《无线传感器网络简明(第二版)》-教学幻灯片PPT第4章探素.ppt

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1、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感传感探测探测感知感知传感器网感器网络终端端节点点应用用层的基的基础性技性技术是支撑是支撑传感器网感器网络完成任完成任务的关的关键：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管理能量管理安全机制安全机制本章内容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

2、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4.2.44.2.4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

3、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

4、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安全机制安全机制安全机制安全机制4.5.14.5.1传感器网络的安全问题传感器网络的安全问题传感器网络的安全问题传感器网络的安全问题4.5.24.5.2传感器网络的安全设计问题传感器网络的安全设计问题传感器网络的安全设计问题传感器网络的安全设计问题4.5.34.5.3传感器网络安全框架协议：传感器网络安全框架协议：传感器网络安全框架协议：传感器网络安全框架协议：SPINSSPINS4.5.4SPINS4.5.4SPINS协议的

5、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、传感器网感器网络时间同步的意同步的意义时间同步机制是分布式同步机制是分布式系系统基基础框架的一个关框架的一个关键机机制。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中，中，时间同步涉及同步涉及“物理物理时间”和和“逻辑时间”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“物理时间物理时间”用来表示人类社用来表示人类社会使用的绝对时间；会使用的绝对时间；“逻辑时间逻辑时间”体现了事件发生体现了事件发生的顺序关系，是一个相对概念。的顺序关系，是一个相对

6、概念。1、TPSN协议的操作的操作过程程TPSN协议包括两个包括两个阶段：段：4.1.2TPSN时间同步协议第一个阶段第一个阶段生成层次结构生成层次结构第二个阶段第二个阶段实现所有树节点的时间同步实现所有树节点的时间同步2、相、相邻级别节点点间的同步机制的同步机制邻近近级别的两个的两个节点点对间通通过交交换两个消息两个消息实现时间同步。同步。4.1.2TPSN时间同步协议边节点点S在在T1时间发送同步送同步请求求分分组给节点点R，分，分组中包含中包含S的的级别和和T1时间。节点点R在在T2时间收到分收到分组，然后在，然后在T3时间发送送应答分答分组给节点点S，分，分组中包含中包含节点点R的的级

7、别和和T1、T2和和T3信息。信息。节点点S在在T4时间收到收到应答，答，因此可以推因此可以推导出右面算式：出右面算式：节点点S在在计算算时间偏差之后，将偏差之后，将它的它的时间同步到同步到节点点R。4.1.2TPSN时间同步协议这里介里介绍一个例子，一个例子，说明磁阻明磁阻传感器网感器网络对机机动车辆进行行测速，速，为了了实现这个用途，网个用途，网络必必须先完先完成成时间同步。由于同步。由于对机机动车辆的的测速需要两个探速需要两个探测传感器感器节点的点的协同同合作，合作，测速算法提取速算法提取车辆经过每个每个节点的磁感点的磁感应信号的脉冲峰信号的脉冲峰值，并，并记录时间。如果将两个如果将两个

8、节点之点之间的距离的距离d除除以两个峰以两个峰值之之间的的时差差t，就可以，就可以得出机得出机动目目标通通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、定位的含义在在传感器网感器网络的很多的很多应用用问题中，没有中，没有节点位点位置信息的置信息的监测数据往往数据往往是没有意是没有意义的。的。无无线传感器网感器网络定位定位问题的含的含义是指自是指自组织的的网网络通通过特定方法提供特定方法提供节点的位置信息。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在特定在特定坐坐标系下的位系下的位置数置数值，表示，表示目目标的相的相

9、对或或者者绝对位置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与一个与一个基站或者多个基基站或者多个基站接近程度的信站接近程度的信息，表示目息，表示目标与与基站之基站之间的的连通通关系，提供目关系，提供目标大致的所在范大致的所在范围位置信息的分位置信息的分类4.2.1传感器网络节点定位问题2、基本、基本术语4.2.1传感器网络节点定位问题非非视线关系关系测距距锚点点邻居居节点点连接度接度到达到达时间基基础设施施跳数跳数到达角到达角度度视线关关系系到达到达时间差差接收信接收信号号强度度指示指示3、定位性能的、定位性能的评价指价指标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

