无线传感器网络的应用PPT课件

这是无线传感器网络原理及方法ppt课件，包括了时间同步机制，定位技术，数据融合，能量管理，容错技术，数据管理，服务质量保证等内容，第4章无线传感器网络的支撑技术 2．传感器网络时间同步协议的特点 网络时间协议(NTP)在因特网得到广泛使用，具有精度高、鲁棒性好和易扩展等优点。但是它依赖的条件在传感器网络中难以满足，因而不能直接移植运行，主要是由于以下原因： (1)NTP协议应用在已有的有线网络中，它假定网络链路失效的概率很小，而传感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。 (2)NTP协议的网络结构相对稳定，便于为不同位置的结点手工配置时间服务器列表，而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适应这种变化，欢迎点击下载科课件。

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第4章无线传感器网络的支撑技术 2．传感器网络时间同步协议的特点 网络时间协议(NTP)在因特网得到广泛使用，具有精度高、鲁棒性好和易扩展等优点。但是它依赖的条件在传感器网络中难以满足，因而不能直接移植运行，主要是由于以下原因： (1)NTP协议应用在已有的有线网络中，它假定网络链路失效的概率很小，而传感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。 (2)NTP协议的网络结构相对稳定，便于为不同位置的结点手工配置时间服务器列表，而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适应这种变化。 2．传感器网络时间同步协议的特点 (3)NTP协议中时间基准服务器间的同步无法通过网络自身来实现，需要其他基础设施的协助。 (4)NTP协议需要通过频繁交换信息，来不断校准时钟频率偏差带来的误差，并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，CPU使用、信道侦听和占用都不受任何约束，而传感器网络存在资源约束，必须考虑能量消耗。 因此，由于传感器网络的特点，在能量、价格和体积等方面的约束，使得NTP、GPS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行和实用化。 定义包含三个要点：（1）数据融合是多信源、多层次的处理过程，每个层次代表信息的不同抽象程度；（2）数据融合过程包括数据的检测、关联、估计与合并；（3）数据融合的输出包括低层次上的状态身份估计和高层次上的总战术态势的评估。 数据融合的内容主要包括：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。 数据融合的基本目的是通过融合得到比单独的各个输入数据更多的信息。这一点是协同作用的结果，即由于多传感器的共同作用，使系统的有效性得以增强 4.4.3 动态能量管理 1．空闲能量管理 （1）多种关闭状态 具有多种能量模式的设备有很多，例如，StrongARM SA-1100处理器有3种能量模式：“运行”、“空闲”和“睡眠”。每种模式对应于较低水平的耗能情况。 假设传感节点在某时刻t0探测到一个事件，在时刻t1结束处理，下一事件在时刻t2= t1+ ti发生。在时刻t1，节点决定从激活状态S0转换到睡眠状态Sk，如图所示。各状态Sk的能耗为Pk，而且转换到此状态和恢复时间分别为和。假设节点睡眠状态中，对于任意i >j，Pj>Pi，，且。睡眠模式间的能耗可采用状态间线性变化的模型。 仅当时这种转换是合理的。于是，可得到下面的能量增益阈值： 这意味着转换的延迟花费越大，能量增益阈值越高，而且P0与Pk间的区别越大，阈值越小。 表4-3列出了上图所描述传感节点的能耗，说明了现有组件在不同能量模式下相应的能量增益阈值。 