第五章無線傳感器網絡技術無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的技術體系無線傳感器網絡的通信協議無線傳感器網絡的技術標準4123多傳感器網絡的信息融合

5目錄第五章無線傳感器網絡技術5.1無線傳感器網絡概述5.1.1無線傳感器網絡介紹

5.1.2傳感器網絡體系結構

5.1.3傳感器網絡的發展5.1.1無線傳感器網絡介紹無線傳感器網絡（WirelessSensorNetwork,WSN）是由部署在監測區域內大量的微型傳感器節點通過無線電通信形成的一個多跳的自組織網絡系統，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域內被監測對象的信息，并發送給觀察者。無線傳感器網絡具有以下的特點：

無中心互相協作（1）大規模網絡（2）自組織網絡（3）多跳路由（4）動態性網絡（5）可靠的網絡（6）以數據為中心的網絡（7）應用相關的網絡5.1.1無線傳感器網絡介紹(3）計算和存儲能力有限（1）電源能量有限（2）通信能力有限現實約束5.1.2傳感器網絡體系結構5.1.2傳感器網絡體系結構

傳感器節點由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊四部分組成。5.1.2傳感器網絡體系結構物理層提供簡單但健壯的信號調制和無線收發技術；數據鏈路層負責數據成幀、幀檢測、媒體訪問和差錯控制；網絡層主要負責路由生成與路由選擇；傳輸層負責數據流的傳輸控制，是保證通信服務質量的重要部分；應用層包括一系列基于監測任務的應用層軟件；能量管理平臺管理傳感器節點如何使用能源，在各個協議層都需要考慮節省能量；移動管理平臺檢測并注冊傳感器節點的移動，維護到匯聚節點的路由，使得傳感器節點能夠動態跟蹤其鄰居的位置；任務管理平臺在一個給定的區域內平衡和調度監測任務。5.1.3傳感器網絡的發展無線傳感器網絡的基本思想起源于20世紀70年代。1978年，DARPA在卡耐基-梅隆大學成立了分布式傳感器網絡工作組。1980年DARPA的分布式傳感器網絡項目（WSN）開啟了傳感器網絡的研究先河。20世紀80年代至90年代，研究主要在軍事領域，成為網絡中心戰的關鍵技術，拉開了無線傳感器網絡研究的序幕。20世紀90年代中后期，WSN引起了學術界、軍界和工業界的廣泛關注，開啟了現代意義的無線傳感器網絡技術。5.2無線傳感器網絡的技術體系5.2.1自組網技術5.2.2節點定位技術5.2.3時間同步技術5.2.4安全技術5.2.1自組網技術

移動自組織(Ad-Hoc)網絡是一種多跳的臨時性自治系統，它的原型是美國早在1968年建立的ALOHA網絡和之后于1973提出的PR(PacketRadio)網絡。IEEE在開發802.11標準時，提出將PR網絡改名為Ad-Hoc網絡，也即今天我們常說的移動自組織網絡。AdHoc源于拉丁語，意思是“forthis”引申為“forthispurposeonly”，即“為某種目的設置的，特別的”意思，即Adhoc網絡是一種有特殊用途的網絡5.2.1自組網技術與其他傳統通信網絡相比，自組織網絡具有以下顯著特點：(1)無中心和自組織性。(2)動態變化的網絡拓撲。(3)受限的無線傳輸帶寬。(4)安全性較差。(5)多跳路由。5.2.2節點定位技術在傳感器網絡節點定位技術中，根據節點是否已知自身的位置，把傳感器節點分為信標節點和未知節點。5.2.2節點定位技術鄰居節點（neighbornode）跳數（hopcount）跳段距離（hopdistance）基礎設施（infrastructure）到達時間（TimeOfArrival，TOA）到達時間差（TimeDifferenceOfArrival，TDOA）接收信號強度指示（ReceivedSignalStrengthIndicator，RSSI）到達角度（AngleOfArrival，AOA）視線關系（LineofSight，LOS）非視線關系（NoLOS，NLOS）礦井救援及定位項目組師生深入800米礦井調研5.2.2節點定位技術

