无线传感器网络技术原理及应用-ppt课件-第5章

1第5章服务支撑技术5.1时间同步技术5.2数据融合技术5.3定位技术5.4网络安全技术5.5容错设计技术5.6服务质量保证小结2本章目标理解时间同步技术。掌握数据融合技术。理解定位技术。了解网络安全应用技术。了解容错设计技术。了解服务质量保证问题。3学习导航4时间同步技术作为无线传感器网络的基础技术之一，不仅是无线传感器网络中各种应用正常运行的必要条件，并且其同步精度直接决定了其他服务的质量。本节主要介绍无线传感器网络时间同步的基本概念、方法、协议和应用。5.1时间同步技术55.1.1概述时间同步就是通过对本地时钟的某些操作，达到为分布式系统提供一个统一时间标度的过程。在集中式系统中，由于所有进程或者模块都可以从系统唯一的全局时钟中获取时间，因此系统内任何两个事件都有着明确的先后关系。而在分布式系统中，由于物理上的分散性，系统无法为彼此间相互独立的模块提供一个统一的全局时钟，而由各个进程或模块各自维护它们的本地时钟。6由于这些本地时钟的计时速率、运行环境存在不一致性，因此即使所有本地时钟在某一时刻都被校准，一段时间后，这些本地时钟也会出现不一致。为了让这些本地时钟再次达到相同的时间值，必须进行时间同步操作。无线传感器网络是一种新的分布式系统。节点之间相互独立并以无线方式通信，每个节点维护一个本地计时器，计时信号一般由晶体振荡器提供。由于晶体振荡器制造工艺的差别，并且其在运行过程中易受到电压、温度以及晶体老化等多种外在因素的影响，每个晶振的频率很难保持一致性，必须对其进行时间同步操作。7目前，无线传感器网络时间同步需要重点解决以下三个方面的问题：如何设计时间同步协议，使得同步精度尽可能高，即同步误差尽可能得小。如何设计满足应用需求的低功耗的时间同步协议，以尽可能地延长网络的生命周期。如何设计可扩展性强的时间同步协议或算法，以适应不断扩大的网络规模和由此带来的系统动态性的增强。85.1.2方法目前无线传感器网络的时间同步方法有很多，可以将其分为三类：排序、相对同步和绝对同步。外同步和内同步。全网同步和局部同步。1.排序、相对同步和绝对同步一些研究者将时间同步的需求分为排序、相对同步和绝对同步三个不同的层次。实现对事件的排序是最简单的时间同步需求，即实现对事件发生的先后顺序的判断，这是第一个层次。9相对同步是第二个层次，节点维持其本地时钟的独立运行，动态获取并存储它与其他节点之间的时钟偏移和时钟漂移，根据这些信息，实现不同节点本地时间值之间的相互转换，达到时间同步的目的。相对同步的典型代表为RBS协议(详见5.1.3节)。相对同步并不直接修改节点本地时间，保持了本地时间的连续运行。10第三个层次是绝对同步：节点的本地时间参考基准并保持时刻一致，因此除了正常的计时过程对节点本地时间进行修改外，节点本地时间也会被时间同步协议所修改，其典型代表协议为TPSN(详见5.1.3节)。112.外同步和内同步外同步是指同步时间参考源来自于网络外部。典型外同步的例子为：时间基准节点通过外接GPS接收机获得UTC(UniversalTimeCoordinated，外部时间调节)时间。网内的其他节点通过时间基准节点实现与UTC时间的间接同步；或者为每个节点都外接GPS接收机，从而实现与UTC时间的同步。内同步是指同步时间参考源来自于网络内部，例如网内某个节点的本地时间。123.全网同步与局部同步根据不同应用的需要，若需要网内所有节点的时间同步，则称为全网同步。而某些时间触发类应用，往往只需要部分与该事件相关的节点时间同步即可，称为局部同步。135.1.3协议本节将介绍无线传感器网络领域内具有代表性的时间同步协议。典型的时间同步协议有DMTS协议、RBS协议以及TPSN协议。1. DMTS协议DMTS(DelayMeasurementTimeSynchronization，延迟测量时间同步)协议中选择一个节点作为时间主节点广播同步时间。