无线传感器网络课件-第四章

1第4章传感器网络的支撑技术2传感器网络用户的使用目的千变万化，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。为实现用户的功能，除要设计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。3•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。44.1时间同步机制4.1.1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。5传感器网络时间同步的意义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。6传感器网络时间同步的意义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，时间同步机制是分布式系统基础框架的一个关键机制。7分布式系统中的时间同步分类：“物理时间”和“逻辑时间”物理时间：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。8传感器网络时间同步机制的意义和作用传感器节点需要彼此协作，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。9传感器网络时间同步机制的意义和作用传感器网络的一些节能方案是利用时间同步来实现的。如休眠/唤醒机制，同步机制为本地时钟提供相同的时钟基准。10应用中的同步机制枪声定位系统112、时间同步协议的特点结点造价低，体积小，不安装同步器件，价格和体积是传感器网络时间同步主要限制条件。结点无人值守，有限能量，侦听通信会消耗能量，运行同步协议需考虑消耗的能量。现有网络的时间同步机制关注于最小化同步误差来达到最大的同步精度方面，很少考虑计算和通信的开销及能量消耗。12网络时间协议(NTP)广泛使用在因特网，精度高、鲁棒性好和易扩展，传感器网络中难以运行，原因如下：(1)NTP协议假定网络链路失效的概率很小，而传感器网络中无线链路通信质量受环境影响较大，甚至时常通信中断。(2)NTP协议的网络结构相对稳定，便于为不同位置的结点手工配置时间服务器列表，传感器网络的拓扑结构动态变化，简单的静态手工配置无法适应这种变化。13(3)NTP协议中时间基准服务器间的同步无法通过网络自身来实现，需其他基础设施的协助，如GPS等，传感器网络的应用中无法满足。(4)NTP协议需频繁交换信息，来不断校准时钟频率偏差带来的误差，通过复杂的修正算法，消除时间同步消息在传输和处理过程中的非确定因素干扰，CPU使用、信道侦听和占用都不受任何约束，而传感器网络存在资源约束，必须考虑能量消耗。14GPS能以纳秒级精度保持同步，但代价较高，同时在室内、森林或水下等有障碍的环境中无法使用。传感器网络在能量、价格和体积等约束，使得NTP、GPS等现有时间同步机制并不适用于通常的传感器网络，需要专门的时间同步协议才能正常运行和实用化。15较成熟的传感器网络时间同步协议RBS、TINY/MINI-SYNC、TPSN。RBS同步协议的基本思想：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。该算法消除了同步信号发送一方的时间不确定性。优点：时间同步与MAC层协议分离，实现不受限于应用层是否可以获得MAC层时戳，协议的互操作性较好。缺点：协议开销大。16Tiny／Mini-Sync简单的轻量级时间同步机制，算法假设结点的时钟漂移遵循线性变化，两个结点之间的时间偏移也是线性的；通过交换时标分组来估计两个结点间的最优匹配偏移量；为降低算法的复杂度，通过约束条件丢弃冗余分组。17TPSN时间同步协议采用层次结构，实现网络结点的时间同步；所有结点按照层次结构进行逻辑分级，表示结点到根结点的距离；通过基于发送者—接收者的结点对方式，每个结点与上一级的一个结点进行同步，从而最终所有结点都与根结点实现时间同步。184.1.2TPSN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。19TPSN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。201、TPSN协议的操作过程前提条件：•假设每个传感器结点都有唯一的标识号ID；•结点间的无线通信链路是双向的，通过双向的消息交换实现结点间的时间同步；•将整个网络内所有结点按照层次结构进行管理，负责生成和维护层次结构。211、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。22（1）层次发现阶段网络部署后，根结点广播“级别发现”分组，启动层次发现阶段，级别发现分组包含发送结点的ID和级别；根结点的邻居结点收到根结点发送的分组后，将自己的级别设置为分组中的级别加1，即为第1级，建立它们自己的级别，然后广播新的级别发现分组，其中包含的级别为1；23（1）层次发现阶段结点收到第i级结点的广播分组后，记录发送这个广播分组的结点ID，设置向身级别为(i+1)，广播级别设置为(i+1)的分组；过程持续进行，直到网络内的每个结点都赋予一个级别；结点一旦建立自己的级别，就忽略任何其他级别的发现分组，以防止网络产生洪泛拥塞。