《無(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)與設(shè)計(jì)》課件第二章 WSN關(guān)鍵技術(shù)

第二章WSN關(guān)鍵技術(shù)無(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)與設(shè)計(jì)目錄WSN定位技術(shù)時(shí)間同步技術(shù)安全技術(shù)數(shù)據(jù)融合技術(shù)WSN數(shù)據(jù)管理技術(shù)無(wú)線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議無(wú)線傳感網(wǎng)路由協(xié)議2第一節(jié)WSN定位技術(shù)（目錄）1.1定位技術(shù)概述1.2定位算法的分類1.3測(cè)距方法1.4節(jié)點(diǎn)定位計(jì)算方法1.5無(wú)需測(cè)距的定位算法3第一節(jié)WSN定位技術(shù)

-----定位技術(shù)概述WSN的定位問(wèn)題一般指對(duì)于一組未知位置坐標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，依靠有限的位置已知的錨節(jié)點(diǎn)，通過(guò)測(cè)量未知節(jié)點(diǎn)至其余節(jié)點(diǎn)的距離或跳數(shù)，或者通過(guò)估計(jì)節(jié)點(diǎn)可能處于的區(qū)域范圍，結(jié)合節(jié)點(diǎn)間交換的信息和錨節(jié)點(diǎn)的已知位置，來(lái)確定每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置。傳感器節(jié)點(diǎn)分為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)（beaconnode）或錨點(diǎn)（anchor）和未知節(jié)點(diǎn)（unknownnode）。4第一節(jié)WSN定位技術(shù)

-----定位技術(shù)概述

WSN定位算法特點(diǎn)●自組織性。傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布，不能依靠全局的基礎(chǔ)設(shè)施協(xié)助定位?！窠研浴鞲衅鞴?jié)點(diǎn)的硬件配置低、能量少、可靠性差、測(cè)量距離時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤差，算法必須具有良好的容錯(cuò)性?！衲芰扛咝?。盡可能地減少算法中計(jì)算的復(fù)雜性，減少節(jié)點(diǎn)間的通信開銷，以盡量延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存周期。通信開銷是傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要能量開銷。●分布式計(jì)算。每個(gè)節(jié)點(diǎn)盡量計(jì)算自身位置，不能將所有信息傳送到某個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行集中計(jì)算。5第一節(jié)WSN定位技術(shù)

-----定位技術(shù)概述定位技術(shù)的基本術(shù)語(yǔ)●鄰居節(jié)點(diǎn)（NeighborNodes）●跳數(shù)（HopCount）●跳段距離（HopDistance）●接收信號(hào)強(qiáng)度指示（ReceivedSignalStrengthIndicator，RSSI）●到達(dá)時(shí)間（TimeofArrival，TOA）●到達(dá)時(shí)間差（TimeDifferenceofArrival，TDOA）●到達(dá)角度（AngleofArrival，AOA）●視線關(guān)系（LineofSight，LOS）●非視線關(guān)系（NonLineofSight，NLOS）●基礎(chǔ)設(shè)施（Infrastructure）：6第一節(jié)WSN定位技術(shù)

-----定位技術(shù)概述定位性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)定位精度覆蓋范圍刷新速度功耗代價(jià)節(jié)點(diǎn)密度容錯(cuò)性和自適應(yīng)性7第一節(jié)WSN定位技術(shù)

-----定位算法的分類1．基于測(cè)距技術(shù)的定位和無(wú)需測(cè)距技術(shù)的定位2．基于錨節(jié)點(diǎn)的定位算法和非基于錨節(jié)點(diǎn)的定位算法3．物理定位與符號(hào)定位4．遞增式定位算法和并發(fā)式定位算法5．緊密耦合與松散耦合6．集中式計(jì)算與分布式計(jì)算7．粗粒度與細(xì)粒度8．絕對(duì)定位與相對(duì)定位9．三角測(cè)量、場(chǎng)景分析和接近度定位8第一節(jié)WSN定位技術(shù)

-----測(cè)距方法（接收信號(hào)強(qiáng)度指示法）接收信號(hào)強(qiáng)度(ReceivcdSignalStrengthIndicator，RSSI)指示法是接收機(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。無(wú)線信號(hào)的發(fā)射功率和接收功率之間的關(guān)系為:Pr=Pt/rn

其中，Pr是無(wú)線信號(hào)的接收功率；Pt是無(wú)線信號(hào)的發(fā)射功率；r是收發(fā)節(jié)點(diǎn)之間的距離；n是傳播因子，其數(shù)值取決于無(wú)線信號(hào)傳播的環(huán)境。如果將功率轉(zhuǎn)換為分貝(dBm)的表達(dá)形式，可以直接寫成：Pr(dBm)=Pt(dBm)-10nlgr9第一節(jié)WSN定位技術(shù)

-----測(cè)距方法（到達(dá)時(shí)間法）到達(dá)時(shí)間法(TimeofArrival，TOA)，通過(guò)測(cè)量信號(hào)傳輸時(shí)間來(lái)估算兩節(jié)點(diǎn)之間的距離，精度較好。缺點(diǎn)是無(wú)線信號(hào)的傳輸速度快，時(shí)間測(cè)量上的很小誤差可導(dǎo)致很大的距離誤差值，另外要求傳感器節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力較強(qiáng)。10第一節(jié)WSN定位技術(shù)

-----測(cè)距方法（到達(dá)時(shí)間法）一種用來(lái)測(cè)量信號(hào)傳輸所用時(shí)間的方法是測(cè)量信號(hào)單向傳播時(shí)間。另外一種方法是測(cè)量信號(hào)往返時(shí)間差，接收節(jié)點(diǎn)在收到信號(hào)后直接發(fā)回，發(fā)送節(jié)點(diǎn)測(cè)量收發(fā)的時(shí)間差，由于僅使用發(fā)送節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘，因此避免節(jié)點(diǎn)間時(shí)間同步的要求。最近精確測(cè)量TOA時(shí)間的一個(gè)趨勢(shì)是使用超寬帶(UWB)。11第一節(jié)WSN定位技術(shù)

-----測(cè)距方法（到達(dá)時(shí)間差法）到達(dá)時(shí)間差法(TimeDifferenceofArrival，TDOA)是測(cè)量不同的接收節(jié)點(diǎn)接收到同一個(gè)發(fā)射信號(hào)的時(shí)間差。12第一節(jié)WSN定位技術(shù)

-----測(cè)距方法（到達(dá)角法）到達(dá)角法(AngIeofArrival，AOA)，通過(guò)配備天線陣列或多個(gè)接收器來(lái)估測(cè)其它節(jié)點(diǎn)發(fā)射的無(wú)線信號(hào)的到達(dá)角度。它的硬件要求較高，每個(gè)節(jié)點(diǎn)要安裝昂貴的天線陣列和超聲波接收器。13第一節(jié)WSN定位技術(shù)

-----節(jié)點(diǎn)定位計(jì)算方法（三邊定位法）三邊定位法：已知A、B、C三個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為(xa,ya)、(xb,yb)、(xc,yc)，以及它們到未知節(jié)點(diǎn)D的距離分別為da、db、dc，假設(shè)節(jié)點(diǎn)D的坐標(biāo)為(x,y)。那么存在下列公式：14第一節(jié)WSN定位技術(shù)

-----節(jié)點(diǎn)定位計(jì)算方法（三角定位法）三角定位法原理如圖所示，已知A、B、C三個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為(xa,ya)、(xb,yb)、(xc,yc)，節(jié)點(diǎn)D相對(duì)于節(jié)點(diǎn)A、B、C的角度分別為∠ADB、∠ADC、∠BDC，假設(shè)節(jié)點(diǎn)D的坐標(biāo)為(x,y)。15第一節(jié)WSN定位技術(shù)

-----節(jié)點(diǎn)定位計(jì)算方法（三角定位法）對(duì)于節(jié)點(diǎn)A、C和角∠ADC，如果弧段AC在△ABC內(nèi)，那么能夠唯一確定一個(gè)圓，設(shè)圓心為O1(xo1,yo1)，半徑為r1，那么角α=∠AO1C=2π-2∠ADC，并存在下列公式：16第一節(jié)WSN定位技術(shù)

-----節(jié)點(diǎn)定位計(jì)算方法（極大似然估計(jì)法）極大似然估計(jì)法(maximumlikelihoodestimation，MLE)如圖所示，己知1、2、3、…等n個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)、…、(xn,yn)，它們到未知節(jié)點(diǎn)的距離分別為d1、d2、d3、…、dn，假設(shè)未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為(x,y)，那么存在下列公式：17第一節(jié)WSN定位技術(shù)

-----無(wú)需測(cè)距的定位算法無(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。它不是通過(guò)測(cè)量節(jié)點(diǎn)之間的距離來(lái)定位的，而是僅根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的連通性確定網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間的跳數(shù)，同時(shí)根據(jù)已知位置的參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)等信息估計(jì)出每一跳的大致距離，然后估計(jì)出節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的位置。目前主要有兩類距離無(wú)關(guān)的定位方法：一類是先對(duì)未知節(jié)點(diǎn)和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的距離進(jìn)行估計(jì)，然后利用多邊定位等方法完成對(duì)其他節(jié)點(diǎn)的定位；另一類是通過(guò)鄰居節(jié)點(diǎn)和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)來(lái)確定包含未知節(jié)點(diǎn)的區(qū)域，然后將這個(gè)區(qū)域的質(zhì)心作為未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。18第一節(jié)WSN定位技術(shù)

-----無(wú)需測(cè)距的定位算法（質(zhì)心算法）在算術(shù)幾何學(xué)里，多邊形的幾何中心被稱為質(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)多邊形頂點(diǎn)位置的坐標(biāo)向量表示為Pi=(xi,yi)T，則這個(gè)多邊形的質(zhì)心坐標(biāo)計(jì)算方法如下19第一節(jié)WSN定位技術(shù)

