無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù).ppt

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第12章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù),無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)體系,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),4,1,2,3,多傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息融合,5,目錄,第12章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù),12.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述,12.1.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)介紹,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorNetwork,WSN）是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線電通信形成的一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)被監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有以下的特點(diǎn)：（1）大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)（2）自組織網(wǎng)絡(luò)（3）多跳路由（4）動(dòng)態(tài)性網(wǎng)絡(luò)（5）可靠的網(wǎng)絡(luò)（6）以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)（7）應(yīng)用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò),12.1.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)介紹,12.1.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)介紹,12.1.2傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),12.1.2傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊四部分組成。,12.1.2傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),物理層提供簡(jiǎn)單但健壯的信號(hào)調(diào)制和無線收發(fā)技術(shù)；數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)成幀、幀檢測(cè)、媒體訪問和差錯(cuò)控制；網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)路由生成與路由選擇；傳輸層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制，是保證通信服務(wù)質(zhì)量的重要部分；應(yīng)用層包括一系列基于監(jiān)測(cè)任務(wù)的應(yīng)用層軟件；能量管理平臺(tái)管理傳感器節(jié)點(diǎn)如何使用能源，在各個(gè)協(xié)議層都需要考慮節(jié)省能量；移動(dòng)管理平臺(tái)檢測(cè)并注冊(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，維護(hù)到匯聚節(jié)點(diǎn)的路由，使得傳感器節(jié)點(diǎn)能夠動(dòng)態(tài)跟蹤其鄰居的位置；任務(wù)管理平臺(tái)在一個(gè)給定的區(qū)域內(nèi)平衡和調(diào)度監(jiān)測(cè)任務(wù)。,12.1.3傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本思想起源于20世紀(jì)70年代。,1978年，DARPA在卡耐基-梅隆大學(xué)成立了分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)工作組。,1980年DARPA的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目（WSN）開啟了傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究先河。,20世紀(jì)80年代至90年代，研究主要在軍事領(lǐng)域，成為網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的關(guān)鍵技術(shù)，拉開了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的序幕。,20世紀(jì)90年代中后期，WSN引起了學(xué)術(shù)界、軍界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，開啟了現(xiàn)代意義的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。,,,,,12.1.3傳感器網(wǎng)絡(luò)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(luò)（2）新一代計(jì)算設(shè)備（3）普適計(jì)算的一個(gè)重要途徑,12.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)體系,12.2.1自組網(wǎng)技術(shù),移動(dòng)自組織(Ad-Hoc)網(wǎng)絡(luò)是一種多跳的臨時(shí)性自治系統(tǒng)，它的原型是美國早在1968年建立的ALOHA網(wǎng)絡(luò)和之后于1973提出的PR(PacketRadio)網(wǎng)絡(luò)。IEEE在開發(fā)802.11標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，提出將PR網(wǎng)絡(luò)改名為Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)，也即今天我們常說的移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)。