無線傳感器網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)課件

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)定位時間同步數(shù)據(jù)融合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)定位1內(nèi)容提要WSN定位概述基于測距（range-based）的定位技術(shù)無需測距（range-free）的定位技術(shù)典型定位系統(tǒng)展望內(nèi)容提要WSN定位概述21.WSN定位概述

什么是定位？定位的應(yīng)用領(lǐng)域定位的技術(shù)指標定位系統(tǒng)的設(shè)計要點定位服務(wù)的標準化1.WSN定位概述什么是定位？31.WSN定位概述-什么是定位？定位就是確定位置。定位的兩種意義：一種是確定自己在系統(tǒng)中的位置；一種是系統(tǒng)確定目標在系統(tǒng)中的位置。位置信息的類型：物理位置指目標在特定坐標系下的位置數(shù)值，表示目標的相對或者絕對位置。符號位置指在目標與一個信標或者多個信標臨近程度的信息，表示目標與基站之間的連通關(guān)系，提供目標大致的所在范圍。也稱“歸屬定位”1.WSN定位概述-什么是定位？定位就是確定位置。4WSN定位機制的重要性定位機制是WSN的基本機制沒有位置信息的檢測消息是沒有意義的；應(yīng)用：戰(zhàn)場偵察、目標跟蹤、入侵檢測、災(zāi)難預報等節(jié)點定位是定位機制的基礎(chǔ)隨機部署的網(wǎng)絡(luò)，需要首先確定傳感器節(jié)點位置；只有節(jié)點定位以后，才能確定節(jié)點檢測事件的位置；定位的其他用途報告事件發(fā)生的地點目標跟蹤和定位協(xié)助路由/網(wǎng)絡(luò)管理物品/財產(chǎn)/醫(yī)療設(shè)備/固定資產(chǎn)的定位與跟蹤6WSN定位機制的重要性定位機制是WSN的基本機制651.WSN定位概述-定位的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ш剑毫私庖苿游矬w在坐標系中的位置，指導移動物體成功到達目的地的工作跟蹤：系統(tǒng)實時地了解物體所處位置和移動的軌跡網(wǎng)絡(luò)路由：優(yōu)化的路由可以提高系統(tǒng)性能、安全性，節(jié)省寶貴的電能基于位置的服務(wù)（LBS,LocationBasedService）：新的增值服務(wù)、應(yīng)用廣泛1.WSN定位概述-定位的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ш剑毫私庖苿游矬w在坐標61.WSN定位概述-定位的技術(shù)指標(1)最重要的指標，指定位系統(tǒng)提供的位置信息的精度。絕對精度指以長度為單位度量的精度。相對精度，通常以節(jié)點之間距離的百分比來定義。覆蓋范圍是另一個重要指標，它和定位精度是一對矛盾。精度覆蓋范圍超聲波分米級十多米Wi-Fi和藍牙3米100米GSM系統(tǒng)100米公里級1.WSN定位概述-定位的技術(shù)指標(1)最重要的指標，指71.WSN定位概述-定位的技術(shù)指標(1)代價

定位系統(tǒng)或算法的代價包括時間代價、空間代價和成本代價等方面。時間代價主要考慮一個定位系統(tǒng)或算法的安裝、配置或定位時間等因素；空間代價主要考慮一個定位系統(tǒng)或算法所需的基礎(chǔ)設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量或系統(tǒng)硬件尺寸等因素；成本代價則主要考慮實現(xiàn)一種定位系統(tǒng)或算法的基礎(chǔ)設(shè)施和節(jié)點設(shè)備的總費用。1.WSN定位概述-定位的技術(shù)指標(1)代價81.WSN定位概述-定位的技術(shù)指標(2)刷新速度是提供位置信息的頻率。

