配套課件-無線傳感網(wǎng)技術(shù)與設(shè)計-向守超

第一章無線傳感網(wǎng)技術(shù)概論無線傳感網(wǎng)技術(shù)與設(shè)計第一章無線傳感網(wǎng)技術(shù)概論無線傳感網(wǎng)技術(shù)與設(shè)計目錄無線傳感網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)無線傳感網(wǎng)主要特征無線傳感網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)無線傳感網(wǎng)的應(yīng)用無線傳感網(wǎng)發(fā)展與現(xiàn)狀2目錄無線傳感網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)2第一節(jié)無線傳感網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)1.無線傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)2.無線傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)3.無線傳感器協(xié)議棧3第一節(jié)無線傳感網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)1.無線傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)3第一節(jié)無線傳感網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

-----無線傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)無線傳感網(wǎng)是由一組無線傳感器節(jié)點以AdHoc（自組織）方式組成的無線網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、收集和處理傳感網(wǎng)所覆蓋的地理區(qū)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(gòu)成了無線傳感網(wǎng)的三個要素4第一節(jié)無線傳感網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

第一節(jié)無線傳感網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

-----無線傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)典型的無線傳感網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)由分布式傳感器節(jié)點群組成5第一節(jié)無線傳感網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

第一節(jié)無線傳感網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

-----無線傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分布式的無線傳感網(wǎng)多為分簇形式，將傳感器節(jié)點分成多個簇，每個簇存在一個簇頭節(jié)點，負(fù)責(zé)簇內(nèi)節(jié)點的管理和數(shù)據(jù)融合，基于分簇結(jié)構(gòu)的無線傳感網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)如圖所示6第一節(jié)無線傳感網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

第一節(jié)無線傳感網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

-----無線傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)無線傳感器節(jié)點是一個微型化的嵌入式系統(tǒng)，它構(gòu)成了無線傳感網(wǎng)的基礎(chǔ)層支持平臺。典型的傳感器節(jié)點由數(shù)據(jù)采集的感知單元、數(shù)據(jù)處理和存儲單元、通信收發(fā)的傳輸單元和節(jié)點供電的能源供給單元四個部分組成7第一節(jié)無線傳感網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

第一節(jié)無線傳感網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

-----無線傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)感知單元由傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器組成，負(fù)責(zé)感知監(jiān)控對象的信息；能源供給單元負(fù)責(zé)供給節(jié)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(jié)點間的信息交互通信工作，一般為無線電收發(fā)裝置，有物理層收發(fā)器、MAC層協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議組成；處理單元包括存儲器、微處理器和應(yīng)用部分，負(fù)責(zé)控制整個傳感器節(jié)點的操作，存儲和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)8第一節(jié)無線傳感網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

第一節(jié)無線傳感網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

-----無線傳感器協(xié)議棧協(xié)議棧由應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層，功率管理平面、移動管理平面、任務(wù)管理平面組成9第一節(jié)無線傳感網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

第二節(jié)無線傳感網(wǎng)主要特征1.不同于移動自組網(wǎng)2.不同于現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)3.無線傳感器節(jié)點的限制4.無線傳感網(wǎng)的特點5.短距離無線通信技術(shù)6.廣域網(wǎng)無線通信技術(shù)10第二節(jié)無線傳感網(wǎng)主要特征1.不同于移動自組網(wǎng)10第二節(jié)無線傳感網(wǎng)主要特征

------不同于移動自組網(wǎng)移動自組網(wǎng)(MobileAdHocNetworks)或移動AdHoc網(wǎng)絡(luò)是一個由幾十到上百個節(jié)點組成、采用無線通信方式、動態(tài)組網(wǎng)的多跳移動性對等網(wǎng)絡(luò)。其目的是通過動態(tài)路由和移動管理技術(shù)傳輸具有服務(wù)質(zhì)量要求的多媒體信息流，通常其節(jié)點具有持續(xù)的能量供給。11第二節(jié)無線傳感網(wǎng)主要特征

第二節(jié)無線傳感網(wǎng)主要特征

------不同于移動自組網(wǎng)無線傳感網(wǎng)無線自組織網(wǎng)絡(luò)之間的主要區(qū)別有以下幾點：●在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點規(guī)模方面，無線傳感網(wǎng)包含的節(jié)點數(shù)量比AdHoc網(wǎng)絡(luò)高幾個數(shù)量級；●在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分布密度方面，因節(jié)點冗余的要求和部署的原因，無線傳感網(wǎng)節(jié)點的分布密度很大；●在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點處理能力方面，AdHoc網(wǎng)絡(luò)的處理能力較強，而無線傳感網(wǎng)節(jié)點固定，處理能力、存儲能力和通信能力都有限；●在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面，AdHoc網(wǎng)絡(luò)是由于節(jié)點的移動而產(chǎn)生的，而無線傳感器網(wǎng)是由于節(jié)點休眠、環(huán)境干擾或節(jié)點故障而產(chǎn)生的；●在通信方式方面，無線傳感網(wǎng)節(jié)點主要使用廣播通信，而AdHoc網(wǎng)絡(luò)節(jié)點采用點對點通信；●由于無線傳感網(wǎng)節(jié)點數(shù)量的原因，節(jié)點沒有統(tǒng)一的標(biāo)識；●無線傳感網(wǎng)以數(shù)據(jù)為中心。12第二節(jié)無線傳感網(wǎng)主要特征

第二節(jié)無線傳感網(wǎng)主要特征

------不同于現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場和微機化測量控制設(shè)備之間，實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù)字化、多點通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場總線可實現(xiàn)整個企業(yè)的信息集成，實現(xiàn)綜合自動化，形成工廠底層網(wǎng)絡(luò)，完成現(xiàn)場自動化設(shè)備之間的多點數(shù)字通信，實現(xiàn)底層現(xiàn)場設(shè)備之間和生產(chǎn)現(xiàn)場與外界的信息交換。目前市場上較為流行的現(xiàn)場總線有CAN（控制局域網(wǎng)絡(luò))、Lonworks(局部操作網(wǎng)絡(luò))、Profibus(過程現(xiàn)場總線)、HART(可尋址遠(yuǎn)程傳感器數(shù)據(jù)通信)和FF(基金會現(xiàn)場總線)等。13第二節(jié)無線傳感網(wǎng)主要特征

第二節(jié)無線傳感網(wǎng)主要特征

------不同于現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)由于嚴(yán)格的實時性要求，這些現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成通常是有線的。在開放式通信系統(tǒng)互聯(lián)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(yīng)用層，避開了多跳通信和中間節(jié)點的關(guān)聯(lián)隊列延遲由于現(xiàn)場總線是通過報告?zhèn)鞲袛?shù)據(jù)從而控制物理環(huán)境的，所以從某種程度上說它與傳感網(wǎng)非常相似，甚至可以將天線傳感網(wǎng)看作是無線現(xiàn)場總線的實例。但是兩者的區(qū)別是明顯的。無線傳感網(wǎng)關(guān)注的焦點不是數(shù)十毫秒范圍內(nèi)的實時性，而是具體的業(yè)務(wù)應(yīng)用，這些應(yīng)用能夠容許較長時間的延遲和抖動。14第二節(jié)無線傳感網(wǎng)主要特征