作為一種分布式網(wǎng)絡(luò)，移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)是一種自治、多跳網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)沒有固定的基礎(chǔ)設(shè)施，能夠在不能利用或者不便利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)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(yuǎn)的兩個(gè)終端如果要進(jìn)行通信就必須借助于其它節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分組轉(zhuǎn)發(fā)，這樣節(jié)點(diǎn)之間構(gòu)成了一種無線多跳網(wǎng)絡(luò)。,12.2.1自組網(wǎng)技術(shù),與其他傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)相比，自組織網(wǎng)絡(luò)具有以下顯著特點(diǎn)：(1)無中心和自組織性。(2)動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?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(diǎn)定位技術(shù),在傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)中，根據(jù)節(jié)點(diǎn)是否已知自身的位置，把傳感器節(jié)點(diǎn)分為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)。,12.2.2節(jié)點(diǎn)定位技術(shù),鄰居節(jié)點(diǎn)（neighbornode）跳數(shù)（hopcount）跳段距離（hopdistance）基礎(chǔ)設(shè)施（infrastructure）到達(dá)時(shí)間（TimeOfArrival，TOA）到達(dá)時(shí)間差（TimeDifferenceOfArrival，TDOA）接收信號(hào)強(qiáng)度指示（ReceivedSignalStrengthIndicator，RSSI）到達(dá)角度（AngleOfArrival，AOA）視線關(guān)系（LineofSight，LOS）非視線關(guān)系（NoLOS，NLOS）,12.2.2節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)1）三邊測(cè)量法,已知A、B、C三個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)以及它們到未知節(jié)點(diǎn)D的距離，假設(shè)節(jié)點(diǎn)D的坐標(biāo)為(x,y)，那么，存在下列公式：可以得到節(jié)點(diǎn)D的坐標(biāo)為：,12.2.2節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)2）三角測(cè)量法,已知A，B，C三個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，節(jié)點(diǎn)D相對(duì)于節(jié)點(diǎn)A，B，C的角度分別為：∠ADB，∠ADC，∠BDC，假設(shè)節(jié)點(diǎn)D的坐標(biāo)為（x，y）。對(duì)于節(jié)點(diǎn)A，C和角∠ADC，如果弧段AC在△ABC內(nèi)，那么能夠惟一確定一個(gè)圓，設(shè)圓為O1(XO1,yO2)，半徑為r1，那么α=∠AO1C=2π-2∠ADC,12.2.2節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)2）三角測(cè)量法,并存在下列公式：,由式能夠確定圓心點(diǎn)的坐標(biāo)和半徑。同理對(duì)A，B，∠ADB和B，C，∠BDC分別確定相應(yīng)的圓心、半徑、圓心和半徑。最后利用三邊測(cè)量法，確定D點(diǎn)坐標(biāo)。,12.2.3時(shí)間同步技術(shù),兩種同步機(jī)制1.網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議NTP在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中提出了多種網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步機(jī)制，C/S模式是其中一種常用的時(shí)間同步模式。時(shí)間服務(wù)器周期性地向客戶端發(fā)送時(shí)間同步消息，同步消息中包含服務(wù)器的當(dāng)前時(shí)間。如果服務(wù)器到客戶端的典型延遲相對(duì)期望精度小，只需要一個(gè)時(shí)間同步消息就能實(shí)現(xiàn)客戶端與服務(wù)器之間的時(shí)間同步。通常的擴(kuò)展是客戶端產(chǎn)生時(shí)間同步請(qǐng)求消息，服務(wù)器回應(yīng)時(shí)間同步應(yīng)答消息，通過測(cè)量這兩個(gè)分組總的往返時(shí)間來估計(jì)單程的延遲，從而計(jì)算從服務(wù)器給分組打上時(shí)標(biāo)到客戶端接收到分組打上時(shí)標(biāo)之間的時(shí)間間隔，獲得相對(duì)精確的時(shí)間同步。,假設(shè)時(shí)間請(qǐng)求消息和時(shí)間應(yīng)答消息在網(wǎng)上傳播的時(shí)間相同，即=，則可解得：,12.2.3時(shí)間同步技術(shù),假設(shè)客戶端時(shí)鐘比服務(wù)器時(shí)鐘快θ，下列關(guān)系式成立。,=,12.2.3時(shí)間同步技術(shù),為了詳細(xì)分析時(shí)間同步誤差，在從發(fā)送節(jié)點(diǎn)到接收節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)鍵路徑上，把消息傳輸延遲細(xì)分為四個(gè)部分。第一，發(fā)送時(shí)間；第二，訪問時(shí)間；第三，傳播延遲；第四，接收時(shí)間。,12.2.3時(shí)間同步技術(shù),2.RBS機(jī)制的基本原理RBS時(shí)間同步機(jī)制通過接收節(jié)點(diǎn)對(duì)時(shí)抵消發(fā)送時(shí)間和訪問時(shí)間。發(fā)送節(jié)點(diǎn)廣播一個(gè)信標(biāo)分組，廣播域中兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都能夠接收到這個(gè)分組。每個(gè)接收節(jié)點(diǎn)分別根據(jù)自己的本地時(shí)間記錄接收到信標(biāo)分組的時(shí)刻，然后交換它們記錄的信標(biāo)分組接收時(shí)間。