所有接收节点测量这个时间广播分组延迟，设置它的时间为接收到分组的时间加上这个广播分组延迟，这样所有接收到广播分组的节点都与主节点进行时间同步。时间同步精度主要由延迟测量的精度所决定。14图5-1DMTS同步报文的传输15主节点在检测到信道空闲时，给广播分组加上时间戳t0，用来去除发送中的处理延迟和MAC层的访问延迟。在发送广播分组前，主节点需要发送前导码和起始字符，以便接收节点进行接收同步，根据发送的信息个数n和发送每比特位需要的时间t，可以估计出前导码和起始字符的发送时间为nt。接收节点在广播分组到达时刻加上本地时间t1，并调整自己的时钟之前时刻再记录时间t2，接收端的接收处理延迟就是t2-t1。16如果忽略无线信号的传播延时，接收节点从t0时刻到调整时钟前的时间长度约为nt + (t2-t1)。因此接收节点为了与发送节点时钟同步，调整其时钟为t0 + nt + (t2-t1)。DMTS协议没有考虑传播延时、编解码时间的影响，并且没有对时钟漂移进行补偿，同步精度不高。但通过单个的广播报文，一次就可以同步广播域内的所有节点，并且计算简单，是一种非常简单有效的同步协议。172. RBS协议RBS(ReferenceBroadcastSynchronization，参考广播同步)协议不是同步报文的收发双方，而是同步报文的多个接收者，可以适用于单跳网络和多跳网络中。1)单跳网络单跳网络是指发送节点与接收节点中间没有路由中继，所以称为单跳网络。RBS协议的基本原理如图5-2所示。18图5-2RBS协议基本原理19发送节点广播一个信标分组，广播域中两个节点都能够接收到这个分组。每个接收节点分别根据自己的本地时间记录接收到信标分组的时刻，然后交换它们记录的信标分组接收时间。两个接收时间的差值相当于两个接收节点间的时间差值t2-t1，其中一个接收节点可以根据这个时间差值更改它的本地时间，从而达到两个接收节点的时间同步。20图5-3三跳网络的物理拓扑结构212)多跳网络RBS协议可以实现两个多跳节点之间的同步。图5-3所示为一个三跳网络的物理拓扑结构。以图5-3中的节点1和节点9为例，由于节点9和节点4处于以节点C为参考节点的单跳区域中，由于单跳RBS协议，它们之间的本地时间可以相互转换。因此以节点4为媒介，节点9的本地时间可以和节点1的本地时间相互转换。同理，网络中的所有节点可以互换本地时间，以达到时间同步。22RBS协议使用接收者/接收者同步机制排除了发送方延迟的不确定性，摒弃了以DMTS协议为代表的传统发送者/接收者同步协议，获得了较高的精度。233. TPSN协议TPSN(Timing-syncProtocolforSensorNetworks，传感器网络时间同步)协议的目的是提供传感器网络全网范围内节点间的时间同步。一些研究者认为传统的发送者/接收者同步协议的同步精度较低的根源在于：基于单向报文所估算出的报文传播延迟不够精确。如果采用双向报文，基于报文的对称性，有可能精确计算出报文的传输延迟，因此能获得高的同步精度。TPSN协议引入了双向报文交换协议，如图5-4所示。24图5-4双向报文交换25T1和T4用节点A的本地时间记录，T2和T3用节点B的本地时间记录。节点A向节点B发送一个同步请求报文，节点B在接收到该报文后，记录下接收时刻T2，并立即向节点A返回一个同步应答报文，并把T2和该报文的发送时刻T3嵌入在报文中，当节点A收到该报文时，记录下接收时刻T4。令t为当节点A的本地时刻为T1时，节点A和B之间的时间偏移。由于T1～T4时间比较短，可认为当节点A的本地时刻为T4时，其与节点B之间的时偏没有变化。26假设报文的传输延迟相同，均为d。由，(5-1)可得，(5-2)因此在T4时刻，若在节点A的本地时间上增加修正量t，就达到和节点B之间瞬时的时间同步，此时刻称为同步点。21TTtd43TTtd2143()()2TTTTt2143()()2TTTTd275.1.4应用时间同步是无线传感器网络的基本中间件技术，不仅对其他中间件，而且对各种应用都起着基础性作用，一些典型的应用如下。