无线传感器网络课件-第四章.ppt

无线传感器网络课件 第四章 传感器网络用户的使用目的千变万化，作为网传感器网络用户的使用目的千变万化，作为网络终端节点的功能归根结底就是络终端节点的功能归根结底就是传感、探测、感知，传感、探测、感知，用来收集应用相关的数据信号用来收集应用相关的数据信号。为实现用户的功能，除要设计通信与组网技术为实现用户的功能，除要设计通信与组网技术以外，还要实现保证网络用户功能的正常运行所需以外，还要实现保证网络用户功能的正常运行所需的其它基础性技术。的其它基础性技术。第二页，共144页。应用层的基础性技术是支撑传感器网络完应用层的基础性技术是支撑传感器网络完成任务的关键，包括成任务的关键，包括时间同步机制时间同步机制、定位定位技术技术、数据融合数据融合、能量管理能量管理和和安全机制安全机制等。等。第三页，共144页。4.1 4.1 时间同步机制时间同步机制4.1.1 4.1.1 传感器网络的时间同步机制传感器网络的时间同步机制1 1、传感器网络时间同步的意义、传感器网络时间同步的意义 无线传感器网络的同步管理主要是指时间上的无线传感器网络的同步管理主要是指时间上的同步管理。同步管理。第四页，共144页。传感器网络时间同步的意义传感器网络时间同步的意义 在分布式的无线传感器网络应用中，每个传感器在分布式的无线传感器网络应用中，每个传感器节点都有自己的本地时钟。节点都有自己的本地时钟。不同节点的晶体振荡器频率存在偏差不同节点的晶体振荡器频率存在偏差，以及湿度，以及湿度和电磁波的干扰等都会造成网络节点之间的运行时和电磁波的干扰等都会造成网络节点之间的运行时间偏差。间偏差。第五页，共144页。传感器网络时间同步的意义传感器网络时间同步的意义 有时传感器网络的单个节点的能力有限，或有时传感器网络的单个节点的能力有限，或者某些应用的需要，使得整个系统所要实现的功者某些应用的需要，使得整个系统所要实现的功能要求能要求网络内所有节点相互配合来共同完成网络内所有节点相互配合来共同完成；分布式系统的协同工作需要节点间的时间同步，分布式系统的协同工作需要节点间的时间同步，时间同步机制是分布式系统基础框架的一个关键机制。时间同步机制是分布式系统基础框架的一个关键机制。第六页，共144页。分布式系统中的时间同步分布式系统中的时间同步 分类：分类：“物理时间物理时间”和和“逻辑时间逻辑时间”物理时间物理时间：表示人类社会使用的绝对时间；：表示人类社会使用的绝对时间；逻辑时间逻辑时间：体现了事件发生的顺序关系，是一：体现了事件发生的顺序关系，是一个相对概念。个相对概念。分布式系统通常需要一个表示整个系统时间的分布式系统通常需要一个表示整个系统时间的全全局时间局时间。全局时间根据需要可以是物理时间或逻辑。全局时间根据需要可以是物理时间或逻辑时间。时间。第七页，共144页。传感器网络时间同步机制的意义和作用传感器网络时间同步机制的意义和作用n传感器节点需要彼此传感器节点需要彼此协作协作，去完成复杂的，去完成复杂的监测和感知任务。监测和感知任务。数据融合是协作操作的典型例子，不数据融合是协作操作的典型例子，不同的节点采集的数据最终融合形成了一个同的节点采集的数据最终融合形成了一个有意义的结果。有意义的结果。第八页，共144页。传感器网络时间同步机制的意义和作用传感器网络时间同步机制的意义和作用n传感器网络的一些节能方案是利用时间同传感器网络的一些节能方案是利用时间同步来实现的。步来实现的。如如休眠休眠/唤醒机制唤醒机制，同步机制为本地，同步机制为本地时钟提供相同的时钟基准。时钟提供相同的时钟基准。第九页，共144页。应用中的同步机制应用中的同步机制n枪声定位系统枪声定位系统第十页，共144页。2、时间同步协议的特点、时间同步协议的特点 n结点造价低，体积小，不安装同步器件，结点造价低，体积小，不安装同步器件，价格和价格和体积体积是传感器网络时间同步主要限制条件。是传感器网络时间同步主要限制条件。n结点无人值守，有限能量，侦听通信会消耗能量，结点无人值守，有限能量，侦听通信会消耗能量，运行同步协议需考虑运行同步协议需考虑消耗的能量消耗的能量。n现有网络的时间同步机制关注于现有网络的时间同步机制关注于最小化同步误最小化同步误差来达到最大的同步精度方面差来达到最大的同步精度方面，很少考虑计算和，很少考虑计算和通信的开销及能量消耗。通信的开销及能量消耗。第十一页，共144页。