第12章無線傳感器網(wǎng)絡技術無線傳感器網(wǎng)絡概述無線傳感器網(wǎng)絡的技術體系無線傳感器網(wǎng)絡的通信協(xié)議無線傳感器網(wǎng)絡的技術標準4123多傳感器網(wǎng)絡的信息融合

5目錄第12章無線傳感器網(wǎng)絡技術12.1無線傳感器網(wǎng)絡概述12.1.1無線傳感器網(wǎng)絡介紹無線傳感器網(wǎng)絡（WirelessSensorNetwork,WSN）是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器節(jié)點通過無線電通信形成的一個多跳的自組織網(wǎng)絡系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域內(nèi)被監(jiān)測對象的信息，并發(fā)送給觀察者。無線傳感器網(wǎng)絡具有以下的特點：（1）大規(guī)模網(wǎng)絡（2）自組織網(wǎng)絡（3）多跳路由（4）動態(tài)性網(wǎng)絡（5）可靠的網(wǎng)絡（6）以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡（7）應用相關的網(wǎng)絡12.1.1無線傳感器網(wǎng)絡介紹12.1.1無線傳感器網(wǎng)絡介紹 12.1.2傳感器網(wǎng)絡體系結構12.1.2傳感器網(wǎng)絡體系結構傳感器節(jié)點由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊四部分組成。12.1.2傳感器網(wǎng)絡體系結構物理層提供簡單但健壯的信號調(diào)制和無線收發(fā)技術；數(shù)據(jù)鏈路層負責數(shù)據(jù)成幀、幀檢測、媒體訪問和差錯控制；網(wǎng)絡層主要負責路由生成與路由選擇；傳輸層負責數(shù)據(jù)流的傳輸控制，是保證通信服務質(zhì)量的重要部分；應用層包括一系列基于監(jiān)測任務的應用層軟件；能量管理平臺管理傳感器節(jié)點如何使用能源，在各個協(xié)議層都需要考慮節(jié)省能量；移動管理平臺檢測并注冊傳感器節(jié)點的移動，維護到匯聚節(jié)點的路由，使得傳感器節(jié)點能夠動態(tài)跟蹤其鄰居的位置；任務管理平臺在一個給定的區(qū)域內(nèi)平衡和調(diào)度監(jiān)測任務。12.1.3傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展無線傳感器網(wǎng)絡的基本思想起源于20世紀70年代。1978年，DARPA在卡耐基-梅隆大學成立了分布式傳感器網(wǎng)絡工作組。1980年DARPA的分布式傳感器網(wǎng)絡項目（WSN）開啟了傳感器網(wǎng)絡的研究先河。20世紀80年代至90年代，研究主要在軍事領域，成為網(wǎng)絡中心戰(zhàn)的關鍵技術，拉開了無線傳感器網(wǎng)絡研究的序幕。20世紀90年代中后期，WSN引起了學術界、軍界和工業(yè)界的廣泛關注，開啟了現(xiàn)代意義的無線傳感器網(wǎng)絡技術。12.1.3傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展WSN的地位可從以下三方面分析：（1）第四代傳感器網(wǎng)絡（2）新一代計算設備（3）普適計算的一個重要途徑12.2無線傳感器網(wǎng)絡的技術體系12.2.1自組網(wǎng)技術移動自組織(Ad-Hoc)網(wǎng)絡是一種多跳的臨時性自治系統(tǒng)，它的原型是美國早在1968年建立的ALOHA網(wǎng)絡和之后于1973提出的PR(PacketRadio)網(wǎng)絡。IEEE在開發(fā)802.11標準時，提出將PR網(wǎng)絡改名為Ad-Hoc網(wǎng)絡，也即今天我們常說的移動自組織網(wǎng)絡。作為一種分布式網(wǎng)絡，移動自組織網(wǎng)絡是一種自治、多跳網(wǎng)絡，整個網(wǎng)絡沒有固定的基礎設施，能夠在不能利用或者不便利用現(xiàn)有網(wǎng)絡基礎設施(如基站、AP)的情況下，提供終端之間的相互通信。由于終端的發(fā)射功率和無線覆蓋范圍有限，因此距離較遠的兩個終端如果要進行通信就必須借助于其它節(jié)點進行分組轉(zhuǎn)發(fā)，這樣節(jié)點之間構成了一種無線多跳網(wǎng)絡。12.2.1自組網(wǎng)技術與其他傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡相比，自組織網(wǎng)絡具有以下顯著特點：(1)無中心和自組織性。(2)動態(tài)變化的網(wǎng)絡拓撲。(3)受限的無線傳輸帶寬。(4)安全性較差。(5)多跳路由。12.2.2節(jié)點定位技術在傳感器網(wǎng)絡節(jié)點定位技術中，根據(jù)節(jié)點是否已知自身的位置，把傳感器節(jié)點分為信標節(jié)點和未知節(jié)點。12.2.2節(jié)點定位技術鄰居節(jié)點（neighbornode）跳數(shù)（hopcount）跳段距離（hopdistance）基礎設施（infrastructure）到達時間（TimeOfArrival，TOA）到達時間差（TimeDifferenceOfArrival，TDOA）接收信號強度指示（ReceivedSignalStrengthIndicator，RSSI）到達角度（AngleOfArrival，AOA）視線關系（LineofSight，LOS）非視線關系（NoLOS，NLOS）12.2.2節(jié)點定位技術