第二節(jié)無線傳感網(wǎng)主要特征

------無線傳感器節(jié)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(jié)無線傳感網(wǎng)主要特征

第二節(jié)無線傳感網(wǎng)主要特征

------無線傳感網(wǎng)的特點1.無線傳感網(wǎng)規(guī)模大，密度高2.傳感器節(jié)點的能量、計算能力和存儲容量有限3.無線傳感網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)易變化，具有自組織能力4.網(wǎng)絡(luò)的自動管理和高度協(xié)作性5.傳感器節(jié)點具有數(shù)據(jù)融合能力6.以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)7.安全性問題嚴(yán)重16第二節(jié)無線傳感網(wǎng)主要特征

第二節(jié)無線傳感網(wǎng)主要特征

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

第二節(jié)無線傳感網(wǎng)主要特征

------廣域網(wǎng)無線通信技術(shù)1.GPRS和EDGE2.WiMAX3.3G4.LTE18第二節(jié)無線傳感網(wǎng)主要特征

第三節(jié)無線傳感網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)1.網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂萍夹g(shù)2.網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議3.網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)4.時間同步技術(shù)5.節(jié)點定位技術(shù)6.數(shù)據(jù)融合技術(shù)7.數(shù)據(jù)管理技術(shù)8.無線通信技術(shù)9.嵌入式操作系統(tǒng)10.應(yīng)用層技術(shù)19第三節(jié)無線傳感網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)1.網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂萍夹g(shù)19第四節(jié)無線傳感網(wǎng)的應(yīng)用1．軍事應(yīng)用2．環(huán)境監(jiān)測3．工業(yè)應(yīng)用4．智能家居5．智能醫(yī)療6．建筑物和大型設(shè)備安全狀態(tài)的監(jiān)控7．應(yīng)急援救8．其他方面的應(yīng)用20第四節(jié)無線傳感網(wǎng)的應(yīng)用1．軍事應(yīng)用20第五節(jié)無線傳感網(wǎng)發(fā)展與現(xiàn)狀無線傳感網(wǎng)發(fā)展的三個階段第一階段：傳統(tǒng)的傳感器系統(tǒng)第二階段：傳感網(wǎng)節(jié)點集成化第三階段：多跳自組網(wǎng)無線傳感網(wǎng)的發(fā)展趨勢1．無線多媒體傳感網(wǎng)2．泛在傳感網(wǎng)3．基于認(rèn)知功能的傳感網(wǎng)4．基于超寬帶技術(shù)的無線傳感網(wǎng)5．基于協(xié)作通信技術(shù)的無線傳感網(wǎng)21第五節(jié)無線傳感網(wǎng)發(fā)展與現(xiàn)狀無線傳感網(wǎng)發(fā)展的三個階段21第二章WSN關(guān)鍵技術(shù)無線傳感網(wǎng)技術(shù)與設(shè)計第二章WSN關(guān)鍵技術(shù)無線傳感網(wǎng)技術(shù)與設(shè)計目錄WSN定位技術(shù)時間同步技術(shù)安全技術(shù)數(shù)據(jù)融合技術(shù)WSN數(shù)據(jù)管理技術(shù)無線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議無線傳感網(wǎng)路由協(xié)議23目錄WSN定位技術(shù)23第一節(jié)WSN定位技術(shù)（目錄）1.1定位技術(shù)概述1.2定位算法的分類1.3測距方法1.4節(jié)點定位計算方法1.5無需測距的定位算法24第一節(jié)WSN定位技術(shù)（目錄）1.1定位技術(shù)概述24第一節(jié)WSN定位技術(shù)

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

第一節(jié)WSN定位技術(shù)

-----定位技術(shù)概述

WSN定位算法特點●自組織性。傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點隨機分布，不能依靠全局的基礎(chǔ)設(shè)施協(xié)助定位。●健壯性。傳感器節(jié)點的硬件配置低、能量少、可靠性差、測量距離時會產(chǎn)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(fù)雜性，減少節(jié)點間的通信開銷，以盡量延長網(wǎng)絡(luò)的生存周期。通信開銷是傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要能量開銷?！穹植际接嬎恪Ｃ總€節(jié)點盡量計算自身位置，不能將所有信息傳送到某個節(jié)點進行集中計算。26第一節(jié)WSN定位技術(shù)

第一節(jié)WSN定位技術(shù)

-----定位技術(shù)概述定位技術(shù)的基本術(shù)語●鄰居節(jié)點（NeighborNodes）●跳數(shù)（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(guān)系（LineofSight，LOS）●非視線關(guān)系（NonLineofSight，NLOS）●基礎(chǔ)設(shè)施（Infrastructure）：27第一節(jié)WSN定位技術(shù)

第一節(jié)WSN定位技術(shù)

-----定位技術(shù)概述定位性能的評價指標(biāo)定位精度覆蓋范圍刷新速度功耗代價節(jié)點密度容錯性和自適應(yīng)性28第一節(jié)WSN定位技術(shù)

第一節(jié)WSN定位技術(shù)

-----定位算法的分類1．基于測距技術(shù)的定位和無需測距技術(shù)的定位2．基于錨節(jié)點的定位算法和非基于錨節(jié)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(fā)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(xì)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(jié)WSN定位技術(shù)

第一節(jié)WSN定位技術(shù)

-----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(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(fā)射功率；r是收發(fā)節(jié)點之間的距離；n是傳播因子，其數(shù)值取決于無線信號傳播的環(huán)境。如果將功率轉(zhuǎn)換為分貝(dBm)的表達形式，可以直接寫成：Pr(dBm)=Pt(dBm)-10nlgr30第一節(jié)WSN定位技術(shù)

第一節(jié)WSN定位技術(shù)

-----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(jié)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(dǎo)致很大的距離誤差值，另外要求傳感器節(jié)點的計算能力較強。31第一節(jié)WSN定位技術(shù)

第一節(jié)WSN定位技術(shù)

-----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(jié)點在收到信號后直接發(fā)回，發(fā)送節(jié)點測量收發(fā)的時間差，由于僅使用發(fā)送節(jié)點的時鐘，因此避免節(jié)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(jié)WSN定位技術(shù)

第一節(jié)WSN定位技術(shù)

-----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(jié)點接收到同一個發(fā)射信號的時間差。33第一節(jié)WSN定位技術(shù)

第一節(jié)WSN定位技術(shù)

-----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(jié)點發(fā)射的無線信號的到達角度。它的硬件要求較高，每個節(jié)點要安裝昂貴的天線陣列和超聲波接收器。34第一節(jié)WSN定位技術(shù)

第一節(jié)WSN定位技術(shù)

