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无无线传感器网感器网络简明教程明教程（第（第2版）版）崔崔逊学学 左从菊左从菊 编著著第4章传感器网络的支撑技术传传感器网感器网络终络终端端节节点点应应用用层层的基的基础础性技性技术术是支撑是支撑传传感器网感器网络络完成任完成任务务的关的关键键：本章内容4.14.1时间同步机制时间同步机制时间同步机制时间同步机制4.1.14.1.1传感器网络的时间同步机制传感器网络的时间同步机制传感器网络的时间同步机制传感器网络的时间同步机制4.1.2TPSN4.1.2TPSN时间同步协议时间同步协议时间同步协议时间同步协议4.1.34.1.3时间同步的应用示例时间同步的应用示例时间同步的应用示例时间同步的应用示例4.24.2定位技术定位技术定位技术定位技术4.2.14.2.1传感器网络结点定位问题传感器网络结点定位问题传感器网络结点定位问题传感器网络结点定位问题4.2.24.2.2基于测距的定位技术基于测距的定位技术基于测距的定位技术基于测距的定位技术4.2.34.2.3无需测距的定位技术无需测距的定位技术无需测距的定位技术无需测距的定位技术定位系统的典型应用定位系统的典型应用定位系统的典型应用定位系统的典型应用4.34.3数据融合数据融合数据融合数据融合4.3.14.3.1多传感器数据融合概述多传感器数据融合概述多传感器数据融合概述多传感器数据融合概述本章内容4.3.24.3.2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4.3.34.3.3数据融合技术的分类数据融合技术的分类数据融合技术的分类数据融合技术的分类4.3.44.3.4数据融合的主要方法数据融合的主要方法数据融合的主要方法数据融合的主要方法4.3.54.3.5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4.44.4能量管理能量管理能量管理能量管理4.4.14.4.1能量管理的意义能量管理的意义能量管理的意义能量管理的意义4.4.24.4.2传感器网络的电源节能方法传感器网络的电源节能方法传感器网络的电源节能方法传感器网络的电源节能方法4.54.5平安机制平安机制平安机制平安机制4.5.14.5.1传感器网络的平安问题传感器网络的平安问题传感器网络的平安问题传感器网络的平安问题4.5.24.5.2传感器网络的平安设计问题传感器网络的平安设计问题传感器网络的平安设计问题传感器网络的平安设计问题4.5.34.5.3传感器网络平安框架协议：传感器网络平安框架协议：传感器网络平安框架协议：传感器网络平安框架协议：SPINSSPINS4.5.4SPINS4.5.4SPINS协议的实现问题与系统性能协议的实现问题与系统性能协议的实现问题与系统性能协议的实现问题与系统性能4.1时间同步机制1、传传感器网感器网络时间络时间同步的意同步的意义义时间时间同步机制是分布式系同步机制是分布式系统统基基础础框架的一个关框架的一个关键键机制。机制。4.1.1传感器网络的时间同步机制在分布式系在分布式系统统中，中，时间时间同步涉及同步涉及“物理物理时间时间”和和“逻辑时逻辑时间间”两个不同的概念。两个不同的概念。4.1.1传感器网络的时间同步机制1、TPSN协议协议的操作的操作过过程程TPSN协议协议包括两个包括两个阶阶段：段：4.1.2TPSN时间同步协议2、相、相邻级别节邻级别节点点间间的同步机制的同步机制邻邻近近级别级别的两个的两个节节点点对间对间通通过过交交换换两个消息两个消息实现时实现时间间同步。同步。4.1.2TPSN时间同步协议边节边节点点S在在T1时间发时间发送同步送同步恳恳求求分分组给节组给节点点R，分，分组组中包含中包含S的的级别级别和和T1时间时间。