這是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理及方法ppt課件，包括了時間同步機(jī)制，定位技術(shù)，數(shù)據(jù)融合，能量管理，容錯技術(shù)，數(shù)據(jù)管理，服務(wù)質(zhì)量保證等內(nèi)容，第4章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的支撐技術(shù) 2．傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步協(xié)議的特點 網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議(NTP)在因特網(wǎng)得到廣泛使用，具有精度高、魯棒性好和易擴(kuò)展等優(yōu)點。但是它依賴的條件在傳感器網(wǎng)絡(luò)中難以滿足，因而不能直接移植運行，主要是由于以下原因： (1)NTP協(xié)議應(yīng)用在已有的有線網(wǎng)絡(luò)中，它假定網(wǎng)絡(luò)鏈路失效的概率很小，而傳感器網(wǎng)絡(luò)中無線鏈路通信質(zhì)量受環(huán)境影響較大，甚至?xí)r常通信中斷。 (2)NTP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，便于為不同位置的結(jié)點手工配置時間服務(wù)器列表，而傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)變化，簡單的靜態(tài)手工配置無法適應(yīng)這種變化，歡迎點擊下載科課件。

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第4章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的支撐技術(shù) 2．傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步協(xié)議的特點 網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議(NTP)在因特網(wǎng)得到廣泛使用，具有精度高、魯棒性好和易擴(kuò)展等優(yōu)點。但是它依賴的條件在傳感器網(wǎng)絡(luò)中難以滿足，因而不能直接移植運行，主要是由于以下原因： (1)NTP協(xié)議應(yīng)用在已有的有線網(wǎng)絡(luò)中，它假定網(wǎng)絡(luò)鏈路失效的概率很小，而傳感器網(wǎng)絡(luò)中無線鏈路通信質(zhì)量受環(huán)境影響較大，甚至?xí)r常通信中斷。 (2)NTP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，便于為不同位置的結(jié)點手工配置時間服務(wù)器列表，而傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)變化，簡單的靜態(tài)手工配置無法適應(yīng)這種變化。 2．傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步協(xié)議的特點 (3)NTP協(xié)議中時間基準(zhǔn)服務(wù)器間的同步無法通過網(wǎng)絡(luò)自身來實現(xiàn)，需要其他基礎(chǔ)設(shè)施的協(xié)助。 (4)NTP協(xié)議需要通過頻繁交換信息，來不斷校準(zhǔn)時鐘頻率偏差帶來的誤差，并通過復(fù)雜的修正算法，消除時間同步消息在傳輸和處理過程中的非確定因素干擾，CPU使用、信道偵聽和占用都不受任何約束，而傳感器網(wǎng)絡(luò)存在資源約束，必須考慮能量消耗。 因此，由于傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點，在能量、價格和體積等方面的約束，使得NTP、GPS等現(xiàn)有時間同步機(jī)制并不適用于通常的傳感器網(wǎng)絡(luò)，需要專門的時間同步協(xié)議才能正常運行和實用化。 定義包含三個要點：（1）數(shù)據(jù)融合是多信源、多層次的處理過程，每個層次代表信息的不同抽象程度；（2）數(shù)據(jù)融合過程包括數(shù)據(jù)的檢測、關(guān)聯(lián)、估計與合并；（3）數(shù)據(jù)融合的輸出包括低層次上的狀態(tài)身份估計和高層次上的總戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢的評估。 數(shù)據(jù)融合的內(nèi)容主要包括：多傳感器的目標(biāo)探測、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、跟蹤與識別、情況評估和預(yù)測。 數(shù)據(jù)融合的基本目的是通過融合得到比單獨的各個輸入數(shù)據(jù)更多的信息。這一點是協(xié)同作用的結(jié)果，即由于多傳感器的共同作用，使系統(tǒng)的有效性得以增強(qiáng) 4.4.3 動態(tài)能量管理 1．