无线传感器网络技术原理及应用（第2版21世纪高等学校物联网专业规划教材）

作者简介

内容简介

第5章WSN支撑技术 学习目标  掌握时钟同步的问题。  掌握时间同步问题。  掌握时间同步基础。  掌握时间同步协议。  了解节点定位的基本概念。  了解基于测距的定位算法。  了解距离无关的定位算法。  了解典型的定位系统。  掌握数据融合的基本概念。  掌握数据融合的分类。  了解常用的数据融合算法。  了解WSN数据融合算法实现。  了解能量管理的意义。  了解传感器网络的电源节能方法。  了解动态能量管理。  了解故障模型。  了解故障检测与诊断。  了解故障修复。  了解QoS。  了解安全技术。 学习导航 5.1时间同步 在分布式系统中，每个节点都有自己的时钟和对于时间的定义。然而，为了确定物理世界中事件之间的因果关系，为了消除传感器的冗余数据，为了能在整体上促进传感器网络的工作，传感器节点之间需要遵循一个共同的时标。传感器网络中的每个节点都独立运作，并且依赖于其自身的时钟，所以不同的传感器节点的时钟读数也不同。除了这些随机差异(相位偏移)，不同传感器时钟之间的间隙也会由于振荡器漂移率的变化而进一步增加。为了确保感测到的时间可以以有意义的方式进行比较，时间(或时钟)必须同步。有线网络的时间同步技术已经得到很多的关注，但这些技术并不适用于无线传感器，原因是无线感知环境会带来一些特殊的问题。这些挑战包括WSN可能的大规模性、自主配置需求以及健壮性，潜在的传感器的移动性以及对节能的需求。 5.1.1时钟同步问题 基于硬件振荡器的计算机时钟是所有计算设备的重要组成部分。典型的时钟由一个稳定的石英振荡器和一个计数器组成，这个计数器随着每次石英晶体的振荡递减。当计数器的值为0时，它将复位为其初始值，并产生一个中断。而每一个中断(或者时钟周期)都将触发一个软件时钟(另一个计数器)。应用程序可以通过一个适当的应用程序编程接口(Application Programming Interface，API)来读取并使用软件时钟。因此，软件时钟为每一个传感器节点提供了一个本地时间，其中C(t)表示在某一个实时时间t时的时钟读数。时间分辨率是软件时钟的两个增量(计数)之间的间距。 对于两个节点的本地时间而言，时钟偏移量表示时钟之间的时间差。同步是指调整一个或者两个时钟，从而使它们的读数匹配。时钟率则表示一个时钟推移的频率，而时钟偏差则表示两个时钟频率之间的差别。理想时钟的时钟率的值恒为dC/dt=1，但实际上很多参数影响了实际的时钟率，例如环境的温度和湿度、电源电压以及石英的年龄。偏移率的偏差结果表明两个时钟的相对漂移速率，即dC/dt-1。一个时钟的最大漂移率用ρ来表示，石英钟的典型值为1~100ppm(1ppm=10-6)。这个数值由振荡器的制造厂商给出，且满足 1-ρ≤dCdt ≤1+ρ (51) 图51本地时间C(t)与实时时间t的关系 图51显示了漂移率(Drift Rate)如何影响时钟的读数，它使得时钟要么准确无误，要么变快或者变慢。漂移率导致传感器时钟读数即使在同步以后也不一致，因此，有必要定期执行同步过程。假设时钟完全相同，那么任意两个被同步以后的时钟之间最大的漂移为 2ρmax 。为了把相对偏移限制到 δ 秒，同步操作之间的间隔τsync必须满足： τsync ≤ δ2ρmax (52) C(t)必须是分段连续的，即它必须是一个时间的严格单调函数。因此，时钟的调整是一个渐进过程，例如可以使用线性补偿函数来改变本地时间斜率。单纯地让时钟向前或者向后跳转可能会带来很严重的后果，例如，设定一个计时器在某个特定时间产生一个中断，然而执行同步会漏掉一些时间，可能使得这个特定的时间永远不会到来。 同步有两种，一种是外部的，一种是内部的。外部同步是指所有节点的时钟都与一个外部时间源(或者参考时钟)同步。外部参考时钟是一个类似于世界协调时(UTC)的精确的实时标准。内部同步是指在没有外部参考时钟支持的情况下，所有节点的时钟之间互相同步。内部同步的目的是： 尽管时间可能与外部参考时间不同，但是网络中所有节点的时间都一样。外部时间同步既保证了网络中的所有时钟一致，又保证了与外部时间源一致。当节点与外部参考时钟同步时，时钟精度表示时钟相对于参考时钟的最大偏移。当网络中的节点内同步时，精度表示网络中任意两时钟之间的最大偏移。需要注意的是，如果两个节点外部时钟同步的精度是Δ，则它们内部时钟同步的精度为2Δ。 本书依据物联网工程专业培养计划及无线传感器网络教学大纲而编写。为了适合教学需要，每章提供完整的教学电子文档，各章后面均附有习题，书后附有主要的参考文献。通过本课程的学习，主要让学生掌握无线传感器网络设计与开发的基本技术，为今后从事无线传感器网络系统和网络化探测设备的设计开发打下良好的基础。