网络时间协议网络时间协议(NTP)n广泛使用在因特网，精度高、鲁棒性好和易扩展，传广泛使用在因特网，精度高、鲁棒性好和易扩展，传感器网络中难以运行，原因如下：感器网络中难以运行，原因如下：n(1)NTP协议协议假定网络链路失效的概率很小假定网络链路失效的概率很小，而传感，而传感器网络中无线链路通信质量受环境影响较大，器网络中无线链路通信质量受环境影响较大，甚至时常通信中断。甚至时常通信中断。n(2)NTP协议的协议的网络结构相对稳定网络结构相对稳定，便于为不同位，便于为不同位置的结点手工配置时间服务器列表，传感器网络置的结点手工配置时间服务器列表，传感器网络的拓扑结构动态变化，简单的静态手工配置无法的拓扑结构动态变化，简单的静态手工配置无法适应这种变化。适应这种变化。第十二页，共144页。n(3)NTP协议中协议中时间基准服务器间的同步无法通过时间基准服务器间的同步无法通过网络自身来实现网络自身来实现，需其他基础设施的协助，如，需其他基础设施的协助，如GPS等，传感器网络的应用中无法满足。等，传感器网络的应用中无法满足。n(4)NTP协议需协议需频繁交换信息频繁交换信息，来不断校准时钟频率，来不断校准时钟频率偏差带来的误差，通过复杂的修正算法，消除时间偏差带来的误差，通过复杂的修正算法，消除时间同步消息在传输和处理过程中的非确定因素干扰，同步消息在传输和处理过程中的非确定因素干扰，CPU使用、信道侦听和占用都不受任何约束使用、信道侦听和占用都不受任何约束，而，而传感器网络存在资源约束，必须考虑能量消耗。传感器网络存在资源约束，必须考虑能量消耗。第十三页，共144页。nGPS能以纳秒级精度保持同步，但能以纳秒级精度保持同步，但代价较高代价较高，同，同时在室内、森林或水下等有障碍的环境中无法使时在室内、森林或水下等有障碍的环境中无法使用。用。n传感器网络在传感器网络在能量、价格和体积能量、价格和体积等约束，使得等约束，使得NTP、GPS等现有时间同步机制并不适用于通常的等现有时间同步机制并不适用于通常的传感器网络，需要专门的时间同步协议才能正常运传感器网络，需要专门的时间同步协议才能正常运行和实用化。行和实用化。第十四页，共144页。较成熟的传感器网络时间同步协议较成熟的传感器网络时间同步协议nRBS、TINY/MINI-SYNC、TPSN。nRBS同步协议的基本思想同步协议的基本思想：多个节点接收同一个同步信号，然后多个多个节点接收同一个同步信号，然后多个收到同步信号的节点之间进行同步。该算法消收到同步信号的节点之间进行同步。该算法消除了同步信号发送一方的时间不确定性。除了同步信号发送一方的时间不确定性。优点：优点：时间同步与时间同步与MAC层协议分离，实现不受限层协议分离，实现不受限于应用层是否可以获得于应用层是否可以获得MAC层时戳，协议的互操层时戳，协议的互操作性较好。作性较好。缺点：缺点：协议开销大。协议开销大。第十五页，共144页。TinyMini-Syncn简单的轻量级时间同步机制，简单的轻量级时间同步机制，算法假设结点的时钟算法假设结点的时钟漂移遵循线性变化漂移遵循线性变化，两个结点之间的时间偏移也，两个结点之间的时间偏移也是线性的；是线性的；n通过通过交换时标分组交换时标分组来估计两个结点间的最优匹配来估计两个结点间的最优匹配偏移量；偏移量；n为降低算法的复杂度，通过约束条件丢弃冗余为降低算法的复杂度，通过约束条件丢弃冗余分组。分组。第十六页，共144页。TPSN时间同步协议时间同步协议n采用采用层次结构层次结构，实现网络结点的时间同步；，实现网络结点的时间同步；n所有结点按照所有结点按照层次结构进行逻辑分级层次结构进行逻辑分级，表示结点，表示结点到根结点的距离；到根结点的距离；n通过基于发送者通过基于发送者接收者的结点对方式，每个接收者的结点对方式，每个结点与上一级的一个结点进行同步，从而最终结点与上一级的一个结点进行同步，从而最终所有结点都与根结点实现时间同步。所有结点都与根结点实现时间同步。第十七页，共144页。4.1.2 TPSN4.1.2 TPSN时间同步协议时间同步协议 传感器网络传感器网络TPSNTPSN时间同步协议类似于传统网络时间同步协议类似于传统网络的的NTPNTP协议，目的是协议，目的是提供传感器网络全网范围内节提供传感器网络全网范围内节点间的时间同步点间的时间同步。在网络中有一个与外界可以通信，从而获取在网络中有一个与外界可以通信，从而获取外部时间，这种节点称为外部时间，这种节点称为根节点根节点。