第四章 传感器网络的支撑技术
课件--4.2无线传感网络支撑技术
⑤ 容错性和自适应性。定位系统和算法都需要比较理想的无线通信环境和可靠的网络节点设备。而真 实环境往往比较复杂，会出现节点失效或节点硬件受精度限制而造成距离或角度测量误差过大等 问题，因此，定位系统和算法必须有很强的容错性和自适应性，对无线传感器网络进行故障管理， 减小各种误差的影响。
《物联网技术》
定位技术
（3）基于测距的定位技术
不基于测距的技术虽然精度较低，但是对大多数应用已经足够，因为其拥有造价低、低功耗的 显著优势，所以在WSN中备受关注。
② 基于锚节点的定位技术和无锚节点的定位技术 基于锚节点的定位技术在定位过程中，以锚节点作为参考点，各节点定位后产生整体的绝对坐
标系统。无锚节点的定位技术只关心节点间的相对位置，在定位过程中各节点先以自身作为 参考点，将邻近的节点纳入自己定义的坐标系中，相邻的坐标系统依次转换合并，最后产生 整体相对坐标系统。 ③ 粗粒度定位技术和细粒度定位技术根据计算所需信息的力度划分。 细粒度定位计算所需的信息包括信号强度、时间等，而基于跳数和与锚节点的接近度来度量的， 则是粗粒度定位。
《物联网技术》
定位技术
（2） 定位性能评价标准
无线传感器网络定位性能的评价标准主要有定位精度、覆盖范围、锚节点密度、网络的容错性和鲁 棒性以及功耗位置精度指标以外，还有刷新速度、功耗和定位实时性等指标。
① 定位精度。定位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。绝对精度是测量的坐标与真实 坐标的偏差，一般用长度计量单位表示。相对误差一般用误差值与节点无线射程的比例表示，定 位误差越小，定位精确度越高。
物联网技术与应用第四章
4.3 无线传感器网络的通信协议
3）网络层
网络层主要负责路由生成与路由选择，主要功能包括分组路由、网络互联、拥塞控制等。路由协议的任务 是在传感器节点和汇聚节点之间建立路由，可靠地传输数据。
4）传输层
传输层负责无线传感器网络中的数据流传输控制和维护，保证通信服务质量。传输层提供无线传感器网络 内部以数据为基础的寻址方式变换为外部网络的寻址方式，也就是完成数据格式的转换。
当无线传感器网络需要与其他类型的网络连接时，可以采用传统的TCP或UDP协议。但在无线传感器网络 的内部不能使用这些传统协议，因为传统网络的TCP或UDP协议会消耗大量的能量、计算和存储资源，因此不 适用于无线传感器网络。目前无线传感器网络常用的协议有慢存入快取出协议（PSFQ）和可靠的事件传输协议 （ESRT）。
4.2 无线传感器网络的特点
（4）节点资源有限。传感器节点采用嵌入式处理器和存储器，使用电池为节点供电，由于受到价格、 体积和功耗的严格限制，因此在实现各种网络协议和应用系统时，节点资源非常有限，具体表现为电源能 量有限、计算和存储能力有限、通信能力有限。 （5）安全性和可靠性。通过随机撒播传感器节点，无线传感器可大规模部署于指定的恶劣环境或人类 不宜到达的区域。由于节点可能工作在无人值守的露天环境中，遭受日晒、风吹、雨淋，甚至遭到人或动 物的破坏和入侵者的攻击，并且维护起来十分困难，这些都要求传感器节点非常坚固、不易损坏，能够适 应各种恶劣环境条件。因此，无线传感器网络在软硬件设计上必须要有较高的鲁棒性和容错性，来提高网 络的安全性和可靠性。 （6）多跳路由。网络中节点的通信距离一般在几十到几百米范围内，节点只能与它的邻居直接通信。 如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信，则需要通过中间节点进行路由。无线传感器网络中的多 跳路由是由普通网络节点完成的，没有专门的路由设备。这样每个节点既可以是信息的发起者，也可以是 信息的转发者。
《WSN支撑技术》课件
能量管理
01
能量管理是无线传感器网络中实现节点能量有效利用的重要支 撑技术之一。
02
能量管理的主要目标是优化节点的能量消耗，延长网络的生命
周期，提高网络的稳定性和可靠性。
常见的能量管理技术包括功率控制、休眠调度、动态电压调节
03
等。
拓扑控制
拓扑控制是无线传感器网络中优化网络拓扑结构、降低能耗和提高网络性能的重要 支撑技术之一。
拓扑控制的主要目标是通过对节点进行合理的唤醒和休眠调度，以及优化节点间的 通信关系，降低网络的能耗和提高信息传输的效率。
常见的拓扑控制算法包括基于节点度的算法、基于分层结构的算法、基于社区发现 的算法等。
03 WSN硬件平台
传感器节点
传感器节点是无线传感器网络 的基本单元，负责采集环境信 息，如温度、湿度、压力等。
可靠性
WSN中的传感器节点具有冗余 性，通过多路径传输和数据融 合等技术提高感知数据的可靠 性和准确性。
