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1、经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用第第4 4章章传感器网络的支撑技术传感器网络的支撑技术1经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用传感器网络的支撑技术主要包括：传感器网络的支撑技术主要包括：l时间同步机制时间同步机制l定位技术定位技术l数据融合数据融合l能量管理能量管理l安全机制安全机制第第4 4章章 传感器网络的支撑技术传感器网络的支撑技术2经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受
2、到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用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 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。不同节点的晶体振荡器频率存在偏差，以及温度、湿度和电磁波的干扰钟。不同节点的晶体振荡器频率存在偏差，以及温度、湿度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。等都会造成网络节点之间的运行时间偏差。无线传感器网络时间同步机制的意义和
3、作用主要体现在如下两方面：无线传感器网络时间同步机制的意义和作用主要体现在如下两方面：（1 1）传感器节点通常需要彼此协作，去完成复杂的监测和感知任务。）传感器节点通常需要彼此协作，去完成复杂的监测和感知任务。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有意义的结果。个有意义的结果。（2 2）传感器网络的一些节能方案是利用时间同步来实现的。）传感器网络的一些节能方案是利用时间同步来实现的。3经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或
4、接受服务的费用 在分布式系统中，时间同步涉及在分布式系统中，时间同步涉及“物理时间物理时间”和和“逻辑逻辑时间时间”两个不同的概念。两个不同的概念。“物理时间物理时间”用来表示人类社会使用的绝对时间；用来表示人类社会使用的绝对时间；“逻辑逻辑时间时间”体现了事件发生的顺序关系，是一个相对概念。体现了事件发生的顺序关系，是一个相对概念。分布式系统通常需要一个表示整个系统时间的全局时间。分布式系统通常需要一个表示整个系统时间的全局时间。全局时间根据需要可以是物理时间或逻辑时间。全局时间根据需要可以是物理时间或逻辑时间。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4经营者
5、提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用时时钟钟同步模型同步模型节点本地时钟通常用晶体振荡器脉冲来度量节点本地时钟通常用晶体振荡器脉冲来度量本地时钟本地时钟f(速率，初始相位速率，初始相位)因温度、压力、电源电压等外界环境的变化，往往因温度、压力、电源电压等外界环境的变化，往往会导致晶振频率产生波动会导致晶振频率产生波动，因此，构造理想时钟比因此，构造理想时钟比较困难。较困难。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5经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔
6、偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用3种时钟模型种时钟模型:速率恒定模型速率恒定模型速率恒定模型速率恒定模型假定时钟速率是恒定的，即晶振频率没假定时钟速率是恒定的，即晶振频率没有波动发生。当要求的时钟精度远低于频率波动导致的有波动发生。当要求的时钟精度远低于频率波动导致的偏差时，该模型的假定应该是合理的。偏差时，该模型的假定应该是合理的。漂移有界模型漂移有界模型漂移有界模型漂移有界模型该该模型在工程实践中非常有用，常用来模型在工程实践中非常有用，常用来确定时钟的精度或误差的上下界。确定时钟的精度或误差的上下界。漂移变化有界模型漂移变化有界模型漂移变化有界模型漂移
7、变化有界模型该模型假定时钟漂移的变化是有界该模型假定时钟漂移的变化是有界的的,时钟漂移的变化主要是温度和电源电压等因素发生变时钟漂移的变化主要是温度和电源电压等因素发生变化所引起的，一般变化速率相对缓慢，可以通过适当的化所引起的，一般变化速率相对缓慢，可以通过适当的补偿算法加以修正。补偿算法加以修正。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6经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用通信模型通信模型节点时间校正技术是节点时间校正技术是WSN时间同步的核心和基础。目前时间同步的
8、核心和基础。目前主要的时间校正技术有单向报文传递、双向报文交换、广主要的时间校正技术有单向报文传递、双向报文交换、广播参考报文播参考报文等等技术技术。单向报文传递单向报文传递如果知道如果知道d的上界和下界，则的上界和下界，则d=(dmax+dmin)/2这种时间校正技术的精度最低，因为它假设报文传递过程这种时间校正技术的精度最低，因为它假设报文传递过程中只有传播延时，忽略了无线信道的许多不确定因素的影中只有传播延时，忽略了无线信道的许多不确定因素的影响。响。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d7经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔
