物联网讲座WSN支撑技术

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传感、探测、感知，用来收集应用相关的数据信号。为了实现用户的功能，除了通信与组网技术以外，还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。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，包括时间同步机制、定位技术、数据融合、能量管理和安全机制等。时间同步机制传感器网络的时间同步机制1、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。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。不同节点的晶体振荡器频率存在偏差，以及湿度和电磁波的干扰等都会造成网络节点之间的运行时间偏差。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。

在分布式系统中，时间同步涉及“物理时间”和“逻辑时间”两个不同的概念。“物理时间”用来表示人类社会使用的绝对时间；“逻辑时间”体现了事件发生的顺序关系，是一个相对概念。分布式系统通常需要一个表示整个系统时间的全局时间。全局时间根据需要可以是物理时间或逻辑时间。

无线传感器网络时间同步机制的意义和作用主要体现在如下两方面：首先，传感器节点通常需要彼此协作，去完成复杂的监测和感知任务。数据融合是协作操作的典型例子，不同的节点采集的数据最终融合形成了一个有意义的结果。其次，传感器网络的一些节能方案是利用时间同步来实现的。

目前已有几种成熟的传感器网络时间同步协议，其中RBS、TINY/MINI-SYNC和TPSN被认为是三种最基本的传感器网络时间同步机制。

RBS同步协议的基本思想是多个节点接收同一个同步信号，然后多个收到同步信号的节点之间进行同步。这种同步算法消除了同步信号发送一方的时间不确定性。这种同步协议的缺点是协议开销大。

Tiny/Mini-Sync是两种简单的轻量级时间同步机制。

TPSN时间同步协议采用层次结构，实现整个网络节点的时间同步。TPSN时间同步协议

传感器网络TPSN时间同步协议类似于传统网络的NTP协议，目的是提供传感器网络全网范围内节点间的时间同步。在网络中有一个与外界可以通信，从而获取外部时间，这种节点称为根节点。根节点可装配诸如GPS接收机这样的复杂硬件部件，并作为整个网络系统的时钟源。

TPSN协议采用层次型网络结构，首先将所有节点按照层次结构进行分级，然后每个节点与上一级的一个节点进行时间同步，最终所有节点都与根节点时间同步。节点对之间的时间同步是基于发送者-接收者的同步机制。1、TPSN协议的操作过程TPSN协议包括两个阶段：第一个阶段生成层次结构，每个节点赋予一个级别，根节点赋予最高级别第0级，第i级的节点至少能够与一个第（i－1）级的节点通信；第二个阶段实现所有树节点的时间同步，第1级节点同步到根节点，第i级的节点同步到第（i－1）级的一个节点，最终所有节点都同步到根节点，实现整个网络的时间同步。2、相邻级别节点间的同步机制

邻近级别的两个节点对间通过交换两个消息实现时间同步。边节点S在T1时间发送同同步请求分分组给节点点R，分组中包包含S的级别和T1时间。节点点R在T2时间收到分分组，，然后在T3时间发送应应答分组给给节点S，分组中包包含节点R的级别和T1、T2和T3信息。节点S在T4时间收到应应答，因此可以推推导出右面面算式：节点S在计算时间间偏差之后后，将它的的时间同步步到节点R。时间同步的的应用示例例这里介绍一一个例子，，说明磁阻阻传感器网网络对机动动车辆进行行测速，为为了实现这这个用途，，网络必须须先完成时时间同步。。由于对机机动车辆的的测速需要要两个探测测传感器节节点的协同同合作，测测速算法提提取车辆经经过每个节节点的磁感感应信号的的脉冲峰值值，并记录录时间。如果将两个个节点之间间的距离d除以两个峰峰值之间的的时差Δt，就可以得得出机动目目标通过这这一路段的的速度(Vel):4.2定位技术传感器网络络节点定位位问题1、定位的含含义在传感器网网络的很多多应用问题题中，没有有节点位置置信息的监监测数据往往往是没有有意义的。。无线传感感器网络定定位问题的的含义是指指自组织的的网络通过过特定方法法提供节点点的位置信信息。这种自组织织网络定位位分为节点点自身定位位和目标定定位。节点点自身定位位是确定网网络节点的的坐标位置置的过程。。目标定位位是确定网网络覆盖区区域内一个个事件或者者一个目标标的坐标位位置。节点自身定定位是网络络自身属性性的确定过过程，可以以通过人工工标定或者者各种节点点自定位算算法完成。。目标定位位是以位置置已知的网网络节点作作为参考，，确定事件件或者目标标在网络覆覆盖范围内内所在的位位置。位置信息有有多种分类类方法。位位置信息有有物理位置和符号位置两大类。