-----節(jié)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(jié)點的坐標(biāo)分別為(xa,ya)、(xb,yb)、(xc,yc)，以及它們到未知節(jié)點D的距離分別為da、db、dc，假設(shè)節(jié)點D的坐標(biāo)為(x,y)。那么存在下列公式：35第一節(jié)WSN定位技術(shù)

第一節(jié)WSN定位技術(shù)

-----節(jié)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(jié)點的坐標(biāo)分別為(xa,ya)、(xb,yb)、(xc,yc)，節(jié)點D相對于節(jié)點A、B、C的角度分別為∠ADB、∠ADC、∠BDC，假設(shè)節(jié)點D的坐標(biāo)為(x,y)。36第一節(jié)WSN定位技術(shù)

第一節(jié)WSN定位技術(shù)

-----節(jié)點定位計算方法（三角定位法）對于節(jié)點A、C和角∠ADC，如果弧段AC在△ABC內(nèi)，那么能夠唯一確定一個圓，設(shè)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(jié)WSN定位技術(shù)

第一節(jié)WSN定位技術(shù)

-----節(jié)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(jié)點的坐標(biāo)分別為(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)、…、(xn,yn)，它們到未知節(jié)點的距離分別為d1、d2、d3、…、dn，假設(shè)未知節(jié)點的坐標(biāo)為(x,y)，那么存在下列公式：38第一節(jié)WSN定位技術(shù)

-----第一節(jié)WSN定位技術(shù)

-----無需測距的定位算法無需測距的定位技術(shù)不需要直接測量距離和角度信息。它不是通過測量節(jié)點之間的距離來定位的，而是僅根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的連通性確定網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點之間的跳數(shù)，同時根據(jù)已知位置的參考節(jié)點的坐標(biāo)等信息估計出每一跳的大致距離，然后估計出節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中的位置。目前主要有兩類距離無關(guān)的定位方法：一類是先對未知節(jié)點和信標(biāo)節(jié)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(jié)點的定位；另一類是通過鄰居節(jié)點和信標(biāo)節(jié)點來確定包含未知節(jié)點的區(qū)域，然后將這個區(qū)域的質(zhì)心作為未知節(jié)點的坐標(biāo)。39第一節(jié)WSN定位技術(shù)

-----第一節(jié)WSN定位技術(shù)

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

-----第一節(jié)WSN定位技術(shù)

-----無需測距的定位算法（DV-Hop算法）距離向量-跳數(shù)（distancevector-hop，DV-Hop）算法定位機制非常類似于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的距離向量路由機制。在距離向量定位機制中，未知節(jié)點首先計算與信標(biāo)節(jié)點的最小跳數(shù)，然后估算平均跳數(shù)的距離，利用最小跳數(shù)乘以平均每跳距離，得到未知節(jié)點與信標(biāo)節(jié)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(jié)點的坐標(biāo)。DV-Hop算法的定位過程分為以下三個階段：（1）計算未知節(jié)點與信標(biāo)節(jié)點的最小跳數(shù)（2）計算未知節(jié)點與信標(biāo)節(jié)點的實際跳數(shù)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(jié)WSN定位技術(shù)

-----第一節(jié)WSN定位技術(shù)

-----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(qū)別就在于：DV-Hop算法是通過節(jié)點的平均每跳距離和跳數(shù)算出節(jié)點間的距離，而DV-Distance算法是通過節(jié)點間使用射頻通信來測量出節(jié)點間的距離，即利用RSSI來測量節(jié)點間的距離，然后再應(yīng)用三角定位法計算出節(jié)點的位置。42第一節(jié)WSN定位技術(shù)

-----無需測距的定位算法第一節(jié)WSN定位技術(shù)

-----無需測距的定位算法（APIT算法）近似三角形內(nèi)點測試法（approximatepoint-intriangulationtest，APIT），首先確定多個包含未知節(jié)點的三角形區(qū)域，這些三角形區(qū)域的交集是一個多邊形，它確定了更小的包含未知節(jié)點的區(qū)域；然后計算這個多邊形區(qū)域的質(zhì)心，并將質(zhì)心作為未知節(jié)點的位置。APIT定位具體步驟：●收集信息：未知節(jié)點收集鄰近信標(biāo)節(jié)點的信息，如位置、標(biāo)識號、接收到的信號強度等，鄰居節(jié)點之間交換各自接收到的信標(biāo)節(jié)點的信息。●APIT測試：測試未知節(jié)點是否在不同的信標(biāo)節(jié)點組合成的三角形內(nèi)部?！裼嬎阒丿B區(qū)域：統(tǒng)計包含未知節(jié)點的三角形，計算所有三角形的重疊區(qū)域?！裼嬎阄粗?jié)點位置：計算重疊區(qū)域的質(zhì)心位置，作為未知節(jié)點的位置。43第一節(jié)WSN定位技術(shù)

-----第二節(jié)時間同步技術(shù)（目錄）2.1時間同步概述2.2RBS同步協(xié)議2.3Tiny-sync/Mini-sync算法2.4TPSN時間同步協(xié)議2.5

LTS算法44第二節(jié)時間同步技術(shù)（目錄）2.1時間同步概述44第二節(jié)時間同步技術(shù)

------時間同步概述無線傳感網(wǎng)的同步管理主要是指時間上的同步管理。無線傳感網(wǎng)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，傳感器節(jié)點通常需要彼此協(xié)作，去完成復(fù)雜的監(jiān)測和感知任務(wù)。其次，傳感網(wǎng)的一些節(jié)能方案是利用時間同步來實現(xiàn)的。45第二節(jié)時間同步技術(shù)

-第二節(jié)時間同步技術(shù)

------時間同步概述將消息在WSN節(jié)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(guān)鍵，一條消息在WSN節(jié)點間的傳遞過程可分解成以下六個部分?！?/p>

SendTime：發(fā)送節(jié)點構(gòu)造一條消息所需要的時間，包括內(nèi)核協(xié)議處理和緩沖時間等，它取決于系統(tǒng)調(diào)用開銷和處理器當(dāng)前負(fù)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(fā)送開始時的延遲，它取決于網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前負(fù)載狀況?！馮ransmissionTime：發(fā)送節(jié)點按位(bit)發(fā)射消息需時間，該時間取決于消息長度和發(fā)射速率。●PropagationTime：消息在兩個節(jié)點之間傳輸介質(zhì)中的傳播時間，該時間主要取決于節(jié)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(jié)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(yīng)?！馬eceiveTime：接收節(jié)點重新組裝消息并傳遞給上層應(yīng)用所需的時間。46第二節(jié)時間同步技術(shù)

-第二節(jié)時間同步技術(shù)

------時間同步概述WSN時間同步方案設(shè)計的目的是為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)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(wǎng)絡(luò)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(biāo)。目前幾種成熟的傳感網(wǎng)時間同步協(xié)議是：RBS（ReferenceBroadcastSynchronization，RBS)、Tiny-sync/Mini-Sync和TPSN(TimingsyncProtocolforSensorNetworks，TPSN)。47第二節(jié)時間同步技術(shù)

