第一章無線傳感網技術概論無線傳感網技術與設計目錄無線傳感網體系結構無線傳感網主要特征無線傳感網關鍵技術無線傳感網的應用無線傳感網發展與現狀2第一節無線傳感網體系結構1.無線傳感網網絡結構2.無線傳感器節點結構3.無線傳感器協議棧3第一節無線傳感網體系結構

-----無線傳感網網絡結構無線傳感網是由一組無線傳感器節點以AdHoc（自組織）方式組成的無線網絡，其目的是協作地感知、收集和處理傳感網所覆蓋的地理區域中感知對象的信息，并傳遞給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者構成了無線傳感網的三個要素4第一節無線傳感網體系結構

-----無線傳感網網絡結構典型的無線傳感網體系結構由分布式傳感器節點群組成5第一節無線傳感網體系結構

-----無線傳感網網絡結構分布式的無線傳感網多為分簇形式，將傳感器節點分成多個簇，每個簇存在一個簇頭節點，負責簇內節點的管理和數據融合，基于分簇結構的無線傳感網的體系結構如圖所示6第一節無線傳感網體系結構

-----無線傳感器節點結構無線傳感器節點是一個微型化的嵌入式系統，它構成了無線傳感網的基礎層支持平臺。典型的傳感器節點由數據采集的感知單元、數據處理和存儲單元、通信收發的傳輸單元和節點供電的能源供給單元四個部分組成7第一節無線傳感網體系結構

-----無線傳感器節點結構感知單元由傳感器和A/D轉換器組成，負責感知監控對象的信息；能源供給單元負責供給節點工作所消耗的能量，一般為小體積的電池；傳輸單元完成節點間的信息交互通信工作，一般為無線電收發裝置，有物理層收發器、MAC層協議、網絡層路由協議組成；處理單元包括存儲器、微處理器和應用部分，負責控制整個傳感器節點的操作，存儲和處理本身采集的數據以及其他節點發來的數據8第一節無線傳感網體系結構

-----無線傳感器協議棧協議棧由應用層、傳輸層、網絡層、數據鏈路層、物理層，功率管理平面、移動管理平面、任務管理平面組成9第二節無線傳感網主要特征1.不同于移動自組網2.不同于現場總線網絡3.無線傳感器節點的限制4.無線傳感網的特點5.短距離無線通信技術6.廣域網無線通信技術10第二節無線傳感網主要特征

------不同于移動自組網移動自組網(MobileAdHocNetworks)或移動AdHoc網絡是一個由幾十到上百個節點組成、采用無線通信方式、動態組網的多跳移動性對等網絡。其目的是通過動態路由和移動管理技術傳輸具有服務質量要求的多媒體信息流，通常其節點具有持續的能量供給。11第二節無線傳感網主要特征

------不同于移動自組網無線傳感網無線自組織網絡之間的主要區別有以下幾點：●在網絡節點規模方面，無線傳感網包含的節點數量比AdHoc網絡高幾個數量級；●在網絡節點分布密度方面，因節點冗余的要求和部署的原因，無線傳感網節點的分布密度很大；●在網絡節點處理能力方面，AdHoc網絡的處理能力較強，而無線傳感網節點固定，處理能力、存儲能力和通信能力都有限；●在網絡拓撲結構方面，AdHoc網絡是由于節點的移動而產生的，而無線傳感器網是由于節點休眠、環境干擾或節點故障而產生的；●在通信方式方面，無線傳感網節點主要使用廣播通信，而AdHoc網絡節點采用點對點通信；●由于無線傳感網節點數量的原因，節點沒有統一的標識；●無線傳感網以數據為中心。12第二節無線傳感網主要特征

------不同于現場總線網絡現場總線是應用在生產現場和微機化測量控制設備之間，實現雙向串行多節點數字通信的系統，也被稱為開放式、數字化、多點通信的底層控制網絡?，F場總線可實現整個企業的信息集成，實現綜合自動化，形成工廠底層網絡，完成現場自動化設備之間的多點數字通信，實現底層現場設備之間和生產現場與外界的信息交換。目前市場上較為流行的現場總線有CAN（控制局域網絡)、Lonworks(局部操作網絡)、Profibus(過程現場總線)、HART(可尋址遠程傳感器數據通信)和FF(基金會現場總線)等。13第二節無線傳感網主要特征

------不同于現場總線網絡由于嚴格的實時性要求，這些現場總線的網絡構成通常是有線的。在開放式通信系統互聯參考模型中，它利用的只有第一層物理層、第二層鏈路層和第七層應用層，避開了多跳通信和中間節點的關聯隊列延遲由于現場總線是通過報告傳感數據從而控制物理環境的，所以從某種程度上說它與傳感網非常相似，甚至可以將天線傳感網看作是無線現場總線的實例。但是兩者的區別是明顯的。無線傳感網關注的焦點不是數十毫秒范圍內的實時性，而是具體的業務應用，這些應用能夠容許較長時間的延遲和抖動。14第二節無線傳感網主要特征

------無線傳感器節點的限制1、電源能量有限2、通信能力有限3、計算和存儲能力有限15第二節無線傳感網主要特征

------無線傳感網的特點1.無線傳感網規模大，密度高2.傳感器節點的能量、計算能力和存儲容量有限3.無線傳感網的拓撲結構易變化，具有自組織能力4.網絡的自動管理和高度協作性5.傳感器節點具有數據融合能力6.以數據為中心的網絡7.安全性問題嚴重16第二節無線傳感網主要特征

------短距離無線通信技術1．IrDA技術2．藍牙技術3.Wi-Fi技術4．RFID技術5．UWB技術6．ZigBee技術17第二節無線傳感網主要特征

------廣域網無線通信技術1.GPRS和EDGE2.WiMAX3.3G4.LTE18第三節無線傳感網關鍵技術1.網絡拓撲控制技術2.網絡通信協議3.網絡安全技術4.時間同步技術5.節點定位技術6.數據融合技術7.數據管理技術8.無線通信技術9.嵌入式操作系統10.應用層技術19第四節無線傳感網的應用1．軍事應用2．環境監測3．工業應用4．智能家居5．智能醫療6．建筑物和大型設備安全狀態的監控7．應急援救8．其他方面的應用20第五節無線傳感網發展與現狀無線傳感網發展的三個階段第一階段：傳統的傳感器系統第二階段：傳感網節點集成化第三階段：多跳自組網無線傳感網的發展趨勢1．無線多媒體傳感網2．泛在傳感網3．基于認知功能的傳感網4．基于超寬帶技術的無線傳感網5．基于協作通信技術的無線傳感網21第二章WSN關鍵技術無線傳感網技術與設計目錄WSN定位技術時間同步技術安全技術數據融合技術WSN數據管理技術無線傳感網MAC協議無線傳感網路由協議23第一節WSN定位技術（目錄）1.1定位技術概述1.2定位算法的分類1.3測距方法1.4節點定位計算方法1.5無需測距的定位算法24第一節WSN定位技術

