物聯(lián)網(wǎng)講座07WSN支撐技術(shù)

第一頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論

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，除了通信與組網(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。第二頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論時間同步機(jī)制第三頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步機(jī)制1、傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步的意義

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的同步管理主要是指時間上的同步管理。在分布式的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，每個傳感器節(jié)點(diǎn)都有自己的本地時鐘。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造成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的運(yùn)行時間偏差。有時傳感器網(wǎng)絡(luò)的單個節(jié)點(diǎn)的能力有限，或者某些應(yīng)用的需要，使得整個系統(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)間的時間同步，因此，時間同步機(jī)制是分布式系統(tǒng)基礎(chǔ)框架的一個關(guān)鍵機(jī)制。第四頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論

在分布式系統(tǒng)中，時間同步涉及“物理時間”和“邏輯時間”兩個不同的概念?！拔锢頃r間”用來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(guān)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。第五頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步機(jī)制的意義和作用主要體現(xiàn)在如下兩方面：首先，傳感器節(jié)點(diǎn)通常需要彼此協(xié)作，去完成復(fù)雜的監(jiān)測和感知任務(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)能方案是利用時間同步來實(shí)現(xiàn)的。第六頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論

目前已有幾種成熟的傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步協(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)時間同步機(jī)制。

RBS同步協(xié)議的基本思想是多個節(jié)點(diǎn)接收同一個同步信號，然后多個收到同步信號的節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行同步。這種同步算法消除了同步信號發(fā)送一方的時間不確定性。這種同步協(xié)議的缺點(diǎn)是協(xié)議開銷大。

Tiny/Mini-Sync是兩種簡單的輕量級時間同步機(jī)制。

TPSN時間同步協(xié)議采用層次結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的時間同步。第七頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論TPSN時間同步協(xié)議

傳感器網(wǎng)絡(luò)TPSN時間同步協(xié)議類似于傳統(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)間的時間同步。在網(wǎng)絡(luò)中有一個與外界可以通信，從而獲取外部時間，這種節(jié)點(diǎn)稱為根節(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，并作為整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的時鐘源。

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，然后每個節(jié)點(diǎn)與上一級的一個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時間同步，最終所有節(jié)點(diǎn)都與根節(jié)點(diǎn)時間同步。節(jié)點(diǎn)對之間的時間同步是基于發(fā)送者-接收者的同步機(jī)制。第八頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論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(diǎn)賦予一個級別，根節(jié)點(diǎn)賦予最高級別第0級，第i級的節(jié)點(diǎn)至少能夠與一個第（i－1）級的節(jié)點(diǎn)通信；第二個階段實(shí)現(xiàn)所有樹節(jié)點(diǎn)的時間同步，第1級節(jié)點(diǎn)同步到根節(jié)點(diǎn)，第i級的節(jié)點(diǎn)同步到第（i－1）級的一個節(jié)點(diǎn)，最終所有節(jié)點(diǎn)都同步到根節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)的時間同步。第九頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論2、相鄰級別節(jié)點(diǎn)間的同步機(jī)制

鄰近級別的兩個節(jié)點(diǎn)對間通過交換兩個消息實(shí)現(xiàn)時間同步。第十頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論

邊節(jié)點(diǎn)S在T1時間發(fā)送同步請求分組給節(jié)點(diǎn)R，分組中包含S的級別和T1時間。節(jié)點(diǎn)R在T2時間收到分組，

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

因此可以推導(dǎo)出右面算式：節(jié)點(diǎn)S在計(jì)算時間偏差之后，將它的時間同步到節(jié)點(diǎn)R。第十一頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論4.1.3時間同步的應(yīng)用示例

這里介紹一個例子，說明磁阻傳感器網(wǎng)絡(luò)對機(jī)動車輛進(jìn)行測速，為了實(shí)現(xiàn)這個用途，網(wǎng)絡(luò)必須先完成時間同步。由于對機(jī)動車輛的測速需要兩個探測傳感器節(jié)點(diǎn)的協(xié)同合作，測速算法提取車輛經(jīng)過每個節(jié)點(diǎn)的磁感應(yīng)信號的脈沖峰值，并記錄時間。如果將兩個節(jié)點(diǎn)之間的距離d除以兩個峰值之間的時差Δt，就可以得出機(jī)動目標(biāo)通過這一路段的速度(Vel):第十二頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論4.2定位技術(shù)4.2.1傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位問題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。這種自組織網(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(diǎn)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(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。第十三頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論