比如GPS每秒鐘刷新1次影響定位服務(wù)的實時性和精度WSN相關(guān)的指標功耗，WSN是功耗受限制的帶寬，協(xié)議棧開銷+數(shù)據(jù)的有效載荷節(jié)點密度，節(jié)點密度要求越高，單次定位的通信開銷越大，消耗的電能越多。91.WSN定位概述-定位的技術(shù)指標(2)刷新速度是提供位91.WSN定位概述-定位系統(tǒng)的設(shè)計要點兩個主要因素：定位機制的物理特性（如：時間同步、傳播特性）相應(yīng)的算法其他設(shè)計要求：節(jié)點密度擴展性魯棒性的要求1.WSN定位概述-定位系統(tǒng)的設(shè)計要點兩個主要因素：101.WSN定位概述-定位服務(wù)的標準化定位系統(tǒng)往往是訂制系統(tǒng)，沒有統(tǒng)一的標準GPS系統(tǒng)，事實標準…但其它定位系統(tǒng)也正在發(fā)展E-911，1996年美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）制定的移動運營商（緊急救援）提供的基站定位服務(wù)標準111.WSN定位概述-定位服務(wù)的標準化定位系統(tǒng)往往是訂制系統(tǒng)11現(xiàn)有的定位系統(tǒng)？？GPS：精度高、實時性好、抗干擾能力強；無遮擋的室外環(huán)境、固定的基礎(chǔ)設(shè)施、成本比較高現(xiàn)有的定位系統(tǒng)？？GPS：精度高、實時性好、抗干擾能力強；無12定位算法的特點自組織性：傳感器節(jié)點通常價格低廉，難以大量配備GPS接收機等定位裝置，需要基于無線網(wǎng)絡(luò)的自組織協(xié)同定位；健壯性：節(jié)點測量數(shù)據(jù)常常有誤差，定位算法需具有良好的容錯性；能量高效：算法計算復雜度要小、通信開銷要低，以利延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期；分布計算：每個節(jié)點獨立計算自身的位置，不依賴全局信息來集中式計算。定位算法的特點自組織性：傳感器節(jié)點通常價格低廉，難以大量配備13相關(guān)術(shù)語信標節(jié)點(anchor)和未知節(jié)點鄰居節(jié)點跳數(shù)、跳段距離(Per-hopdistance)基礎(chǔ)設(shè)施到達時間、到達時間差接收信號強度指示(RSSI)到達角度視線關(guān)系(LOS)、非視線關(guān)系(NLOS)14相關(guān)術(shù)語信標節(jié)點(anchor)和未知節(jié)點1414三邊測量算法（Trilateration）已知A、B、C三個節(jié)點的坐標，以及它們到節(jié)點D的距離，確定節(jié)點D的坐標為；三邊測量算法（Trilateration）已知A、B、C三個15三角測量算法（Triangulation）已知A、B、C三個節(jié)點的坐標，節(jié)點M相對于節(jié)點A、B、C的角度，確定節(jié)點M的坐標；首先求解O1以及O2、O3坐標，然后轉(zhuǎn)換為三邊測量法16

AO1C的角度r1:基于A、M、C三點的外接圓的半徑O1:基于A、M、C三點的外接圓的圓心三角測量算法（Triangulation）已知A、B、C三個16極大似然估計法已知1、2、3等n個節(jié)點的坐標，及它們到節(jié)點D到距離，確定節(jié)點D的坐標；最小均方差估計算法；極大似然估計法已知1、2、3等n個節(jié)點的坐標，及它們到節(jié)點D17定位算法的分類根據(jù)定位過程中是否需要測量實際節(jié)點間的距離，把定位算法分為：基于測距的（range-based）定位利用測量節(jié)點間實際距離或方位計算未知節(jié)點位置；測距無關(guān)的（range-free）定位利用節(jié)點間的估計距離計算未知節(jié)點位置；利用特征進行位置關(guān)聯(lián)不需要直接測量節(jié)點間距離定位算法的分類根據(jù)定位過程中是否需要測量實際節(jié)點間的距離，18定位算法的分類(2)根據(jù)定位過程中節(jié)點定位先后次序的不同，把定位算法分為：遞增式的（Incremental）定位信標節(jié)點附近的節(jié)點首先開始定位，依次向外延伸，各節(jié)點逐次進行定位；累計和傳播測量誤差并發(fā)式的（Concurrent）定位所有的節(jié)點同時進行位置計算；定位算法的分類(2)根據(jù)定位過程中節(jié)點定位先后次序的不同，19定位算法的分類(3)根據(jù)定位過程中是否使用信標節(jié)點的位置信息，把定位算法分為：基于信標節(jié)點（beacon-based）定位以信標節(jié)點作為定位中的參考點，其他各節(jié)點定位后產(chǎn)生整體絕對坐標系統(tǒng)

