把來(lái)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(lèi)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。第八十四頁(yè)，共144頁(yè)。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。第八十五頁(yè)，共144頁(yè)。(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。第八十六頁(yè)，共144頁(yè)。(2)卡爾曼濾波法如果系統(tǒng)可用一個(gè)線(xiàn)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)。第八十七頁(yè)，共144頁(yè)。(2)卡爾曼濾波法應(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(lái)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。第八十八頁(yè)，共144頁(yè)。4.4能量管理4.4.1能量管理的意義在無(wú)線(xiàn)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，2≤n≤4。無(wú)線(xiàn)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，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(yè)，共144頁(yè)。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。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。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(xiàn)通信方式。第九十頁(yè)，共144頁(yè)。傳感器節(jié)點(diǎn)通常由四個(gè)部分組成：處理器單元、無(wú)線(xiàn)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(yīng)用特征相關(guān)，采樣周期越短、采樣精度越高，能耗越大。第九十一頁(yè)，共144頁(yè)。

傳感器單元的能耗要比處理器單元和無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)傳輸單元的能耗問(wèn)題。第九十二頁(yè)，共144頁(yè)。4.4.2傳感器網(wǎng)絡(luò)的電源節(jié)能方法

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)。第九十三頁(yè)，共144頁(yè)。1、休眠機(jī)制休眠機(jī)制的主要思想：當(dāng)節(jié)點(diǎn)周?chē)鷽](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)；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)。第九十四頁(yè)，共144頁(yè)。（1）硬件支持現(xiàn)有的無(wú)線(xiàn)收發(fā)器也支持休眠，而且可以通過(guò)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(wú)線(xiàn)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(yè)，共144頁(yè)。（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(diǎn)不再收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，最好把無(wú)線(xiàn)收發(fā)器關(guān)掉或進(jìn)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(yè)，共144頁(yè)。（2）專(zhuān)門(mén)的節(jié)點(diǎn)功率管理機(jī)制①動(dòng)態(tài)電源管理動(dòng)態(tài)電源管理(DPM)的工作原理：當(dāng)節(jié)點(diǎn)周?chē)鷽](méi)有感興趣的事件發(fā)生時(shí)，部分模塊處于空閑狀態(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))，從而節(jié)省能量。第九十七頁(yè)，共144頁(yè)。①動(dòng)態(tài)電源管理這種事件驅(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；動(dòng)態(tài)電源管理中，狀態(tài)轉(zhuǎn)換消耗一定的能量，且有時(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(guò)程的策略不合適，不僅無(wú)法節(jié)能，反而會(huì)導(dǎo)致能耗的增加。第九十八頁(yè)，共144頁(yè)。②動(dòng)態(tài)電壓調(diào)度

對(duì)于大多數(shù)傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，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：Eop∝V2。第九十九頁(yè)，共144頁(yè)。②動(dòng)態(tài)電壓調(diào)度動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)(DVS)技術(shù)利用該特點(diǎn)，動(dòng)態(tài)改變微處理器的工作電壓和頻率，使得剛好滿(mǎn)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間的匹配。第一百頁(yè)，共144頁(yè)。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(shí)現(xiàn)上；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)；

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)需對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合；第一百零一頁(yè)，共144頁(yè)。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(diǎn)，只轉(zhuǎn)發(fā)有用的信息；數(shù)據(jù)融合有效地降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量。第一百零二頁(yè)，共144頁(yè)。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(diǎn)之間隨機(jī)分布能量負(fù)載的分層路由協(xié)議。第一百零三頁(yè)，共144頁(yè)。4.5安全機(jī)制4.5.1傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全問(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，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。第一百零四頁(yè)，共144頁(yè)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種起源于軍事應(yīng)用領(lǐng)域的新型無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，主要采用了射頻無(wú)線(xiàn)通信組網(wǎng)，它的安全性問(wèn)題顯得尤為重要。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。第一百零五頁(yè)，共144頁(yè)。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(wú)線(xiàn)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。第一百零六頁(yè)，共144頁(yè)。1、通信安全需求(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：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。第一百零七頁(yè)，共144頁(yè)。外部攻擊者是指那些沒(méi)有得到密鑰，無(wú)法接入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)。外部攻擊者雖然無(wú)法有效地注入虛假息，但通過(guò)竊聽(tīng)、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(wèn)題。第一百零八頁(yè)，共144頁(yè)。其次，要防范擾亂網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)攻擊，如重發(fā)數(shù)據(jù)包等，這些攻擊會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)性能的下降。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。第一百零九頁(yè)，共144頁(yè)。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)。傳感器網(wǎng)絡(luò)不可能阻止節(jié)點(diǎn)被篡改，且密鑰可能被對(duì)方破解，總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)信任，內(nèi)部攻擊者能發(fā)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)攻擊種類(lèi)更多，危害性更大，也更隱蔽。第一百一十頁(yè)，共144頁(yè)。(3)主動(dòng)反擊入侵的能力

