無線傳感網(wǎng)絡(luò)整理

1、v 第一章l 1:無線傳感網(wǎng)絡(luò)特點：1傳感器節(jié)點數(shù)目大，密度高，采用空間位置尋址。2傳感器節(jié)點的能量、計算能力和存儲能力有限（能量、計算存儲低、關(guān)鍵在有效簡單的路由協(xié)議）3無線傳感網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)易變化，有自組織能力。（與傳統(tǒng)的有不同的特點和技術(shù)要求：它根據(jù)需要可以在工作和休眠之間切換，因此網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)容易發(fā)生變化，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)重在QoS和更大的寬帶保證，并且是靜止的。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要節(jié)省能量，保證連通性和延長運行壽命）4傳感器節(jié)點具有數(shù)據(jù)融合能力（與Mesh網(wǎng)絡(luò)區(qū)別，數(shù)據(jù)小，移動，重能源。 與無線Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)比數(shù)量多、密度大、易受損、拓撲結(jié)構(gòu)頻繁、廣播式點對多通信、節(jié)點能量、計算能力受限

2、。）l 2：WSN，Ad hoc和無線寬帶網(wǎng)絡(luò)關(guān)系及各自特點：相同點： 基本不需要人的干預(yù)，大部分工作是以自組織的方式完成的，二者統(tǒng)稱為自組織網(wǎng)絡(luò)（Self-Organization Networks）。二者的研究都是追求低功耗的自組織網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。不同點： （1）網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和工作模式各不相同。 Ad hoc網(wǎng)絡(luò): 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)動態(tài)變化。 WSN: 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)是（準）靜態(tài)的。 （2）工作模式不同。 WSN: 多對一(Many-to-One)通信，節(jié)點之間幾乎不會發(fā)生消息交換。以數(shù)據(jù)為中心（Data Centric），與組播正好相反 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò) ：網(wǎng)絡(luò)中任意兩節(jié)點之間都有通信的可能。l 3

3、：傳感器節(jié)點4個模塊構(gòu)成：傳感器模塊：信息采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理器模塊：控制、數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議無線通訊模塊：無線通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)能量供應(yīng)模塊：提供能量l 4：拓撲結(jié)構(gòu)：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)是組織無線傳感器節(jié)點的組網(wǎng)技術(shù)，有多種形態(tài)和組網(wǎng)方式。按照其組網(wǎng)形態(tài)和方式來看，有集中式、分布式和混合式。集中式結(jié)構(gòu)：類似移動通信的蜂窩結(jié)構(gòu)，集中管理；分布式結(jié)構(gòu)：類似Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可自組織網(wǎng)絡(luò)接入連接，分布管理；混合式結(jié)構(gòu)：包括集中式和分布式結(jié)構(gòu)的組合。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)狀式結(jié)構(gòu)，類似Mesh 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)狀分布連接和管理。l 5：WSN協(xié)議棧的5層協(xié)議和3個管理平臺：WSN協(xié)

4、議棧多采用五層協(xié)議：應(yīng)用層基于監(jiān)測任務(wù)的應(yīng)用層軟件傳輸層負責數(shù)據(jù)流的傳輸控制，是保證通信服務(wù)質(zhì)量的重要部分網(wǎng)絡(luò)層負責路由生成與路由選擇數(shù)據(jù)鏈路層負責數(shù)據(jù)成幀、幀檢測、媒體訪問和差錯控制物理層提供簡單但健壯的信號調(diào)制和無線收發(fā)技術(shù)能源管理平臺： 管理傳感器節(jié)點如何使用能量； 移動管理平臺： 檢測和注冊傳感器節(jié)點的移動，維護到匯聚點的路由，使得傳感器節(jié)點能夠跟蹤它的鄰居； 任務(wù)管理平臺： 在一個給定的區(qū)域內(nèi)平衡和調(diào)度監(jiān)測任務(wù)l 6：國際標準IEEE 802.15.4與Zigbee的關(guān)系：IEEE 802.15.4, 屬于物理層和MAC層標準，已成為WSN的事實標準。Zigbee, 在IEEE 80