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(biāo)在特定坐標(biāo)系下的位置數(shù)值，表示目標(biāo)的相對或者絕對位置。

符號位置指在目標(biāo)與一個基站或者多個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。第十四頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論

根據(jù)不同的依據(jù)，無線傳感器網(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(luò)收集傳感器數(shù)據(jù)稱為被動定位，節(jié)點(diǎn)主動發(fā)出信息，用于定位稱為主動定位。第十五頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論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)。第十六頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論(5)跳數(shù)：兩個節(jié)點(diǎn)之間間隔的跳段總數(shù)，稱為這兩個節(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)時間：信號從一個節(jié)點(diǎn)傳播到另一個節(jié)點(diǎn)所需要的時間，稱為信號的到達(dá)時間。

(8)到達(dá)時間差(TDoA)：兩種不同傳播速度的信號從一個節(jié)點(diǎn)傳播到另一個節(jié)點(diǎn)所需要的時間之差，稱為信號的到達(dá)時間差。

(9)接收信號強(qiáng)度指示(RSSI)：節(jié)點(diǎn)接收到無線信號的強(qiáng)度大小，稱為接收信號的強(qiáng)度指示。第十七頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論(10)到達(dá)角度(AngleofArrival,AoA)：節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的到達(dá)角度。

(11)視線關(guān)系(LineofSight,LoS)：如果傳感器網(wǎng)絡(luò)的兩個節(jié)點(diǎn)之間沒有障礙物，能夠?qū)崿F(xiàn)直接通信，則這兩個節(jié)點(diǎn)間存在視線關(guān)系。

(12)非視線關(guān)系：傳感器網(wǎng)絡(luò)的兩個節(jié)點(diǎn)之間存在障礙物，影響了它們直接的無線通信。第十八頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論3、定位性能的評價指標(biāo)

衡量定位性能有多個指標(biāo)，除了一般性的位置精度指標(biāo)以外，對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)。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，它分為相對精度和絕對精度。絕對精度指以長度為單位度量的精度。相對精度通常以節(jié)點(diǎn)之間距離的百分比來定義。第十九頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論

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個未知位置節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)平均定位誤差為：

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。功耗作為傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，對于定位這項(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)時性更多的是體現(xiàn)在對動態(tài)目標(biāo)的位置跟蹤。第二十頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論4、定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在設(shè)計(jì)定位系統(tǒng)的時候，要根據(jù)預(yù)定的性能指標(biāo)，在眾多方案之中選擇能夠滿足要求的最優(yōu)算法，采取最適宜的技術(shù)手段來完成定位系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。通常設(shè)計(jì)一個定位系統(tǒng)需要考慮兩個主要因素，即定位機(jī)制的物理特性和定位算法。第二十一頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論4.2.2基于測距的定位技術(shù)

基于測距的定位技術(shù)是通過測量節(jié)點(diǎn)之間的距離，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以確定一個點(diǎn)的位置。比較常用的方法是多邊定位和角度定位。第二十二頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論1、測距方法(1)接收信號強(qiáng)度指示(RSSI)RSSI測距的原理如下：接收機(jī)通過測量射頻信號的能量來確定與發(fā)送機(jī)的距離。將無線信號的發(fā)射功率和接收功率之間的關(guān)系表述為下式所示，其中PR是無線信號的接收功率，PT是無線信號的發(fā)射功率，r是收發(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。第二十三頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論無線信號接收強(qiáng)度指示與信號傳播距離之間的關(guān)系第二十四頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論(2)到達(dá)時間/到達(dá)時間差(ToA/TDoA)

這類方法通過測量傳輸時間來估算兩節(jié)點(diǎn)之間距離，精度較好。

ToA機(jī)制是已知信號的傳播速度，根據(jù)信號的傳播時間來計(jì)算節(jié)點(diǎn)間的距離。ToA測距原理的過程示例第二十五頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論

在基于TDoA的定位機(jī)制中，發(fā)射節(jié)點(diǎn)同時發(fā)射兩種不同傳播速度的無線信號，接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)兩種信號到達(dá)的時間差以及這兩種信號的傳播速度，計(jì)算兩個節(jié)點(diǎn)之間的距離。發(fā)射節(jié)點(diǎn)同時發(fā)射無線射頻信號和超聲波信號，接收節(jié)點(diǎn)記錄下這兩種信號的到達(dá)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(diǎn)之間的距離為(T2-T1)*S，其中S=c1*c2/(c1-c2)。第二十六頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論(3)到達(dá)角(AoA)