根节点可装配。根节点可装配诸如诸如GPSGPS接收机这样的复杂硬件部件，接收机这样的复杂硬件部件，并作为整个并作为整个网络系统的时钟源网络系统的时钟源。第十八页，共144页。TPSN TPSN协议采用协议采用层次型网络结构层次型网络结构，首先将所有，首先将所有节点按照层次结构进行分级；节点按照层次结构进行分级；然后每个节点与上一级的一个节点进行时间然后每个节点与上一级的一个节点进行时间同步，同步，最终所有节点都与根节点时间同步最终所有节点都与根节点时间同步；节点对之间的时间同步是基于节点对之间的时间同步是基于发送者发送者-接收者接收者的的同步机制。同步机制。第十九页，共144页。1 1、TPSNTPSN协议的操作过程协议的操作过程前提条件：前提条件：假设每个传感器结点都有假设每个传感器结点都有唯一的标识号唯一的标识号IDID；结点间的无线通信链路是结点间的无线通信链路是双向双向的，通过双向的消息的，通过双向的消息交换实现结点间的时间同步；交换实现结点间的时间同步；将整个网络内所有结点按照将整个网络内所有结点按照层次结构层次结构进行管理，负进行管理，负责生成和维护层次结构。责生成和维护层次结构。第二十页，共144页。1 1、TPSNTPSN协议的操作过程协议的操作过程 TPSN TPSN协议包括两个阶段：协议包括两个阶段：第一个阶段第一个阶段生成层次结构生成层次结构，每个节点赋予一个，每个节点赋予一个级别，根节点赋予最高级别第级别，根节点赋予最高级别第0 0级，第级，第i i级的节点至级的节点至少能够与一个第（少能够与一个第（i i1 1）级的节点通信；）级的节点通信；第二个阶段第二个阶段实现所有树节点的时间同步实现所有树节点的时间同步，第，第1 1级级节点同步到根节点，第节点同步到根节点，第i i级的节点同步到第（级的节点同步到第（i i1 1）级的一个节点，最终所有节点都同步到根节点，实现）级的一个节点，最终所有节点都同步到根节点，实现整个网络的时间同步。整个网络的时间同步。第二十一页，共144页。（1）层次发现阶段）层次发现阶段n网络部署后，根结点广播网络部署后，根结点广播“级别发现级别发现”分组，启分组，启动层次发现阶段，级别发现分组包含发送结点的动层次发现阶段，级别发现分组包含发送结点的ID和级别；和级别；n根结点的邻居结点收到根结点发送的分组后，根结点的邻居结点收到根结点发送的分组后，将自将自己的级别设置为分组中的级别加己的级别设置为分组中的级别加1，即为第，即为第1级，级，建立它们自己的级别，然后广播新的级别发现分组，建立它们自己的级别，然后广播新的级别发现分组，其中包含的级别为其中包含的级别为1；第二十二页，共144页。（1）层次发现阶段）层次发现阶段n结点收到第结点收到第i级结点的广播分组后，级结点的广播分组后，记录发送这个记录发送这个广播分组的结点广播分组的结点ID，设置向身级别为，设置向身级别为(i+1)，广播级，广播级别设置为别设置为(i+1)的分组；的分组；n过程持续进行，直到网络内的每个结点都赋予过程持续进行，直到网络内的每个结点都赋予一个级别；一个级别；n结点一旦建立自己的级别，结点一旦建立自己的级别，就忽略任何其他级别的就忽略任何其他级别的发现分组发现分组，以防止网络产生洪泛拥塞。，以防止网络产生洪泛拥塞。第二十三页，共144页。（2）同步阶段）同步阶段n层次结构建立后，根结点通过层次结构建立后，根结点通过广播时间同步广播时间同步分分组启动同步阶段；组启动同步阶段；n第第1级结点收到该分组后，各分别级结点收到该分组后，各分别等待一段随机时等待一段随机时间间，与根结点交换消息同步到根结点；，与根结点交换消息同步到根结点；n第第2级结点侦听到第级结点侦听到第1级结点的交换消息后级结点的交换消息后，后退，后退和等待一段随机时间和等待一段随机时间，并与在层次发现阶段记录的，并与在层次发现阶段记录的第第1个级别的结点交换消息进行同步；个级别的结点交换消息进行同步；第二十四页，共144页。（2）同步阶段）同步阶段n等待一段时间的目的是保证第等待一段时间的目的是保证第2级结点在第级结点在第1级结点级结点时间同步完成后才启动消息交换；时间同步完成后才启动消息交换；n最后每个结点与层次结构中最靠近的上一级结点进行最后每个结点与层次结构中最靠近的上一级结点进行同步同步，从而所有结点都同步到根结点。，从而所有结点都同步到根结点。第二十五页，共144页。