无线传感器网络支撑技术第六章.ppt

无线传感器网络的支撑技术无线传感器网络的支撑技术主要内容n时间同步机制n定位技术n数据融合n能量管理n安全机制 虽然传感器网络用户的使用目的千变万化，但是作为虽然传感器网络用户的使用目的千变万化，但是作为网络终端节点的功能归根结底就是网络终端节点的功能归根结底就是传感传感、探测探测、感知感知，用，用来收集应用相关的数据信号。为了实现用户的功能，要实来收集应用相关的数据信号。为了实现用户的功能，要实现保证网络用户功能的正常运行所需的其它基础性技术。现保证网络用户功能的正常运行所需的其它基础性技术。这些应用层的基础性技术是支撑传感器网络完成任务这些应用层的基础性技术是支撑传感器网络完成任务的关键，包括的关键，包括时间同步机制时间同步机制、定位技术定位技术、数据融合数据融合、能量能量管理和安全机制管理和安全机制等。等。时间同步机制时间同步机制1 1、传感器网络时间同步的意义、传感器网络时间同步的意义 无线传感器网络的同步管理主要是指时间上的同步管理。无线传感器网络的同步管理主要是指时间上的同步管理。在分布式的无线传感器网络应用中，每个传感器节点都有在分布式的无线传感器网络应用中，每个传感器节点都有自己的本地时钟。自己的本地时钟。网络节点之间存在运行时间偏差网络节点之间存在运行时间偏差。有时传感器网络的单个节点的能力有限，或者某些应用的有时传感器网络的单个节点的能力有限，或者某些应用的需要，使得整个系统所要实现的功能要求网络内所有节点相互需要，使得整个系统所要实现的功能要求网络内所有节点相互配合来共同完成，分布式系统的协同工作需要节点间的时间同配合来共同完成，分布式系统的协同工作需要节点间的时间同步，因此，时间同步机制是分布式系统基础框架的一个关键机步，因此，时间同步机制是分布式系统基础框架的一个关键机制。制。在分布式系统中，时间同步涉及在分布式系统中，时间同步涉及“物理时间物理时间”和和“逻辑时间逻辑时间”两个不同的概念。两个不同的概念。“物理时间物理时间”用来表示人类社会使用的绝对时间；用来表示人类社会使用的绝对时间；“逻辑时间逻辑时间”体现了事件发生的顺序关系，是一个相对概体现了事件发生的顺序关系，是一个相对概念。念。分布式系统通常需要一个表示整个系统时间的分布式系统通常需要一个表示整个系统时间的全局全局时间时间。全局时间根据需要可以是物理时间或逻辑时间。全局时间根据需要可以是物理时间或逻辑时间。目前已有几种成熟的传感器网络时间同步协议，目前已有几种成熟的传感器网络时间同步协议，其中其中RBSRBS、TINY/MINI-SYNCTINY/MINI-SYNC和和TPSNTPSN被认为是三种被认为是三种最基本的传感器网络时间同步机制。最基本的传感器网络时间同步机制。定位技术定位技术1 1、定位的含义、定位的含义 在传感器网络的很多应用问题中，没有节点位置信息的在传感器网络的很多应用问题中，没有节点位置信息的监测数据往往是没有意义的。无线传感器网络定位问题的含监测数据往往是没有意义的。无线传感器网络定位问题的含义是指自组织的网络通过特定方法提供节点的位置信息。义是指自组织的网络通过特定方法提供节点的位置信息。分为节点自身定位和目标定位。节点自身定位是确定网分为节点自身定位和目标定位。节点自身定位是确定网络节点的坐标位置的过程。目标定位是确定网络覆盖区域内络节点的坐标位置的过程。目标定位是确定网络覆盖区域内一个事件或者一个目标的坐标位置。一个事件或者一个目标的坐标位置。节点自身定位可以通过人工标定或者各种节点自定位算节点自身定位可以通过人工标定或者各种节点自定位算法完成。目标定位是以位置已知的网络节点作为参考，确定法完成。目标定位是以位置已知的网络节点作为参考，确定事件或者目标在网络覆盖范围内所在的位置。事件或者目标在网络覆盖范围内所在的位置。位置信息有多种分类方法。位置信息有位置信息有多种分类方法。位置信息有物理位置物理位置和和符号位置符号位置两大类。两大类。物理位置物理位置指目标在特定坐标系下的位置数值，表指目标在特定坐标系下的位置数值，表示目标的相对或者绝对位置。示目标的相对或者绝对位置。符号位置符号位置指在目标与一个基站或者多个基站接近指在目标与一个基站或者多个基站接近程度的信息，表示目标与基站之间的连通关系，提供程度的信息，表示目标与基站之间的连通关系，提供目标大致的所在范围。目标大致的所在范围。