5、2.15.4之上，重點制定網(wǎng)絡(luò)層、安全層、應(yīng)用層的標準規(guī)范v 第二章：WSN路由協(xié)議是一套將數(shù)據(jù)從源節(jié)點傳輸?shù)侥康墓?jié)點的機制。l 1：路由協(xié)議特點：考慮網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點能量優(yōu)化節(jié)點能量限制，大部分能量用于通信，所以研究低功耗的通信協(xié)議，尤其是路由協(xié)議具有高可擴展性 網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，節(jié)點上千個，節(jié)點越多，路由收斂越慢、路由越不穩(wěn)定，Ad Hoc的路由不能照搬 網(wǎng)絡(luò)拓撲變化強節(jié)點移動、失效 & 無線信道 & 規(guī)模大，拓撲變化頻繁，如何建立快速收斂、復(fù)雜度低的路由？）傳感器網(wǎng)絡(luò)路由中使用數(shù)據(jù)融合技術(shù)（數(shù)據(jù)為中心）傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)以點對點通信，保證數(shù)據(jù)“完整無誤”；WSN強調(diào)數(shù)據(jù)匯聚，為了降耗，每個節(jié)點都

6、進行數(shù)據(jù)融合，減小通信量傳感器網(wǎng)絡(luò)中流量分布不對稱 數(shù)據(jù)收集網(wǎng)絡(luò)&多源單Sink，越接近Sink，流量越大其他：冗余設(shè)計、定位、覆蓋性、QoS等l 2：其他網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不適用與wsn的原因：與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不同： （傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)（如GSM）放在QoS上；WSN重點在能耗上）l 3：四種路由協(xié)議：能量感知路由協(xié)議 節(jié)點根據(jù)可用能量（power available，PA）或傳輸路徑上的能量需求，選擇數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。節(jié)點可用能量就是節(jié)點當前的剩余能量?；诓樵兊穆酚蓞f(xié)議 泛洪（Flooding）算法的主要思想是由源節(jié)點發(fā)起數(shù)據(jù)廣播，然后任意一個收到廣播的節(jié)點都無條件將該數(shù)據(jù)副本廣播出去，每一節(jié)點都重復(fù)這樣

7、的過程直到數(shù)據(jù)遍歷全網(wǎng)或者達到規(guī)定的最大跳數(shù)。算法不用維護網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和路由計算，實現(xiàn)簡單。但是最主要的是內(nèi)爆和重疊以及資源盲點等。內(nèi)爆現(xiàn)象重疊現(xiàn)象Gossiping協(xié)議是對Flooding協(xié)議的改進當節(jié)點收到數(shù)據(jù)包時，只將數(shù)據(jù)包隨機轉(zhuǎn)發(fā)給與其相鄰的節(jié)點的某一個節(jié)點或幾個，而不是所有節(jié)點。當相鄰節(jié)點收到數(shù)據(jù)包時，也采用同樣的辦法轉(zhuǎn)發(fā)給與其相鄰某一個節(jié)點。優(yōu)點：就降低了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)重疊的可能性，避免了信息內(nèi)爆現(xiàn)象的產(chǎn)生; 缺點：點到點的時延較大由于隨機轉(zhuǎn)發(fā)某一個節(jié)點的方向并不一定在距離目的節(jié)點更近的方向上，因此容易造成數(shù)據(jù)到達目的節(jié)點時間過長或者跳數(shù)己達到最大，而數(shù)據(jù)還沒有到達目的節(jié)點，造成遞送失敗

8、。剛開始的很短的時間內(nèi)發(fā)送速率很大，但是隨著數(shù)據(jù)的發(fā)送，速度會明顯降低，而且它并不能很好解決重疊的問題。SPIN考慮到WSN的數(shù)據(jù)冗余，臨近節(jié)點所感知的數(shù)據(jù)具有相似性，通過節(jié)點間協(xié)商方式減少數(shù)據(jù)傳輸量，只廣播其他節(jié)點沒有的數(shù)據(jù)優(yōu)點SPIN利用三步握手機制 （解決內(nèi)爆）SPIN利用數(shù)據(jù)融合（DC），部分解決了重疊問題不需要進行路由維護對網(wǎng)絡(luò)拓撲變化不敏感，可用于移動WSN缺點當產(chǎn)生或收到數(shù)據(jù)的節(jié)點的所有鄰節(jié)點都不需要該數(shù)據(jù)時，將導(dǎo)致數(shù)據(jù)不能繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)本質(zhì)上SPIN還是向全網(wǎng)擴散新消息，開銷比較大當多個節(jié)點向同一個節(jié)點同時發(fā)送REQ時，需要退避算法 雖然減輕了數(shù)據(jù)內(nèi)爆，但在較大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中，ADV內(nèi)爆