2 2、相邻级别节点间的同步机制、相邻级别节点间的同步机制 邻近级别的两个节点对间通过交换两个消息实现时间同步。邻近级别的两个节点对间通过交换两个消息实现时间同步。第二十六页，共144页。假设条件：假设条件：n结点结点S属第属第i级结点，级结点，R属于第属于第(i-1)级结点；级结点；nT1和和T4：S本地时钟在不同时刻测量的时间；本地时钟在不同时刻测量的时间；nT2和和T3：R本地时钟在不同时刻测量的时间；本地时钟在不同时刻测量的时间；n：两个结点之间的时间偏差；：两个结点之间的时间偏差；nD：消息的传播时延，假设往返延迟相同。：消息的传播时延，假设往返延迟相同。第二十七页，共144页。S S在在T T1 1时间发送同步请求分组给节点时间发送同步请求分组给节点R R，分组中包，分组中包含含S S的级别和的级别和T T1 1时间。时间。R R在在T T2 2时间收到分组，时间收到分组，然后在，然后在T T3 3时时间发送应答分组给节点间发送应答分组给节点S S，分组中包含节点，分组中包含节点R R的级的级别和别和T T1 1、T T2 2和和T T3 3信息。信息。节点节点S S在在T T4 4时间收到应答，时间收到应答，第二十八页，共144页。节点节点S在计算时间偏差之后，将它的时间在计算时间偏差之后，将它的时间同步到节点同步到节点R。可得：可得：第二十九页，共144页。n在发送时间、访问时间、传播时间和接收时间四个在发送时间、访问时间、传播时间和接收时间四个消息延迟组成部分中，消息延迟组成部分中，访问时间往往是无线传输消访问时间往往是无线传输消息时延中最具不确定性的因素息时延中最具不确定性的因素；n为提高两个结点间的时间同步精度，为提高两个结点间的时间同步精度，TPSN协议协议在在MAC层消息开始发送到无线信道的时刻，才层消息开始发送到无线信道的时刻，才给同步消息加上时标给同步消息加上时标，消除访问时间带来的时间，消除访问时间带来的时间同步误差。同步误差。第三十页，共144页。nTPSN协议能够实现协议能够实现全网范围内结点间的时间同步全网范围内结点间的时间同步，同步误差与跳数距离成正比增长；同步误差与跳数距离成正比增长；n它实现短期间的全网结点时间同步，如果需要长它实现短期间的全网结点时间同步，如果需要长时间的全网结点时间同步，时间的全网结点时间同步，则需要周期性执行则需要周期性执行TPSN协议进行重同步协议进行重同步，两次时间同步的时间间隔，两次时间同步的时间间隔根据具体应用确定。根据具体应用确定。第三十一页，共144页。4.1.3 4.1.3 时间同步的应用示例时间同步的应用示例 这里介绍一个例子，说明磁阻传这里介绍一个例子，说明磁阻传感器网络对机动车辆进行测速，为了感器网络对机动车辆进行测速，为了实现这个用途，网络必须先完成时间实现这个用途，网络必须先完成时间同步。由于对机动车辆的测速需要两同步。由于对机动车辆的测速需要两个探测传感器节点的协同合作，测速个探测传感器节点的协同合作，测速算法提取车辆经过每个节点的磁感应算法提取车辆经过每个节点的磁感应信号的脉冲峰值，并记录时间。信号的脉冲峰值，并记录时间。如果将两个节点之间的距离如果将两个节点之间的距离d d除以两个除以两个峰值之间的时差峰值之间的时差tt，就可以得出机动，就可以得出机动目标通过这一路段的速度目标通过这一路段的速度(VelVel):):第三十二页，共144页。4.2 4.2 定位技术定位技术4.2.1 4.2.1 传感器网络节点定位问题传感器网络节点定位问题1 1、定位的含义、定位的含义 在传感器网络的很多应用问题中，在传感器网络的很多应用问题中，没有节点没有节点位置信息的监测数据往往是没有意义位置信息的监测数据往往是没有意义的。的。无线传感器网络定位问题的含义是指自组织无线传感器网络定位问题的含义是指自组织的网络通过特定方法的网络通过特定方法提供节点的位置信息提供节点的位置信息。第三十三页，共144页。n自组织网络定位分为自组织网络定位分为节点自身定位节点自身定位和和目标目标定位定位。n节点自身节点自身定位是确定网络节点的坐标位置定位是确定网络节点的坐标位置的过程。的过程。n目标定位目标定位是确定网络覆盖区域内一个事件是确定网络覆盖区域内一个事件或者一个目标的坐标位置。或者一个目标的坐标位置。第三十四页，共144页。n节点自身定位是网络自身属性的确定过程，节点自身定位是网络自身属性的确定过程，可以通过可以通过人工标定人工标定或者各种或者各种节点自定位算节点自定位算法法完成。