-----定位技術概述WSN的定位問題一般指對于一組未知位置坐標的網絡節點，依靠有限的位置已知的錨節點，通過測量未知節點至其余節點的距離或跳數，或者通過估計節點可能處于的區域范圍，結合節點間交換的信息和錨節點的已知位置，來確定每個節點的位置。傳感器節點分為信標節點（beaconnode）或錨點（anchor）和未知節點（unknownnode）。25第一節WSN定位技術

-----定位技術概述

WSN定位算法特點●自組織性。傳感器網絡的節點隨機分布，不能依靠全局的基礎設施協助定位。●健壯性。傳感器節點的硬件配置低、能量少、可靠性差、測量距離時會產生誤差，算法必須具有良好的容錯性?！衲芰扛咝А１M可能地減少算法中計算的復雜性，減少節點間的通信開銷，以盡量延長網絡的生存周期。通信開銷是傳感器網絡的主要能量開銷。●分布式計算。每個節點盡量計算自身位置，不能將所有信息傳送到某個節點進行集中計算。26第一節WSN定位技術

-----定位技術概述定位技術的基本術語●鄰居節點（NeighborNodes）●跳數（HopCount）●跳段距離（HopDistance）●接收信號強度指示（ReceivedSignalStrengthIndicator，RSSI）●到達時間（TimeofArrival，TOA）●到達時間差（TimeDifferenceofArrival，TDOA）●到達角度（AngleofArrival，AOA）●視線關系（LineofSight，LOS）●非視線關系（NonLineofSight，NLOS）●基礎設施（Infrastructure）：27第一節WSN定位技術

-----定位技術概述定位性能的評價指標定位精度覆蓋范圍刷新速度功耗代價節點密度容錯性和自適應性28第一節WSN定位技術

-----定位算法的分類1．基于測距技術的定位和無需測距技術的定位2．基于錨節點的定位算法和非基于錨節點的定位算法3．物理定位與符號定位4．遞增式定位算法和并發式定位算法5．緊密耦合與松散耦合6．集中式計算與分布式計算7．粗粒度與細粒度8．絕對定位與相對定位9．三角測量、場景分析和接近度定位29第一節WSN定位技術

-----測距方法（接收信號強度指示法）接收信號強度(ReceivcdSignalStrengthIndicator，RSSI)指示法是接收機通過測量射頻信號的能量來確定與發送機的距離。無線信號的發射功率和接收功率之間的關系為

:Pr=Pt/rn

其中，Pr是無線信號的接收功率；Pt是無線信號的發射功率；r是收發節點之間的距離；n是傳播因子，其數值取決于無線信號傳播的環境。如果將功率轉換為分貝(dBm)的表達形式，可以直接寫成：Pr(dBm)=Pt(dBm)-10nlgr30第一節WSN定位技術

-----測距方法（到達時間法）到達時間法(TimeofArrival，TOA)，通過測量信號傳輸時間來估算兩節點之間的距離，精度較好。缺點是無線信號的傳輸速度快，時間測量上的很小誤差可導致很大的距離誤差值，另外要求傳感器節點的計算能力較強。31第一節WSN定位技術

-----測距方法（到達時間法）一種用來測量信號傳輸所用時間的方法是測量信號單向傳播時間。另外一種方法是測量信號往返時間差，接收節點在收到信號后直接發回，發送節點測量收發的時間差，由于僅使用發送節點的時鐘，因此避免節點間時間同步的要求。最近精確測量TOA時間的一個趨勢是使用超寬帶(UWB)。32第一節WSN定位技術

-----測距方法（到達時間差法）到達時間差法(TimeDifferenceofArrival，TDOA)是測量不同的接收節點接收到同一個發射信號的時間差。33第一節WSN定位技術

-----測距方法（到達角法）到達角法(AngIeofArrival，AOA)，通過配備天線陣列或多個接收器來估測其它節點發射的無線信號的到達角度。它的硬件要求較高，每個節點要安裝昂貴的天線陣列和超聲波接收器。34第一節WSN定位技術

-----節點定位計算方法（三邊定位法）三邊定位法：已知A、B、C三個節點的坐標分別為(xa,ya)、(xb,yb)、(xc,yc)，以及它們到未知節點D的距離分別為da、db、dc，假設節點D的坐標為(x,y)。那么存在下列公式：35第一節WSN定位技術

-----節點定位計算方法（三角定位法）三角定位法原理如圖所示，已知A、B、C三個節點的坐標分別為(xa,ya)、(xb,yb)、(xc,yc)，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)。36第一節WSN定位技術

-----節點定位計算方法（三角定位法）對于節點A、C和角∠ADC，如果弧段AC在△ABC內，那么能夠唯一確定一個圓，設圓心為O1(xo1,yo1)，半徑為r1，那么角α=∠AO1C=2π-2∠ADC，并存在下列公式：37第一節WSN定位技術

-----節點定位計算方法（極大似然估計法）極大似然估計法(maximumlikelihoodestimation，MLE)如圖所示，己知1、2、3、…等n個節點的坐標分別為(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)、…、(xn,yn)，它們到未知節點的距離分別為d1、d2、d3、…、dn，假設未知節點的坐標為(x,y)，那么存在下列公式：38第一節WSN定位技術

-----無需測距的定位算法無需測距的定位技術不需要直接測量距離和角度信息。它不是通過測量節點之間的距離來定位的，而是僅根據網絡的連通性確定網絡中節點之間的跳數，同時根據已知位置的參考節點的坐標等信息估計出每一跳的大致距離，然后估計出節點在網絡中的位置。目前主要有兩類距離無關的定位方法：一類是先對未知節點和信標節點之間的距離進行估計，然后利用多邊定位等方法完成對其他節點的定位；另一類是通過鄰居節點和信標節點來確定包含未知節點的區域，然后將這個區域的質心作為未知節點的坐標。39第一節WSN定位技術

-----無需測距的定位算法（質心算法）在算術幾何學里，多邊形的幾何中心被稱為質心，多邊形頂點坐標的平均值就是質心節點的坐標。假設多邊形頂點位置的坐標向量表示為Pi=(xi,yi)T，則這個多邊形的質心坐標計算方法如下40第一節WSN定位技術

-----無需測距的定位算法（DV-Hop算法）距離向量-跳數（distancevector-hop，DV-Hop）算法定位機制非常類似于傳統網絡中的距離向量路由機制。在距離向量定位機制中，未知節點首先計算與信標節點的最小跳數，然后估算平均跳數的距離，利用最小跳數乘以平均每跳距離，得到未知節點與信標節點之間的估計距離，再利用三邊定位法或極大似然估計法計算未知節點的坐標。DV-Hop算法的定位過程分為以下三個階段：（1）計算未知節點與信標節點的最小跳數（2）計算未知節點與信標節點的實際跳數距離（3）利用三邊定位法或極大似然估計法計算自身位置41第一節WSN定位技術