空閑能量管理 （1）多種關(guān)閉狀態(tài) 具有多種能量模式的設(shè)備有很多，例如，StrongARM SA-1100處理器有3種能量模式：“運行”、“空閑”和“睡眠”。每種模式對應(yīng)于較低水平的耗能情況。 假設(shè)傳感節(jié)點在某時刻t0探測到一個事件，在時刻t1結(jié)束處理，下一事件在時刻t2= t1+ ti發(fā)生。在時刻t1，節(jié)點決定從激活狀態(tài)S0轉(zhuǎn)換到睡眠狀態(tài)Sk，如圖所示。各狀態(tài)Sk的能耗為Pk，而且轉(zhuǎn)換到此狀態(tài)和恢復(fù)時間分別為和。假設(shè)節(jié)點睡眠狀態(tài)中，對于任意i >j，Pj>Pi，，且。睡眠模式間的能耗可采用狀態(tài)間線性變化的模型。 僅當(dāng)時這種轉(zhuǎn)換是合理的。于是，可得到下面的能量增益閾值： 這意味著轉(zhuǎn)換的延遲花費越大，能量增益閾值越高，而且P0與Pk間的區(qū)別越大，閾值越小。 表4-3列出了上圖所描述傳感節(jié)點的能耗，說明了現(xiàn)有組件在不同能量模式下相應(yīng)的能量增益閾值。 2. 有功能量管理 對于具有能量約束的傳感節(jié)點，OS能對有功能耗進(jìn)行管理。將工作頻率和電壓降低到正適合傳感應(yīng)用的等級，性能不會有顯著下降，但可以降低能耗。 DVS對降低CPU能量是一種十分有效的技術(shù)。一些傳感器系統(tǒng)具有時變的計算負(fù)荷。 3.系統(tǒng)實現(xiàn) DVS電路 DVS電路示意圖： DVS的硬件結(jié)構(gòu)示意 ： 表4-4列出了測得的各種工作模式下傳感節(jié)點的能耗。 4.5容錯技術(shù) 4.5.1概述 容錯領(lǐng)域有幾個基本概念：失效(failure)、故障(fault)、差錯(error)。失效是指某個設(shè)備中止了它完成所要求功能的能力。故障是指一個設(shè)備、元件或組件的一種物理狀態(tài)，在此狀態(tài)下它們不能按照所要求的方式工作。差錯是指一個不正確的步驟、過程或結(jié)果。故障只有在某些條件下才能在其輸出端產(chǎn)生差錯，這些差錯由于在系統(tǒng)內(nèi)部，不是很容易就能觀測到。只有這種差錯積累到一定程度或者在某種系統(tǒng)環(huán)境下，才能使系統(tǒng)失效。所以，失效是面向用戶的，而故障和差錯是面向制造和維修的。 2．容錯的重要性 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)給容錯設(shè)計技術(shù)帶來了新的挑戰(zhàn)，因為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要考慮如下情況： (1)技術(shù)和實現(xiàn)因素。 (2)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用模式。 (3)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個新興的研究和工程領(lǐng)域，處理特定問題的最優(yōu)方法還不明確。 4.5.2故障模型 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)容錯設(shè)計需要考慮三個方面：故障模型、故障檢測與診斷、修復(fù)機(jī)制。 從整體上考慮，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的故障可以分為三個層面，即部件級、節(jié)點級和網(wǎng)絡(luò)級，如表4-5所示。由于網(wǎng)絡(luò)、節(jié)點、部件間的包含關(guān)系，所以高層故障本質(zhì)也是由低層故障所造成。 4.5.3故障檢測與診斷 1. 部件故障檢測 (1) 基于空間相關(guān)性的故障檢測 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相鄰節(jié)點的同類傳感器所測量的值通常很相近，稱這種特性為空間相關(guān)性。根據(jù)故障檢測時是否需要節(jié)點地理位置信息，可以分為如下兩類：①需要地理位置信息； ②不需要地理位置信息 。 (2) 基于貝葉斯信任網(wǎng)絡(luò)故障檢測 貝葉斯信任網(wǎng)絡(luò)包含一個有向圖和與之對應(yīng)的概率表集合。有向圖中的頂點表示變量，邊表示變量之間的影響關(guān)系。貝葉斯信任網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵特征是能夠模型化并推理出不確定因素。模型化節(jié)點間的可靠關(guān)系是通過節(jié)點概率表實現(xiàn)。 應(yīng)用貝葉斯信任網(wǎng)絡(luò)分為構(gòu)造、學(xué)習(xí)、推理三個階段。 (1) 集中式故障檢測 集中式的故障檢測通過在Sink節(jié)點放置檢測程序，實時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。Sink節(jié)點需要收集的內(nèi)容如表4-6所示。 