完成。n目标定位是以位置已知的网络节点作为参目标定位是以位置已知的网络节点作为参考，考，确定事件或者目标在网络覆盖范围内确定事件或者目标在网络覆盖范围内所在的位置所在的位置。第三十五页，共144页。位置信息有多种分类方法。位置信息有位置信息有多种分类方法。位置信息有物理物理位置位置和和符号位置符号位置两大类。两大类。物理位置指目标在特定坐标系下的位置数值，物理位置指目标在特定坐标系下的位置数值，表示目标的相对或者绝对位置表示目标的相对或者绝对位置。符号位置指在目标与一个基站或者多个基符号位置指在目标与一个基站或者多个基站接近程度的信息，站接近程度的信息，表示目标与基站之间的连表示目标与基站之间的连通关系通关系，提供目标大致的所在范围。，提供目标大致的所在范围。第三十六页，共144页。传感器网络的定位方法分类：传感器网络的定位方法分类：n(1)根据是否依靠测量距离，分为根据是否依靠测量距离，分为基于测距的定基于测距的定位和不需要测距的定位位和不需要测距的定位；n(2)根据部署的场合不同，分为根据部署的场合不同，分为室内定位和室外定室内定位和室外定位位；n(3)根据信息收集的方式，网络收集传感器数据根据信息收集的方式，网络收集传感器数据称为称为被动定位被动定位，节点主动发出信息，用于定位，节点主动发出信息，用于定位称为称为主动定位主动定位。第三十七页，共144页。2 2、基本术语、基本术语 (1)(1)锚点：锚点：指通过其它方式预先获得位置坐标的指通过其它方式预先获得位置坐标的节点，有时也称作节点，有时也称作信标节点信标节点。网络中相应的其余节。网络中相应的其余节点称为非锚点。点称为非锚点。(2)(2)测距：测距：指两个相互通信的节点通过测量方指两个相互通信的节点通过测量方式来估计出彼此之间的距离或角度。式来估计出彼此之间的距离或角度。第三十八页，共144页。(3)(3)连接度：连接度：包括包括节点连接度节点连接度和和网络连接度网络连接度两两种含义。种含义。节点连接度：节点连接度：节点可探测发现的邻居节点节点可探测发现的邻居节点个数个数。网络连接度：网络连接度：所有节点的邻居数目的平均值，所有节点的邻居数目的平均值，它反映了传感器配置的它反映了传感器配置的密集程度密集程度。(4)(4)邻居节点：邻居节点：传感器节点通信半径范围以内的传感器节点通信半径范围以内的所有其它节点，称为该节点的邻居节点。所有其它节点，称为该节点的邻居节点。第三十九页，共144页。(5)(5)跳数：跳数：两个节点之间间隔的跳段总数，称两个节点之间间隔的跳段总数，称为这两个节点间的跳数。为这两个节点间的跳数。(6)(6)基础设施：基础设施：协助传感器节点定位的已知协助传感器节点定位的已知自身位置的固定设备，如卫星、基站等。自身位置的固定设备，如卫星、基站等。第四十页，共144页。(7)(7)到达时间：到达时间：信号从一个节点传播到另一个信号从一个节点传播到另一个节点所需要的时间，称为信号到达时间。节点所需要的时间，称为信号到达时间。(8)(8)到达时间差到达时间差(TDoA)(TDoA)：两种不同传播速度的两种不同传播速度的信号从一个节点传播到另一个节点所需要的时间之差，信号从一个节点传播到另一个节点所需要的时间之差，称为信号的到达时间差。称为信号的到达时间差。第四十一页，共144页。(9)(9)接收信号强度指示接收信号强度指示(RSSI)(RSSI)：节点接收到无节点接收到无线信号的强度大小，称为接收信号的强度指示。线信号的强度大小，称为接收信号的强度指示。(10)到达角度到达角度(Angle of Arrival,AoA)：节点接：节点接收到的信号相对于自身轴线的角度，称为信号收到的信号相对于自身轴线的角度，称为信号相对接收节点的到达角度。相对接收节点的到达角度。第四十二页，共144页。(11)(11)视线关系视线关系(Line of Sight,LoS)(Line of Sight,LoS)：如果传如果传感器网络的两个节点之间没有障碍物，能够实现直接感器网络的两个节点之间没有障碍物，能够实现直接通信，则这两个节点间存在视线关系。通信，则这两个节点间存在视线关系。(12)(12)非视线关系：非视线关系：传感器网络的两个节点之间传感器网络的两个节点之间存在障碍物，影响了它们直接的无线通信。存在障碍物，影响了它们直接的无线通信。第四十三页，共144页。