节节点点R在在T2时间时间收到分收到分组组，然后在，然后在T3时间发时间发送送应应答分答分组给节组给节点点S，分，分组组中包含中包含节节点点R的的级别级别和和T1、T2和和T3信息。信息。节节点点S在在T4时间时间收到收到应应答，答，因此可以推因此可以推导导出右面算式：出右面算式：节节点点S在在计计算算时间时间偏差之后，将它偏差之后，将它的的时间时间同步到同步到节节点点R。4.1.2TPSN时间同步协议这这里介里介绍绍一个例子，一个例子，说说明磁阻明磁阻传传感器网感器网络对络对机机动车辆进动车辆进行行测测速，速，为为了了实现这实现这个用途，网个用途，网络络必需先完成必需先完成时间时间同步。由于同步。由于对对机机动车辆动车辆的的测测速速须须要两个探要两个探测传测传感器感器节节点的点的协协同合同合作，作，测测速算法提取速算法提取车辆经过车辆经过每个每个节节点的磁感点的磁感应应信号的脉冲峰信号的脉冲峰值值，并，并记记录时间录时间。假如将两个假如将两个节节点之点之间间的距离的距离d除以除以两个峰两个峰值值之之间间的的时时差差t，就可以得，就可以得出机出机动动目目标标通通过这过这一路段的速度一路段的速度(Vel):4.1.3时间同步的应用示例4.2定位技术1、定位的含、定位的含义义在在传传感器网感器网络络的很多的很多应应用用问题问题中，没有中，没有节节点位置点位置信息的信息的监测监测数据往往数据往往是没有意是没有意义义的。的。无无线传线传感器网感器网络络定位定位问题问题的含的含义义是指自是指自组织组织的的网网络络通通过过特定方法供特定方法供应节应节点的位置信息。点的位置信息。4.2.1传感器网络节点定位问题物理位置物理位置指目指目标标在特在特定坐定坐标标系下系下的位置数的位置数值值，表示目表示目标标的的相相对对或者确或者确定位置定位置位置信息位置信息符号位置符号位置指在目指在目标标与与一个基站或一个基站或者多个基站者多个基站接近程度的接近程度的信息，表示信息，表示目目标标与基站与基站之之间间的的连连通通关系，供关系，供应应目目标标大致的大致的所在范所在范围围位置信息的分位置信息的分类类4.2.1传感器网络节点定位问题2、基本、基本术语术语4.2.1传感器网络节点定位问题非非视线视线关系关系测测距距锚锚点点邻邻居居节节点点连连接度接度到达到达时时间间基基础设础设施施跳数跳数到达角到达角度度视线视线关关系系到达到达时时间间差差接收信接收信号号强强度度指示指示3、定位性能的、定位性能的评评价指价指标标4.2.1传感器网络节点定位问题定位性能定位性能定位性能定位性能功耗功耗覆盖范围覆盖范围覆盖范围覆盖范围刷新速度刷新速度刷新速度刷新速度4、定位系、定位系统统的的设计设计要点要点在在设计设计定位系定位系统统的的时时候，候，要依据要依据预预定的性能指定的性能指标标，在，在众多方案之中众多方案之中选择选择能能够满够满足足要求的最要求的最优优算法，算法，实实行最适行最适宜的技宜的技术术手段来完成定位系手段来完成定位系统统的的实现实现。通常。通常设计设计一个定位系一个定位系统须统须要考要考虑虑两个主要两个主要因素，即定位机制的物理特性和定位算法。因素，即定位机制的物理特性和定位算法。4.2.1传感器网络节点定位问题1、测测距方法距方法(1)接收信号接收信号强强度指示度指示(RSSI)4.2.2基于测距的定位技术无无线线信号接收信号接收强强度指示与信号度指示与信号传传播距离之播距离之间间的关系的关系(2)到达到达时间时间/到达到达时间时间差差(ToA/TDoA)ToA测测距原理的距原理的过过程示例程示例4.2.2基于测距的定位技术(3)到达角到达角(AoA)4.2.2基于测距的定位技术ToA测测距原理的距原理的过过程示例程示例假假设设已知信已知信标锚标锚点点A1，A2，A3，A4，的坐的坐标标依次分依次分别为别为（x1，y1），（），（x2，y2），（），（x3，y3），（），（x4，y4），），即各，即各锚锚点位置点位置为为。