-----無(wú)需測(cè)距的定位算法（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(diǎn)首先計(jì)算與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的估計(jì)距離，再利用三邊定位法或極大似然估計(jì)法計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。DV-Hop算法的定位過(guò)程分為以下三個(gè)階段：（1）計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)（2）計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際跳數(shù)距離（3）利用三邊定位法或極大似然估計(jì)法計(jì)算自身位置20第一節(jié)WSN定位技術(shù)

-----無(wú)需測(cè)距的定位算法（DV-Distance算法）DV-Distance算法類似于DV-Hop算法，它們之間的區(qū)別就在于：DV-Hop算法是通過(guò)節(jié)點(diǎn)的平均每跳距離和跳數(shù)算出節(jié)點(diǎn)間的距離，而DV-Distance算法是通過(guò)節(jié)點(diǎn)間使用射頻通信來(lái)測(cè)量出節(jié)點(diǎn)間的距離，即利用RSSI來(lái)測(cè)量節(jié)點(diǎn)間的距離，然后再應(yīng)用三角定位法計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的位置。21第一節(jié)WSN定位技術(shù)

-----無(wú)需測(cè)距的定位算法（APIT算法）近似三角形內(nèi)點(diǎn)測(cè)試法（approximatepoint-intriangulationtest，APIT），首先確定多個(gè)包含未知節(jié)點(diǎn)的三角形區(qū)域，這些三角形區(qū)域的交集是一個(gè)多邊形，它確定了更小的包含未知節(jié)點(diǎn)的區(qū)域；然后計(jì)算這個(gè)多邊形區(qū)域的質(zhì)心，并將質(zhì)心作為未知節(jié)點(diǎn)的位置。APIT定位具體步驟：●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(shí)號(hào)、接收到的信號(hào)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?！馎PIT測(cè)試：測(cè)試未知節(jié)點(diǎn)是否在不同的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)組合成的三角形內(nèi)部?！裼?jì)算重疊區(qū)域：統(tǒng)計(jì)包含未知節(jié)點(diǎn)的三角形，計(jì)算所有三角形的重疊區(qū)域?！裼?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。22第二節(jié)時(shí)間同步技術(shù)（目錄）2.1時(shí)間同步概述2.2RBS同步協(xié)議2.3Tiny-sync/Mini-sync算法2.4TPSN時(shí)間同步協(xié)議2.5

LTS算法23第二節(jié)時(shí)間同步技術(shù)

------時(shí)間同步概述無(wú)線傳感網(wǎng)的同步管理主要是指時(shí)間上的同步管理。無(wú)線傳感網(wǎng)時(shí)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(cè)和感知任務(wù)。其次，傳感網(wǎng)的一些節(jié)能方案是利用時(shí)間同步來(lái)實(shí)現(xiàn)的。24第二節(jié)時(shí)間同步技術(shù)

------時(shí)間同步概述將消息在WSN節(jié)點(diǎn)間傳遞的過(guò)程分解成不同的階段是對(duì)時(shí)間同步問(wèn)題研究的關(guān)鍵，一條消息在WSN節(jié)點(diǎn)間的傳遞過(guò)程可分解成以下六個(gè)部分?！馭endTime：發(fā)送節(jié)點(diǎn)構(gòu)造一條消息所需要的時(shí)間，包括內(nèi)核協(xié)議處理和緩沖時(shí)間等，它取決于系統(tǒng)調(diào)用開銷和處理器當(dāng)前負(fù)載。●AccessTime：消息等待傳輸信道空閑所需時(shí)間，即從等待信道空閑到消息發(fā)送開始時(shí)的延遲，它取決于網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前負(fù)載狀況。●TransmissionTime：發(fā)送節(jié)點(diǎn)按位(bit)發(fā)射消息需時(shí)間，該時(shí)間取決于消息長(zhǎng)度和發(fā)射速率。●PropagationTime：消息在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間傳輸介質(zhì)中的傳播時(shí)間，該時(shí)間主要取決于節(jié)點(diǎn)間的距離(電磁波在空氣中的傳播速率是一定的)?！馬eceptionTime：接收節(jié)點(diǎn)按位(bit)接收消息并傳遞給MAC層的時(shí)間，這個(gè)過(guò)程和(3)相對(duì)應(yīng)?！馬eceiveTime：接收節(jié)點(diǎn)重新組裝消息并傳遞給上層應(yīng)用所需的時(shí)間。25第二節(jié)時(shí)間同步技術(shù)

------時(shí)間同步概述WSN時(shí)間同步方案設(shè)計(jì)的目的是為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘提供共同的時(shí)間戳。評(píng)價(jià)一個(gè)WSN時(shí)間同步算法的性能，一般包含網(wǎng)絡(luò)能量效率、可擴(kuò)展性、精確度、健壯性、壽命、有效范圍、成本和尺寸、直接性等指標(biāo)。目前幾種成熟的傳感網(wǎng)時(shí)間同步協(xié)議是：RBS（ReferenceBroadcastSynchronization，RBS)、Tiny-sync/Mini-Sync和TPSN(TimingsyncProtocolforSensorNetworks，TPSN)。26第二節(jié)時(shí)間同步技術(shù)

------RBS同步協(xié)議RBS(ReferenceBroadcastSynchronization)算法，

是一個(gè)典型的接受者——接受者模式的同步算法。它是利用無(wú)線鏈路層廣播信道特點(diǎn)，一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送廣播消息，在同一廣播域的其它節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收廣播消息，并記錄該點(diǎn)的時(shí)間戳，之后接收節(jié)點(diǎn)通過(guò)消息交換它們的時(shí)間戳，通過(guò)比較和計(jì)算達(dá)到時(shí)間同步。27第二節(jié)時(shí)間同步技術(shù)

------RBS同步協(xié)議影響RBS機(jī)制性能的主要因素包括接收節(jié)點(diǎn)間的時(shí)鐘偏差、接收節(jié)點(diǎn)的非確定性因素、接收節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)等等。為了提高時(shí)間同步的精度，RBS機(jī)制采用了統(tǒng)計(jì)技術(shù)，通過(guò)多次發(fā)送參考消息，獲得接收節(jié)點(diǎn)之間時(shí)間差異的平均值。對(duì)于時(shí)鐘偏差問(wèn)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(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘偏差，直線上的點(diǎn)就表示節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間差。28第二節(jié)時(shí)間同步技術(shù)

------Tiny-sync/Mini-sync算法Tiny-Sync算法和Mini-Sync算法是由Sichitiu和Veerarittiphan提出的兩種用于WSN的時(shí)間同步算法。該算法假設(shè)每個(gè)時(shí)鐘能夠與固定頻率的振蕩器近似。Tiny-sync算法和Mini-sync算法采用傳統(tǒng)的雙向消息設(shè)計(jì)來(lái)估計(jì)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘間的相對(duì)漂移和相對(duì)偏移。Mini-sync算法是為了克服Tiny-sync算法中丟失有用數(shù)據(jù)點(diǎn)的缺點(diǎn)而提出的，該算法建立約束條件來(lái)確保僅丟掉將來(lái)不會(huì)有用的數(shù)據(jù)點(diǎn)，并且每次獲取新的數(shù)據(jù)點(diǎn)后都更新約束條件：因?yàn)橹灰狝j滿足m(Ai,Aj)>m(Ai,Ak)(1≤i<j<k)這個(gè)條件，就表示這個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)是以后有用的數(shù)據(jù)點(diǎn)，這里m(A,B)表示通過(guò)點(diǎn)A和B的直線斜率。29第二節(jié)時(shí)間同步技術(shù)

------TPSN時(shí)間同步協(xié)議TPSN(Timing-SyncProtocolforSensorNetworks)算法是Ganeriwal等人提出的適用于WSN整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的時(shí)間同步算法。該算法分兩步：分級(jí)和同步。第一步的目的是建立分級(jí)的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有個(gè)級(jí)別。只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)定為零級(jí)，叫做根節(jié)點(diǎn)。在第二步，i級(jí)節(jié)點(diǎn)與i-1級(jí)節(jié)點(diǎn)同步，最后所有的節(jié)點(diǎn)都與根節(jié)點(diǎn)同步，從而達(dá)到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步。30分級(jí)這個(gè)步驟在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞臅r(shí)候運(yùn)行一次。首先根節(jié)點(diǎn)被確認(rèn)，并作為傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，在根節(jié)點(diǎn)上可以安裝GPS接收器，網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)就可以與外部時(shí)間（物理時(shí)間）同步。根節(jié)點(diǎn)被定為零級(jí)，通過(guò)發(fā)送包含發(fā)送者本身級(jí)別的廣播分級(jí)數(shù)據(jù)包進(jìn)行分級(jí)。根節(jié)點(diǎn)的相鄰節(jié)點(diǎn)收到這個(gè)包后，把自己定為一級(jí)。然后每個(gè)一級(jí)節(jié)點(diǎn)繼續(xù)廣播分級(jí)數(shù)據(jù)包31同步同步階段最基本的一部分就是兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間雙向的消息交換。假設(shè)在單個(gè)消息交換的很小一段時(shí)間內(nèi)，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘漂移是不變的。同步是由根節(jié)點(diǎn)的time-Sync信息包引起的，一級(jí)節(jié)點(diǎn)收到這個(gè)包后進(jìn)行信息交換，每個(gè)節(jié)點(diǎn)等待隨機(jī)時(shí)間后繼續(xù)發(fā)送信息，從而把信道阻塞的可能性降到最低。一旦它們獲得根節(jié)點(diǎn)的回應(yīng)，它們就調(diào)整本地時(shí)鐘與根節(jié)點(diǎn)同步。二級(jí)節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽一級(jí)節(jié)點(diǎn)和根節(jié)點(diǎn)的通信，與一級(jí)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生雙向消息交換，然后再一次等待隨機(jī)時(shí)間以保證一級(jí)節(jié)點(diǎn)完全同步。這個(gè)過(guò)程最終使得所有節(jié)點(diǎn)與根節(jié)點(diǎn)同步。32第二節(jié)時(shí)間同步技術(shù)

