傳感器網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)精選

1、第三部分(b fen)傳感器網(wǎng)絡(luò)的支撐技術(shù)共九十頁 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)終端結(jié)點的功能歸根結(jié)底就是探測、感知、傳輸收集到的與應用相關(guān)的數(shù)據(jù)信號。為了實現(xiàn)用戶的功能，除了(ch le)要設(shè)計第二部分所介紹的通信與組網(wǎng)技術(shù)以外，還要實現(xiàn)保證網(wǎng)絡(luò)用戶功能正常運行所需的其它基礎(chǔ)性技術(shù)。 這些應用層的基礎(chǔ)性技術(shù)是支撐傳感器網(wǎng)絡(luò)完成任務的關(guān)鍵，包括定位技術(shù)、時間同步機制、數(shù)據(jù)融合、能量管理和安全機制等。2共九十頁主要(zhyo)內(nèi)容三數(shù)據(jù)融合技術(shù)五安全技術(shù)四能量管理技術(shù)一定位技術(shù)二時間同步技術(shù)3共九十頁一、定位(dngwi)技術(shù)共九十頁在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，位置信息對傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)

2、測活動至關(guān)重要，監(jiān)測到事件之后關(guān)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(jié)點能耗高、體積大。5共九十頁1. 定位(dngwi)技術(shù)概述定位及其作用基本術(shù)語結(jié)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(wǎng)絡(luò)定位問題的含義是指自組織的網(wǎng)絡(luò)通過特定方法提供結(jié)點的位置信息。結(jié)點自身定位確定網(wǎng)絡(luò)結(jié)點的坐標位置可通過人工(rngng)標定或結(jié)點自定位算法完成對監(jiān)控目標的定位確定網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)一個事件或一個目標的坐標位置。側(cè)重于目標跟蹤

3、方面的應用。以位置已知的網(wǎng)絡(luò)結(jié)點為參考，確定目標或事件在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)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(shù)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(guān)系，提供目標大致的所在范圍。 共九十頁 根據(jù)不同的依據(jù)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位方法可以進行如下分類： (1) 根據(jù)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(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，分為被動定位（網(wǎng)絡(luò)收集

4、傳感器數(shù)據(jù)）和主動定位（結(jié)點主動發(fā)出信息用于定位）。共九十頁根據(jù)是否已知自身位置，傳感器結(jié)點可分為：信標結(jié)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(wǎng)絡(luò)中占比較小未知結(jié)點：通過信標結(jié)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(jié)點坐標pipj共九十頁3. 基于(jy)測距的定位技術(shù)包括(boku)測距和定位通過測量相鄰結(jié)點之間的實際距離或方位，根據(jù)幾何關(guān)系計算出網(wǎng)絡(luò)結(jié)點的位置。常見的測距方法根據(jù)接收信號強度指示的測距法（RSSI）根據(jù)信號到達時間的測距法（ToA）根據(jù)信號到達時間差的測距法（TDoA）根據(jù)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(guān)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(guān)系13該方法實現(xiàn)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(jù)信號的傳播(chunb)時間來計算結(jié)點間的距離。14這類方法通過測量傳輸時間來估算兩結(jié)點之間距離。共九十頁ToA方法根據(jù)機制采用偽噪聲序列信號作為聲波信號，根據(jù)聲波的傳遞時間測量結(jié)點間的距離。要求：兩結(jié)點須預先實現(xiàn)時間同步。測距原理(yunl)發(fā)送結(jié)點在發(fā)送偽噪聲序列信號的同時，通知接收結(jié)點偽噪聲序列信號發(fā)送的時間；接收結(jié)點在檢測到偽噪聲序列信號后，根據(jù)聲波信號的傳播時間和速度計算結(jié)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(jié)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(jié)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(jù)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(jié)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(nèi)移動或靜止結(jié)點在大樓內(nèi)的具體房間的位置。 在每個房間內(nèi)安裝一個信標結(jié)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(jié)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(jié)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(jù)兩信號的間隔和各自的傳播速度，未知結(jié)點可計算出和該信標結(jié)點之間的距離，然后通過比較到各個鄰近(ln jn)信標結(jié)點的距離，選擇出離自己最近的信標結(jié)點，從該信標結(jié)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(jié)點的CPU應具有較強的計算能力。硬件結(jié)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(shè)已知信標結(jié)點A1，A2，A3，A4，的坐標依

