第四章 无线传感器网络的支撑技术

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1、第4章无线传感器网络的支撑技术1第4章无线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。24.1 时间同步机制4.1.1 时间同步的意义和特点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。时间同步机制是分

2、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。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。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。32．传感器网络时间同步协议的特点网络时间协议(NTP)在因特网得到广泛使用，具有精度高、鲁棒性好和易扩展等优点。但是它依赖的条件在传感器网络中难以满足，因而不能直接移植运行，主要是由于以

3、下原因：(1)NTP协议应用在已有的有线网络中，它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，而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。42．传感器网络时间同步协议的特点(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，需要其他基础设施的协助。(4)NTP协议需要通过频繁交换信息，来不断校准时钟频率偏差带来的误差，并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

4、、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。因此，由于传感器网络的特点，在能量、价格和体积等方面的约束，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。54.1.2  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。TPSN协议采用层次型网络结构。1、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

5、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。62、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。72、相邻级别节点间的同步机制边节点S在T时间发送同步请求分1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()TTTT21()43组，，TTd21()然后在T3时间发送2应答分组给节点S，分组中包含节点R的级别和T、T和T信息。123节点S在T时间收到应答，4()T

6、TTT()d2143TTd()432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。84.1.3  时间同步的应用示例例子：磁阻传感器网络对机动车辆进行测速，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):dVelt94.2 定位技术4.2.1 传感器网络节点定位问题1、定位的含义自组织的网络通过特定方法提供节点的位置信息

7、。这种自组织网络定位分为节点自身定位和目标定位。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。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，提供目标大致所在的范围。10定位系统的典型应用定位技术的用途大体可分为导航、跟踪、虚拟现实、网络路由等。导航是定位最基本的应用，在军事上具有重要用途。除了导航以外，定位技术还有很多应用。例如，办公场所的物品

8、、人员跟踪需要室内的精度