9、仍然存在。集群結(jié)構(gòu)路由協(xié)議 地理位置路由協(xié)議l 4：集群結(jié)構(gòu)的兩個階段（集群與交互）：集群結(jié)構(gòu)路由協(xié)議實際是分層結(jié)構(gòu)路由協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)劃分為多個簇，每個簇由一個簇頭和簇成員組成，這些簇頭形成高一級網(wǎng)絡(luò)，在高一級網(wǎng)絡(luò)中，可以再一次分簇，形成更高一級網(wǎng)絡(luò)簇頭管理簇內(nèi)節(jié)點，收集和融合簇內(nèi)信息和簇間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。優(yōu)點：擴展性好，適宜大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)l 5：LEACH：最早的一種分層路由算法，主要考慮簇內(nèi)節(jié)點能耗簇頭作為一定區(qū)域所有節(jié)點的代理，負責和Sink的通信；非簇頭節(jié)點可以使用小功率和簇頭節(jié)點通信；簇頭節(jié)點可以對所轄區(qū)域節(jié)點數(shù)據(jù)進行融合，減少網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)；簇頭選舉算法的設(shè)計，要求保證公平性；簇內(nèi)節(jié)點與簇頭

10、距離近，功耗?。淮仡^進行數(shù)據(jù)融合，減少通信量；簇頭消耗大量能量，所以定期選舉簇頭；LEACH算法工作階段：網(wǎng)絡(luò)按照周期工作，每個周期分為兩個階段：簇頭建立階段：節(jié)點運行算法，確定本次自己是否成為簇頭（選簇）；簇頭節(jié)點廣播自己成為簇頭的事實；其他非簇頭節(jié)點按照信號強弱選擇應(yīng)該加入的簇頭，并通知該簇頭節(jié)點；簇頭節(jié)點按照TDMA的調(diào)度，給依附于他的節(jié)點分配時間片；數(shù)據(jù)傳輸階段：節(jié)點在分配給他的時間片上發(fā)送數(shù)據(jù)；優(yōu)點優(yōu)化了傳輸數(shù)據(jù)所需能量；優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)量（簇頭數(shù)據(jù)融合）；缺點節(jié)點硬件需要支持射頻功率自適應(yīng)調(diào)整；無法保證簇頭節(jié)點能遍及整個網(wǎng)絡(luò)；分簇與簇頭選舉 要公平l 6：三步握手協(xié)議：節(jié)點A有新

11、數(shù)據(jù)，通過ADV發(fā)布新數(shù)據(jù)信息，使用元數(shù)據(jù)B節(jié)點收到ADV后，發(fā)現(xiàn)自己沒有該數(shù)據(jù)，通過REQ向A請求新數(shù)據(jù)A節(jié)點向B節(jié)點傳送源數(shù)據(jù)B節(jié)點融合新數(shù)據(jù)，并通過ADV發(fā)布新數(shù)據(jù)消息如果節(jié)點ADV中描述的數(shù)據(jù)的副本就忽略該消息v 第三章l 1:隱藏終端：隱藏終端是指在接收接點的覆蓋范圍內(nèi)而在發(fā)送節(jié)點的覆蓋范圍外的節(jié)點。隱藏終端由于聽不到發(fā)送節(jié)點的發(fā)送而可能向相同的接收節(jié)點發(fā)送分組，導(dǎo)致分組在接收節(jié)點處沖突。沖突后發(fā)送節(jié)點要重傳沖突的分組，這降低了信道的利用率。隱發(fā)送終端可以通過握手報文解決，隱接收終端無法解決。l 2:暴露終端：暴露終端是指在發(fā)送接點的覆蓋范圍內(nèi)而在接收節(jié)點的覆蓋范圍外的節(jié)點。暴露終端