該方法通過配備特殊天線來估測其它節(jié)點(diǎn)發(fā)射的無線信號的到達(dá)角度。

AoA測距技術(shù)易受外界環(huán)境影響，且需要額外硬件，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。第二十七頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論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(biāo)至少具有三個節(jié)點(diǎn)至錨點(diǎn)的距離值；確定三維坐標(biāo)，則需四個此類測距值。假設(shè)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

。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)的測距數(shù)值為

，可得如下圖，其中(x，y)為待求的未知坐標(biāo)。第二十八頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論將第前n-1個等式減去最后等式：用矩陣和向量表達(dá)為形式Ax=b，其中：第二十九頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論

根據(jù)最小均方估計(jì)（MinimumMeanSquareError,MMSE）的方法原理，可以求得解為：

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

。從上述過程可以看出，這種定位方法本質(zhì)上就是最小二乘估計(jì)。第三十頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論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(diǎn)的坐標(biāo)。

采用三個錨點(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)，加上或減去測距值

，得到錨點(diǎn)i的邊界框：

第三十一頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論

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。第三十二頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論4.2.3無需測距的定位技術(shù)

無需測距的定位技術(shù)不需要直接測量距離和角度信息。1、質(zhì)心算法

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)心節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。假設(shè)多邊形定點(diǎn)位置的坐標(biāo)向量表示為pi=(xi，yi)T，則這個多邊形的質(zhì)心坐標(biāo)

為：第三十三頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論例如，如果四邊形ABCD的頂點(diǎn)坐標(biāo)分別為

