1、第三部分(b fen)傳感器網絡的支撐技術共九十頁 雖然傳感器網絡用戶的使用目的千變萬化，但是作為網絡終端結點的功能歸根結底就是探測、感知、傳輸收集到的與應用相關的數據信號。為了實現用戶的功能，除了(ch le)要設計第二部分所介紹的通信與組網技術以外，還要實現保證網絡用戶功能正常運行所需的其它基礎性技術。 這些應用層的基礎性技術是支撐傳感器網絡完成任務的關鍵，包括定位技術、時間同步機制、數據融合、能量管理和安全機制等。2共九十頁主要(zhyo)內容三數據融合技術五安全技術四能量管理技術一定位技術二時間同步技術3共九十頁一、定位(dngwi)技術共九十頁在傳感器網絡中，位置信息對傳感器網絡的監(jiān)

2、測活動至關重要，監(jiān)測到事件之后關心的一個重要問題就是該事件發(fā)生的位置，沒有位置信息的監(jiān)測往往毫無意義。例如：環(huán)境監(jiān)測戰(zhàn)場敵方活動區(qū)域狀況目標跟蹤 目前(mqin)最成熟的定位系統(tǒng)GPS適合于室外環(huán)境，且結點能耗高、體積大。5共九十頁1. 定位(dngwi)技術概述定位及其作用基本術語結點位置(wi zhi)計算的基本方法6共九十頁1. 定位(dngwi)及其作用無線傳感器網絡定位問題的含義是指自組織的網絡通過特定方法提供結點的位置信息。結點自身定位確定網絡結點的坐標位置可通過人工(rngng)標定或結點自定位算法完成對監(jiān)控目標的定位確定網絡覆蓋區(qū)域內一個事件或一個目標的坐標位置。側重于目標跟蹤

3、方面的應用。以位置已知的網絡結點為參考，確定目標或事件在網絡覆蓋范圍內的所處位置。是對監(jiān)控目標的位置估計。7共九十頁位置信息有物理位置和符號位置兩大類。 物理位置指目標在特定坐標系下的位置數值，表示目標的相對或者絕對位置。 符號位置指在目標與一個基站或者多個基站接近程度(chngd)的信息，表示目標與基站之間的連通關系，提供目標大致的所在范圍。 共九十頁 根據不同的依據，無線傳感器網絡的定位方法可以進行如下分類： (1) 根據是否依靠測量距離，分為基于(jy)測距的定位和不需要測距的定位； (2) 根據部署的場合不同，分為室內定位和室外定位； (3) 根據信息收集的方式，分為被動定位（網絡收集

4、傳感器數據）和主動定位（結點主動發(fā)出信息用于定位）。共九十頁根據是否已知自身位置，傳感器結點可分為：信標結點：通過攜帶GPS定位系統(tǒng)等手段獲得(hud)自身精確位置。在整個網絡中占比較小未知結點：通過信標結點的位置信息來確定 自身位置。10若給定鄰居對的距離(jl)測量值，可計算出結點坐標pipj共九十頁3. 基于(jy)測距的定位技術包括(boku)測距和定位通過測量相鄰結點之間的實際距離或方位，根據幾何關系計算出網絡結點的位置。常見的測距方法根據接收信號強度指示的測距法（RSSI）根據信號到達時間的測距法（ToA）根據信號到達時間差的測距法（TDoA）根據信號到達角度的測距法（AoA）常用

5、定位方法多邊定位法Min-Max定位法11共九十頁(1)基于(jy)接收信號強度的測距方法PR：無線信號的接收功率；PT：無線信號的發(fā)射功率r：收發(fā)單元之間的距離；n：傳播因子，其值大小(dxio)取決于無線信號傳播環(huán)境12接收機通過測量接收到的射頻信號的能量來確定與發(fā)送機的距離無線信號的發(fā)射功率和接收功率之間的關系表述為：發(fā)射功率為已知信號接收強度和傳輸距離之間的理論公式共九十頁無線信號(xnho)接收強度指示與信號(xnho)傳播距離之間的關系13該方法實現簡單(jindn)，但若存在遮蓋或折射，會影響測量的精度。無線信號在傳播過程的近距離上信號衰減較快共九十頁(2)基于(jy)到達時間的