9、次分別為（x1，y1），（x2，y2），（x3，y3），。若設(shè)未知結(jié)點的坐標為（x, y），它至各信標結(jié)點的測距數(shù)值為di ，則有：20（4）計算結(jié)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(jù)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(jié)點A、B和C的坐標分別(fnbi)為（xa，ya)、（xb，yb)、 （xc，yc)它們到未知結(jié)點D的距離為：da，db，dc則結(jié)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(shù)無需測距的定位技術(shù)不需要直

10、接測量距離和角度信息。這類定位技術(shù)是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的連通性確定(qudng)網(wǎng)絡(luò)中結(jié)點之間的跳數(shù)，并根據(jù)已知參考結(jié)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(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中的位置。質(zhì)心算法DV-Hop算法23共九十頁（1）質(zhì)心(zh xn)算法 在計算幾何學里多邊形的幾何中心稱為質(zhì)心，多邊形頂點坐標的平均值就是質(zhì)心結(jié)點的坐標。 假設(shè)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(zhì)心坐標 為：24 這種方法是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的連通性確定出目標結(jié)點周圍的信標參考結(jié)點，直接求解信標參考結(jié)點構(gòu)成的多邊形的質(zhì)心。共九十頁設(shè)：四邊形 ABCD 的頂點(dngdin)坐標分別為

11、 ， ， ， 則它的質(zhì)心坐標計算如下： 質(zhì)心算法的計算與實現(xiàn)都非常簡單。但希望信標(xn bio)結(jié)點有較高的密度。25質(zhì)心算法例共九十頁DV-Hop算法主要用于解決信標結(jié)點(ji din)密度低的問題。算法描述：信標結(jié)點廣播其坐標位置結(jié)點收到新的廣播后若跳數(shù)小于所存儲的跳數(shù)值，則更新并轉(zhuǎn)發(fā)該跳數(shù)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(guān)鍵性作用。定位技術(shù)的用途大體可分為導航、跟蹤、虛擬現(xiàn)實、網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)(wnglu)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。 有時傳感器網(wǎng)絡(luò)的單個結(jié)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(xiàn)(shxin)的功能需要網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有結(jié)點相互配合來共同完成，分布式系統(tǒng)的協(xié)同工作需要結(jié)點間的時間同步，因此，時間同步機制是分布式系統(tǒng)基礎(chǔ)框架的一個關(guān)鍵機制。 在分布式的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應用中，每個傳感器結(jié)點都有自己的本地

13、時鐘。不同結(jié)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(wǎng)絡(luò)結(jié)點之間的運行時間偏差。2929共九十頁 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步機制的意義和作用主要體現(xiàn)在如下兩方面： 首先，傳感器結(jié)點(ji din)通常需要彼此協(xié)作，去完成復雜的監(jiān)測和感知任務。數(shù)據(jù)融合是協(xié)作操作的典型例子，不同的結(jié)點采集的數(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現(xiàn)的。如在適當?shù)臅r間休眠，再在需要的時間喚醒。 時間同步機制為網(wǎng)絡(luò)中所有結(jié)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(wǎng)絡(luò)時間值，實現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)時間同步協(xié)議，其中RBS、TINY/MINI-SYNC和TPSN被認為是三種最基本的傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步機制。312.傳感器網(wǎng)絡(luò)(wnglu)時間同步協(xié)議的特點 根據(jù)WSN的特點，傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步協(xié)議應更多考慮以下因素： 結(jié)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(jié)構(gòu)，價格等。31共九十頁3. TPSN時間同步(tngb)協(xié)議 TPSN（Timing-sync Protocol for Sensor Networks）協(xié)議采用層次型樹型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，整個(zhngg)網(wǎng)絡(luò)為一棵樹，根結(jié)

15、點可以與外界通信并獲取外部時間。根結(jié)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(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的時鐘源。 TPSN協(xié)議將所有結(jié)點按照層次結(jié)構(gòu)進行分級，然后每個結(jié)點與上一級的一個結(jié)點進行時間同步，最終所有結(jié)點都與根結(jié)點時間同步。結(jié)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(xié)議假設(shè)每個傳感器結(jié)點都有惟一的標識號ID，結(jié)點間的無線鏈路為雙向，通過雙向信息交換實現(xiàn)結(jié)點間的時間同步。TPSN協(xié)議包括兩個階段(jidun)層級發(fā)現(xiàn)階段。生成層次結(jié)構(gòu)，為每個結(jié)點賦予一個級別，根結(jié)點賦予最高級別第0級，第i級的結(jié)點至少能夠與一個第（i1）級的結(jié)點通信。同步階段。實現(xiàn)所有樹結(jié)