，，，則它的質(zhì)心坐標(biāo)計(jì)算如下：

這種方法的計(jì)算與實(shí)現(xiàn)都非常簡單，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的連通性確定出目標(biāo)節(jié)點(diǎn)周圍的信標(biāo)參考節(jié)點(diǎn)，直接求解信標(biāo)參考節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的多邊形的質(zhì)心。第三十四頁，共九十八頁。質(zhì)心算法基本過程信標(biāo)節(jié)點(diǎn)周期性向鄰近節(jié)點(diǎn)廣播信標(biāo)分組，信標(biāo)分組中包含信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識號和位置信息；當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)接收到來自不同信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)分組數(shù)量超過某一個門限k或接收一定時間后，就確定自身位置為這些信標(biāo)節(jié)點(diǎn)所組成的多邊形的質(zhì)心。評價簡單：基于網(wǎng)絡(luò)連通性，無信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)；假設(shè)節(jié)點(diǎn)都擁有理想的球型無線信號傳播模型，而實(shí)際上無線信號的傳播模型；位置估計(jì)精確度和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的密度和分布有很大關(guān)系。第三十五頁，共九十八頁。不定形定位算法在不定形計(jì)算機(jī)（AmorphousComputer）上實(shí)現(xiàn)的定位算法。不定形計(jì)算機(jī)是一種并行計(jì)算結(jié)構(gòu)，和智能群（蟻群、鳥群、粒子群等）很相似。本質(zhì)上，不定形算法是DV-Hop算法的增強(qiáng)，引入了多參考點(diǎn)測量進(jìn)行估計(jì)求精的步驟。兩個重要的參數(shù)修正：不定形算法通過平滑（smoothing）修正節(jié)點(diǎn)到參考節(jié)點(diǎn)的梯度跳數(shù)。采用通信半徑作為每跳距離，使得節(jié)點(diǎn)到參考節(jié)點(diǎn)的最終估計(jì)距離偏大。不定形算法采用下面的公式來修正每跳距離：第三十六頁，共九十八頁。無需測距的定位技術(shù)-APIT算法近似三角形內(nèi)點(diǎn)測試法（APIT,ApproximatePoint-In-Triangulationtest）找到若干個由參考節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的三角形，則節(jié)點(diǎn)必然在這些三角形的交集內(nèi)。使用這個交集的重心估計(jì)節(jié)點(diǎn)的位置。APIT算法分四步：（1）信標(biāo)交換，（2）三角形內(nèi)點(diǎn)測試（PIT,Point-In-Triangulationtesting），（3）交集運(yùn)算計(jì)算三角形的重合區(qū)域，（4）重心（COG,CenterofGravity）計(jì)算求節(jié)點(diǎn)的位置。第三十七頁，共九十八頁。APIT算法基本過程未知節(jié)點(diǎn)首先收集其鄰近信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置信息；從這些信標(biāo)節(jié)點(diǎn)組成的集合中任意選取三個節(jié)點(diǎn)，假設(shè)集合中有n個元素，那么共有Cn3種不同選取方法，確定Cn3個不同三角形，逐一測試未知節(jié)點(diǎn)是否位于每個三角形內(nèi)部，直到窮盡所有Cn3種組合或達(dá)到定位所需精度；計(jì)算包含目標(biāo)節(jié)點(diǎn)所有三角形的重疊區(qū)域，并求質(zhì)心；第三十八頁，共九十八頁。APIT定位的理論基礎(chǔ)PIT：最佳三角形內(nèi)點(diǎn)測試法PIT原理假如存在一個方向，節(jié)點(diǎn)M沿著這個方向移動會同時遠(yuǎn)離或接近頂點(diǎn)A、B、C，那么節(jié)點(diǎn)M位于⊿ABC外；否則，節(jié)點(diǎn)M位于⊿ABC內(nèi)；第三十九頁，共九十八頁。APIT算法的具體步驟收集信息未知節(jié)點(diǎn)收集鄰近信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信息，如位置、標(biāo)識號、接收到的信號強(qiáng)度等；鄰居節(jié)點(diǎn)之間交換各自接收到的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信息；APIT測試測試未知節(jié)點(diǎn)是否在不同信標(biāo)節(jié)點(diǎn)組合成三角形內(nèi)部；計(jì)算重疊區(qū)域統(tǒng)計(jì)包含未知節(jié)點(diǎn)三角形，計(jì)算所有三角形的重疊區(qū)域；計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)位置計(jì)算重疊區(qū)域的質(zhì)心位置，作為未知節(jié)點(diǎn)的位置第四十頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論2、DV-Hop算法DV-Hop算法解決了低錨點(diǎn)密度引發(fā)的問題，它根據(jù)距離矢量路由協(xié)議的原理在全網(wǎng)范圍內(nèi)廣播跳數(shù)和位置。已知錨點(diǎn)L1與L2、L3之間的距離和跳數(shù)。L2計(jì)算得到校正值（即平均每跳距離）為（40+75）/（2+5）=16.42m。假設(shè)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的待定位節(jié)點(diǎn)A從L2獲得校正值，則它與3個錨點(diǎn)之間的距離分別是L1=3×16.42，L2=2×16.42，L3=3×16.42，然后使用多邊測量法確定節(jié)點(diǎn)

的位置。第四十一頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論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)中需要實(shí)時定位物體的位置和方向。第四十二頁，共九十八頁。隱藏終端基站A向基站B發(fā)送信息，基站C未偵測到A也向B發(fā)送，故A和C同時將信號發(fā)送至B，引起信號沖突，最終導(dǎo)致發(fā)送至B的信號都丟失了。"隱藏終端"多發(fā)生在大型單元中（一般在室外環(huán)境），這將帶來效率損失，并且需要錯誤恢復(fù)機(jī)制。當(dāng)需要傳送大容量文件時，尤其需要杜絕"隱藏終端"現(xiàn)象的發(fā)生。第四十三頁，共九十八頁。隱藏終端2隱藏終端可分為隱發(fā)送終端和隱接收終端。隱發(fā)送終端可通過握手協(xié)議解決，隱接收終端在單信道條件內(nèi)無法解決。第四十四頁，共九十八頁。暴露終端暴露終端指發(fā)送節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍內(nèi)，而在接收節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍外的節(jié)點(diǎn)。它的發(fā)送不會造成延遲，但會造成不必要的延遲第四十五頁，共九十八頁。暴露終端暴露終端可分為暴露發(fā)送終端和暴露接收終端。在單信道條件下，暴露接收終端和暴露接收終端不能解決：所有發(fā)送給暴露接收終端的報文會產(chǎn)生沖突，暴露發(fā)送終端也無法與目的節(jié)點(diǎn)握手。第四十六頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論4.3數(shù)據(jù)融合4.3.1多傳感器數(shù)據(jù)融合概述