------LTS算法LTS(LightweightTree-BasedSynchronization)算法是Greunen和Rabaey提出的，與其他算法最大的區(qū)別是該算法的目的并不是提高精確度，而是減小時(shí)間同步的復(fù)雜度。該算法在具體應(yīng)用所需要的時(shí)間同步精確度范圍內(nèi)，以最小的復(fù)雜度來(lái)滿足需要的精確度。WSN的最大時(shí)間精確度相對(duì)較低(在幾分之一秒內(nèi))，所以能夠利用這種相對(duì)簡(jiǎn)單的算法來(lái)進(jìn)行時(shí)間同步。33第二節(jié)時(shí)間同步技術(shù)

------LTS算法Greunen和Rabaey提出了兩種用于多跳網(wǎng)絡(luò)同步的LTS算法：第一種算法是集中式算法，首先要構(gòu)造樹狀圖，然后沿著樹的n-1個(gè)葉子邊緣進(jìn)行成對(duì)同步。第二種多跳LTS算法通過(guò)分布式方法實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)范圍內(nèi)的同步。每個(gè)節(jié)點(diǎn)決定自己同步的時(shí)間，算法中沒(méi)有利用樹結(jié)構(gòu)。34第三節(jié)安全技術(shù)（目錄）3.1安全技術(shù)概述3.2WSN安全問(wèn)題分析3.3WSN安全防護(hù)技術(shù)35第三節(jié)安全技術(shù)

------安全技術(shù)概述實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)安全的限制因素包括兩個(gè)方面，一是傳感器節(jié)點(diǎn)本身的限制，包括電池能量的限制，節(jié)點(diǎn)CPU、內(nèi)存、存儲(chǔ)容量方面的限制，以及缺乏足夠的篡改保護(hù)等；另一個(gè)方面是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)本身的限制，包括通信帶寬、延時(shí)、數(shù)據(jù)包的大小等方面的限制。36第三節(jié)安全技術(shù)

------安全技術(shù)概述●信道的脆弱性。不需要物理基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)部件，惡意攻擊者可以輕易地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽和發(fā)送偽造的數(shù)據(jù)報(bào)文?！窆?jié)點(diǎn)的脆弱性。傳感器節(jié)點(diǎn)一般布置在敵對(duì)或者無(wú)人看管的區(qū)域，傳感器節(jié)點(diǎn)的物理安全沒(méi)有多大保證，攻擊者很容易攻占節(jié)點(diǎn)，且節(jié)點(diǎn)沒(méi)有防篡改的安全部件，易被攻擊者利用。●弱安全假設(shè)。一般情況下，傳感器節(jié)點(diǎn)很可能被攻擊者獲取，而且傳感器網(wǎng)絡(luò)的防護(hù)機(jī)制很弱，可能會(huì)泄露存放在節(jié)點(diǎn)上的密鑰。●無(wú)固定結(jié)構(gòu)。從安全角度來(lái)看，沒(méi)有固定的結(jié)構(gòu)使得一些傳統(tǒng)的安全技術(shù)難以應(yīng)用。●拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞念l繁的動(dòng)態(tài)變化，需要比較復(fù)雜的路由協(xié)議?！窬窒抻趯?duì)稱密鑰技術(shù)。由于節(jié)點(diǎn)功能的局限性，只能使用對(duì)稱密鑰技術(shù)，而不能采用公鑰技術(shù)?！裥阅芤蛩?。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在考慮安全的同時(shí)，必須考慮一些其它的限制因素，性能是一個(gè)重要方面?！窆?jié)點(diǎn)的電源能量有限。37第三節(jié)安全技術(shù)

------安全技術(shù)概述WSN安全可歸納為以下幾個(gè)方面：(1)數(shù)據(jù)保密性。保密性是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)軍事應(yīng)用中的重要目標(biāo)。(2)數(shù)據(jù)認(rèn)證。信息認(rèn)證對(duì)WSN的許多應(yīng)用都非常重要。(3)數(shù)據(jù)完整性。完整性是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全最基本的需求和目標(biāo)。(4)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性。所有的傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)量的數(shù)據(jù)都是與時(shí)間有關(guān)的。(5)密鑰管理。為了實(shí)現(xiàn)、滿足上面的安全需求，需要對(duì)加密密鑰進(jìn)行管理。(6)真實(shí)性(7)擴(kuò)展性(8)可用性(9)自組織性(10)魯棒性38第三節(jié)安全技術(shù)

------WSN安全問(wèn)題分析WSN協(xié)議棧由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層組成。物理層主要處理信號(hào)的調(diào)制，發(fā)射和接收；數(shù)據(jù)鏈路層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的多路傳輸、數(shù)據(jù)幀檢測(cè)、媒介訪問(wèn)控制和錯(cuò)誤控制；網(wǎng)絡(luò)層主要考慮數(shù)據(jù)的路由；傳輸層用于維持給定的數(shù)據(jù)流；根據(jù)不同的應(yīng)用，應(yīng)用層上可使用不同的應(yīng)用軟件。39第三節(jié)安全技術(shù)

------WSN安全問(wèn)題分析1.物理層的攻擊與防御物理層中安全的主要問(wèn)題由無(wú)線通信的干擾和節(jié)點(diǎn)的淪陷引起的。無(wú)線通信的干擾所引起的安全問(wèn)題是:一個(gè)攻擊者可以用K個(gè)節(jié)點(diǎn)去干擾并阻塞N個(gè)節(jié)點(diǎn)的服務(wù)(K<N)。其次，節(jié)點(diǎn)淪陷是另一種類型的物理攻擊，攻擊者取得節(jié)點(diǎn)的秘密信息，從而可以代替這個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。40第三節(jié)安全技術(shù)

------WSN安全問(wèn)題分析2．鏈路層的攻擊與防御數(shù)據(jù)鏈路層或者介質(zhì)訪問(wèn)控制層為鄰居節(jié)點(diǎn)提供了可靠的通信通道。在介質(zhì)訪問(wèn)控制協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)通過(guò)監(jiān)測(cè)鄰居節(jié)點(diǎn)是否發(fā)送數(shù)據(jù)來(lái)確定自身是否能訪問(wèn)通信信道，這種載波監(jiān)聽方式特別容易遭到拒絕式服務(wù)攻擊(DOS)。鏈路層的攻擊與防御具體情況如下：（1）碰撞攻擊（2）耗盡攻擊（3）非公平競(jìng)爭(zhēng)41第三節(jié)安全技術(shù)

------WSN安全問(wèn)題分析3．網(wǎng)絡(luò)層的攻擊與防御無(wú)線傳感網(wǎng)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)既是終端節(jié)點(diǎn)，也是路由節(jié)點(diǎn)，更易受到攻擊。關(guān)于路由層的攻擊也更加復(fù)雜，首先看一下攻擊模型，根據(jù)攻擊能力的不同，可以將攻擊者分為兩類：塵埃級(jí)（Mote-Class）的攻擊和便攜電腦級(jí)（Laptop-Class）的攻擊。傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)層遭受的攻擊可以歸為以下幾類：（1）虛假路由信息（2）選擇轉(zhuǎn)發(fā)（3）女巫(Sybil)攻擊（4）槽洞(Sinkhole)攻擊（5）蟲洞(Wormholes)攻擊（6）Helloflood攻擊（7）告知收到欺騙42第三節(jié)安全技術(shù)

------WSN安全問(wèn)題分析4．傳輸層的攻擊與防御傳輸層主要負(fù)責(zé)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet或外部網(wǎng)絡(luò)端到端的連接。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的限制，節(jié)點(diǎn)無(wú)法保存維持端到端連接的大量信息，而且節(jié)點(diǎn)發(fā)送應(yīng)答消息會(huì)消耗大量能量（1）洪泛攻擊與防御（2）可靠性攻擊與防御43第三節(jié)安全技術(shù)

------WSN安全問(wèn)題分析5．應(yīng)用層的攻擊與防御應(yīng)用層提供了WSN的各種實(shí)際應(yīng)用，因此也面臨各種安全問(wèn)題。密鑰管理和安全組播為整個(gè)WSN的安全機(jī)制提供了安全支撐。WSN中采用對(duì)稱加密算法、低能耗的認(rèn)證機(jī)制和Hash函數(shù)。44第三節(jié)安全技術(shù)

------WSN安全防護(hù)技術(shù)無(wú)線傳感網(wǎng)安全實(shí)質(zhì)上就是要防止各種類型的攻擊、實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感網(wǎng)的安全目標(biāo)。WSN的安全技術(shù)大體可分為密碼技術(shù)、密鑰管理、路由安全、位置意識(shí)安全和數(shù)據(jù)融合安全。45第三節(jié)安全技術(shù)

------WSN安全防護(hù)技術(shù)（密碼技術(shù)）密碼技術(shù)是WSN安全的基礎(chǔ)，也是所有網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)現(xiàn)的前提?！窦用芗夹g(shù)。加密是一種基本的安全機(jī)制，它把傳感器節(jié)點(diǎn)間的通信消息轉(zhuǎn)換為密文，形成加密密鑰，這些密文只有知道解密密鑰的人才能識(shí)別?！裢暾詸z測(cè)技術(shù)。完整性檢測(cè)技術(shù)用來(lái)進(jìn)行消息的認(rèn)證，是為了檢測(cè)因惡意攻擊者竄改而引起的信息錯(cuò)誤?！裆矸菡J(rèn)證技術(shù)。身份認(rèn)證技術(shù)通過(guò)檢測(cè)通信雙方擁有什么或者知道什么來(lái)確定通信雙方的身份是否合法?！駭?shù)字簽名。數(shù)字簽名是用于提供服務(wù)安全機(jī)制的常用方法之一。46第三節(jié)安全技術(shù)