6、測距法到達時間（ToA）機制是已知信號的傳播(chunb)速度，根據信號的傳播(chunb)時間來計算結點間的距離。14這類方法通過測量傳輸時間來估算兩結點之間距離。共九十頁ToA方法根據機制采用偽噪聲序列信號作為聲波信號，根據聲波的傳遞時間測量結點間的距離。要求：兩結點須預先實現時間同步。測距原理(yunl)發(fā)送結點在發(fā)送偽噪聲序列信號的同時，通知接收結點偽噪聲序列信號發(fā)送的時間；接收結點在檢測到偽噪聲序列信號后，根據聲波信號的傳播時間和速度計算結點間的距離。15共九十頁16ToA測距原理的過程(guchng)示例共九十頁 發(fā)射結點同時發(fā)射兩種不同傳播速度的無線信號（例：無線射頻信號和超聲波

7、信號），接收結點記錄下這兩種信號的到達時間（T1、T2）和傳播速度（c1、c2），根據兩種信號到達的時間差以及這兩種信號的傳播速度，計算兩個(lin )結點之間的距離。 兩點之間的距離為： (T2-T1)*S 其中 S=c1*c2/(c1-c2)17（3）基于(jy)到達時間差的測距法共九十頁例：確定大樓內移動或靜止結點在大樓內的具體房間的位置。 在每個房間內安裝一個信標結點，它們周期性地同時發(fā)射無線射頻信號和超聲波信號。無線射頻信號中含有信標結點的位置信息，超聲波信號僅為單純的脈沖信號，沒有任何語義。 由于無線射頻信號的傳播速度遠大于超聲波的傳播速度，故未知結點在收到無線射頻信號時，會同時打

8、開超聲波信號接收機。 根據兩信號的間隔和各自的傳播速度，未知結點可計算出和該信標結點之間的距離，然后通過比較到各個鄰近(ln jn)信標結點的距離，選擇出離自己最近的信標結點，從該信標結點廣播的信息中取得自身的房間位置。18共九十頁基于時間的測距方法適用于射頻(sh pn)、紅外、超聲波等多種信號由于無線信號的傳輸速度快，時間測量上的很小誤差可能會導致較大的測距誤差值。因此要求傳感器結點的CPU應具有較強的計算能力。硬件結點的成本和功耗都較高，但測距誤差小，定位精度較高。19基于時間(shjin)的測距方法說明：共九十頁多邊(dubin)定位法：假設已知信標結點A1，A2，A3，A4，的坐標依

9、次分別為（x1，y1），（x2，y2），（x3，y3），。若設未知結點的坐標為（x, y），它至各信標結點的測距數值為di ，則有：20（4）計算結點位置(wi zhi)的基本方法共九十頁將第前n-1個等式(dngsh)減去第n個等式：用矩陣和向量表達為形式(xngsh)Ax=b，其中：21根據最小均方估計方法，可以求得解為： 共九十頁例：三邊測量法：若已知信標結點A、B和C的坐標分別(fnbi)為（xa，ya)、（xb，yb)、 （xc，yc)它們到未知結點D的距離為：da，db，dc則結點D的位置坐標(x，y）為：22共九十頁3. 無需測距的定位(dngwi)技術無需測距的定位技術不需要直

10、接測量距離和角度信息。這類定位技術是根據網絡的連通性確定(qudng)網絡中結點之間的跳數，并根據已知參考結點的位置坐標等信息估算出每一跳的大致距離，最后估算出結點在網絡中的位置。質心算法DV-Hop算法23共九十頁（1）質心(zh xn)算法 在計算幾何學里多邊形的幾何中心稱為質心，多邊形頂點坐標的平均值就是質心結點的坐標。 假設多邊形定點位置的坐標向量表示(biosh)為pi= (xi，yi)T，則這個多邊形的質心坐標 為：24 這種方法是根據網絡的連通性確定出目標結點周圍的信標參考結點，直接求解信標參考結點構成的多邊形的質心。共九十頁設：四邊形 ABCD 的頂點(dngdin)坐標分別為

11、 ， ， ， 則它的質心坐標計算如下： 質心算法的計算與實現都非常簡單。但希望信標(xn bio)結點有較高的密度。25質心算法例共九十頁DV-Hop算法主要用于解決信標結點(ji din)密度低的問題。算法描述：信標結點廣播其坐標位置結點收到新的廣播后若跳數小于所存儲的跳數值，則更新并轉發(fā)該跳數否則，丟棄。26（2）DV-Hop算法(sun f)共九十頁4. 定位系統(tǒng)的應用(yngyng)位置信息在某些應用(yngyng)中可以起到關鍵性作用。定位技術的用途大體可分為導航、跟蹤、虛擬現實、網絡路由等。導航是定位最基本的應用。如GPS導航系統(tǒng)，在戶外空曠場所有很好的定位效果。定位精度可達1m。