低功耗
WSN中的传感器节点通常采用 低功耗设计，以延长网络寿命
和降低维护成本。
WSN应用领域
环境监测
用于监测空气质量、水质、土壤成分等环境 参数。
农业信息化
用于监测农作物生长环境、病虫害情况等， 提高农业生产效率。
《WSN支撑技术》 PPT课件
目录
CONTENTS
• WSN概述 • WSN关键技术 • WSN硬件平台 • WSN软件平台 • WSN应用案例
01 WSN概述
WSN定义
01 02
WSN定义
WSN（无线传感器网络）是一种由大量低功耗、微型、低成本的传感 器节点组成的无线通信网络，通过无线通信方式完成对环境和物体的感 知、监测和控制任务。
[答案][北京理工大学]2021春《无线传感器网络》在线作业
![[答案][北京理工大学]2021春《无线传感器网络》在线作业](https://img.taocdn.com/s3/m/3241762b89eb172dec63b75d.png)
1.无线传感网络集成开发平台MeshIDE是面向()中间件所开发的辅助中间件平台软件。
A.ImpalaB.DswareC.DFuseD.DisWare答案：D2.在设计点对点(AdHoc)模式的小型无线局域时，应选用的无线局域网设备是()A.无线网卡B.无线接入点C.无线网桥D.无线路由器答案：A3.()技术是一种面向自动化和无线控制的低速率、低功耗、低价格的无线网络方案。
A.WANB.AdhocC.ZiggbeeD.TinyOS答案：C4.一个基本服务集BSS中可以有()个接入点AP。
A.0或1B.1C.2D.任意多个答案：B5.传感器节点通信模块的工作模式有()、接收和空闲。
A.发送B.启动C.认证D.互联答案：A6.无线局域网采用直序扩频接入技术，使用户可以在()GHz的ISM频段上进行无线Internet连接。
A.2.0B.2.4C.2.5D.5.0答案：B7.无线传感器网络路由设计通过()提高生命周期。
A.降低节点能源消耗B.缩小节点的体积C.减小节点的数量D.拓补结构答案：A8.传感器节点的能耗主要集中在()模块。
A.连接B.电池C.通信D.传感答案：C9.与无线传感器网络的兴起无关的技术是()A.虚拟运营技术B.无线通信C.片上系统(SOC)D.低功耗嵌入式技术答案：A10.与传统网络相比，WSN路由协议设计原则之一是()A.能量优先B.安全优先C.收敛速度优先D.可靠性优先答案：A11.设计WSN中的MAC协议的主要目标，包括()A.节省能量B.可扩展性C.网络安全D.网络效率答案：ABD12.无线传感器网络的基本要素包括()A.传感器B.感知对象C.无线APD.观察者答案：ABD13.无线传感器网络的产业化障碍包括()A.大规模组网问题B.大规模组网问题实用化低功耗技术C.微型化加剧信号串扰D.可靠性提高资源需求答案：ABCD14.下面哪些属于传感器网络的支撑技术()A.定位技术B.节能管理C.时间同步D.数据融合答案：ACD15.无线传感器网络的组成模块分为()A.通信模块B.传感模块C.计算模块D.存储模块和电源模块答案：ABCD16.以下关于无线城域网WMAN的描述中正确的是()A.数据帧B.控制帧C.管理帧D.监视帧答案：ACD17.以下关于卫星网络的描述中，正确的是()A.通信距离远B.通信频带宽C.传输延迟小D.通信线路可靠答案：ABD18.下面哪些属于限制传感器网络的条件?()A.电源能量有限B.通信能力受限C.环境受限D.计算和存储能力受限答案：ABD19.下面哪些属于无线传感器网络的路由协议具有的特点?()A.能量优先B.基于局部拓扑信息C.以数据为中心D.预算相关答案：ABC20.以下关于物联网的描述中，正确的是()A.物联网以互联网为基础，无线网络为补充B.与WSN相比，物联网更强调对被感知物的管理C.物联网的核心网络结构为自组织网络D.物联网的两大特征为泛在化和智能化答案：ABD21.无线传感器网络路由设计的首要任务是：移动模式下高服务质量的提供。
《无线传感器网络技术与应用开发》习题与答案
第一章一、填空题：1．传感器网络的三个基本要素：传感器、感知对象、用户（观察者）。
2．传感器网络的基本功能：协作式的感知、数据采集、数据处理_、发布感知信息_。
3．无线传感器节点的基本功能：采集数据、数据处理、控制、通信。
4．1996年，美国UCLA大学的William J Kaiser教授向DARPA提交的“低能耗无线集成微型传感器”揭开了现代WSN网络的序幕。
5．2006年10月，在中国北京，中国计算机学会传感器网络专委会正式成立，标志着中国WSN技术研究开始进入一个新的历史阶段。
6．网络中间件完成无线传感器网络接入服务、网络生成服务、网络自愈合服务、网络连通等。