我們將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(guān)系：第四十七頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論

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，就是多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，有時也稱作多傳感器信息融合(InformationFusion,IF)技術(shù)或多傳感器融合(SensorFusion,SF)技術(shù)，它是對多傳感器信息進(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。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。第四十八頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論

從軍事應(yīng)用的角度來看，Waltz等人對數(shù)據(jù)融合的定義較為確切，即：“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”。這個定義包含三個要點(diǎn)：（1）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；（2）數(shù)據(jù)融合過程包括數(shù)據(jù)的檢測、關(guān)聯(lián)、估計(jì)與合并；（3）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)勢的評估。第四十九頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論

數(shù)據(jù)融合的內(nèi)容主要包括：多傳感器的目標(biāo)探測、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、跟蹤與識別、情況評估和預(yù)測。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)。第五十頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論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)時性。

由于傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的資源十分有限，在收集信息的過程中，如果各個節(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。第五十一頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論

在傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)融合起著十分重要的作用，它的主要作用在于：

(1)節(jié)省整個網(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。第五十二頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論4.3.3數(shù)據(jù)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，這里介紹三種分類方法：

(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)語義的關(guān)系進(jìn)行分類；

(3)依據(jù)融合操作的級別進(jìn)行分類。第五十三頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論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(jìn)行融合操作前后的信息含量，可以將數(shù)據(jù)融合分為無損失融合和有損失融合兩類。（1）無損失融合在無損失融合中，所有的細(xì)節(jié)信息均被保留，只去除冗余的部分信息。此類融合的常見做法是去除信息中的冗余部分。（2）有損失融合有損失融合通常會省略一些細(xì)節(jié)信息或降低數(shù)據(jù)的質(zhì)量，從而減少需要存儲或傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，以達(dá)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(yīng)用所必需的全部信息量。第五十四頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論2、根據(jù)數(shù)據(jù)融合與應(yīng)用層數(shù)據(jù)語義之問的關(guān)系分類

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)的語義，將數(shù)據(jù)融合技術(shù)分為三類：

(1)依賴于應(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。第五十五頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論3、根據(jù)融合操作的級別分類

根據(jù)對傳感器數(shù)據(jù)的操作級別，可將數(shù)據(jù)融合技術(shù)分為以下三類：（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。第五十六頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論4.3.4數(shù)據(jù)融合的主要方法(1)綜合平均法該方法是把來自多個傳感器的眾多數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合平均。它適用于同類傳感器檢測同一個檢測目標(biāo)。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(jìn)行加權(quán)平均，結(jié)果作為融合值。如果對一個檢測目標(biāo)進(jìn)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。第五十七頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論(2)卡爾曼濾波法

卡爾曼濾波法用于融合低層的實(shí)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(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。如果系統(tǒng)可以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(jì)意義下的最優(yōu)估計(jì)。例如，應(yīng)用卡爾曼濾波器對n個傳感器的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行融合后，既可以獲得系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)估計(jì)，又可以預(yù)報系統(tǒng)的未來狀態(tài)。所估計(jì)的系統(tǒng)狀態(tài)可能表示移動機(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測量值本身。第五十八頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論(3)貝葉斯估計(jì)法

貝葉斯估計(jì)是融合靜態(tài)環(huán)境中多傳感器低層信息的常用方法。它使傳感器信息依據(jù)概率原則進(jìn)行組合，測量不確定性以條件概率表示。當(dāng)傳感器組的觀測坐標(biāo)一致時，可以用直接法對傳感器測量數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。在大多數(shù)情況下，傳感器是從不同的坐標(biāo)系對同一環(huán)境物體進(jìn)行描述，這時傳感器測量數(shù)據(jù)要以間接方式采用貝葉斯估計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。多貝葉斯估計(jì)把每個傳感器作為一個貝葉斯估計(jì)，將各單獨(dú)物體的關(guān)聯(lián)概率分布組合成一個聯(lián)合后驗(yàn)概率分布函數(shù)，通過使聯(lián)合分布函數(shù)的似然函數(shù)最小，可以得到多傳感器信息的最終融合值。第五十九頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論(4)D-S證據(jù)推理法D-S（Dempster-Shafter）證據(jù)推理法是目前數(shù)據(jù)融合技術(shù)中比較常用的一種方法。這種方法是貝葉斯方法的擴(kuò)展，因?yàn)樨惾~斯方法必須給出先驗(yàn)概率，證據(jù)理論則能夠處理這種由不知道引起的不確定性，通常用來對目標(biāo)的位置、存在與否進(jìn)行推斷。第六十頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論(5)統(tǒng)計(jì)決策理論