2 2、基本术语、基本术语 (1)(1)锚点锚点：指通过其它方式预先获得位置坐标的节点，有时：指通过其它方式预先获得位置坐标的节点，有时也称作信标节点。网络中相应的其余节点称为非锚点。也称作信标节点。网络中相应的其余节点称为非锚点。(2)(2)测距测距：指两个相互通信的节点通过测量方式来估计出彼：指两个相互通信的节点通过测量方式来估计出彼此之间的距离或角度。此之间的距离或角度。(3)(3)连接度连接度：包括节点连接度和网络连接度两种含义。：包括节点连接度和网络连接度两种含义。节点连接度是指节点可探测发现的邻居节点个数。网络连节点连接度是指节点可探测发现的邻居节点个数。网络连接度是所有节点的邻居数目的平均值，它反映了传感器配置的接度是所有节点的邻居数目的平均值，它反映了传感器配置的密集程度。密集程度。(4)(4)邻居节点邻居节点：传感器节点通信半径范围以内的所有其它节：传感器节点通信半径范围以内的所有其它节点，称为该节点的邻居节点。点，称为该节点的邻居节点。(5)(5)跳数跳数：两个节点之间间隔的跳段总数，称为这两个节点：两个节点之间间隔的跳段总数，称为这两个节点间的跳数。间的跳数。(6)(6)基础设施基础设施：协助传感器节点定位的已知自身位置的固定：协助传感器节点定位的已知自身位置的固定设备，如卫星、基站等。设备，如卫星、基站等。(7)(7)到达时间到达时间：信号从一个节点传播到另一个节点所需要的：信号从一个节点传播到另一个节点所需要的时间，称为信号的到达时间。时间，称为信号的到达时间。(8)(8)视线关系视线关系(Line of Sight,LoS)(Line of Sight,LoS)：如果传感器网络的两：如果传感器网络的两个节点之间没有障碍物，能够实现直接通信，则这两个节点间存个节点之间没有障碍物，能够实现直接通信，则这两个节点间存在视线关系。在视线关系。(9)(9)非视线关系：传感器网络的两个节点之间存在障碍物，非视线关系：传感器网络的两个节点之间存在障碍物，影响了它们直接的无线通信。影响了它们直接的无线通信。3 3、定位性能的评价指标、定位性能的评价指标衡量定位性能有多个指标：衡量定位性能有多个指标：位置精度位置精度覆盖范围覆盖范围刷新速度刷新速度功耗功耗等。等。覆盖范围和位置精度是一对矛盾性的指标。覆盖范围和位置精度是一对矛盾性的指标。刷新速度是指提供位置信息的频率。刷新速度是指提供位置信息的频率。数据融合数据融合多传感器数据融合概述多传感器数据融合概述 我们将各种传感器直接给出的信息称作源信息，如我们将各种传感器直接给出的信息称作源信息，如果传感器给出的信息是已经数字化的信息，就称作源数果传感器给出的信息是已经数字化的信息，就称作源数据，如果给出的是图像就是源图像。源信息是信息系统据，如果给出的是图像就是源图像。源信息是信息系统处理的对象。处理的对象。源信息、传感器与环境之间的关系：源信息、传感器与环境之间的关系：消除噪声与干扰，实现对观测目标的连续跟踪和测消除噪声与干扰，实现对观测目标的连续跟踪和测量等一系列问题的处理方法，就是传感器数据融合技术，量等一系列问题的处理方法，就是传感器数据融合技术，它是对传感器信息进行处理的最关键技术，在军事和非它是对传感器信息进行处理的最关键技术，在军事和非军事领域的应用都非常广泛。军事领域的应用都非常广泛。数据融合也被人们称作数据融合也被人们称作信息融合信息融合，是一种多源信息，是一种多源信息处理技术，它通过对来自同一目标的多源数据进行优化处理技术，它通过对来自同一目标的多源数据进行优化合成，获得比单一信息源更精确、完整的估计或判决。合成，获得比单一信息源更精确、完整的估计或判决。“多传感器数据融合是一种多层次、多方面的处理过程，多传感器数据融合是一种多层次、多方面的处理过程，这个过程是对多源数据进行检测（这个过程是对多源数据进行检测（detectiondetection）、互联）、互联（associationassociation）、相关（）、相关（correlationcorrelation）、估计）、估计（estimationestimation）和组合（）和组合（combinationcombination），以更高的精度、），以更高的精度、较高的置信度得到目标的状态估计和身份识别，以及完整较高的置信度得到目标的状态估计和身份识别，以及完整的态势估计和威胁评估，为指挥员提供有用的决策信息的态势估计和威胁评估，为指挥员提供有用的决策信息”。