-第二節(jié)時間同步技術(shù)

------RBS同步協(xié)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(jié)點發(fā)送廣播消息，在同一廣播域的其它節(jié)點同時接收廣播消息，并記錄該點的時間戳，之后接收節(jié)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(jié)時間同步技術(shù)

-第二節(jié)時間同步技術(shù)

------RBS同步協(xié)議影響RBS機制性能的主要因素包括接收節(jié)點間的時鐘偏差、接收節(jié)點的非確定性因素、接收節(jié)點的個數(shù)等等。為了提高時間同步的精度，RBS機制采用了統(tǒng)計技術(shù)，通過多次發(fā)送參考消息，獲得接收節(jié)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(jié)點的時鐘偏差，直線上的點就表示節(jié)點間的時間差。49第二節(jié)時間同步技術(shù)

-第二節(jié)時間同步技術(shù)

------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(shè)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(tǒng)的雙向消息設(shè)計來估計節(jié)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)點，并且每次獲取新的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)點是以后有用的數(shù)據(jù)點，這里m(A,B)表示通過點A和B的直線斜率。50第二節(jié)時間同步技術(shù)

-第二節(jié)時間同步技術(shù)

------TPSN時間同步協(xié)議TPSN(Timing-SyncProtocolforSensorNetworks)算法是Ganeriwal等人提出的適用于WSN整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)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?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，每個節(jié)點有個級別。只有一個節(jié)點定為零級，叫做根節(jié)點。在第二步，i級節(jié)點與i-1級節(jié)點同步，最后所有的節(jié)點都與根節(jié)點同步，從而達到整個網(wǎng)絡(luò)的時間同步。51第二節(jié)時間同步技術(shù)

-分級這個步驟在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞臅r候運行一次。首先根節(jié)點被確認(rèn)，并作為傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點，在根節(jié)點上可以安裝GPS接收器，網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點就可以與外部時間（物理時間）同步。根節(jié)點被定為零級，通過發(fā)送包含發(fā)送者本身級別的廣播分級數(shù)據(jù)包進行分級。根節(jié)點的相鄰節(jié)點收到這個包后，把自己定為一級。然后每個一級節(jié)點繼續(xù)廣播分級數(shù)據(jù)包52分級這個步驟在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞臅r候運行一次。首先根節(jié)點被確認(rèn)，同步同步階段最基本的一部分就是兩個節(jié)點間雙向的消息交換。假設(shè)在單個消息交換的很小一段時間內(nèi)，兩個節(jié)點的時鐘漂移是不變的。同步是由根節(jié)點的time-Sync信息包引起的，一級節(jié)點收到這個包后進行信息交換，每個節(jié)點等待隨機時間后繼續(xù)發(fā)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(jié)點的回應(yīng)，它們就調(diào)整本地時鐘與根節(jié)點同步。二級節(jié)點監(jiān)聽一級節(jié)點和根節(jié)點的通信，與一級節(jié)點產(chǎn)生雙向消息交換，然后再一次等待隨機時間以保證一級節(jié)點完全同步。這個過程最終使得所有節(jié)點與根節(jié)點同步。53同步同步階段最基本的一部分就是兩個節(jié)點間雙向的消息交換。假設(shè)第二節(jié)時間同步技術(shù)

------LTS算法LTS(LightweightTree-BasedSynchronization)算法是Greunen和Rabaey提出的，與其他算法最大的區(qū)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(fù)雜度。該算法在具體應(yīng)用所需要的時間同步精確度范圍內(nèi)，以最小的復(fù)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(nèi))，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(jié)時間同步技術(shù)

第二節(jié)時間同步技術(shù)

------LTS算法Greunen和Rabaey提出了兩種用于多跳網(wǎng)絡(luò)同步的LTS算法：第一種算法是集中式算法，首先要構(gòu)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(xiàn)全網(wǎng)范圍內(nèi)的同步。每個節(jié)點決定自己同步的時間，算法中沒有利用樹結(jié)構(gòu)。55第二節(jié)時間同步技術(shù)

第三節(jié)安全技術(shù)（目錄）3.1安全技術(shù)概述3.2WSN安全問題分析3.3WSN安全防護技術(shù)56第三節(jié)安全技術(shù)（目錄）3.1安全技術(shù)概述56第三節(jié)安全技術(shù)

------安全技術(shù)概述實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)安全的限制因素包括兩個方面，一是傳感器節(jié)點本身的限制，包括電池能量的限制，節(jié)點CPU、內(nèi)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(wǎng)絡(luò)本身的限制，包括通信帶寬、延時、數(shù)據(jù)包的大小等方面的限制。57第三節(jié)安全技術(shù)

第三節(jié)安全技術(shù)

------安全技術(shù)概述●信道的脆弱性。不需要物理基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)部件，惡意攻擊者可以輕易地進行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽和發(fā)送偽造的數(shù)據(jù)報文。●節(jié)點的脆弱性。傳感器節(jié)點一般布置在敵對或者無人看管的區(qū)域，傳感器節(jié)點的物理安全沒有多大保證，攻擊者很容易攻占節(jié)點，且節(jié)點沒有防篡改的安全部件，易被攻擊者利用?！袢醢踩僭O(shè)。一般情況下，傳感器節(jié)點很可能被攻擊者獲取，而且傳感器網(wǎng)絡(luò)的防護機制很弱，可能會泄露存放在節(jié)點上的密鑰?！駸o固定結(jié)構(gòu)。從安全角度來看，沒有固定的結(jié)構(gòu)使得一些傳統(tǒng)的安全技術(shù)難以應(yīng)用?！裢?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)變化。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞念l繁的動態(tài)變化，需要比較復(fù)雜的路由協(xié)議。●局限于對稱密鑰技術(shù)。由于節(jié)點功能的局限性，只能使用對稱密鑰技術(shù)，而不能采用公鑰技術(shù)。●性能因素。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，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?jié)點的電源能量有限。58第三節(jié)安全技術(shù)

第三節(jié)安全技術(shù)

------安全技術(shù)概述WSN安全可歸納為以下幾個方面：(1)數(shù)據(jù)保密性。保密性是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軍事應(yīng)用中的重要目標(biāo)。(2)數(shù)據(jù)認(rèn)證。信息認(rèn)證對WSN的許多應(yīng)用都非常重要。(3)數(shù)據(jù)完整性。完整性是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全最基本的需求和目標(biāo)。(4)數(shù)據(jù)實時性。所有的傳感器網(wǎng)絡(luò)測量的數(shù)據(jù)都是與時間有關(guān)的。(5)密鑰管理。為了實現(xiàn)、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(jié)安全技術(shù)

第三節(jié)安全技術(shù)

------WSN安全問題分析WSN協(xié)議棧由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層組成。物理層主要處理信號的調(diào)制，發(fā)射和接收；數(shù)據(jù)鏈路層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的多路傳輸、數(shù)據(jù)幀檢測、媒介訪問控制和錯誤控制；網(wǎng)絡(luò)層主要考慮數(shù)據(jù)的路由；傳輸層用于維持給定的數(shù)據(jù)流；根據(jù)不同的應(yīng)用，應(yīng)用層上可使用不同的應(yīng)用軟件。60第三節(jié)安全技術(shù)

