這是無線傳感器網絡原理及方法ppt課件，包括了時間同步機制，定位技術，數據融合，能量管理，容錯技術，數據管理，服務質量保證等內容，第4章無線傳感器網絡的支撐技術 2．傳感器網絡時間同步協議的特點 網絡時間協議(NTP)在因特網得到廣泛使用，具有精度高、魯棒性好和易擴展等優(yōu)點。但是它依賴的條件在傳感器網絡中難以滿足，因而不能直接移植運行，主要是由于以下原因： (1)NTP協議應用在已有的有線網絡中，它假定網絡鏈路失效的概率很小，而傳感器網絡中無線鏈路通信質量受環(huán)境影響較大，甚至時常通信中斷。 (2)NTP協議的網絡結構相對穩(wěn)定，便于為不同位置的結點手工配置時間服務器列表，而傳感器網絡的拓撲結構動態(tài)變化，簡單的靜態(tài)手工配置無法適應這種變化，歡迎點擊下載科課件。

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第4章無線傳感器網絡的支撐技術 2．傳感器網絡時間同步協議的特點 網絡時間協議(NTP)在因特網得到廣泛使用，具有精度高、魯棒性好和易擴展等優(yōu)點。但是它依賴的條件在傳感器網絡中難以滿足，因而不能直接移植運行，主要是由于以下原因： (1)NTP協議應用在已有的有線網絡中，它假定網絡鏈路失效的概率很小，而傳感器網絡中無線鏈路通信質量受環(huán)境影響較大，甚至時常通信中斷。 (2)NTP協議的網絡結構相對穩(wěn)定，便于為不同位置的結點手工配置時間服務器列表，而傳感器網絡的拓撲結構動態(tài)變化，簡單的靜態(tài)手工配置無法適應這種變化。 2．傳感器網絡時間同步協議的特點 (3)NTP協議中時間基準服務器間的同步無法通過網絡自身來實現，需要其他基礎設施的協助。 (4)NTP協議需要通過頻繁交換信息，來不斷校準時鐘頻率偏差帶來的誤差，并通過復雜的修正算法，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，而傳感器網絡存在資源約束，必須考慮能量消耗。 因此，由于傳感器網絡的特點，在能量、價格和體積等方面的約束，使得NTP、GPS等現有時間同步機制并不適用于通常的傳感器網絡，需要專門的時間同步協議才能正常運行和實用化。 定義包含三個要點：（1）數據融合是多信源、多層次的處理過程，每個層次代表信息的不同抽象程度；（2）數據融合過程包括數據的檢測、關聯、估計與合并；（3）數據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)術態(tài)勢的評估。 數據融合的內容主要包括：多傳感器的目標探測、數據關聯、跟蹤與識別、情況評估和預測。 數據融合的基本目的是通過融合得到比單獨的各個輸入數據更多的信息。這一點是協同作用的結果，即由于多傳感器的共同作用，使系統(tǒng)的有效性得以增強 4.4.3 動態(tài)能量管理 1．空閑能量管理 （1）多種關閉狀態(tài) 具有多種能量模式的設備有很多，例如，StrongARM SA-1100處理器有3種能量模式：“運行”、“空閑”和“睡眠”。每種模式對應于較低水平的耗能情況。 假設傳感節(jié)點在某時刻t0探測到一個事件，在時刻t1結束處理，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，而且轉換到此狀態(tài)和恢復時間分別為和。假設節(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。 僅當時這種轉換是合理的。于是，可得到下面的能量增益閾值： 這意味著轉換的延遲花費越大，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，說明了現有組件在不同能量模式下相應的能量增益閾值。 2. 有功能量管理 對于具有能量約束的傳感節(jié)點，OS能對有功能耗進行管理。將工作頻率和電壓降低到正適合傳感應用的等級，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。一些傳感器系統(tǒng)具有時變的計算負荷。 3.系統(tǒng)實現 DVS電路 DVS電路示意圖： DVS的硬件結構示意 ： 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 4.5.1概述 容錯領域有幾個基本概念：失效(failure)、故障(fault)、差錯(error)。失效是指某個設備中止了它完成所要求功能的能力。故障是指一個設備、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、過程或結果。故障只有在某些條件下才能在其輸出端產生差錯，這些差錯由于在系統(tǒng)內部，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 無線傳感器網絡的出現給容錯設計技術帶來了新的挑戰(zhàn)，因為無線傳感器網絡需要考慮如下情況： (1)技術和實現因素。 (2)無線傳感器網絡的應用模式。 (3)無線傳感器網絡是一個新興的研究和工程領域，處理特定問題的最優(yōu)方法還不明確。 4.5.2故障模型 無線傳感器網絡容錯設計需要考慮三個方面：故障模型、故障檢測與診斷、修復機制。 從整體上考慮，無線傳感器網絡中的故障可以分為三個層面，即部件級、節(jié)點級和網絡級，如表4-5所示。由于網絡、節(jié)點、部件間的包含關系，所以高層故障本質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) 基于空間相關性的故障檢測 無線傳感器網絡相鄰節(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性。根據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) 基于貝葉斯信任網絡故障檢測 貝葉斯信任網絡包含一個有向圖和與之對應的概率表集合。