7．无线传感器网络的核心关键技术主要包括：组网模式、拓扑控制、媒体访问控制和链路控制、路由、数据转发及跨层设计、QoS保障和可靠性设计、移动控制模型。
8．无线传感器网络的关键支撑技术主要包括：网络拓扑控制、网络协议、时间同步、定信技术、数据融合及管理、网络安全、应用层技术等。
9．无线传感器网络特点：大规模网络、自组织网络、可靠的网络、以数据为中心的网络、应用相关的网络。
10．传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块、和能量供应模块四部分组成。
二、简答题1．请简述无线传感器网络的定义。
答：无线传感器网络可以定义为：无线传感器网络就是部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络的网络系统，其目的是协作感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。
2．无线传感器网络具有哪些特点？答：无线传感器网络具有许多其鲜明的特点：(1) 电源能量有限传感器节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池。
(2) 通信能量有限传感器网络的通信带宽窄而且经常变化，通信覆盖范围只有几十到几百米。
(3) 传感器接点的能量、计算能力和存储能力有限(能量、计算存储低、关键在有效简单的路由协议)。
(4) 网络规模大，分布广传感器网络中的节点分布密集，数量巨大。
无线传感器网络-第4章-传感器网络的支撑技术
• 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
26
4.2.1 传感器网络节点定位问题
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Δdi，则N个未知位置节点的网络平均定位误差为：
1 N
N i 1
d
i
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。
20
4.2.1 传感器网络节点定位问题
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。
21
4.2.1 传感器网络节点定位问题
定位实时性更多的是体现在对动态目标的位置跟踪。
27
4.2.1 传感器网络节点定位问题 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。
• 缺点
• 没有考虑根节点失效问题。 • 新的节点加入时，需要初始化层次发现阶段，级
无线传感器网络支撑技术
• 利用测量节点间实际距离或方位计算未知节点位 置；
– 测距无关的（range-free）定位
• 利用节点间的估计距离计算未知节点位置 ； • 利用特征进行位置关联 • 不需要直接测量节点间距离
内容提要
1. WSN定位概述 2. 基于测距（range-based）的定位技术 3. 无需测距（range-free）的定位技术 4. 典型定位系统 5. 展望
14
三边测量算法（Trilateration）
• 已知A、B、C三个节点的坐标，以及它们到
节点D的距离，确定节点D的坐标为；
d1 (x1 x)2 ( y1 y)2 d2 (x2 x)2 ( y2 y)2 d3 (x3 x)2 ( y3 y)2
A (x1, y1)
D d1 (x, y)
• 原理
– 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 以及已知这两种信号的传播速度，计算两个 节点之间的距离，再通过已有基本的定位算 法计算出节点的位置 ；
2. 基于测距的定位技术-接收信号角 度定位
利用角度关系定位
A1 N
α1 A1
α2 A2
x y
( y2 (x2
覆盖范围 十多米 100米 公里级
1. WSN定位概述-定位的技术指标(1)
代价
✓ 定位系统或算法的代价包括时间代价、空间代价和成 本代价等方面。
✓ 时间代价主要考虑一个定位系统或算法的安装、 配置或定位时间等因素；
✓ 空间代价主要考虑一个定位系统或算法所需的基 础设施、网络节点数量或系统硬件尺寸等因素；
T1 ) (T2
T0
)]
*
无线传感器网络与RFID技术复习题
无线传感器网络与RFID技术复习题一、填空题1、传感器网络的三个根本要素：传感器、感知对象、观察者〔用户〕。
2、无线通信物理层的主要技术包括：介质的选择、频段的选择、调制技术和扩频技术。
3、无线传感器网络特点：大规模网络、自组织网络、可靠的网络、以数据为中心的网络、应用相关的网络。