数据融合的基本目的是通过融合得到比单独的各个输数据融合的基本目的是通过融合得到比单独的各个输入数据更多的信息。这一点是协同作用的结果，即由于多入数据更多的信息。这一点是协同作用的结果，即由于多传感器的共同作用，使系统的有效性得以增强。传感器的共同作用，使系统的有效性得以增强。传感器网络中数据融合的作用传感器网络中数据融合的作用 数据融合的主要作用可归纳为以下几点：数据融合的主要作用可归纳为以下几点：(1)(1)提高信息的准确性和全面性。提高信息的准确性和全面性。(2)(2)降低信息的不确定性。降低信息的不确定性。(3)(3)提高系统的可靠性。提高系统的可靠性。(4)(4)增加系统的实时性。增加系统的实时性。(5)(5)节省整个网络的能量；节省整个网络的能量；数据融合技术的分类数据融合技术的分类 传感器网络的数据融合技术可以从不同的角度进行传感器网络的数据融合技术可以从不同的角度进行分类，这里介绍三种分类方法：分类，这里介绍三种分类方法：(1)(1)依据融合前后数据的信息含量分类；依据融合前后数据的信息含量分类；(2)(2)依据数据融合与应用层数据语义的关系分类；依据数据融合与应用层数据语义的关系分类；(3)(3)依据融合操作的级别分类。依据融合操作的级别分类。根据融合操作的级别分类根据融合操作的级别分类 （1 1）数据级融合数据级融合 数据级融合是最底层的融合，操作对象是传感器采集得到的数据级融合是最底层的融合，操作对象是传感器采集得到的数据，因而是面向数据的融合。数据，因而是面向数据的融合。（2 2）特征级融合特征级融合 特征级融合通过一些特征提取手段将数据表示为一系列的特特征级融合通过一些特征提取手段将数据表示为一系列的特征向量，来反映事物的属性。征向量，来反映事物的属性。（3 3）决策级融合决策级融合 决策级融合根据应用需求进行较高级的决策，是最高级的融决策级融合根据应用需求进行较高级的决策，是最高级的融合。合。传感器网络应用层的数据融合示例传感器网络应用层的数据融合示例 分布式数据库技术被应用于传感器网络的数据分布式数据库技术被应用于传感器网络的数据收集过程，应用层接口可以采用类似收集过程，应用层接口可以采用类似“结构化查结构化查询语言询语言”(SQL)(SQL)的风格。的风格。在传感器网络应用中，在传感器网络应用中，SQLSQL融合操作一般包融合操作一般包括括5 5个基本操作符：个基本操作符：COUNTCOUNT，MINMIN，MAXMAX，SUMSUM和和AVERAGEAVERAGE。与传统数据库的。与传统数据库的SQLSQL应用类似，应用类似，COUNTCOUNT用用于计算一个集中元素的个数；于计算一个集中元素的个数；MINMIN和和MAXMAX分别计算分别计算最小值和最大值；最小值和最大值；SUMSUM计算所有数值的和；计算所有数值的和；AVERAGEAVERAGE用于计算所有数值的平均数。用于计算所有数值的平均数。根据类根据类SQLSQL语言进行网内处理的示例语言进行网内处理的示例能量管理能量管理能量管理的意义能量管理的意义 随着通信距离的增加，能耗急剧增加。通常为随着通信距离的增加，能耗急剧增加。通常为了降低能耗，应尽量减小单跳通信距离。简单地了降低能耗，应尽量减小单跳通信距离。简单地说，多个短距离跳的数据传输比一个长跳的传输说，多个短距离跳的数据传输比一个长跳的传输能耗会低些。因此，在传感器网络中要减少单跳能耗会低些。因此，在传感器网络中要减少单跳通信距离，尽量使用多跳短距离的无线通信方式。通信距离，尽量使用多跳短距离的无线通信方式。传感器单元的能耗要比处理器单元和无线传输传感器单元的能耗要比处理器单元和无线传输单元的能耗低得多，几乎可以忽略，因此通常单元的能耗低得多，几乎可以忽略，因此通常只讨论处理器单元和无线传输单元的能耗问题。只讨论处理器单元和无线传输单元的能耗问题。传感器网络的电源节能方法传感器网络的电源节能方法1 1、休眠机制、休眠机制计算与通信单元处于空闲状态，把这些组件关计算与通信单元处于空闲状态，把这些组件关掉或调到更低能耗的状态，即休眠状态。掉或调到更低能耗的状态，即休眠状态。