无线传感器网络

作者简介

该书将理论与实践教学紧密结合，符合当前高校教学改革的形势。通过阅读本书，读者可以清晰地了解无线传感器网络的工作原理，时钟同步、节点定位等关键技术，网络安全技术及综合应用。

内容简介

第3章 CHAPTER 3 无线传感器网络的关键技术 3.1时钟同步技术 3.1.1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。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，由于不同节点的晶体振荡器存在频率偏差，所以各个传感器节点的本地时钟频率、相位也各不相同，又由于温度、湿度变化的影响及电磁干扰的存在，就会造成不同网络节点之间的运行时间出现偏差。无线传感器网络单个节点能力有限，在某些情况下，一些测量工作，如移动物体定位，需要整个网络所有节点相互配合共同完成，完成这类工作，就需要所有节点的时间保持同步。 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“逻辑时间”两个不同的概念。物理时间指人类社会使用的**时间； 逻辑时间指表示事件发生先后顺序关系的时间，是一个相对的时间概念。 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。如利用休眠/唤醒机制、同步机制为本地时钟提供相同的时间基准。 2. 传感器网络时间同步协议的特点 网络时间协议(Network Time Protocol,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： ①NTP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*环境影响较大，甚至通信经常中断； ②NTP的网络结构相对稳定，便于为不同位置的节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； ③NTP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； ④NTP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、信道侦听和占用都不*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，需要有专门的时间同步协议才能使得传感器网络正常运行和实用化。 3.1.2时间同步协议 传感器网络的时间同步协议（Timingsync Protocol for Sensor Networks,TPSN）类似于传统网络的NTP，目的是提供传感器网络**范围内节点间的时间同步。TPSN采用层次型网络结构。 1. TPSN的*作过程 TPSN包括两个阶段： （1） **个阶段生成层次结构，每个节点赋予一个级别，根节点赋予***别第0级，第i级的节点至少能够与一个第(i-1)级的节点通信； （2） 第二个阶段实现所有树节点的时间同步，**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，*终所有节点都同步到根节点，实现整个网络的时间同步。 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。同步过程如图3.1所示。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，T2=(T1+d+Δ)，其中Δ=(T2－T1)－(T4－T3)2,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，T4=(T3+d+Δ)。因此可以推导出公式： d=(T2－T1)+(T4－T3)2。节点S在计算时间偏差之后，将它的时间同步到节点R。 图3.1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 3.1.3时间同步的应用示例 这里介绍磁阻传感器网络对机动车辆的测速。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。如图3.2所示。 图3.2节点的磁感应信号脉冲 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=dΔt。 3.2节点定位技术 3.2.1概述 1. 定位的含义 无线传感器网络定位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。这种自组织网络定位分为节点自身定位和目标定位。 位置信息有多种分类方法，一般可以按物理位置和符号位置进行分类。 2. 定位方法的分类 无线传感器网络的定位方法可以进行如下分类。 (1) 根据是否依靠测量距离，分为基于测距的定位和非测距的定位。 (2) 根据部署的场合不同，分为室内定位和室外定位。 (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； 节点主动发出信息用于定位，则称为主动定位。 3. 定位性能的评价指标 衡量定位性能有多个指标，除了一般性的位置精度指标以外，对于资源*到限制的传感器网络，还有覆盖范围、刷新速度和功耗等其他指标。 位置精度是定位系统*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**程度，分为相对精度和**精度。**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。 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*优算法，采取*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。 3.2.2基于测距的定位方式 基于测距的定位方式是通过测量节点之间的距离，根据几何关系计算出网络节点的位置。解析几何中有多种方法可以确定一个点的位置。比较常用的方法是多边定位和角度定位。 1. 测距方法 1) 接收信号强度指示 基于接收信号强度指示（Received Signal Strength Indication,RSSI）的定位算法，是通过测量发送功率与接收功率，计算传播损耗。利用理论和经验模型，将传播损耗转化为发送器与接收器的距离。RSSI方法的测距精度*环境影响较大，当遇到非均匀传播环境时，有障碍物会造成多径反射，都会使可靠性降低，有时测距误差可达50%，一般RSSI都和其他测量方法综合使用。 有些厂商生产的ZigBee芯片内部已集成RSSI功能，可以通过软件设置来使用这一测距功能，如TI公司生产的CC2531等。无线信号接收强度指示RSSI与信号传播距离之间的关系曲线如图3.3所示。 图3.3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 这类方法通过测量传输时间来估算两节点之间距离，精度较好。到达时间（Time of Arrival,ToA）方法已知信号的传播速度，通过测量传输时间来估算两节点之间的距离，精度较好； 但由于无线信号的传输速度快，时间测量上的很小误差就会导致很大的误差值，所以要求无线节点有较强的计算能力。它和到达时间差(Time Difference of Arrival，TDoA)这两种基于时间的测距方法适用于多种信号，如射频、声学、红外信号等。ToA算法的定位精度高，但要求节点间保持**的时间同步，对无线节点的硬件和功耗提出了较高的要求。ToA测距原理框图如图3.4所示。 图3.4ToA测距原理框图 TDOA定位是一种利用时间差进行定位的方法。通过测量信号到达监测站的时间，可以确定信号源的距离。利用信号源到各个监测站的距离(以监测站为中心，距离为半径作圆)，就能确定信号的位置。但是**时间一般比较难测量，通过比较信号到达各个监测站的时间差，就能作出以监测站为焦点，距离差为长轴的双曲线，双曲线的交点就是信号的位置。TDoA技术对节点硬件要求高，它对成本和功耗的要求对传感器网络的设计提出了挑战，但其测距误差小，具有较高的精度。 3) 到达角 该方法通过配备特殊天线来估测其他节点发射的无线信号的到达角度。 到达角（An**e of Arrival,AoA)算法通过某些硬件设备感知发射节点信号的到达方向，计算接收节点和锚节点之间的相对方位或角度，再利用三角测量法或其他方式计算出未知节点的位置。它的硬件要求较高，一般需要在每个节点上安装昂贵的天线阵列。 AoA定位不但可以确定无线节点的位置坐标，还能够确定节点的方位信息，但它易*外界环境的影响，且需要额外硬件，因此它的硬件尺寸和功耗指标并不适用于大规模的传感器网络，在某些应用领域可以发挥作用。AoA测量原理如图3.5所示。 图3.5AoA测量原理框图 该书将理论与实践教学紧密结合，符合当前高校教学改革的形势。通过阅读本书，读者可以清晰地了解无线传感器网络的工作原理，时钟同步、节点定位等关键技术，网络安全技术及综合应用。