9、偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用双向报文交换双向报文交换设设报文的往返时间为报文的往返时间为D=Tib-Tia，报文的传递时延，报文的传递时延d在在0D之间。如果知道之间。如果知道d的上界的上界dmax和下界和下界dmin，节点，节点j可以确可以确定定d在在Ddmax到到D-dmin之间。之间。双向报文交换是应用很广泛的一种时间校正技术，精度比双向报文交换是应用很广泛的一种时间校正技术，精度比较高。但是网络负载比较大，耗能较高，而且需要周期性较高。但是网络负载比较大，耗能较高，而且需要周期性地执行同步过程。地执行同步过程。4.1.1 4.1.1 传感器网络的
10、时间同步机制传感器网络的时间同步机制8经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用广播参考报文广播参考报文利用第三个节点利用第三个节点k作为参考节点，发送时间同步参考广播作为参考节点，发送时间同步参考广播报文给相邻的节点报文给相邻的节点i和节点和节点j。假设这个参考广播报文到达。假设这个参考广播报文到达节点节点i和节点和节点j的时间延迟相等的时间延迟相等Tia=Tja。节点。节点j收到参考广收到参考广播报文后，立即发送包含有播报文后，立即发送包含有Tja信息的报文给节点信息的报文给节点i，于是，于是节点节点i
11、就可以计算收到两条报文的时间间隔就可以计算收到两条报文的时间间隔D为为Tib Tia。广播参考报文的方法只能使节点间的时钟保持相对同步。广播参考报文的方法只能使节点间的时钟保持相对同步。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9经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用时钟同步的误差来源时钟同步的误差来源同步信息的时延包括同步信息的时延包括协议发送时延协议发送时延接入时延接入时延发送时延发送时延传播时延传播时延接收时延接收时延接收处理时延接收处理时延4.1.1 4.1.1 传
12、感器网络的时间同步机制传感器网络的时间同步机制10经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用2、传感器网络时间同步协议的特点、传感器网络时间同步协议的特点l价格限制，无法使用高精度本地振荡器价格限制，无法使用高精度本地振荡器l能量有限，同步时通信开销不能太大能量有限，同步时通信开销不能太大l不能照搬有线网络上成熟的不能照搬有线网络上成熟的NTP时间同步协议，原因是：时间同步协议，原因是：nWSN链路通信质量难以保证，链路通信质量难以保证，nWSN网络拓扑结构不稳定网络拓扑结构不稳定n没有相应的基础设施支持没
13、有相应的基础设施支持nWSN的时间同步协议不能消耗过多的能量和占用较多的时间同步协议不能消耗过多的能量和占用较多的带宽的带宽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11经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用目前已有几种成熟的传感器网络时间同步协议，其中目前已有几种成熟的传感器网络时间同步协议，其中RBS、Tiny/Mini-Sync和和TPSN被认为是三种最基本的传感器网被认为是三种最基本的传感器网络时间同步机制。络时间同步机制。RBS参考广播同步机制参考广播同步机制接收
14、者接收者接收者接收者同步机制同步机制基本思想是多个节点接收同一个同步信号，然后多个基本思想是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。这种同步算法消收到同步信号的节点之间进行同步。这种同步算法消除了同步信号发送一方的时间不确定性。这种同步协除了同步信号发送一方的时间不确定性。这种同步协议的缺点是协议开销大。议的缺点是协议开销大。Tiny-Sync和和Mini-Sync是两种简单的时间同步机制。是两种简单的时间同步机制。TPSN时间同步协议采用层次结构，实现整个网络节点的时间同步协议采用层次结构，实现整个网络节点的时间同步。时间同步。TPSN协议协议发送者接收者发送者接
15、收者同步机制。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12经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用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TPSN时间同步协议类似于传统网络的时间同步协议类似于传统网络的NTP协议，目的是提供传感器网络全网范围内节点间的时间同步。协议，目的是提供传感器网络全网范围内节点间的时间同步。在网络中有一个与外界可以通信，从而获取外部时间，这种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
16、点称为根节点。根节点可装配诸如节点称为根节点。根节点可装配诸如GPS接收机这样的复杂接收机这样的复杂硬件部件，并作为整个网络系统的时钟源。硬件部件，并作为整个网络系统的时钟源。TPSN协议采用层次型网络结构，首先将所有节点按照层协议采用层次型网络结构，首先将所有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同步，最终所有节点都与根节点时间同步。节点对之间的间同步，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时间同步是基于发送者发送者-接收者接收者的同步机制。的同步机制。13经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应