24（2）同步阶段层次结构建立后，根结点通过广播时间同步分组启动同步阶段；第1级结点收到该分组后，各分别等待一段随机时间，与根结点交换消息同步到根结点；第2级结点侦听到第1级结点的交换消息后，后退和等待一段随机时间，并与在层次发现阶段记录的第1个级别的结点交换消息进行同步；25（2）同步阶段等待一段时间的目的是保证第2级结点在第1级结点时间同步完成后才启动消息交换；最后每个结点与层次结构中最靠近的上一级结点进行同步，从而所有结点都同步到根结点。262、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。DddT1T1,T2,T3T2T3RStRtS0T1T4SYNC_PKTACK_PKT27假设条件：结点S属第i级结点，R属于第(i-1)级结点；T1和T4：S本地时钟在不同时刻测量的时间；T2和T3：R本地时钟在不同时刻测量的时间；△：两个结点之间的时间偏差；D：消息的传播时延，假设往返延迟相同。28S在T1时间发送同步请求分组给节点R，分组中包含S的级别和T1时间。R在T2时间收到分组，，然后在T3时间发送应答分组给节点S，分组中包含节点R的级别和T1、T2和T3信息。节点S在T4时间收到应答，43()TTd21()TTd29节点S在计算时间偏差之后，将它的时间同步到节点R。2143()()2TTTT2143()()2TTTTd可得：30在发送时间、访问时间、传播时间和接收时间四个消息延迟组成部分中，访问时间往往是无线传输消息时延中最具不确定性的因素；为提高两个结点间的时间同步精度，TPSN协议在MAC层消息开始发送到无线信道的时刻，才给同步消息加上时标，消除访问时间带来的时间同步误差。31TPSN协议能够实现全网范围内结点间的时间同步，同步误差与跳数距离成正比增长；它实现短期间的全网结点时间同步，如果需要长时间的全网结点时间同步，则需要周期性执行TPSN协议进行重同步，两次时间同步的时间间隔根据具体应用确定。324.1.3时间同步的应用示例这里介绍一个例子，说明磁阻传感器网络对机动车辆进行测速，为了实现这个用途，网络必须先完成时间同步。由于对机动车辆的测速需要两个探测传感器节点的协同合作，测速算法提取车辆经过每个节点的磁感应信号的脉冲峰值，并记录时间。如果将两个节点之间的距离d除以两个峰值之间的时差Δt，就可以得出机动目标通过这一路段的速度(Vel):dVelt334.2定位技术4.2.1传感器网络节点定位问题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。34自组织网络定位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。35节点自身定位是网络自身属性的确定过程，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。36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。37传感器网络的定位方法分类：(1)根据是否依靠测量距离，分为基于测距的定位和不需要测距的定位；(2)根据部署的场合不同，分为室内定位和室外定位；(3)根据信息收集的方式，网络收集传感器数据称为被动定位，节点主动发出信息，用于定位称为主动定位。382、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。39(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：节点可探测发现的邻居节点个数。网络连接度：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。40(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)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。41(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，称为信号到达时间。(8)到达时间差(TDoA)：两种不同传播速度的信号从一个节点传播到另一个节点所需要的时间之差，称为信号的到达时间差。42(9)接收信号强度指示(RSSI)：节点接收到无线信号的强度大小，称为接收信号的强度指示。(10)到达角度(AngleofArrival,AoA)：节点接收到的信号相对于自身轴线的角度，称为信号相对接收节点的到达角度。43(11)视线关系(LineofSight,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。(12)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。443、定位性能的评价指标衡量定位性能有多个指标，除了一般性的位置精度指标以外；对于资源受到限制的传感器网络，还有覆盖范围、刷新速度和功耗等其它指标。45位置精度是定位系统最重要的指标，精度越高，则技术要求越严，成本也越高。定位精度指提供的位置信息的精确程度，它分为相对精度和绝对精度。绝对精度：以长度为单位度量的精度。相对精度：以节点之间距离的百分比。46设节点i的估计坐标与真实坐标在二维情况下的距离差值为Δdi，则N个未知位置节点的网络平均定位误差为：11NiidN47覆盖范