------WSN安全防護(hù)技術(shù)（密鑰確立和管理）密碼技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)安全構(gòu)架十分重要的部分，而密鑰是密碼技術(shù)的核心內(nèi)容。密鑰確立需要在參與實(shí)體和加密鑰計(jì)算之間建立信任關(guān)系，信任建立可以通過(guò)公開密鑰或者秘密密鑰技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。密鑰管理協(xié)議分為預(yù)先配置密鑰協(xié)議、仲裁密鑰協(xié)議和自動(dòng)加強(qiáng)的自治密鑰協(xié)議。47第三節(jié)安全技術(shù)

------WSN安全防護(hù)技術(shù)（密鑰確立和管理）●預(yù)先配置密鑰(1)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍的預(yù)先配置密鑰。WSN所有節(jié)點(diǎn)在配置前都要裝載同樣的密鑰。(2)明確節(jié)點(diǎn)的預(yù)先配置密鑰。在這種方法中，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要知道與其通信的所有節(jié)點(diǎn)的ID號(hào)，每?jī)蓚€(gè)節(jié)點(diǎn)間共享一個(gè)獨(dú)立的密鑰。(3)安全預(yù)先配置節(jié)點(diǎn)。在網(wǎng)絡(luò)范圍的預(yù)先配置節(jié)點(diǎn)密鑰方法中，任何一個(gè)危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)都會(huì)危及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的安全。而在明確節(jié)點(diǎn)預(yù)先配置中，盡管有少數(shù)危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)互相串接，但整個(gè)網(wǎng)絡(luò)不會(huì)受到影響。48第三節(jié)安全技術(shù)

------WSN安全防護(hù)技術(shù)（密鑰確立和管理）●仲裁密鑰協(xié)議仲裁協(xié)議包含用于確立密鑰的第三個(gè)信任部分。根據(jù)密鑰確立的類型，協(xié)議被分為秘密密鑰和公開密鑰。標(biāo)準(zhǔn)的秘密密鑰協(xié)議發(fā)展成密鑰分配中心(KDC)或者密鑰轉(zhuǎn)換中心。成對(duì)密鑰確立協(xié)議可以支持小組節(jié)點(diǎn)的密鑰建立。有一種分等級(jí)的密鑰確立協(xié)議叫做分層邏輯密鑰(LKH)。在這種協(xié)議中，一個(gè)第三信任方(TTP)在網(wǎng)絡(luò)的底層用一組密鑰創(chuàng)建一個(gè)分層邏輯密鑰，然后利用加密密鑰(KEK)形成網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)。49第三節(jié)安全技術(shù)

------WSN安全防護(hù)技術(shù)（密鑰確立和管理）●自動(dòng)加強(qiáng)的自治密鑰協(xié)議(1)成對(duì)的不對(duì)稱密鑰。該種協(xié)議基于公共密鑰密碼技術(shù)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)在配置之前，在其內(nèi)部嵌入由任務(wù)權(quán)威授予的公共密鑰認(rèn)證。(2)組密鑰協(xié)議。在WSN節(jié)點(diǎn)組中確立一個(gè)普通密鑰，而不依賴信任第三方。這種協(xié)議也是基于公共密鑰密碼技術(shù)的，包括以下幾種：①簡(jiǎn)單的密鑰分配中心。支持使用復(fù)合消息的小組節(jié)點(diǎn)。由于它不提供迅速的保密措施，所以它適合路由方面的應(yīng)用。②Diffie-Hellman組協(xié)議。該協(xié)議確保一組節(jié)點(diǎn)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都對(duì)組密鑰的值做出貢獻(xiàn)。③特征密鑰。此協(xié)議規(guī)定只有滿足發(fā)送消息要求特征的節(jié)點(diǎn)才能計(jì)算共享密鑰，從而解密給定的消息。特征包括位置、傳感器能力等。50第三節(jié)安全技術(shù)

------WSN安全防護(hù)技術(shù)（密鑰確立和管理）●使用配置理論的密鑰管理由于資源的限制，WSN中的密鑰管理顯得尤為重要。使用配置理論的密鑰管理方案是任意密鑰預(yù)先分配方案的一種改進(jìn)，它加入了配置理論，避免了不必要的密鑰分配。配置理論的加入充分改進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)的連通性、存儲(chǔ)器的實(shí)用性以及抵御節(jié)點(diǎn)捕獲的能力，與前面提到的密鑰管理方案相比更適合于大型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。51第三節(jié)安全技術(shù)

------WSN安全防護(hù)技術(shù)（路由安全）WSN路由協(xié)議有多種，它們受到的攻擊種類也不同。了解這些攻擊種類，才能在協(xié)議中加入相應(yīng)的安全機(jī)制，保護(hù)路由協(xié)議的安全。針對(duì)不同的協(xié)議攻擊，WSN提出了一系列的反措施，包括鏈路層加密和認(rèn)證、多路徑路由行程、身份確認(rèn)、雙向連接確認(rèn)和廣播認(rèn)證。52第三節(jié)安全技術(shù)

------WSN安全防護(hù)技術(shù)（數(shù)據(jù)融合安全）WSN中有大量的節(jié)點(diǎn)，會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。如何把這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，集合出在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)身份認(rèn)證是數(shù)據(jù)融合安全所要解決的問(wèn)題。●數(shù)據(jù)集合數(shù)據(jù)集合通過(guò)最小化多余數(shù)據(jù)的傳輸來(lái)增加帶寬使用和能量利用。●數(shù)據(jù)認(rèn)證數(shù)據(jù)認(rèn)證是WSN安全的基本要求之一。網(wǎng)絡(luò)中的消息在傳輸之前都要強(qiáng)制認(rèn)證，否則敵手能夠輕松地將偽造的消息包注入網(wǎng)絡(luò)，從而耗盡傳感器能量，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓。53第三節(jié)安全技術(shù)

------WSN安全防護(hù)技術(shù)（數(shù)據(jù)融合安全）數(shù)據(jù)認(rèn)證可以分為三類：(1)單點(diǎn)傳送認(rèn)證，用于兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)包的認(rèn)證。使用的是對(duì)稱密鑰協(xié)議，數(shù)據(jù)包中包含節(jié)點(diǎn)間共享的密鑰作為雙方身份認(rèn)證。(2)全局廣播認(rèn)證，用于基站與網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)包的認(rèn)證。μTESLA是一種特殊的全局廣播認(rèn)證，適合于有嚴(yán)格資源限制的環(huán)境。(3)局部廣播認(rèn)證，支持局部廣播消息和消極參與。局部廣播消息是由時(shí)間或事件驅(qū)動(dòng)的。54第四節(jié)數(shù)據(jù)融合技術(shù)（目錄）4.1數(shù)據(jù)融合技術(shù)概述4.2數(shù)據(jù)融合模型4.3基于路由的數(shù)據(jù)融合4.4基于反向組播樹的數(shù)據(jù)融合4.5數(shù)據(jù)融合技術(shù)的主要算法55第四節(jié)數(shù)據(jù)融合技術(shù)

-----數(shù)據(jù)融合技術(shù)概述

數(shù)據(jù)融合也被稱作信息融合，是一種多源信息處理技術(shù)。它通過(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)或判斷。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，這個(gè)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，并以更高的精度、較高的置信度得到目標(biāo)的狀態(tài)估計(jì)和身份識(shí)別，以及完整的勢(shì)態(tài)估計(jì)和威脅評(píng)估，為用戶提供有用的決策信息。56第四節(jié)數(shù)據(jù)融合技術(shù)

-----數(shù)據(jù)融合技術(shù)概述采用傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)融合技術(shù)的數(shù)據(jù)采集功能相比傳統(tǒng)方法具有如下優(yōu)勢(shì)。（1）增加了測(cè)量維數(shù)，增加了置信度和容錯(cuò)功能，并改進(jìn)了系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性。（2）提高了精度。在傳感器的測(cè)量中，不可避免地存在著各種噪聲，而同時(shí)使用描述同一特征的多個(gè)不同信息，可以減少這種由測(cè)量不精確所引起的不確定性，顯著提高系統(tǒng)的精度。（3）擴(kuò)展了空間和時(shí)間的覆蓋度，提高了空間分辨率和適應(yīng)環(huán)境的能力。（4）改進(jìn)了探測(cè)性能，增加了響應(yīng)的有效性，降低了對(duì)單個(gè)傳感器的性能要求，提高了信息處理的速度。（5）降低了信息獲取的成本。信息融合提高了信息的利用效率，可以用多個(gè)較廉價(jià)的傳感器獲得與昂貴的單一高精度傳感器同樣甚至更好的效果，因此可大大降低系統(tǒng)的成本。57第四節(jié)數(shù)據(jù)融合技術(shù)

-----數(shù)據(jù)融合技術(shù)概述在無(wú)線傳感網(wǎng)中，數(shù)據(jù)融合主要作用在于節(jié)省真?zhèn)€網(wǎng)絡(luò)的能量，增強(qiáng)所收集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，以及提高收集數(shù)據(jù)的效率三個(gè)方面。58第四節(jié)數(shù)據(jù)融合技術(shù)

-----數(shù)據(jù)融合模型數(shù)據(jù)融合模型可以分為數(shù)據(jù)包級(jí)融合結(jié)構(gòu)模型和跟蹤級(jí)融合結(jié)構(gòu)模型。1.數(shù)據(jù)包級(jí)融合模型根據(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(wú)損融合（losslessaggregation）和有損融合（lossyaggregation）兩類。59第四節(jié)數(shù)據(jù)融合技術(shù)

-----數(shù)據(jù)融合模型（1）無(wú)損融合在無(wú)損融合中，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。如果將多個(gè)數(shù)據(jù)分組打包成一個(gè)數(shù)據(jù)分組，而不改變各個(gè)分組所攜帶的數(shù)據(jù)內(nèi)容，那么這種融合方式就屬于無(wú)損失融合。（2）有損融合有損融合通常會(huì)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(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，信息損失的上限是融合后的數(shù)據(jù)要保留應(yīng)用所必需的全部信息量。60第四節(jié)數(shù)據(jù)融合技術(shù)