3 3、定位性能的评价指标、定位性能的评价指标 衡量定位性能有多个指标，除了一般性的位置衡量定位性能有多个指标，除了一般性的位置精度指标以外；精度指标以外；对于资源受到限制的传感器网络，还有对于资源受到限制的传感器网络，还有覆盖覆盖范围范围、刷新速度刷新速度和和功耗功耗等其它指标。等其它指标。第四十四页，共144页。位置精度是定位系统位置精度是定位系统最重要的指标最重要的指标，精度越高，精度越高，则技术要求越严，成本也越高。则技术要求越严，成本也越高。定位精度指定位精度指提供的位置信息的精确程度提供的位置信息的精确程度，它分，它分为为相对精度相对精度和和绝对精度绝对精度。绝对精度：以长度为单位度量的精度。绝对精度：以长度为单位度量的精度。相对精度：以节点之间距离的百分比。相对精度：以节点之间距离的百分比。第四十五页，共144页。设节点设节点i i的估计坐标与真实坐标在二维情况下的估计坐标与真实坐标在二维情况下的距离差值为的距离差值为d di i，则，则N N个未知位置节点的网个未知位置节点的网络平均定位误差为：络平均定位误差为：第四十六页，共144页。覆盖范围和位置精度是一对矛盾性的指标覆盖范围和位置精度是一对矛盾性的指标。刷新速度刷新速度是指提供位置信息的频率。是指提供位置信息的频率。功耗功耗是传感器网络设计的一项重要指标，对是传感器网络设计的一项重要指标，对于定位这项服务功能，人们需要计算为此所消于定位这项服务功能，人们需要计算为此所消耗的能量。耗的能量。定位实时性定位实时性更多的是体现在对动态目标的位置更多的是体现在对动态目标的位置跟踪。跟踪。第四十七页，共144页。4 4、定位系统的设计要点、定位系统的设计要点 设计定位系统时，根据性能指标，在众多方案设计定位系统时，根据性能指标，在众多方案中选择能够满足要求的最优算法，采取中选择能够满足要求的最优算法，采取适宜的技适宜的技术手段术手段来完成定位系统的实现。来完成定位系统的实现。设计一个定位系统需要考虑两个主要因素，设计一个定位系统需要考虑两个主要因素，即定位机制的即定位机制的物理特性物理特性和和定位算法定位算法。第四十八页，共144页。4.2.2 4.2.2 基于测距的定位技术基于测距的定位技术 基于测距的定位技术是通过测量节点间的距离，基于测距的定位技术是通过测量节点间的距离，根据根据几何关系几何关系计算出网络节点的位置。计算出网络节点的位置。解析几何里有多种方法可确定一个点的位置。解析几何里有多种方法可确定一个点的位置。比较常用的方法是比较常用的方法是多边定位多边定位和和角度定位角度定位。第四十九页，共144页。1 1、测距方法、测距方法(1)(1)接收信号强度指示接收信号强度指示(RSSI)(RSSI)RSSIRSSI测距的原理如下：测距的原理如下：接收机通过测量接收机通过测量射频信号的能量来确定与发送机的距离。射频信号的能量来确定与发送机的距离。将无线信号的发射功率和接收功率之间将无线信号的发射功率和接收功率之间的关系表述为下式：的关系表述为下式：第五十页，共144页。1 1、测距方法、测距方法P PR R-无线信号的接收功率，无线信号的接收功率，P PT T-无线信号的发射功率，无线信号的发射功率，r r-收发单元之间的距离，收发单元之间的距离，n-n-传播因子，传播因子的数值大小传播因子，传播因子的数值大小取决于无线信号传播的环境。取决于无线信号传播的环境。第五十一页，共144页。无线信号接收强度指示与信号传播距离之间的关系无线信号接收强度指示与信号传播距离之间的关系第五十二页，共144页。(2)(2)到达时间到达时间/到达时间差到达时间差(ToA/TDoA(ToA/TDoA)通过通过测量传输时间测量传输时间来估算两节点之间距离，精来估算两节点之间距离，精度较好。度较好。ToA ToA机制是已知信号的传播速度，根据信号机制是已知信号的传播速度，根据信号的传播时间来计算节点间的距离。的传播时间来计算节点间的距离。第五十三页，共144页。(2)(2)到达时间到达时间/到达时间差到达时间差(ToA/TDoA(ToA/TDoA)ToAToA测距原理的过程示例测距原理的过程示例第五十四页，共144页。TDoATDoA的定位机制中，发的定位机制中，发射节点同时发射两种不同传射节点同时发射两种不同传播速度的无线信号，播速度的无线信号，接收节点根据两种信号到接收节点根据两种信号到达的时间差以及这两种信号的达的时间差以及这两种信号的传播速度，计算节点间的距离。传播速度，计算节点间的距离。