第三節(jié)安全技術(shù)

------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(jié)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(jié)點去干擾并阻塞N個節(jié)點的服務(wù)(K<N)。其次，節(jié)點淪陷是另一種類型的物理攻擊，攻擊者取得節(jié)點的秘密信息，從而可以代替這個節(jié)點進行通信。61第三節(jié)安全技術(shù)

第三節(jié)安全技術(shù)

------WSN安全問題分析2．鏈路層的攻擊與防御數(shù)據(jù)鏈路層或者介質(zhì)訪問控制層為鄰居節(jié)點提供了可靠的通信通道。在介質(zhì)訪問控制協(xié)議中，節(jié)點通過監(jiān)測鄰居節(jié)點是否發(fā)送數(shù)據(jù)來確定自身是否能訪問通信信道，這種載波監(jiān)聽方式特別容易遭到拒絕式服務(wù)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(jié)安全技術(shù)

第三節(jié)安全技術(shù)

------WSN安全問題分析3．網(wǎng)絡(luò)層的攻擊與防御無線傳感網(wǎng)中的每個節(jié)點既是終端節(jié)點，也是路由節(jié)點，更易受到攻擊。關(guān)于路由層的攻擊也更加復(fù)雜，首先看一下攻擊模型，根據(jù)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(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)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(zhuǎn)發(fā)（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(jié)安全技術(shù)

第三節(jié)安全技術(shù)

------WSN安全問題分析4．傳輸層的攻擊與防御傳輸層主要負(fù)責(zé)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet或外部網(wǎng)絡(luò)端到端的連接。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的限制，節(jié)點無法保存維持端到端連接的大量信息，而且節(jié)點發(fā)送應(yīng)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(jié)安全技術(shù)

第三節(jié)安全技術(shù)

------WSN安全問題分析5．應(yīng)用層的攻擊與防御應(yīng)用層提供了WSN的各種實際應(yīng)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(rèn)證機制和Hash函數(shù)。65第三節(jié)安全技術(shù)

第三節(jié)安全技術(shù)

------WSN安全防護技術(shù)無線傳感網(wǎng)安全實質(zhì)上就是要防止各種類型的攻擊、實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)的安全目標(biāo)。WSN的安全技術(shù)大體可分為密碼技術(shù)、密鑰管理、路由安全、位置意識安全和數(shù)據(jù)融合安全。66第三節(jié)安全技術(shù)

第三節(jié)安全技術(shù)

------WSN安全防護技術(shù)（密碼技術(shù)）密碼技術(shù)是WSN安全的基礎(chǔ)，也是所有網(wǎng)絡(luò)安全實現(xiàn)的前提?！窦用芗夹g(shù)。加密是一種基本的安全機制，它把傳感器節(jié)點間的通信消息轉(zhuǎn)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(shù)。完整性檢測技術(shù)用來進行消息的認(rèn)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(rèn)證技術(shù)。身份認(rèn)證技術(shù)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?！駭?shù)字簽名。數(shù)字簽名是用于提供服務(wù)安全機制的常用方法之一。67第三節(jié)安全技術(shù)

第三節(jié)安全技術(shù)

------WSN安全防護技術(shù)（密鑰確立和管理）密碼技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)安全構(gòu)架十分重要的部分，而密鑰是密碼技術(shù)的核心內(nèi)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(guān)系，信任建立可以通過公開密鑰或者秘密密鑰技術(shù)來實現(xiàn)。密鑰管理協(xié)議分為預(yù)先配置密鑰協(xié)議、仲裁密鑰協(xié)議和自動加強的自治密鑰協(xié)議。68第三節(jié)安全技術(shù)

------WSN安第三節(jié)安全技術(shù)

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

------WSN安第三節(jié)安全技術(shù)

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

------WSN安第三節(jié)安全技術(shù)

------WSN安全防護技術(shù)（密鑰確立和管理）●自動加強的自治密鑰協(xié)議(1)成對的不對稱密鑰。該種協(xié)議基于公共密鑰密碼技術(shù)。每個節(jié)點在配置之前，在其內(nèi)部嵌入由任務(wù)權(quán)威授予的公共密鑰認(rèn)證。(2)組密鑰協(xié)議。在WSN節(jié)點組中確立一個普通密鑰，而不依賴信任第三方。這種協(xié)議也是基于公共密鑰密碼技術(shù)的，包括以下幾種：①簡單的密鑰分配中心。支持使用復(fù)合消息的小組節(jié)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(yīng)用。②Diffie-Hellman組協(xié)議。該協(xié)議確保一組節(jié)點中的每個節(jié)點都對組密鑰的值做出貢獻。③特征密鑰。此協(xié)議規(guī)定只有滿足發(fā)送消息要求特征的節(jié)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(jié)安全技術(shù)

------WSN安第三節(jié)安全技術(shù)

------WSN安全防護技術(shù)（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(yù)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(wǎng)絡(luò)的連通性、存儲器的實用性以及抵御節(jié)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(wǎng)絡(luò)。72第三節(jié)安全技術(shù)

------WSN安第三節(jié)安全技術(shù)

------WSN安全防護技術(shù)（路由安全）WSN路由協(xié)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(xié)議中加入相應(yīng)的安全機制，保護路由協(xié)議的安全。針對不同的協(xié)議攻擊，WSN提出了一系列的反措施，包括鏈路層加密和認(rèn)證、多路徑路由行程、身份確認(rèn)、雙向連接確認(rèn)和廣播認(rèn)證。73第三節(jié)安全技術(shù)

------WSN安第三節(jié)安全技術(shù)

------WSN安全防護技術(shù)（數(shù)據(jù)融合安全）WSN中有大量的節(jié)點，會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。如何把這些數(shù)據(jù)進行分類，集合出在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)身份認(rèn)證是數(shù)據(jù)融合安全所要解決的問題。●數(shù)據(jù)集合數(shù)據(jù)集合通過最小化多余數(shù)據(jù)的傳輸來增加帶寬使用和能量利用?！駭?shù)據(jù)認(rèn)證數(shù)據(jù)認(rèn)證是WSN安全的基本要求之一。網(wǎng)絡(luò)中的消息在傳輸之前都要強制認(rèn)證，否則敵手能夠輕松地將偽造的消息包注入網(wǎng)絡(luò)，從而耗盡傳感器能量，使整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓。74第三節(jié)安全技術(shù)

------WSN安第三節(jié)安全技術(shù)