17、当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用 1、TPSN协议的操作过程协议的操作过程TPSN协议包括两个阶段：协议包括两个阶段：第一个阶段生成层次结构，每个节点赋予一个级别，根节第一个阶段生成层次结构，每个节点赋予一个级别，根节点赋予最高级别第点赋予最高级别第0级，第级，第i级的节点至少能够与一个第（级的节点至少能够与一个第（i1）级的节点通信；）级的节点通信；第二个阶段实现所有树节点的时间同步，第第二个阶段实现所有树节点的时间同步，第1级节点同步到级节点同步到根节点，第根节点，第i级的节点同步到第（级的节点同步到第（i1）级的一个节点，最终）
18、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。所有节点都同步到根节点，实现整个网络的时间同步。4.1.2 TPSN4.1.2 TPSN时间同步协议时间同步协议14经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用 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。同步。4.1.2 TPSN4.1.2 TPSN时间同步协议时间同步协议i-1级级i级级105926?151515经营者提供商品或者服
19、务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用优点优点减少同步误差减少同步误差 TPSN TPSN同步协议在同步协议在MACMAC层消息开始发层消息开始发送到无线信道是才给消息添加时标，消除了访问送到无线信道是才给消息添加时标，消除了访问时间带来的时间同步误差。时间带来的时间同步误差。提高同步精度提高同步精度 考虑了传播时间和接收时间，利用考虑了传播时间和接收时间，利用双向消息交换计算消息的平均延迟，提高了时间双向消息交换计算消息的平均延迟，提高了时间同步的精度。同步的精度。4.1.2 TPSN4.1.2 TPSN时间同步协议时间
20、同步协议16经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用缺点缺点没有考虑根节点失效问题。没有考虑根节点失效问题。新的节点加入时，需要初始化层次发现阶段，级新的节点加入时，需要初始化层次发现阶段，级别的静态特性减少了算法的鲁棒性。别的静态特性减少了算法的鲁棒性。4.1.2 TPSN4.1.2 TPSN时间同步协议时间同步协议17经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用使用范围使用范围TPSN能够实现全网范围内节点间的时间同
21、步，同能够实现全网范围内节点间的时间同步，同步误差与跳数距离成正比。步误差与跳数距离成正比。适合实现短期间的全网节点时间同步，若要长时适合实现短期间的全网节点时间同步，若要长时间的全网节点时间同步，需要周期的执行间的全网节点时间同步，需要周期的执行TPSN协协议进行同步，间隔时间根据具体情况决定。议进行同步，间隔时间根据具体情况决定。考虑能耗问题，考虑能耗问题，TPSN可以与后同步策略结合使用。可以与后同步策略结合使用。4.1.2 TPSN4.1.2 TPSN时间同步协议时间同步协议18经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品
22、的价款或接受服务的费用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，说明磁阻传感器网络对机动车辆进行测速，为了实现这个用这里介绍一个例子，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个探测传感器节点的协途，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信号的脉冲峰值，并记录时间。同合作，测速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。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 除以两个峰值之间的时差除以两
23、个峰值之间的时差tt，就可以得出机动目，就可以得出机动目标通过这一路段的速度标通过这一路段的速度(VelVel):):19经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用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，没有节点位置信息的监在传感器网络的很多应用问题中，没有节点位置信息的监测数据往往是没有意义的。无线传感器网络定位问题的含义是指测数据往往是没有意义的。无线传感器网络定位问题的含义是指自组
24、织的网络通过特定方法提供节点的位置信息。自组织的网络通过特定方法提供节点的位置信息。这种自组织网络定位分为节点自身定位和目标定位。节点自这种自组织网络定位分为节点自身定位和目标定位。节点自身定位是确定网络节点的坐标位置的过程。目标定位是确定网络身定位是确定网络节点的坐标位置的过程。目标定位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。覆盖区域内一个事件或者一个目标的坐标位置。节点自身定位是网络自身属性的确定过程，可以通过人工标节点自身定位是网络自身属性的确定过程，可以通过人工标定或者各种节点自定位算法完成。目标定位是以位置已知的网络定或者各种节点自定位算法完成。目标定位是以位置已知的网络
25、节点作为参考，确定事件或者目标在网络覆盖范围内所在的位置。节点作为参考，确定事件或者目标在网络覆盖范围内所在的位置。20经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用 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。位置信息有物理位置物理位置和和符号符号位置位置两大类。两大类。物理位置物理位置指目标在特定坐标系下的位置数值，表示目标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。的相对或者绝对位置。符号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指在目标与一个基站或者多个基站接近程