10、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、定位系统的的设计要点要点在在设计定位系定位系统的的时候，候，要根据要根据预定的性能指定的性能指标，在，在众多方案之中众多方案之中选择能能够满足足要求的最要求的最优算法，采取最适算法，采取最适宜的技宜的技术手段来完成定位系手段来完成定位系统的的实现。通常。通常设计一个定位系一个定位系统需要考需要考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、测距方法距方法(1)接收信号接收信号强度指示度指示(RSSI)4.2.2基于测距的定位

11、技术无无线信号接收信号接收强度指示与信号度指示与信号传播距离之播距离之间的关系的关系(2)到达到达时间/到达到达时间差差(ToA/TDoA)ToA测距原理的距原理的过程示例程示例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测距原理的距原理的过程示例程示例假假设已知信已知信标锚点点A1，A2，A3，A4，的坐的坐标依次分依次分别为（x1，y1），（），（x2，y2），（），（x3，y3），（），（x4，y4），），即各，即各锚点位置点位置为。如果待定位如果待定位节点的坐点的坐标为（x,y），并且已知它至各），并且已知它至各锚点的点的测距数距数值为，可

12、得如下，可得如下图，其中，其中(x，y)为待求的未知坐待求的未知坐标。4.2.2基于测距的定位技术2、多、多边定位定位将第前将第前n-1个等式减去最后等式：个等式减去最后等式：用矩用矩阵和向量表达和向量表达为形式形式Ax=b，其中：，其中：4.2.2基于测距的定位技术根据最小均方估根据最小均方估计（MinimumMeanSquareError,MMSE）的方法原理，可以求得解）的方法原理，可以求得解为：，当矩，当矩阵求逆不能求逆不能计算算时，这种方法不适用，否种方法不适用，否则可成可成功得到位置估功得到位置估计。从上述。从上述过程可以看出，程可以看出，这种定位方种定位方法本法本质上就是最小二乘

13、估上就是最小二乘估计。4.2.2基于测距的定位技术多多边定位法的浮点运算量大，定位法的浮点运算量大，计算代价高。算代价高。Min-max定位是根据若干定位是根据若干锚点位置和至待求点位置和至待求节点的点的测距距值，创建多个建多个边界框，所有界框，所有边界框的交集界框的交集为一矩形，取此矩一矩形，取此矩形的形的质心作心作为待定位待定位节点的坐点的坐标。采用三个采用三个锚点点进行定位的行定位的Minmax方法示例，即以方法示例，即以某某锚点点i(i=1,2,3)坐坐标()为基基础，加上或减去，加上或减去测距距值，得到，得到锚点点i的的边界框：界框：4.2.2基于测距的定位技术3、Min-max定位

14、方法定位方法在所有位置点在所有位置点中取最小中取最小值、所有、所有中取最大中取最大值，则交集矩形取作：交集矩形取作：三个三个锚点共同形成交叉矩形，矩形点共同形成交叉矩形，矩形质心即心即为所求所求节点的估点的估计位置。位置。4.2.2基于测距的定位技术 无需无需测距的定位技距的定位技术不需要直接不需要直接测量距离和角度信息。量距离和角度信息。1、质心算法心算法在在计算几何学里多算几何学里多边形的几何中心称形的几何中心称为质心，多心，多边形形顶点坐点坐标的平均的平均值就是就是质心心节点的坐点的坐标。假假设多多边形定点位置的坐形定点位置的坐标向量表示向量表示为 pi=(xi，yi)T，则这个多个多边

15、形的形的质心坐心坐标为：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点密度引点密度引发的的问题，它根据距离矢量路由，它根据距离矢量路由协议的的原理在全网范原理在全网范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，在某些应用中可以起到关用中可以起到关键性的性的作用。定位技作用。定位技术的用途大体可分的用途大体可分为导航、跟踪、虚航、跟踪、虚拟现实、网网络路由等。路由等。4.2.4定位系统的典型应用4.3数据融合我我们将各种将各种传感器直接感器直接给出的信息称作源信息，如出的信息称作源信