------WSN安全防護技術(shù)（數(shù)據(jù)融合安全）數(shù)據(jù)認(rèn)證可以分為三類：(1)單點傳送認(rèn)證，用于兩個節(jié)點間數(shù)據(jù)包的認(rèn)證。使用的是對稱密鑰協(xié)議，數(shù)據(jù)包中包含節(jié)點間共享的密鑰作為雙方身份認(rèn)證。(2)全局廣播認(rèn)證，用于基站與網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點間數(shù)據(jù)包的認(rèn)證。μTESLA是一種特殊的全局廣播認(rèn)證，適合于有嚴(yán)格資源限制的環(huán)境。(3)局部廣播認(rèn)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(qū)動的。75第三節(jié)安全技術(shù)

------WSN安第四節(jié)數(shù)據(jù)融合技術(shù)（目錄）4.1數(shù)據(jù)融合技術(shù)概述4.2數(shù)據(jù)融合模型4.3基于路由的數(shù)據(jù)融合4.4基于反向組播樹的數(shù)據(jù)融合4.5數(shù)據(jù)融合技術(shù)的主要算法76第四節(jié)數(shù)據(jù)融合技術(shù)（目錄）4.1數(shù)據(jù)融合技術(shù)概述76第四節(jié)數(shù)據(jù)融合技術(shù)

-----數(shù)據(jù)融合技術(shù)概述

數(shù)據(jù)融合也被稱作信息融合，是一種多源信息處理技術(shù)。它通過對來自同一目標(biāo)的多源數(shù)據(jù)進行優(yōu)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進行檢測、互聯(lián)、相關(guān)、估計和組合，并以更高的精度、較高的置信度得到目標(biāo)的狀態(tài)估計和身份識別，以及完整的勢態(tài)估計和威脅評估，為用戶提供有用的決策信息。77第四節(jié)數(shù)據(jù)融合技術(shù)

第四節(jié)數(shù)據(jù)融合技術(shù)

-----數(shù)據(jù)融合技術(shù)概述采用傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)融合技術(shù)的數(shù)據(jù)采集功能相比傳統(tǒng)方法具有如下優(yōu)勢。（1）增加了測量維數(shù)，增加了置信度和容錯功能，并改進了系統(tǒng)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(tǒng)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(yīng)環(huán)境的能力。（4）改進了探測性能，增加了響應(yīng)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(tǒng)的成本。78第四節(jié)數(shù)據(jù)融合技術(shù)

第四節(jié)數(shù)據(jù)融合技術(shù)

-----數(shù)據(jù)融合技術(shù)概述在無線傳感網(wǎng)中，數(shù)據(jù)融合主要作用在于節(jié)省真?zhèn)€網(wǎng)絡(luò)的能量，增強所收集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，以及提高收集數(shù)據(jù)的效率三個方面。79第四節(jié)數(shù)據(jù)融合技術(shù)

第四節(jié)數(shù)據(jù)融合技術(shù)

-----數(shù)據(jù)融合模型數(shù)據(jù)融合模型可以分為數(shù)據(jù)包級融合結(jié)構(gòu)模型和跟蹤級融合結(jié)構(gòu)模型。1.數(shù)據(jù)包級融合模型根據(jù)數(shù)據(jù)進行融合操作前后的信息含量，可以將數(shù)據(jù)融合分為無損融合（losslessaggregation）和有損融合（lossyaggregation）兩類。80第四節(jié)數(shù)據(jù)融合技術(shù)

第四節(jié)數(shù)據(jù)融合技術(shù)

-----數(shù)據(jù)融合模型（1）無損融合在無損融合中，所有的細(xì)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。如果將多個數(shù)據(jù)分組打包成一個數(shù)據(jù)分組，而不改變各個分組所攜帶的數(shù)據(jù)內(nèi)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(xì)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，信息損失的上限是融合后的數(shù)據(jù)要保留應(yīng)用所必需的全部信息量。81第四節(jié)數(shù)據(jù)融合技術(shù)

第四節(jié)數(shù)據(jù)融合技術(shù)

-----數(shù)據(jù)融合模型2.跟蹤級融合模型在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中大量的感知數(shù)據(jù)從多個源節(jié)點向匯聚節(jié)點傳送，從信息流通形式和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點處理的層次看，跟蹤級融合模型可以分為集中式結(jié)構(gòu)模型和分布式結(jié)構(gòu)模型。82第四節(jié)數(shù)據(jù)融合技術(shù)

第四節(jié)數(shù)據(jù)融合技術(shù)

-----數(shù)據(jù)融合模型（1）集中式機構(gòu)模型集中式結(jié)構(gòu)模型的特點是匯聚節(jié)點發(fā)送有關(guān)數(shù)據(jù)的興趣或查詢，具有相關(guān)數(shù)據(jù)的多個源節(jié)點直接將數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點，最后匯聚節(jié)點進行數(shù)據(jù)的處理，83第四節(jié)數(shù)據(jù)融合技術(shù)

第四節(jié)數(shù)據(jù)融合技術(shù)

-----數(shù)據(jù)融合模型（2）分布式結(jié)構(gòu)模型分布式結(jié)構(gòu)模型也就是所說的網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)融合，如圖所示，源節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)中間節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)時，中間節(jié)點查看數(shù)據(jù)包的內(nèi)容，進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)融合后再傳送到匯聚節(jié)點，由匯聚節(jié)點實現(xiàn)數(shù)據(jù)的綜合。84第四節(jié)數(shù)據(jù)融合技術(shù)

第四節(jié)數(shù)據(jù)融合技術(shù)

-----基于路由的數(shù)據(jù)融合1.基于查詢路由的數(shù)據(jù)融合以定向擴散（DirectedDiffusion，DD）為代表的查詢路由，其中的數(shù)據(jù)融合主要是在其數(shù)據(jù)傳播階段進行，所采用的是抑制副本的方法，即對轉(zhuǎn)發(fā)過來的數(shù)據(jù)進行緩存，若發(fā)現(xiàn)重復(fù)的數(shù)據(jù)將不予轉(zhuǎn)發(fā)，這樣不僅簡單易行，還能有效地減輕網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量。2.基于分層路由的數(shù)據(jù)融合以LEACH為代表的分層路由，使用分簇的方法使得數(shù)據(jù)融合的操作過程更為便利。每個簇頭在收到本簇成員的數(shù)據(jù)后進行數(shù)據(jù)融合處理，并將結(jié)果發(fā)送給匯聚節(jié)點3.基于鏈?zhǔn)铰酚傻臄?shù)據(jù)融合鏈?zhǔn)铰酚蒔EGASIS對LEACH中的數(shù)據(jù)融合進行了改進。85第四節(jié)數(shù)據(jù)融合技術(shù)

第四節(jié)數(shù)據(jù)融合技術(shù)

-----基于反向組播樹的數(shù)據(jù)融合無線傳感網(wǎng)的數(shù)據(jù)融合是多個源節(jié)點向一個匯聚節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的過程，可以認(rèn)為是一個反向組播樹的構(gòu)造過程。匯聚節(jié)點在收集數(shù)據(jù)時通過反向組播樹的形式從分散的傳感器節(jié)點逐步匯集監(jiān)測數(shù)據(jù)。反向組播樹上的每個中間節(jié)點都對收到的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合，于是網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)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(jié)數(shù)據(jù)融合技術(shù)