16、點的時間同步，第1級結(jié)點同步到根結(jié)點，第i級的結(jié)點同步到第（i1）級的一個結(jié)點，最終所有結(jié)點都同步到根結(jié)點，實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)的時間同步。33（1）TPSN協(xié)議(xiy)的操作共九十頁網(wǎng)絡(luò)部署后根結(jié)點廣播“級別發(fā)現(xiàn)分組”，啟動層次發(fā)現(xiàn)。分組中包含發(fā)送(f sn)結(jié)點的ID和級別（根結(jié)點的級別為0級）；鄰居結(jié)點收到分組后，將自己的級別設(shè)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(xiàn)分組（對根結(jié)點的鄰居結(jié)點，其級別為1級）；重復，直到網(wǎng)絡(luò)中所有結(jié)點都被賦予一個級別。34層級發(fā)現(xiàn)(fxin)階段的操作過程結(jié)點一旦建立自己的級別，就忽略任何其他的級別發(fā)現(xiàn)分組，以防止網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生洪泛擁塞。共九十頁層次結(jié)構(gòu)

17、建立后根結(jié)點廣播“時間同步分組”，啟動同步階段；第1級結(jié)點收到分組后，各自分別等待一段隨機時間，通過與根結(jié)點交換消息，同步到根結(jié)點。第i級結(jié)點偵聽到第i-1級結(jié)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(xiàn)階段記錄的第i-1個級別(jbi)的結(jié)點進行消息交換，以實現(xiàn)同步。等待一段時間的目的是保證第i級結(jié)點在第i-1級結(jié)點時間同步完成后才啟動消息交換。重復，直到網(wǎng)絡(luò)中所有結(jié)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(jié)點間的同步例36S為第i 級結(jié)點(ji din)，R為第i -1級結(jié)點，d為傳播時延。為兩結(jié)點間的時間偏差 結(jié)點S在T1時間發(fā)送

18、同步請求給結(jié)點R，請求分組中包含S的級別和T1時間。 結(jié)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(jié)點S，分組中包含結(jié)點R的級別和T1、T2和T3信息。36共九十頁結(jié)點S在T4時間收到應答， ，因此可以推導(tudo)出算式：37結(jié)點S在計算時間偏差之后(zhhu)，將其時間同步到結(jié)點R37共九十頁（3）TPSN時間(shjin)同步協(xié)議小結(jié)TPSN（Timing-sync Protocol for Sensor Networks）能夠?qū)崿F(xiàn)全網(wǎng)范圍內(nèi)結(jié)點間的時間同步，同步誤差與跳數(shù)成正比增長。TPSN適合于實現(xiàn)時內(nèi)的全網(wǎng)結(jié)點時間同步，若需長時間同步，需周期性執(zhí)行TPSN協(xié)議。不足

19、：未考慮結(jié)點失效(sh xio)問題；當有新結(jié)點加入時，需初始化層次發(fā)現(xiàn)階段。38在TPSN協(xié)議中，WSN的匯聚結(jié)點即為根結(jié)點共九十頁4. 時間同步的應用(yngyng)示例 利用磁阻傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)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(jié)點的協(xié)同合作。測速算法提取車輛經(jīng)過每個結(jié)點的磁感應信號的脈沖峰值，并記錄時間。 如果將兩個結(jié)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(shù)據(jù)融合(rngh)技術(shù)共九十頁1.多傳感器數(shù)據(jù)(shj)融合定義多傳感器數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)、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(shù)據(jù)數(shù)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(shù)據(jù)或結(jié)論。41共九十頁源信息、傳感器與環(huán)境(hunjng)之間的關(guān)系：42 消除噪聲與干擾，實現(xiàn)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(shù)據(jù)融合技術(shù)，有時也稱作多傳感器信息融合(Information Fusion, IF)技術(shù)或多傳感器融合(Sensor Fusion, SF)技術(shù)，它是對多傳感器信息進行處理的最