12、因聽到發(fā)送節(jié)點的發(fā)送而可能延遲發(fā)送。但是，它其實是在接收節(jié)點的通信范圍之外，它的發(fā)送不會造成沖突。這就引入了不必要的時延。 暴露終端無法解決。l 3:隱藏終端和暴露終端問題產(chǎn)生的原因由于網(wǎng)絡(luò)具有動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)；在無線環(huán)境中，采用異步通信技術(shù)，各個移動節(jié)點共享同一個通信信道，存在信道分配和競爭問題；為了提高信道利用率，移動節(jié)點電臺的頻率和發(fā)射功率都比較低；信號受無線信道中的噪聲、信道衰落和障礙物的影響；因此移動節(jié)點的通信距離受到限制，一個節(jié)點發(fā)出的 信號，網(wǎng)絡(luò)中的其它節(jié)點不一定都能收到，從而會出現(xiàn)“隱藏終端”和“暴露終端”問題。l 4:隱藏終端和暴露終端問題的解決方法 解決方法的思路：使

13、接收節(jié)點周圍的鄰居節(jié)點都能了解到它正在進行接收；一種是接收節(jié)點在接收的同時發(fā)送 忙音來通知鄰居節(jié)點，即BTMA（Busy-Tone Multiple Access ）系列；另一種方法是發(fā)送節(jié)點在數(shù)據(jù)發(fā)送前與接收節(jié)點進行一次短控制消息握手交換，以短消息的方式通知鄰居節(jié)點它即將進行接收，即RTS/CTS方式。 對于隱藏發(fā)送終端問題，可以使用控制分組進行握手的方法加以解決。在單信道條件下使用控制分組的方法只能解決隱發(fā)送終端，無法解決隱藏接收終端和暴露終端問題。為此，必須采用雙信道的方法。即利用數(shù)據(jù)信道收發(fā)數(shù)據(jù)，利用控制信道收發(fā)控制信號；l 5：（競爭型）CSMA/CD與CSMA/CA運作方法：CSM

14、A/CD：（載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測方法）是一種分布式介質(zhì)訪問控制協(xié)議，網(wǎng)中的各個站（節(jié)點）都能獨立地決定數(shù)據(jù)幀的發(fā)送與接收。每個站在發(fā)送數(shù)據(jù)幀之前，首先要進行載波監(jiān)聽，只有介質(zhì)空閑時，才允許發(fā)送幀。這時，如果兩個以上的站同時監(jiān)聽到介質(zhì)空閑并發(fā)送幀，則會產(chǎn)生沖突現(xiàn)象，這使發(fā)送的幀都成為無效幀，發(fā)送隨即宣告失敗。每個站必須有能力隨時檢測沖突是否發(fā)生，一旦發(fā)生沖突，則應(yīng)停止發(fā)送，以免介質(zhì)帶寬因傳送無效幀而被白白浪費，然后隨機延時一段時間后，再重新爭用介質(zhì)，重發(fā)送幀。CSMA/CD協(xié)議簡單、可靠，其網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（如Ethernet）被廣泛使用。CSMA/CA：（載波偵聽多點接入/避免沖撞）一方面，載波

15、偵聽-查看介質(zhì)是否空閑；另一方面，避免沖撞-通過隨機的時間等待，使信號沖突發(fā)生的概率減到最小，當介質(zhì)被偵聽到空閑時，優(yōu)先發(fā)送。還提供了帶確認幀ACK的CSMA/CA。在一旦遭受其他噪聲干擾，或者由于偵聽失敗時，信號沖突就有可能發(fā)生，而這種工作于MAC層的ACK此時能夠提供快速的恢復(fù)能力。l 6：（競爭型）CSMA/CD與CSMA/CA的區(qū)別與聯(lián)系：CSMA/CD帶有沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問，可以檢測沖突，但無法“避免”：CSMA/CA帶有沖突避免的載波偵聽多路訪問，發(fā)送包的同時不能檢測到信道上有無沖突，只能盡量避免；1.兩者的傳輸介質(zhì)不同，CSMA/CD用于總線式以太網(wǎng)，而CSMA/CA則用