-----無需測距的定位算法（DV-Distance算法）DV-Distance算法類似于DV-Hop算法，它們之間的區別就在于：DV-Hop算法是通過節點的平均每跳距離和跳數算出節點間的距離，而DV-Distance算法是通過節點間使用射頻通信來測量出節點間的距離，即利用RSSI來測量節點間的距離，然后再應用三角定位法計算出節點的位置。42第一節WSN定位技術

-----無需測距的定位算法（APIT算法）近似三角形內點測試法（approximatepoint-intriangulationtest，APIT），首先確定多個包含未知節點的三角形區域，這些三角形區域的交集是一個多邊形，它確定了更小的包含未知節點的區域；然后計算這個多邊形區域的質心，并將質心作為未知節點的位置。APIT定位具體步驟：●收集信息：未知節點收集鄰近信標節點的信息，如位置、標識號、接收到的信號強度等，鄰居節點之間交換各自接收到的信標節點的信息?！馎PIT測試：測試未知節點是否在不同的信標節點組合成的三角形內部?！裼嬎阒丿B區域：統計包含未知節點的三角形，計算所有三角形的重疊區域?！裼嬎阄粗濣c位置：計算重疊區域的質心位置，作為未知節點的位置。43第二節時間同步技術（目錄）2.1時間同步概述2.2RBS同步協議2.3Tiny-sync/Mini-sync算法2.4TPSN時間同步協議2.5

LTS算法44第二節時間同步技術

------時間同步概述無線傳感網的同步管理主要是指時間上的同步管理。無線傳感網時間同步機制的意義和作用主要體現在如下兩方面：首先，傳感器節點通常需要彼此協作，去完成復雜的監測和感知任務。其次，傳感網的一些節能方案是利用時間同步來實現的。45第二節時間同步技術

------時間同步概述將消息在WSN節點間傳遞的過程分解成不同的階段是對時間同步問題研究的關鍵，一條消息在WSN節點間的傳遞過程可分解成以下六個部分。●

SendTime：發送節點構造一條消息所需要的時間，包括內核協議處理和緩沖時間等，它取決于系統調用開銷和處理器當前負載?！馎ccessTime：消息等待傳輸信道空閑所需時間，即從等待信道空閑到消息發送開始時的延遲，它取決于網絡當前負載狀況?！馮ransmissionTime：發送節點按位(bit)發射消息需時間，該時間取決于消息長度和發射速率?！馪ropagationTime：消息在兩個節點之間傳輸介質中的傳播時間，該時間主要取決于節點間的距離(電磁波在空氣中的傳播速率是一定的)?！馬eceptionTime：接收節點按位(bit)接收消息并傳遞給MAC層的時間，這個過程和(3)相對應?！馬eceiveTime：接收節點重新組裝消息并傳遞給上層應用所需的時間。46第二節時間同步技術

------時間同步概述WSN時間同步方案設計的目的是為網絡中節點的本地時鐘提供共同的時間戳。評價一個WSN時間同步算法的性能，一般包含網絡能量效率、可擴展性、精確度、健壯性、壽命、有效范圍、成本和尺寸、直接性等指標。目前幾種成熟的傳感網時間同步協議是：RBS（ReferenceBroadcastSynchronization，RBS)、Tiny-sync/Mini-Sync和TPSN(TimingsyncProtocolforSensorNetworks，TPSN)。47第二節時間同步技術

------RBS同步協議RBS(ReferenceBroadcastSynchronization)算法，

是一個典型的接受者——接受者模式的同步算法。它是利用無線鏈路層廣播信道特點，一個節點發送廣播消息，在同一廣播域的其它節點同時接收廣播消息，并記錄該點的時間戳，之后接收節點通過消息交換它們的時間戳，通過比較和計算達到時間同步。48第二節時間同步技術

------RBS同步協議影響RBS機制性能的主要因素包括接收節點間的時鐘偏差、接收節點的非確定性因素、接收節點的個數等等。為了提高時間同步的精度，RBS機制采用了統計技術，通過多次發送參考消息，獲得接收節點之間時間差異的平均值。對于時鐘偏差問題，采用了最小平方的線性回歸方法進行線性擬合，直線的斜率就是兩個節點的時鐘偏差，直線上的點就表示節點間的時間差。49第二節時間同步技術

------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的時間同步算法。該算法假設每個時鐘能夠與固定頻率的振蕩器近似。Tiny-sync算法和Mini-sync算法采用傳統的雙向消息設計來估計節點時鐘間的相對漂移和相對偏移。Mini-sync算法是為了克服Tiny-sync算法中丟失有用數據點的缺點而提出的，該算法建立約束條件來確保僅丟掉將來不會有用的數據點，并且每次獲取新的數據點后都更新約束條件：因為只要Aj滿足m(Ai,Aj)>m(Ai,Ak)(1≤i<j<k)這個條件，就表示這個數據點是以后有用的數據點，這里m(A,B)表示通過點A和B的直線斜率。50第二節時間同步技術

------TPSN時間同步協議TPSN(Timing-SyncProtocolforSensorNetworks)算法是Ganeriwal等人提出的適用于WSN整個網絡范圍內的時間同步算法。該算法分兩步：分級和同步。第一步的目的是建立分級的拓撲網絡，每個節點有個級別。只有一個節點定為零級，叫做根節點。在第二步，i級節點與i-1級節點同步，最后所有的節點都與根節點同步，從而達到整個網絡的時間同步。51分級這個步驟在構建網絡拓撲的時候運行一次。首先根節點被確認，并作為傳感器網絡的網關節點，在根節點上可以安裝GPS接收器，網絡中所有的節點就可以與外部時間（物理時間）同步。根節點被定為零級，通過發送包含發送者本身級別的廣播分級數據包進行分級。根節點的相鄰節點收到這個包后，把自己定為一級。然后每個一級節點繼續廣播分級數據包52同步同步階段最基本的一部分就是兩個節點間雙向的消息交換。假設在單個消息交換的很小一段時間內，兩個節點的時鐘漂移是不變的。同步是由根節點的time-Sync信息包引起的，一級節點收到這個包后進行信息交換，每個節點等待隨機時間后繼續發送信息，從而把信道阻塞的可能性降到最低。一旦它們獲得根節點的回應，它們就調整本地時鐘與根節點同步。二級節點監聽一級節點和根節點的通信，與一級節點產生雙向消息交換，然后再一次等待隨機時間以保證一級節點完全同步。這個過程最終使得所有節點與根節點同步。53第二節時間同步技術