2. 有功能量管理 对于具有能量约束的传感节点，OS能对有功能耗进行管理。将工作频率和电压降低到正适合传感应用的等级，性能不会有显著下降，但可以降低能耗。 DVS对降低CPU能量是一种十分有效的技术。一些传感器系统具有时变的计算负荷。 3.系统实现 DVS电路 DVS电路示意图： DVS的硬件结构示意 ： 表4-4列出了测得的各种工作模式下传感节点的能耗。 4.5容错技术 4.5.1概述 容错领域有几个基本概念：失效(failure)、故障(fault)、差错(error)。失效是指某个设备中止了它完成所要求功能的能力。故障是指一个设备、元件或组件的一种物理状态，在此状态下它们不能按照所要求的方式工作。差错是指一个不正确的步骤、过程或结果。故障只有在某些条件下才能在其输出端产生差错，这些差错由于在系统内部，不是很容易就能观测到。只有这种差错积累到一定程度或者在某种系统环境下，才能使系统失效。所以，失效是面向用户的，而故障和差错是面向制造和维修的。 2．容错的重要性 无线传感器网络的出现给容错设计技术带来了新的挑战，因为无线传感器网络需要考虑如下情况： (1)技术和实现因素。 (2)无线传感器网络的应用模式。 (3)无线传感器网络是一个新兴的研究和工程领域，处理特定问题的最优方法还不明确。 4.5.2故障模型 无线传感器网络容错设计需要考虑三个方面：故障模型、故障检测与诊断、修复机制。 从整体上考虑，无线传感器网络中的故障可以分为三个层面，即部件级、节点级和网络级，如表4-5所示。由于网络、节点、部件间的包含关系，所以高层故障本质也是由低层故障所造成。 4.5.3故障检测与诊断 1. 部件故障检测 (1) 基于空间相关性的故障检测 无线传感器网络相邻节点的同类传感器所测量的值通常很相近，称这种特性为空间相关性。根据故障检测时是否需要节点地理位置信息，可以分为如下两类：①需要地理位置信息； ②不需要地理位置信息 。 (2) 基于贝叶斯信任网络故障检测 贝叶斯信任网络包含一个有向图和与之对应的概率表集合。有向图中的顶点表示变量，边表示变量之间的影响关系。贝叶斯信任网络的关键特征是能够模型化并推理出不确定因素。模型化节点间的可靠关系是通过节点概率表实现。 应用贝叶斯信任网络分为构造、学习、推理三个阶段。 (1) 集中式故障检测 集中式的故障检测通过在Sink节点放置检测程序，实时监测网络状态。Sink节点需要收集的内容如表4-6所示。 4.5.4故障修复 1. 基于连接的修复 (1) 部署k连通拓扑 2. 基于覆盖的修复 假设网络中的节点具有移动能力，它把覆盖修复过程分为四个阶段： (1)初始化阶段：节点计算自己的覆盖区域、每个覆盖区域对应 的移动区域； (2)恐慌请求阶段：垂死节点广播求助消息； (3)恐慌回应阶段：垂死节点的邻居收到求助消息后计算如果自 己移动到垂死节点的移动区域，是否会影响到自身的覆盖区 域，如果不影响则给求助节点返回消息； (4)决策阶段：垂死节点根据收到的回应信息，决定让哪个节点 移动。 4.6数据管理 4.6.1系统的结构 1. 集中式结构 2. 半分布式结构 (1)Fjord系统的结构 (2)Cougar系统的结构 3．分布式结构 4. 层次式结构 4.6.2数据模型 现有的对传感器网络数据模型的研究主要是对传统的关系模型、对象关系模型或时间序列模型的有限扩展。 TinyDB系统的数据模型是对传统的关系模型的简单扩展。它把传感器网络数据定义为一个单一的、无限长的虚拟关系表。 康奈尔大学的Cougar系统把传感器网络看成是一个大型分布式数据库系统，每个传感器对应于该分布式数据库的一个节点，存储部分数据。 4.6.3 查询语言 1.TinyDB系统的查询语言 TinyDB系统的查询语言是基于SQL的查询语言，称为TinySQL。 该查询语言支持选择、投影、设定采样频率、分组聚集、用户自定义聚集函数、事件触发、生命周期查询、设定存储点和简单的连接操作。 