4、无线传感器网络的关键技术主要包括：网络拓扑控制、网络协议、时间同步、定位技术、数据融合及管理、网络平安、应用层技术等。
5、传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供给模块四局部组成。
6、无线传感器网络的组成模块分为：通信模块、传感模块、计算模块、存储模块和电源模块。
7、传感器网络的支撑技术包括：时间同步、定位技术、数据融合、能量管理、平安机制。
8、传感器节点通信模块的工作模式有发送、接收和空闲。
9、传感器节点的能耗主要集中在通信模块。
10、当前传感器网络应用最广的两种通信协议是：zigbee、。
11、ZigBee主要界定了网络、平安和应用框架层，通常它的网络层支持三种拓扑构造：星型(Star)构造、网状〔Mesh〕构造、簇树型〔Cluster Tree〕构造。
12、根据对传感器数据的操作级别，可将数据融合技术分为以下三类：特征级融合、数据级融合、决策级融合。
13、信道可以从侠义和广义两方面理解，侠义的信道〔信号输出的媒质〕，分为〔有线信道和无线信道〕；广义信道〔包括除除传输媒质还包括有关的转换器〕广义信道按照功能可以分为〔模拟信道〕和〔数字信道〕。
14、无线传感器网络可以选择的频段有：868MHZ、915MHZ、2.4GHZ、5.8GHZ。
15、无线通信物理层的主要技术包括：介质的选择、频段的选择、调制技术和扩频技术。
16、标准主要包括：物理层和MAC层的标准。
17、传感器网络中常用的测距方法有：到达时间/到达时间差(ToA/TDoA)、接收信号强度指示(RSSI)、到达角(AoA)。
18、无线传感器网络的协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，还包括能量管理、移动管理和任务管理等平台。
第四章_2_-无线传感器网络的支撑技术-时间同步4学时
另一类应用要求外同步（绝对同步），即每个节点都 要与外部时间标度（如UTC）保持同步。通常的环境监控 或者需要数据存档的应用中，比较需要外同步，而且要求 的同步期限比较长。
时间同步的参考时间来源？
参考时间来源有两种情况： 外同步：标准参考时间来自于外部 内 同 步 ： 参 考 时 间 来 自 于 网 络 内 部 某个节点的时间
1．硬件时钟模式
在硬件系统的时钟计数中，计算时间的一个重要的公式是： 式中，w(t)是晶振的角频率，k是依赖于晶体物理特性的常量，t是真实时间 变量， c(t)是当真实时间为t时节点的本地时间。
4.2.1 时间同步模型
（1）节点本地时钟模型 在计算机系统中，时钟通常用晶体振荡器脉冲来度量:
4.2.1 时间同步模型
（1）节点本地时钟模型 两个主要参数：
4.2.1 时间同步模型
（1）节点本地时钟模型 在工程实践中，因为温度、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。 在一般情况下，晶振频率的波动幅度并非是任意的，而是 局限在一定的范围之内，为了方便描述和分析，定义如下 3种时钟模型:
第二种：相对同步，节点维护自己的本地时钟，周 期性地获取其邻居节点与本节点的时钟偏移，实现本 节点与邻居节点的时间同步
第三种：绝对同步，所有节点的本地时间严格同步， 等同于标准时间，这种情况对节点的要求最高，因此 实现也最为复杂
为什么要时间同步？
估计目标的运行速度和方向 数据融合需要时间同步 用户交互性需要 ……
（2）双向报文交换
双向报文交换时间校正技术复杂的多。节点i在本地时
无线传感器网络复习资料
第一章概述1、什么是无线传感器网络无线传感器网络是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。
2、传感器网络的终端探测结点由哪些部分组成这些组成模块的功能分别是什么（1）传感模块（传感器、数模转换）、计算模块、通信模块、存储模块、电源模块和嵌入式软件系统（2）传感模块负责探测目标的物理特征和现象，计算模块负责处理数据和系统管理，存储模块负责存放程序和数据，通信模块负责网络管理信息和探测数据两种信息的发送和接收。
另外，电源模块负责结点供电，结点由嵌入式软件系统支撑，运行网络的五层协议。
3、传感器网络的体系结构包括哪些部分各部分的功能分别是什么（1）网络通信协议：类似于传统Internet网络中的TCP/IP协议体系。
它由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成。
（2）网络管理平台：主要是对传感器结点自身的管理和用户对传感器网络的管理。
包括拓扑控制、服务质量管理、能量管理、安全管理、移动管理、网络管理等。
这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。