26、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。在范围。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21经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用 根据不同的依据，无线传感器网络的定位方法可以进行根据不同的依据，无线传感器网络的定位方法可以进行如下分类：如下分类：(1)(1)根据根据是否依靠测量距离是否依靠测量距离，分为基于测距的定位和不需，分为基于测距的定位和不需要测距的定位；要测距的定位；(2)(2)根据根据部署
27、的场合不同部署的场合不同，分为室内定位和室外定位；，分为室内定位和室外定位；(3)(3)根据根据信息收集的方式信息收集的方式，网络收集传感器数据称为被动，网络收集传感器数据称为被动定位，节点主动发出信息，用于定位称为主动定位。定位，节点主动发出信息，用于定位称为主动定位。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22经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用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节点，：指通过其它方式预先获得位置坐标的节点
28、，有时也称作信标节点。网络中相应的其余节点称为非锚点。有时也称作信标节点。网络中相应的其余节点称为非锚点。(2)(2)测距测距：指两个相互通信的节点通过测量方式来估计：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。出彼此之间的距离或角度。(3)(3)连接度连接度：包括节点连接度和网络连接度两种含义。：包括节点连接度和网络连接度两种含义。节点连接度是指节点可探测发现的邻居节点个数。网络节点连接度是指节点可探测发现的邻居节点个数。网络连接度是所有节点的邻居数目的平均值，它反映了传感器配连接度是所有节点的邻居数目的平均值，它反映了传感器配置的密集程度。置的密集程度。(4)(4)邻居节
29、点邻居节点：传感器节点通信半径范围以内的所有其：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。它节点，称为该节点的邻居节点。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23经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用 (5)(5)跳数跳数：两个节点之间间隔的跳段总数，称为这两个节点：两个节点之间间隔的跳段总数，称为这两个节点间的跳数。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自身位置的固定：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
30、等。设备，如卫星、基站等。(7)(7)到达时间到达时间：信号从一个节点传播到另一个节点所需要的：信号从一个节点传播到另一个节点所需要的时间，称为信号的到达时间。时间，称为信号的到达时间。(8)(8)到达时间差到达时间差(TDoA)(TDoA)：两种不同传播速度的信号从一个节：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，称为信号的到达时间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。差。(9)(9)接收信号强度指示接收信号强度指示(RSSI)(RSSI)：节点接收到无线信号的强度：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。大小，称为接收信号的强度指示
31、。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24经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用 (10)(10)到达角度到达角度(Angle of Arrival,AoA)(Angle of Arrival,AoA)：节点接收到的：节点接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。度。(11)(11)视线关系视线关系(Line of Sight,LoS)(Line of Sight,LoS)：如果传感器网络的：如
32、果传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。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存在障碍物，：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。影响了它们直接的无线通信。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25经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用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
33、性的衡量定位性能有多个指标，除了一般性的位置精度位置精度指标以外，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，还有覆盖范围覆盖范围、刷新速度刷新速度和和功耗功耗等其它指标。等其它指标。位置精度是定位系统最重要的指标，精度越高，则技术要求位置精度是定位系统最重要的指标，精度越高，则技术要求越严，成本也越高。定位精度指提供的位置信息的精确程度，越严，成本也越高。定位精度指提供的位置信息的精确程度，它分为相对精度和绝对精度。它分为相对精度和绝对精度。绝对精度指以长度为单位度量的精度。绝对精度指以长度为单位度量的精度。相对精度通常以节点之间距离的百分比来定义。相对精度通常