1）三邊測量法

已知A、B、C三個節點的坐標以及它們到未知節點D的距離，假設節點D的坐標為(x,y)，那么，存在下列公式：

可以得到節點D的坐標為：5.2.2節點定位技術

2）三角測量法

已知A，B，C三個節點的坐標

，節點D相對于節點A，B，C的角度分別為：∠ADB，∠ADC，∠BDC，假設節點D的坐標為

（x，y）。

對于節點A，C和角∠ADC，如果弧段AC在△ABC內，那么能夠惟一確定一個圓，設圓為O1(XO1,yO2)，半徑為r1，那么α=∠AO1C=2π-2∠ADC5.2.2節點定位技術

2）三角測量法

并存在下列公式：

由式能夠確定圓心

點的坐標和半徑

。同理對A，B，∠ADB和B，C，∠BDC分別確定相應的圓心

、半徑

、圓心

和半徑

。最后利用三邊測量法，確定D點坐標。5.2.2節點定位技術

3）極大似然估計法

極大似然估計法如圖，已知1，2，3等n個節點的坐標和它們到節點D的距離，假設節點D的坐標為（x,y）

。那么，存在下列公式：從第一個方程開始分別減去最后一個方程，得：5.2.2節點定位技術

3）極大似然估計法線性方程表示方式為：AX=b，其中：使用標準的最小均方差估計方法可以得到節點D的坐標為：5.2.2節點定位技術

在傳感器網絡中，定位算法通常有以下幾種分類：（1）基于距離的定位算法和距離無關的定位算法（2）遞增式的定位算法和并發式的定位算法（3）基于信標節點的定位算法和無信標節點的定位算法

在基于距離的定位中，測量節點間距離或方位時采用的方法有TOA，TDOA，RSSI和AOA等5.2.2節點定位技術

2.基于TOA的定位

設兩個節點間時間同步，發送節點的揚聲器模塊在發送偽噪聲序列信號的同時，無線電模塊通過無線電同步消息通知接收節點偽噪聲序列信號發送的時間，接收節點的麥克風模塊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發送節點和接收節點之間的距離。節點在計算出距離多個鄰近信標節點的距離后，可以利用三邊測量算法或極大似然估計算法計算出自身位置。5.2.2節點定位技術

3.基于TDOA的定位

在基于到達時間差TDOA的定位機制中，發射節點同時發射兩種不同傳播速度的無線信號，接收節點根據兩種信號到達的時間差以及已知這兩種信號的傳播速度，計算兩個節點之間的距離，再通過已有基本的定位算法計算出節點的位置。

發射節點同時發射無線射頻信號和超聲波信號，接收節點記錄兩種信號到達的時間

，已知無線射頻信號和超聲波的傳播速度

，那么兩點之間的距離為(T2-T1)×S，其中S=C1C2/(C1-C2)。5.2.2節點定位技術

4.基于AOA的定位在基于到達角度AOA的定位機制中，接收節點通過天線陣列或多個超聲波接收機感知發射節點信號的到達方向，計算接收節點和發射節點之間的相對方位或角度，再通過三角測量法計算出節點的位置。接收節點通過麥克風陣列，感知發射節點信號的到達方向。下面以每個節點配有兩個接收機為例，簡單闡述AOA測定方位角和定位的實現過程，定位過程可分為三個階段。5.2.2節點定位技術

5.基于RSSI的定位

在基于接收信號強度指示RSSI的定位中，已知發射節點的發射信號強度，接收節點根據收到信號的強度，計算出信號的傳播損耗，利用理論和經驗模型將傳輸損耗轉化為距離，再利用已有的算法計算出節點的位置。

雖然在實驗環境中RSSI表現出良好的特性，但是在現實環境中，溫度、障礙物、傳播模式等條件往往都是變化的，使得該技術在實際應用中仍然存在困難。5.2.3時間同步技術在分布式系統中，不同的節點都有自己的本地時鐘。由于不同節點的晶體振蕩器頻率存在偏差，以及溫度變化和電磁波干擾等，即使在某個時刻所有節點都達到時間同步，它們的時間也會逐漸出現偏差，而分布式系統的協同工作需要節點間的時間同步，因此時間同步機制是分布式系統基礎框架的一個關鍵機制。傳感器網絡的時間同步機制的主要性能參數如下：（1）最大誤差（2）同步期限（3）同步范圍（4）可用性（5）效率（6）代價和體積5.2.3時間同步技術