（3）应用支撑平台：建立在网络通信协议和网络管理技术的基础之上。
包括一系列基于监测任务的应用层软件，通过应用服务接口和网络管理接口来为终端用户提供各种具体应用的支持。
第二章微型传感器的基本知识1、传感器由哪些部分组成各部分的功能是什么传感器一般由敏感元件、转换元件和基本转换电路组成。
敏感元件是传感器中能感受或响应被测量的部分。
转换元件是将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的信号（一般指电信号）部分。
基本转换电路可以对获得的微弱电信号进行放大、运算调制等。
另外，基本转换电路工作时必须有辅助电源。
2、集成传感器的特点是什么体积小、重量轻、功能强、性能好。
3、如何进行传感器的正确选型（1）测量对象与环境：分析被测量的特点和传感器的使用条件选择何种原理的传感器。
zigbee题库
6.什么是数据融合技术，它在传感器网络中的作用是什么？
题库
一、填空题
无线传感器网络特点：、
传感器网络的基本功能是：、、、
无线传感器节点的基本功能是：、、、。
传感器网络的三个基本要素是：、、。
ZigBee主要界定了网络、安全和应用框架层，通常它的网络层支持三种拓扑结 构：、、。
无线传感器网络的关键技术主要包括：、、、
无线传感器网络的组成模块分为：
和。
传感器网络的支撑技术包括：、_
由器
ZigBee网络设备（）可以担任网络协调者，形成网络，让其他的FFD或是精简功
能装置（RFD）连结，具备控制器的功能，可提供信息双向传输。
A、网络协调器B、全功能设备（FFD）C、精简功能设备（RFD）D、路由
器
三、判断题
2010年1月，传感（物联）网技术产业联盟在无锡成立。（）
国际电信联盟不是物联网的国际标准组织。（）
通过无线网络与互联网的融合，将物体的信息实时准确地传递给用户，指的是（
A、可靠传递B、全面感知C、智能处理D、互联网
利用RFID、传感器、二维码等随时随地获取物体的信息，指的是（）。
A、可靠传递B、全面感知C、智能处理D、互联网
（）年中国把物联网发展写入了政府工作报告。
A、2000B、2008
C、2009
A、
物理层
B、MAC层C、网络/安全层
D、支持/应用层
ZigBee
（
）负责设备间无线数据链路的建立、维护和结束。
A、
物理层
B、MAC层C、网络/安全层
D、支持/应用层
ZigBee
（
）建立新网络，保证数据的传输。
无线传感器网络期末复习题
《无线传感器网络原理与应用》复习题一、填空题：1.无线传感器网络的三个基本要素是：、和。
2.无线传感器网络实现了、和的三种功能。
3.无线传感器网络包括四类基本实体对象：目标、观测节点、和。
4.根据无线传感器网络系统架构，无线传感器网络系统通常包括传感器节点(sensor node)、和。
5.无线传感器节点通常包含四个模块，他们是：数据采集模块、、无线通信模块和。
6.无线传感器网络的协议栈包括物理层、、、传输层和，还包括能量管理、移动管理和任务管理等平台。
7.无线传感器网络的MAC层和物理层协议采用的是国际电气电子工程师协会(IEEE)制定的协议。
8.无线通信物理层的主要技术包括、、调制技术和。
9.在无线通信系统中，有三种影响信号传播的基本机制：、绕射和。
10.无线传感器节点处于、接收状态、侦听状态和时单位时间内消耗的能量是依次减少的。
11.无线传感器网络MAC协议根据信道的分配方式可分为、和混合式三种。
12.根据无线传感器网络不同的应用可以将其路由协议分为五类，你知道的有：、、。
（任意给出3种）。
13. IEEE 802.15.4标准将无线传感器网络的数据链路层分为两个子层，即和。
14. Zigbee的最低两层即物理层和MAC层使用标准，而网络层和应用层由Zigbee联盟制定。
15. Zigbee协议中定义了三种设备，它们是：、和Zigbee终端设备。
16.Zigbee支持三种拓扑结构的网络，它们是：、和。
17.无线传感器网络的时间同步方法有很多，按照网络应用的深度可以划分三种：、和。
18.无线传感器网络的时间同步方法有很多，按照时间同步的参考时间可以划分为和。
19.无线传感器网络的时间同步方法有很多，根据需要时间同步的不同应用需求以及同步对象的范围不同可以划分为和。
20.无线传感器网络定位技术大致可以划分为三类：、和。
21.无线传感器网络典型的非测距定位算法有、APIT算法、以及等。
22.无线传感器网络的数据融合策略可以分为、以及。
无线传感器网络技术原理及应用ppt课件第4章总结
限。这种情况下要延长网络寿命就必须降低节点的工作能
耗。由第3章可知，节点能量的大部分消耗在无线通信模块 上。要减少节点能量的消耗就必须减小节点的有效传输半