-----數(shù)據(jù)融合模型2.跟蹤級(jí)融合模型在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中大量的感知數(shù)據(jù)從多個(gè)源節(jié)點(diǎn)向匯聚節(jié)點(diǎn)傳送，從信息流通形式和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處理的層次看，跟蹤級(jí)融合模型可以分為集中式結(jié)構(gòu)模型和分布式結(jié)構(gòu)模型。61第四節(jié)數(shù)據(jù)融合技術(shù)

-----數(shù)據(jù)融合模型（1）集中式機(jī)構(gòu)模型集中式結(jié)構(gòu)模型的特點(diǎn)是匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送有關(guān)數(shù)據(jù)的興趣或查詢，具有相關(guān)數(shù)據(jù)的多個(gè)源節(jié)點(diǎn)直接將數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)，最后匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，62第四節(jié)數(shù)據(jù)融合技術(shù)

-----數(shù)據(jù)融合模型（2）分布式結(jié)構(gòu)模型分布式結(jié)構(gòu)模型也就是所說(shuō)的網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)融合，如圖所示，源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)中間節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，中間節(jié)點(diǎn)查看數(shù)據(jù)包的內(nèi)容，進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)融合后再傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)，由匯聚節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的綜合。63第四節(jié)數(shù)據(jù)融合技術(shù)

-----基于路由的數(shù)據(jù)融合1.基于查詢路由的數(shù)據(jù)融合以定向擴(kuò)散（DirectedDiffusion，DD）為代表的查詢路由，其中的數(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(duì)轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)來(lái)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(jiǎn)單易行，還能有效地減輕網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量。2.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(guò)程更為便利。每個(gè)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(diǎn)3.基于鏈?zhǔn)铰酚傻臄?shù)據(jù)融合鏈?zhǔn)铰酚蒔EGASIS對(duì)LEACH中的數(shù)據(jù)融合進(jìn)行了改進(jìn)。64第四節(jié)數(shù)據(jù)融合技術(shù)

-----基于反向組播樹的數(shù)據(jù)融合無(wú)線傳感網(wǎng)的數(shù)據(jù)融合是多個(gè)源節(jié)點(diǎn)向一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的過(guò)程，可以認(rèn)為是一個(gè)反向組播樹的構(gòu)造過(guò)程。匯聚節(jié)點(diǎn)在收集數(shù)據(jù)時(shí)通過(guò)反向組播樹的形式從分散的傳感器節(jié)點(diǎn)逐步匯集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。反向組播樹上的每個(gè)中間節(jié)點(diǎn)都對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，于是網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)就得到了及時(shí)且最大限度的融合。（1）近源匯集(centeratnearestsource，CNS)

（2）最短路徑樹(shortestpathstree，SPT)

（3）貪婪增量樹(greedyincrementaltree，GIT)65第四節(jié)數(shù)據(jù)融合技術(shù)

-----數(shù)據(jù)融合技術(shù)的主要算法1.綜合平均法2.卡爾曼濾波法3．貝葉斯估計(jì)法4．D-S證據(jù)推理法5．統(tǒng)計(jì)決策理論6.模糊邏輯法7．產(chǎn)生式規(guī)則法8．神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法66第五節(jié)WSN數(shù)據(jù)管理技術(shù)（目錄）5.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)5.2數(shù)據(jù)模型5.3數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與索引技術(shù)67第五節(jié)WSN數(shù)據(jù)管理技術(shù)

----系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無(wú)線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要有四種：集中式結(jié)構(gòu)、半分布式結(jié)構(gòu)、分布式結(jié)構(gòu)和層次式結(jié)構(gòu)1.集中式結(jié)構(gòu)在集中式結(jié)構(gòu)中，感知數(shù)據(jù)的查詢和傳感網(wǎng)的訪問(wèn)是相對(duì)獨(dú)立的。整個(gè)處理過(guò)程可以分為兩步：第一步，將感知數(shù)據(jù)按照事先指定的方式從傳感網(wǎng)傳輸?shù)街行姆?wù)器；第二步，在中心服務(wù)器上進(jìn)行查詢處理。68第五節(jié)WSN數(shù)據(jù)管理技術(shù)

----系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2．半分布式結(jié)構(gòu)（1）Fjord系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fjord是加州大學(xué)伯克利分校Telegraph項(xiàng)目的一部分，是一個(gè)自適應(yīng)的數(shù)據(jù)流系統(tǒng)。Fjord主要由兩部分構(gòu)成，包括自適應(yīng)的查詢處理引擎（adaptivequeryProcessingengine）和傳感器代理（senseproxy）。（2）Cougar系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Cougar是康奈爾（cornell）大學(xué)開發(fā)的傳感器數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。Cougar的基本思想是盡可能地使查詢處理在傳感網(wǎng)內(nèi)部進(jìn)行，以減少通信開銷。在查詢處理過(guò)程中，只有與查詢相關(guān)的數(shù)據(jù)才會(huì)從無(wú)線傳感網(wǎng)中提取出來(lái)。69第五節(jié)WSN數(shù)據(jù)管理技術(shù)

----系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3.分布式結(jié)構(gòu)分布式結(jié)構(gòu)假設(shè)每個(gè)傳惑器都有很高的存儲(chǔ)、計(jì)算和通信的能力。首先，各個(gè)傳感器采樣、感知和監(jiān)測(cè)事件；然后使用一個(gè)Hash函數(shù)，按照每個(gè)事件的關(guān)鍵字，將其存儲(chǔ)到離這個(gè)Hash函數(shù)值最近的傳感器節(jié)點(diǎn)，這種方法被稱為分布式Hash方法。70第五節(jié)WSN數(shù)據(jù)管理技術(shù)

----系統(tǒng)結(jié)構(gòu)4.層次式結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)包含了傳感網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層和代理網(wǎng)絡(luò)層兩個(gè)層次，并集成了網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)處理、自適應(yīng)查詢處理和基于內(nèi)容的查詢處理等多項(xiàng)技術(shù)。在網(wǎng)絡(luò)層，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都具有一定的計(jì)算和存儲(chǔ)能力，且每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都能夠完成三項(xiàng)任務(wù)：從代理接收命令、進(jìn)行本地計(jì)算和將數(shù)據(jù)傳送到代理。代理層的節(jié)點(diǎn)具有更高的存儲(chǔ)、計(jì)算和通信能力。每個(gè)代理都能夠完成五項(xiàng)任務(wù)：從用戶接收查詢、向傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制命令或其他信息、從傳感器節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)、處理查詢、將查詢結(jié)果返回給用戶。71第五節(jié)WSN數(shù)據(jù)管理技術(shù)

------數(shù)據(jù)模型無(wú)線傳感網(wǎng)的數(shù)據(jù)模型主要是對(duì)傳統(tǒng)的關(guān)系模型、對(duì)象關(guān)系模型或時(shí)間序列模型的有限擴(kuò)展。一種觀點(diǎn)是將感知數(shù)據(jù)視為分布在多個(gè)節(jié)點(diǎn)上的關(guān)系，并將傳感網(wǎng)看成一個(gè)分布式數(shù)據(jù)庫(kù)；而另一種觀點(diǎn)則將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)視為多個(gè)分布式數(shù)據(jù)流組成的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)；還有一些觀點(diǎn)是采用時(shí)間序列和概率模型表示感知數(shù)據(jù)的時(shí)間特性和不確定性。72第五節(jié)WSN數(shù)據(jù)管理技術(shù)

------數(shù)據(jù)模型TinyDB系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型是對(duì)傳統(tǒng)的關(guān)系模型的簡(jiǎn)單擴(kuò)展。它把傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)定義為一個(gè)單一的、無(wú)限長(zhǎng)的虛擬關(guān)系表。該表具有兩類屬性，第一類是感知數(shù)據(jù)屬性，如電壓值和溫度值；第二類是描述感知數(shù)據(jù)的屬性，如傳感器節(jié)點(diǎn)的ID、感知數(shù)據(jù)獲得的時(shí)間、數(shù)據(jù)類型（光、聲、電壓、溫度、濕度等）、度量單位等。Cougar系統(tǒng)把傳感網(wǎng)看成是一個(gè)大型的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，每個(gè)傳感器都對(duì)應(yīng)于該分布式數(shù)據(jù)庫(kù)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，存儲(chǔ)部分?jǐn)?shù)據(jù)。Cougar系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型支持兩種類型的數(shù)據(jù)，即存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和傳感器實(shí)時(shí)產(chǎn)生的感知數(shù)據(jù)。73第五節(jié)WSN數(shù)據(jù)管理技術(shù)

------數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)模型中提供定義在關(guān)系與時(shí)間序列上的三類操作：①關(guān)系投影操作：把一個(gè)時(shí)間序列轉(zhuǎn)換為一個(gè)關(guān)系；②積操作：輸入是一個(gè)關(guān)系和一個(gè)時(shí)間序列，輸出是一個(gè)新的時(shí)間序列；③聚集操作：輸入是一個(gè)時(shí)間序列，輸出是一個(gè)關(guān)系。74第五節(jié)WSN數(shù)據(jù)管理技術(shù)

------數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與索引技術(shù)1.數(shù)據(jù)命名方法以數(shù)據(jù)為中心的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方法的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)命名。數(shù)據(jù)命名的方法有很多種，可以根據(jù)具體應(yīng)用采用不同的命名方法。一種簡(jiǎn)單的命名方法是層次式命名方法，例如，一個(gè)攝像傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可以按如下方式命名：USA/Universities/USC/CS/cameral另一種命名方法是“屬性值”命名方法，在這種方法中，上面的攝像傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可以命名如下：Type=cameraValue=image.jpgLocation=”CSDept,UniversityofSouthernCalifornia,USA”75第五節(jié)WSN數(shù)據(jù)管理技術(shù)