主動(dòng)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，為此需要具備以下能力：①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。第一百一十一頁(yè)，共144頁(yè)。(3)主動(dòng)反擊入侵的能力②隔離入侵者的能網(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)。第一百一十二頁(yè)，共144頁(yè)。(3)主動(dòng)反擊入侵的能力

③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(hù)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(hù)通過(guò)人工方式消滅入侵者。第一百一十三頁(yè)，共144頁(yè)。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。傳感器網(wǎng)絡(luò)信息安全需求內(nèi)容如下：①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(tīng)。②數(shù)據(jù)鑒別—保證用戶(hù)收到的信息來(lái)自己方節(jié)點(diǎn)而非入侵節(jié)點(diǎn)。第一百一十四頁(yè)，共144頁(yè)。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(guò)程中沒(méi)有被惡意篡改。

④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(hù)。第一百一十五頁(yè)，共144頁(yè)。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(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、完整性和保密性，是面向用戶(hù)應(yīng)用的安全。傳感器網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)的設(shè)計(jì)第一百一十六頁(yè)，共144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)題不是一個(gè)非常緊要的問(wèn)題。在商業(yè)上的小區(qū)無(wú)線(xiàn)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，甚至節(jié)點(diǎn)的物理分布重點(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。第一百一十七頁(yè)，共144頁(yè)。

傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全問(wèn)題和一般網(wǎng)絡(luò)的安全問(wèn)題相比而言，出發(fā)點(diǎn)是相同的，需要解決如下問(wèn)題：(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內(nèi)容。安全問(wèn)題主要解決問(wèn)題第一百一十八頁(yè)，共144頁(yè)。

(2)點(diǎn)到點(diǎn)的消息認(rèn)證問(wèn)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(guò)來(lái)的消息時(shí)，能夠確認(rèn)這個(gè)數(shù)據(jù)包確實(shí)是從該節(jié)點(diǎn)發(fā)送出來(lái)的，而不是其它節(jié)點(diǎn)冒充的。

(3)完整性鑒別問(wèn)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(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)。第一百一十九頁(yè)，共144頁(yè)。(4)新鮮性問(wèn)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(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;二是由惡意節(jié)點(diǎn)的攻擊而引起。第一百二十頁(yè)，共144頁(yè)。

(5)認(rèn)證組播/廣播問(wèn)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(wèn)題。認(rèn)證廣播的發(fā)送者是一個(gè)，接收者是多個(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。第一百二十一頁(yè)，共144頁(yè)。(6)安全管理問(wèn)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(méi)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(guò)程。第一百二十二頁(yè)，共144頁(yè)。(6)安全管理問(wèn)題-安全引導(dǎo)過(guò)程安全引導(dǎo)過(guò)程對(duì)于傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)是最重要、最復(fù)雜，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(wèn)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。第一百二十三頁(yè)，共144頁(yè)。(6)安全管理問(wèn)題

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)程的一個(gè)延伸。第一百二十四頁(yè)，共144頁(yè)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議安全問(wèn)題的層次側(cè)重點(diǎn)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，為下層的加解密技術(shù)提供安全支撐。第一百二十五頁(yè)，共144頁(yè)。

解決方法與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全的差異(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(wú)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)性第一百二十六頁(yè)，共144頁(yè)。4.5.2傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全設(shè)計(jì)分析1、物理層物理層面臨的主要問(wèn)題是無(wú)線(xiàn)通信的干擾和節(jié)點(diǎn)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?yè)p害感知機(jī)制。②信息加密。第一百二十七頁(yè)，共144頁(yè)。2、鏈路層(1)碰撞攻擊①使用糾錯(cuò)編碼。②使用信道監(jiān)聽(tīng)和重傳機(jī)制。(2)耗盡攻擊(3)非公平競(jìng)爭(zhēng)第一百二十八頁(yè)，共144頁(yè)。

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