16、息，如果果传感器感器给出的信息是已出的信息是已经数字化的信息，就称作源数数字化的信息，就称作源数据，如果据，如果给出的是出的是图像就是源像就是源图像。源信息是信息系像。源信息是信息系统处理的理的对象。象。源信息、源信息、传感器与感器与环境之境之间的关系：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：4.3.1多传感器数据融合概述数据融合是多信源、数据融合是多信源、多层次的处理过程，多层次的处理过程，每个层次代表信息每个层次代表信息的不同抽象程度的不同抽象程度数据融数据融合过程合过程包括数包括数据的检据的检测、关测、关联、估联、估计与合计与合并并数据融合数据融合的输出包的输出

17、包括低层次括低层次上的状态上的状态身份估计身份估计和高层次和高层次上的总战上的总战术态势的术态势的评估评估多传感器的多传感器的目标探测目标探测数据关联数据关联跟踪与识别跟踪与识别情况评估和情况评估和预测预测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以下几点：以下几点：(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)降低信息的不确定性。降低信息的不确定性。(3)提高系提高系统的可靠性。的可靠性。(4)增加系增加系统的的实时性。性。由于由于传感器网感器网络节点的点的资源十分有限，在收集信息的源十分有限，在收集信息的过程

18、中，如果各个程中，如果各个节点点单独地直接独地直接传送数据到送数据到汇聚聚节点，点，则是不合适的，主要原因如下：是不合适的，主要原因如下：(1)浪浪费通信通信带宽和能量。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行分行分类与与应用用层数据数据语义的关系的关系进行分行分类操作的操作的级别进行分行分类数据融合数据融合技技术4.3.3数据融合技术的分类(1)综合平均法合平均法(2)卡卡尔曼曼滤波法波法(3)贝叶斯估叶斯估计法法(4)D-S证据推理法据推理法(5)统计决策理决策理论(6)模糊模糊逻辑法法(7)产生式生式规则法

19、法(8)神神经网网络方法方法4.3.4数据融合的主要方法根据根据类SQL语言言进行网内行网内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能量管理传感器感器节点通常由四个部分点通常由四个部分组成：成：处理器理器单元、无元、无线传输单元、元、传感器感器单元和元和电源管理源管理单元元。其中。其中传感器感器单元能耗与元能耗与应用特征相关，用特征相关，采采样周期越短、采周期越短、采样精度越高，精度越高，则传感器感器单元的能耗越大。元的能耗越大。由于由于传感器感器单元的能耗要比元的能耗要比处理器理器单元和无元和无线传输单元的能耗元的能耗低得多，几乎可以忽略，因此通常只低得多，几乎可以忽

20、略，因此通常只讨论处理器理器单元和无元和无线传输单元的能耗元的能耗问题。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，当节点周点周围没有感没有感兴趣的趣的事件事件发生生时，计算与通信算与通信单元元处于空于空闲状状态，把，把这些些组件关掉或件关掉或调到更低能耗的状到更低能耗的状态，即休眠状，即休眠状态。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能效果主要体能效果主要体现在路由在路由协议的的实现上。路由上。路由过程的中程的中间节点只点只转发有用的信息。数据融有用的信息。数据融合有效地降低了整个网合有效地降低了整个网络

21、的数据流量。的数据流量。4.5安全机制4.5.1传感器网络的安全问题网网络安全一安全一直是网直是网络技技术的的重要重要组成部分，成部分，加密、加密、认证、防、防火火墙、入侵、入侵检测、物理隔离等物理隔离等都是都是网网络安全保障的安全保障的主要手段。主要手段。1、通信安全需求、通信安全需求4.5.1传感器网络的安全问题被被动抵御入侵的能力抵御入侵的能力主主动反反击入侵的能力入侵的能力节点的安全保点的安全保证2、信息安全需求、信息安全需求信息安全就是要保信息安全就是要保证网网络中中传输信息的信息的安全性。安全性。对于无于无线传感器网感器网络而言，具体而言，具体的信息安全需求内容的信息安全需求内容包