假如待定位。假如待定位节节点的坐点的坐标为标为（x,y），并且已知它至各），并且已知它至各锚锚点的点的测测距距数数值为值为，可得如下，可得如下图图，其中，其中(x，y)为为待求的未知坐待求的未知坐标标。4.2.2基于测距的定位技术2、多、多边边定位定位将第前将第前n-1个等式减去最个等式减去最终终等式：等式：用矩用矩阵阵和向量表达和向量表达为为形式形式Ax=b，其中：，其中：4.2.2基于测距的定位技术依据最小均方估依据最小均方估计计（MinimumMeanSquareError,MMSE）的方法原理，可以求得解）的方法原理，可以求得解为为：，当矩，当矩阵阵求逆不能求逆不能计计算算时时，这这种方法不适用，否种方法不适用，否则则可成功得到可成功得到位置估位置估计计。从上述。从上述过过程可以看出，程可以看出，这这种定位方法本种定位方法本质质上就是最小二乘估上就是最小二乘估计计。4.2.2基于测距的定位技术多多边边定位法的浮点运算量大，定位法的浮点运算量大，计计算代价高。算代价高。Min-max定位是依据若干定位是依据若干锚锚点位置和至待求点位置和至待求节节点的点的测测距距值值，创创建建多个多个边边界框，全部界框，全部边边界框的交集界框的交集为为一矩形，取此矩形的一矩形，取此矩形的质质心作心作为为待定位待定位节节点的坐点的坐标标。接受三个接受三个锚锚点点进进行定位的行定位的Minmax方法示例，即以方法示例，即以某某锚锚点点i(i=1,2,3)坐坐标标()为为基基础础，加上或减去，加上或减去测测距距值值，得到，得到锚锚点点i的的边边界框：界框：4.2.2基于测距的定位技术3、Min-max定位方法定位方法在全部位置点在全部位置点中取最小中取最小值值、全部、全部中取最大中取最大值值，则则交集矩形取作：交集矩形取作：三个三个锚锚点共同形成交叉矩形，矩形点共同形成交叉矩形，矩形质质心即心即为为所求所求节节点的估点的估计计位置。位置。4.2.2基于测距的定位技术无需无需测测距的定位技距的定位技术术不不须须要干脆要干脆测测量距离和角度信息。量距离和角度信息。1、质质心算法心算法在在计计算几何学里多算几何学里多边边形的几何中心称形的几何中心称为质为质心，多心，多边边形形顶顶点坐点坐标标的的平均平均值值就是就是质质心心节节点的坐点的坐标标。假假设设多多边边形定点位置的坐形定点位置的坐标标向量表示向量表示为为pi=(xi，yi)T，则这则这个多个多边边形的形的质质心坐心坐标标为为：4.2.3无需测距的定位技术2、DV-Hop算法算法DV-Hop算法解决了低算法解决了低锚锚点密度引点密度引发发的的问题问题，它依据距离矢量路由，它依据距离矢量路由协议协议的的原理在全网范原理在全网范围围内广播跳数和位置。内广播跳数和位置。4.2.3无需测距的定位技术位置信息有很多用途，在某些位置信息有很多用途，在某些应应用中可以起到关用中可以起到关键键性的作性的作用。定位技用。定位技术术的用途大体可分的用途大体可分为导为导航、跟踪、虚航、跟踪、虚拟现实拟现实、网、网络络路由等。路由等。4.2.4定位系统的典型应用4.3数据融合我我们们将各种将各种传传感器干脆感器干脆给给出的信息称作源信息，假如出的信息称作源信息，假如传传感器感器给给出的信息是已出的信息是已经经数字化的信息，就称作源数据，数字化的信息，就称作源数据，假如假如给给出的是出的是图图像就是源像就是源图图像。源信息是信息系像。源信息是信息系统处统处理理的的对对象。象。源信息、源信息、传传感器与感器与环环境之境之间间的关系：的关系：4.3.1多传感器数据融合概述数据融合的定数据融合的定义义：4.3.1多传感器数据融合概述4.3.1多传感器数据融合概述数据融合的内容数据融合的内容：数据融合的主要作用可数据融合的主要作用可归纳为归纳为以下几点：以下几点：(1)提高信息的精确性和全面性。提高信息的精确性和全面性。(2)降低信息的不确定性。