------LTS算法LTS(LightweightTree-BasedSynchronization)算法是Greunen和Rabaey提出的，與其他算法最大的區別是該算法的目的并不是提高精確度，而是減小時間同步的復雜度。該算法在具體應用所需要的時間同步精確度范圍內，以最小的復雜度來滿足需要的精確度。WSN的最大時間精確度相對較低(在幾分之一秒內)，所以能夠利用這種相對簡單的算法來進行時間同步。54第二節時間同步技術

------LTS算法Greunen和Rabaey提出了兩種用于多跳網絡同步的LTS算法：第一種算法是集中式算法，首先要構造樹狀圖，然后沿著樹的n-1個葉子邊緣進行成對同步。第二種多跳LTS算法通過分布式方法實現全網范圍內的同步。每個節點決定自己同步的時間，算法中沒有利用樹結構。55第三節安全技術（目錄）3.1安全技術概述3.2WSN安全問題分析3.3WSN安全防護技術56第三節安全技術

------安全技術概述實現傳感器網絡安全的限制因素包括兩個方面，一是傳感器節點本身的限制，包括電池能量的限制，節點CPU、內存、存儲容量方面的限制，以及缺乏足夠的篡改保護等；另一個方面是無線網絡本身的限制，包括通信帶寬、延時、數據包的大小等方面的限制。57第三節安全技術

------安全技術概述●信道的脆弱性。不需要物理基礎網絡部件，惡意攻擊者可以輕易地進行網絡監聽和發送偽造的數據報文?！窆濣c的脆弱性。傳感器節點一般布置在敵對或者無人看管的區域，傳感器節點的物理安全沒有多大保證，攻擊者很容易攻占節點，且節點沒有防篡改的安全部件，易被攻擊者利用。●弱安全假設。一般情況下，傳感器節點很可能被攻擊者獲取，而且傳感器網絡的防護機制很弱，可能會泄露存放在節點上的密鑰?！駸o固定結構。從安全角度來看，沒有固定的結構使得一些傳統的安全技術難以應用。●拓撲結構動態變化。網絡拓撲的頻繁的動態變化，需要比較復雜的路由協議?！窬窒抻趯ΨQ密鑰技術。由于節點功能的局限性，只能使用對稱密鑰技術，而不能采用公鑰技術?！裥阅芤蛩?。無線傳感器網絡，在考慮安全的同時，必須考慮一些其它的限制因素，性能是一個重要方面?！窆濣c的電源能量有限。58第三節安全技術

------安全技術概述WSN安全可歸納為以下幾個方面：(1)數據保密性。保密性是無線傳感器網絡軍事應用中的重要目標。(2)數據認證。信息認證對WSN的許多應用都非常重要。(3)數據完整性。完整性是無線傳感器網絡安全最基本的需求和目標。(4)數據實時性。所有的傳感器網絡測量的數據都是與時間有關的。(5)密鑰管理。為了實現、滿足上面的安全需求，需要對加密密鑰進行管理。(6)真實性(7)擴展性(8)可用性(9)自組織性(10)魯棒性59第三節安全技術

------WSN安全問題分析WSN協議棧由物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層組成。物理層主要處理信號的調制，發射和接收；數據鏈路層主要負責數據流的多路傳輸、數據幀檢測、媒介訪問控制和錯誤控制；網絡層主要考慮數據的路由；傳輸層用于維持給定的數據流；根據不同的應用，應用層上可使用不同的應用軟件。60第三節安全技術

------WSN安全問題分析1.物理層的攻擊與防御物理層中安全的主要問題由無線通信的干擾和節點的淪陷引起的。無線通信的干擾所引起的安全問題是:一個攻擊者可以用K個節點去干擾并阻塞N個節點的服務(K<N)。其次，節點淪陷是另一種類型的物理攻擊，攻擊者取得節點的秘密信息，從而可以代替這個節點進行通信。61第三節安全技術

------WSN安全問題分析2．鏈路層的攻擊與防御數據鏈路層或者介質訪問控制層為鄰居節點提供了可靠的通信通道。在介質訪問控制協議中，節點通過監測鄰居節點是否發送數據來確定自身是否能訪問通信信道，這種載波監聽方式特別容易遭到拒絕式服務攻擊(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）非公平競爭62第三節安全技術

------WSN安全問題分析3．網絡層的攻擊與防御無線傳感網中的每個節點既是終端節點，也是路由節點，更易受到攻擊。關于路由層的攻擊也更加復雜，首先看一下攻擊模型，根據攻擊能力的不同，可以將攻擊者分為兩類：塵埃級（Mote-Class）的攻擊和便攜電腦級（Laptop-Class）的攻擊。傳感器網絡網絡層遭受的攻擊可以歸為以下幾類：（1）虛假路由信息（2）選擇轉發（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63第三節安全技術

------WSN安全問題分析4．傳輸層的攻擊與防御傳輸層主要負責無線傳感器網絡與Internet或外部網絡端到端的連接。由于無線傳感器網絡節點的限制，節點無法保存維持端到端連接的大量信息，而且節點發送應答消息會消耗大量能量（1）洪泛攻擊與防御（2）可靠性攻擊與防御64第三節安全技術

------WSN安全問題分析5．應用層的攻擊與防御應用層提供了WSN的各種實際應用，因此也面臨各種安全問題。密鑰管理和安全組播為整個WSN的安全機制提供了安全支撐。WSN中采用對稱加密算法、低能耗的認證機制和Hash函數。65第三節安全技術

------WSN安全防護技術無線傳感網安全實質上就是要防止各種類型的攻擊、實現無線傳感網的安全目標。WSN的安全技術大體可分為密碼技術、密鑰管理、路由安全、位置意識安全和數據融合安全。66第三節安全技術

------WSN安全防護技術（密碼技術）密碼技術是WSN安全的基礎，也是所有網絡安全實現的前提?！窦用芗夹g。加密是一種基本的安全機制，它把傳感器節點間的通信消息轉換為密文，形成加密密鑰，這些密文只有知道解密密鑰的人才能識別?！裢暾詸z測技術。完整性檢測技術用來進行消息的認證，是為了檢測因惡意攻擊者竄改而引起的信息錯誤?！裆矸菡J證技術。身份認證技術通過檢測通信雙方擁有什么或者知道什么來確定通信雙方的身份是否合法。●數字簽名。數字簽名是用于提供服務安全機制的常用方法之一。67第三節安全技術

------WSN安全防護技術（密鑰確立和管理）密碼技術是網絡安全構架十分重要的部分，而密鑰是密碼技術的核心內容。密鑰確立需要在參與實體和加密鑰計算之間建立信任關系，信任建立可以通過公開密鑰或者秘密密鑰技術來實現。密鑰管理協議分為預先配置密鑰協議、仲裁密鑰協議和自動加強的自治密鑰協議。68第三節安全技術