16、于無線局域網(wǎng)802.11a/b/g/n等等；2.檢測方式不同，CSMA/CD通過電纜中電壓的變化來檢測，當數(shù)據(jù)發(fā)生碰撞時，電纜中的電壓就會隨著發(fā)生變化；而CSMA/CA采用能量檢測(ED)、載波檢測(CS)和能量載波混合檢測三種檢測信道空閑的方式；競爭型：基本思想發(fā)送時主動搶占，CSMA方式；按需分配；保證任一時刻在通信區(qū)域內(nèi)只能有一個無線節(jié)點獲得信道使用權(quán)；優(yōu)點根據(jù)需要分配信道，網(wǎng)絡(luò)流量和規(guī)模變化自適應(yīng)；網(wǎng)絡(luò)拓撲變化自適應(yīng)；不需要復(fù)雜的時間同步或集中控制調(diào)度算法，算法較簡單；l 7：（分配型）TDMA，CDMA，F(xiàn)DMA分配型基本思想發(fā)送時主動搶占，CSMA方式；按需分配；保證任一時刻在通信

17、區(qū)域內(nèi)只能有一個無線節(jié)點獲得信道使用權(quán)；優(yōu)點根據(jù)需要分配信道，網(wǎng)絡(luò)流量和規(guī)模變化自適應(yīng)；網(wǎng)絡(luò)拓撲變化自適應(yīng)；不需要復(fù)雜的時間同步或集中控制調(diào)度算法，算法較簡單；l 8：（混合型）ZMAC及基本思想采用CSMA機制作為基本方法 ；競爭加劇時使用TDMA機制解決沖突問題；引入時間幀，每個時間幀分為若干時隙，每個節(jié)點都會在時間幀中擁有一個時隙分配了時隙的節(jié)點稱為該時隙的所有者；節(jié)點可以選擇任何時隙發(fā)送數(shù)據(jù)，但相應(yīng)時隙的所有者擁有更高的發(fā)送優(yōu)先級；時隙在被所有者閑置時還能被其他的節(jié)點使用，從而提高信道利用率。關(guān)鍵技術(shù)：鄰居發(fā)現(xiàn)時隙分配本地時間幀交換局部同步v 第四章1：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層對節(jié)點能耗的

18、影響：傳感器節(jié)點的大部分能量消耗在無線通信模塊 ?？臻e狀態(tài)->睡眠狀態(tài)（節(jié)能）2：多徑信道到達接收天線的信號可能存在多種反射波（廣義地說，地面反射波也應(yīng)包括在內(nèi)），這種現(xiàn)象稱為多徑傳播。3：加性噪聲信道s(t)n(t)如果噪聲主要是由電子元件和接收放大器引入的，則為熱噪聲，統(tǒng)計學上表征為高斯噪聲。因此，該數(shù)學模型稱為加性白高斯噪聲信道(AWGN,Additive White Gaussian Noise Channel)模型。因該模型可以廣泛地應(yīng)用于許多通信信道，又由于它數(shù)學上易處理，所以這是目前通信系統(tǒng)分析和設(shè)計中主要應(yīng)用的信道模型。信道衰減很容易結(jié)合進這個模型，當信號遇到衰減時，則收

19、到的信號為 r(t)=as(t)+n(t) 式中，a表示衰減因子。4：乘性噪聲信道5：調(diào)制解調(diào)模擬調(diào)制解調(diào)：基于正弦波的調(diào)制技術(shù)無外乎對其參數(shù)幅度A(t)、頻率f(t), 相位 (t)的調(diào)整。分別對應(yīng)的調(diào)制方式為幅度調(diào)制（AM）、頻率調(diào)制(FM)、相位調(diào)制(PM)。（由于模擬調(diào)制自身的功耗較大且抗干擾能力及靈活性差，所以正逐步被數(shù)字式調(diào)制技術(shù)替代。但當前，模擬調(diào)制技術(shù)仍在上（下）變頻處理中起著無可替代的作用。）數(shù)字調(diào)制解調(diào)：數(shù)字調(diào)制技術(shù)是把基帶信號以一定方式調(diào)制到載波上進行傳輸。從對載波參數(shù)的改變方式上可把調(diào)制方式分成三種類型：ASK、FSK和PSK。每種類型又有多種不同的具體形式。如正交載波