1）三邊測量法

已知A、B、C三個節(jié)點的坐標以及它們到未知節(jié)點D的距離，假設節(jié)點D的坐標為(x,y)，那么，存在下列公式：

可以得到節(jié)點D的坐標為：12.2.2節(jié)點定位技術

2）三角測量法已知A，B，C三個節(jié)點的坐標

，節(jié)點D相對于節(jié)點A，B，C的角度分別為：∠ADB，∠ADC，∠BDC，假設節(jié)點D的坐標為

（x，y）。對于節(jié)點A，C和角∠ADC，如果弧段AC在△ABC內(nèi)，那么能夠惟一確定一個圓，設圓為O1(XO1,yO2)，半徑為r1，那么α=∠AO1C=2π-2∠ADC12.2.2節(jié)點定位技術

2）三角測量法并存在下列公式：

由式能夠確定圓心

點的坐標和半徑

。同理對A，B，∠ADB和B，C，∠BDC分別確定相應的圓心

、半徑

、圓心

和半徑

。最后利用三邊測量法，確定D點坐標。12.2.3時間同步技術兩種同步機制1.網(wǎng)絡時間協(xié)議NTP

在傳統(tǒng)網(wǎng)絡中提出了多種網(wǎng)絡時間同步機制，C/S模式是其中一種常用的時間同步模式。時間服務器周期性地向客戶端發(fā)送時間同步消息，同步消息中包含服務器的當前時間。如果服務器到客戶端的典型延遲相對期望精度小，只需要一個時間同步消息就能實現(xiàn)客戶端與服務器之間的時間同步。通常的擴展是客戶端產(chǎn)生時間同步請求消息，服務器回應時間同步應答消息，通過測量這兩個分組總的往返時間來估計單程的延遲，從而計算從服務器給分組打上時標到客戶端接收到分組打上時標之間的時間間隔，獲得相對精確的時間同步。假設時間請求消息和時間應答消息在網(wǎng)上傳播的時間相同，即=，則可解得：12.2.3時間同步技術假設客戶端時鐘比服務器時鐘快θ，下列關系式成立。=12.2.3時間同步技術

為了詳細分析時間同步誤差，在從發(fā)送節(jié)點到接收節(jié)點之間的關鍵路徑上，把消息傳輸延遲細分為四個部分。第一，發(fā)送時間；第二，訪問時間；第三，傳播延遲；第四，接收時間。12.2.3時間同步技術2.RBS機制的基本原理