径，而有效传输距离的减小必然导致单节点的覆盖面积减
小。因此，为了实现传感器节点大范围的覆盖，必须使用 多跳中继的方法来传输数据，这就需要相应的路由协议来
17
图4-1 单层模式
18
图4-2 多层模式
19 3. 地理位置信息的路由协议
地理位置信息路由协议假定传感器节点能够知道自身
地理位置或者通过基于部分标定节点的地理位置信息计算 自身的地理位置。节点的地理位置信息可以作为一个辅助
条件，用来改善一些已有的路由算法的性能，比如将采集
的数据或者查询请求发送到指定方向从而减少数据的无效 传输问题，也可以直接使用地理位置信息来实现路由。
感器网络由于其自身资源受限的特点，对路由协议的要求 非常高，设计一个通用的路由协议比较困难。一般传感器
网络路由协议的设计专门针对特定的应用场景，传感器网
络应用场景的专一性为设计高效专用的路由协议带来了可 能性。但是还有一些根本性的问题需要进一步解决。
23 1. 全局最优路由策略
在Internet路由协议中，当节点链路发生变化的时候，
考虑节点的能量消耗问题。
7 而无线传感器网络中节点的能量有限，延长整个网络的生
存期成为传感器网络路由协议设计的重要目标，因此需要
考虑节点的能量消耗以及网络能量均衡使用的问题。 基于局部拓扑信息。无线传感器网络为了节省通信能
量，通常采用多跳通信模式，而节点有限的存储资源和计
算资源，使得节点不能存储大量的路由信息，不能进行太 复杂的路由计算。在节点只能获取局部拓扑信息和资源有
第四章 无线传感器网络的支撑技术
第四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。
4.1 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。
在分布式的无线传感器中，每个传感器节点都有自己的本地时钟。
不同的节点的晶体振荡器频率存在偏差，湿度和电磁波干扰等也会造成网络节点之间的运行时间的偏差。
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。
其次传感络的些节能方案利时间步来实其次，传感器网络的一些节能方案是利用时间同步来实现的。
2．传感器网络时间同步协议的特点由于传感器望奎的节点的造价不能太高，节点的体积微小，不能安装除了本地振荡器和无线通信单元意外更多的用语同步的器件，因此，价格个体积成为了传感器网络时间同步的主要限制条件。
例如，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。
传感器网络的支撑技术
➢ 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 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：SPINS ➢ 4.5.4 SPINS 协议的实现问题与系统性能
4.1 时间同步机制
第4章传感器网络的支撑技术
传感器网络终端节点
传感
感知
探测
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 ➢ 4.1.2 TPSN 时间同步协议 ➢ 4.1.3 时间同步的应用示例
• 北京时间最初产生由原子钟产生，通过长 波电台通知，不断发送授时信号。
无线传感网时间同步技术
时间同步算法的评估指标： 能量效率（Energy efficiency） •可扩展性（Scalability） •精度需求（Precision） •健壮性（Robustness）
节点时钟模型
• 几乎所有的无线传感器网络节点都含有 一个特定频率的晶体振荡器和一个计数 寄 存器，其本地时钟ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ靠对自身晶振中断计 数来实现。 理想的时钟频率应该始终为常数 1 ，但
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邻居节点收到分组后，将自己的级别设置为分组中的级别加1，然后 广播新的级别发现分组
节点收到第i级节点的广播分组后，记录发送这个广播分组的节点ID ，设置自己的级别为（i+1），广播级别为（i+1）的分组，这个过程 持续到网络内每个节点都被赋予一个级别
层次结构建立以后，根节点通过广播时间同步分组启动同步阶段
第1级节点收到分组后，各自分别等待一段随机时间，再通过与根节 点交换消息同步到根节点
第2级节点侦听到第1级节点的交换消息后，等待一段随机时间，再与 它记录的上一级别的节点交换消息进行同步，网络中的节点依次与上 一级节点同步，最终都同步到根节点
... ...