22、括：包括：4.5.1传感器网络的安全问题数数据的机据的机密性密性。保保证网网络内内传输的信息不的信息不被非法窃听。被非法窃听。数据数据鉴别鉴别 保保证用用户收到的信息来自收到的信息来自己方己方节点而非入侵点而非入侵节点。点。数据数据的完整的完整性性 保保证数据在数据在传输过程中没程中没有被有被恶意意篡改。改。数据数据的实效的实效性性保保证数据在数据在时效范效范围内被内被传输给用用户。传感器网感器网络的安全的安全问题和一般网和一般网络的安全的安全问题相比而相比而言，它言，它们的的 出出发点是相同的，都需要解决如下点是相同的，都需要解决如下问题：4.5.1传感器网络的安全问题传感器网感器网络安全安

23、全问题的解决方法与的解决方法与传统网网络安全安全问题不同，主要原因如下：不同，主要原因如下：4.5.1传感器网络的安全问题(1)有限的存有限的存储空空间和和计算能力算能力(2)缺乏后期缺乏后期节点布置的先点布置的先验知知识(3)布置区域的物理安全无法保布置区域的物理安全无法保证(4)有限的有限的带宽和通信能量和通信能量(5)侧重整个网重整个网络的安全的安全(6)应用相关性用相关性1、物理、物理层物理物理层面面临的主要的主要问题是无是无线通信的干通信的干扰和和节点点的的沦陷，遭受的主要攻陷，遭受的主要攻击包括包括拥塞攻塞攻击和物理破坏。和物理破坏。4.5.2传感器网络的安全设计分析物理物理层拥塞

24、塞攻攻击物理物理破坏破坏完善物理完善物理损害感知机制害感知机制信息加密信息加密2、链路路层碰撞攻击碰撞攻击耗尽攻击耗尽攻击非公平竞争非公平竞争4.5.2传感器网络的安全设计分析虚假的路由虚假的路由信息。信息。选择性的转选择性的转发。发。Sinkhole攻击。攻击。Sybil攻击。攻击。Wormhole攻击。攻击。HELLOf1ood攻击。攻击。确认欺骗。确认欺骗。3、网、网络层4.5.2传感器网络的安全设计分析这种攻种攻击通常需要两个通常需要两个恶意意节点相互串通，合点相互串通，合谋进行攻行攻击。在通常情况下一个。在通常情况下一个恶意意节点位于点位于sink(即簇即簇头节点点)附近，附近，另一

25、个另一个恶意意节点离点离sink较远。较远的那个的那个节点声称自己和点声称自己和sink附近的附近的节点可以建立低点可以建立低时延和高延和高带宽的的链路，从而吸引路，从而吸引周周围节点将数据包点将数据包发给它。在它。在这种情况下，种情况下，远离离sink的那个的那个恶意意节点其点其实也是一个也是一个Sinkhole。Wormhole攻攻击示意示意4.5.2传感器网络的安全设计分析4、传输层由于由于传感器网感器网络节点的内部点的内部资源条件限制，源条件限制，节点无法保存点无法保存维持端到端持端到端连接的大量信息，而且接的大量信息，而且节点点发送送应答消息会消耗大答消息会消耗大量能量，因此目前关于

26、量能量，因此目前关于传感器感器节点的点的传输层协议的安全性技的安全性技术并不多并不多见。4.5.2传感器网络的安全设计分析5、应用用层在在应用用层，密，密钥管理和安全管理和安全组播播为整个整个传感器网感器网络的安全的安全机制提供了安全基机制提供了安全基础设施，它主要集中在施，它主要集中在为整个整个传感器网感器网络提供安全支持，也就是密提供安全支持，也就是密钥管理和安全管理和安全组播的播的设计技技术。SPINS安全安全协议族是最早的无族是最早的无线传感器网感器网络的安全框的安全框架之一，包含了架之一，包含了SNEP(SecureNetworkEncryptionProtocol)和和TESLA(

27、microTimedEfficientStreamingLoss-tolerantauthenticationProtoco1)两两个安全个安全协议。4.5.3传感器网络安全框架协议：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+1E EE E2+E E3H1H2H34.5.4SPINS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）内存内存占用占用（B）运行指令运行指令数数（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