第四節(jié)數(shù)據(jù)融合技術(shù)

-----數(shù)據(jù)融合技術(shù)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(jù)推理法5．統(tǒng)計決策理論6.模糊邏輯法7．產(chǎn)生式規(guī)則法8．神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法87第四節(jié)數(shù)據(jù)融合技術(shù)

第五節(jié)

WSN數(shù)據(jù)管理技術(shù)（目錄）5.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)5.2數(shù)據(jù)模型5.3數(shù)據(jù)存儲與索引技術(shù)88第五節(jié)WSN數(shù)據(jù)管理技術(shù)（目錄）5.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)88第五節(jié)

WSN數(shù)據(jù)管理技術(shù)

----系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要有四種：集中式結(jié)構(gòu)、半分布式結(jié)構(gòu)、分布式結(jié)構(gòu)和層次式結(jié)構(gòu)1.集中式結(jié)構(gòu)在集中式結(jié)構(gòu)中，感知數(shù)據(jù)的查詢和傳感網(wǎng)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(shù)據(jù)按照事先指定的方式從傳感網(wǎng)傳輸?shù)街行姆?wù)器；第二步，在中心服務(wù)器上進行查詢處理。89第五節(jié)WSN數(shù)據(jù)管理技術(shù)

第五節(jié)

WSN數(shù)據(jù)管理技術(shù)

----系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2．半分布式結(jié)構(gòu)（1）Fjord系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fjord是加州大學(xué)伯克利分校Telegraph項目的一部分，是一個自適應(yīng)的數(shù)據(jù)流系統(tǒng)。Fjord主要由兩部分構(gòu)成，包括自適應(yīng)的查詢處理引擎（adaptivequeryProcessingengine）和傳感器代理（senseproxy）。（2）Cougar系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Cougar是康奈爾（cornell）大學(xué)開發(fā)的傳感器數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。Cougar的基本思想是盡可能地使查詢處理在傳感網(wǎng)內(nèi)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(guān)的數(shù)據(jù)才會從無線傳感網(wǎng)中提取出來。90第五節(jié)WSN數(shù)據(jù)管理技術(shù)

第五節(jié)

WSN數(shù)據(jù)管理技術(shù)

----系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3.分布式結(jié)構(gòu)分布式結(jié)構(gòu)假設(shè)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(jiān)測事件；然后使用一個Hash函數(shù)，按照每個事件的關(guān)鍵字，將其存儲到離這個Hash函數(shù)值最近的傳感器節(jié)點，這種方法被稱為分布式Hash方法。91第五節(jié)WSN數(shù)據(jù)管理技術(shù)

第五節(jié)

WSN數(shù)據(jù)管理技術(shù)

----系統(tǒng)結(jié)構(gòu)4.層次式結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)包含了傳感網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層和代理網(wǎng)絡(luò)層兩個層次，并集成了網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)處理、自適應(yīng)查詢處理和基于內(nèi)容的查詢處理等多項技術(shù)。在網(wǎng)絡(luò)層，每個傳感器節(jié)點都具有一定的計算和存儲能力，且每個傳感器節(jié)點都能夠完成三項任務(wù)：從代理接收命令、進行本地計算和將數(shù)據(jù)傳送到代理。代理層的節(jié)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(wù)：從用戶接收查詢、向傳感器節(jié)點發(fā)送控制命令或其他信息、從傳感器節(jié)點接收數(shù)據(jù)、處理查詢、將查詢結(jié)果返回給用戶。92第五節(jié)WSN數(shù)據(jù)管理技術(shù)

第五節(jié)

WSN數(shù)據(jù)管理技術(shù)

------數(shù)據(jù)模型無線傳感網(wǎng)的數(shù)據(jù)模型主要是對傳統(tǒng)的關(guān)系模型、對象關(guān)系模型或時間序列模型的有限擴展。一種觀點是將感知數(shù)據(jù)視為分布在多個節(jié)點上的關(guān)系，并將傳感網(wǎng)看成一個分布式數(shù)據(jù)庫；而另一種觀點則將整個網(wǎng)絡(luò)視為多個分布式數(shù)據(jù)流組成的分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)；還有一些觀點是采用時間序列和概率模型表示感知數(shù)據(jù)的時間特性和不確定性。93第五節(jié)WSN數(shù)據(jù)管理技術(shù)

第五節(jié)

WSN數(shù)據(jù)管理技術(shù)

------數(shù)據(jù)模型TinyDB系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型是對傳統(tǒng)的關(guān)系模型的簡單擴展。它把傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)定義為一個單一的、無限長的虛擬關(guān)系表。該表具有兩類屬性，第一類是感知數(shù)據(jù)屬性，如電壓值和溫度值；第二類是描述感知數(shù)據(jù)的屬性，如傳感器節(jié)點的ID、感知數(shù)據(jù)獲得的時間、數(shù)據(jù)類型（光、聲、電壓、溫度、濕度等）、度量單位等。Cougar系統(tǒng)把傳感網(wǎng)看成是一個大型的分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，每個傳感器都對應(yīng)于該分布式數(shù)據(jù)庫的一個節(jié)點，存儲部分?jǐn)?shù)據(jù)。Cougar系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型支持兩種類型的數(shù)據(jù)，即存儲數(shù)據(jù)和傳感器實時產(chǎn)生的感知數(shù)據(jù)。94第五節(jié)WSN數(shù)據(jù)管理技術(shù)

第五節(jié)

WSN數(shù)據(jù)管理技術(shù)

------數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)模型中提供定義在關(guān)系與時間序列上的三類操作：①關(guān)系投影操作：把一個時間序列轉(zhuǎn)換為一個關(guān)系；②積操作：輸入是一個關(guān)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(guān)系。95第五節(jié)WSN數(shù)據(jù)管理技術(shù)

第五節(jié)

WSN數(shù)據(jù)管理技術(shù)

------數(shù)據(jù)存儲與索引技術(shù)1.數(shù)據(jù)命名方法以數(shù)據(jù)為中心的數(shù)據(jù)存儲方法的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)命名。數(shù)據(jù)命名的方法有很多種，可以根據(jù)具體應(yīng)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(chǎn)生的數(shù)據(jù)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(chǎn)生的數(shù)據(jù)可以命名如下：Type=cameraValue=image.jpgLocation=”CSDept,UniversityofSouthernCalifornia,USA”96第五節(jié)WSN數(shù)據(jù)管理技術(shù)

第五節(jié)

WSN數(shù)據(jù)管理技術(shù)

------數(shù)據(jù)存儲與索引技術(shù)2.數(shù)據(jù)存儲方法一種數(shù)據(jù)存儲方法是以數(shù)據(jù)為中心的存儲方法，它使用數(shù)據(jù)名字來存儲和查詢數(shù)據(jù)。這類方法通過一個數(shù)據(jù)名到傳感器節(jié)點的映射算法實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲。除了以數(shù)據(jù)為中心的無線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲方法以外，還有另外兩種數(shù)據(jù)存儲方法，即外部存儲方法和本地存儲方法。97第五節(jié)WSN數(shù)據(jù)管理技術(shù)