------WSN安全防護技術（密鑰確立和管理）●預先配置密鑰(1)整個網絡范圍的預先配置密鑰。WSN所有節點在配置前都要裝載同樣的密鑰。(2)明確節點的預先配置密鑰。在這種方法中，網絡中的每個節點需要知道與其通信的所有節點的ID號，每兩個節點間共享一個獨立的密鑰。(3)安全預先配置節點。在網絡范圍的預先配置節點密鑰方法中，任何一個危險節點都會危及整個網絡的安全。而在明確節點預先配置中，盡管有少數危險節點互相串接，但整個網絡不會受到影響。69第三節安全技術

------WSN安全防護技術（密鑰確立和管理）●仲裁密鑰協議仲裁協議包含用于確立密鑰的第三個信任部分。根據密鑰確立的類型，協議被分為秘密密鑰和公開密鑰。標準的秘密密鑰協議發展成密鑰分配中心(KDC)或者密鑰轉換中心。成對密鑰確立協議可以支持小組節點的密鑰建立。有一種分等級的密鑰確立協議叫做分層邏輯密鑰(LKH)。在這種協議中，一個第三信任方(TTP)在網絡的底層用一組密鑰創建一個分層邏輯密鑰，然后利用加密密鑰(KEK)形成網絡的內部節點。70第三節安全技術

------WSN安全防護技術（密鑰確立和管理）●自動加強的自治密鑰協議(1)成對的不對稱密鑰。該種協議基于公共密鑰密碼技術。每個節點在配置之前，在其內部嵌入由任務權威授予的公共密鑰認證。(2)組密鑰協議。在WSN節點組中確立一個普通密鑰，而不依賴信任第三方。這種協議也是基于公共密鑰密碼技術的，包括以下幾種：①簡單的密鑰分配中心。支持使用復合消息的小組節點。由于它不提供迅速的保密措施，所以它適合路由方面的應用。②Diffie-Hellman組協議。該協議確保一組節點中的每個節點都對組密鑰的值做出貢獻。③特征密鑰。此協議規定只有滿足發送消息要求特征的節點才能計算共享密鑰，從而解密給定的消息。特征包括位置、傳感器能力等。71第三節安全技術

------WSN安全防護技術（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先分配方案的一種改進，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了網絡的連通性、存儲器的實用性以及抵御節點捕獲的能力，與前面提到的密鑰管理方案相比更適合于大型無線傳感器網絡。72第三節安全技術

------WSN安全防護技術（路由安全）WSN路由協議有多種，它們受到的攻擊種類也不同。了解這些攻擊種類，才能在協議中加入相應的安全機制，保護路由協議的安全。針對不同的協議攻擊，WSN提出了一系列的反措施，包括鏈路層加密和認證、多路徑路由行程、身份確認、雙向連接確認和廣播認證。73第三節安全技術

------WSN安全防護技術（數據融合安全）WSN中有大量的節點，會產生大量的數據。如何把這些數據進行分類，集合出在網絡中傳輸的有效數據并進行數據身份認證是數據融合安全所要解決的問題。●數據集合數據集合通過最小化多余數據的傳輸來增加帶寬使用和能量利用?！駭祿J證數據認證是WSN安全的基本要求之一。網絡中的消息在傳輸之前都要強制認證，否則敵手能夠輕松地將偽造的消息包注入網絡，從而耗盡傳感器能量，使整個網絡癱瘓。74第三節安全技術

------WSN安全防護技術（數據融合安全）數據認證可以分為三類：(1)單點傳送認證，用于兩個節點間數據包的認證。使用的是對稱密鑰協議，數據包中包含節點間共享的密鑰作為雙方身份認證。(2)全局廣播認證，用于基站與網絡中所有節點間數據包的認證。μTESLA是一種特殊的全局廣播認證，適合于有嚴格資源限制的環境。(3)局部廣播認證，支持局部廣播消息和消極參與。局部廣播消息是由時間或事件驅動的。75第四節數據融合技術（目錄）4.1數據融合技術概述4.2數據融合模型4.3基于路由的數據融合4.4基于反向組播樹的數據融合4.5數據融合技術的主要算法76第四節數據融合技術

-----數據融合技術概述

數據融合也被稱作信息融合，是一種多源信息處理技術。它通過對來自同一目標的多源數據進行優化合成，獲得比單一信息源更精確、完整的估計或判斷。多傳感器數據融合是一種多層次、多方面的處理過程，這個過程是對多源數據進行檢測、互聯、相關、估計和組合，并以更高的精度、較高的置信度得到目標的狀態估計和身份識別，以及完整的勢態估計和威脅評估，為用戶提供有用的決策信息。77第四節數據融合技術

-----數據融合技術概述采用傳感網數據融合技術的數據采集功能相比傳統方法具有如下優勢。（1）增加了測量維數，增加了置信度和容錯功能，并改進了系統的可靠性和可維護性。（2）提高了精度。在傳感器的測量中，不可避免地存在著各種噪聲，而同時使用描述同一特征的多個不同信息，可以減少這種由測量不精確所引起的不確定性，顯著提高系統的精度。（3）擴展了空間和時間的覆蓋度，提高了空間分辨率和適應環境的能力。（4）改進了探測性能，增加了響應的有效性，降低了對單個傳感器的性能要求，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，可以用多個較廉價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的成本。78第四節數據融合技術

-----數據融合技術概述在無線傳感網中，數據融合主要作用在于節省真個網絡的能量，增強所收集數據的準確性，以及提高收集數據的效率三個方面。79第四節數據融合技術

-----數據融合模型數據融合模型可以分為數據包級融合結構模型和跟蹤級融合結構模型。1.數據包級融合模型根據數據進行融合操作前后的信息含量，可以將數據融合分為無損融合（losslessaggregation）和有損融合（lossyaggregation）兩類。80第四節數據融合技術

-----數據融合模型（1）無損融合在無損融合中，所有的細節信息均被保留，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。如果將多個數據分組打包成一個數據分組，而不改變各個分組所攜帶的數據內容，那么這種融合方式就屬于無損失融合。（2）有損融合有損融合通常會省略一些細節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，信息損失的上限是融合后的數據要保留應用所必需的全部信息量。81第四節數據融合技術

-----數據融合模型2.跟蹤級融合模型在無線傳感網絡中大量的感知數據從多個源節點向匯聚節點傳送，從信息流通形式和網絡節點處理的層次看，跟蹤級融合模型可以分為集中式結構模型和分布式結構模型。82第四節數據融合技術

-----數據融合模型（1）集中式機構模型集中式結構模型的特點是匯聚節點發送有關數據的興趣或查詢，具有相關數據的多個源節點直接將數據發送給匯聚節點，最后匯聚節點進行數據的處理，83第四節數據融合技術

