无线传感器网络定位跟踪与时间同步技术.

课程目录无线传感器网络定位技术12无线传感器网络跟踪技术无线传感器网络时间同步技术3无线传感器网络的发展与安全趋势11无线传感器网络定位技术21无线传感器网络定位技术31无线传感器网络定位技术41无线传感器网络定位技术51无线传感器网络定位技术51无线传感器网络定位技术51无线传感器网络定位技术课程目录无线传感器网络定位技术12无线传感器网络跟踪技术无线传感器网络时间同步技术3无线传感器网络的发展与安全趋势课程目录无线传感器网络测距技术1.11.2无线传感器网络定位机制与性能评价标准现有无线传感器网络定位方法1.3无线传感器网络定位技术111.1无线传感器网络测距技术24.1.1无线传感器网络测距技术31.1无线传感器网络测距技术41.1无线传感器网络测距技术51.1无线传感器网络测距技术61.1无线传感器网络测距技术71.1无线传感器网络测距技术课程目录无线传感器网络定位技术12无线传感器网络跟踪技术无线传感器网络时间同步技术3无线传感器网络的发展与安全趋势课程目录无线传感器网络测距技术1.11.2无线传感器网络定位机制与性能评价标准现有无线传感器网络定位方法1.3无线传感器网络定位技术111.2无线传感器网络定位机制与性能评价标准21.2无线传感器网络定位机制与性能评价标准31.2无线传感器网络定位机制与性能评价标准41.2无线传感器网络定位机制与性能评价标准51.2无线传感器网络定位机制与性能评价标准61.2无线传感器网络定位机制与性能评价标准71.2无线传感器网络定位机制与性能评价标准81.2无线传感器网络定位机制与性能评价标准91.2无线传感器网络定位机制与性能评价标准101.2无线传感器网络定位机制与性能评价标准111.2无线传感器网络定位机制与性能评价标准121.2无线传感器网络定位机制与性能评价标准131.2无线传感器网络定位机制与性能评价标准课程目录无线传感器网络定位技术12无线传感器网络跟踪技术无线传感器网络时间同步技术3无线传感器网络的发展与安全趋势课程目录无线传感器网络测距技术1.11.2无线传感器网络定位机制与性能评价标准现有无线传感器网络定位方法1.3无线传感器网络定位技术111.3现有无线传感器网络定位方法21.3现有无线传感器网络定位方法31.3现有无线传感器网络定位方法41.3现有无线传感器网络定位方法51.3现有无线传感器网络定位方法61.3现有无线传感器网络定位方法71.3现有无线传感器网络定位方法81.3现有无线传感器网络定位方法91.3现有无线传感器网络定位方法101.3现有无线传感器网络定位方法111.3现有无线传感器网络定位方法121.3现有无线传感器网络定位方法131.3现有无线传感器网络定位方法141.3现有无线传感器网络定位方法151.3现有无线传感器网络定位方法161.3现有无线传感器网络定位方法171.3现有无线传感器网络定位方法181.3现有无线传感器网络定位方法191.3现有无线传感器网络定位方法201.3现有无线传感器网络定位方法211.3现有无线传感器网络定位方法211.3现有无线传感器网络定位方法211.3现有无线传感器网络定位方法课程目录无线传感器网络定位技术12无线传感器网络跟踪技术无线传感器网络时间同步技术3无线传感器网络的发展与安全趋势课程目录无线传感器网络跟踪技术概述2.12.2无线传感器网络目标跟踪的基本过程无线传感器网络跟踪技术212.1无线传感器网络跟踪技术概述22.1无线传感器网络跟踪技术概述课程目录无线传感器网络定位技术12无线传感器网络跟踪技术无线传感器网络时间同步技术3无线传感器网络的发展与安全趋势课程目录无线传感器网络跟踪技术概述2.12.2无线传感器网络目标跟踪的基本过程无线传感器网络跟踪技术212.2无线传感器网络目标跟踪的基本过程22.2无线传感器网络目标跟踪的基本过程32.2无线传感器网络目标跟踪的基本过程42.2无线传感器网络目标跟踪的基本过程52.2无线传感器网络目标跟踪的基本过程课程目录无线传感器网络定位技术12无线传感器网络跟踪技术无线传感器网络时间同步技术3课程目录时间同步模型3.13.2时间同步协议无线传感器网络时间同步技术33.1时间同步模型1．