與多貝葉斯估計(jì)不同，統(tǒng)計(jì)決策理論中的不確定性為可加噪聲，從而不確定性的適應(yīng)范圍更廣。不同傳感器觀測到的數(shù)據(jù)必須經(jīng)過一個魯棒綜合測試，以檢驗(yàn)它的一致性，經(jīng)過一致性檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)用魯棒極值決策規(guī)則進(jìn)行融合處理。第六十一頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論(6)模糊邏輯法

針對數(shù)據(jù)融合中所檢測的目標(biāo)特征具有某種模糊性的現(xiàn)象,利用模糊邏輯方法對檢測目標(biāo)進(jìn)行識別和分類。建立標(biāo)準(zhǔn)檢測目標(biāo)和待識別檢測目標(biāo)的模糊子集是此方法的基礎(chǔ)。模糊子集的建立需要有各種各樣的標(biāo)準(zhǔn)檢測目標(biāo),同時必須建立合適的隸屬函數(shù)。第六十二頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論(7)產(chǎn)生式規(guī)則法

這是人工智能中常用的控制方法。一般要通過對具體使用的傳感器的特性及環(huán)境特性進(jìn)行分析，才能歸納出產(chǎn)生式規(guī)則法中的規(guī)則。通常系統(tǒng)改換或增減傳感器時，其規(guī)則要重新產(chǎn)生。這種方法的特點(diǎn)是系統(tǒng)擴(kuò)展性較差，但推理過程簡單明了，易于系統(tǒng)解釋，所以也有廣泛的應(yīng)用范圍。第六十三頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論(8)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法是模擬人類大腦行為而產(chǎn)生的一種信息處理技術(shù)，它采用大量以一定方式相互連接和相互作用的簡單處理單元（即神經(jīng)元）來處理信息。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合的過程如下：①用選定的N個傳感器檢測系統(tǒng)狀態(tài)；②采集N個傳感器的測量信號并進(jìn)行預(yù)處理；③對預(yù)處理后的N個傳感器信號進(jìn)行特征選擇；④對特征信號進(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；⑤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)輸出就是被測系統(tǒng)的狀態(tài)結(jié)果。第六十四頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論4.3.5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)算一個集中元素的個數(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)。第六十五頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論根據(jù)類SQL語言進(jìn)行網(wǎng)內(nèi)處理的示例第六十六頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論4.4能量管理4.4.1能量管理的意義

在無線網(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。由于無線傳感器網(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，所以n通常接近于4，即通信能耗與距離的四次方成正比。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。簡單地說，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。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線通信方式。第六十七頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論

傳感器節(jié)點(diǎn)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。其中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，則傳感器單元的能耗越大。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。第六十八頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論4.4.2傳感器網(wǎng)絡(luò)的電源節(jié)能方法

目前人們采用的節(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環(huán)節(jié)。1、休眠機(jī)制

休眠機(jī)制的主要思想是，當(dāng)節(jié)點(diǎn)周圍沒有感興趣的事件發(fā)生時，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)。第六十九頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論（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(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)在全負(fù)載周期運(yùn)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。表給出了一種無線收發(fā)器的能耗情況，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)，所以如果傳感器節(jié)點(diǎn)不再收發(fā)數(shù)據(jù)時，最好把無線收發(fā)器關(guān)掉或進(jìn)入休眠狀態(tài)以降低能耗。無線收發(fā)器狀態(tài)能耗/mW發(fā)送14.88接收12.50空閑12.36睡眠0.016第七十頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論（2）專門的節(jié)點(diǎn)功率管理機(jī)制①動態(tài)電源管理

動態(tài)電源管理(DPM)的工作原理是，當(dāng)節(jié)點(diǎn)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)，應(yīng)該把這些組件關(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。這種事件驅(qū)動式能量管理對于延長傳感器節(jié)點(diǎn)的生存期十分必要。在動態(tài)電源管理中，由于狀態(tài)轉(zhuǎn)換需要消耗一定的能量，并且?guī)в袝r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(dǎo)致能耗的增加。第七十一頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論②動態(tài)電壓調(diào)度

