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1、无线传感器网络的支撑技术主要内容n时间同步机制n定位技术n数据融合n能量管理n安全机制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，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。网络节点之间存在运行时间偏差。有时传感器网络的单
2、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。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。定位技
3、术1、定位的含义在传感器网络的很多应用问题中，没有节点位置信息的 监测数据往往是没有意义的。无线传感器网络定位问题的含 义是指自组织的网络通过特定方法提供节点的位置信息。分为节点自身定位和目标定位。节点自身定位是确定网络节点的坐标位置的过程。目标定位是确定网络覆盖区域内 一个事件或者一个目标的坐标位置。节点自身定位可以通过人工标定或者各种节点自定位算法完成。目标定位是以位置已知的网络节点作为参考，确定 事件或者目标在网络覆盖范围内所在的位置。位置信息有多种分类方法。位置信息有物理位置和符号位置两大类。物理位置指目标在特定坐标系下的位置数值，表示目标的相对或者绝对位置。符号位置指在目标与一个基站
4、或者多个基站接近程度的信息，表示目标与基站之间的连通关系，提供目标大致的所在范围。 2、基本术语(1) 锚点：指通过其它方式预先获得位置坐标的节点，有时 也称作信标节点。网络中相应的其余节点称为非锚点。(2) 测距：指两个相互通信的节点通过测量方式来估计出彼此之间的距离或角度。(3) 连接度：包括节点连接度和网络连接度两种含义。节点连接度是指节点可探测发现的邻居节点个数。网络连接度是所有节点的邻居数目的平均值，它反映了传感器配置的 密集程度。(4) 邻居节点：传感器节点通信半径范围以内的所有其它节点，称为该节点的邻居节点。(5) 跳数：两个节点之间间隔的跳段总数，称为这两个节点间的跳数。(6)
5、 基础设施：协助传感器节点定位的已知自身位置的固定设备，如卫星、基站等。(7) 到达时间：信号从一个节点传播到另一个节点所需要的时间，称为信号的到达时间。(8) 视线关系(Line of Sight, LoS)：如果传感器网络的两个节点之间没有障碍物，能够实现直接通信，则这两个节点间存在视线关系。(9) 非视线关系：传感器网络的两个节点之间存在障碍物，影响了它们直接的无线通信。3、定位性能的评价指标衡量定位性能有多个指标：位置精度覆盖范围刷新速度功耗等。 覆盖范围和位置精度是一对矛盾性的指标。 刷新速度是指提供位置信息的频率。数据融合多传感器数据融合概述我们将各种传感器直接给出的信息称作源信息
6、，如果传感器给出的信息是已经数字化的信息，就称作源数 据，如果给出的是图像就是源图像。源信息是信息系统 处理的对象。源信息、传感器与环境之间的关系：消除噪声与干扰，实现对观测目标的连续跟踪和测量等一系列问题的处理方法，就是传感器数据融合技术 ，它是对传感器信息进行处理的最关键技术，在军事和 非军事领域的应用都非常广泛。数据融合也被人们称作信息融合，是一种多源信息处理技术，它通过对来自同一目标的多源数据进行优化 合成，获得比单一信息源更精确、完整的估计或判决。“多传感器数据融合是一种多层次、多方面的处理过程 ，这个过程是对多源数据进行检测（detection）、互联（ association）、
7、相关（correlation）、估计（ estimation）和组合（combination），以更高的精度、较 高的置信度得到目标的状态估计和身份识别，以及完整的 态势估计和威胁评估，为指挥员提供有用的决策信息”。数据融合的基本目的是通过融合得到比单独的各个输 入数据更多的信息。这一点是协同作用的结果，即由于多 传感器的共同作用，使系统的有效性得以增强。传感器网络中数据融合的作用数据融合的主要作用可归纳为以下几点：(1) 提高信息的准确性和全面性。(2) 降低信息的不确定性。(3) 提高系统的可靠性。(4) 增加系统的实时性。(5) 节省整个网络的能量；数据融合技术的分类传感器网络的数据融合