4.5.4故障修復(fù) 1. 基于連接的修復(fù) (1) 部署k連通拓?fù)?2. 基于覆蓋的修復(fù) 假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點具有移動能力，它把覆蓋修復(fù)過程分為四個階段： (1)初始化階段：節(jié)點計算自己的覆蓋區(qū)域、每個覆蓋區(qū)域?qū)��?yīng) 的移動區(qū)域； (2)恐慌請求階段：垂死節(jié)點廣播求助消息； (3)恐慌回應(yīng)階段：垂死節(jié)點的鄰居收到求助消息后計算如果自 己移動到垂死節(jié)點的移動區(qū)域，是否會影響到自身的覆蓋區(qū) 域，如果不影響則給求助節(jié)點返回消息； (4)決策階段：垂死節(jié)點根據(jù)收到的回應(yīng)信息，決定讓哪個節(jié)點 移動。 4.6數(shù)據(jù)管理 4.6.1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 1. 集中式結(jié)構(gòu) 2. 半分布式結(jié)構(gòu) (1)Fjord系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) (2)Cougar系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 3．分布式結(jié)構(gòu) 4. 層次式結(jié)構(gòu) 4.6.2數(shù)據(jù)模型 現(xiàn)有的對傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型的研究主要是對傳統(tǒng)的關(guān)系模型、對象關(guān)系模型或時間序列模型的有限擴(kuò)展。 TinyDB系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型是對傳統(tǒng)的關(guān)系模型的簡單擴(kuò)展。它把傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)定義為一個單一的、無限長的虛擬關(guān)系表。 康奈爾大學(xué)的Cougar系統(tǒng)把傳感器網(wǎng)絡(luò)看成是一個大型分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，每個傳感器對應(yīng)于該分布式數(shù)據(jù)庫的一個節(jié)點，存儲部分?jǐn)?shù)據(jù)。 4.6.3 查詢語言 1.TinyDB系統(tǒng)的查詢語言 TinyDB系統(tǒng)的查詢語言是基于SQL的查詢語言，稱為TinySQL。 該查詢語言支持選擇、投影、設(shè)定采樣頻率、分組聚集、用戶自定義聚集函數(shù)、事件觸發(fā)、生命周期查詢、設(shè)定存儲點和簡單的連接操作。 2.Cougar系統(tǒng)的查詢語言 Cougar系統(tǒng)提供了一種類似于SQL的查詢語言。 在很多傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，對環(huán)境進(jìn)行連續(xù)周期性地監(jiān)測特別重要。因此，Cougar系統(tǒng)的查詢語言提供了對連續(xù)周期性查詢的支持。 4.6.3數(shù)據(jù)存儲 1．?dāng)?shù)據(jù)命名方法 以數(shù)據(jù)為中心的數(shù)據(jù)存儲方法的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)命名。數(shù)據(jù)命名的方法有很多，可以根據(jù)具體應(yīng)用采用不同的命名方法。 一種簡單的數(shù)據(jù)命名方法是層次式命名方法。另一種命名方法是“屬性一值”命名方法。 2. 數(shù)據(jù)中心存儲方法 (1)地理散列函數(shù) (2) 地理路由協(xié)議GPSR (3)地理散列方法如何利用GPSR (4) 增強(qiáng)地理散列方法的魯棒性 (5) 地理散列方法的結(jié)構(gòu)復(fù)制 4.6.4索引技術(shù) 2. 一維分布式索引 DIFS (Distributed Index for Features in Sensor networks)系統(tǒng)采用了一個能夠有效地處理區(qū)域查詢的方法。 DIFS系統(tǒng)通過使用感知數(shù)據(jù)的鍵屬性(由數(shù)據(jù)名和數(shù)據(jù)值范同構(gòu)成)，采用地理散列方法的散列函數(shù)和空間分解技術(shù)構(gòu)造多根層次結(jié)構(gòu)樹，即一維索引。 3.多維分布式索引 DIFS系統(tǒng)支持的區(qū)域查詢僅在兩個屬性(即地理區(qū)域和數(shù)值范同)上具有區(qū)域約束條件。這種查詢稱為二維區(qū)域查詢。 4.6.5查詢處理技術(shù) 1．集中與分布式查詢處理方法 （1）集中式查詢處理方法 （2）分布式查詢處理方法 2. 