對于大多數(shù)傳感器節(jié)點(diǎn)來說，計(jì)算負(fù)荷的大小是隨時間變化的，因而并不需要節(jié)點(diǎn)的微處理器在所有時刻都保持峰值性能。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。動態(tài)電壓調(diào)節(jié)(DVS)技術(shù)就是利用了這一特點(diǎn)，動態(tài)改變微處理器的工作電壓和頻率，使得剛好滿足當(dāng)時的運(yùn)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(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。第七十二頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論2、數(shù)據(jù)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。路由過程的中間節(jié)點(diǎn)并不是簡單的轉(zhuǎn)發(fā)所收到的數(shù)據(jù)，由于同一區(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)需要對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，將經(jīng)過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網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量。

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。第七十三頁，共九十八頁。拓?fù)淇刂扑惴ǎ↙EACH)LEACH算法：簇頭節(jié)點(diǎn)作為一定區(qū)域所有節(jié)點(diǎn)的代理，負(fù)責(zé)和Sink的通信；非簇頭節(jié)點(diǎn)可以使用小功率和簇頭節(jié)點(diǎn)通信；簇頭節(jié)點(diǎn)可以對所轄區(qū)域節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，減少網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)；簇頭選舉算法的設(shè)計(jì)，要求保證公平性構(gòu)建階段穩(wěn)態(tài)階段輪第七十四頁，共九十八頁。拓?fù)淇刂扑惴ǎ↙EACH)每個傳感器節(jié)點(diǎn)選擇[0，1]之間的一個隨機(jī)數(shù)，如果選定的值小于某一個閾值，那么這個節(jié)點(diǎn)成為簇頭節(jié)點(diǎn)，計(jì)算如下：N表示網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)的個數(shù)，k為一個網(wǎng)絡(luò)中的簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)，r為已完成的回合數(shù)，G為網(wǎng)絡(luò)生存期總的回合數(shù)。第七十五頁，共九十八頁。拓?fù)淇刂扑惴ǎ↙EACH)網(wǎng)絡(luò)按照周期工作，每個周期分為兩個階段：簇頭建立階段：節(jié)點(diǎn)運(yùn)行算法，確定本次自己是否成為簇頭；簇頭節(jié)點(diǎn)廣播自己成為簇頭的事實(shí)；其他非簇頭節(jié)點(diǎn)按照信號強(qiáng)弱選擇應(yīng)該加入的簇頭，并通知該簇頭節(jié)點(diǎn)；簇頭節(jié)點(diǎn)按照TDMA的調(diào)度，給依附于他的節(jié)點(diǎn)分配時間片；數(shù)據(jù)傳輸階段：節(jié)點(diǎn)在分配給他的時間片上發(fā)送數(shù)據(jù)；第七十六頁，共九十八頁。拓?fù)淇刂扑惴ǎ↙EACH）優(yōu)點(diǎn)優(yōu)化了傳輸數(shù)據(jù)所需能量；優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)量；缺點(diǎn)節(jié)點(diǎn)硬件需要支持射頻功率自適應(yīng)調(diào)整；無法保證簇頭節(jié)點(diǎn)能遍及整個網(wǎng)絡(luò)；第七十七頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論4.5安全機(jī)制4.5.1傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全問題

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、物理隔離等都是網(wǎng)絡(luò)安全保障的主要手段。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種起源于軍事應(yīng)用領(lǐng)域的新型無線網(wǎng)絡(luò)，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(luò)的安全性需求主要來源于通信安全和信息安全兩個方面。第七十八頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論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)成無線傳感器網(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。

(2)被動抵御入侵的能力傳感器網(wǎng)絡(luò)安全的基本要求是：在網(wǎng)絡(luò)局部發(fā)生入侵時，保證網(wǎng)絡(luò)的整體可用性。被動防御是指當(dāng)網(wǎng)絡(luò)遭到入侵時網(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。第七十九頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論