第五十五页，共144页。发射节点同时发射无线射频信号和超声波信发射节点同时发射无线射频信号和超声波信号，接收节点记录下这两种信号的到达时间号，接收节点记录下这两种信号的到达时间T1T1、T2T2 已知无线射频信号和超声波的传播速度为已知无线射频信号和超声波的传播速度为c1c1、c2,c2,则两点之间的距离为则两点之间的距离为(T2-T1)*S(T2-T1)*S，其中，其中S=c1*c2/(c1-c2)S=c1*c2/(c1-c2)。第五十六页，共144页。(3)(3)到达角到达角(AoA)(AoA)通过通过配备特殊天线配备特殊天线来估测其它节点发射的来估测其它节点发射的无线信号的到达角度。无线信号的到达角度。AoA AoA测距技术易受外界环境影响，测距技术易受外界环境影响，需要额外需要额外硬件硬件，它的硬件尺寸和功耗指标，它的硬件尺寸和功耗指标不适用于大规模不适用于大规模的传感器网络的传感器网络，在某些应用领域可以发挥作用。，在某些应用领域可以发挥作用。第五十七页，共144页。(3)(3)到达角到达角(AoA)(AoA)第五十八页，共144页。2 2、多边定位、多边定位 多边定位法基于距离测量多边定位法基于距离测量(如如RSSIRSSI、ToA/TDoA)ToA/TDoA)的的结果。结果。确定二维坐标至少具有三个节点至锚点的距离确定二维坐标至少具有三个节点至锚点的距离值；确定三维坐标，则需四个此类测距值。值；确定三维坐标，则需四个此类测距值。第五十九页，共144页。2 2、多边定位、多边定位 已知信标锚点已知信标锚点A A1 1，A A2 2，A A3 3，A A4 4，的坐标依次分的坐标依次分别为（别为（x x1 1，y y1 1），（），（x x2 2，y y2 2），（），（x x3 3，y y3 3），（），（x x4 4，y y4 4），），即各锚点位置为，即各锚点位置为（x xi i，y yi i）。如果待定位节点的坐标为（如果待定位节点的坐标为（x,yx,y），并且已知它），并且已知它至各锚点的测距数值为至各锚点的测距数值为d d，可得下式，其中，可得下式，其中(x(x，y)y)为待为待求的未知坐标求的未知坐标。第六十页，共144页。2 2、多边定位、多边定位第六十一页，共144页。将第前将第前n-1n-1个等式减去最后等式：个等式减去最后等式：用矩阵和向量表达为形式用矩阵和向量表达为形式Ax=bAx=b，其中：，其中：第六十二页，共144页。根据最小均方估计的方法原理，求得解为：根据最小均方估计的方法原理，求得解为：当矩阵求逆不能计算时，该方法不适用，否则当矩阵求逆不能计算时，该方法不适用，否则可成功得到位置估计可成功得到位置估计 。从上述过程看出，这种定。从上述过程看出，这种定位方法本质上就是最小二乘估计。位方法本质上就是最小二乘估计。第六十三页，共144页。3 3、Min-maxMin-max定位方法定位方法 多边定位法的浮点运算量大，计算代价高。多边定位法的浮点运算量大，计算代价高。Min-maxMin-max定位是根据若干锚点位置和至待求节点的定位是根据若干锚点位置和至待求节点的测距值，创建多个边界框；测距值，创建多个边界框；所有边界框的交集为一矩形，所有边界框的交集为一矩形，取此矩形的质心作取此矩形的质心作为待定位节点的坐标为待定位节点的坐标。第六十四页，共144页。3 3、Min-maxMin-max定位方法定位方法 采用三个锚点进行定位的采用三个锚点进行定位的MinmaxMinmax方法示例，方法示例，即以某锚点即以某锚点i i(i=1,2,3)(i=1,2,3)坐标坐标()()为基础，为基础，加上或减去测距值加上或减去测距值 ，得到锚点，得到锚点i i的边界框：的边界框：第六十五页，共144页。在所有位置点在所有位置点 中取最小值、中取最小值、所有所有 中取最大值，则交集矩中取最大值，则交集矩形取作：形取作：三个锚点共同形成交叉矩形，矩形质心即为三个锚点共同形成交叉矩形，矩形质心即为所求节点的估计位置。所求节点的估计位置。第六十六页，共144页。第六十七页，共144页。4.2.3 4.2.3 无需测距的定位技术无需测距的定位技术 无需测距的定位技术不需要直接测量距离和角度信息无需测距的定位技术不需要直接测量距离和角度信息。1 1、质心算法、质心算法2 2、DV-HopDV-Hop算法算法第六十八页，共144页。