聚集操作的處理技術(shù) (1) 集中式與分布式聚集技術(shù) (2) 流水線聚集技術(shù) (3) 連續(xù)查詢處理技術(shù) ①單連續(xù)查詢的處理技術(shù) ②多連續(xù)查詢的處理技術(shù) 4.6.6 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)實例 1. 傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)TinyDB (1) TinyDB簡介 TinyDB的主要特征如下： ①提供元數(shù)據(jù)管理。 ②支持說明性查詢語言。 ③提供有效的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾怼?④支持多查詢。 ⑤可擴(kuò)展性強(qiáng)。 (2) TinyDB的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) TinyDB系統(tǒng)主要由客戶端、TinyDB Server和傳感器網(wǎng)絡(luò)三部分構(gòu)成 ，客戶端安裝有基于Java的應(yīng)用程序接口(TinyDB客戶端API)。用戶通過該接口使用TinyDB。 傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每一個節(jié)點都安裝TinyDB的傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件(TinyDB QP)。TinyDB可以分為兩大部分，第一部分是傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件，第二部分是客戶端軟件。傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件是TinyDB的核心，在每個傳感器節(jié)點上運行。 (3) TinyDB的傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件包括四個構(gòu)件： ①傳感器節(jié)點目錄和模式管理器； ②查詢處理器； ③存儲管理器； ④網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾砥?Cougar系統(tǒng)由三部分組成：第一部分是圖形用戶界面GUI；第二部分是客戶前端系統(tǒng)(FrontEnd)；第三部分是查詢代理(QueryProxy)。 4.7服務(wù)質(zhì)量保證 1．服務(wù)質(zhì)量(QoS)定義 服務(wù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)主要包括：可用性、吞吐量、時延、時延變化和丟包率等幾個參數(shù)。 2．服務(wù)質(zhì)量(QoS)支持機(jī)制 (1)Intserv集成業(yè)務(wù) (2)Diffserv區(qū)分業(yè)務(wù) (3)MPLS多協(xié)議標(biāo)簽交換 4.7.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)QoS研究 Holger Karl將當(dāng)前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的QoS研究總結(jié)為三類： ①傳統(tǒng)端到端QoS支持研究：針對實時性無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，提供延遲服務(wù)保證； ②可靠性保證：保證數(shù)據(jù)包傳輸?shù)目煽啃裕?③應(yīng)用相關(guān)QoS：包括傳感覆蓋和如何控制網(wǎng)絡(luò)活動節(jié)點數(shù)量等問題。 在目前大多數(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，人們關(guān)注較多的主要有兩個問題： ①如何保證網(wǎng)絡(luò)能夠及時可靠地發(fā)現(xiàn)所實施應(yīng)用中相關(guān)事件的發(fā)生； ②如何保證采集的傳感數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸時滿足應(yīng)用需求。 這兩個問題可以歸結(jié)為感知服務(wù)質(zhì)量 (傳感覆蓋)和網(wǎng)絡(luò)傳輸服務(wù)質(zhì)量。 在目前大多數(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，人們關(guān)注較多的主要有兩個問題： ①如何保證網(wǎng)絡(luò)能夠及時可靠地發(fā)現(xiàn)所實施應(yīng)用中相關(guān)事件的發(fā)生； ②如何保證采集的傳感數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸時滿足應(yīng)用需求。 這兩個問題可以歸結(jié)為感知服務(wù)質(zhì)量 (傳感覆蓋)和網(wǎng)絡(luò)傳輸服務(wù)質(zhì)量。4rc紅軟基地

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