物理位置指目标在特特定坐标系系下的位置置数值，表表示目标的的相对或者者绝对位置置。符号号位位置置指在在目目标标与与一一个个基基站站或或者者多多个个基基站站接接近近程程度度的的信信息息，，表表示示目目标标与与基基站站之之间间的的连连通通关关系系，，提提供供目目标标大大致致的的所所在在范范围围。。根据不同的依依据，无线传传感器网络的的定位方法可可以进行如下下分类：(1)根据是否依靠测量量距离，分为基于测测距的定位和和不需要测距距的定位；(2)根据部署的场合不不同，分为室内定定位和室外定定位；(3)根据信息收集的方方式，网络收集传传感器数据称称为被动定位位，节点主动动发出信息，，用于定位称称为主动定位位。2、基本术语(1)锚点：指通过其它它方式预先获获得位置坐标标的节点，有有时也称作信信标节点。网网络中相应的的其余节点称称为非锚点。。(2)测距：指两个相互互通信的节点点通过测量方方式来估计出出彼此之间的的距离或角度度。(3)连接度：包括节点连连接度和网络络连接度两种种含义。节点连接度是是指节点可探探测发现的邻邻居节点个数数。网络连接接度是所有节节点的邻居数数目的平均值值，它反映了了传感器配置置的密集程度度。(4)邻居节点：传感器节点点通信半径范范围以内的所所有其它节点点，称为该节节点的邻居节节点。(5)跳数：两个节点之之间间隔的跳跳段总数，称称为这两个节节点间的跳数数。(6)基础设施：协助传感器器节点定位的的已知自身位位置的固定设设备，如卫星星、基站等。。(7)到达时间：信号从一个个节点传播到到另一个节点点所需要的时时间，称为信信号的到达时时间。(8)到达时时间差差(TDoA)：两种种不同同传播播速度度的信信号从从一个个节点点传播播到另另一个个节点点所需需要的的时间间之差差，称称为信信号的的到达达时间间差。。(9)接收信信号强强度指指示(RSSI)：节点点接收收到无无线信信号的的强度度大小小，称称为接接收信信号的的强度度指示示。(10)到达角角度(AngleofArrival,AoA)：节点点接收收到的的信号号相对对于自自身轴轴线的的角度度，称称为信信号相相对接接收节节点的的到达达角度度。(11)视线线关关系系(LineofSight,LoS)：如如果果传传感感器器网网络络的的两两个个节节点点之之间间没没有有障障碍碍物物，，能能够够实实现现直直接接通通信信，，则则这这两两个个节节点点间间存存在在视视线线关关系系。。(12)非视视线线关关系系：传传感感器器网网络络的的两两个个节节点点之之间间存存在在障障碍碍物物，，影影响响了了它它们们直直接接的的无无线线通通信信。。3、定定位位性性能能的的评评价价指指标标衡量量定定位位性性能能有有多多个个指指标标，，除除了了一一般般性性的的位置精度度指标以外外，对于于资源受受到限制制的传感感器网络络，还有有覆盖范围围、刷新速度度和功耗等其它指指标。位置精度度是定位位系统最最重要的的指标，，精度越越高，则则技术要要求越严严，成本本也越高高。定位位精度指指提供的的位置信信息的精精确程度度，它分分为相对对精度和和绝对精精度。绝对精度度指以长长度为单单位度量量的精度度。相对精度度通常以以节点之之间距离离的百分分比来定定义。设节点i的估计坐坐标与真真实坐标标在二维维情况下下的距离离差值为为Δdi，则N个未知位位置节点点的网络络平均定定位误差差为：覆盖范围围和位置置精度是是一对矛矛盾性的的指标。。刷新速度度是指提提供位置置信息的的频率。。功耗作为为传感器器网络设设计的一一项重要要指标，，对于定定位这项项服务功功能，人人们需要要计算为为此所消消耗的能能量。定位实时时性更多多的是体体现在对对动态目目标的位位置跟踪踪。4、定位系系统的设设计要点点在设计定定位系统统的时候候，要根根据预定定的性能能指标，，在众多多方案之之中选择择能够满满足要求求的最优优算法，，采取最最适宜的的技术手手段来完完成定位位系统的的实现。。通常设设计一个个定位系系统需要要考虑两两个主要要因素，，即定位位机制的的物理特特性和定定位算法法。基于测距的的定位技术术基于测距的的定位技术术是通过测测量节点之之间的距离离，根据几几何关系计计算出网络络节点的位位置。解析析几何里有有多种方法法可以确定定一个点的的位置。比比较常用的的方法是多多边定位和和角度定位位。1、测距方法法(1)接收信号强强度指示(RSSI)RSSI测距的原理理如下：接接收机通过过测量射频频信号的能能量来确定定与发送机机的距离。。将无线信信号的发射射功率和接接收功率之之间的关系系表述为下下式所示，，其中PR是无线信号号的接收功功率，PT是无线信号号的发射功功率，r是收发单元元之间的距距离，n传播因因子，，传播播因子子的数数值大大小取取决于于无线线信号号传播播的环环境。。无线信信号接接收强强度指指示与与信号号传播播距离离之间间的关关系(2)到达时时间/到达时时间差差(ToA/TDoA)这类方方法通通过测测量传传输时时间来来估算算两节节点之之间距距离，，精度度较好好。ToA机制是是已知知信号号的传传播速速度，，根据据信号号的传传播时时间来来计算算节点点间的的距离离。