兩個(gè)接收時(shí)間的差值相當(dāng)于兩個(gè)接收節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間差值，其中一個(gè)接收節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)這個(gè)時(shí)間差值更改它的本地時(shí)間，從而達(dá)到兩個(gè)接收節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步。,12.2.4安全技術(shù),傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全和一般網(wǎng)絡(luò)安全的出發(fā)點(diǎn)是相同的，都要解決如下問題：（1）機(jī)密性問題。（2）點(diǎn)到點(diǎn)的消息認(rèn)證問題。（3）完整性鑒別問題。（4）新鮮性問題。（5）認(rèn)證組播/廣播問題。（6）安全管理問題。,12.2.4安全技術(shù),傳感器網(wǎng)絡(luò)安全問題的解決思路和方法與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全問題不同，這主要是由網(wǎng)絡(luò)自身的特點(diǎn)決定的：（1）有限的存儲(chǔ)空間和計(jì)算能力（2）缺乏后期節(jié)點(diǎn)布置的先驗(yàn)知識(shí)（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(diǎn)到點(diǎn)的安全，更是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的安全（6）應(yīng)用相關(guān)性,12.2.4安全技術(shù),下面詳細(xì)分析了傳感器網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的各個(gè)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(luò)的通信協(xié)議,12.3.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議,路由是把信息從信息源穿過網(wǎng)絡(luò)傳遞到目的地的行為。路由技術(shù):決定最優(yōu)路徑和傳輸數(shù)據(jù)包。路由器是網(wǎng)絡(luò)間的連接設(shè)備，它的重要工作之一是路徑選擇。路由包含兩個(gè)基本的動(dòng)作：確定最佳路徑和通過網(wǎng)絡(luò)傳輸信息。路由協(xié)議負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)，它主要包括兩個(gè)方面的功能：尋找源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)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(luò)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(hù)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(dá)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(dāng)路由器收到一個(gè)分組，它就檢查其目標(biāo)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(duì)而言較簡(jiǎn)單，對(duì)大多數(shù)路由協(xié)議而言是相同的，多數(shù)情況下，某主機(jī)決定向另一個(gè)主機(jī)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(jī)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(jī)的。,12.3.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議具有以下特點(diǎn)：（1）能量?jī)?yōu)先。（2）基于局部拓?fù)湫畔?。?）以數(shù)據(jù)為中心。（4）應(yīng)用相關(guān)。針對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)路由機(jī)制的上述特點(diǎn)，在根據(jù)具體應(yīng)用設(shè)計(jì)路由機(jī)制時(shí)，要滿足下面的傳感器網(wǎng)絡(luò)路由機(jī)制的要求：（1）能量高效。（2）可擴(kuò)展性。（3）魯棒性。（4）快速收斂性。,12.3.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議,根據(jù)不同應(yīng)用對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)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(luò)的MAC協(xié)議,在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)之間分配有限的無線通信資源，用來構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的底層基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議時(shí)，需要著重考慮以下幾個(gè)方面：（1）節(jié)省能量。（2）可擴(kuò)展性。（3）網(wǎng)絡(luò)效率。,12.3.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議,目前針對(duì)不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，研究人員從不同方面提出了多個(gè)MAC協(xié)議，但對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議還缺乏一個(gè)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(gè)信道；第三，采用固定分配信道方式還是隨機(jī)訪問信道方式。,12.3.