时钟模型
硬件时钟模型 软件时钟模型
硬件时钟模型
硬件时钟由电池+硬件电路来实现 硬件时钟是独立运行的，通常比较精确 不适应环境变化剧烈的场合
温度漂移
软件时钟模型
它是由PC硬件产生的周期性的定时器中断来工作的
如果系统运行了太多的进程，它就需要较长的时间来执 行定时器中断程序，并且软件时钟就会漏掉一些中断。
节点一旦建立自己的级别，就忽略任何其他级别发现分组，防止网络 产生洪泛拥塞
TPSN协议过程
第二阶段 同步阶段（Synchronization Phase）
目的：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，最终所有节点同步到根节点 ，实现整个网络的时间同步
FTSP （Flooding Time Synchronization Protocol）
GCS （Global Clock Synchronization）
时间同步协议：DMTS
1. 在所有节点中选择一个主节点 2. 主节点广播其本地时钟，并且在发送前导帧和起始符时
打上时间戳t0 3. 接收节点收到广播分组后打上时间戳t1，并且在 Sept. 2008 © Neusoft Confidential
前言
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。
典型定位系统-全球和区域导航系统
全球导航系统：全球范围
GPS
GPS使用24颗人造卫星在离地面约2万公里的高空上，以12小时的周期 环绕地球运行。在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星 。由于卫星的位置精确可知，通过4颗卫星发出的信号，我们可得到卫 星到接收机的距离。
GPS精度达到5m，专用车载GPS导航仪已经广泛使用于车辆导航等应 用领域。
室内、矿井、森林，有遮挡 低功耗、低成本和小体积 传输延迟的不确定性 可扩展性、移动性 健壮性、安全性 网络规模大、多点协作
传输延迟的不确定性
Sender
Send Access time time
Receiver
Propagation time
Transmission time
Reception time
100~200μs，<2μs的 确定，依赖射频芯片的种类和设
抖动
置。
Byte alignment time
0~400μs
确定，依赖发送速率和收发字节 偏移。
典型时间同步协议
NTP（Network Time Protocol） DMTS （Delay Measurement Time Synchronization）
考虑能耗问题，TPSN可以与后同步策略结合使用
二、定位技术
什么是定位？
定位就是确定位置。 定位的两种意义：
一种是确定自己在系统中的位置； 一种是系统确定目标在系统中的位置。
位置信息的类型：
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
TPSN协议过程
协议准备
每个传感器节点都有唯一的标识号ID 节点间的无线通信链路是双向的，通过双向消息交换实现节点间的时
间同步 整个网络内所有节点按层次结构管理，由TPSN协议生成和维护
TPSN协议过程
第一阶段 层次发现阶段（Level Discovery Phase）
目的：生成节点层次结构，每个节点被赋予一个级别，根节点为0级 ，第i级的节点至少能够与一个第（i-1）级得节点通信
传统同步：NTP与GPS
NTP：网络时间协议 GPS：全球定位系统
NTP（Network Time Protocol）
体系结构（网络）
NTP
时钟信息逐层传播 标准的时钟信息通过TCP/IP网络传输 NTP使用UDP传输，使用固定端口号123和37 精度：LAN上与标准间差小于1毫秒，WAN上几十毫秒
不确定，依赖信道负载
10~20ms
确定，依赖报文长度和发送速率
<1μs(距离<300米)
确定，依赖收发方物理距离和传 播媒质特性
Interrupt waiting time
在<可5大达μs，多30在数μ重情s 负况载下下，不器确负定载，。依赖处理器类型和处理
Encoding time & Decoding time