ToA测距原原理的的过程程示例例在基于于TDoA的定位位机制制中，，发射射节点点同时时发射射两种种不同同传播播速度度的无无线信信号，，接收收节点点根据据两种种信号号到达达的时时间差差以及及这两两种信信号的的传播播速度度，计计算两两个节节点之之间的的距离离。发射射节节点点同同时时发发射射无线线射射频频信信号号和超声声波波信信号号，接接收收节节点点记记录录下下这这两两种种信信号号的的到到达达时时间间T1、T2，已知知无无线线射射频频信信号号和和超超声声波波的的传传播播速速度度为为c1、c2,那么两点点之间的的距离为为(T2-T1)*S，其中S=c1*c2/(c1-c2)。(3)到达角(AoA)该方法通通过配备备特殊天天线来估估测其它它节点发发射的无无线信号号的到达达角度。。AoA测距技术术易受外外界环境境影响，，且需要要额外硬硬件，它它的硬件件尺寸和和功耗指指标不适适用于大大规模的的传感器器网络，，在某些些应用领领域可以以发挥作作用。2、多边定定位多边定定位法法基于于距离离测量量(如RSSI、ToA/TDoA)的结果果。确确定二二维坐坐标至至少具具有三三个节节点至至锚点点的距距离值值；确确定三三维坐坐标，，则需需四个个此类类测距距值。。假设已知信信标锚点A1，A2，A3，A4，…的坐标依次次分别为（（x1，y1），（x2，y2），（x3，y3），（x4，y4），…，即各锚点点位置为。如果待定定位节点的的坐标为（（x,y），并且已已知它至各各锚点的测测距数值为为，可得如下下图，其中中(x，y)为待求的未未知坐标。将第前n-1个等式减去去最后等式式：用矩阵和向向量表达为为形式Ax=b，其中：根据最小均均方估计（（MinimumMeanSquareError,MMSE）的方法原原理，可以以求得解为为：，当矩阵求求逆不能计计算时，这这种方法不不适用，否否则可成功功得到位置置估计。从上述过过程可以看看出，这种种定位方法法本质上就就是最小二二乘估计。。3、Min-max定位方法多边定位法法的浮点运运算量大，，计算代价价高。Min-max定位是根据据若干锚点点位置和至至待求节点点的测距值值，创建多多个边界框框，所有边边界框的交交集为一矩矩形，取此此矩形的质质心作为待待定位节点点的坐标。。采用用三三个个锚锚点点进进行行定定位位的的Min––max方法法示示例例，，即即以以某某锚锚点点i(i=1,2,3)坐标标()为基基础础，，加加上上或或减减去去测测距距值值，得得到到锚锚点点i的边边界界框框：：在所所有有位位置置点点中取取最最小小值值、、所所有有中取取最最大大值值，，则则交交集集矩矩形形取取作作：：三个个锚锚点点共共同同形形成成交交叉叉矩矩形形，，矩矩形形质质心心即即为为所所求求节节点点的的估估计计位位置置。。无需需测测距距的的定定位位技技术术无需需测测距距的的定定位位技技术术不不需需要要直直接接测测量量距距离离和和角角度度信信息息。。1、质质心心算算法法在计计算算几几何何学学里里多多边边形形的的几几何何中中心心称称为为质质心心，，多多边边形形顶顶点点坐坐标标的的平平均均值值就就是是质质心心节节点点的的坐坐标标。。假设设多多边边形形定定点点位位置置的的坐坐标标向向量量表表示示为为pi=(xi，yi)T，则则这这个个多多边边形形的的质质心心坐坐标标为：：例如如，如如果果四四边边形形ABCD的顶顶点点坐坐标标分分别别为为，，，，则则它它的的质质心心坐坐标标计计算算如如下下：：这种种方方法法的的计计算算与与实实现现都都非非常常简简单单，，根根据据网网络络的的连连通通性性确确定定出出目目标标节节点点周周围围的的信信标标参参考考节节点点，，直直接接求求解解信信标标参参考考节节点点构构成成的的多多边边形形的的质质心心。。质心心算算法法基本过程信标节点周期期性向邻近节节点广播信标标分组，信标标分组中包含含信标节点的的标识号和位位置信息；当未知节点接接收到来自不不同信标节点点的信标分组组数量超过某某一个门限k或接收一定时时间后，就确确定自身位置置为这些信标标节点所组成成的多边形的的质心。评价简单：基于网网络连通性，，无信标节点点和未知节点点协调；假设节点都拥拥有理想的球球型无线信号号传播模型，，而实际上无无线信号的传传播模型；位置估计精确确度和信标节节点的密度和和分布有很大大关系。不定形定位算算法在不定形计算算机（AmorphousComputer）上实现的定定位算法。不定形计算机机是一种并行行计算结构，，和智能群（（蚁群、鸟群群、粒子群等等）很相似。。本质上，不定定形算法是DV-Hop算法的增强，，引入了多参参考点测量进进行估计求精精的步骤。两个重要的参参数修正：不定形算法通通过平滑（smoothing）修正节点到到参考节点的的梯度跳数。。采用通信半径径作为每跳距距离，使得节节点到参考节节点的最终估估计距离偏大大。不定形算算法采用下面面的公式来修修正每跳距离离：无需测测距的的定位位技术术-APIT算法近似三角形形内点测试试法（APIT,ApproximatePoint-In-Triangulationtest）找到若若干个由由参考节节点构成成的三角角形，则则节点必必然在这这些三角角形的交交集内。。