21、關(guān)鍵技術(shù)，在軍事和非軍事領(lǐng)域(ln y)的應用都非常廣泛。共九十頁數(shù)據(jù)融合：將多份數(shù)據(jù)或信息進行處理，組合出更高效、更符合用戶需求(xqi)的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)融合包含了三個要點：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；數(shù)據(jù)融合過程包括數(shù)據(jù)的檢測、關(guān)聯(lián)、估計與合并；數(shù)據(jù)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(shù)態(tài)勢的評估。43共九十頁 數(shù)據(jù)融合的內(nèi)容主要包括：多傳感器的目標探測、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、跟蹤與識別、情況評估和預測。 數(shù)據(jù)融合的基本目的是通過融合得到比單獨的各個輸入數(shù)據(jù)更多的信息。這一點是協(xié)

22、同作用的結(jié)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(shù)據(jù)(shj)融合的內(nèi)容共九十頁3.傳感器網(wǎng)絡(luò)(wnglu)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：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(wǎng)絡(luò)結(jié)點的資源十分有限，若各結(jié)點單獨直接傳送數(shù)據(jù)到匯聚(hu j)結(jié)點，會浪費通信帶寬和能量，降低信息收集的效率。傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)融合的主要作用有：節(jié)省整個網(wǎng)絡(luò)的能量增強所收集數(shù)據(jù)的準確性提高收集數(shù)據(jù)的效率。45共九十頁4. 數(shù)據(jù)(shj)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行分類，主要(zhy

23、o)有： (1) 依據(jù)融合前后數(shù)據(jù)的信息含量進行分類； (2) 依據(jù)數(shù)據(jù)融合與應用層數(shù)據(jù)語義的關(guān)系進行分類； (3) 依據(jù)融合操作的級別進行分類。46共九十頁 根據(jù)數(shù)據(jù)融合前后的信息含量，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(shù)據(jù)分組打包為一個數(shù)據(jù)分組，但不改變各分組所帶的數(shù)據(jù)內(nèi)容。 網(wǎng)絡(luò)中某結(jié)點在一個短時間間隔內(nèi)進行了多次匯報，每次匯報除時間戳不同外，其他內(nèi)容均相同。收到此匯報的中間結(jié)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(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(wǎng)內(nèi)對收集的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)融合的一般(ybn)過程將被測對象的輸出結(jié)果轉(zhuǎn)換為電信號；通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量；對數(shù)字化后的電信號進行預處理（濾除干擾和噪聲等）；對經(jīng)過(jnggu)處理后的信號進行特征提取，實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合，或直接進行數(shù)據(jù)融合；輸出融合結(jié)果。49共九十頁

25、6. 數(shù)據(jù)(shj)融合的主要方法常用數(shù)據(jù)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(jù)(zhngj)推理法統(tǒng)計決策理論模糊邏輯法產(chǎn)生式規(guī)則法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法50共九十頁 綜合平均法是最簡單、最直觀的數(shù)據(jù)融合方法。該方法將一組傳感器提供(tgng)的冗余信息進行加權(quán)平均，結(jié)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(jié)果為： 其中，Wi為分配給第i次檢測的權(quán)重。51綜合(zngh)平均法該方法將來自多個傳感器的眾多數(shù)據(jù)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法(fngf) 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(xnx)處理技術(shù)，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(jīng)元）來處理信息(xnx)。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓練，直到滿足要求為止。 將訓練好的網(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。52共九十頁7. 應用層數(shù)據(jù)(shj)融合傳感器網(wǎng)絡(luò)具有以數(shù)據(jù)為中心的特點(tdin)，其數(shù)據(jù)融合常

27、在應用層實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合設(shè)計應考慮以下幾點：對用戶屏蔽底層操作，使其不必了解數(shù)據(jù)是如何收集上來的。提供靈活的查詢提交手段數(shù)據(jù)應便于進行網(wǎng)內(nèi)計算，以減少通信數(shù)據(jù)量。53 為滿足上述要求，將分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)應用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收集過程，采用類SQL語言（結(jié)構(gòu)化查詢）進行數(shù)據(jù)融合處理。共九十頁在傳感器網(wǎng)絡(luò)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(shù)MIN/MAXSUMAVERAGEGROUP可以返回一組數(shù)據(jù)，而非一個數(shù)值。HAVING用于對參與運算的數(shù)據(jù)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(shù)(zhsh)（Light）大于10的傳感器結(jié)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(shè)：所有結(jié)點都已知道了查詢請求(qngqi)；各結(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸路徑已由某種路由算法確定；走廊盡頭的黑色結(jié)點負責將查詢結(jié)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(wǎng)絡(luò)應用層數(shù)據(jù)融合(rngh)示例共九十頁操作過程各結(jié)點首先檢查自己的數(shù)據(jù)是否符合