时钟模型2．通信模型3．时钟同步的误差来源3.1时间同步模型-时钟模型节点的本地时钟依靠对自身晶振中断计数实现。节点之间本地时钟不同步的原因：晶振的频率误差初始计时时刻不同如何构造对应的逻辑时钟以达成同步？估算出本地时钟与物理时钟的关系，或估算出本地时钟之间的关系3.1时间同步模型-时钟模型同步精度问题目前的逻辑时钟同步算法，同步精度已达到1s，可以满足传感器网络中绝大部分应用的需求。纳秒级精度？-采用锁相环等硬件实现物理时钟同步。3.1时间同步模型-时钟模型（1）节点本地时钟模型在计算机系统中，时钟通常用晶体振荡器脉冲来度量:对理想的时钟，其变化速率r(t)为：即理想时钟的变化速率为1。晶振频率在短时间内相对稳定，则有：tttcdktc0)()()(01)()(dttdctriibttatc)()(03.1时间同步模型-时钟模型构造理想时钟比较困难在工程实践中，因为温度、压力、电源电压等外界环境的变化，往往会导致晶振频率产生波动。在一般情况下，晶振频率的波动幅度并非是任意的，而是局限在一定的范围之内。3.1时间同步模型-时钟模型3种时钟模型:a、速率恒定模型假定时钟速率恒定，即晶振频率没有波动发生。当要求的时钟精度远低于频率波动导致的偏差时，该模型的假定应该是合理的。ttctrd)(d)(3.1时间同步模型-时钟模型3种时钟模型:b、漂移有界模型定义时钟速率r(t)相对于理想速率1的偏差为时钟漂移(drift)，即。约束条件：漂移有界模型在工程实践中非常有用，常用来确定时钟的精度或误差的上下界。1)()(trt)(ttt,)(maxmax1)(t3.1时间同步模型-时钟模型3种时钟模型:c、漂移变化有界模型假定时钟漂移的变化是有界的，即时钟漂移的变化主要是温度和电源电压等因素发生变化所引起的，一般变化速率相对缓慢，可以通过适当的补偿算法加以修正。dttdpt/)()(tt,)(maxmax3.1时间同步模型-时钟模型（2）节点逻辑时钟模型任一节点i在物理时刻t的逻辑时钟读数可表示为：c(t)为当前本地时钟读数，lai为频率修正系数，lbi为初相位修正系数。采用逻辑时钟的目的:对本地时钟进行一定的换算以达成同步。iilbtclatLc)()(3.1时间同步模型-时钟模型（2）节点逻辑时钟模型为了同步任意两个节点i和j，构造逻辑时钟有两种途径：根据本地时钟与物理时钟等全局事件基准的关系进行变换;根据两个节点本地时钟的关系进行对应换算。两种方法都估计了频率修正系数和初相位修正系数，精度较高。对于低精度类应用，还可以简单地根据本地时钟和物理时钟的差值以及本地时钟两两之间的差值进行修正。3.1时间同步模型1．时钟模型2．通信模型3．时钟同步的误差来源3.1时间同步模型-通信模型节点时间校正技术是无线传感器网络时间同步的核心和基础。目前主要的时间校正技术：单向报文传递双向报文交换广播参考报文参数拟合技术3.1时间同步模型-通信模型单向报文传递报文传递时延d节点i和节点j之间的时间偏差公式为这种时间校正技术的精度最低，因为它假设报文传递过程中只有传播延时，忽略了无线信道的许多不确定因素的影响。2/(min)maxddTTdTTiajbiajb2/(min)maxddd3.1时间同步模型-通信模型双向报文交换节点i、j之间的时间偏差为假设上行报文和下行报文的时间延迟相等，即dTTjaib2/DTTjaib3.1时间同步模型-通信模型双向报文交换节点j收到同步报文后，不可能立即回复。