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議,按照第三種分類方法，將傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議分為三類：（1）采用無線信道的時(shí)分復(fù)用方式（TimeDivisionMultipleAccess，TDMA），給每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)分配固定的無線信道使用時(shí)段，從而避免節(jié)點(diǎn)之間的相互干擾；（2）采用無線信道的隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)方式，節(jié)點(diǎn)在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)隨機(jī)使用無線信道，重點(diǎn)考慮盡量減少節(jié)點(diǎn)間的干擾；（3）其他MAC協(xié)議，如通過采用頻分復(fù)用或者碼分復(fù)用等方式，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間無沖突的無線信道的分配。,12.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),12.4.1IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn),IEEE802.15工作組內(nèi)有四個(gè)任務(wù)組，分別制定適合不同應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。這四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)如下.802.15.1本質(zhì)上只是藍(lán)牙低層協(xié)議的一個(gè)正式標(biāo)準(zhǔn)化版本。802.15.2是對(duì)藍(lán)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(luò)的干擾。802.15.3也稱WiMedia，旨在實(shí)現(xiàn)高速率。最初它瞄準(zhǔn)的是消費(fèi)類器件，如電視機(jī)和數(shù)碼照相機(jī)等。IEEE802.15.4是一個(gè)低速率無線個(gè)人局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。這種低速率無線個(gè)人局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(gè)人局域網(wǎng)的主要目標(biāo)是實(shí)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(gè)簡(jiǎn)單而且靈活的通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。,12.4.1IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn),為了使供應(yīng)商能夠提供最低可能功耗的設(shè)備，IEEE（InstituteofElectricalandElectronicsEngineers，電氣及電子工程師學(xué)會(huì)）定義了兩種不同類型的設(shè)備：一種是完整功能設(shè)備另一種是簡(jiǎn)化功能設(shè)備。,12.4.1IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn),IEEE802.15.4僅定義了物理層和MAC層的規(guī)范。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的定義，物理層實(shí)現(xiàn)了如下功能：信道進(jìn)行能量檢測(cè)(EnergyDetected)、對(duì)收到的包進(jìn)行鏈路質(zhì)量指示(LinkQualityIndication，LQI)、接收發(fā)送數(shù)據(jù)、空閑信道評(píng)估(ClearChannelAssessmentCCA)等。信道能量檢測(cè)為網(wǎng)絡(luò)層提供信道選擇依據(jù)。它主要測(cè)量目標(biāo)信道中接收信號(hào)的功率強(qiáng)度，由于這個(gè)檢測(cè)本身不進(jìn)行解碼操作，所以檢測(cè)結(jié)果是有效信號(hào)功率和噪聲信號(hào)功率之和。鏈路質(zhì)量指示為網(wǎng)絡(luò)層或者應(yīng)用層提供接收數(shù)據(jù)幀時(shí)無線信號(hào)的強(qiáng)度和質(zhì)量的信息，與信道能量檢測(cè)不同的是，它要對(duì)信號(hào)解碼，生成的是一個(gè)信噪比指標(biāo)。這個(gè)信噪比指標(biāo)和物理層數(shù)據(jù)單元一道提交給上層處理?？臻e信道評(píng)估判斷信道是否空閑。IEEE802.15.4定義了三種空閑信道評(píng)估模式：第一種，簡(jiǎn)單判斷信道的信號(hào)能量，當(dāng)信號(hào)能量低于某一個(gè)門限值就認(rèn)為信道空閑；第二種是通過判斷無線信號(hào)的特征，這個(gè)特征主要包括兩個(gè)方面，即擴(kuò)頻信號(hào)和載波頻率；第三種模式是前兩種模式的綜合，同時(shí)檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度和信號(hào)特征，給出信道空閑判斷。,12.4.1IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn),IEEE802.15.4定義的LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)中具有兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型網(wǎng)拓?fù)浜蛯?duì)等網(wǎng)拓?fù)?。在星型網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，通信建立在設(shè)備和一個(gè)叫做PAN協(xié)調(diào)器的中心控制設(shè)備之間。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)通信來說，這些設(shè)備可以作為發(fā)起設(shè)備或者終端設(shè)備；PAN協(xié)調(diào)器則可以作為發(fā)起設(shè)備、終端設(shè)備或路由設(shè)備。PAN協(xié)調(diào)器是主要的耗能設(shè)備，其他從設(shè)備均可采用電池供電。目前星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要用在家庭自動(dòng)化，個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）外設(shè)，玩具，游戲和個(gè)人健康檢查等方面。在對(duì)等網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，也存在一個(gè)PAN協(xié)調(diào)器。它不同于星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的是網(wǎng)絡(luò)中的任何一個(gè)設(shè)備只要在它的通信范圍內(nèi)，就可以和其他設(shè)備進(jìn)行通信。