使用这这个交集集的重心心估计节节点的位位置。APIT算法分四四步：（（1）信标交交换，（（2）三角形形内点测测试（PIT,Point-In-Triangulationtesting），（3）交集集运算计计算三角角形的重重合区域域，（4）重心（（COG,CenterofGravity）计算求求节点的的位置。。APIT算法基本过程程未知节点点首先收收集其邻邻近信标标节点的的位置信信息；从这些信信标节点点组成的的集合中中任意选选取三个个节点，，假设集集合中有有n个元素，，那么共共有Cn3种不同选选取方法法，确定定Cn3个不同三三角形，，逐一测测试未知知节点是是否位于于每个三三角形内内部，直直到穷尽尽所有Cn3种组合或或达到定定位所需需精度；；计算包含含目标节节点所有有三角形形的重叠叠区域，，并求质质心；APIT定位的的理论基基础PIT：最佳三三角形内内点测试试法PIT原理假如存在在一个方方向，节节点M沿着这个个方向移移动会同同时远离离或接近近顶点A、B、C，那么节节点M位于⊿ABC外；否则则，节点点M位于⊿ABC内；APIT算法的的具体步步骤收集信息息未知节点点收集邻邻近信标标节点的的信息，，如位置置、标识识号、接接收到的的信号强强度等；；邻居节节点之间间交换各各自接收收到的信信标节点点的信息息；APIT测试测试未知知节点是是否在不不同信标标节点组组合成三三角形内内部；；计算重叠叠区域统计包含含未知节节点三角角形，计计算所有有三角形形的重叠叠区域；；计算未知知节点位位置计算重叠叠区域的的质心位位置，作作为未知知节点的的位置2、DV-Hop算法DV-Hop算法解决决了低锚锚点密度度引发的的问题，，它根据据距离矢矢量路由由协议的的原理在在全网范范围内广广播跳数数和位置置。已知锚点点L1与L2、L3之间的距距离和跳跳数。L2计算得到到校正值值（即平平均每跳跳距离））为（40+75）/（2+5）=16.42m。假设传传感器网网络中的的待定位位节点A从L2获得校正正值，则则它与3个锚点之之间的距距离分别别是L1=3×16.42，L2=2×16.42，L3=3×16.42，然后使使用多边边测量法法确定节节点的位置。。定位系统统的典型型应用位置信息息有很多多用途，，在某些些应用中中可以起起到关键键性的作作用。定定位技术术的用途途大体可可分为导导航、跟跟踪、虚虚拟现实实、网络络路由等等。导航是定定位最基基本的应应用，在在军事上上具有重重要用途途。除了导航航以外，，定位技技术还有有很多应应用。例例如，办办公场所所的物品品、人员员跟踪需需要室内内的精度度定位。。虚拟现实实仿真系系统中需需要实时时定位物物体的位位置和方方向。隐藏终端端基站A向基站B发送信息，基基站C未侦测到A也向B发送，故A和C同时将信号发发送至B，引起信号冲冲突，最终导导致发送至B的信号都丢失失了。"隐藏终端"多发生在大型型单元中（一一般在室外环环境），这将将带来效率损损失，并且需需要错误恢复复机制。当需需要传送大容容量文件时，，尤其需要杜杜绝"隐藏终端"现象的发生。。隐藏终端2隐藏终端可分分为隐发送终终端和隐接收收终端。隐发发送终端可通通过握手协议议解决，隐接接收终端在单单信道条件内内无法解决。。暴露终端暴露终端指发发送节点覆盖盖范围内，而而在接收节点点覆盖范围外外的节点。它它的发送不会会造成延迟，，但会造成不不必要的延迟迟暴露终端暴露终端可分分为暴露发送送终端和暴露露接收终端。。在单信道条条件下，暴露露接收终端和和暴露接收终终端不能解决决：所有发送送给暴露接收收终端的报文文会产生冲突突，暴露发送送终端也无法法与目的节点点握手。4.3数据融合多传感器数据据融合概述我们将各种种传感器直直接给出的的信息称作作源信息，，如果传感感器给出的的信息是已已经数字化化的信息，，就称作源源数据，如如果给出的的是图像就就是源图像像。源信息息是信息系系统处理的的对象。源信息、传传感器与环环境之间的的关系：消除噪声与与干扰，实实现对观测测目标的连连续跟踪和和测量等一一系列问题题的处理方方法，就是是多传感器器数据融合合技术，有有时也称作作多传感器信信息融合(InformationFusion,IF)技术或多传感器融融合(SensorFusion,SF)技术，它是对多多传感器信信息进行处处理的最关关键技术，，在军事和和非军事领领域的应用用都非常广广泛。数据融合也也被人们称称作信息融合，是一种多多源信息处处理技术，，它通过对对来自同一一目标的多多源数据进进行优化合合成，获得得比单一信信息源更精精确、完整整的估计或或判决。从军事应用用的角度来来看，Waltz等人对数据据融合的定定义较为确确切，即：：“多传感器器数据融合合是一种多多层次、多多方面的处处理过程，，这个过程程是对多源源数据进行行检测（detection）、互联（（association）、相关（（correlation）、估计（（estimation）和组合（（combination），以更高高的精度、、较高的置置信度得到到目标的状状态估计和和身份识别别，以及完完整的态势势估计和威威胁评估，，为指挥员员提供有用用的决策信信息”。