；無信標節(jié)點的(beacon-free)定位各節(jié)點先以自身作為參考點，將鄰近節(jié)點納入自己定義的坐標系中，相鄰的坐標系統(tǒng)依次轉(zhuǎn)換合并，最后產(chǎn)生整體相對坐標系統(tǒng)；定位算法的分類(3)根據(jù)定位過程中是否使用信標節(jié)點的位置信20WSN定位概述基于測距（range-based）的定位技術(shù)無需測距（range-free）的定位技術(shù)典型定位系統(tǒng)展望內(nèi)容提要21WSN定位概述內(nèi)容提要2121基于距離的定位機制基本思想（range-based）通過測量節(jié)點(即：待定位節(jié)點)與信標節(jié)點間的實際距離或方位進行定位。三個階段測距階段：未知節(jié)點首先測量到鄰居節(jié)點的距離或角度，然后進一步計算到鄰近信標節(jié)點的距離或方位；定位階段：未知節(jié)點在計算出到達三個或三個以上信標節(jié)點的距離或角度后，利用三邊測量法、三角測量法或極大似然估計法計算未知節(jié)點的坐標；修正階段：對求得的節(jié)點坐標進行求精，提高定位精度，減少誤差；基于距離的定位機制基本思想（range-based）222.基于測距（range-based）的定位技術(shù)

三邊定位和多邊定位信號強度（RSS）信號傳播時間/時間差（ToA/TDoA/ToF）接收信號角度定位(AoA)23RSS:RadioSignalStrength;TOA:TimeOFArrivalAOA:AngleofArrivalTDOA:TimeDifferenceofArrivalTOF:TimeofFlightPDOA:PhaseDifferenceofArrival2.基于測距（range-based）的定位技術(shù)三邊定位232.基于測距的定位技術(shù)-三邊定位和多邊定位信號強度（RSS）通過信號在傳播中的衰減來估計節(jié)點之間的距離根據(jù)信道模型求解距離：PL(d)為接收信號強度、PL(d0)為參考距離d0處的信號強度信道的時變特性：信道由于受到多徑衰減（Multi-pathFading）非視距阻擋（Non-of-SightBlockage）的影響PL(d0)….單位距離地點測得的接收信號強度…如，距離發(fā)送節(jié)點1米處的接收信號強度（dBm)2.基于測距的定位技術(shù)-三邊定位和多邊定位信號強度（RS242.基于測距的定位技術(shù)-三邊定位和多邊定位多邊定位Multilateration多次測量方程的個數(shù)大于變量的個數(shù)估計方法：最小二乘（LS，LeastSquare）極大似然（MLE,MaximumLikelihoodEstimation）最小均方差（MMSE,MinimumMeanSquareError）2.基于測距的定位技術(shù)-三邊定位和多邊定位多邊定位Mul252.基于測距的定位技術(shù)-三邊定位和多邊定位多次測量方程的個數(shù)等于變量的個數(shù)需要考慮無解的情況，求最優(yōu)近似解262.基于測距的定位技術(shù)-三邊定位和多邊定位多次測量方程的262.基于測距的定位技術(shù)-三邊定位和多邊定位信號傳播時間/時間差（TOA/TDOA/TOF）ToATDoAToFVUS…超聲速率，近似為340m/s(和氣溫有關(guān));VRF…光速;ToA方式，要求收發(fā)節(jié)點雙方嚴格同步！ToF:timeofflight2.基于測距的定位技術(shù)-三邊定位和多邊定位信號傳播時間/27基于TOA定位機制（1）基本思想已知信號的傳播速度，根據(jù)信號的傳播時間來計算節(jié)點間的距離，然后利用三邊或極大似然估計法等計算出節(jié)點的位置；評價精度高；要求節(jié)點間具備精確的時間同步；如廣播無線電授時對傳感器節(jié)點的硬件和功耗較高的要求；基于TOA定位機制（1）基本思想28基于TOA定位機制（2）思想：偽噪聲序列信號作為聲波信號；組成：揚聲器模塊、麥克風模塊、無線電模塊和CPU模塊；過程：發(fā)送節(jié)點的揚聲器模塊在發(fā)送偽噪聲序列信號的同時，無線電模塊通過無線電同步消息通知接收節(jié)點偽噪聲序列信號發(fā)送的時間，接收節(jié)點的麥克風模塊在檢測到偽噪聲序列信號后，根據(jù)傳播時間和速度計算發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點之間的距離；利用三邊測量算法或極大似然估計算法計算出自身位置；29基于TOA定位機制（2）思想：偽噪聲序列信號作為聲波信號；229基于TDOA的定位（1）原理發(fā)射節(jié)點同時發(fā)射兩種不同傳播速度的無線信號，接收節(jié)點根據(jù)兩種信號到達的時間差以及已知這兩種信號的傳播速度，計算兩個節(jié)點之間的距離，再通過已有基本的定位算法計算出節(jié)點的位置；基于TDOA的定位（1）原理302.基于測距的定位技術(shù)-接收信號角度定位利用角度關(guān)系定位已知兩點和其夾角確定一點