RBS時間同步機制通過接收節(jié)點對時抵消發(fā)送時間和訪問時間。發(fā)送節(jié)點廣播一個信標分組，廣播域中兩個節(jié)點都能夠接收到這個分組。每個接收節(jié)點分別根據(jù)自己的本地時間記錄接收到信標分組的時刻，然后交換它們記錄的信標分組接收時間。兩個接收時間的差值相當于兩個接收節(jié)點間的時間差值，其中一個接收節(jié)點可以根據(jù)這個時間差值更改它的本地時間，從而達到兩個接收節(jié)點的時間同步。12.2.4安全技術傳感器網(wǎng)絡的安全和一般網(wǎng)絡安全的出發(fā)點是相同的，都要解決如下問題：（1）機密性問題。（2）點到點的消息認證問題。（3）完整性鑒別問題。（4）新鮮性問題。（5）認證組播/廣播問題。（6）安全管理問題。12.2.4安全技術傳感器網(wǎng)絡安全問題的解決思路和方法與傳統(tǒng)網(wǎng)絡安全問題不同，這主要是由網(wǎng)絡自身的特點決定的：（1）有限的存儲空間和計算能力（2）缺乏后期節(jié)點布置的先驗知識（3）布置區(qū)域的物理安全無法保證（4）有限的帶寬和通信能量（5）不僅是點到點的安全，更是整個網(wǎng)絡的安全（6）應用相關性12.2.4安全技術網(wǎng)絡層次攻擊方法防御手段物理層擁塞攻擊（jamming）寬頻（跳頻）、優(yōu)先級消息、低占空比、區(qū)域映射、模式轉(zhuǎn)換物理破壞（tampering）破壞證明、節(jié)點偽裝和隱藏鏈路層碰撞攻擊（collision）糾錯碼耗盡攻擊（exhaustion）設置競爭門限非公平競爭（unfairness）使用短幀策略和非優(yōu)先級策略網(wǎng)絡層丟棄和貪婪破壞（neglectandgreed）使用冗余路徑、探測機制匯聚節(jié)點攻擊（homing）使用加密和逐跳認證機制方向誤導攻擊（misdirection）出口過濾；認證、監(jiān)視機制黑洞攻擊（blackholes）認證、監(jiān)視、冗余機制傳輸層洪泛攻擊（flooding）客戶端謎題失步攻擊（desynchronization）認證下面詳細分析了傳感器網(wǎng)絡在網(wǎng)絡協(xié)議棧的各個層次中可能受到的攻擊方法和主要防御手段。12.3無線傳感器網(wǎng)絡的通信協(xié)議12.3.1無線傳感器網(wǎng)絡的路由協(xié)議路由是把信息從信息源穿過網(wǎng)絡傳遞到目的地的行為。路由技術:決定最優(yōu)路徑和傳輸數(shù)據(jù)包。路由器是網(wǎng)絡間的連接設備，它的重要工作之一是路徑選擇。路由包含兩個基本的動作：確定最佳路徑和通過網(wǎng)絡傳輸信息。路由協(xié)議負責將數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點通過網(wǎng)絡轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點，它主要包括兩個方面的功能：尋找源節(jié)點和目的節(jié)點間的優(yōu)化路徑，將數(shù)據(jù)分組沿著優(yōu)化路徑正確轉(zhuǎn)發(fā)。12.3.1無線傳感器網(wǎng)絡的路由協(xié)議（1）路徑選擇為了幫助選路，路由算法初始化并維護包含路徑信息的路由表，路徑信息根據(jù)使用的路由算法不同而不同。路由算法根據(jù)許多信息來填充路由表。目的/下一跳地址告知路由器到達該目的地的最佳方式是把分組發(fā)送給代表“下一跳”的路由器，當路由器收到一個分組，它就檢查其目標地址，嘗試將此地址與其“下一跳”相聯(lián)系。（2）交換交換算法相對而言較簡單，對大多數(shù)路由協(xié)議而言是相同的，多數(shù)情況下，某主機決定向另一個主機發(fā)送數(shù)據(jù)，通過某些方法獲得路由器的地址后，源主機發(fā)送指向該路由器的物理地址的數(shù)據(jù)包，其協(xié)議地址是指向目的主機的。12.3.1無線傳感器網(wǎng)絡的路由協(xié)議無線傳感器網(wǎng)絡的路由協(xié)議具有以下特點：（1）能量優(yōu)先。（2）基于局部拓撲信息。（3）以數(shù)據(jù)為中心。（4）應用相關。針對傳感器網(wǎng)絡路由機制的上述特點，在根據(jù)具體應用設計路由機制時，要滿足下面的傳感器網(wǎng)絡路由機制的要求：（1）能量高效。