20、調(diào)制技術(shù)、單邊帶技術(shù)、殘留邊帶技術(shù)和部分響應(yīng)技術(shù)等都是基于ASK的變型。FSK中又分連續(xù)相位（CPFSK）與不連續(xù)相位調(diào)制，以及多相PSK調(diào)制等ASK （Amplitude Shift Keying） 結(jié)構(gòu)簡單易于實現(xiàn) 對帶寬的要求小 缺點是抗干擾能力差 FSK （Frequency Shift Keying ): 相比于ASK需要更大的帶寬PSK (Phase Shift Keying): 更復(fù)雜，但是具有較好的抗干擾能力 v 第六章（時間同步作用）l 1： 同步技術(shù)的分類排序、相對同步與絕對同步（三個不同的層次，遞進關(guān)系）排序：是最簡單的，對事件發(fā)生的先后順序的判斷相對同步：節(jié)點維持其本地

21、時鐘的獨立運行，動態(tài)獲取并存儲它與其他節(jié)點之間的時鐘偏移和時鐘漂移。典型代表，RBS（Reference Broadcast Synchronization）絕對同步： 節(jié)點本地時間和參考基準時間保持時刻一致。典型代表，TPSN（Timing-sync Protocol for Sensor Networks）外同步與內(nèi)同步根據(jù)同步時間參考源來自于網(wǎng)絡(luò)外部或者內(nèi)部局部同步與全網(wǎng)同步時間同步對象的范圍不同（部分相關(guān)節(jié)點、網(wǎng)內(nèi)所有節(jié)點）l 2:傳統(tǒng)同步：NTP與GPSNTP：Network Time Protocol(網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議)NTP協(xié)議是因特網(wǎng)上時間同步協(xié)議的標準，用于把因特網(wǎng)上計算機的時間

22、同步于UTC時問。同步精度可達毫秒級。NTP協(xié)議并不能直接適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)：這兩種網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點具有很大差異，導(dǎo)致復(fù)雜的、高精度的NTP協(xié)議不可能在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上運行,體積、計算能力和存儲空間存在限制；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用無線傳輸方式而因特網(wǎng)卻主要采用可靠得多的有線傳輸方式，這兩種傳輸方式在帶寬、抗干擾能力和抗衰落能力等方面具有巨大的差別；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用要求算法具有強的局部性，即達到局部最優(yōu)性，但因特網(wǎng)則強調(diào)整體最優(yōu)性。GPS全球定位系統(tǒng)系統(tǒng)由三部分構(gòu)成,分別為空間星座部分、地面監(jiān)控部分和用戶設(shè)各部分。空間部分是由24顆GPS工作衛(wèi)星所組成的。其中21顆為可用于導(dǎo)航的衛(wèi)星,3顆為活動

23、的備用衛(wèi)星。24顆衛(wèi)星分布在6個傾角為55°,高度約為2000O km的高空軌道上繞地球運行。衛(wèi)星的運行周期約為12恒星時,每顆GPS工作衛(wèi)星均在不間斷地向地球播發(fā)調(diào)制在兩個頻段上的衛(wèi)星信號。地面監(jiān)控部分由分布在全球的若干個跟蹤站所組成的監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成。根據(jù)其作用不同，這些跟蹤站又被分為主控站、監(jiān)控站和注入站。GPS用戶設(shè)備部分由GPS接收機(移動站、基準站等)、數(shù)據(jù)處理軟件及相應(yīng)用戶設(shè)備等組成。在地球上任何一點,GPS用戶設(shè)各可連續(xù)地同步觀測至少4顆GPS衛(wèi)星,利用GPS工作衛(wèi)星的信號進行高精度的精密定位以及高精度的時間傳遞從根本上解決了人類在地球上的導(dǎo)航與定位問題。每顆衛(wèi)星上配備有