-----數據融合模型（2）分布式結構模型分布式結構模型也就是所說的網內數據融合，如圖所示，源節點發送的數據經中間節點轉發時，中間節點查看數據包的內容，進行相應的數據融合后再傳送到匯聚節點，由匯聚節點實現數據的綜合。84第四節數據融合技術

-----基于路由的數據融合1.基于查詢路由的數據融合以定向擴散（DirectedDiffusion，DD）為代表的查詢路由，其中的數據融合主要是在其數據傳播階段進行，所采用的是抑制副本的方法，即對轉發過來的數據進行緩存，若發現重復的數據將不予轉發，這樣不僅簡單易行，還能有效地減輕網絡的數據流量。2.基于分層路由的數據融合以LEACH為代表的分層路由，使用分簇的方法使得數據融合的操作過程更為便利。每個簇頭在收到本簇成員的數據后進行數據融合處理，并將結果發送給匯聚節點3.基于鏈式路由的數據融合鏈式路由PEGASIS對LEACH中的數據融合進行了改進。85第四節數據融合技術

-----基于反向組播樹的數據融合無線傳感網的數據融合是多個源節點向一個匯聚節點發送數據的過程，可以認為是一個反向組播樹的構造過程。匯聚節點在收集數據時通過反向組播樹的形式從分散的傳感器節點逐步匯集監測數據。反向組播樹上的每個中間節點都對收到的數據進行數據融合，于是網內數據就得到了及時且最大限度的融合。（1）近源匯集

(centeratnearestsource，CNS)

（2）最短路徑樹(shortestpathstree，SPT)

（3）貪婪增量樹(greedyincrementaltree，GIT)86第四節數據融合技術

-----數據融合技術的主要算法1.綜合平均法2.卡爾曼濾波法3．貝葉斯估計法4．D-S證據推理法5．統計決策理論6.模糊邏輯法7．產生式規則法8．神經網絡方法87第五節

WSN數據管理技術（目錄）5.1系統結構5.2數據模型5.3數據存儲與索引技術88第五節

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----系統結構無線傳感網數據管理系統的結構主要有四種：集中式結構、半分布式結構、分布式結構和層次式結構1.集中式結構在集中式結構中，感知數據的查詢和傳感網的訪問是相對獨立的。整個處理過程可以分為兩步：第一步，將感知數據按照事先指定的方式從傳感網傳輸到中心服務器；第二步，在中心服務器上進行查詢處理。89第五節

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----系統結構2．半分布式結構（1）Fjord系統結構Fjord是加州大學伯克利分校Telegraph項目的一部分，是一個自適應的數據流系統。Fjord主要由兩部分構成，包括自適應的查詢處理引擎（adaptivequeryProcessingengine）和傳感器代理（senseproxy）。（2）Cougar系統結構Cougar是康奈爾（cornell）大學開發的傳感器數據庫系統。Cougar的基本思想是盡可能地使查詢處理在傳感網內部進行，以減少通信開銷。在查詢處理過程中，只有與查詢相關的數據才會從無線傳感網中提取出來。90第五節

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----系統結構3.分布式結構分布式結構假設每個傳惑器都有很高的存儲、計算和通信的能力。首先，各個傳感器采樣、感知和監測事件；然后使用一個Hash函數，按照每個事件的關鍵字，將其存儲到離這個Hash函數值最近的傳感器節點，這種方法被稱為分布式Hash方法。91第五節

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----系統結構4.層次式結構這種結構包含了傳感網的網絡層和代理網絡層兩個層次，并集成了網內數據處理、自適應查詢處理和基于內容的查詢處理等多項技術。在網絡層，每個傳感器節點都具有一定的計算和存儲能力，且每個傳感器節點都能夠完成三項任務：從代理接收命令、進行本地計算和將數據傳送到代理。代理層的節點具有更高的存儲、計算和通信能力。每個代理都能夠完成五項任務：從用戶接收查詢、向傳感器節點發送控制命令或其他信息、從傳感器節點接收數據、處理查詢、將查詢結果返回給用戶。92第五節

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------數據模型無線傳感網的數據模型主要是對傳統的關系模型、對象關系模型或時間序列模型的有限擴展。一種觀點是將感知數據視為分布在多個節點上的關系，并將傳感網看成一個分布式數據庫；而另一種觀點則將整個網絡視為多個分布式數據流組成的分布式數據庫系統；還有一些觀點是采用時間序列和概率模型表示感知數據的時間特性和不確定性。93第五節

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------數據模型TinyDB系統的數據模型是對傳統的關系模型的簡單擴展。它把傳感網數據定義為一個單一的、無限長的虛擬關系表。該表具有兩類屬性，第一類是感知數據屬性，如電壓值和溫度值；第二類是描述感知數據的屬性，如傳感器節點的ID、感知數據獲得的時間、數據類型（光、聲、電壓、溫度、濕度等）、度量單位等。Cougar系統把傳感網看成是一個大型的分布式數據庫系統，每個傳感器都對應于該分布式數據庫的一個節點，存儲部分數據。Cougar系統的數據模型支持兩種類型的數據，即存儲數據和傳感器實時產生的感知數據。94第五節

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------數據模型數據模型中提供定義在關系與時間序列上的三類操作：①關系投影操作：把一個時間序列轉換為一個關系；②積操作：輸入是一個關系和一個時間序列，輸出是一個新的時間序列；③聚集操作：輸入是一個時間序列，輸出是一個關系。95第五節

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------數據存儲與索引技術1.數據命名方法以數據為中心的數據存儲方法的基礎是數據命名。數據命名的方法有很多種，可以根據具體應用采用不同的命名方法。一種簡單的命名方法是層次式命名方法，例如，一個攝像傳感器產生的數據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生的數據可以命名如下：Type=cameraValue=image.jpgLocation=”CSDept,UniversityofSouthernCalifornia,USA”96第五節

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------數據存儲與索引技術2.數據存儲方法一種數據存儲方法是以數據為中心的存儲方法，它使用數據名字來存儲和查詢數據。這類方法通過一個數據名到傳感器節點的映射算法實現數據存儲。除了以數據為中心的無線傳感網數據存儲方法以外，還有另外兩種數據存儲方法，即外部存儲方法和本地存儲方法。97第五節

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------數據存儲與索引技術3.索引技術（1）一維分布式索引除了時空聚集和精確匹配查詢外，傳感器網絡用戶也經常要進行區域查詢，一維索引具有兩個特點：一是層次結構樹具有多個根，解決了單一樹根所造成的通信瓶頸問題；二是它有效地沿層次結構樹向上傳播聚集數據，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域查詢是在多個屬性上具有區域約束條件的區域查詢。98第六節無線傳感網MAC協議（目錄）6.1無線傳感網MAC協議概述6.2基于競爭的MAC協議6.3基于時分復用的MAC協議6.4混合型MAC協議99第六節無線傳感網MAC協議

