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- 2018-01-24
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這是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理及方法ppt課件,包括了時(shí)間同步機(jī)制,定位技術(shù),數(shù)據(jù)融合,能量管理,容錯(cuò)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的支撐技術(shù) 2.傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步協(xié)議的特點(diǎn) 網(wǎng)絡(luò)時(shí)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(diǎn)。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(yùn)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(wú)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(duì)穩(wěn)定,便于為不同位置的結(jié)點(diǎn)手工配置時(shí)間服務(wù)器列表,而傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化,簡(jiǎn)單的靜態(tài)手工配置無(wú)法適應(yīng)這種變化,歡迎點(diǎn)擊下載科課件。
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第4章無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的支撐技術(shù) 2.傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步協(xié)議的特點(diǎn) 網(wǎng)絡(luò)時(shí)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(diǎn)。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(yùn)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(wú)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(duì)穩(wěn)定,便于為不同位置的結(jié)點(diǎn)手工配置時(shí)間服務(wù)器列表,而傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化,簡(jiǎn)單的靜態(tài)手工配置無(wú)法適應(yīng)這種變化。 2.傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步協(xié)議的特點(diǎn) (3)NTP協(xié)議中時(shí)間基準(zhǔn)服務(wù)器間的同步無(wú)法通過(guò)網(wǎng)絡(luò)自身來(lái)實(shí)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(guò)頻繁交換信息,來(lái)不斷校準(zhǔn)時(shí)鐘頻率偏差帶來(lái)的誤差,并通過(guò)復(fù)雜的修正算法,消除時(shí)間同步消息在傳輸和處理過(guò)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(diǎn),在能量、價(jià)格和體積等方面的約束,使得NTP、GPS等現(xiàn)有時(shí)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(shí)間同步協(xié)議才能正常運(yùn)行和實(shí)用化。 定義包含三個(gè)要點(diǎn):(1)數(shù)據(jù)融合是多信源、多層次的處理過(guò)程,每個(gè)層次代表信息的不同抽象程度;(2)數(shù)據(jù)融合過(guò)程包括數(shù)據(jù)的檢測(cè)、關(guān)聯(lián)、估計(jì)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(jì)和高層次上的總戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢(shì)的評(píng)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(cè)、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、跟蹤與識(shí)別、情況評(píng)估和預(yù)測(cè)。 數(shù)據(jù)融合的基本目的是通過(guò)融合得到比單獨(dú)的各個(gè)輸入數(shù)據(jù)更多的信息。這一點(diǎn)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(dòng)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(yùn)行”、“空閑”和“睡眠”。每種模式對(duì)應(yīng)于較低水平的耗能情況。 假設(shè)傳感節(jié)點(diǎn)在某時(shí)刻t0探測(cè)到一個(gè)事件,在時(shí)刻t1結(jié)束處理,下一事件在時(shí)刻t2= t1+ ti發(fā)生。在時(shí)刻t1,節(jié)點(diǎn)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(shí)間分別為和。假設(shè)節(jié)點(diǎn)睡眠狀態(tài)中,對(duì)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(shí)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(fèi)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(diǎn)的能耗,說(shuō)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(duì)于具有能量約束的傳感節(jié)點(diǎn),OS能對(duì)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(jí),性能不會(huì)有顯著下降,但可以降低能耗。 DVS對(duì)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(shí)變的計(jì)算負(fù)荷。 3.系統(tǒng)實(shí)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(cè)得的各種工作模式下傳感節(jié)點(diǎn)的能耗。 4.5容錯(cuò)技術(shù) 4.5.1概述 容錯(cuò)領(lǐng)域有幾個(gè)基本概念:失效(failure)、故障(fault)、差錯(cuò)(error)。失效是指某個(gè)設(shè)備中止了它完成所要求功能的能力。故障是指一個(gè)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(cuò)是指一個(gè)不正確的步驟、過(guò)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(cuò),這些差錯(cuò)由于在系統(tǒng)內(nèi)部,不是很容易就能觀測(cè)到。只有這種差錯(cuò)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(cuò)是面向制造和維修的。 2.容錯(cuò)的重要性 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)給容錯(cuò)設(shè)計(jì)技術(shù)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn),因?yàn)闊o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要考慮如下情況: (1)技術(shù)和實(shí)現(xiàn)因素。 (2)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用模式。 (3)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)新興的研究和工程領(lǐng)域,處理特定問(wèn)題的最優(yōu)方法還不明確。 4.5.2故障模型 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)設(shè)計(jì)需要考慮三個(gè)方面:故障模型、故障檢測(cè)與診斷、修復(fù)機(jī)制。 