24、高精度的銣、銫原子鐘，并不斷發(fā)射其時間信息地面接收裝置同時接收4顆衛(wèi)星的時間信息，采用偽距測量定位方法可計算出時間和位置信息缺點:信號穿透性差，必須安裝在室外，且附近沒有高大的遮擋物；體積和功耗也較大；不適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。3:傳輸延遲的不確定性報文傳輸延遲的不確定性是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步的主要挑戰(zhàn)之一：傳輸延遲比要求的時間同步的精度大得多；傳輸延遲極易受到處理器負載、網(wǎng)絡(luò)負載等因素的影響。SendtimeAccesstimeTransmissiontimeReception timeReceivetimePropagationtimeSenderReceiverl 3：典型時間同步協(xié)議 發(fā)

25、送者à接收者：DMTS發(fā)送者在同步報文中嵌入其本地時間，DMTS（Delay Measurement Time Synchronization） 考慮了報文的傳輸延遲，接收者測量報文的傳輸延遲，并將本地時間設(shè)置為報文傳輸延遲與發(fā)送時刻之和。優(yōu)點：通過單個的廣播報文，一次就可以同步廣播域內(nèi)的所有節(jié)點，并且計算非常簡單，是一種非常簡單有效的同步協(xié)議。缺點：DMTS同步協(xié)議沒有考慮傳播延遲，編解碼時間的影響，并且沒有對時鐘漂移進行補償，同步精度不高。接收者-接收者：RBS （Reference Broadcast Synchronization） 基本思想：同步報文的多個接收者參考節(jié)點每發(fā)

26、出一個參考報文，其廣播域內(nèi)的其他接收者節(jié)點都將接收到該報文，并各自記錄下接收到該參考報文時的本地時刻。接收者們交換它們記錄的時刻并計算差值，該差值就是接收者之間的時鐘偏移參考報文不需要攜帶參考節(jié)點的本地時間，它的作用不是為了向接收者們通告參考節(jié)點的時間，而是為了激發(fā)接收節(jié)點同時記錄下各自的本地時間同步誤差：與接收者們是否在同一時刻記錄下本地時間有直接關(guān)系同步的基本依據(jù)：接收者時間相移均值為0ReceiverNICSenderCritical PathTimeNICSenderReceiver1Critical PathReceiver2發(fā)送者-接受者 接受者->接受者單跳RBSRBS基于

27、速率恒定的時鐘模型對節(jié)點間時鐘漂移進行補償用最小二乘法對從某時刻開始的節(jié)點間的時鐘偏移數(shù)據(jù)進行線性擬合，估計時鐘漂移（clock skew）提高同步精度多跳RBS對單跳RBS協(xié)議擴展，可以實現(xiàn)兩個多跳節(jié)點之間的同步。a）圖中節(jié)點9的本地時間與節(jié)點1的本地時間相互轉(zhuǎn)化，以節(jié)點4為媒介時間路由技術(shù)：尋找一條連接同步源節(jié)點和目標節(jié)點之間的轉(zhuǎn)換路徑，按照該路徑逐跳地進行時間轉(zhuǎn)換。TPSN（Timing-sync Protocol for Sensor Networks）否定：DMTSàRBS否定之否定：RBSàTPSN UCLA的NESL實驗室的S.Ganeriwal認為：傳統(tǒng)的發(fā)

28、送者接收者同步協(xié)議的同步精度較低的根源在于：基于單向報文所估算出的報文傳播延遲不夠精確。如果采用雙向報文，基于報文傳輸?shù)膶ΨQ性，有可能精確地計算出報文的傳輸延遲，因此能獲得高的同步精度。為此，引入了NTP協(xié)議中的雙向報文交換協(xié)議。TPSN：雙報文交換的發(fā)送者à接收者同步理論分析和實驗證明：TPSN同步誤差是RBS的一半令當節(jié)點A的本地時刻為T1時，節(jié)點A和B之間的時偏在T4時刻，若在節(jié)點A的本地時間上增加修正量，就達到和節(jié)點B之間瞬時的時間同步，此時刻稱為同步點節(jié)點A節(jié)點BT1T4T2T3RequestReply同步點v 第七章：l 1. WSN定位概述-什么是定位？ 定位就是確定位