这个定义包包含三个要点：（1）数据融合合是多信源源、多层次次的处理过过程，每个个层次代表表信息的不不同抽象程程度；（2）数据融合合过程包括括数据的检检测、关联联、估计与与合并；（3）数据融合合的输出包包括低层次次上的状态态身份估计计和高层次次上的总战战术态势的的评估。数据融合的的内容主要要包括：多传感器的的目标探测测、数据关联、跟踪与识别别、情况评估和和预测。数据融合的的基本目的的是通过融融合得到比比单独的各各个输入数数据更多的的信息。这这一点是协协同作用的的结果，即即由于多传传感器的共共同作用，，使系统的的有效性得得以增强。。传感器网络络中数据融融合的作用用数据融合的的主要作用用可归纳为为以下几点点：(1)提高信息的的准确性和和全面性。。(2)降低信息的的不确定性性。(3)提高系统的的可靠性。。(4)增加系统的的实时性。。由于传感器器网络节点点的资源十十分有限，，在收集信信息的过程程中，如果果各个节点点单独地直直接传送数数据到汇聚聚节点，则则是不合适适的，主要要原因如下下：(1)浪费通信带带宽和能量量。(2)降低信息收收集的效率率。在传传感感器器网网络络中中数数据据融融合合起起着着十十分分重重要要的的作作用用，，它它的的主主要要作作用用在在于于：：(1)节省省整整个个网网络络的的能能量量；；(2)增强强所所收收集集数数据据的的准准确确性性；；(3)提高高收收集集数数据据的的效效率率。。数据据融融合合技技术术的的分分类类传感感器器网网络络的的数数据据融融合合技技术术可可以以从从不不同同的的角角度度进进行行分分类类，，这这里里介介绍绍三三种种分分类类方方法法：：(1)依据据融融合合前前后后数数据据的的信信息息含含量量进进行行分分类类；；(2)依据数据据融合与与应用层层数据语语义的关关系进行行分类；；(3)依据融合合操作的的级别进进行分类类。1、根据融融合前后后数据的的信息含含量分类类根据数据据进行融融合操作作前后的的信息含含量，可可以将数数据融合合分为无损失融融合和有损失融融合两类。（1）无损失失融合在无损失失融合中中，所有有的细节节信息均均被保留留，只去去除冗余余的部分分信息。。此类融融合的常常见做法法是去除除信息中中的冗余余部分。。（2）有损失失融合有损失融融合通常常会省略略一些细细节信息息或降低低数据的的质量，，从而减减少需要要存储或或传输的的数据量量，以达达到节省省存储资资源或能能量资源源的目的的。在有有损失融融合中，，信息损损失的上上限是要要保留应应用所必必需的全全部信息息量。2、根据数数据融合合与应用用层数据据语义之之问的关关系分类类数据融融合技技术可可以在在传感感器网网络协协议栈栈的多多个层层次中中实现现，既既能在在MAC协议中中实现现，也也能在在路由由协议议或应应用层层协议议中实实现。。根据数数据融融合是是否基基于应应用数数据的的语义义，将将数据据融合合技术术分为为三类类：(1)依赖于于应用用的数数据融融合；；(2)独立于于应用用的数数据融融合；；(3)结合以以上两两种技技术的的数据据融合合。3、根据据融合合操作作的级级别分分类根据对对传感感器数数据的的操作作级别别，可可将数数据融融合技技术分分为以以下三三类：：（1）数据级级融合合数据级级融合合是最最底层层的融融合，，操作作对象象是传传感器器采集集得到到的数数据，，因而而是面面向数数据的的融合合。（2）特征级级融合合特征级级融合合通过过一些些特征征提取取手段段将数数据表表示为为一系系列的的特征征向量量，来来反映映事物物的属属性。。（3）决策级级融合合决策级级融合合根据据应用用需求求进行行较高高级的的决策策，是是最高高级的的融合合。数据融融合的的主要要方法法(1)综合平平均法法该方法法是把把来自自多个个传感感器的的众多多数据据进行行综合合平均均。它它适用用于同同类传传感器器检测测同一一个检检测目目标。。这是是最简简单、、最直直观的的数据据融合合方法法。该该方法法将一一组传传感器器提供供的冗冗余信信息进进行加加权平平均，，结果果作为为融合合值。。如果对对一个个检测测目标标进行行了k次检测测，则则综合合平均均的结结果为为：其中，，Wi为分配配给第第i次检测测的权权重。。(2)卡尔曼曼滤波波法卡尔曼曼滤波波法用用于融融合低低层的的实时时动态态多传传感器器冗余余数据据。该该方法法利用用测量量模型型的统统计特特性，，递推推地确确定融融合数数据的的估计计，且且该估估计在在统计计意义义下是是最优优的。。如果果系统统可以以用一一个线线性模模型描描述，，且系系统与与传感感器的的误差差均符符合高高斯白白噪声声模型型，则则卡尔尔曼滤滤波将将为融融合数数据提提供唯唯一的的统计计意义义下的的最优优估计计。例如，，应用用卡尔尔曼滤滤波器器对n个传感感器的的测量量数据据进行行融合合后，，既可可以获获得系系统的的当前前状态态估计计，又又可以以预报报系统统的未未来状状态。。所估估计的的系统统状态态可能能表示示移动动机器器人的的当前前位置置、目目标的的位置置和速速度、、从传传感器器数据据中抽抽取的的特征征或实实际测测量值值本身身。