无线传感器网络技术原理及应用--第5章概述.ppt

第5章 服务支撑技术;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。;学习导航;　　　　　　　　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。;5.1.1 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。;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。;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。;5.1.2 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：　　???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。;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。;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)。;　　2. 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(Universal Time Coordinated，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。;　　3. 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。;5.1.3 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(Delay Measurement Time Synchronization，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。;　　　　;　　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。;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