-------無線傳感網MAC協議概述1.無線傳感網MAC協議設計所面臨的問題在無線傳感網中，節點能量儲備有限且難以及時補充，為保證網絡長期有效工作，MAC協議以減少能耗，最大化網絡生存時間為首要設計目標；其次，為適應節點分布和網絡拓撲變化，MAC協議需具備良好的可擴展性；此外，無線傳感器網絡節點一般屬于同一利益實體，可以為系統優化做出一定犧牲，因此能量效率以外的公平性一般不作為設計目標，除非多種用途的無線傳感網重疊部署在同一區域。100第六節無線傳感網MAC協議

-------無線傳感網MAC協議概述通信過程中造成能量損耗主要體現在以下幾方面：（1）空閑監聽(idlelistenning)：節點在不需要收發數據時仍保持對信道的空閑偵聽。因為節點不知道鄰居節點的數據何時到來，所以必須始終保持自己的射頻部分處于接收模式，形成空閑監聽，造成了不必要的能量損耗；（2）沖突重傳：數據沖突導致的重傳和等待重傳。如果兩個節點同時發送，并相互產生干擾，則它們的傳輸都將失敗，發送包被丟棄；（3）控制開銷：為了保證可靠傳輸，協議將使用一些控制分組，如RTS/CTS，雖然沒有數據在其中，但是我們必須消耗一定的能量來發送它們；（4）串擾(overhearng)：節點因接收并處理并非傳輸給自己的分組造成的串音。101第六節無線傳感網MAC協議

-------無線傳感網MAC協議概述MAC協議設計中主要問題表現有如下幾個方面：（1）能量效率：由于無線傳感器網絡應用的特殊件，MAC協議要盡可能地節約能量，提高能量效率，從而延長整個網絡的生存周期，這是無線傳感器網絡協議設計的核心問題。（2）可擴展性：MAC協議負責搭建無線傳感網通信系統底層基礎結構，必須能夠適應無線傳感器網絡規模、網絡負載以及網絡拓撲的動態變化，所以MAC協議要具有良好的可擴展性。（3）網絡效率：網絡效率是網絡各種性能的綜合，包括網絡的可靠性、實時性、吞吐量、公平性、QoS等。

（4）算法復雜度：MAC協議要具備上述特點，眾多節點協同完成應用任務，必然增加算法的復雜度。

（5）與其他層協議的協同：無線傳感網應用的特殊性對各層協議都提出了一些共同的要求，研究MAC協議與其他層協議的協同問題，通過跨層設計而獲得系統整體的性能優化，也是MAC協議研究的主要方向。102第六節無線傳感網MAC協議

-------無線傳感網MAC協議概述2.無線傳感網MAC協議分類（1）根據信道分配策略的不同可分為基于競爭(contention-based)的MAC協議、基于調度(schedule-based)的MAC協議和混合MAC協議。（2）根據MAC協議使用的信道數目可分為單信道MAC協議和多信道MAC協議。（3）根據協議的部署方式，可分為集中式MAC協議或分布式MAC協議。（4）根據數據通信類型可分為基于單播的MAC協議和基于組播/聚播（convergecast）的MAC協議。（5）根據傳感器節點發射器硬件功率是否可變可分為功率固定MAC協議和功率控制MAC協議。（6）根據發射天線的種類可分為基于全向天線MAC協議和基于定向天線MAC協議。（7）根據協議發起方的不同可分為發送方發起的MAC協議和接收方發起的MAC協議。此外，根據是否需要滿足一定QoS支持和性能要求，無線傳感網MAC協議還可分為實時MAC協議、能量高效MAC協議、安全MAC協議、位置感知MAC協議、移動MAC協議等。103第六節無線傳感網MAC協議

-------基于競爭的MAC協議基于競爭的MAC協議的基本思想是：當無線節點需要發送數據時，主動搶占無線信道，當在其通信范圍內的其他無線節點需要發送數據時，也會發起對無線信道的搶占?；诟偁幍腗AC協議有如下優點：（1）由于基于競爭的MAC協議是根據需要分配信道，所以這種協議能較好地滿足節點數量和網絡負載的變化；（2）基于競爭的MAC協議能較好地適應網絡拓撲的變化；（3）基于競爭的MAC協議不需要復雜的時間同步或集中控制調度算法。104第六節無線傳感網MAC協議

-------基于競爭的MAC協議1.IEEE802.11MAC協議IEEE802.11MAC協議有分布式協調（DistributedCoordinationFunction，DCF）和點協調（PointCoordinationFunction，PCF）兩種訪問控制方式，其中DCF方式是IEEE802.11協議的基本訪問控制方式。105第六節無線傳感網MAC協議

-------基于競爭的MAC協議IEEE802.11MAC協議規定了三種基本幀間間隔（interframeSpacing，IFS），用來提供訪問無線信道的優先級。三種幀間間隔分別為：（1）SIFS（shortIFS）：最短幀間間隔。使用

SIFS的幀優先級最高，用于需要立即響應的服務，如ACK幀、CTS幀和控制幀等。（2）PIFS（PCFIFS）：PCF方式下節點使用的幀間間隔，用以獲得在無競爭訪問周期啟動時訪問信道的優先權。（3）DIFS（DCFIFS）：DCF方式下節點使用的幀間間隔，用以發送數據幀和管理幀。上述各幀間間隔滿足關系：DIFS>PIFS>SIFS。106第六節無線傳感網MAC協議

-------基于競爭的MAC協議隨機退避時間按下面的公式計算：退避時間=Random()xaSlotime其中，Random()是在競爭窗口[0,CW]內均勻分布的偽隨機整數，CW是整數隨機數，其值處于標準規定的aCWmin和aCWmax之間；aSlotime是一個時間間隙，包括發射啟動時間、媒體傳播時延、檢測信道的響應時間等。107第六節無線傳感網MAC協議

-------基于競爭的MAC協議2.S-MAC協議S-MAC(SensorMAC)協議是較早提出的一種基于競爭的無線傳感器網絡MAC協議，該協議繼承了IEEE802.11MAC協議的基本思想，在此基礎上加以改進，并以WSN的能量效率為主要設計目標，較好地解決了能量問題，同時兼顧了網絡的可擴展性。108第六節無線傳感網MAC協議

-------基于競爭的MAC協議S-MAC協議提出了適合于多跳無線傳感器網絡的競爭型MAC協議的節能方法：（1）采用周期性睡眠和監聽方法減少空閑監聽帶來的能量損耗。對周期性睡眠和監聽的調度進行同步，同步節點采用相同的調度，形成虛擬簇，同時進行周期性睡眠和監聽，適合多跳網絡。（2）當節點正在發送數據時，根據數據幀特殊字段讓每個與此次通信無關的鄰居節點進入睡眠狀態，以減少串擾帶來的能量損耗。（3）采用消息傳遞機制，減少控制數據帶來的能量損耗。109第六節無線傳感網MAC協議