外部攻擊者是指那些沒有得到密鑰，無法接入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)。外部攻擊者雖然無法有效地注入虛假信息，但可以通過竊聽、干擾、分析通信量等方式，為進(jìn)一步的攻擊行為收集信息，因此對抗外部攻擊首先需要解決保密性問題。其次，要防范能擾亂網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的簡單網(wǎng)絡(luò)攻擊，如重放數(shù)據(jù)包等，這些攻擊會造成網(wǎng)絡(luò)性能的下降。另外，要盡量減少入侵者得到密鑰的機(jī)會，防止外部攻擊者演變成內(nèi)部攻擊者。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)。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)不可能阻止節(jié)點(diǎn)被篡改，而且密鑰可能被對方破解，因而總會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)的信任，內(nèi)部攻擊者能發(fā)動的網(wǎng)絡(luò)攻擊種類更多，危害性更大，也更隱蔽。第八十頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論(3)主動反擊入侵的能力

主動反擊能力是指網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)能夠主動地限制甚至消滅入侵者，為此需要至少具備以下能力：①入侵檢測能力。和傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)入侵檢測相似，首先需要準(zhǔn)確識別網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)的身份或者位置，只有這樣才能在隨后發(fā)動有效攻擊。②隔離入侵者的能力。網(wǎng)絡(luò)需要具有根據(jù)入侵檢測信息調(diào)度網(wǎng)絡(luò)正常通信來避開入侵者，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(dāng)于把入侵者和己方網(wǎng)絡(luò)從邏輯上隔離開來，可以防止它繼續(xù)危害網(wǎng)絡(luò)。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，由用戶通過人工方式消滅入侵者。第八十一頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論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。對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，具體的信息安全需求內(nèi)容包括如下：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。②數(shù)據(jù)鑒別——保證用戶收到的信息來自己方節(jié)點(diǎn)而非入侵節(jié)點(diǎn)。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(shí)效性——保證數(shù)據(jù)在時效范圍內(nèi)被傳輸給用戶。第八十二頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論

相應(yīng)地，傳感器網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)的設(shè)計(jì)也包括兩方面內(nèi)容，即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，是面向用戶應(yīng)用的安全。第八十三頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論

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、森林防火、候鳥遷徙跟蹤等應(yīng)用中，安全問題并不是一個非常緊要的問題。但在另外一些領(lǐng)域，如商業(yè)上的小區(qū)無線安防網(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，則對數(shù)據(jù)的采樣、傳輸過程，甚至節(jié)點(diǎn)的物理分布重點(diǎn)考慮安全問題，很多信息都不能讓無關(guān)人員或者敵方人員了解。第八十四頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論

傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全問題和一般網(wǎng)絡(luò)的安全問題相比而言，它們的出發(fā)點(diǎn)是相同的，都需要解決如下問題：

(1)機(jī)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(jī)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。

(2)點(diǎn)到點(diǎn)的消息認(rèn)證問題。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在接收到另外一個節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的消息時，能夠確認(rèn)這個數(shù)據(jù)包確實(shí)是從該節(jié)點(diǎn)發(fā)送出來的，而不是其它節(jié)點(diǎn)冒充的。

(3)完整性鑒別問題。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在接收到一個數(shù)據(jù)包的時候，能夠確認(rèn)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(diǎn)篡改或者在傳輸中通信出錯。第八十五頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論(4)新鮮性問題。數(shù)據(jù)本身具有時效性，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)致新鮮性問題一般有兩種原因：一是由網(wǎng)絡(luò)多路徑延時的非確定性導(dǎo)致數(shù)據(jù)包的接收錯序而引起，二是由惡意節(jié)點(diǎn)的重放攻擊而引起。

(5)認(rèn)證組播/廣播問題。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)證安全問題。認(rèn)證廣播的發(fā)送者是一個，而接收者是很多個，所以認(rèn)證方法和點(diǎn)到點(diǎn)通信認(rèn)證方式完全不同。第八十六頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論(6)安全管理問題。安全管理包括安全引導(dǎo)和安全維護(hù)兩個部分。安全引導(dǎo)是指一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)從分散的、獨(dú)立的、沒有安全通道保護(hù)的個體集合，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)的過程。安全引導(dǎo)過程對于傳感器網(wǎng)絡(luò)來說是最重要、最復(fù)雜，而且也是最富挑戰(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。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)過程的一個延伸。第八十七頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論

這些安全問題在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的各個層次都應(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程中，為下層的加解密技術(shù)提供安全支撐。第八十八頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論

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

(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(luò)的安全

(6)應(yīng)用相關(guān)性第八十九頁，共九十八頁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論4.5.2傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全設(shè)計(jì)分析1、物理