无线传感器网络简明教程(第2版)-第4章

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1、无线传感器网络简明教程（第2版）崔逊学左从菊编著第4章传感器网络的支撑技术传感探测感知传感器网络终端节点应用层的基础性技术是支撑传感器网络完成任务的关键：时间同步机制定位技术数据融合能量管理安全机制本章内容4.1时间同步机制4.1.1传感器网络的时间同步机制4.1.2TPSN时间同步协议4.1.3时间同步的应用示例4.2定位技术4.2.1传感器网络结点定位问题4.2.2基于测距的定位技术4.2.3无需测距的定位技术4.2.4定位系统的典型应用4.3数据融合4.3.1多传感器数据融合概述本章内容4.3.2传感器网络中数据融合的作用4.3.3数据融合技术的分类4.3.4数据融合的主要方法4.3.5

2、传感器网络应用层的数据融合示例4.4能量管理4.4.1能量管理的意义4.4.2传感器网络的电源节能方法4.5安全机制4.5.1传感器网络的安全问题4.5.2传感器网络的安全设计问题4.5.3传感器网络安全框架协议：SPINS4.5.4SPINS协议的实现问题与系统性能4.1时间同步机制1、传感器网络时间同步的意义时间同步机制是分布式系统基础框架的一个关键机制。4.1.1传感器网络的时间同步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。4.1.1传感器网络的时间同步机制“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。1

3、、TPSN协议的操作过程TPSN协议包括两个阶段：4.1.2TPSN时间同步协议第一个阶段生成层次结构第二个阶段实现所有树节点的时间同步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。4.1.2TPSN时间同步协议边节点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：节点S在计算时间偏差之后，将它的时间同步到节点R。4.1.2TPSN时间同步协议这里介绍一个例子，说明磁阻传感器网络对机

4、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):4.1.3时间同步的应用示例4.2定位技术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。4.2.1传感器网络节点定位问题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位置信息符号位置指

5、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位置信息的分类4.2.1传感器网络节点定位问题2、基本术语4.2.1传感器网络节点定位问题非视线关系测距锚点邻居节点连接度到达时间基础设施跳数到达角度视线关系到达时间差接收信号强度指示3、定位性能的评价指标4.2.1传感器网络节点定位问题定位性能功耗覆盖范围刷新速度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。4.2.1传感

6、器网络节点定位问题1、测距方法(1)接收信号强度指示(RSSI)4.2.2基于测距的定位技术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)ToA测距原理的过程示例4.2.2基于测距的定位技术(3)到达角(AoA)4.2.2基于测距的定位技术ToA测距原理的过程示例假设已知信标锚点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。4.2.2基于测距的定位技术2、多边定位

7、将第前n-1个等式减去最后等式：用矩阵和向量表达为形式Ax=b，其中：4.2.2基于测距的定位技术根据最小均方估计（MinimumMeanSquareError,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。4.2.2基于测距的定位技术多边定位法的浮点运算量大，计算代价高。Min-max定