有向圖中的頂點表示變量，邊表示變量之間的影響關系。貝葉斯信任網絡的關鍵特征是能夠模型化并推理出不確定因素。模型化節(jié)點間的可靠關系是通過節(jié)點概率表實現。 應用貝葉斯信任網絡分為構造、學習、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)測網絡狀態(tài)。Sink節(jié)點需要收集的內容如表4-6所示。 4.5.4故障修復 1. 基于連接的修復 (1) 部署k連通拓撲 2. 基于覆蓋的修復 假設網絡中的節(jié)點具有移動能力，它把覆蓋修復過程分為四個階段： (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)域對應 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)點根據收到的回應信息，決定讓哪個節(jié)點 移動。 4.6數據管理 4.6.1系統(tǒng)的結構 1. 集中式結構 2. 半分布式結構 (1)Fjord系統(tǒng)的結構 (2)Cougar系統(tǒng)的結構 3．分布式結構 4. 層次式結構 4.6.2數據模型 現有的對傳感器網絡數據模型的研究主要是對傳統(tǒng)的關系模型、對象關系模型或時間序列模型的有限擴展。 TinyDB系統(tǒng)的數據模型是對傳統(tǒng)的關系模型的簡單擴展。它把傳感器網絡數據定義為一個單一的、無限長的虛擬關系表。 康奈爾大學的Cougar系統(tǒng)把傳感器網絡看成是一個大型分布式數據庫系統(tǒng)，每個傳感器對應于該分布式數據庫的一個節(jié)點，存儲部分數據。 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、設定采樣頻率、分組聚集、用戶自定義聚集函數、事件觸發(fā)、生命周期查詢、設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。 在很多傳感器網絡應用中，對環(huán)境進行連續(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數據存儲 1．數據命名方法 以數據為中心的數據存儲方法的基礎是數據命名。數據命名的方法有很多，可以根據具體應用采用不同的命名方法。 一種簡單的數據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. 數據中心存儲方法 (1)地理散列函數 (2) 地理路由協議GPSR (3)地理散列方法如何利用GPSR (4) 增強地理散列方法的魯棒性 (5) 地理散列方法的結構復制 4.6.4索引技術 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)通過使用感知數據的鍵屬性(由數據名和數據值范同構成)，采用地理散列方法的散列函數和空間分解技術構造多根層次結構樹，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 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 (1) 集中式與分布式聚集技術 (2) 流水線聚集技術 (3) 連續(xù)查詢處理技術 ①單連續(xù)查詢的處理技術 ②多連續(xù)查詢的處理技術 4.6.6 數據管理系統(tǒng)實例 1. 傳感器網絡數據管理系統(tǒng)TinyDB (1) TinyDB簡介 TinyDB的主要特征如下： ①提供元數據管理。 ②支持說明性查詢語言。 ③提供有效的網絡拓撲管理。 ④支持多查詢。 ⑤可擴展性強。 (2) TinyDB的系統(tǒng)結構 TinyDB系統(tǒng)主要由客戶端、TinyDB Server和傳感器網絡三部分構成 ，客戶端安裝有基于Java的應用程序接口(TinyDB客戶端API)。用戶通過該接口使用TinyDB。 傳感器網絡中的每一個節(jié)點都安裝TinyDB的傳感器網絡軟件(TinyDB QP)。TinyDB可以分為兩大部分，第一部分是傳感器網絡軟件，第二部分是客戶端軟件。傳感器網絡軟件是TinyDB的核心，在每個傳感器節(jié)點上運行。 (3) TinyDB的傳感器網絡軟件傳感器網絡軟件包括四個構件： 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網絡拓撲管理器 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服務質量保證 1．服務質量(QoS)定義 服務質量標準主要包括：可用性、吞吐量、時延、時延變化和丟包率等幾個參數。 2．服務質量(QoS)支持機制 (1)Intserv集成業(yè)務 (2)Diffserv區(qū)分業(yè)務 (3)MPLS多協議標簽交換 4.7.2無線傳感器網絡QoS研究 Holger Karl將當前無線傳感器網絡中的QoS研究總結為三類： ①傳統(tǒng)端到端QoS支持研究：針對實時性無線傳感器網絡應用，提供延遲服務保證； ②可靠性保證：保證數據包傳輸的可靠性； ③應用相關QoS：包括傳感覆蓋和如何控制網絡活動節(jié)點數量等問題。 在目前大多數無線傳感器網絡應用中，人們關注較多的主要有兩個問題： ①如何保證網絡能夠及時可靠地發(fā)現所實施應用中相關事件的發(fā)生； ②如何保證采集的傳感數據在網絡中傳輸時滿足應用需求。 這兩個問題可以歸結為感知服務質量 (傳感覆蓋)和網絡傳輸服務質量。 在目前大多數無線傳感器網絡應用中，人們關注較多的主要有兩個問題： ①如何保證網絡能夠及時可靠地發(fā)現所實施應用中相關事件的發(fā)生； ②如何保證采集的傳感數據在網絡中傳輸時滿足應用需求。 這兩個問題可以歸結為感知服務質量 (傳感覆蓋)和網絡傳輸服務質量。4rc紅軟基地

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