29、置。定位的兩種意義：一種是確定自己在系統(tǒng)中的位置；一種是確定目標在系統(tǒng)中的位置。位置信息的類型：物理位置、符號位置物理位置指目標在特定坐標系下的位置數(shù)值，表示目標的相對或者絕對位置。符號位置指在目標與一個基站或者多個基站接近程度的信息，表示目標與基站之間的連通關(guān)系，提供目標大致的所在范圍。l 2：定位的技術(shù)指標(3個)精度：最重要的指標，指定位系統(tǒng)提供的位置信息的精確程度。 絕對精度：指以長度為單位度量的精度?，F(xiàn)在使用GPS的導(dǎo)航系統(tǒng)精度約5m；一些商業(yè)的室內(nèi)定位系統(tǒng)提供30cm的精度。相對精度：通常以節(jié)點之間距離的百分比來定義。覆蓋范圍：是另一個重要指標，它和精度是一對矛盾。刷新速度：提供位

30、置信息的頻率。WSN定位服務(wù)方面的技術(shù)指標功耗：WSN是功耗受限制的，不同定位方法的功耗差別很大帶寬：協(xié)議棧開銷+數(shù)據(jù)的有效載荷+定位服務(wù)的開銷 節(jié)點密度：節(jié)點密度要求越高，單次定位的通信開銷越大，消耗的電能越多；不同定位方法對于參考節(jié)點的數(shù)量要求不同，設(shè)計算法時盡量使用節(jié)點密度要求不高的算法。 擴展性和魯棒性：節(jié)點加入、離開或者出錯的時候，定位方法具有克服這些干擾繼續(xù)工作的能力。3：基于測距的定位技術(shù)通過測量和估計節(jié)點之間的距離，根據(jù)幾何關(guān)系計算出節(jié)點之間的位置3.1三邊定位和多邊定位 信號強度（RSS） 信號傳播時間/時間差（TOA/TDOA/RTOF） 接收信號相位（PDOA） 近場電磁

31、測距（NFER） 信號傳播時間/時間差往返時間（TOA/TDOA/RTOF）法： 這一類方法使用信號傳播的時間，來確定節(jié)點之間的距離TOA，到達時間法：使用發(fā)射機到接收機之間的時間來計算收發(fā)機之間的距離。TDOA，到達時間差法：使用兩種不同傳播速度的信號，一個超聲波信號，一個射頻信號，兩個信號向同一個方向發(fā)送即可。RTOF，往返傳播時間法：發(fā)射機和接收機屬于不同的時鐘域，可以用計算往返時間、扣除處理延時的方法估計發(fā)射機和接收機之間的距離。TOATDOARTOF公式有錯誤：TOA需要先同步，其他兩個不用接收信號相位差（PDOA）法：該方法通過測相位差，求出信號往返的傳播時間，計算出往返距離 其中

32、，fc是信號頻率，是信號的波長，是發(fā)送信號和反射信號的相位差。由上式可知d的范圍是0, 。不同的距離如果相差倍，則測量獲得的相位相同。近場電磁測距（NFER）法：該方法利用了在近場電場與磁場的相位差來測量距離。射頻信號包括電場和磁場2部分。近場電磁測距方法的測距范圍0.05 0.5之間，最佳測量范圍0.08 0.3之間。3.2角度定位利用角度關(guān)系定位，常用的角度定位方法：已知兩個頂點和夾角的射線確定一點已知三點和三個夾角確定一點已知兩個頂點和夾角的射線確定一點已知三點和三個夾角確定一點利用TOA/TDOA(三邊或多邊)+PDOA/NFER（角度）精確測距定位4：無需測距的定位技術(shù)無需測距的定位技術(shù)不需要直接測量距離和角度信息，僅根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的連通性確定網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的跳數(shù)，同時根據(jù)已知位置參考節(jié)點的位置等信息估計出每一跳的大致距離，然后估計出節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中的位置。定位精度相對較低質(zhì)心定位：質(zhì)心（Centroid）指多邊形的幾何中心，是多邊形頂點坐標的平均值。設(shè)多邊形頂點位置的向量表示為pi=（xi,yi）T，則質(zhì)心為根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的連通性確定目標節(jié)點周圍的參考節(jié)點，直接求解參考節(jié)點構(gòu)成的多邊形的質(zhì)心。優(yōu)點:實現(xiàn)簡單、通信開銷小缺點：僅能實現(xiàn)粗粒