无线传感器网络-第4章-传感器网络的支撑技术.ppt

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1、第4章传感器网络的支撑技术1传感器网络的支撑技术主要包括：时间同步机制定位技术数据融合能量管理安全机制第4章传感器网络的支撑技术24.1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，以及温度、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。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：（1）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

2、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。（2）传感器网络的一些节能方案是利用时间同步来实现的。3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。4.1.1传感器网络的时间同步机制4时钟同步模型节点本地时钟通常用晶体振荡器脉冲来度量本地时钟＝f(速率，初始相位)因温

3、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，因此，构造理想时钟比较困难。4.1.1传感器网络的时间同步机制53种时钟模型:速率恒定模型假定时钟速率是恒定的，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。漂移有界模型该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。漂移变化有界模型该模型假定时钟漂移的变化是有界的,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。

4、4.1.1传感器网络的时间同步机制6通信模型节点时间校正技术是WSN时间同步的核心和基础。目前主要的时间校正技术有单向报文传递、双向报文交换、广播参考报文等技术。单向报文传递如果知道d的上界和下界，则d=(dmax+dmin)/2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。4.1.1传感器网络的时间同步机制d7双向报文交换设报文的往返时间为D=Tib-Tia，报文的传递时延d在0～D之间。如果知道d的上界dmax和下界dmin，节点j可以确定d

5、在D–dmax到D-dmin之间。双向报文交换是应用很广泛的一种时间校正技术，精度比较高。但是网络负载比较大，耗能较高，而且需要周期性地执行同步过程。4.1.1传感器网络的时间同步机制8广播参考报文利用第三个节点k作为参考节点，发送时间同步参考广播报文给相邻的节点i和节点j。假设这个参考广播报文到达节点i和节点j的时间延迟相等Tia=Tja。节点j收到参考广播报文后，立即发送包含有Tja信息的报文给节点i，于是节点i就可以计算收到两条报文的时间间隔D为Tib–Tia。广播参考报文的方法只能使节点间的时钟

6、保持相对同步。4.1.1传感器网络的时间同步机制9时钟同步的误差来源同步信息的时延包括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4.1.1传感器网络的时间同步机制102、传感器网络时间同步协议的特点价格限制，无法使用高精度本地振荡器能量有限，同步时通信开销不能太大不能照搬有线网络上成熟的NTP时间同步协议，原因是：WSN链路通信质量难以保证，WSN网络拓扑结构不稳定没有相应的基础设施支持WSN的时间同步协议不能消耗过多的能量和占用较多的带宽4.1.1传感器网络的时间同步机制11目前已有几种

7、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参考广播同步机制接收者－接收者同步机制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-Sync和Mini-Sync是两种简单的时间同步机制。TPSN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。TPSN协议发送者－接收者同步机制。4.1.1传感器网

8、络的时间同步机制124.1.2TPSN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。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。