12、基于位置的服務是通過移動網絡獲取終端用戶位置信息，在電子地圖平臺支持下為用戶提供相應服務的一種業(yè)務。跟蹤是可以實時了解物體所處位和移動軌跡。如物品跟蹤、人員跟蹤等。27共九十頁二、時間同步(tngb)機制共九十頁1.傳感器網絡(wnglu)時間同步的意義 無線傳感器網絡的同步管理主要是指時間上的同步管理。 有時傳感器網絡的單個結點的能力有限，或者某些應用的需要，使得整個系統(tǒng)所要實現(shxin)的功能需要網絡內所有結點相互配合來共同完成，分布式系統(tǒng)的協同工作需要結點間的時間同步，因此，時間同步機制是分布式系統(tǒng)基礎框架的一個關鍵機制。 在分布式的無線傳感器網絡應用中，每個傳感器結點都有自己的本地

13、時鐘。不同結點的晶體振蕩器頻率存在偏差，另外，濕度、電磁波干擾等都會造成網絡結點之間的運行時間偏差。2929共九十頁 無線傳感器網絡時間同步機制的意義和作用主要體現在如下兩方面： 首先，傳感器結點(ji din)通常需要彼此協作，去完成復雜的監(jiān)測和感知任務。數據融合是協作操作的典型例子，不同的結點采集的數據最終融合形成了一個有意義的結果。 其次，傳感器網絡的一些節(jié)能方案是利用時間同步來實現的。如在適當的時間休眠，再在需要的時間喚醒。 時間同步機制為網絡中所有結點的本地時鐘提供共同的時間戳。 例：槍聲定位系統(tǒng)中，聲波信號通過WSN送到附近的計算機，以計算槍手的位置。此時的聲波到達時間測量要求一個

14、共同的網絡時間值，實現WSN的精確時間同步。3030共九十頁 目前(mqin)已有一些成熟的傳感器網絡時間同步協議，其中RBS、TINY/MINI-SYNC和TPSN被認為是三種最基本的傳感器網絡時間同步機制。312.傳感器網絡(wnglu)時間同步協議的特點 根據WSN的特點，傳感器網絡時間同步協議應更多考慮以下因素： 結點體積小，能量有限，傳輸鏈路受環(huán)境影響較大，動態(tài)拓撲結構，價格等。31共九十頁3. TPSN時間同步(tngb)協議 TPSN（Timing-sync Protocol for Sensor Networks）協議采用層次型樹型網絡結構，整個(zhngg)網絡為一棵樹，根結

15、點可以與外界通信并獲取外部時間。根結點裝配有諸如GPS接收機這樣的復雜硬件部件，并作為整個網絡系統(tǒng)的時鐘源。 TPSN協議將所有結點按照層次結構進行分級，然后每個結點與上一級的一個結點進行時間同步，最終所有結點都與根結點時間同步。結點對之間的時間同步是基于發(fā)送者-接收者的同步機制。3232共九十頁TPSN協議假設每個傳感器結點都有惟一的標識號ID，結點間的無線鏈路為雙向，通過雙向信息交換實現結點間的時間同步。TPSN協議包括兩個階段(jidun)層級發(fā)現階段。生成層次結構，為每個結點賦予一個級別，根結點賦予最高級別第0級，第i級的結點至少能夠與一個第（i1）級的結點通信。同步階段。實現所有樹結

16、點的時間同步，第1級結點同步到根結點，第i級的結點同步到第（i1）級的一個結點，最終所有結點都同步到根結點，實現整個網絡的時間同步。33（1）TPSN協議(xiy)的操作共九十頁網絡部署后根結點廣播“級別發(fā)現分組”，啟動層次發(fā)現。分組中包含發(fā)送(f sn)結點的ID和級別（根結點的級別為0級）；鄰居結點收到分組后，將自己的級別設置為分組中的級別加1，建立自己的級別，廣播新的級別發(fā)現分組（對根結點的鄰居結點，其級別為1級）；重復，直到網絡中所有結點都被賦予一個級別。34層級發(fā)現(fxin)階段的操作過程結點一旦建立自己的級別，就忽略任何其他的級別發(fā)現分組，以防止網絡產生洪泛擁塞。共九十頁層次結構