已知三點和三個夾角確定一點

(x1,y1)、(x2,y2)分別為A1、A2的坐標(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)分別為A1、A2、A3的坐標

2.基于測距的定位技術(shù)-接收信號角度定位利用角度關(guān)系定位已31基于AOA的定位（1）基本思想接收節(jié)點通過天線陣列或多個超聲波接收機感知發(fā)射節(jié)點信號的到達方向，計算接收節(jié)點和發(fā)射節(jié)點之間的相對方位或角度，再通過三角測量法計算出節(jié)點的位置；32AOA：AngleofArrivalCPU讀取不同陣列信號的延遲差會對定位精度有影響基于AOA的定位（1）基本思想32AOA：Angleof32WSN定位概述基于測距（range-based）的定位技術(shù)無需測距（range-free）的定位技術(shù)典型定位系統(tǒng)展望內(nèi)容提要33WSN定位概述內(nèi)容提要33333.無需測距（range-free）的定位技術(shù)質(zhì)心算法DV-Hop算法基于指紋的定位方法視覺定位可見光定位。。。3.無需測距（range-free）的定位技術(shù)質(zhì)心算法34質(zhì)心算法（1）多邊形的幾何中心，稱為質(zhì)心，多邊形頂點坐標的平均值就是質(zhì)心節(jié)點的坐標。質(zhì)心定位算法首先確定包含未知節(jié)點的區(qū)域，計算這個區(qū)域的質(zhì)心，并將其作為未知節(jié)點的位置質(zhì)心算法（1）多邊形的幾何中心，稱為質(zhì)心，多邊形頂點坐標的平35質(zhì)心算法（2）基本過程信標節(jié)點周期性向鄰近節(jié)點廣播信標分組，信標分組中包含信標節(jié)點的標識號和位置信息；當未知節(jié)點接收到來自不同信標節(jié)點的信標分組數(shù)量超過某一個門限k或接收一定時間后，就確定自身位置為這些信標節(jié)點所組成的多邊形的質(zhì)心。評價簡單：基于網(wǎng)絡(luò)連通性，無信標節(jié)點和未知節(jié)點協(xié)調(diào)；假設(shè)節(jié)點都擁有理想的球型無線信號傳播模型，而非實際上無線信號的傳播模型；位置估計精確度和信標節(jié)點的密度和分布有很大關(guān)系。上圖中，假定每個節(jié)點傳輸半徑都是R，天線各向同性；目標節(jié)點收到四個綠色節(jié)點的信號，則其位置在紅色區(qū)域內(nèi)，但具體位置無法確定，用質(zhì)心法，可以得到一個較好的估計值，但也可能估計歪了——比如左邊信標節(jié)點較多，右邊較少的話…質(zhì)心算法（2）基本過程上圖中，假定每個節(jié)點傳輸半徑都是R，天36距離向量-跳段定位算法DistanceVector－Hop，類似于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的距離向量路由機制基本思想首先：計算未知節(jié