（2）可擴展性。（3）魯棒性。（4）快速收斂性。12.3.1無線傳感器網(wǎng)絡的路由協(xié)議根據(jù)不同應用對傳感器網(wǎng)絡各種特性的敏感度不同，將路由協(xié)議分為四種類型。四種類型的路由協(xié)議分別是：（1）能量感知路由協(xié)議。（2）基于查詢的路由協(xié)議。（3）地理位置路由協(xié)議。（4）可靠的路由協(xié)議。12.3.2無線傳感器網(wǎng)絡的MAC協(xié)議在無線傳感器網(wǎng)絡中，介質(zhì)訪問控制（MediumAccessControl，MAC）協(xié)議決定無線信道的使用方式，在傳感器節(jié)點之間分配有限的無線通信資源，用來構建傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的底層基礎結構。在設計無線傳感器網(wǎng)絡的MAC協(xié)議時，需要著重考慮以下幾個方面：（1）節(jié)省能量。（2）可擴展性。（3）網(wǎng)絡效率。12.3.2無線傳感器網(wǎng)絡的MAC協(xié)議目前針對不同的傳感器網(wǎng)絡應用，研究人員從不同方面提出了多個MAC協(xié)議，但對傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議還缺乏一個統(tǒng)一的分類方式?？梢园凑障铝袟l件分類MAC協(xié)議：第一，采用分布式控制還是集中控制；第二，使用單一共享信道還是多個信道；第三，采用固定分配信道方式還是隨機訪問信道方式。12.3.2無線傳感器網(wǎng)絡的MAC協(xié)議按照第三種分類方法，將傳感器網(wǎng)絡的MAC協(xié)議分為三類：（1）采用無線信道的時分復用方式（TimeDivisionMultipleAccess，TDMA），給每個傳感器節(jié)點分配固定的無線信道使用時段，從而避免節(jié)點之間的相互干擾；（2）采用無線信道的隨機競爭方式，節(jié)點在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時隨機使用無線信道，重點考慮盡量減少節(jié)點間的干擾；（3）其他MAC協(xié)議，如通過采用頻分復用或者碼分復用等方式，實現(xiàn)節(jié)點間無沖突的無線信道的分配。12.4無線傳感器網(wǎng)絡的技術標準 12.4.1IEEE802.15.4標準IEEE802.15工作組內(nèi)有四個任務組，分別制定適合不同應用的標準。這四個標準如下.802.15.1本質(zhì)上只是藍牙低層協(xié)議的一個正式標準化版本。802.15.2是對藍牙和802.15.1的一些改變，其目的是減輕與802.11b和802.11g網(wǎng)絡的干擾。802.15.3也稱WiMedia，旨在實現(xiàn)高速率。最初它瞄準的是消費類器件，如電視機和數(shù)碼照相機等。IEEE802.15.4是一個低速率無線個人局域網(wǎng)標準。這種低速率無線個人局域網(wǎng)的網(wǎng)絡結構簡單、成本低廉、具有有限的功率和靈活的吞吐量。低速率無線個人局域網(wǎng)的主要目標是實現(xiàn)安裝容易、數(shù)據(jù)傳輸可靠、短距離通信、極低的成本、合理的電池壽命，并且擁有一個簡單而且靈活的通信網(wǎng)絡協(xié)議。12.4.1IEEE802.15.4標準為了使供應商能夠提供最低可能功耗的設備，IEEE（InstituteofElectricalandElectronicsEngineers，電氣及電子工程師學會）定義了兩種不同類型的設備：一種是完整功能設備另一種是簡化功能設備。12.4.1IEEE802.15.4標準IEEE802.15.4僅定義了物理層和MAC層的規(guī)范。根據(jù)標準的定義，物理層實現(xiàn)了如下功能：信道進行能量檢測(EnergyDetected)、對收到的包進行鏈路質(zhì)量指示(LinkQualityIndication，LQI)、接收發(fā)送數(shù)據(jù)、空閑信道評估(ClearChannelAssessmentCCA)等。信道能量檢測為網(wǎng)絡層提供信道選擇依據(jù)。它主要測量目標信道中接收信號的功率強度，由于這個檢測本身不進行解碼操作，所以檢測結果是有效信號功率和噪聲信號功率之和。