-------基于競爭的MAC協議S-MAC協議的關鍵技術體現在以下幾個方面：（1）周期性監聽和睡眠（2）自適應監聽（3）減少碰撞和避免串音（4）消息傳遞（分片傳輸機制）110第六節無線傳感網MAC協議

-------基于競爭的MAC協議3.T-MAC協議T-MAC協議采用了一種自適應調整占空比的方法，通過動態調整調度周期中的活躍時間長度來改變占空比，可以更加有效的降低能量消耗。111第六節無線傳感網MAC協議

-------基于競爭的MAC協議激活事件的定義如下：（1）定時器觸發周期性調度喚醒事件。（2）物理層從無線信道接收到數據包。（3）物理層指示無線信道忙。（4）節點的DATA幀或ACK幀發送完成。（5）通過監聽RTS/CTS幀，確認鄰居的數據交換已經結束。112第六節無線傳感網MAC協議

-------基于競爭的MAC協議T-MAC協議的關鍵技術體現在以下幾個方面：（1）周期性偵聽的同步（2）RTS操作和TA的選擇（3）避免串擾（4）早睡問題第一種方法是預請求發送(Futurerequest-to-send，FRTS)機制。第二種方法是滿緩沖區優先(Full-bufferPriority)機制。113第六節無線傳感網MAC協議

---------基于時分復用的MAC協議基于時分復用的MAC協議通常將一個物理信道分為多個子信道，并將子信道靜態或動態地分配給需要通信的節點，避免沖突?；跁r分復用的無線傳感器網絡MAC協議有如下優點：①沒有競爭機制的碰撞重傳問題；②無隱藏終端問題；③數據傳輸時不需要過多的控制信息；④節點在空閑時隙能夠及時進入睡眠狀態，適合于低功耗網絡。114第六節無線傳感網MAC協議

---------基于時分復用的MAC協議1.基于分簇網絡的MAC協議分簇結構的無線傳感網采用基于TDMA機制的MAC協議。所有傳感器節點固定劃分或自動形成多個簇，每個簇內有一個簇頭節點。簇頭負責為簇內所有傳感器節點分配時隙，收集和處理簇內傳感器節點發來的數據，并將數據發送給匯聚節點。協議將時間幀分為周期性的四個階段：（1）數據傳輸階段。簇內傳感器節點在各自分配的時隙內，發送采集數據給簇頭。（2）刷新階段。簇內傳感器節點向簇頭報告其當前狀態。（3）刷新引起的重組階段。緊跟在刷新階段之后，簇頭節點根據簇內節點得到當前狀態，重新給簇內節點分配時隙。（4）時間觸發的重組階段。節點能量小于特定值、網絡拓撲發生變化等事件發生時，簇頭就要重新分配時隙。115第六節無線傳感網MAC協議

---------基于時分復用的MAC協議2.DEANA協議分布式能量感知節點活動（DistributedEnergy-AwareNodeActivation,DEANA）協議將時間幀分為周期性的調度訪問階段和隨機訪問階段，116第六節無線傳感網MAC協議

---------基于時分復用的MAC協議3.TRAMA協議流量自適應介質訪問（TrafficAdaptiveMediumAcces，TRAMA）協議將時間劃分為連續時隙，根據局部兩跳內的鄰居節點信息，采用分布式選舉機制確定每個時隙的無沖突發送者。同時，通過避免把時隙分配給無流量的節點，并讓非發送節點和接收節點處于睡眠狀態，以達到節省能量的目的。TRAMA協議采用了流量自適應的分布式選舉算法，節點交換兩跳內鄰居信息，傳輸分配時指明在時間順序上哪些節點是目的節點，然后選擇在每個時隙上的發送節點和接收節點。TRAMA協議由三個部分組成：NP協議（NeighborProtocol，NP)、分配交換協議（ScheduleExchangeProtocol，SEP）和自適應選舉算法（AdaptiveElectionAlgorithm，AEA)。117第六節無線傳感網MAC協議

---------基于時分復用的MAC協議4.DMAC協議DMAC協議是基于S-MAC和T-MAC協議的思想，采用預先分配的方法來避免睡眠延遲。DMAC協議分析了S-MAC協議中的監聽睡眠調度機制的缺點，同步的睡眠會增加多跳傳輸的延遲，同步的監聽和競爭信道會增加沖突的可能。DMAC協議引入了一種交錯的監聽睡眠調度機制，保證數據在多跳路徑上的連續傳輸。118第六節無線傳感網MAC協議

---------基于時分復用的MAC協議（1）交錯喚醒機制在一些傳感器網絡應用中，數據從多個數據源匯聚到一個匯聚節點，數據傳輸的路徑都包含在一個樹狀拓撲結構中，DMAC協議將其定義為數據采集樹。針對這種樹狀結構，DMAC協議做出了如下假設：①網絡中的節點保持靜止，且每一個路由節點有足夠的存活時間，可以在較長時間內保持網絡路徑不發生變化；②數據由傳感器節點向唯一的匯聚節點單向傳輸；③各個節點之間保持時鐘同步?；谝陨霞僭O，DMAC協議提出了交錯喚醒機制，保證數據在樹狀結構上能持續傳輸，不被睡眠所中斷。119第六節無線傳感網MAC協議

---------基于時分復用的MAC協議120第六節無線傳感網MAC協議

---------基于時分復用的MAC協議（2）自適應占空比機制在DMAC協議中，如果節點在一個發送周期內有多個數據包要發送，就需要該節點和樹狀路徑上的上層節點一起加大發送周期占空比。DMAC協議引入了一種更新機制，使占空比能自適應調整。通過在MAC層數據幀的幀頭加入一個標記位，以較小控制開銷發送更新請求。（3）數據預測機制在數據采集樹中，越靠近上層的節點，匯聚的數據越多，所以對樹的底層節點適合的占空比不一定適合中間節點。121第六節無線傳感網MAC協議

---------基于時分復用的MAC協議（4）MTS幀機制雖然自適應占空比機制和數據預測機制考慮了沖突避免，數據采集樹中不同分支的節點仍有沖突的可能。假設節點A和B在相互干擾的范圍內，且A和B有不同的父節點。在發送周期內，如果A競爭到信道并發送數據，那么B和其父節點就會在發送周期結束后進入睡眠周期。B只能等待時間T以后進入發送周期再向父節點發送數據。這種情況下B的父節點沒有接收到數據包，不會增加接收周期，而B在發送周期也無法接收到串擾ACK，數據預測機制在此時失效。為此，DMAC協議引入了MTS(moretosend)幀機制。122第六節無線傳感網MAC協議

---------混合型MAC協議混合型