)點與信標節(jié)點之間的最小跳數(shù)；然后：估算每跳的平均距離，利用最小跳數(shù)乘以平均每跳距離，得到未知節(jié)點與信標節(jié)點之間的估計距離，最后：利用三邊測量法或極大似然估計法計算未知節(jié)點的坐標37距離向量-跳段定位算法DistanceVector－Hop37DV-Hop算法的定位過程計算未知節(jié)點與每個信標節(jié)點的最小跳數(shù)信標節(jié)點向鄰居節(jié)點廣播自身位置信息的分組，其中包括跳數(shù)字段，初始化為0；接收節(jié)點記錄“到每個信標節(jié)點的最小跳數(shù)距離”，忽略掉來自同一個信標節(jié)點的較大跳數(shù)的分組。然后將跳數(shù)值加1，并繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)給鄰居節(jié)點；網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點能夠記錄下距離每個信標節(jié)點的最小跳數(shù)距離DV-Hop算法的定位過程計算未知節(jié)點與每個信標節(jié)點的最小跳38DV-Hop算法的定位過程計算未知節(jié)點與信標節(jié)點的實際跳段距離每個信標節(jié)點根據(jù)記錄的其它信標節(jié)點的位置信息和相距跳數(shù)，估算平均每跳的實際距離；然后，信標節(jié)點將計算的每跳平均距離用帶有生存期字段的分組廣播至網(wǎng)絡(luò)中，未知節(jié)點僅記錄接收到的第一個每跳平均距離，并轉(zhuǎn)發(fā)給鄰居節(jié)點；未知節(jié)點接收到平均每跳距離后，根據(jù)記錄的跳數(shù)，計算到每個信標節(jié)點的跳段距離；DV-Hop算法的定位過程計算未知節(jié)點與信標節(jié)點的實際跳段距39DV-Hop算法的定位過程利用三邊測量法或極大似然估計法計算自身位置未知節(jié)點利用第二階段中記錄的到各個信標節(jié)點的跳段距離，利用三邊測量法或極大似然估計法計算自身坐標DV-Hop算法的定位過程利用三邊測量法或極大似然估計法計算40舉例：DV-Hop算法的定位過程信標節(jié)點L2計算的每跳平均距離為(40+75)/(2+5)=16.42A從L2獲得每跳平均距離，則節(jié)點A與三個信標節(jié)點之間的距離分別為L1：3×16.42，L2：2×16.42，L3：3×16.42；L3AL1L241舉例：DV-Hop算法的定位過程L3AL1L24141基于指紋的定位將信號強度看做“特征”預先布置N個參考節(jié)點測出N個參考節(jié)點信號的強度，得到一個N維向量（被稱為指紋）事先測出區(qū)域中每個位置的特征向量將目標測出的特征向量和事先測量值比對，找出位置FMGSMMagneticFieldWhat’sNext?WiFi基于指紋的定位將信號強度看做“特征”FMGSMMagneti42缺點：不能應(yīng)對動態(tài)變化；人工代價高；精度差

