《无线传感器网络简明教程-第四章 传感器网络的支撑技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《无线传感器网络简明教程-第四章 传感器网络的支撑技术（82页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第4章,传感器网络的支撑技术,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，除了要设计第3章介绍的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。,4.1 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。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
2、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
3、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。T
4、PSN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。,4.1.2 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
5、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（i1）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（i1）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时间发送同步请求分组给节点R，分组中包含S的级别和T1时间。节点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， 因此可以推导出右面算式：节
6、点S在计算时间偏差之后，将它的时间同步到节点R。,4.1.3 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t，就可以得出机动目标通过这一路段的速度(Vel):,4.2 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
7、提供节点的位置信息。这种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。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。,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。,根据不同的依据，无线传感
8、器网络的定位方法可以进行如下分类：(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。,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
9、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) 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) 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。(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(Angle of Arrival, Ao
10、A)：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。(11) 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。(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。,3、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。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。绝对精度指以
11、长度为单位度量的精度。相对精度通常以节点之间距离的百分比来定义。,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di，则N个未知位置节点的网络平均定位误差为：,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。功耗作为传感器网络设计的一项重要指标，对于定位这项服务功能，人们需要计算为此所消耗的能量。定位实时性更多的是体现在对动态目标的位置跟踪。,4、定位系统的设计要点,在设计定位系统的时候，要根据预定的性能指标，在众多方案之中选择能够满足要求的最优算法，采取最适宜的技术手段来完成定位系统的实现。通常设计一个定位系统需要考虑两个主要因素，即定位机制的物理特性和定位算法。
12、,4.2.2 基于测距的定位技术,基于测距的定位技术是通过测量节点之间的距离，根据几何关系计算出网络节点的位置。解析几何里有多种方法可以确定一个点的位置。比较常用的方法是多边定位和角度定位。,1、测距方法,(1)接收信号强度指示(RSSI),RSSI测距的原理如下：接收机通过测量射频信号的能量来确定与发送机的距离。将无线信号的发射功率和接收功率之间的关系表述为下式所示，其中PR是无线信号的接收功率，PT是无线信号的发射功率，r是收发单元之间的距离，n传播因子，传播因子的数值大小取决于无线信号传播的环境。,无线信号接收强度指示与信号传播距离之间的关系,(2)到达时间/到达时间差(ToA/TDoA
13、),这类方法通过测量传输时间来估算两节点之间距离，精度较好。ToA机制是已知信号的传播速度，根据信号的传播时间来计算节点间的距离。,ToA测距原理的过程示例,在基于TDoA的定位机制中，发射节点同时发射两种不同传播速度的无线信号，接收节点根据两种信号到达的时间差以及这两种信号的传播速度，计算两个节点之间的距离。发射节点同时发射无线射频信号和超声波信号，接收节点记录下这两种信号的到达时间T1、T2，已知无线射频信号和超声波的传播速度为c1、c2, 那么两点之间的距离为(T2-T1)*S，其中S=c1*c2/(c1-c2)。,(3)到达角(AoA),该方法通过配备特殊天线来估测其它节点发射的无线信
14、号的到达角度。AoA测距技术易受外界环境影响，且需要额外硬件，它的硬件尺寸和功耗指标不适用于大规模的传感器网络，在某些应用领域可以发挥作用。,2、多边定位,多边定位法基于距离测量(如RSSI、ToA/TDoA)的结果。确定二维坐标至少具有三个节点至锚点的距离值；确定三维坐标，则需四个此类测距值。假设已知信标锚点A1，A2，A3，A4，的坐标依次分别为（x1，y1），（x2，y2），（x3，y3），（x4，y4），即各锚点位置为 。如果待定位节点的坐标为（x, y），并且已知它至各锚点的测距数值为 ，可得如下图，其中(x，y)为待求的未知坐标。,将第前n-1个等式减去最后等式：,用矩阵和向量表达
15、为形式Ax=b，其中：,根据最小均方估计（Minimum Mean Square Error, MMSE）的方法原理，可以求得解为： ，当矩阵求逆不能计算时，这种方法不适用，否则可成功得到位置估计 。从上述过程可以看出，这种定位方法本质上就是最小二乘估计。,3、Min-max定位方法,多边定位法的浮点运算量大，计算代价高。Min-max定位是根据若干锚点位置和至待求节点的测距值，创建多个边界框，所有边界框的交集为一矩形，取此矩形的质心作为待定位节点的坐标。,采用三个锚点进行定位的Minmax方法示例，即以某锚点i (i=1, 2, 3) 坐标( )为基础，加上或减去测距值 ，得到锚点i的边界框
16、：,在所有位置点 中取最小值、所有 中取最大值，则交集矩形取作： 三个锚点共同形成交叉矩形，矩形质心即为所求节点的估计位置。,4.2.3 无需测距的定位技术,无需测距的定位技术不需要直接测量距离和角度信息。,1、质心算法,在计算几何学里多边形的几何中心称为质心，多边形顶点坐标的平均值就是质心节点的坐标。假设多边形定点位置的坐标向量表示为pi= (xi，yi)T，则这个多边形的质心坐标 为：,例如，如果四边形 ABCD 的顶点坐标分别为 ， ， ， 则它的质心坐标计算如下：,这种方法的计算与实现都非常简单，根据网络的连通性确定出目标节点周围的信标参考节点，直接求解信标参考节点构成的多边形的质心。,2、DV-Hop算法,DV-Hop算法解决了低锚点密度引发的问题，它根据距离矢量路由协议的原理在全网范围内广播跳数和位置。已知锚点L1与L2、L3之间的距离和跳数。L2计算得到校正值（即平均每跳距离）为（40+75）/（2+5）=16.42m。假设传感器网络中的待定位节点A从L2获得校正值，则它与3个锚点之间的距离分别是L1=316.42，L2=216.42，L3=316.42，然后使用多边测量法确定节点 的位置。,