第五節(jié)

WSN數(shù)據(jù)管理技術(shù)

------數(shù)據(jù)存儲與索引技術(shù)3.索引技術(shù)（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(wǎng)絡(luò)用戶也經(jīng)常要進行區(qū)域查詢，一維索引具有兩個特點：一是層次結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)樹向上傳播聚集數(shù)據(jù)，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(qū)域查詢是在多個屬性上具有區(qū)域約束條件的區(qū)域查詢。98第五節(jié)WSN數(shù)據(jù)管理技術(shù)

第六節(jié)無線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議（目錄）6.1無線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議概述6.2基于競爭的MAC協(xié)議6.3基于時分復(fù)用的MAC協(xié)議6.4混合型MAC協(xié)議99第六節(jié)無線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議（目錄）6.1無線傳感網(wǎng)MAC協(xié)第六節(jié)無線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議

-------無線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議概述1.無線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議設(shè)計所面臨的問題在無線傳感網(wǎng)中，節(jié)點能量儲備有限且難以及時補充，為保證網(wǎng)絡(luò)長期有效工作，MAC協(xié)議以減少能耗，最大化網(wǎng)絡(luò)生存時間為首要設(shè)計目標(biāo)；其次，為適應(yīng)節(jié)點分布和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓琈AC協(xié)議需具備良好的可擴展性；此外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點一般屬于同一利益實體，可以為系統(tǒng)優(yōu)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(shè)計目標(biāo)，除非多種用途的無線傳感網(wǎng)重疊部署在同一區(qū)域。100第六節(jié)無線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議

第六節(jié)無線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議

-------無線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議概述通信過程中造成能量損耗主要體現(xiàn)在以下幾方面：（1）空閑監(jiān)聽(idlelistenning)：節(jié)點在不需要收發(fā)數(shù)據(jù)時仍保持對信道的空閑偵聽。因為節(jié)點不知道鄰居節(jié)點的數(shù)據(jù)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(jiān)聽，造成了不必要的能量損耗；（2）沖突重傳：數(shù)據(jù)沖突導(dǎo)致的重傳和等待重傳。如果兩個節(jié)點同時發(fā)送，并相互產(chǎn)生干擾，則它們的傳輸都將失敗，發(fā)送包被丟棄；（3）控制開銷：為了保證可靠傳輸，協(xié)議將使用一些控制分組，如RTS/CTS，雖然沒有數(shù)據(jù)在其中，但是我們必須消耗一定的能量來發(fā)送它們；（4）串?dāng)_(overhearng)：節(jié)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(jié)無線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議

第六節(jié)無線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議

-------無線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議概述MAC協(xié)議設(shè)計中主要問題表現(xiàn)有如下幾個方面：（1）能量效率：由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的特殊件，MAC協(xié)議要盡可能地節(jié)約能量，提高能量效率，從而延長整個網(wǎng)絡(luò)的生存周期，這是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計的核心問題。（2）可擴展性：MAC協(xié)議負(fù)責(zé)搭建無線傳感網(wǎng)通信系統(tǒng)底層基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，必須能夠適應(yīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭討B(tài)變化，所以MAC協(xié)議要具有良好的可擴展性。（3）網(wǎng)絡(luò)效率：網(wǎng)絡(luò)效率是網(wǎng)絡(luò)各種性能的綜合，包括網(wǎng)絡(luò)的可靠性、實時性、吞吐量、公平性、QoS等。

（4）算法復(fù)雜度：MAC協(xié)議要具備上述特點，眾多節(jié)點協(xié)同完成應(yīng)用任務(wù)，必然增加算法的復(fù)雜度。

（5）與其他層協(xié)議的協(xié)同：無線傳感網(wǎng)應(yīng)用的特殊性對各層協(xié)議都提出了一些共同的要求，研究MAC協(xié)議與其他層協(xié)議的協(xié)同問題，通過跨層設(shè)計而獲得系統(tǒng)整體的性能優(yōu)化，也是MAC協(xié)議研究的主要方向。102第六節(jié)無線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議

第六節(jié)無線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議

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

第六節(jié)無線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議

-------基于競爭的MAC協(xié)議基于競爭的MAC協(xié)議的基本思想是：當(dāng)無線節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，主動搶占無線信道，當(dāng)在其通信范圍內(nèi)的其他無線節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，也會發(fā)起對無線信道的搶占。基于競爭的MAC協(xié)議有如下優(yōu)點：（1）由于基于競爭的MAC協(xié)議是根據(jù)需要分配信道，所以這種協(xié)議能較好地滿足節(jié)點數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的變化；（2）基于競爭的MAC協(xié)議能較好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?；?）基于競爭的MAC協(xié)議不需要復(fù)雜的時間同步或集中控制調(diào)度算法。104第六節(jié)無線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議

第六節(jié)無線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議

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

第六節(jié)無線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議

-------基于競爭的MAC協(xié)議IEEE802.11MAC協(xié)議規(guī)定了三種基本幀間間隔（interframeSpacing，IFS），用來提供訪問無線信道的優(yōu)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(yōu)先級最高，用于需要立即響應(yīng)的服務(wù)，如ACK幀、CTS幀和控制幀等。（2）PIFS（PCFIFS）：PCF方式下節(jié)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(yōu)先權(quán)。（3）DIFS（DCFIFS）：DCF方式下節(jié)點使用的幀間間隔，用以發(fā)送數(shù)據(jù)幀和管理幀。上述各幀間間隔滿足關(guān)系：DIFS>PIFS>SIFS。106第六節(jié)無線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議

第六節(jié)無線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議

-------基于競爭的MAC協(xié)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(nèi)均勻分布的偽隨機整數(shù)，CW是整數(shù)隨機數(shù)，其值處于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的aCWmin和aCWmax之間；aSlotime是一個時間間隙，包括發(fā)射啟動時間、媒體傳播時延、檢測信道的響應(yīng)時間等。107第六節(jié)無線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議

第六節(jié)無線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議

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

第六節(jié)無線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議

-------基于競爭的MAC協(xié)議S-MAC協(xié)議提出了適合于多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的競爭型MAC協(xié)議的節(jié)能方法：（1）采用周期性睡眠和監(jiān)聽方法減少空閑監(jiān)聽帶來的能量損耗。對周期性睡眠和監(jiān)聽的調(diào)度進行同步，同步節(jié)點采用相同的調(diào)度，形成虛擬簇，同時進行周期性睡眠和監(jiān)聽，適合多跳網(wǎng)絡(luò)。（2）當(dāng)節(jié)點正在發(fā)送數(shù)據(jù)時，根據(jù)數(shù)據(jù)幀特殊字段讓每個與此次通信無關(guān)的鄰居節(jié)點進入睡眠狀態(tài)，以減少串?dāng)_帶來的能量損耗。（3）采用消息傳遞機制，減少