------數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與索引技術(shù)2.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方法一種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方法是以數(shù)據(jù)為中心的存儲(chǔ)方法，它使用數(shù)據(jù)名字來(lái)存儲(chǔ)和查詢數(shù)據(jù)。這類方法通過(guò)一個(gè)數(shù)據(jù)名到傳感器節(jié)點(diǎn)的映射算法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。除了以數(shù)據(jù)為中心的無(wú)線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方法以外，還有另外兩種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方法，即外部存儲(chǔ)方法和本地存儲(chǔ)方法。76第五節(jié)WSN數(shù)據(jù)管理技術(shù)

------數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與索引技術(shù)3.索引技術(shù)（1）一維分布式索引除了時(shí)空聚集和精確匹配查詢外，傳感器網(wǎng)絡(luò)用戶也經(jīng)常要進(jìn)行區(qū)域查詢，一維索引具有兩個(gè)特點(diǎn)：一是層次結(jié)構(gòu)樹具有多個(gè)根，解決了單一樹根所造成的通信瓶頸問(wèn)題；二是它有效地沿層次結(jié)構(gòu)樹向上傳播聚集數(shù)據(jù)，可以在層次樹的高層防止不必要的樹遍歷。（2）多維分布式索引多維區(qū)域查詢是在多個(gè)屬性上具有區(qū)域約束條件的區(qū)域查詢。77第六節(jié)無(wú)線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議（目錄）6.1無(wú)線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議概述6.2基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議6.3基于時(shí)分復(fù)用的MAC協(xié)議6.4混合型MAC協(xié)議78第六節(jié)無(wú)線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議

-------無(wú)線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議概述1.無(wú)線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議設(shè)計(jì)所面臨的問(wèn)題在無(wú)線傳感網(wǎng)中，節(jié)點(diǎn)能量?jī)?chǔ)備有限且難以及時(shí)補(bǔ)充，為保證網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)期有效工作，MAC協(xié)議以減少能耗，最大化網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間為首要設(shè)計(jì)目標(biāo)；其次，為適應(yīng)節(jié)點(diǎn)分布和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓琈AC協(xié)議需具備良好的可擴(kuò)展性；此外，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般屬于同一利益實(shí)體，可以為系統(tǒng)優(yōu)化做出一定犧牲，因此能量效率以外的公平性一般不作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，除非多種用途的無(wú)線傳感網(wǎng)重疊部署在同一區(qū)域。79第六節(jié)無(wú)線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議

-------無(wú)線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議概述通信過(guò)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(diǎn)在不需要收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)仍保持對(duì)信道的空閑偵聽。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)不知道鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)何時(shí)到來(lái)，所以必須始終保持自己的射頻部分處于接收模式，形成空閑監(jiān)聽，造成了不必要的能量損耗；（2）沖突重傳：數(shù)據(jù)沖突導(dǎo)致的重傳和等待重傳。如果兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送，并相互產(chǎn)生干擾，則它們的傳輸都將失敗，發(fā)送包被丟棄；（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(méi)有數(shù)據(jù)在其中，但是我們必須消耗一定的能量來(lái)發(fā)送它們；（4）串?dāng)_(overhearng)：節(jié)點(diǎn)因接收并處理并非傳輸給自己的分組造成的串音。80第六節(jié)無(wú)線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議

-------無(wú)線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議概述MAC協(xié)議設(shè)計(jì)中主要問(wèn)題表現(xiàn)有如下幾個(gè)方面：（1）能量效率：由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的特殊件，MAC協(xié)議要盡可能地節(jié)約能量，提高能量效率，從而延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存周期，這是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題。（2）可擴(kuò)展性：MAC協(xié)議負(fù)責(zé)搭建無(wú)線傳感網(wǎng)通信系統(tǒng)底層基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，必須能夠適應(yīng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)變化，所以MAC協(xié)議要具有良好的可擴(kuò)展性。（3）網(wǎng)絡(luò)效率：網(wǎng)絡(luò)效率是網(wǎng)絡(luò)各種性能的綜合，包括網(wǎng)絡(luò)的可靠性、實(shí)時(shí)性、吞吐量、公平性、QoS等。

（4）算法復(fù)雜度：MAC協(xié)議要具備上述特點(diǎn)，眾多節(jié)點(diǎn)協(xié)同完成應(yīng)用任務(wù)，必然增加算法的復(fù)雜度。

（5）與其他層協(xié)議的協(xié)同：無(wú)線傳感網(wǎng)應(yīng)用的特殊性對(duì)各層協(xié)議都提出了一些共同的要求，研究MAC協(xié)議與其他層協(xié)議的協(xié)同問(wèn)題，通過(guò)跨層設(shè)計(jì)而獲得系統(tǒng)整體的性能優(yōu)化，也是MAC協(xié)議研究的主要方向。81第六節(jié)無(wú)線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議

-------無(wú)線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議概述2.無(wú)線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議分類（1）根據(jù)信道分配策略的不同可分為基于競(jìng)爭(zhēng)(contention-based)的MAC協(xié)議、基于調(diào)度(schedule-based)的MAC協(xié)議和混合MAC協(xié)議。（2）根據(jù)MAC協(xié)議使用的信道數(shù)目可分為單信道MAC協(xié)議和多信道MAC協(xié)議。（3）根據(jù)協(xié)議的部署方式，可分為集中式MAC協(xié)議或分布式MAC協(xié)議。（4）根據(jù)數(shù)據(jù)通信類型可分為基于單播的MAC協(xié)議和基于組播/聚播（convergecast）的MAC協(xié)議。（5）根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)射器硬件功率是否可變可分為功率固定MAC協(xié)議和功率控制MAC協(xié)議。（6）根據(jù)發(fā)射天線的種類可分為基于全向天線MAC協(xié)議和基于定向天線MAC協(xié)議。（7）根據(jù)協(xié)議發(fā)起方的不同可分為發(fā)送方發(fā)起的MAC協(xié)議和接收方發(fā)起的MAC協(xié)議。此外，根據(jù)是否需要滿足一定QoS支持和性能要求，無(wú)線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議還可分為實(shí)時(shí)MAC協(xié)議、能量高效MAC協(xié)議、安全MAC協(xié)議、位置感知MAC協(xié)議、移動(dòng)MAC協(xié)議等。82第六節(jié)無(wú)線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議

-------基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議的基本思想是：當(dāng)無(wú)線節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，主動(dòng)搶占無(wú)線信道，當(dāng)在其通信范圍內(nèi)的其他無(wú)線節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，也會(huì)發(fā)起對(duì)無(wú)線信道的搶占?；诟?jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）由于基于競(jìng)爭(zhēng)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(diǎn)數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的變化；（2）基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議能較好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?；?）基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議不需要復(fù)雜的時(shí)間同步或集中控制調(diào)度算法。83第六節(jié)無(wú)線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議

-------基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議1.IEEE802.11MAC協(xié)議IEEE802.11MAC協(xié)議有分布式協(xié)調(diào)（DistributedCoordinationFunction，DCF）和點(diǎn)協(xié)調(diào)（PointCoordinationFunction，PCF）兩種訪問(wèn)控制方式，其中DCF方式是IEEE802.11協(xié)議的基本訪問(wèn)控制方式。84第六節(jié)無(wú)線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議

-------基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議IEEE802.11MAC協(xié)議規(guī)定了三種基本幀間間隔（interframeSpacing，IFS），用來(lái)提供訪問(wèn)無(wú)線信道的優(yōu)先級(jí)。三種幀間間隔分別為：（1）SIFS（shortIFS）：最短幀間間隔。使用SIFS的幀優(yōu)先級(jí)最高，用于需要立即響應(yīng)的服務(wù)，如ACK幀、CTS幀和控制幀等。（2）PIFS（PCFIFS）：PCF方式下節(jié)點(diǎn)使用的幀間間隔，用以獲得在無(wú)競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)周期啟動(dòng)時(shí)訪問(wèn)信道的優(yōu)先權(quán)。（3）DIFS（DCFIFS）：DCF方式下節(jié)點(diǎn)使用的幀間間隔，用以發(fā)送數(shù)據(jù)幀和管理幀。上述各幀間間隔滿足關(guān)系：DIFS>PIFS>SIFS。85第六節(jié)無(wú)線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議

-------基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議隨機(jī)退避時(shí)間按下面的公式計(jì)算：退避時(shí)間=Random()xaSlotime其中，Random()是在競(jìng)爭(zhēng)窗口[0,CW]內(nèi)均勻分布的偽隨機(jī)整數(shù)，CW是整數(shù)隨機(jī)數(shù)，其值處于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的aCWmin和aCWmax之間；aSlotime是一個(gè)時(shí)間間隙，包括發(fā)射啟動(dòng)時(shí)間、媒體傳播時(shí)延、檢測(cè)信道的響應(yīng)時(shí)間等。86第六節(jié)無(wú)線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議

-------基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議2.S-MAC協(xié)議S-MAC(SensorMAC)協(xié)議是較早提出的一種基于競(jìng)爭(zhēng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議，該協(xié)議繼承了IEEE802.11MAC協(xié)議的基本思想，在此基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，并以WSN的能量效率為主要設(shè)計(jì)目標(biāo)，較好地解決了能量問(wèn)題，同時(shí)兼顧了網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性。87第六節(jié)無(wú)線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議

-------基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議S-MAC協(xié)議提出了適合于多跳無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議的節(jié)能方法：（1）采用周期性睡眠和監(jiān)聽方法減少空閑監(jiān)聽?zhēng)?lái)的能量損耗。對(duì)周期性睡眠和監(jiān)聽的調(diào)度進(jìn)行同步，同步節(jié)點(diǎn)采用相同的調(diào)度，形成虛擬簇，同時(shí)進(jìn)行周期性睡眠和監(jiān)聽，適合多跳網(wǎng)絡(luò)。（2）當(dāng)節(jié)點(diǎn)正在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)數(shù)據(jù)幀特殊字段讓每個(gè)與此次通信無(wú)關(guān)的鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，以減少串?dāng)_帶來(lái)的能量損耗。（3）采用消息傳遞機(jī)制，減少控制數(shù)據(jù)帶來(lái)的能量損耗。88第六節(jié)無(wú)線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議