4.2.4 4.2.4 定位系统的典型应用定位系统的典型应用 位置信息有很多用途，在某些应用中可以起到关键性的作位置信息有很多用途，在某些应用中可以起到关键性的作用。定位技术的用途大体可分为导航、跟踪、虚拟现实、网络用。定位技术的用途大体可分为导航、跟踪、虚拟现实、网络路由等。路由等。导航是定位最基本的应用，在军事上具有重要用途。导航是定位最基本的应用，在军事上具有重要用途。除了导航以外，定位技术还有很多应用。例如，办公场所的物除了导航以外，定位技术还有很多应用。例如，办公场所的物品、人员跟踪需要室内的精度定位。品、人员跟踪需要室内的精度定位。虚拟现实仿真系统中需实时定位物体的位置和方向。虚拟现实仿真系统中需实时定位物体的位置和方向。第六十九页，共144页。4.3 4.3 数据融合数据融合4.3.1 4.3.1 多传感器数据融合概述多传感器数据融合概述 各种传感器直接给出的信息称作各种传感器直接给出的信息称作源信息源信息，如果传，如果传感器给出的信息是已经数字化的信息，就称作感器给出的信息是已经数字化的信息，就称作源数据源数据，如果给出的是图像就是如果给出的是图像就是源图像源图像。源信息是信息系统处源信息是信息系统处理的对象理的对象。源信息、传感器与环境之间的关系：源信息、传感器与环境之间的关系：第七十页，共144页。消除噪声与干扰，实现对观测目标的连续跟消除噪声与干扰，实现对观测目标的连续跟踪和测量等一系列问题的处理方法，就是踪和测量等一系列问题的处理方法，就是多传感多传感器数据融合器数据融合技术，也称多传感器信息融合或多传感技术，也称多传感器信息融合或多传感器融合；器融合；它是对多传感器信息进行处理的最关键技术，它是对多传感器信息进行处理的最关键技术，在军事和非军事领域的应用都非常广泛。在军事和非军事领域的应用都非常广泛。第七十一页，共144页。数据融合也称信息融合，是一种多源信息处理技数据融合也称信息融合，是一种多源信息处理技术；术；通过对来自通过对来自同一目标的多源数据同一目标的多源数据进行优化进行优化合合成成，获得比单一信息源更精确、完整的估计或判决。，获得比单一信息源更精确、完整的估计或判决。第七十二页，共144页。数据融合的定义数据融合的定义n多传感器数据融合是一种多传感器数据融合是一种多层次多层次、多方面的多方面的处理过处理过程；程；n是对是对多源数据进行检测、互联、相关、估计和多源数据进行检测、互联、相关、估计和组合组合；n以以更高的精度更高的精度、较高的置信度较高的置信度得到目标的状态估计得到目标的状态估计和身份识别，以及和身份识别，以及完整的态势估计完整的态势估计和威胁评估，为和威胁评估，为指挥员提供有用的决策信息。指挥员提供有用的决策信息。第七十三页，共144页。三个要点三个要点n数据融合是数据融合是多信源多信源、多层次多层次的处理过程，每个层次的处理过程，每个层次代表信息的不同抽象程度；代表信息的不同抽象程度；n数据融合过程包括数据的数据融合过程包括数据的检测、关联、估计与合检测、关联、估计与合并并；n数据融合的输出包括数据融合的输出包括低层次上的状态身份低层次上的状态身份估计和估计和高高层次上的战术态势层次上的战术态势的评估。的评估。第七十四页，共144页。数据融合的主要内容数据融合的主要内容n主要内容：主要内容：多传感器的目标探测、数据关联、跟多传感器的目标探测、数据关联、跟踪与识别、情况评估和预测。踪与识别、情况评估和预测。n基本目的：基本目的：通过融合得到比单独的各个输入数据更通过融合得到比单独的各个输入数据更多的信息。多的信息。这是协同作用的结果，即由于多传感器的共这是协同作用的结果，即由于多传感器的共同作用，使系统的有效性得以增强。同作用，使系统的有效性得以增强。第七十五页，共144页。4.3.2 4.3.2 传感器网络中数据融合的作用传感器网络中数据融合的作用 数据融合的主要作用可归纳为以下几点：数据融合的主要作用可归纳为以下几点：(1)(1)提高信息的准确性和全面性提高信息的准确性和全面性 (2)(2)降低信息的不确定性降低信息的不确定性 (3)(3)提高系统的可靠性提高系统的可靠性 (4)(4)增加系统的实时性增加系统的实时性第七十六页，共144页。传感器网络节点的资源十分有限，在收集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，各节点单独地直接传送数据到的过程中，各节点单独地直接传送数据到汇聚节点汇聚节点，则是不合适的，主要原因如下：