兩種同步機制1.網絡時間協議NTP在傳統網絡中提出了多種網絡時間同步機制，C/S模式是其中一種常用的時間同步模式。時間服務器周期性地向客戶端發送時間同步消息，同步消息中包含服務器的當前時間。

如果服務器到客戶端的典型延遲相對期望精度小，只需要一個時間同步消息就能實現客戶端與服務器之間的時間同步。5.2.3時間同步技術

為了詳細分析時間同步誤差，在從發送節點到接收節點之間的關鍵路徑上，把消息傳輸延遲細分為四個部分。第一，發送時間；第二，訪問時間；第三，傳播延遲；第四，接收時間。5.2.3時間同步技術2.RBS機制的基本原理

RBS時間同步機制通過接收節點對時抵消發送時間和訪問時間。

發送節點廣播一個信標分組，廣播域中兩個節點都能夠接收到這個分組。每個接收節點分別根據自己的本地時間記錄接收到信標分組的時刻，然后交換它們記錄的信標分組接收時間。

兩個接收時間的差值相當于兩個接收節點間的時間差值，其中一個接收節點可以根據這個時間差值更改它的本地時間，從而達到兩個接收節點的時間同步。5.2.4安全技術傳感器網絡的安全和一般網絡安全的出發點是相同的，都要解決如下問題：（1）機密性問題。（2）點到點的消息認證問題。（3）完整性鑒別問題。（4）新鮮性問題。（5）認證組播/廣播問題。（6）安全管理問題。5.2.4安全技術傳感器網絡安全問題的解決思路和方法與傳統網絡安全問題不同，這主要是由網絡自身的特點決定的：（1）有限的存儲空間和計算能力（2）缺乏后期節點布置的先驗知識（3）布置區域的物理安全無法保證（4）有限的帶寬和通信能量（5）不僅是點到點的安全，更是整個網絡的安全（6）應用相關性5.2.4安全技術網絡層次攻擊方法防御手段物理層擁塞攻擊（jamming）寬頻（跳頻）、優先級消息、低占空比、區域映射、模式轉換物理破壞（tampering）破壞證明、節點偽裝和隱藏鏈路層碰撞攻擊（collision）糾錯碼耗盡攻擊（exhaustion）設置競爭門限非公平競爭（unfairness）使用短幀策略和非優先級策略網絡層丟棄和貪婪破壞（neglectandgreed）使用冗余路徑、探測機制匯聚節點攻擊（homing）使用加密和逐跳認證機制方向誤導攻擊（misdirection）出口過濾；認證、監視機制黑洞攻擊（blackholes）認證、監視、冗余機制傳輸層洪泛攻擊（flooding）客戶端謎題失步攻擊（desynchronization）認證下面詳細分析了傳感器網絡在網絡協議棧的各個層次中可能受到的攻擊方法和主要防御手段。5.3無線傳感器網絡的通信協議5.3.1無線傳感器網絡的路由協議

5.3.2無線傳感器網絡的MAC協議4.3.1無線傳感器網絡的路由協議路由是把信息從信息源穿過網絡傳遞到目的地的行為。路由技術:決定最優路徑和傳輸數據包。路由器是網絡間的連接設備，它的重要工作之一是路徑選擇。路由包含兩個基本的動作：確定最佳路徑和通過網絡傳輸信息。路由協議負責將數據分組從源節點通過網絡轉發到目的節點，它主要包括兩個方面的功能：尋找源節點和目的節點間的優化路徑，將數據分組沿著優化路徑正確轉發。5.3.1無線傳感器網絡的路由協議（1）路徑選擇（2）交換交換算法相對而言較簡單，對大多數路由協議而言是相同的，多數情況下，某主機決定向另一個主機發送數據，通過某些方法獲得路由器的地址后，源主機發送指向該路由器的物理地址的數據包，其協議地址是指向目的主機的。5.3.1無線傳感器網絡的路由協議無線傳感器網絡的路由協議具有以下特點：（1）能量優先。（2）基于局部拓撲信息。（3）以數據為中心。（4）應用相關。針對傳感器網絡路由機制的上述特點，在根據具體應用設計路由機制時，要滿足下面的傳感器網絡路由機制的要求：（1）能量高效。（2）可擴展性。（3）魯棒性。（4）快速收斂性。5.3.1無線傳感器網絡的路由協議根據不同應用對傳感器網絡各種特性的敏感度不同，將路由協議分為四種類型。