(3)贝叶斯斯估计计法贝叶斯斯估计计是融融合静静态环环境中中多传传感器器低层层信息息的常常用方方法。。它使使传感感器信信息依依据概概率原原则进进行组组合，，测量量不确确定性性以条条件概概率表表示。。当传传感器器组的的观测测坐标标一致致时，，可以以用直直接法法对传传感器器测量量数据据进行行融合合。在在大多多数情情况下下，传传感器器是从从不同同的坐坐标系系对同同一环环境物物体进进行描描述，，这时时传感感器测测量数数据要要以间间接方方式采采用贝贝叶斯斯估计计进行行数据据融合合。多贝叶斯斯估计把把每个传传感器作作为一个个贝叶斯斯估计，，将各单单独物体体的关联联概率分分布组合合成一个个联合后后验概率率分布函函数，通通过使联联合分布布函数的的似然函函数最小小，可以以得到多多传感器器信息的的最终融融合值。。(4)D-S证据推理理法D-S（Dempster-Shafter）证据推推理法是是目前数数据融合合技术中中比较常常用的一一种方法法。这种种方法是是贝叶斯斯方法的的扩展，，因为贝贝叶斯方方法必须须给出先先验概率率，证据据理论则则能够处处理这种种由不知知道引起起的不确确定性，，通常用用来对目目标的位位置、存存在与否否进行推推断。(5)统计决策理论论与多贝叶斯估估计不同，统统计决策理论论中的不确定定性为可加噪噪声，从而不不确定性的适适应范围更广广。不同传感感器观测到的的数据必须经经过一个鲁棒棒综合测试，，以检验它的的一致性，经经过一致性检检验的数据用用鲁棒极值决决策规则进行行融合处理。。(6)模糊逻辑法针对数据融合合中所检测的的目标特征具具有某种模糊糊性的现象,利用模糊逻辑辑方法对检测测目标进行识识别和分类。。建立标准检检测目标和待待识别检测目目标的模糊子子集是此方法法的基础。模模糊子集的建建立需要有各各种各样的标标准检测目标标,同时必须建立立合适的隶属属函数。(7)产生式规则法法这是人工智能能中常用的控控制方法。一一般要通过对对具体使用的的传感器的特特性及环境特特性进行分析析，才能归纳纳出产生式规规则法中的规规则。通常系系统改换或增增减传感器时时，其规则要要重新产生。。这种方法的的特点是系统统扩展性较差差，但推理过过程简单明了了，易于系统统解释，所以以也有广泛的的应用范围。。(8)神经网络方法法神经网络方法法是模拟人类类大脑行为而而产生的一种种信息处理技技术，它采用用大量以一定定方式相互连连接和相互作作用的简单处处理单元（即即神经元）来来处理信息。。神经网络方法法实现数据融融合的过程如如下：①用选定的N个传感器检测测系统状态；；②采集N个传感器的测测量信号并进进行预处理；；③对预处理后后的N个传感器信号号进行特征选选择；④对特征信号号进行归一化化处理，为神神经网络的输输入提供标准准形式；⑤将归一化的的特征信息与与已知的系统统状态信息作作为训练样本本，送神经网网络进行训练练，直到满足足要求为止。。将训练好的网网络作为已知知网络，只要要将归一化的的多传感器特特征信息作为为输入送入该该网络，则网网络输出就是是被测系统的的状态结果。。传感器网络应应用层的数据据融合示例分布式数据库库技术被应用用于传感器网网络的数据收收集过程，应应用层接口可可以采用类似似“结构化查查询语言”(SQL)的风格。在传感器网络络应用中，SQL融合操作一般般包括5个基本操作符符：COUNT，MIN，MAX，SUM和AVERAGE。与传统数据据库的SQL应用类似，COUNT用于计算一个个集中元素的的个数；MIN和MAX分别计算最小小值和最大值值；SUM计算所有数值值的和；AVERAGE用于计算所有有数值的平均均数。根据类SQL语言进行网内内处理的示例例4.4能量管理能量管理的意意义在无线网络通通信中，能量量消耗E与通信距离d存在关系：E=kdn，其中k为常量，2≤n≤4。由于无线传传感器网络的的节点体积小小，发送端和和接收端都贴贴近地面，干干扰较大，障障碍物较多，，所以n通常接近于4，即通信能耗耗与距离的四四次方成正比比。从上述的关系系式反映出，，随着通信距距离的增加，，能耗急剧增增加。通常为为了降低能耗耗，应尽量减减小单跳通信信距离。简单单地说，多个个短距离跳的的数据传输比比一个长跳的的传输能耗会会低些。因此此，在传感器器网络中要减减少单跳通信信距离，尽量量使用多跳短短距离的无线线通信方式。。传感器节点通通常由四个部部分组成：处处理器单元、、无线传输单单元、传感器器单元和电源源管理单元。。其中传感器器单元能耗与与应用特征相相关，采样周周期越短、采采样精度越高高，则传感器器单元的能耗耗越大。由于传感器单单元的能耗要要比处理器单单元和无线传传输单元的能能耗低得多，，几乎可以忽忽略，因此通通常只讨论处处理器单元和和无线传输单单元的能耗问问题。传感器网络络的电源节节能方法目前人们采采用的节能能策略主要要有休眠机机制、数据据融合等，，它们应用用在计算单单元和通信信单元的各各个环节。。1、休眠机制制休眠机制的的主要思想想是，当节节点周围没没有感兴趣趣的事件发发生时，计计算与通信信单元处于于空闲状态态，把这些些组件关掉掉或调到更更低能耗的的状态，即即休眠状态态。