17、建立后根結點廣播“時間同步分組”，啟動同步階段；第1級結點收到分組后，各自分別等待一段隨機時間，通過與根結點交換消息，同步到根結點。第i級結點偵聽到第i-1級結點的交換消息后，后退和等待一段隨機時間，并與它在層次發(fā)現階段記錄的第i-1個級別(jbi)的結點進行消息交換，以實現同步。等待一段時間的目的是保證第i級結點在第i-1級結點時間同步完成后才啟動消息交換。重復，直到網絡中所有結點都被賦予一個級別。35同步(tngb)階段的操作過程共九十頁（2）相鄰級別(jbi)結點間的同步例36S為第i 級結點(ji din)，R為第i -1級結點，d為傳播時延。為兩結點間的時間偏差 結點S在T1時間發(fā)送

18、同步請求給結點R，請求分組中包含S的級別和T1時間。 結點R在T2時間收到分組， ，然后在T3時間發(fā)送應答分組給結點S，分組中包含結點R的級別和T1、T2和T3信息。36共九十頁結點S在T4時間收到應答， ，因此可以推導(tudo)出算式：37結點S在計算時間偏差之后(zhhu)，將其時間同步到結點R37共九十頁（3）TPSN時間(shjin)同步協議小結TPSN（Timing-sync Protocol for Sensor Networks）能夠實現全網范圍內結點間的時間同步，同步誤差與跳數成正比增長。TPSN適合于實現時內的全網結點時間同步，若需長時間同步，需周期性執(zhí)行TPSN協議。不足

19、：未考慮結點失效(sh xio)問題；當有新結點加入時，需初始化層次發(fā)現階段。38在TPSN協議中，WSN的匯聚結點即為根結點共九十頁4. 時間同步的應用(yngyng)示例 利用磁阻傳感器網絡實現機動車輛測速。 對機動車輛的測速需要兩個探測(tnc)傳感器結點的協同合作。測速算法提取車輛經過每個結點的磁感應信號的脈沖峰值，并記錄時間。 如果將兩個結點之間的距離d除以兩個峰值之間的時差t，就可以得出機動目標通過這一路段的速度(Vel):3939共九十頁三、數據融合(rngh)技術共九十頁1.多傳感器數據(shj)融合定義多傳感器數據融合（Data Aggregation）研究的對象是各類傳感器

20、采集的信息，可以是信號、波形、圖像、數據、文字、聲音等。傳感器是電子信息系統(tǒng)的信息來源(liyun)。源信息各種傳感器直接給出的信息源數據數字化后的源信息源信息是信息系統(tǒng)處理的對象。信息系統(tǒng)的功能就是將各種傳感器提供的信息進行加工處理，以獲得可直接使用的波形、數據或結論。41共九十頁源信息、傳感器與環(huán)境(hunjng)之間的關系：42 消除噪聲與干擾，實現對觀測目標的連續(xù)跟蹤和測量等一系列問題的處理方法，就是多傳感器數據融合技術，有時也稱作多傳感器信息融合(Information Fusion, IF)技術或多傳感器融合(Sensor Fusion, SF)技術，它是對多傳感器信息進行處理的最

21、關鍵技術，在軍事和非軍事領域(ln y)的應用都非常廣泛。共九十頁數據融合：將多份數據或信息進行處理，組合出更高效、更符合用戶需求(xqi)的數據的過程。以獲得比單一信息源更精確、完整的估計或判決。從軍事應用的角度來看，數據融合包含了三個要點：數據融合是多信源、多層次的處理過程，每個層次代表信息的不同抽象程度；數據融合過程包括數據的檢測、關聯、估計與合并；數據融合的輸出包括低層次上的狀態(tài)身份估計和高層次上的總戰(zhàn)術態(tài)勢的評估。43共九十頁 數據融合的內容主要包括：多傳感器的目標探測、數據關聯、跟蹤與識別、情況評估和預測。 數據融合的基本目的是通過融合得到比單獨的各個輸入數據更多的信息。這一點是協

22、同作用的結果，即由于(yuy)多傳感器的共同作用，使系統(tǒng)的有效性得以增強。442. 數據(shj)融合的內容共九十頁3.傳感器網絡(wnglu)中數據融合的作用數據融合的主要作用可歸納為以下幾點：提高信息的準確性和全面性；降低信息的不確定性；提高系統(tǒng)的可靠性增加系統(tǒng)的實時性。傳感器網絡結點的資源十分有限，若各結點單獨直接傳送數據到匯聚(hu j)結點，會浪費通信帶寬和能量，降低信息收集的效率。傳感器網絡中數據融合的主要作用有：節(jié)省整個網絡的能量增強所收集數據的準確性提高收集數據的效率。45共九十頁4. 數據(shj)融合技術的分類 傳感器網絡的數據融合技術可以從不同的角度進行分類，主要(zhy