降低信息的不确定性。(3)提高系提高系统统的牢靠性。的牢靠性。(4)增加系增加系统统的的实时实时性。性。由于由于传传感器网感器网络节络节点的点的资资源特殊有限，在收集信息的源特殊有限，在收集信息的过过程中，假如各个程中，假如各个节节点点单单独地干脆独地干脆传传送数据到送数据到汇汇聚聚节节点，点，则则是不合适的，主要是不合适的，主要缘缘由如下：由如下：(1)奢侈通信奢侈通信带宽带宽和能量。和能量。(2)降低信息收集的效率。降低信息收集的效率。4.3.2传感器网络中数据融合的作用数据的信息含量数据的信息含量进进行分行分类类与与应应用用层层数据数据语义语义的关系的关系进进行分行分类类操作的操作的级别进级别进行分行分类类数据融合数据融合技技术术4.3.3数据融合技术的分类(1)综综合平均法合平均法(2)卡卡尔尔曼曼滤滤波法波法(3)贝贝叶斯估叶斯估计计法法(4)D-S证证据推理法据推理法(5)统计统计决策理决策理论论(6)模糊模糊逻辑逻辑法法(7)产产生式生式规则规则法法(8)神神经经网网络络方法方法4.3.4数据融合的主要方法依据依据类类SQL语语言言进进行网内行网内处处理的示例理的示例4.3.5传感器网络应用层的数据融合示例4.4能量管理传传感器感器节节点通常由四个部分点通常由四个部分组组成：成：处处理器理器单单元、无元、无线传输单线传输单元、元、传传感器感器单单元和元和电电源管理源管理单单元。其中元。其中传传感器感器单单元能耗与元能耗与应应用特征相关，用特征相关，采采样样周期越短、采周期越短、采样样精度越高，精度越高，则传则传感器感器单单元的能耗越大。元的能耗越大。由于由于传传感器感器单单元的能耗要比元的能耗要比处处理器理器单单元和无元和无线传输单线传输单元的能耗低元的能耗低得多，几乎可以忽得多，几乎可以忽视视，因此通常只探，因此通常只探讨处讨处理器理器单单元和无元和无线传输单线传输单元元的能耗的能耗问题问题。4.4.1能量管理的意义1、休眠机制、休眠机制休眠机制的主要思想是，当休眠机制的主要思想是，当节节点四周没有感点四周没有感爱爱好的好的事事务发务发生生时时，计计算与通信算与通信单单元元处处于空于空闲闲状状态态，把，把这这些些组组件关掉或件关掉或调调到更低能耗的状到更低能耗的状态态，即休眠状，即休眠状态态。4.4.2传感器网络的电源节能方法2、数据融合、数据融合数据融合的数据融合的节节能效果主要体能效果主要体现现在路由在路由协议协议的的实现实现上。上。路由路由过过程的中程的中间节间节点只点只转发转发有用的信息。数据融合有有用的信息。数据融合有效地降低了整个网效地降低了整个网络络的数据流量。的数据流量。4.5平安机制4.5.1传感器网络的平安问题网网络络平安始平安始终终是网是网络络技技术术的重要的重要组组成部分，加成部分，加密、密、认证认证、防火、防火墙墙、入侵、入侵检测检测、物理隔离等都是网、物理隔离等都是网络络平安保障的主要手段。平安保障的主要手段。1、通信平安需求、通信平安需求4.5.1传感器网络的平安问题被被动动抵抗入侵的抵抗入侵的实实力力主主动动反反击击入侵的入侵的实实力力节节点的平安保点的平安保证证2、信息平安需求、信息平安需求信息平安就是要保信息平安就是要保证证网网络络中中传输传输信息的信息的平安性。平安性。对对于无于无线传线传感器网感器网络络而言，具体而言，具体的信息平安需求内容的信息平安需求内容包括：包括：4.5.1传感器网络的平安问题传传感器网感器网络络的平安的平安问题问题和一般网和一般网络络的平安的平安问题问题相比而言，相比而言，它它们们的的动动身点是相同的，都身点是相同的，都须须要解决如下要解决如下问题问题：4.5.1传感器网络的平安问题传传感器网感器网络络平安平安问题问题的解决方法与的解决方法与传统传统网网络络平安平安问题问题不同，主要不同，主要缘缘由如下：由如下：4.5.1传感器网络的平安问题(1)有限的存有限的存储储空空间间和和计计算算实实力力(2)缺乏后期缺乏后期节节点布置的先点布置的先验验学学问问(3)布置区域的物理平安无法保布置区域的物理平安无法保证证(4)有限的有限的带宽带宽和通信能量和通信能量(5)侧侧重整个网重整个网络络的平安的平安(6)应应用相关性用相关性1、物理、物理层层物理物理层层面面临临的主要的主要问题问题是无是无线线通信的干通信的干扰扰和和节节点的点的沦沦陷，遭遇的主要攻陷，遭遇的主要攻击击包括包括拥拥塞攻塞攻击击和物理破坏。