從整體上考慮,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的故障可以分為三個(gè)層面,即部件級(jí)、節(jié)點(diǎn)級(jí)和網(wǎng)絡(luò)級(jí),如表4-5所示。由于網(wǎng)絡(luò)、節(jié)點(diǎn)、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(cè)與診斷 1. 部件故障檢測(cè) (1) 基于空間相關(guān)性的故障檢測(cè) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)相鄰節(jié)點(diǎn)的同類傳感器所測(cè)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(cè)時(shí)是否需要節(jié)點(diǎn)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(cè) 貝葉斯信任網(wǎng)絡(luò)包含一個(gè)有向圖和與之對(duì)應(yīng)的概率表集合。有向圖中的頂點(diǎn)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(diǎn)間的可靠關(guān)系是通過(guò)節(jié)點(diǎn)概率表實(shí)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(gè)階段。 (1) 集中式故障檢測(cè) 集中式的故障檢測(cè)通過(guò)在Sink節(jié)點(diǎn)放置檢測(cè)程序,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。Sink節(jié)點(diǎn)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(diǎn)具有移動(dòng)能力,它把覆蓋修復(fù)過(guò)程分為四個(gè)階段: (1)初始化階段:節(jié)點(diǎn)計(jì)算自己的覆蓋區(qū)域、每個(gè)覆蓋區(qū)域?qū)?yīng) 的移動(dòng)區(qū)域; (2)恐慌請(qǐng)求階段:垂死節(jié)點(diǎn)廣播求助消息; (3)恐慌回應(yīng)階段:垂死節(jié)點(diǎn)的鄰居收到求助消息后計(jì)算如果自 己移動(dòng)到垂死節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)區(qū)域,是否會(huì)影響到自身的覆蓋區(qū) 域,如果不影響則給求助節(jié)點(diǎn)返回消息; (4)決策階段:垂死節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到的回應(yīng)信息,決定讓哪個(gè)節(jié)點(diǎn) 移動(dòng)。 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(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型的研究主要是對(duì)傳統(tǒng)的關(guān)系模型、對(duì)象關(guān)系模型或時(shí)間序列模型的有限擴(kuò)展。 TinyDB系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型是對(duì)傳統(tǒng)的關(guān)系模型的簡(jiǎn)單擴(kuò)展。它把傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)定義為一個(gè)單一的、無(wú)限長(zhǎng)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(gè)大型分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng),每個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)于該分布式數(shù)據(jù)庫(kù)的一個(gè)節(jié)點(diǎn),存儲(chǔ)部分?jǐn)?shù)據(jù)。 4.6.3 查詢語(yǔ)言 1.TinyDB系統(tǒng)的查詢語(yǔ)言 TinyDB系統(tǒng)的查詢語(yǔ)言是基于SQL的查詢語(yǔ)言,稱為TinySQL。 該查詢語(yǔ)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(chǔ)點(diǎn)和簡(jiǎn)單的連接操作。 2.Cougar系統(tǒng)的查詢語(yǔ)言 Cougar系統(tǒng)提供了一種類似于SQL的查詢語(yǔ)言。 在很多傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中,對(duì)環(huán)境進(jìn)行連續(xù)周期性地監(jiān)測(cè)特別重要。因此,Cougar系統(tǒng)的查詢語(yǔ)言提供了對(duì)連續(xù)周期性查詢的支持。 4.6.3數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 1.?dāng)?shù)據(jù)命名方法 以數(shù)據(jù)為中心的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(jiǎn)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(chǔ)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(gè)能夠有效地處理區(qū)域查詢的方法。 DIFS系統(tǒng)通過(guò)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(gè)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(shí)例 1. 傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)TinyDB (1) TinyDB簡(jiǎn)介 TinyDB的主要特征如下: ①提供元數(shù)據(jù)管理。 ②支持說(shuō)明性查詢語(yǔ)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(guò)該接口使用TinyDB。 傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)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(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)上運(yùn)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(gè)構(gòu)件: ①傳感器節(jié)點(diǎn)目錄和模式管理器; ②查詢處理器; ③存儲(chǔ)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(shí)延、時(shí)延變化和丟包率等幾個(gè)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)QoS研究 Holger Karl將當(dāng)前無(wú)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(duì)實(shí)時(shí)性無(wú)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(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量等問(wèn)題。 在目前大多數(shù)無(wú)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(gè)問(wèn)題: ①如何保證網(wǎng)絡(luò)能夠及時(shí)可靠地發(fā)現(xiàn)所實(shí)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(shí)滿足應(yīng)用需求。 這兩個(gè)問(wèn)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(wú)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(gè)問(wèn)題: ①如何保證網(wǎng)絡(luò)能夠及時(shí)可靠地發(fā)現(xiàn)所實(shí)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(shí)滿足應(yīng)用需求。 這兩個(gè)問(wèn)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。
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