23、o)有： (1) 依據融合前后數據的信息含量進行分類； (2) 依據數據融合與應用層數據語義的關系進行分類； (3) 依據融合操作的級別進行分類。46共九十頁 根據數據融合前后的信息含量，可以將數據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： 將多個數據分組打包為一個數據分組，但不改變各分組所帶的數據內容。 網絡中某結點在一個短時間間隔內進行了多次匯報，每次匯報除時間戳不同外，其他內容均相同。收到此匯報的中間結點可以只傳送時間戳更新(gngxn)的一次匯報，以表示之前的其他信息均

24、相同。47共九十頁2）有損失融合 有損失融合通常會省略一些細節(jié)信息或降低數據的質量，從而減少需要存儲或傳輸的數據量，以達到節(jié)省存儲資源或能量資源的目的。在有損失融合中，信息損失的上限是要保留應用所必需的全部信息量。 有損融合一般在網內對收集的數據進行(jnxng)處理。如： 溫度監(jiān)測系統(tǒng)中，求某一區(qū)域中的平均溫度或最低、最高溫度等。48共九十頁5. 數據融合的一般(ybn)過程將被測對象的輸出結果轉換為電信號；通過A/D轉換器轉換為數字量；對數字化后的電信號進行預處理（濾除干擾和噪聲等）；對經過(jnggu)處理后的信號進行特征提取，實現數據融合，或直接進行數據融合；輸出融合結果。49共九十頁

25、6. 數據(shj)融合的主要方法常用數據融合方法有：綜合平均法卡爾曼濾波法貝葉斯估計法D-S證據(zhngj)推理法統(tǒng)計決策理論模糊邏輯法產生式規(guī)則法神經網絡方法50共九十頁 綜合平均法是最簡單、最直觀的數據融合方法。該方法將一組傳感器提供(tgng)的冗余信息進行加權平均，結果作為融合值。 如果對一個檢測目標進行了k次檢測，則綜合平均的結果為： 其中，Wi為分配給第i次檢測的權重。51綜合(zngh)平均法該方法將來自多個傳感器的眾多數據進行綜合平均。適用于同類傳感器檢測同一個檢測目標。共九十頁神經網絡方法(fngf) 神經網絡方法是模擬人類大腦行為而產生的一種信息(xnx)處理技術，它采

26、用大量以一定方式相互連接和相互作用的簡單處理單元（即神經元）來處理信息(xnx)。 神經網絡方法實現數據融合的過程如下： 用選定的N個傳感器檢測系統(tǒng)狀態(tài)； 采集N個傳感器的測量信號并進行預處理； 對預處理后的N個傳感器信號進行特征選擇； 對特征信號進行歸一化處理，為神經網絡的輸入提供標準形式； 將歸一化的特征信息與已知的系統(tǒng)狀態(tài)信息作為訓練樣本，送神經網絡進行訓練，直到滿足要求為止。 將訓練好的網絡作為已知網絡，只要將歸一化的多傳感器特征信息作為輸入送入該網絡，則網絡輸出就是被測系統(tǒng)的狀態(tài)結果。52共九十頁7. 應用層數據(shj)融合傳感器網絡具有以數據為中心的特點(tdin)，其數據融合常

27、在應用層實現數據融合設計應考慮以下幾點：對用戶屏蔽底層操作，使其不必了解數據是如何收集上來的。提供靈活的查詢提交手段數據應便于進行網內計算，以減少通信數據量。53 為滿足上述要求，將分布式數據庫技術應用于傳感器網絡的數據收集過程，采用類SQL語言（結構化查詢）進行數據融合處理。共九十頁在傳感器網絡應用中，SQL融合操作主要包括以下基本操作符：COUNT計算集合中元素的個數MIN/MAXSUMAVERAGEGROUP可以返回一組數據，而非一個數值。HAVING用于對參與運算的數據的屬性(shxng)值進行限制54例：SELECT AVERAGE （Temp），MAX（Temp） FROM Sen

28、sors WHERE Light 10返回光照指數(zhsh)（Light）大于10的傳感器結點的平均溫度（Temp）和最高溫度共九十頁某建筑物中第6層有4個房間。查詢第6層房間中溫度超過25的房間號及其最高溫度。設：所有結點都已知道了查詢請求(qngqi)；各結點的數據傳輸路徑已由某種路由算法確定；走廊盡頭的黑色結點負責將查詢結果提交給用戶。查詢請求：SELECT Room，MAX（Temp） FROM Sensors WHERE Floor=6 GROUP BY Room HAVING Temp2555傳感器網絡應用層數據融合(rngh)示例共九十頁操作過程各結點首先檢查自己的數據是否符合