ABC缺點：不能應(yīng)對動態(tài)變化；人工代價高；精度差

ABC4344基于視覺的定位SLAM:Simultaneouslocalizationandmappinghttp://vision.in.tum.de/research/vslam/lsdslam44基于視覺的定位SLAM:Simultaneouslo基于可見光的定位至少3個光源作為信標發(fā)送自己的位置手機或其他接收端在接收到>3個信標信息后，根據(jù)計算機視覺技術(shù)計算自己的位置基于可見光的定位45WSN定位概述基于測距（range-based）的定位技術(shù)無需測距（range-free）的定位技術(shù)典型定位系統(tǒng)展望內(nèi)容提要WSN定位概述內(nèi)容提要465.典型定位系統(tǒng)全球和區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)全球?qū)Ш较到y(tǒng)地區(qū)導航系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)使用RSS方式定位的系統(tǒng)使用TOA/TDOA方式定位的系統(tǒng)混合定位系統(tǒng)無需測距的定位系統(tǒng)5.典型定位系統(tǒng)全球和區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)475.典型定位系統(tǒng)-全球和區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)全球?qū)Ш较到y(tǒng)：全球范圍(1)GPSGPS使用24顆人造衛(wèi)星在離地面約2萬公里的高空上，以12小時的周期環(huán)繞地球運行。在地面上的任意一點都可以同時觀測到4顆以上的衛(wèi)星。由于衛(wèi)星的位置精確可知，通過4顆衛(wèi)星發(fā)出的信號，我們可得到衛(wèi)星到接收機的距離。GPS精度達到5-10m，專用車載GPS導航儀已經(jīng)廣泛使用于車輛導航等應(yīng)用領(lǐng)域。為確保全球領(lǐng)先地位，美國正計劃對GPS進行有史以來最大規(guī)模的技術(shù)升級。升級后的美軍第3代全球定位系統(tǒng)，信號發(fā)射功率可提高100倍，定位精度提高到0.2-0.5米，這樣可以使GPS制導武器的精度達到1米以內(nèi),而抗干擾能力也將大大加強。5.典型定位系統(tǒng)-全球和區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)全球?qū)Ш较到y(tǒng)：全球范485.典型定位系統(tǒng)-全球和區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)全球?qū)Ш较到y(tǒng)：全球范圍(2)Galileo系統(tǒng)（歐盟）伽利略系統(tǒng)是中高度圓軌道（MEO）方案，該系統(tǒng)預期由30顆中高度圓軌道衛(wèi)星和2個地面控制中心組成，其中27顆衛(wèi)星為工作衛(wèi)星，3顆為候補。衛(wèi)星高度為24126公里，位于3個傾角為56度的軌道平面內(nèi)。伽利略系統(tǒng)可以分發(fā)實時的米級定位精度信息，這是現(xiàn)有的衛(wèi)星導航系統(tǒng)所沒有的。迄今截止，Galileo系統(tǒng)部署嚴重滯后，總共只發(fā)射了8顆星，可以組成網(wǎng)絡(luò)，初步發(fā)揮地面精確定位的功能.2015年1月，中國北斗與歐洲伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)頻率協(xié)調(diào)達一致意見5.典型定位系統(tǒng)-全球和區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)全球?qū)Ш较到y(tǒng)：全球范495.典型定位系統(tǒng)-全球和區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)全球?qū)Ш较到y(tǒng)：全球范圍(3)Glonass導航系統(tǒng)(俄羅斯）該系統(tǒng)需要18顆運行衛(wèi)星提供覆蓋全俄羅斯的持續(xù)的導航服務(wù)，需要至少24顆衛(wèi)星可提供全球?qū)Ш椒?wù)目前，俄GLONASS衛(wèi)星導航系統(tǒng)擁有工作衛(wèi)星28顆（4顆備份），分布在3個軌道平面上。每顆衛(wèi)星都在1.91萬公里高的軌道上運行，周期為11小時15分。當前，GLONASS系統(tǒng)處于基本運行狀態(tài)，其精度要比美國GPS系統(tǒng)低。俄羅斯2010年成功發(fā)射3顆Glonass衛(wèi)星(2010.09.02)但另有3顆發(fā)射失敗(2010.12)；2013年7月，另有一箭三星發(fā)射失敗;2014年3月24日俄成功發(fā)射一顆“格洛納斯－Ｍ”導航衛(wèi)星。2011年2月，發(fā)射首顆格洛納斯-K導航衛(wèi)星，它比第二代“格洛納斯－M”衛(wèi)星服役期限更長，可達10年，重量更輕，導航更為準確GLONASS定位的精準度，和GPS相比有一定差距，但其具有更強的抗干擾能力。46on11August2010,

SergeiIvanov

announcedaplantointroducea25%importdutyonallGPS-capabledevicesandforceallcarmanufacturersinRussiatosupportGLONASS實際上，至2010年，俄國內(nèi)已有23%的飛機、87%的船只和80%的公共交通工具使用“格洛納斯”。Since2012,GLONASSwasthesecondmostusedpositioningsystemin