（1）硬件支持持现有的无线线收发器也也支持休眠眠，而且可可以通过唤唤醒装置唤唤醒休眠中中的节点，，从而实现现在全负载载周期运行行时的低能能耗。无线收发器器有四种操操作模式：：发送、接接收、空闲闲和休眠。。表给出了一一种无线收收发器的能能耗情况，，除了休眠眠状态外，，其他三种种状态的能能耗都很大大，空闲状状态的能耗耗接近于接接收状态，，所以如果果传感器节节点不再收收发数据时时，最好把把无线收发发器关掉或或进入休眠眠状态以降降低能耗。。无线收发器状态能耗/mW发送14.88接收12.50空闲12.36睡眠0.016（2）专门的节节点功率管管理机制①动态电源管管理动态电源管管理(DPM)的工作原理理是，当节节点周围没没有感兴趣趣的事件发发生时，部部分模块处处于空闲状状态，应该该把这些组组件关掉或或调到更低低能耗的状状态(即休眠状态态)，从而节省省能量。这种事件驱驱动式能量量管理对于于延长传感感器节点的的生存期十十分必要。。在动态电电源管理中中，由于状状态转换需需要消耗一一定的能量量，并且带带有时延，，所以状态态转换策略略非常重要要。如果状状态转换过过程的策略略不合适，，不仅无法法节能，反反而会导致致能耗的增增加。②动态电压调调度对于大多数数传感器节节点来说，，计算负荷荷的大小是是随时间变变化的，因因而并不需需要节点的的微处理器器在所有时时刻都保持持峰值性能能。根据据CMOS电路路设设计计的的理理论论，，微微处处理理器器执执行行单单条条指指令令所所消消耗耗的的能能量量Eop与工作电压V的平方成正比比，即：Eop∝V2。动态电压调节节(DVS)技术就是利用用了这一特点点，动态改变变微处理器的的工作电压和和频率，使得得刚好满足当当时的运行需需求，从而在在性能和功耗耗之间取得平平稳。动态电压调节节要解决的核核心问题是实实现微处理器器计算负荷与与工作电压及及频率之间的的匹配。2、数据融合数据融合的节节能效果主要要体现在路由由协议的实现现上。路由过过程的中间节节点并不是简简单的转发所所收到的数据据，由于同一一区域内的节节点发送的数数据具有很大大的冗余性，，中间节点需需要对这些数数据进行数据据融合，将经经过本地融合合处理后的数数据路由到汇汇聚点，只转转发有用的信信息。数据融融合有效地降降低了整个网网络的数据流流量。LEACH路由协议就具具有这种功能能，它是一种种自组织的在在节点之间随随机分布能量量负载的分层层路由协议。。拓扑控制算法法（LEACH)LEACH算法：簇头节点作为为一定区域所所有节点的代代理，负责和和Sink的通信；非簇头节点可可以使用小功功率和簇头节节点通信；簇头节点可以以对所辖区域域节点数据进进行融合，减减少网络中传传输的数据；；簇头选举算法法的设计，要要求保证公平平性构建阶段稳态阶段轮拓扑控制算法法（LEACH)每个传感器节节点选择[0，1]之间间的一个随机机数，如果选选定的值小于于某一个阈值值，那么这个个节点成为簇簇头节点，计计算如下：N表示网络中中传感器节点点的个数，k为一个网络络中的簇头节节点数，r为为已完成的回回合数，G为为网络生存期期总的回合数数。拓扑控制算法法（LEACH)网络按照周期期工作，每个个周期分为两两个阶段：簇头建立阶段段：节点运行算法法，确定本次次自己是否成成为簇头；簇头节点广播播自己成为簇簇头的事实；；其他非簇头节节点按照信号号强弱选择应应该加入的簇簇头，并通知知该簇头节点点；簇头节节点按按照TDMA的调度度，给给依附附于他他的节节点分分配时时间片片；数据传传输阶阶段：：节点在在分配配给他他的时时间片片上发发送数数据；；拓扑控控制算算法（（LEACH）优点优化了了传输输数据据所需需能量量；优化了了网络络中的的数据据量；；缺点节点硬硬件需需要支支持射射频功功率自自适应应调整整；无法保证簇簇头节点能能遍及整个个网络；4.5安全机制传感器网络络的安全问问题网络安全一一直是网络络技术的重重要组成部部分，加密密、认证、、防火墙、、入侵检测测、物理隔隔离等都是是网络安全全保障的主主要手段。。无线传感器器网络作为为一种起源源于军事应应用领域的的新型无线线网络，主主要采用了了射频无线线通信组网网，它的安安全性问题题显得尤为为重要。传传感器网络络的安全性性需求主要要来源于通通信安全和和信息安全全两个方面面。1、通信安全全需求(1)节点的安全全保证传感器节点点是构成无无线传感器器网络的基基本单元，，节点的安安全性包括括节点不易易被发现和和节点不易易被篡改。。(2)被动抵御入入侵的能力力传感器网络络安全的基基本要求是是：在网络络局部发生生入侵时，，保证网络络的整体可可用性。被被动防御是是指当网络络遭到入侵侵时网络具具备的对抗抗外部攻击击和内部攻攻击的能力力，它对抵抵御网络入入侵至关重重要。外部攻击击者是指指那些没没有得到到密钥，，无法接接入网络络的节点点。外部攻击击者虽然然无法有有效地注注入虚假假信息，，但可以以通过窃窃听、干干扰、分分析通信信量等方方式，为为进一步步的攻击击行为收收集信息息，因此此对抗外外部攻击击首先需需要解决决保密性性问题。。