2.Cougar系统的查询语言 Cougar系统提供了一种类似于SQL的查询语言。 在很多传感器网络应用中，对环境进行连续周期性地监测特别重要。因此，Cougar系统的查询语言提供了对连续周期性查询的支持。 4.6.3数据存储 1．数据命名方法 以数据为中心的数据存储方法的基础是数据命名。数据命名的方法有很多，可以根据具体应用采用不同的命名方法。 一种简单的数据命名方法是层次式命名方法。另一种命名方法是“属性一值”命名方法。 2. 数据中心存储方法 (1)地理散列函数 (2) 地理路由协议GPSR (3)地理散列方法如何利用GPSR (4) 增强地理散列方法的鲁棒性 (5) 地理散列方法的结构复制 4.6.4索引技术 2. 一维分布式索引 DIFS (Distributed Index for Features in Sensor networks)系统采用了一个能够有效地处理区域查询的方法。 DIFS系统通过使用感知数据的键属性(由数据名和数据值范同构成)，采用地理散列方法的散列函数和空间分解技术构造多根层次结构树，即一维索引。 3.多维分布式索引 DIFS系统支持的区域查询仅在两个属性(即地理区域和数值范同)上具有区域约束条件。这种查询称为二维区域查询。 4.6.5查询处理技术 1．集中与分布式查询处理方法 （1）集中式查询处理方法 （2）分布式查询处理方法 2. 聚集操作的处理技术 (1) 集中式与分布式聚集技术 (2) 流水线聚集技术 (3) 连续查询处理技术 ①单连续查询的处理技术 ②多连续查询的处理技术 4.6.6 数据管理系统实例 1. 传感器网络数据管理系统TinyDB (1) TinyDB简介 TinyDB的主要特征如下： ①提供元数据管理。 ②支持说明性查询语言。 ③提供有效的网络拓扑管理。 ④支持多查询。 ⑤可扩展性强。 (2) TinyDB的系统结构 TinyDB系统主要由客户端、TinyDB Server和传感器网络三部分构成 ，客户端安装有基于Java的应用程序接口(TinyDB客户端API)。用户通过该接口使用TinyDB。 传感器网络中的每一个节点都安装TinyDB的传感器网络软件(TinyDB QP)。TinyDB可以分为两大部分，第一部分是传感器网络软件，第二部分是客户端软件。传感器网络软件是TinyDB的核心，在每个传感器节点上运行。 (3) TinyDB的传感器网络软件传感器网络软件包括四个构件： ①传感器节点目录和模式管理器； ②查询处理器； ③存储管理器； ④网络拓扑管理器 Cougar系统由三部分组成：第一部分是图形用户界面GUI；第二部分是客户前端系统(FrontEnd)；第三部分是查询代理(QueryProxy)。 4.7服务质量保证 1．服务质量(QoS)定义 服务质量标准主要包括：可用性、吞吐量、时延、时延变化和丢包率等几个参数。 2．服务质量(QoS)支持机制 (1)Intserv集成业务 (2)Diffserv区分业务 (3)MPLS多协议标签交换 4.7.2无线传感器网络QoS研究 Holger Karl将当前无线传感器网络中的QoS研究总结为三类： ①传统端到端QoS支持研究：针对实时性无线传感器网络应用，提供延迟服务保证； ②可靠性保证：保证数据包传输的可靠性； ③应用相关QoS：包括传感覆盖和如何控制网络活动节点数量等问题。 在目前大多数无线传感器网络应用中，人们关注较多的主要有两个问题： ①如何保证网络能够及时可靠地发现所实施应用中相关事件的发生； ②如何保证采集的传感数据在网络中传输时满足应用需求。 这两个问题可以归结为感知服务质量 (传感覆盖)和网络传输服务质量。 在目前大多数无线传感器网络应用中，人们关注较多的主要有两个问题： ①如何保证网络能够及时可靠地发现所实施应用中相关事件的发生； ②如何保证采集的传感数据在网络中传输时满足应用需求。 这两个问题可以归结为感知服务质量 (传感覆盖)和网络传输服务质量。4rc红软基地