29、HAVING語句的要求（溫度高于25），以決定自己的數(shù)據(jù)是否參與運算或需要發(fā)送。各結(jié)點在接收到其他結(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)后，進行本地運算（將數(shù)據(jù)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(jié)果向上一級結(jié)點提交，并逐級提交到匯聚結(jié)點。56共九十頁根據(jù)類SQL語言(yyn)進行網(wǎng)內(nèi)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(guān)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(jié)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(jié)點通信機制的是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，協(xié)議棧中的核心是網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和鏈路層協(xié)議。 網(wǎng)絡(luò)層主要是路由協(xié)議，它決定信息傳輸?shù)穆窂剑绘溌穼又饕荕AC協(xié)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(shù)據(jù)傳輸比一個長跳的傳輸能耗會低。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。60共九十頁 傳感器結(jié)點中，傳感器單元的能量消耗與應用特征相關(guān)，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(jié)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(shù)據(jù)融合等62共九十頁主要思想：當結(jié)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(guān)掉或調(diào)到更低能耗狀態(tài)，即休眠狀態(tài)。特點：可延長傳感器結(jié)點的生存(shngcn)周期。休眠與工作狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換會產(chǎn)生一定的時延。若轉(zhuǎn)換策略不當，可能會加大能耗。通過休眠實現(xiàn)節(jié)能的主要策略有：硬件改進采用休眠機制的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議專門的

32、結(jié)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(xiàn)有很多處理器都支持工作電壓和頻率的調(diào)節(jié)?，F(xiàn)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(jié)點，從而實現(xiàn)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(jié)點不再收發(fā)數(shù)據(jù)時，可以把無線收發(fā)器關(guān)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(wǎng)絡(luò)協(xié)議WSN中的MAC協(xié)議通常都采用休眠機制（周期偵聽/休眠

33、）在數(shù)據(jù)發(fā)送(f sn)時，若結(jié)點既不是發(fā)送(f sn)者也不是接收者，則轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)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(jié)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(guān)掉或調(diào)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(diào)度 主要針對處理器模塊。 對于大多數(shù)傳感器結(jié)點來說，計算負荷的大小是隨時變化的，因而并不需要結(jié)點的微處理

34、器在所有時刻都保持峰值性能。 根據(jù)CMOS電路設(shè)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(diào)節(jié)(Dynamic Voltage Scaling，DVS)技術(shù)(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(diào)節(jié)要解決的核心問題是實現(xiàn)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(shù)據(jù)(shj)融合 數(shù)據(jù)融合的節(jié)能效果主要體現(xiàn)在路由協(xié)議的實現(xiàn)上。由于同一(tngy)區(qū)域內(nèi)的結(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)具有很大的冗余性，因此路由過程的中間結(jié)點并不是簡單的轉(zhuǎn)發(fā)所收到的數(shù)據(jù)，而需

35、要對這些數(shù)據(jù)進行數(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，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。例： LEACH路由協(xié)議就具有這種功能，它是一種自組織的在結(jié)點之間隨機分布能量負載的分層路由協(xié)議。 LEACH路由協(xié)議的基本原理是：相鄰結(jié)點形成簇并選舉簇首。簇首負責融合簇內(nèi)結(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)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(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

36、至結(jié)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(guān)人員或者敵方人員了解。70共九十頁1.傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全(nqun)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，常見的網(wǎng)絡(luò)安全保障技術(shù)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(lǐng)域的新型無線網(wǎng)絡(luò)，其安全性問題顯得尤為重要。 傳感器網(wǎng)絡(luò)安全的基本要求：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。 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。71共九十頁結(jié)點的安全保證：包括結(jié)點不易(b y)被發(fā)現(xiàn)和不易(b y)被篡改被動抵御入侵的能力當網(wǎng)絡(luò)遭到入侵時網(wǎng)絡(luò)具備

37、的對抗外部攻擊和內(nèi)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(wǎng)絡(luò)入侵檢測相似，首先需要準確識別網(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(bx)確定入侵結(jié)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(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)。 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