dTTiaja2jbibiajaTTTTdTTjbib3.1时间同步模型-通信模型双向报文交换的特点是应用很广泛的一种时间校正技术精度比较高网络负载比较大耗能较高需要周期性地执行同步过程3.1时间同步模型-通信模型广播参考报文广播参考报文的方法只能使节点间的时钟保持相对同步。3.1时间同步模型-通信模型参数拟合技术参数拟合技术可以同时计算出节点时钟之间的频率偏移和相位偏移。假设两时钟的时间之间满足式和分别是两个时钟时间之间的相对频率偏移和相位偏移。采用上述3种方法测量节点间时间偏差，在测量得到多组数据样本后，就可以利用参数拟合技术计算时间的频偏和相偏。参数拟合技术有线性回归、锁相环两种实现方法。ijTT3.1时间同步模型1．时钟模型2．通信模型3．时钟同步的误差来源时钟同步的误差来源构造逻辑时钟的关键：正确地估算本地时钟与物理时钟或本地时钟之间的频率偏差和相位偏差。影响同步精度的关键因素：节点通过交互同步信令估算相应的参数，然而同步信令在网络上传输会产生不确定的时延，该时延的不确定性是影响同步精度的关键因素。时钟同步的误差来源影响同步精度的关键因素：正确估计同步信息的时延对提高同步精度意义重大，同步信息的时延包括以下几部分：协议发送时延接入时延发送时延传播时延接收时延接收处理时延课程目录时间同步模型3.13.2时间同步协议无线传感器网络时间同步技术3时间同步协议时间同步的类别时间同步一般理解为使许多节点的时钟显示相同的时间，实际上有很多种不同类型的同步。在为给定的应用选择同步算法时，要在最大程度满足应用的同时尽可能将计算、存储，尤其是能量开销降到最低。时间同步协议（1）时钟速率同步与偏移同步速率同步是指各个传感器节点测量所得的时间间隔相等在目标跟踪、定位等应用中，节点时钟速率同步是最低的同步要求。时间同步协议（1）时钟速率同步与偏移同步偏移同步是指传感器节点在当前时刻t的时钟时间显示相等，即在时刻t传感器节点的时钟读出时间同为T，而不管时钟速率是否同步，如下式所示：偏移同步对传感器网络中不同节点间的时戳结合是必须的。时间同步协议（2）同步期限：长期同步与按需同步时间同步的同步期限是指同步要保持的时间长短。在长期同步的情况下，维持同步的代价是很大的，随着时间的推移，节点间误差逐渐增加，可能还需要周期性地再同步。按需同步是指传感器节点的时间在相关事件发生前后进行同步，它不需要大量的维护同步的通信开销，节省了通信带宽和节点能量。对一些传感器网络的应用，按需同步效率更高。时间同步协议（3）同步范围：全网同步与局部同步同步范围：定义网络中哪些节点式需要同步的。在有些情况下，范围可能纯粹是地理上的距离。而在其他情况下，逻辑距离更有用，如网络中的跳数。根据不同的应用，范围可能是网络中所有节点或者部分节点。时间同步协议（4）内同步和外同步时间同步简单的意思就是得到正确的时间，一般这个正确时间就是协调世界时(UTC，UniversalTimeCoordinated)。然而，一些应用只需要记录事件发生的先后顺序以及时间间隔，并不需要事件发生的绝对时间。这种情况下，只需要内同步（相对同步），网络必须内部一致，不需要它们与外界标准时间保持一致性。另一类应用要求外同步（绝对同步），即每个节点都要与外部时间标度（如UTC）保持同步。通常的环境监控或者需要数据存档的应用中，比较需要外同步，而且要求的同步期限比较长。时间同步协议（4）发送者－接收者同步与接收者－接收者同步在进行发送者－接收者同步时，发送者在报文中嵌入报文发送时间，而接收者在接收到报文后记录下接收时间，并利用这些时间信息计算出收发双方的时钟偏移，进而达到收发双方的时间同步。接收者－接收者同步时，发送者发送一个同步报文到多个接收者，这些接收者通过对同一个报文时间的比较，计算出它们之间的时钟偏移，