其次，要要防范能能扰乱网网络正常常运转的的简单网网络攻击击，如重重放数据据包等，，这些攻攻击会造造成网络络性能的的下降。。另外，，要尽量量减少入入侵者得得到密钥钥的机会会，防止止外部攻攻击者演演变成内内部攻击击者。内部攻击击者是指指那些获获得了相相关密钥钥，并以以合法身身份混入入网络的的攻击节节点。由由于传感感器网络络不可能能阻止节节点被篡篡改，而而且密钥钥可能被被对方破破解，因因而总会会有入侵侵者在取取得密钥钥后以合合法身份份接入网网络。由由于至少少能取得得网络中中一部分分节点的的信任，，内部攻攻击者能能发动的的网络攻攻击种类类更多，，危害性性更大，，也更隐隐蔽。(3)主动反击入侵侵的能力主动反击能力力是指网络安安全系统能够够主动地限制制甚至消灭入入侵者，为此此需要至少具具备以下能力力：①入侵检测能力力。和传统的网网络入侵检测测相似，首先先需要准确识识别网络内出出现的各种入入侵行为并发发出警报。其其次，入侵检检测系统还必必须确定入侵侵节点的身份份或者位置，，只有这样才才能在随后发发动有效攻击击。②隔离入侵者的的能力。网络需要具具有根据入侵侵检测信息调调度网络正常常通信来避开开入侵者，同同时丢弃任何何由入侵者发发出的数据包包的能力。这这相当于把入入侵者和己方方网络从逻辑辑上隔离开来来，可以防止止它继续危害害网络。③消灭入侵者的的能力。由于传感器器网络的主要要用途是为用用户收集信息息，因此让网网络自主消灭灭入侵者是较较难实现的。。一般的做法法是，在网络络提供的入侵侵信息引导下下，由用户通通过人工方式式消灭入侵者者。2、信息安全需需求信息安全就是是要保证网络络中传输信息息的安全性。。对于无线传传感器网络而而言，具体的的信息安全需需求内容包括括如下：①数据的机密性性——保证网络内传传输的信息不不被非法窃听听。②数据鉴别——保证用户收到到的信息来自自己方节点而而非入侵节点点。③数据的完整性性——保证数据在传传输过程中没没有被恶意篡篡改。④数据的实效性性——保证数据在时时效范围内被被传输给用户户。相应地，传感感器网络安全全技术的设计计也包括两方方面内容，即即通信安全和和信息安全。。通信安全是是信息安全的的基础。通信信安全保证传传感器网络内内部的数据采采集、融合和和传输等基本本功能的正常常进行，是面面向网络功能能的安全性；；信息安全侧侧重于网络中中所传信息的的真实性、完完整性和保密密性，是面向向用户应用的的安全。传感器器网络络在大大多数数的民民用领领域，，如环环境监监测、、森林林防火火、候候鸟迁迁徙跟跟踪等等应用用中，，安全全问题题并不不是一一个非非常紧紧要的的问题题。但在另另外一一些领领域，，如商商业上上的小小区无无线安安防网网络，，军事事上在在敌控控区监监视敌敌方军军事部部署的的传感感器网网络等等，则则对数数据的的采样样、传传输过过程，，甚至至节点点的物物理分分布重重点考考虑安安全问问题，，很多多信息息都不不能让让无关关人员员或者者敌方方人员员了解解。传感器器网络络的安安全问问题和和一般般网络络的安安全问问题相相比而而言，，它们们的出出发发点是是相同同的，，都需需要解解决如如下问问题：：(1)机密性性问题题。所有有敏感感数据据在存存储和和传输输的过过程中中都要要保证证机密密性，，让任任何人人在截截获物物理通通信信信号的的时候候不能能直接接获得得消息息内容容。(2)点到到点点的的消消息息认认证证问问题题。网网络络节节点点在在接接收收到到另另外外一一个个节节点点发发送送过过来来的的消消息息时时，，能能够够确确认认这这个个数数据据包包确确实实是是从从该该节节点点发发送送出出来来的的，，而而不不是是其其它它节节点点冒冒充充的的。。(3)完整整性性鉴鉴别别问问题题。网网络络节节点点在在接接收收到到一一个个数数据据包包的的时时候候，，能能够够确确认认这这个个数数据据包包和和发发出出来来的的时时候候完完全全相相同同，，没没有有被被中中间间节节点点篡篡改改或或者者在在传传输输中中通通信信出出错错。。(4)新鲜性问问题。数据本本身具有有时效性性，网络络节点能能够判断断最新接接收到的的数据包包是发送送者最新新产生的的数据包包。导致致新鲜性性问题一一般有两两种原因因：一是是由网络络多路径径延时的的非确定定性导致致数据包包的接收收错序而而引起，，二是由由恶意节节点的重重放攻击击而引起起。(5)认证组播播/广播问题题。认证组组播/广播解决决的是单单一节点点向一组组节点/所有节点点发送统统一通告告的认证证安全问问题。认认证广播播的发送送者是一一个，而而接收者者是很多多个，所所以认证证方法和和点到点点通信认认证方式式完全不不同。(6)安全管理理问题。安全管管理包括括安全引引导和安安全维护护两个部部分。安安全引导导是指一一个网络络系统从从分散的的、独立立的、没没有安全全通道保保护的个个体集合合，按照照预定的的协议机机制，逐逐步形成成统一完完整的、、具有安安全信道道保护的的、连通通的安全全网络的的过程。。安全引引导过程程对于传传感器网网络来说说是最重重要、最最复杂，，而且也也是最富富挑战性性的内容容，因为为传统的的解决安安全引导导问题的的