-------基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議S-MAC協(xié)議的關(guān)鍵技術(shù)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）周期性監(jiān)聽和睡眠（2）自適應(yīng)監(jiān)聽（3）減少碰撞和避免串音（4）消息傳遞（分片傳輸機(jī)制）89第六節(jié)無(wú)線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議

-------基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議3.T-MAC協(xié)議T-MAC協(xié)議采用了一種自適應(yīng)調(diào)整占空比的方法，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整調(diào)度周期中的活躍時(shí)間長(zhǎng)度來(lái)改變占空比，可以更加有效的降低能量消耗。90第六節(jié)無(wú)線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議

-------基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議激活事件的定義如下：（1）定時(shí)器觸發(fā)周期性調(diào)度喚醒事件。（2）物理層從無(wú)線信道接收到數(shù)據(jù)包。（3）物理層指示無(wú)線信道忙。（4）節(jié)點(diǎn)的DATA幀或ACK幀發(fā)送完成。（5）通過(guò)監(jiān)聽RTS/CTS幀，確認(rèn)鄰居的數(shù)據(jù)交換已經(jīng)結(jié)束。91第六節(jié)無(wú)線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議

-------基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議T-MAC協(xié)議的關(guān)鍵技術(shù)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）周期性偵聽的同步（2）RTS操作和TA的選擇（3）避免串?dāng)_（4）早睡問(wèn)題第一種方法是預(yù)請(qǐng)求發(fā)送(Futurerequest-to-send，F(xiàn)RTS)機(jī)制。第二種方法是滿緩沖區(qū)優(yōu)先(Full-bufferPriority)機(jī)制。92第六節(jié)無(wú)線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議

---------基于時(shí)分復(fù)用的MAC協(xié)議基于時(shí)分復(fù)用的MAC協(xié)議通常將一個(gè)物理信道分為多個(gè)子信道，并將子信道靜態(tài)或動(dòng)態(tài)地分配給需要通信的節(jié)點(diǎn)，避免沖突?；跁r(shí)分復(fù)用的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議有如下優(yōu)點(diǎn)：①?zèng)]有競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制的碰撞重傳問(wèn)題；②無(wú)隱藏終端問(wèn)題；③數(shù)據(jù)傳輸時(shí)不需要過(guò)多的控制信息；④節(jié)點(diǎn)在空閑時(shí)隙能夠及時(shí)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，適合于低功耗網(wǎng)絡(luò)。93第六節(jié)無(wú)線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議

---------基于時(shí)分復(fù)用的MAC協(xié)議1.基于分簇網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議分簇結(jié)構(gòu)的無(wú)線傳感網(wǎng)采用基于TDMA機(jī)制的MAC協(xié)議。所有傳感器節(jié)點(diǎn)固定劃分或自動(dòng)形成多個(gè)簇，每個(gè)簇內(nèi)有一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)。簇頭負(fù)責(zé)為簇內(nèi)所有傳感器節(jié)點(diǎn)分配時(shí)隙，收集和處理簇內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)。協(xié)議將時(shí)間幀分為周期性的四個(gè)階段：（1）數(shù)據(jù)傳輸階段。簇內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)在各自分配的時(shí)隙內(nèi)，發(fā)送采集數(shù)據(jù)給簇頭。（2）刷新階段。簇內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)向簇頭報(bào)告其當(dāng)前狀態(tài)。（3）刷新引起的重組階段。緊跟在刷新階段之后，簇頭節(jié)點(diǎn)根據(jù)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)得到當(dāng)前狀態(tài)，重新給簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)分配時(shí)隙。（4）時(shí)間觸發(fā)的重組階段。節(jié)點(diǎn)能量小于特定值、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化等事件發(fā)生時(shí)，簇頭就要重新分配時(shí)隙。94第六節(jié)無(wú)線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議

---------基于時(shí)分復(fù)用的MAC協(xié)議2.DEANA協(xié)議分布式能量感知節(jié)點(diǎn)活動(dòng)（DistributedEnergy-AwareNodeActivation,DEANA）協(xié)議將時(shí)間幀分為周期性的調(diào)度訪問(wèn)階段和隨機(jī)訪問(wèn)階段，95第六節(jié)無(wú)線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議

---------基于時(shí)分復(fù)用的MAC協(xié)議3.TRAMA協(xié)議流量自適應(yīng)介質(zhì)訪問(wèn)（TrafficAdaptiveMediumAcces，TRAMA）協(xié)議將時(shí)間劃分為連續(xù)時(shí)隙，根據(jù)局部?jī)商鴥?nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)信息，采用分布式選舉機(jī)制確定每個(gè)時(shí)隙的無(wú)沖突發(fā)送者。同時(shí)，通過(guò)避免把時(shí)隙分配給無(wú)流量的節(jié)點(diǎn)，并讓非發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)，以達(dá)到節(jié)省能量的目的。TRAMA協(xié)議采用了流量自適應(yīng)的分布式選舉算法，節(jié)點(diǎn)交換兩跳內(nèi)鄰居信息，傳輸分配時(shí)指明在時(shí)間順序上哪些節(jié)點(diǎn)是目的節(jié)點(diǎn)，然后選擇在每個(gè)時(shí)隙上的發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)。TRAMA協(xié)議由三個(gè)部分組成：NP協(xié)議（NeighborProtocol，NP)、分配交換協(xié)議（ScheduleExchangeProtocol，SEP）和自適應(yīng)選舉算法（AdaptiveElectionAlgorithm，AEA)。96第六節(jié)無(wú)線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議

---------基于時(shí)分復(fù)用的MAC協(xié)議4.DMAC協(xié)議DMAC協(xié)議是基于S-MAC和T-MAC協(xié)議的思想，采用預(yù)先分配的方法來(lái)避免睡眠延遲。DMAC協(xié)議分析了S-MAC協(xié)議中的監(jiān)聽睡眠調(diào)度機(jī)制的缺點(diǎn)，同步的睡眠會(huì)增加多跳傳輸?shù)难舆t，同步的監(jiān)聽和競(jìng)爭(zhēng)信道會(huì)增加沖突的可能。DMAC協(xié)議引入了一種交錯(cuò)的監(jiān)聽睡眠調(diào)度機(jī)制，保證數(shù)據(jù)在多跳路徑上的連續(xù)傳輸。97第六節(jié)無(wú)線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議

---------基于時(shí)分復(fù)用的MAC協(xié)議（1）交錯(cuò)喚醒機(jī)制在一些傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，數(shù)據(jù)從多個(gè)數(shù)據(jù)源匯聚到一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂蕉及谝粋€(gè)樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，DMAC協(xié)議將其定義為數(shù)據(jù)采集樹。針對(duì)這種樹狀結(jié)構(gòu)，DMAC協(xié)議做出了如下假設(shè)：①網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)保持靜止，且每一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)有足夠的存活時(shí)間，可以在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持網(wǎng)絡(luò)路徑不發(fā)生變化；②數(shù)據(jù)由傳感器節(jié)點(diǎn)向唯一的匯聚節(jié)點(diǎn)單向傳輸；③各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間保持時(shí)鐘同步。基于以上假設(shè)，DMAC協(xié)議提出了交錯(cuò)喚醒機(jī)制，保證數(shù)據(jù)在樹狀結(jié)構(gòu)上能持續(xù)傳輸，不被睡眠所中斷。98第六節(jié)無(wú)線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議

---------基于時(shí)分復(fù)用的MAC協(xié)議99第六節(jié)無(wú)線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議

---------基于時(shí)分復(fù)用的MAC協(xié)議（2）自適應(yīng)占空比機(jī)制在DMAC協(xié)議中，如果節(jié)點(diǎn)在一個(gè)發(fā)送周期內(nèi)有多個(gè)數(shù)據(jù)包要發(fā)送，就需要該節(jié)點(diǎn)和樹狀路徑上的上層節(jié)點(diǎn)一起加大發(fā)送周期占空比。DMAC協(xié)議引入了一種更新機(jī)制，使占空比能自適應(yīng)調(diào)整。通過(guò)在MAC層數(shù)據(jù)幀的幀頭加入一個(gè)標(biāo)記位，以較小控制開銷發(fā)送更新請(qǐng)求。（3）數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)機(jī)制在數(shù)據(jù)采集樹中，越靠近上層的節(jié)點(diǎn)，匯聚的數(shù)據(jù)越多，所以對(duì)樹的底層節(jié)點(diǎn)適合的占空比不一定適合中間節(jié)點(diǎn)。100第六節(jié)無(wú)線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議

---------基于時(shí)分復(fù)用的MAC協(xié)議（4）MTS幀機(jī)制雖然自適應(yīng)占空比機(jī)制和數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)機(jī)制考慮了沖突避免，數(shù)據(jù)采集樹中不同分支的節(jié)點(diǎn)仍有沖突的可能。假設(shè)節(jié)點(diǎn)A和B在相互干擾的范圍內(nèi)，且A和B有不同的父節(jié)點(diǎn)。在發(fā)送周期內(nèi)，如果A競(jìng)爭(zhēng)到信道并發(fā)送數(shù)據(jù)，那么B和其父節(jié)點(diǎn)就會(huì)在發(fā)送周期結(jié)束后進(jìn)入睡眠周期。B只能等待時(shí)間T以后進(jìn)入發(fā)送周期再向父節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。這種情況下B的父節(jié)點(diǎn)沒(méi)有接收到數(shù)據(jù)包，不會(huì)增加接收周期，而B在發(fā)送周期也無(wú)法接收到串?dāng)_ACK，數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)機(jī)制在此時(shí)失效。為此，DMAC協(xié)議引入了MTS(moretosend)幀機(jī)制。101第六節(jié)無(wú)線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議