29、HAVING語句的要求（溫度高于25），以決定自己的數據是否參與運算或需要發(fā)送。各結點在接收到其他結點發(fā)來的數據后，進行本地運算（將數據按房間號進行分組，比較得出此房間目前(mqin)已知的最高溫度），將運算結果向上一級結點提交，并逐級提交到匯聚結點。56共九十頁根據類SQL語言(yyn)進行網內處理的示例57共九十頁四、能量(nngling)管理共九十頁1. 能量管理(gunl)的意義在WSN中，能量消耗E與通信距離d存在(cnzi)如下關系：E=kdn 其中k為常量，n3 。即通信能耗與距離的3次方成正比59 上式反映：隨著通信距離的增加，能耗急劇增加。共九十頁 在傳感器結點中，消耗能量的

30、模塊有：傳感器模塊，處理器模塊和通信模塊。其中，主要的能量消耗是通信模塊。 控制各結點通信機制的是網絡協議，協議棧中的核心是網絡層協議和鏈路層協議。 網絡層主要是路由協議，它決定信息傳輸的路徑；鏈路層主要是MAC協議，它決定可信道的使用方式和收發(fā)模塊的工作模式。因此，它們是影響(yngxing)WSN能量消耗的主要因素。 為了降低能耗，應盡量減小單跳通信距離。即：多個短跳距的數據傳輸比一個長跳的傳輸能耗會低。因此，在傳感器網絡中要減少單跳通信距離，盡量使用多跳短距離的無線通信方式。60共九十頁 傳感器結點中，傳感器單元的能量消耗與應用特征相關，采樣周期(zhuq)越短、采樣精度越高，則傳感器單

31、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。61共九十頁2. 電源(dinyun)節(jié)能方法針對傳感器結點中的計算單元和通信單元，常采用的節(jié)能策略(cl)主要有：休眠機制數據融合等62共九十頁主要思想：當結點周圍沒有感興趣的事件發(fā)生時，計算與通信單元處于空閑狀態(tài)，此時將這些組件關掉或調到更低能耗狀態(tài)，即休眠狀態(tài)。特點：可延長傳感器結點的生存(shngcn)周期。休眠與工作狀態(tài)之間的轉換會產生一定的時延。若轉換策略不當，可能會加大能耗。通過休眠實現節(jié)能的主要策略有：硬件改進采用休眠機制的網絡協議專門的

32、結點功率管理機制63（1）休眠(ximin)機制共九十頁硬件(yn jin)改進 現有很多處理器都支持工作電壓和頻率的調節(jié)?，F有的無線收發(fā)器也可以通過喚醒(hunxng)裝置喚醒(hunxng)休眠中的結點，從而實現低能耗運行。 可以看出，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，當傳感器結點不再收發(fā)數據時，可以把無線收發(fā)器關掉或進入休眠狀態(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0.01664一種無線收發(fā)器的能耗情況共九十頁采用(ciyng)休眠機制的網絡協議WSN中的MAC協議通常都采用休眠機制（周期偵聽/休眠

33、）在數據發(fā)送(f sn)時，若結點既不是發(fā)送(f sn)者也不是接收者，則轉入休眠狀態(tài)。喚醒后若有信息發(fā)送則競爭信道；若無則偵聽其是否為下一個數據的接收者。65共九十頁專門的節(jié)點(ji din)功率管理機制動態(tài)電源(dinyun)管理 動態(tài)電源管理(Dynamic Power Management，DPM)主要針對通信模塊。 其工作原理是：當結點周圍沒有感興趣的事件發(fā)生時，部分模塊處于空閑狀態(tài)，就將這些組件關掉或調到更低能耗狀態(tài)(即休眠狀態(tài))，以節(jié)省能量。66共九十頁動態(tài)(dngti)電壓調度 主要針對處理器模塊。 對于大多數傳感器結點來說，計算負荷的大小是隨時變化的，因而并不需要結點的微處理