8、技术可以从不同的角度进行 分类，这里介绍三种分类方法：(1) 依据融合前后数据的信息含量分类；(2) 依据数据融合与应用层数据语义的关系分类；(3) 依据融合操作的级别分类。根据融合操作的级别分类（1）数据级融合数据级融合是最底层的融合，操作对象是传感器采集得到的数据，因而是面向数据的融合。（2）特征级融合特征级融合通过一些特征提取手段将数据表示为一系列的特征向量，来反映事物的属性。（3）决策级融合决策级融合根据应用需求进行较高级的决策，是最高级的融合。传感器网络应用层的数据融合示例分布式数据库技术被应用于传感器网络的数据 收集过程，应用层接口可以采用类似“结构化查 询语言”(SQL)的风格。
9、在传感器网络应用中，SQL融合操作一般包 括5个基本操作符：COUNT，MIN，MAX，SUM和 AVERAGE。与传统数据库的SQL应用类似，COUNT用 于计算一个集中元素的个数；MIN和MAX分别计算 最小值和最大值；SUM计算所有数值的和； AVERAGE用于计算所有数值的平均数。根据类SQL语言进行网内处理的示例能量管理能量管理的意义随着通信距离的增加，能耗急剧增加。通常为 了降低能耗，应尽量减小单跳通信距离。简单地 说，多个短距离跳的数据传输比一个长跳的传输 能耗会低些。因此，在传感器网络中要减少单跳 通信距离，尽量使用多跳短距离的无线通信方式 。传感器单元的能耗要比处理器单元和无
10、线传输 单元的能耗低得多，几乎可以忽略，因此通常 只讨论处理器单元和无线传输单元的能耗问题 。传感器网络的电源节能方法1、休眠机制计算与通信单元处于空闲状态，把这些组件关 掉或调到更低能耗的状态，即休眠状态。2、数据融合中间节点并不是简单的转发所收到的数据将经过本地融合处理后的数据路由到汇聚点数据融合有效地降低了整个网络的数据流量安全机制传感器网络的安全问题网络安全一直是网络技术的重要组成部分，加密、认证、防火墙、入侵检测、物理隔离等都是网络安全保障的主要手段。1、通信安全需求(1) 节点的安全保证 节点不易被发现和节点不易被篡改 (2) 被动抵御入侵的能力 在网络局部发生入侵时，保证网络的整
11、体可用性 。被动防御是指当网络遭到入侵时网络具备的对 抗外部攻击和内部攻击的能力，它对抵御网络入 侵至关重要。(3) 主动反击入侵的能力 入侵检测能力 l准确识别网络内出现的各种入侵行为并发出警报 l入侵检测系统还必须确定入侵节点的身份或者位置 隔离入侵者的能力 l根据入侵检测信息调度网络正常通信来避开入侵者 l丢弃任何由入侵者发出的数据包 消灭入侵者的能力 在网络提供的入侵信息引导下，由用户通过人工方式消灭2、信息安全需求 数据的机密性保证网络内传输的信息不被非法窃听。 数据鉴别保证用户收到的信息来自己方节点而非入侵节点。 数据的完整性保证数据在传输过程中没有被恶意篡改。 数据的实效性保证数
12、据在时效范围内被传输给用户。传感器网络在大多数的民用领域，如环境监测、森林防火、候鸟迁徙跟踪等应用中，安全问题并不是一个非常紧要的问题。但在另外一些领域，如商业上的小区无线安防网络，军事上的传感器网络等，则对数据的采样、传输过程，甚至节点的物理分布重点考虑安全问题，很多信息都不能让无关人员或者敌方人员了解。传感器网络安全问题的解决方法与传统网络 安全问题不同，主要原因如下：(1) 有限的存储空间和计算能力(2) 缺乏后期节点布置的先验知识(3) 布置区域的物理安全无法保证(4) 有限的带宽和通信能量(5) 侧重整个网络的安全(6) 应用相关性传感器网络安全框架协议：SPINSSPINS安全协议族是最早的无线传感器网络的安 全框架之一，包含了SNEP(Secure Network Encryption Protocol)和TESLA(micro Timed Efficient Streaming Loss-tolerant authentication Protoco1)两个安全协议。SNEP协议提供点到点通信认证、数据机密性、完整性和新鲜性等安全服务；TESLA协议则提供 对广播消息的数据认证服务。