34、以节点之间距离的百分比来定义。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26经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用 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距离差的估计坐标与真实坐标在二维情况下的距离差值为值为d di i，则，则N N个未知位置节点的网络平均定位误差为：个未知位置节点的网络平均定位误差为：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。刷新速度是指提供位置信息的频率。刷新速度是指提供位置信息的频率。功耗作为传感器网络设计
35、的一项重要指标，对于定位这项功耗作为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耗的能量。服务功能，人们需要计算为此所消耗的能量。定位实时性更多的是体现在对动态目标的位置跟踪。定位实时性更多的是体现在对动态目标的位置跟踪。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27经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用4 4、定位系统的设计要点、定位系统的设计要点 在设计定位系统的时候，要根据预定的性能指标，在众在设计定位系统的时候，要根据预定的性能指标，在众多方
36、案之中选择能够满足要求的最优算法，采取最适宜的技多方案之中选择能够满足要求的最优算法，采取最适宜的技术手段来完成定位系统的实现。通常设计一个定位系统需要术手段来完成定位系统的实现。通常设计一个定位系统需要考虑两个主要因素，即定位机制的物理特性和定位算法。考虑两个主要因素，即定位机制的物理特性和定位算法。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28经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用 基于测距的定位技术是通过测量节点之间的距离，根据基于测距的定位技术是通过测量节点之间的距离，
37、根据几何关系计算出网络节点的位置。解析几何里有多种方法可几何关系计算出网络节点的位置。解析几何里有多种方法可以确定一个点的位置。比较常用的方法是多边定位和角度定以确定一个点的位置。比较常用的方法是多边定位和角度定位。位。4.2.2 4.2.2 基于测距的定位技术基于测距的定位技术29经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用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)4.2.2 4.2.2 基于测距的定位技术基于测距的定位技术30经营者提供商品或者服务有欺诈
38、行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用(2)(2)到达时间到达时间/到达时间差到达时间差(ToA/TDoA(ToA/TDoA)这类方法通过测量传输时间来估算两节点之间距离，精度这类方法通过测量传输时间来估算两节点之间距离，精度较好。较好。ToA ToA机制是已知信号的传播速度，根据信号的传播时间来计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。算节点间的距离。4.2.2 4.2.2 基于测距的定位技术基于测距的定位技术31经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额
39、为消费者购买商品的价款或接受服务的费用(3)(3)到达角到达角(AoA)(AoA)该方法通过配备特殊天线来估测其它节点发射的无线信号该方法通过配备特殊天线来估测其它节点发射的无线信号的到达角度。的到达角度。AoA AoA测距技术易受外界环境影响，且需要额外硬件，它的测距技术易受外界环境影响，且需要额外硬件，它的硬件尺寸和功耗指标不适用于大规模的传感器网络，在某些硬件尺寸和功耗指标不适用于大规模的传感器网络，在某些应用领域可以发挥作用。应用领域可以发挥作用。4.2.2 4.2.2 基于测距的定位技术基于测距的定位技术32经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失
40、，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用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)的结果。的结果。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。坐标，则需四个此类测距值。4.2.2 4.2.2 基于测距的定位技术基于测距的定位技术33经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用3 3、min-maxmin-max定位方法定位
41、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，所有边界框的交集为一矩形，取此矩形的质心作为待定框，所有边界框的交集为一矩形，取此矩形的质心作为待定位节点的坐标。位节点的坐标。4.2.2 4.2.2 基于测距的定位技术基于测距的定位技术34经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用4.2.3 4.2.3 无需测距的定位技术无需测距的