和物理破坏。4.5.2传感器网络的平安设计分析2、链链路路层层4.5.2传感器网络的平安设计分析3、网、网络层络层4.5.2传感器网络的平安设计分析这这种攻种攻击击通常通常须须要两个要两个恶恶意意节节点相互串通，合点相互串通，合谋进谋进行攻行攻击击。在通常状况下一个。在通常状况下一个恶恶意意节节点位于点位于sink(即簇即簇头节头节点点)旁旁边边，另一个另一个恶恶意意节节点离点离sink较远较远。较远较远的那个的那个节节点声称自己和点声称自己和sink旁旁边边的的节节点可以建立低点可以建立低时时延和高延和高带宽带宽的的链链路，从而吸引路，从而吸引四周四周节节点将数据包点将数据包发给发给它。在它。在这这种状况下，种状况下，远远离离sink的那个的那个恶恶意意节节点其点其实实也是一个也是一个Sinkhole。Wormhole攻攻击击示意示意4.5.2传感器网络的平安设计分析4、传输层传输层由于由于传传感器网感器网络节络节点的内部点的内部资资源条件限制，源条件限制，节节点无法保存点无法保存维维持端到端持端到端连连接的大量信息，而且接的大量信息，而且节节点点发发送送应应答消息会消耗大量答消息会消耗大量能量，因此目前关于能量，因此目前关于传传感器感器节节点的点的传输层协议传输层协议的平安性技的平安性技术术并并不多不多见见。4.5.2传感器网络的平安设计分析5、应应用用层层在在应应用用层层，密，密钥钥管理和平安管理和平安组组播播为为整个整个传传感器网感器网络络的平安的平安机制供机制供应应了平安基了平安基础设础设施，它主要集中在施，它主要集中在为为整个整个传传感器网感器网络络供供应应平安支持，也就是密平安支持，也就是密钥钥管理和平安管理和平安组组播的播的设计设计技技术术。SPINS平安平安协议协议族是最早的无族是最早的无线传线传感器网感器网络络的平安框的平安框架之一，包含了架之一，包含了SNEP(SecureNetworkEncryptionProtocol)和和TESLA(microTimedEfficientStreamingLoss-tolerantauthenticationProtoco1)两个平安两个平安协议协议。4.5.3传感器网络平安框架协议：SPINSTESLA协议单向密匙链的示例协议单向密匙链的示例P1P2P3P4P5P6P7K0K1K2K3K4TFFFF4.5.4SPINS协议的实现问题与系统性能随机数计数器37a82def00000000RC5分组加密算法密匙明文/密文密文/明文随机数计数器37a82def00000001RC5分组加密算法密匙明文/密文密文/明文1、加密算法的选择加密算法的选择RC5-CTR算法的加解密过程算法的加解密过程1EE2E3H1H2H34.5.4SPINS协议的实现问题与系统性能2、消息认证算法的选择消息认证算法的选择CBC-MAC认证算法的实现过程认证算法的实现过程协议协议算法算法协议代码量协议代码量（B）内存占用内存占用（B）运行指令数运行指令数（指令数（指令数/包）包）加密协议加密协议RC5-CTR39280120508802认证协议认证协议RC5-CBC-MAC480206005961210广播认证密钥广播认证密钥建立协议建立协议RC5-CBC-MAC62212080006226864.5.4SPINS协议的实现问题与系统性能模型算法和性能评估结果the end 谢 谢！