---------混合型MAC協(xié)議混合型MAC協(xié)議，結(jié)合了競(jìng)爭(zhēng)方式和分配方式的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了性能的整體提升。1.S-MACS/EAR協(xié)議S-MACS/EAR(Self-organizingmediumaccesscontrolforsensornetworks/eavesdropandregister)協(xié)議是一種結(jié)合TDMA和FDMA的調(diào)度型MAC協(xié)議，可以完成網(wǎng)絡(luò)的建立和通信鏈路的組織分配，是針對(duì)規(guī)模龐大、節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性不強(qiáng)且能量有限的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用設(shè)計(jì)的協(xié)議。S-MACS協(xié)議假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能在多個(gè)載波頻點(diǎn)上進(jìn)行切換，協(xié)議將每個(gè)雙向信道定義為兩個(gè)時(shí)間段，類似于TDMA機(jī)制中分配的時(shí)隙。S-MACS協(xié)議是一種分布式協(xié)議，允許一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)鄰居并進(jìn)行收發(fā)信道的分配，不需要全局節(jié)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行分配。為了實(shí)現(xiàn)這種機(jī)制，S-MACS協(xié)議將鄰居發(fā)現(xiàn)和信道分配進(jìn)行了組合。102第六節(jié)無(wú)線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議

---------混合型MAC協(xié)議（1）鏈路建立S-MACS協(xié)議引入了超幀的概念，用一個(gè)固定參數(shù)Tframe表示。網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的超幀都有相同的長(zhǎng)度。節(jié)點(diǎn)在上電后先進(jìn)行鄰居發(fā)現(xiàn)，每發(fā)現(xiàn)一個(gè)鄰居，這一對(duì)節(jié)點(diǎn)就形成一個(gè)雙向信道，即一個(gè)通信鏈路。在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的超幀中為該鏈路分配一對(duì)時(shí)隙用于雙向通信。（2）鄰居發(fā)現(xiàn)和信道分配為了闡述S-MACS協(xié)議中的鄰居發(fā)現(xiàn)機(jī)制，下面以圖為例加以說(shuō)明。103第六節(jié)無(wú)線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議

---------混合型MAC協(xié)議2.基于CDMA的MAC協(xié)議CDMA機(jī)制為每個(gè)用戶分配特定的具有正交性的地址碼，因而在頻率、時(shí)間和空間上都可以重疊。在無(wú)線傳感網(wǎng)中應(yīng)用CDMA技術(shù)就是為每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)分配與其他節(jié)點(diǎn)正交的地址碼，這樣即使多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)傳輸消息，也不會(huì)相互干擾，從而解決了信道沖突問(wèn)題。CSMA/CA和CDMA相結(jié)合的MAC協(xié)議。采用一種CDMA的偽隨機(jī)碼分配算法，使每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)與其兩跳范圍內(nèi)所有其他節(jié)點(diǎn)的偽隨機(jī)碼都不相同，從而避免了節(jié)點(diǎn)間的通信干擾。為了實(shí)現(xiàn)這種編碼分配，需要在網(wǎng)絡(luò)中建立一個(gè)公用信道，所有節(jié)點(diǎn)通過(guò)公用信道獲取其他節(jié)點(diǎn)的偽隨機(jī)編碼，調(diào)整和發(fā)布自己的隨機(jī)編碼。104第七節(jié)無(wú)線傳感網(wǎng)路由協(xié)議（目錄）7.1路由協(xié)議概述7.2能量感知路由協(xié)議7.3平面路由協(xié)議7.4層次路由協(xié)議7.5基于查詢的路由協(xié)議7.6基于地理位置的路由協(xié)議7.7基于QoS的路由協(xié)議105第七節(jié)無(wú)線傳感網(wǎng)路由協(xié)議

-------路由協(xié)議概述無(wú)線傳感網(wǎng)路由協(xié)議負(fù)責(zé)將分組從源節(jié)點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)，它主要包括兩個(gè)方面的功能：①尋找源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)間的優(yōu)化路徑；②將數(shù)據(jù)分組沿著優(yōu)化路徑正確轉(zhuǎn)發(fā)。無(wú)線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)能量有限（一般由電池供電），并且由于網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)目往往過(guò)大，節(jié)點(diǎn)只能獲取局部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息，因此要求路由協(xié)議不僅要高效的利用能量，還要在此基礎(chǔ)上能夠在只獲取局部網(wǎng)絡(luò)信息的情況下選擇合適的路徑。106第七節(jié)無(wú)線傳感網(wǎng)路由協(xié)議

-------路由協(xié)議概述無(wú)線傳感網(wǎng)路由協(xié)議具有以下的特點(diǎn)：（1）能量?jī)?yōu)先。（2）基于局部拓?fù)湫畔?。?）以數(shù)據(jù)為中心。（4）應(yīng)用相關(guān)。107第七節(jié)無(wú)線傳感網(wǎng)路由協(xié)議

-------路由協(xié)議概述針對(duì)不同應(yīng)用環(huán)境中的各種路由協(xié)議，根據(jù)一些特定的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)路由協(xié)議加以分類，主要有以下幾種分類方法。（1）按源節(jié)點(diǎn)獲取路徑策略，劃分為主動(dòng)路由協(xié)議、按需路由協(xié)議和混合路由協(xié)議。（2）按通信的邏輯結(jié)構(gòu)，劃分為平面路由協(xié)議和層次路由協(xié)議。（3）按路由的發(fā)現(xiàn)過(guò)程，劃分為基于地理位置路由協(xié)議和基于查詢路由協(xié)議。（3）按路由的發(fā)現(xiàn)過(guò)程，劃分為基于地理位置路由協(xié)議和基于查詢路由協(xié)議。108第七節(jié)無(wú)線傳感網(wǎng)路由協(xié)議

-------能量感知路由協(xié)議1.能量路由協(xié)議能量路由是最早提出的傳感網(wǎng)路由協(xié)議之一，它根據(jù)節(jié)點(diǎn)的可用能量或傳輸路徑上的能量需求，選擇數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。節(jié)點(diǎn)可用能量就是節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的剩余能量。109第七節(jié)無(wú)線傳感網(wǎng)路由協(xié)議

-------能量感知路由協(xié)議能量路由策略主要有以下幾種：（1）最大PA路由（2）最小能量消耗路由：（3）最少跳數(shù)路由：（4）最大最小PA節(jié)點(diǎn)路由110第七節(jié)無(wú)線傳感網(wǎng)路由協(xié)議

-------能量感知路由協(xié)議2.能量多路徑路由協(xié)議該機(jī)制在源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間建立多條路徑，根據(jù)路徑上節(jié)點(diǎn)的通信能量消耗以及節(jié)點(diǎn)的剩余能量情況，給每條路徑賦予一定的選擇概率，使得數(shù)據(jù)傳輸均衡消耗整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量，延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存期。能量多路徑路由協(xié)議包括路徑建立、數(shù)據(jù)傳播和路由維護(hù)三個(gè)過(guò)程。路徑建立過(guò)程是該協(xié)議的重點(diǎn)內(nèi)容。111第七節(jié)無(wú)線傳感網(wǎng)路由協(xié)議

-------能量感知路由協(xié)議能量多路徑路由的主要過(guò)程描述如下：（1）發(fā)起路徑建立過(guò)程。目的節(jié)點(diǎn)向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播路徑建立消息，啟動(dòng)路徑建立過(guò)程。（2）判斷是否轉(zhuǎn)發(fā)路徑建立消息。（3）計(jì)算能量代價(jià)。（4）節(jié)點(diǎn)加入路徑條件。（5）節(jié)點(diǎn)選擇概率計(jì)算.（6）代價(jià)平均值計(jì)算。112第七節(jié)無(wú)線傳感網(wǎng)路由協(xié)議

-------平面路由協(xié)議基于平面結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議是最簡(jiǎn)單的路由形式，其中每一個(gè)點(diǎn)都具有對(duì)等的功能。其優(yōu)點(diǎn)是不存在特殊節(jié)點(diǎn)，路由協(xié)議的魯棒性較好，通信流量被平均地分散在網(wǎng)絡(luò)中；其缺點(diǎn)是缺乏可擴(kuò)展性，限制了網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。最有代表性的算法是泛洪Flooding算法、Gosipping以及SPIN算法。113第七節(jié)無(wú)線傳感網(wǎng)路由協(xié)議

-------平面路由協(xié)議1.洪泛路由協(xié)議洪泛路由協(xié)議（FloodingProtocol）是一種最早的路由協(xié)議，接收到消息的節(jié)點(diǎn)以廣播的形式轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文給所有的鄰居節(jié)點(diǎn)。源節(jié)點(diǎn)希望發(fā)送數(shù)據(jù)給目的節(jié)點(diǎn)，首先要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)分組傳送給它的每一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)，各個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)又將其傳播給各自的鄰居節(jié)點(diǎn)，直到數(shù)據(jù)遍歷全網(wǎng)或者達(dá)到規(guī)定的最大跳數(shù)。洪泛法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)都十分突出。其優(yōu)點(diǎn)是不用維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路由計(jì)算，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，適用于健壯性要求高的場(chǎng)合；其缺點(diǎn)是存在信息內(nèi)爆、重疊以及資源盲點(diǎn)等問(wèn)題。114第七節(jié)無(wú)線傳感網(wǎng)路由協(xié)議

-------平面路由協(xié)議圖2-38洪泛法的“內(nèi)暴”現(xiàn)象圖2-39洪泛法的“重疊”現(xiàn)象115第七節(jié)無(wú)線傳感網(wǎng)路由協(xié)議

-------平面路由協(xié)議2.閑聊路由協(xié)議閑聊法是洪泛法的改進(jìn)版本。為了減少資源