2 2、数据融合、数据融合中间节点并不是简单的转发所收到的数据中间节点并不是简单的转发所收到的数据将经过本地融合处理后的数据路由到汇聚点将经过本地融合处理后的数据路由到汇聚点数据融合有效地降低了整个网络的数据流量数据融合有效地降低了整个网络的数据流量 安全机制安全机制传感器网络的安全问题传感器网络的安全问题 网络安全一直是网络技术的重要组成部分，网络安全一直是网络技术的重要组成部分，加密、认证、防火墙、入侵检测、物理隔离等都加密、认证、防火墙、入侵检测、物理隔离等都是网络安全保障的主要手段。是网络安全保障的主要手段。1 1、通信安全需求、通信安全需求(1)(1)节点的安全保证节点的安全保证节点不易被发现和节点不易被篡改节点不易被发现和节点不易被篡改(2)(2)被动抵御入侵的能力被动抵御入侵的能力在网络局部发生入侵时，保证网络的整体可用性。在网络局部发生入侵时，保证网络的整体可用性。被动防御是指当网络遭到入侵时网络具备的对抗被动防御是指当网络遭到入侵时网络具备的对抗外部攻击和内部攻击的能力，它对抵御网络入侵外部攻击和内部攻击的能力，它对抵御网络入侵至关重要。至关重要。(3)(3)主动反击入侵的能力主动反击入侵的能力 入侵检测能力入侵检测能力l准确识别网络内出现的各种入侵行为并发出警报准确识别网络内出现的各种入侵行为并发出警报l入侵检测系统还必须确定入侵节点的身份或者位置入侵检测系统还必须确定入侵节点的身份或者位置 隔离入侵者的能力隔离入侵者的能力l根据入侵检测信息调度网络正常通信来避开入侵者根据入侵检测信息调度网络正常通信来避开入侵者l丢弃任何由入侵者发出的数据包丢弃任何由入侵者发出的数据包 消灭入侵者的能力消灭入侵者的能力在网络提供的入侵信息引导下，由用户通过人工方式消灭在网络提供的入侵信息引导下，由用户通过人工方式消灭2 2、信息安全需求、信息安全需求 数据的机密性数据的机密性保证网络内传输的信息不被非法窃听。保证网络内传输的信息不被非法窃听。数据鉴别数据鉴别保证用户收到的信息来自己方节点而非入侵节保证用户收到的信息来自己方节点而非入侵节点。点。数据的完整性数据的完整性保证数据在传输过程中没有被恶意篡改。保证数据在传输过程中没有被恶意篡改。数据的实效性数据的实效性保证数据在时效范围内被传输给用户。保证数据在时效范围内被传输给用户。传感器网络在大多数的民用领域，如环境监测、森林传感器网络在大多数的民用领域，如环境监测、森林防火、候鸟迁徙跟踪等应用中，安全问题并不是一个非常防火、候鸟迁徙跟踪等应用中，安全问题并不是一个非常紧要的问题。紧要的问题。但在另外一些领域，如商业上的小区无线安防网络，但在另外一些领域，如商业上的小区无线安防网络，军事上的传感器网络等，则对数据的采样、传输过程，甚军事上的传感器网络等，则对数据的采样、传输过程，甚至节点的物理分布重点考虑安全问题，很多信息都不能让至节点的物理分布重点考虑安全问题，很多信息都不能让无关人员或者敌方人员了解。无关人员或者敌方人员了解。传感器网络安全问题的解决方法与传统网络传感器网络安全问题的解决方法与传统网络安全问题不同，主要原因如下：安全问题不同，主要原因如下：(1)(1)有限的存储空间和计算能力有限的存储空间和计算能力 (2)(2)缺乏后期节点布置的先验知识缺乏后期节点布置的先验知识 (3)(3)布置区域的物理安全无法保证布置区域的物理安全无法保证 (4)(4)有限的带宽和通信能量有限的带宽和通信能量 (5)(5)侧重整个网络的安全侧重整个网络的安全 (6)(6)应用相关性应用相关性传感器网络安全框架协议：传感器网络安全框架协议：SPINSSPINS SPINSSPINS安全协议族是最早的无线传感器网络的安安全协议族是最早的无线传感器网络的安全框架之一，包含了全框架之一，包含了SNEP(Secure Network SNEP(Secure Network Encryption Protocol)Encryption Protocol)和和TESLA(micro Timed TESLA(micro Timed Efficient Streaming Loss-tolerant Efficient Streaming Loss-tolerant authentication Protoco1)authentication Protoco1)两个安全协议。两个安全协议。SNEP SNEP协议提供点到点通信认证、数据机密性、协议提供点到点通信认证、数据机密性、完整性和新鲜性等安全服务；完整性和新鲜性等安全服务；TESLATESLA协议则提供协议则提供对广播消息的数据认证服务。对广播消息的数据认证服务。