34、器在所有時刻都保持峰值性能。 根據CMOS電路設計的理論，微處理器執(zhí)行單條指令所消耗的能量Eop與工作電壓V的平方成正比，即：EopV2。 動態(tài)電壓調節(jié)(Dynamic Voltage Scaling，DVS)技術(jsh)通過動態(tài)改變微處理器的工作電壓和頻率，使其剛好滿足當時的運行需求，從而在性能和功耗之間取得平穩(wěn)。 動態(tài)電壓調節(jié)要解決的核心問題是實現微處理器計算負荷與工作電壓及頻率之間的匹配。67共九十頁（2）數據(shj)融合 數據融合的節(jié)能效果主要體現在路由協議的實現上。由于同一(tngy)區(qū)域內的結點發(fā)送的數據具有很大的冗余性，因此路由過程的中間結點并不是簡單的轉發(fā)所收到的數據，而需

35、要對這些數據進行數據融合，將經過本地融合處理后的數據路由到匯聚點，只轉發(fā)有用的信息。數據融合有效地降低了整個網絡的數據流量。例： LEACH路由協議就具有這種功能，它是一種自組織的在結點之間隨機分布能量負載的分層路由協議。 LEACH路由協議的基本原理是：相鄰結點形成簇并選舉簇首。簇首負責融合簇內結點發(fā)來的數據后發(fā)給用戶。68共九十頁五、安全(nqun)機制共九十頁 傳感器網絡在大多數的民用領域，如環(huán)境監(jiān)測、森林防火、候鳥遷徙跟蹤等應用中，安全問題并不是一個非常緊要的問題。 但在另外一些領域，如商業(yè)上的小區(qū)無線安防網絡，軍事上在敵控區(qū)監(jiān)視敵方軍事部署的傳感器網絡等，則對數據的采樣、傳輸過程，甚

36、至結點(ji din)的物理分布等都需要重點考慮安全問題，很多信息都不能讓無關人員或者敵方人員了解。70共九十頁1.傳感器網絡的安全(nqun)問題 網絡安全一直是網絡技術的重要組成部分，常見的網絡安全保障技術有：加密、認證、防火墻、入侵檢測(jin c)、物理隔離等。 WSN作為一種起源于軍事應用領域的新型無線網絡，其安全性問題顯得尤為重要。 傳感器網絡安全的基本要求：在網絡局部發(fā)生入侵時，保證網絡的整體可用性。 傳感器網絡的安全性需求主要來源于通信安全和信息安全兩個方面。71共九十頁結點的安全保證：包括結點不易(b y)被發(fā)現和不易(b y)被篡改被動抵御入侵的能力當網絡遭到入侵時網絡具備

37、的對抗外部攻擊和內部攻擊的能力。反擊主動入侵的能力：能主動限制或消滅入侵者入侵檢測能力隔離入侵者能力消滅入侵者能力72（1）通信安全需求(xqi)共九十頁 入侵檢測能力。和傳統(tǒng)的網絡入侵檢測相似，首先需要準確識別網絡內出現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(bx)確定入侵結點的身份或者位置，只有這樣才能在隨后發(fā)動有效反擊。 隔離入侵者的能力。網絡需要具有根據入侵檢測信息調度網絡正常通信來避開入侵者，同時丟棄任何由入侵者發(fā)出的數據包的能力。這相當于把入侵者和己方網絡從邏輯上隔離開來，可以防止它繼續(xù)危害網絡。 消滅入侵者的能力。由于傳感器網絡的主要用途是為用戶收集信息，因此讓網絡自

38、主消滅入侵者是較難實現的。一般的做法是，在網絡提供的入侵信息引導下，由用戶通過人工方式消滅入侵者。73共九十頁（2）信息安全需求(xqi) 信息安全就是要保證網絡中傳輸信息的安全性。具體需求內容包括： 數據(shj)的機密性保證網絡內傳輸的信息不被非法竊聽。 數據鑒別保證用戶收到的信息來自己方結點而非入侵結點。 數據的完整性保證數據在傳輸過程中沒有被惡意篡改。 數據的實效性保證數據在時效范圍內被傳輸給用戶。74共九十頁2. WSN中安全管理(gunl)應解決的問題75 (1) 機密性問題。所有敏感數據在存儲和傳輸的過程中都要保證機密性，讓任何人在截獲物理通信信號的時候不能直接獲得消息(xio

39、xi)內容。 (2) 點到點的消息認證問題。網絡結點在接收到另外一個結點發(fā)送過來的消息時，能夠確認這個數據包確實是從該結點發(fā)送出來的，而不是其它結點冒充的。 (3) 完整性鑒別問題。網絡結點在接收到一個數據包的時候，能夠確認這個數據包和發(fā)出來的時候完全相同，沒有被中間節(jié)點篡改或者在傳輸中通信出錯。共九十頁 (4) 新鮮性（數據的時效性）問題。結點能夠判斷最新接收到的數據包是發(fā)送者最新產生的數據包。導致新鮮性問題一般有兩種原因：一是由網絡多路徑延時的非確定性導致數據包的接收錯序而引起，二是由惡意結點的重放攻擊而引起。 (5) 認證組播/廣播問題。解決單一結點向一組結點/所有結點發(fā)送統(tǒng)一通告的認證

