无线传感器网络 第四章

∆t
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， 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。 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。 组织的网络通过特定方法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。 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。 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。 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， 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。 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。 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。
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， 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， 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 传感 信号。为了实现用户的功能，除了要设计第3 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， 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， 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 时间同步机制、定位技术、数据融合、能量管理和安全机制等 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。
TPSN时间同步协议 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， 传感器网络TPSN时间同步协议类似于传统网络的NTP协议，目 TPSN时间同步协议类似于传统网络的NTP协议 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 的是提供传感器网络全网范围内节点间的时间同步。 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。 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， 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 GPS接收机这样的复杂硬件部件 络系统的时钟源。 络系统的时钟源。 TPSN协议采用层次型网络结构， TPSN协议采用层次型网络结构，首先将所有节点按照层次结 协议采用层次型网络结构 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， 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。 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。 于发送者-接收者的同步机制。
在分布式系统中，时间同步涉及“物理时间” 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。 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； 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 逻辑时间”体现了事件发生的顺序关系， 概念。 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。 时间。全局时间根据需要可以是物理时间或逻辑时间。
位置信息有多种分类方法。位置信息有物理位置 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。 符号位置两大类。 两大类 物理位置指目标在特定坐标系下的位置数值， 物理位置指目标在特定坐标系下的位置数值，表 指目标在特定坐标系下的位置数值 示目标的相对或者绝对位置。 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 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， 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。 目标大致的所在范围。
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。 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， 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， 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。 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， 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， 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。 同步机制是分布式系统基础框架的一个关键机制。
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。 时间同步。
边节点S 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 分组给节点R，分组中包含S的级别 时间。节点R 和T1时间。节点R在T2时间收到分 组， 2 = (T +d +∆) ，然后在T3时间 然后在T T 1 发送应答分组给节点S 发送应答分组给节点S，分组中包含 节点R的级别和T 信息。 节点R的级别和T1、T2和T3信息。 节点S 时间收到应答， 节点S在T4时间收到应答，
这里介绍一个例子， 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， 传感器网络对机动车辆进行测速， 为了实现这个用途， 为了实现这个用途，网络必须先完 成时间同步。 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， 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， 节点的磁感应信号的脉冲峰值，并 记录时间。 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): Vel = d
目前已有几种成熟的传感器网络时间同步协议，其中RBS、 目前已有几种成熟的传感器网络时间同步协议，其中RBS、 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 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。 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， 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 同步协议的基本思想是多个节点接收同一个同步信号 多个收到同步信号的节点之间进行同步。 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。 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。 Tiny/Mini-Sync是两种简单的轻量级时间同步机制。 是两种简单的轻量级时间同步机制 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。 时间同步协议采用层次结构
到达角度(Angle AoA)： (10) 到达角度(Angle of Arrival, AoA)：节点接收 到的信号相对于自身轴线的角度， 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。 点的到达角度。 (11) 视线关系(Line of Sight, LoS)：如果传感器 视线关系(Line LoS)： 网络的两个节点之间没有障碍物，能够实现直接通信， 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。 则这两个节点间存在视线关系。 非视线关系： (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。 障碍物，影响了它们直接的无线通信。
根据不同的依据， 根据不同的依据，无线传感器网络的定位方法 可以进行如下分类： 可以进行如下分类： 根据是否依靠测量距离 是否依靠测量距离， (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； 位和不需要测距的定位； 根据部署的场合不同 部署的场合不同， (2) 根据部署的场合不同，分为室内定位和室外 定位； 定位； 信息收集的方式， 根据信息收集的方式 (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， 称为被动定位，节点主动发出信息，用于定位称为 主动定位。 主动定位。
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： 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 首先，传感器节点通常需要彼此协作， 监测和感知任务。数据融合是协作操作的典型例子， 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。 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， 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。 实现的。
2、基本术语
锚点：指通过其它方式预先获得位置坐标的节点， (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。 称作信标节点。网络中相应的其余节点称为非锚点。 测距： (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。 之间的距离或角度。 连接度：包括节点连接度和网络连接度两种含义。 (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。 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，它反映了传感器配置的密集程度。 是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。 邻居节点：传感器节点通信半径范围以内的所有其它节点， (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。 称为该节点的邻居节点。