38、主消滅入侵者是較難實現(xiàn)的。一般的做法是，在網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)中傳輸信息的安全性。具體需求內(nèi)容包括： 數(shù)據(jù)(shj)的機密性保證網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳輸?shù)男畔⒉槐环欠ǜ`聽。 數(shù)據(jù)鑒別保證用戶收到的信息來自己方結(jié)點而非入侵結(jié)點。 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。 數(shù)據(jù)的實效性保證數(shù)據(jù)在時效范圍內(nèi)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(shù)據(jù)在存儲和傳輸?shù)倪^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(nèi)容。 (2) 點到點的消息認證問題。網(wǎng)絡(luò)結(jié)點在接收到另外一個結(jié)點發(fā)送過來的消息時，能夠確認這個數(shù)據(jù)包確實是從該結(jié)點發(fā)送出來的，而不是其它結(jié)點冒充的。 (3) 完整性鑒別問題。網(wǎng)絡(luò)結(jié)點在接收到一個數(shù)據(jù)包的時候，能夠確認這個數(shù)據(jù)包和發(fā)出來的時候完全相同，沒有被中間節(jié)點篡改或者在傳輸中通信出錯。共九十頁 (4) 新鮮性（數(shù)據(jù)的時效性）問題。結(jié)點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致數(shù)據(jù)包的接收錯序而引起，二是由惡意結(jié)點的重放攻擊而引起。 (5) 認證組播/廣播問題。解決單一結(jié)點向一組結(jié)點/所有結(jié)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(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)逐步形成安全網(wǎng)絡(luò)的過程(guchng)。安全維護主要設(shè)計通信中的密鑰更新，以及網(wǎng)絡(luò)變更引起的安全變更，方法往往是安全引導過程(guchng)的一個延伸。76共九十頁 這些安全問題在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的各個層次都應該充分考慮，只是側(cè)重點不盡相同。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)；應用層在密鑰的管理和交換過程中，為下層(xicng)的加解密技術(shù)提供安全支撐。77共九十頁 傳感器網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)的設(shè)計包括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)

41、采集、融合和傳輸?shù)然竟δ艿恼?zhngchng)進行，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)中所傳信息的真實性、完整性和保密性，是面向用戶應用的安全。 傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全隱患在于網(wǎng)絡(luò)部署區(qū)域的開放性和無線通信的廣播特性。協(xié)議棧的各層都可能受到攻擊。783. WSN的安全(nqun)設(shè)計共九十頁4. 傳感器網(wǎng)絡(luò)安全框架(kun ji)協(xié)議：SPINS SPINS安全協(xié)議族是最早的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(xié)議。 SNEP協(xié)議提供點到點通信認證、數(shù)據(jù)機密性、完整性和新鮮性等安全服務；TESLA協(xié)議則提供對廣播消息的數(shù)據(jù)認證服務。 SPINS定義的是一個協(xié)議框架，在使用的時候還需要考慮很多具體的實現(xiàn)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(shù)發(fā)生器，如何在有限資源內(nèi)融合各種算法以達到最高效率等。79共九十頁傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的技術(shù)標準共九十頁 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的價值就在于它的低成本和可以大量部署。為了降低產(chǎn)品成本、擴大市場和實現(xiàn)規(guī)模效益，傳感器網(wǎng)絡(luò)的某些特征和共性(gngxng)技術(shù)必須實現(xiàn)標準化，這樣來

43、自不同產(chǎn)商的產(chǎn)品才能協(xié)同工作。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的標準化工作受到了許多國家及國際標準組織的普遍關(guān)注，已經(jīng)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(jīng)被一部分研究及產(chǎn)業(yè)界人士視為傳感器網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、傳輸和應用規(guī)范。 目前傳感器網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)協(xié)議。81共九十頁 IEEE 802.15.4標準(biozhn) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的底層標準一般沿用無線個域網(wǎng)（IEE

44、E 802.15）的相關(guān)標準部分。無線個域網(wǎng)（WPAN）的出現(xiàn)比傳感器網(wǎng)絡(luò)要早，通常定義為提供個人及消費類電子設(shè)備之間進行互聯(lián)的無線短距離專用網(wǎng)絡(luò)。 無線個域網(wǎng)專注(zhunzh)于便攜式移動設(shè)備之間的雙向通信技術(shù)問題，其典型覆蓋范圍一般在10米以內(nèi)。IEEE 802.15工作組就是為完成這一使命而專門設(shè)置的，且已經(jīng)完成一系列相關(guān)標準的制定工作，其中就包括了被廣泛用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的底層標準IEEE 802.15.4。82共九十頁 IEEE 802.15.4標準定義的網(wǎng)絡(luò)具有如下特點： (1) 在不同的載波頻率下實現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)； (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(shù)(CSMA-CA)； (5) 支持確認機制，保證傳輸可靠性。