四種類型的路由協議分別是：（1）能量感知路由協議。（2）基于查詢的路由協議。（3）地理位置路由協議。（4）可靠的路由協議。5.3.2無線傳感器網絡的MAC協議

在無線傳感器網絡中，介質訪問控制（MediumAccessControl，MAC）協議決定無線信道的使用方式，在傳感器節點之間分配有限的無線通信資源，用來構建傳感器網絡系統的底層基礎結構。在設計無線傳感器網絡的MAC協議時，需要著重考慮以下幾個方面：（1）節省能量。（2）可擴展性。（3）網絡效率。5.3.2無線傳感器網絡的MAC協議目前針對不同的傳感器網絡應用，研究人員從不同方面提出了多個MAC協議，但對傳感器網絡MAC協議還缺乏一個統一的分類方式。可以按照下列條件分類MAC協議：第一，采用分布式控制還是集中控制；第二，使用單一共享信道還是多個信道；第三，采用固定分配信道方式還是隨機訪問信道方式。5.3.2無線傳感器網絡的MAC協議按照第三種分類方法，將傳感器網絡的MAC協議分為三類：（1）采用無線信道的時分復用方式（TimeDivisionMultipleAccess，TDMA），給每個傳感器節點分配固定的無線信道使用時段，從而避免節點之間的相互干擾；（2）采用無線信道的隨機競爭方式，節點在需要發送數據時隨機使用無線信道，重點考慮盡量減少節點間的干擾；（3）其他MAC協議，如通過采用頻分復用或者碼分復用等方式，實現節點間無沖突的無線信道的分配。5.4無線傳感器網絡的技術標準 5.4.1IEEE802.15.4標準 5.4.2ZigBee協議規范 5.4.1IEEE802.15.4標準IEEE802.15工作組內有四個任務組，分別制定適合不同應用的標準。這四個標準如下.802.15.1本質上只是藍牙低層協議的一個正式標準化版本。802.15.2是對藍牙和802.15.1的一些改變，其目的是減輕與802.11b和802.11g網絡的干擾。802.15.3也稱WiMedia，旨在實現高速率。最初它瞄準的是消費類器件，如電視機和數碼照相機等。IEEE802.15.4是一個低速率無線個人局域網標準。這種低速率無線個人局域網的網絡結構簡單、成本低廉、具有有限的功率和靈活的吞吐量。低速率無線個人局域網的主要目標是實現安裝容易、數據傳輸可靠、短距離通信、極低的成本、合理的電池壽命，并且擁有一個簡單而且靈活的通信網絡協議。5.4.1IEEE802.15.4標準為了使供應商能夠提供最低可能功耗的設備，IEEE（電氣及電子工程師學會）定義了兩種不同類型的設備：一種是完整功能設備,另一種是簡化功能設備。5.4.1IEEE802.15.4標準IEEE802.15.4定義的LR-WPAN網絡中具有兩種拓撲結構：星型網拓撲對等網拓撲。5.4.1IEEE802.15.4標準IEEE802.15.4標準中給出了兩種物理層定義：低頻段：868.0MH~858.6MHz（歐洲）以及902MHz~928MHz（美洲大部分和太平洋地區）高頻段：2.400GHz~2.485GHz（全世界范圍）5.4.2ZigBee協議規范

ZigBee的技術優勢如下。（1）低功耗。（2）低成本