對(duì)等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以形成更加復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如網(wǎng)狀網(wǎng)。對(duì)等網(wǎng)主要應(yīng)用于工業(yè)控制和檢測(cè)，無線傳感網(wǎng)絡(luò)，物資跟蹤，農(nóng)業(yè)智能化以及安全等領(lǐng)域。,12.4.1IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn),IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn),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(zhǎng)度不超過127B。它具有四種不同的幀形式，即信標(biāo)幀、數(shù)據(jù)幀、確認(rèn)幀和命令幀。1）信標(biāo)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(rèn)幀確認(rèn)幀的順利傳送。4）命令幀用來處理MAC對(duì)等實(shí)體之間的控制傳送。,12.4.1IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的定義，MAC層的完成如下六個(gè)方面的功能：協(xié)調(diào)器產(chǎn)生并發(fā)送信標(biāo)幀，普通設(shè)備根據(jù)協(xié)調(diào)器的信標(biāo)幀與協(xié)調(diào)器同步；支持PAN網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)(Association)和取消關(guān)聯(lián)(Disassociation)操作；支持無線信道通信安全；使用CSMA-CA機(jī)制共享物理信道；支持時(shí)隙保障(GuaranteedTimeSlot，GTS)與機(jī)制；為兩個(gè)對(duì)等的MAC實(shí)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(shù)優(yōu)勢(shì)如下。（1）低功耗。（2）低成本。（3）低速率。（4）近距離。（5）短時(shí)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(luò)中，有三種典型的設(shè)備類型（i）協(xié)調(diào)器（ii）路由器（iii）終端設(shè)備,12.4.2ZigBee協(xié)議規(guī)范,協(xié)調(diào)器用于初始化一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)。它是網(wǎng)絡(luò)中的第一個(gè)設(shè)備。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)選擇一個(gè)信道和一個(gè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符（也叫PANID），然后啟動(dòng)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)也可以用來在網(wǎng)絡(luò)中設(shè)定安全措施和應(yīng)用層綁定。路由器的功能有（i）允許其他設(shè)備加入到網(wǎng)絡(luò)中（ii）多跳路由（iii）協(xié)助用電池供電的終端子設(shè)備的通信。通常，路由器一直要處于工作狀態(tài)，因此需要使用干線電源供電。一個(gè)終端設(shè)備并沒有為維持網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的特定責(zé)任，所以它可以自己選擇是休眠還是激活。終端設(shè)備僅在向它們的父節(jié)點(diǎn)收或者發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)才會(huì)激活。因此，終端設(shè)備可以用電池供電來運(yùn)行很長(zhǎng)一段時(shí)間。,12.4.2ZigBee協(xié)議規(guī)范,（1）應(yīng)用支持子層APS提供了兩個(gè)接口，分別是：應(yīng)用支持子層數(shù)據(jù)實(shí)體服務(wù)訪問點(diǎn)（APSDE-SAP）和應(yīng)用支持子層管理實(shí)體服務(wù)訪問點(diǎn)（APSME-SAP）。（2）ZigBee設(shè)備對(duì)象（ZDO）的功能包括負(fù)責(zé)定義網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的角色。還包括對(duì)綁定請(qǐng)求的初始化或者響應(yīng)，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間建立安全聯(lián)系等。（3）廠商自定義的應(yīng)用對(duì)象實(shí)際上就是運(yùn)行在ZigBee協(xié)議棧上的應(yīng)用程序。,12.4.2ZigBee協(xié)議規(guī)范,基本術(shù)語關(guān)系圖,12.4.2ZigBee協(xié)議規(guī)范,ZigBee綁定操作,12.4.2ZigBee協(xié)議規(guī)范,各層幀結(jié)構(gòu)的構(gòu)成,服務(wù)原語,12.5多傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息融合,12.5.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合,數(shù)據(jù)融合技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)節(jié)能的關(guān)鍵技術(shù)，通過去除冗余的數(shù)據(jù)信息，減少網(wǎng)絡(luò)通信量，提高能源的有效性。數(shù)據(jù)融合具有如下4個(gè)顯著特點(diǎn)：（1）信息的冗余性（2）信息的互補(bǔ)性（3）信息處理的及時(shí)性（4）信息處理的低成本性,12.5.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合分類模型,根據(jù)多傳感器數(shù)據(jù)融合模型定義方法和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身特點(diǎn)，數(shù)據(jù)融合可根據(jù)節(jié)點(diǎn)處理層次、融合前后的數(shù)據(jù)信息量、信息抽象層次的不同而劃分為不同的形式。,12.5.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合分類模型,