鏈路質(zhì)量指示為網(wǎng)絡層或者應用層提供接收數(shù)據(jù)幀時無線信號的強度和質(zhì)量的信息，與信道能量檢測不同的是，它要對信號解碼，生成的是一個信噪比指標。這個信噪比指標和物理層數(shù)據(jù)單元一道提交給上層處理?？臻e信道評估判斷信道是否空閑。IEEE802.15.4定義了三種空閑信道評估模式：第一種，簡單判斷信道的信號能量，當信號能量低于某一個門限值就認為信道空閑；第二種是通過判斷無線信號的特征，這個特征主要包括兩個方面，即擴頻信號和載波頻率；第三種模式是前兩種模式的綜合，同時檢測信號強度和信號特征，給出信道空閑判斷。12.4.1IEEE802.15.4標準IEEE802.15.4定義的LR-WPAN網(wǎng)絡中具有兩種拓撲結構：星型網(wǎng)拓撲和對等網(wǎng)拓撲。在星型網(wǎng)拓撲結構中，通信建立在設備和一個叫做PAN協(xié)調(diào)器的中心控制設備之間。對于網(wǎng)絡通信來說，這些設備可以作為發(fā)起設備或者終端設備；PAN協(xié)調(diào)器則可以作為發(fā)起設備、終端設備或路由設備。PAN協(xié)調(diào)器是主要的耗能設備，其他從設備均可采用電池供電。目前星型網(wǎng)絡拓撲結構主要用在家庭自動化，個人計算機（PC）外設，玩具，游戲和個人健康檢查等方面。在對等網(wǎng)拓撲結構中，也存在一個PAN協(xié)調(diào)器。它不同于星型網(wǎng)絡結構的是網(wǎng)絡中的任何一個設備只要在它的通信范圍內(nèi)，就可以和其他設備進行通信。對等網(wǎng)絡拓撲結構可以形成更加復雜的網(wǎng)絡結構，如網(wǎng)狀網(wǎng)。對等網(wǎng)主要應用于工業(yè)控制和檢測，無線傳感網(wǎng)絡，物資跟蹤，農(nóng)業(yè)智能化以及安全等領域。12.4.1IEEE802.15.4標準IEEE802.15.4標準中給出了兩種物理層定義：低頻段：868.0MH~858.6MHz（歐洲），以及902MHz~928MHz（美洲大部分和太平洋地區(qū)）高頻段：2.400GHz~2.485GHz（全世界范圍）12.4.1IEEE802.15.4標準IEEE802.15.4的介質(zhì)訪問控制層（MAC）幀被稱為MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元（MPDU），其長度不超過127B。它具有四種不同的幀形式，即信標幀、數(shù)據(jù)幀、確認幀和命令幀。1）信標幀供協(xié)調(diào)者使用。2）數(shù)據(jù)幀承載所有的數(shù)據(jù)。3）確認幀確認幀的順利傳送。4）命令幀用來處理MAC對等實體之間的控制傳送。12.4.1IEEE802.15.4標準根據(jù)標準的定義，MAC層的完成如下六個方面的功能：協(xié)調(diào)器產(chǎn)生并發(fā)送信標幀，普通設備根據(jù)協(xié)調(diào)器的信標幀與協(xié)調(diào)器同步；支持PAN網(wǎng)絡的關聯(lián)(Association)和取消關聯(lián)(Disassociation)操作；支持無線信道通信安全；使用CSMA-CA機制共享物理信道；支持時隙保障(GuaranteedTimeSlot，GTS)與機制；為兩個對等的MAC實體提供可靠的數(shù)據(jù)鏈路。12.4.2ZigBee協(xié)議規(guī)范ZigBee的技術優(yōu)勢如下。（1）低功耗。（2）低成本。（3）低速率。（4）近距離。（5）短時延。（6）高容量。（7）高安全。（8）免執(zhí)照頻段。在交換數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡中，有三種典型的設備類型（i）協(xié)調(diào)器（ii）路由器（iii）終端設備12.4.2ZigBee協(xié)議規(guī)范協(xié)調(diào)器用于初始化一個ZigBee網(wǎng)絡。它是網(wǎng)絡中的第一個設備。協(xié)調(diào)器節(jié)點選擇一個信道和一個網(wǎng)絡標識符（也叫PANID），然后啟動一個網(wǎng)絡。協(xié)調(diào)器節(jié)點也可以用來在網(wǎng)絡中設定安全措施和應用層綁定。路由器的功能有（i）允許其他設備加入