传感器网络支撑技术

无线信号的发射功率和接收功率之间的关系表述为：
PR：无线信号的接收功率；PT：无线信号的发射功率 r：收发单元之间的距离；n：传播因子，其值大小取决于无线信号传播环境
发射功率 为已知 信号接收强度和传输 距离之间的理论公式
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无线信号接收强度指示与信号传播距离之间的关系
RSSI(dBm)
0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90 -100
信标结点：
通过携带GPS定位系统等手段获得自身精确位置。在整个网 络中占比较小
未知结点：
通过信标结点的位置信息来确定 自身位置。
若给定邻居对的 距离测量值，可 计算出结点坐标
pi pj
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3. 基于测距的定位技术
包括测距和定位
通过测量相邻结点之间的实际距离或方位，根 据几何关系计算出网络结点的位置。
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主要内容
一 定位技术 二 时间同步技术 三 数据融合技术 四 能量管理技术 五 安全技术
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一、定位技术
在传感器网络中，位置信息对传感器网络的监测活 动至关重要，监测到事件之后关心的一个重要问题 就是该事件发生的位置，没有位置信息的监测往往 毫无意义。
例如：
环境监测 战场敌方活动区域状况 目标跟踪
对监控目标的定位
确定网络覆盖区域内一个事件或一个目标的坐标位置。侧 重于目标跟踪方面的应用。
以位置已知的网络结点为参考，确定目标或事件在网络覆 盖范围内的所处位置。是对监控目标的位置估计。
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位置信息有物理位置和符号位置两大类。 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。 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，表示目标与基站之间的连通关系， 提供目标大致的所在范围。
硬件结点的成本和功耗都较高，但测距误差 小，定位精度较高。
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（4）计算结点位置的基本方法
多边定位法：
假设已知信标结点A1，A2，A3，A4，…的坐标依次 分别为（x1，y1），（x2，y2），（x3，y3）， ……。若设未知结点的坐标为（x, y），它至各信标结 点的测距数值为di ，则有：
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
距 离 （ m）
无线信号在传播过程的近距离上信号衰减较快
该方法实现简单，但若存在遮盖或折射，会影响测 量的精度。
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(2)基于到达时间的测距法
这类方法通过测量传输时间来估算两结点之间距 离。
到达时间（ToA）机制是已知信号的传播速度， 根据信号的传播时间来计算结点间的距离。
根据两信号的间隔和各自的传播速度，未知结点可计算出和 该信标结点之间的距离，然后通过比较到各个邻近信标结点的 距离，选择出离自己最近的信标结点，从该信标结点广播的信 息中取得自身的房间位置。
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基于时间的测距方法说明：
基于时间的测距方法适用于射频、红外、超 声波等多种信号
由于无线信号的传输速度快，时间测量上的 很小误差可能会导致较大的测距误差值。因此要 求传感器结点的CPU应具有较强的计算能力。
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ToA方法根据机制采用伪噪声序列信号作为声波 信号，根据声波的传递时间测量结点间的距离。
要求：
两结点须预先实现时间同步。
测距原理
发送结点在发送伪噪声序列信号的同时，通知接收结 点伪噪声序列信号发送的时间；
接收结点在检测到伪噪声序列信号后，根据声波信号 的传播时间和速度计算结点间的距离。
……
目前最成熟的定位系统GPS适合于室外环境，且结 点能耗高、体积大。
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1. 定位技术概述
定位及其作用 基本术语 结点位置计算的基本方法
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1. 定位及其作用
无线传感器网络定位问题的含义是指自组织的 网络通过特定方法提供结点的位置信息。
结点自身定位
确定网络结点的坐标位置 可通过人工标定或结点自定位算法完成
两点之间的距离为：
(T2-T1)*S 其中 S=c1*c2/(c1-c2)
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例：确定大楼内移动或静止结点在大楼内的具体房间的位置。
在每个房间内安装一个信标结点，它们周期性地同时发射无 线射频信号和超声波信号。无线射频信号中含有信标结点的位 置信息，超声波信号仅为单纯的脉冲信号，没有任何语义。
由于无线射频信号的传播速度远大于超声波的传播速度，故 未知结点在收到无线射频信号时，会同时打开超声波信号接收 机。
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To A 测 距 原 理 的 过 程 示 例
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（3）基于到达时间差的测距法
发射结点同时发射两种不同传 播速度的无线信号（例：无线射 频信号和超声波信号），接收结 点记录下这两种信号的到达时间
（T1、T2）和传播速度（c1、 c2），根据两种信号到达的时间
差以及这两种信号的传播速度， 计算两个结点之间的距离。
(
x1
Hale Waihona Puke x)2( y1 ••••
y)2
d12
( xn
x)2
( yn
y)2
d
2 n
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将第前n-1个等式减去第n个等式：
x12
xn2
2(
x1
xn
根据不同的依据，无线传感器网络的定位方法 可以进行如下分类：
(1) 根据是否依靠测量距离，分为基于测距的 定位和不需要测距的定位；
(2) 根据部署的场合不同，分为室内定位和室 外定位；
(3) 根据信息收集的方式，分为被动定位（网 络收集传感器数据）和主动定位（结点主动发出 信息用于定位）。
根据是否已知自身位置，传感器结点可分为：
常见的测距方法
根据接收信号强度指示的测距法（RSSI） 根据信号到达时间的测距法（ToA） 根据信号到达时间差的测距法（TDoA） 根据信号到达角度的测距法（AoA）
常用定位方法
多边定位法
Min-Max定位法
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(1)基于接收信号强度的测距方法
接收机通过测量接收到的射频信号的能量来确定与发送机的距离
第三部分 传感器网络的支撑技术
虽然传感器网络用户的使用目的千变万化，但是 作为网络终端结点的功能归根结底就是探测、感知、 传输收集到的与应用相关的数据信号。为了实现用 户的功能，除了要设计第二部分所介绍的通信与组 网技术以外，还要实现保证网络用户功能正常运行 所需的其它基础性技术。
这些应用层的基础性技术是支撑传感器网络完成 任务的关键，包括定位技术、时间同步机制、数据 融合、能量管理和安全机制等。