1.多传感器数据压缩和融合当传感器节点密集分布时，同一事件将会被多个传感器节点接收到。如果直接把所有的事件都发送给基站节点进行处理，将造成对网络带宽的浪费。28由于通信开销远高于计算开销，因此对一组邻近节点所侦测到的相同事件进行正确识别，并对重复的报文进行信息压缩后再传输将会节省大量的电能。为了能够正确地识别重复报文，可以为每个时间标记一个时间戳，通过该时间戳可达到对重复事件的鉴别。时间同步越精确，对重复事件的识别也会更有效。29数据融合技术可在无线传感器网络中得到充分发挥，如果要实施数据融合技术，网络中的节点必须以一定精度保持时间同步，否则无法实施数据融合。302.低功耗MAC协议无线传感器网络MAC层协议设计的一个基本原则是尽可能地关闭无线通信模块，只在无线信息交换时短暂唤醒它，并在快速完成通信后，重新进入休眠状态，以节省宝贵的电能。如果MAC协议采用最直接的时分多路复用策略，利用占空比的调节便可实现上述目标，但需要参与通信的受访首先实现时间同步，并且同步精度越高，防护频带越小，相应的功耗也越低。因此高精度的时间定位是低功耗MAC协议的基础。313.测距定位定位功能是许多典型的无线传感器网络应用的必需条件，也是当前的一项研究热点。如果网络中的节点保持时间同步，节点间传输的时间容易被确定。由于电磁波在一定介质中的传输速递是确定的，因此传输时间信息很容易转换为距离信息。所以测距的精度直接依赖于时间同步的精度。324.协作传输要求由于无线传感器网络节点的传输功率有限，距离较远的节点之间传输不能达到理想的效果，而协作传输的基本思想为：网络内多个节点同时发送相同的信息，基于电磁波的能量累加效应，远方基站将会接收到一个瞬间功率很强的信号，从而实现直接向远方节点传输信息的目的。要实现协作传输，不仅需要新型的调制和解调方式，而且精确的时间同步也是基本前提。33无线传感器网络的基本功能是收集并返回其传感器节点所在检测区域的信息。传感器网络节点的资源十分有限，在收集信息的过程中采用各个节点单独传送数据到汇聚节点的方法既浪费了通信带宽和能量，又降低了信息的收集效率。数据融合技术在一定程度上缓解了能量问题和信息收集效率。5.2数据融合技术345.2.1概念数据融合是将来自多个传感器和信息源的多份数据或信息进行相关的处理，去除冗余数据，组合出更有效、更符合用户需求的数据的过程。对于无线传感器网络的应用，数据融合技术主要用于处理同一类型传感器的数据。数据融合的定义有三个要点：数据融合是多信源、多层次的处理过程，每个层次代表信息的不同抽象程度。35数据融合过程包括数据检测、关联、估计与合并。数据融合的输出包括低层次上的状态身份估计和高层次上的总战术态势评估。365.2.2策略数据融合策略可以分为应用层数据融合、路由层数据融合以及独立的数据融合。1.应用层数据融合无线传感器网络具有以数据为中心的特点，应用层数据融合的设计需要考虑以下几点：应用层的用户接口需要对用户屏蔽底层的操作，用户不必了解具体是如何收集上来的，即使底层实现有了变化，用户也不必改变原来的操作习惯。37无线传感器网络可以实现多任务，应用层应该提供方便、灵活的查询提交手段。通信过程的代价相对于本地计算的代价要高，应用层数据的表现形式应便于进行网内计算，以便大幅度减少通信的数据量，减少能量消耗。应用层数据融合示例如图5-5所示。38图5-5应用层数据融合示例39图中，假设汇聚节点要查询房间101～104中湿度值大于80%的最大值，低于80%的值将会被过滤掉，并且每个节点采集的数据包括房间号和湿度值。根据数据融合策略，详细传输过程如下：节点4采集的湿度值为80%，节点4将数据传输给节点3。40节点3通过数据融合得出房间101的湿度值最大为81%，所以节点3将它的数据传输给节点2。在节点2采集的湿度值小于80%时，将过滤掉它本身采集的湿度值78%，选择传输节点3采集的值，