定位的技术指标(2)
刷新速度是提供位置信息的频率。比如GPS每秒钟刷新1次 WSN相关的指标
功耗，WSN是功耗受限制的
带宽，协议栈开销+数据的有效载荷 节点密度，节点密度要求越高，单次定位的通信开销越 大，消耗的电能越多。
定位系统的设计要点
两个主要因素： 定位机制的物理特性 相应的算法
其他设计要求： 节点密度 扩展性 鲁棒性
TPSN是类似于NTP（Network Time Protocol）时间同步协议 目的是提供传感器网络全网范围内节点间的时间同步 节点结构中包含一个根节点，它与外界通信获取外界时间，以此作为
整个网络系统的时钟源 将节点分级后（根节点是0级，累加），每个节点同上一级的一个节点
进行时间同步，最终与根节点同步 节点对之间的同步采用发送者-接收者同步机制（RBS）
时钟前打上时间戳t2 4. 接收节点应该调整自己的时钟为t0 ＋（t2－t1）
DMTS特点
最简单直观 单报文同步 同步精度低（传输过程的时间没计算） 广播方式 同步能耗低
TPSN时间同步协议思想
TPSN （ Timing-sync Protocol for Sensor Networks ）
测距方式对精度的影响
Radio（VHF、UWB、CDMA、光、红外光）
自动化/控制等
跟踪/导航等
室外全球 室外局域
室内
GPS
专有微波 方案
TDOA RTOF
技术壁垒
DGPS
WLAN DECT 蓝牙 RSS
TDOA
GSM/3G蜂窝电话
Cell-ID AOA TOA TDOA
0.1 0.3
1
3
10
30
GPS（Global Position System）
从根本上解决了人类在地球上的导航与定位问题。 每颗卫星上配备有高精度的铷、铯原子钟，并不断发射其
时间信息 地面接收装置同时接收到4颗卫星的时间信息，采用伪距测 量定位方法可计算出时间和位置信息
缺点（成本、功耗、室内、安全性、分布式）
传感器网络的挑战
Receive time
传输延迟的进一步细化
时间
Send time & Receive time
Access time Transmission time & Reception time
Propagation time
典型值 0~100ms 10~500ms
特性
不确定，依赖处理器负载、操作 系统系统调用开销
100 300 1K 3K
一米的壁垒：更高的精度非常困难
典型定位系统-全球和区域导航系统
全球导航系统：全球范围
GPS
GPS（Global Positioning System）二十世纪70年代由美国陆海空三军 联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。 起初为了军事目的。
Galileo系统
伽利略系统（GALILEO satellite radio navigationsystem）是欧洲自主的 、独立的全球多模式卫星定位导航系统，提供高精度、高可靠性的定 位服务，同时它实现完全非军方控制、管理。
定位服务的标准化
定位系统往往是订制系统，没有统一的标准 GPS系统，事实标准
E-911，1996年美国联邦通信委员会（FCC） 制定的运营 商（紧急救援）服务标准
基于测距（range-based）的定位技术
三边定位和多边定位 信号强度（RSS） 信号传播时间/时间差 TOA/TDOA/RTOF） 接收信号相位（PDOA） 近场电磁测距（NFER）
值服务
定位的技术指标(1)
最重要的指标，指定位系统提供的位置信息的精确程度。
绝对精度指以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。
覆盖范围是另一个重要指标，它和精度是一对矛盾。
超声波 Wi-Fi和蓝牙 GSM系统
精度 分米级 3米 100米
覆盖范围 十多米 100米 公里级
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、能量管理、数据 融合和安全机制等。
一、时钟同步机制
WSN时间同步技术背景
集中式系统与分布式系统 集中式：事件间有着明确的时间先后关系，不存在同步 问题 分布式：同步是必需的，只是对同步的要求程度不同