42、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 在计算几何学里多边形的几何中心称为质心，多边形顶在计算几何学里多边形的几何中心称为质心，多边形顶点坐标的平均值就是质心节点的坐标。点坐标的平均值就是质心节点的坐标。假设多边形定点位置的坐标向量表示为假设多边形定点位置的坐标向量表示为p pi i=(x=(xi i，y yi i)T T，则这个多边形的质心坐标则这个多边形的质心坐标 为：为：35经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服
43、务的费用2 2、DV-HopDV-Hop算法算法 DV-Hop DV-Hop算法解决了低锚点密度引发的算法解决了低锚点密度引发的问题，它根据距离矢量路由协议的原理在问题，它根据距离矢量路由协议的原理在全网范围内广播跳数和位置。全网范围内广播跳数和位置。已知锚点已知锚点L1L1与与L2L2、L3L3之间的距离和跳之间的距离和跳数。数。L2L2计算得到校正值（即平均每跳距离计算得到校正值（即平均每跳距离）为（）为（40+7540+75）/（2+52+5）=16.42m=16.42m。假设传。假设传感器网络中的待定位节点感器网络中的待定位节点A A从从L2L2获得校正获得校正值，则它与值，则它与3
44、3个锚点之间的距离分别是个锚点之间的距离分别是L1=316.42L1=316.42，L2=216.42L2=216.42，L3=316.42L3=316.42，然后使用多边测量法确定，然后使用多边测量法确定节点节点 的位置。的位置。4.2.3 4.2.3 无需测距的定位技术无需测距的定位技术36经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用 位置信息有很多用途，在某些应用中可以起到关键性的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、作用。定位技术的用途大体
45、可分为导航、跟踪、虚拟现实、网络路由等。网络路由等。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。所的物品、人员跟踪需要室内的精度定位。虚拟现实仿真系统中需要实时定位物体的位置和方向。虚拟现实仿真系统中需要实时定位物体的位置和方向。4.2.4 4.2.4 定位系统的典型应用定位系统的典型应用37经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务
46、的费用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 我们将各种传感器直接给出的信息称作源信息，如果传我们将各种传感器直接给出的信息称作源信息，如果传感器给出的信息是已经数字化的信息，就称作源数据，如果感器给出的信息是已经数字化的信息，就称作源数据，如果给出的是图像就是源图像。源信息是信息系统处理的对象。给出的是图像就是源图像。源信息是信息系统处理的对象。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：38经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务
47、的费用 消除噪声与干扰，实现对观测目标的连续跟踪和测量等一消除噪声与干扰，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，就是多传感器数据融合技术，有时也系列问题的处理方法，就是多传感器数据融合技术，有时也称作称作多传感器信息融合多传感器信息融合(Information Fusion,IF)(Information Fusion,IF)技术技术或或多多传感器融合传感器融合(Sensor Fusion,SF)(Sensor Fusion,SF)技术技术，它是对多传感器信息，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进行处理的最关键技术，在军事和非军事领域的应用都
48、非常广泛。广泛。数据融合也被人们称作数据融合也被人们称作信息融合信息融合，是一种多源信息处理技，是一种多源信息处理技术，它通过对来自同一目标的多源数据进行优化合成，获得术，它通过对来自同一目标的多源数据进行优化合成，获得比单一信息源更精确、完整的估计或判决。比单一信息源更精确、完整的估计或判决。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39经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用 多传感器数据融合是一种多层次、多方面的处理过程，多传感器数据融合是一种多层次、多方面的处理过程，这个过程
49、是对多源数据进行检测、互联、相关、估计和组这个过程是对多源数据进行检测、互联、相关、估计和组合，以更高的精度、较高的置信度得到目标的状态估计和合，以更高的精度、较高的置信度得到目标的状态估计和身份识别，以及完整的态势估计和威胁评估，为指挥员提身份识别，以及完整的态势估计和威胁评估，为指挥员提供有用的决策信息。供有用的决策信息。这个定义包含这个定义包含三个要点三个要点：l数据融合是多信源、多层次的处理过程，每个层次代表信数据融合是多信源、多层次的处理过程，每个层次代表信息的不同抽象程度；息的不同抽象程度；l数据融合过程包括数据的检测、关联、估计与合并；数据融合过程包括数据的检测、关联、估计与合并
50、；l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。的总战术态势的评估。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40经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用 数据融合的内容主要包括：数据融合的内容主要包括：多传感器的目标探测多传感器的目标探测、数数据关联据关联、跟踪与识别跟踪与识别、情况评估和预测情况评估和预测。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