40、安全問題。 (6) 安全管理問題。包括安全引導和安全維護。安全引導是指使一個網絡系統(tǒng)逐步形成安全網絡的過程(guchng)。安全維護主要設計通信中的密鑰更新，以及網絡變更引起的安全變更，方法往往是安全引導過程(guchng)的一個延伸。76共九十頁 這些安全問題在網絡協議的各個層次都應該充分考慮，只是側重點不盡相同。物理層主要側重在安全編碼方面；鏈路層和網絡層考慮的是數據幀和路由信息的加解密技術；應用層在密鑰的管理和交換過程中，為下層(xicng)的加解密技術提供安全支撐。77共九十頁 傳感器網絡安全技術的設計包括通信安全和信息安全。 通信安全是信息安全的基礎。通信安全保證傳感器網絡內部的數據

41、采集、融合和傳輸等基本功能的正常(zhngchng)進行，是面向網絡功能的安全性； 信息安全側重于網絡中所傳信息的真實性、完整性和保密性，是面向用戶應用的安全。 傳感器網絡的安全隱患在于網絡部署區(qū)域的開放性和無線通信的廣播特性。協議棧的各層都可能受到攻擊。783. WSN的安全(nqun)設計共九十頁4. 傳感器網絡安全框架(kun ji)協議：SPINS SPINS安全協議族是最早的無線傳感器網絡的安全框架之一，包含了SNEP(Secure Network Encryption Protocol)和TESLA(micro Timed Efficient Streaming Loss-tole

42、rant authentication Protoco1)兩個(lin )安全協議。 SNEP協議提供點到點通信認證、數據機密性、完整性和新鮮性等安全服務；TESLA協議則提供對廣播消息的數據認證服務。 SPINS定義的是一個協議框架，在使用的時候還需要考慮很多具體的實現問題。例如，使用什么樣的加密、鑒別、認證、單向密鑰生成算法和隨機數發(fā)生器，如何在有限資源內融合各種算法以達到最高效率等。79共九十頁傳感器網絡協議的技術標準共九十頁 無線傳感器網絡的價值就在于它的低成本和可以大量部署。為了降低產品成本、擴大市場和實現規(guī)模效益，傳感器網絡的某些特征和共性(gngxng)技術必須實現標準化，這樣來

43、自不同產商的產品才能協同工作。 無線傳感器網絡的標準化工作受到了許多國家及國際標準組織的普遍關注，已經完成了一系列草案甚至標準規(guī)范的制定。其中最出名的就是IEEE 802.15.4/ZigBee規(guī)范，它甚至已經被一部分研究及產業(yè)界人士視為傳感器網絡的標準。IEEE 802.15.4定義了短距離無線通信的物理層及鏈路層規(guī)范，ZigBee則定義了網絡互聯、傳輸和應用規(guī)范。 目前傳感器網絡標準化工作的兩個公認成果是IEEE 1451接口標準和IEEE 802.15.4低速率無線個域網協議。81共九十頁 IEEE 802.15.4標準(biozhn) 無線傳感器網絡的底層標準一般沿用無線個域網（IEE

44、E 802.15）的相關標準部分。無線個域網（WPAN）的出現比傳感器網絡要早，通常定義為提供個人及消費類電子設備之間進行互聯的無線短距離專用網絡。 無線個域網專注(zhunzh)于便攜式移動設備之間的雙向通信技術問題，其典型覆蓋范圍一般在10米以內。IEEE 802.15工作組就是為完成這一使命而專門設置的，且已經完成一系列相關標準的制定工作，其中就包括了被廣泛用于傳感器網絡的底層標準IEEE 802.15.4。82共九十頁 IEEE 802.15.4標準定義的網絡具有如下特點： (1) 在不同的載波頻率下實現20kbps、40kbps和250kbps三種不同的傳輸速率； (2) 支持(zhch)星型和點對點兩種網絡拓撲結構； (3) 有16位和64位兩種地址格式，其中64位地址是全球惟一的擴展地址； (4) 支持沖突避免的載波多路偵聽技術(CSMA-CA)； (5) 支持確認機制，保證傳輸可靠性。