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afterGPS7December2015,thesystemwasofficiallycompleted5.典型定位系統(tǒng)-全球和區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)全球?qū)Ш较到y(tǒng)：全球范505.典型定位系統(tǒng)-全球和區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)全球?qū)Ш较到y(tǒng)：全球范圍(4)北斗系統(tǒng)（中國）

北斗雙星定位系統(tǒng)是我國自行建立起來的一種區(qū)域性定位系統(tǒng)（RDSS）。2003年5月25日，我國成功發(fā)射了第三顆“北斗一號”導航定位衛(wèi)星，作為“北斗導航定位系統(tǒng)”的備份星，連同2000年10月31日和12月21日發(fā)射升空的兩顆“北斗一號”導航定位衛(wèi)星和一個地面中心站，形成了一個較為完善的“雙星導航定位系統(tǒng)”?！半p星導航定位系統(tǒng)”應(yīng)歸于“衛(wèi)星無線電定位服務(wù)”（RDSS）。北斗衛(wèi)星導航與美國的GPS相比，最具特色的就是它的短信功能，每條能發(fā)送120個漢字，目前正在進行系統(tǒng)改建，以后短信將達到1000個漢字或更大的傳輸程度.

截止2012年底，已發(fā)射第十六顆北斗導航系統(tǒng)組網(wǎng)衛(wèi)星，正式形成了覆蓋亞太地區(qū)的北斗二號系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)自2011年12月正式宣布提供試運行服務(wù)以來，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，服務(wù)性能不斷提升。系統(tǒng)測試評估表明，北斗系統(tǒng)定位精度平面10米、高程15米，測速精度0.2米/秒，授時精度50納秒，已逐步拓展到交通運輸、氣象、漁業(yè)、林業(yè)、電信、水利、測繪等應(yīng)用領(lǐng)域，產(chǎn)生出顯著的經(jīng)濟、社會效益。

巴基斯坦、印尼、老撾、文萊、緬甸和泰國等是近期重點開發(fā)的外國用戶

預計到2020年，我國將建成由5顆地球靜止軌道和30顆地球非靜止軌道衛(wèi)星組網(wǎng)而成的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，將為全球提供服務(wù)全球定位市場的競爭態(tài)勢：

“一家領(lǐng)先，三家加速跑”，GPS雖然還占據(jù)主導，但其優(yōu)勢正逐步被其他三大系統(tǒng)所消解。如果說GPS勝在成熟，“伽利略”勝在精準，“格洛納斯”勝在抗干擾能力強，那么“北斗”的優(yōu)勢則在于開放性和互動性。5.典型定位系統(tǒng)-全球和區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)全球?qū)Ш较到y(tǒng)：全球范515.典型定位系統(tǒng)-無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)使用指紋方式定位的系統(tǒng)RADAR（2000）Microsoft的RADAR定位系統(tǒng)利用“指紋識別”技術(shù)進行定位，解決WLAN中定位移動計算設(shè)備的問題。SpotON（1999）RSS:RadioSignalStrength5.典型定位系統(tǒng)-無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)使用指紋方式定位的52ABCRADAR–OnlinePhase<<x,y,z>,<A:10,B:20,C:15>><<x,y,z>,<A:12,B:19,C:15>><<x’,y’,z’>,<A:0,B:30,C:40>>…RSSIMapAttheunknownlocation,recordallRSSIvalues:<RSSIA,RSSIB,RSSIC>=<A:11,B:20,C:13>ThelocationoftheclosestfingerprintintheRSSIMapbecomesthelocationoftheuser:<x,y,z>

Closestfingerprint–UserLocation:<x,y,z>[Bahl2000]ABCRADAR–OnlinePhase<<x,y,535.典型定位系統(tǒng)-無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)使用指紋方式定位的系統(tǒng)RADAR（2000）通過對特定環(huán)境下的RF信號衰落特征值進行處理實現(xiàn)的。數(shù)據(jù)處理處理分成2個階段：離線階段（off-linephase）和在線階段（on-linephase）。離線階段訓練不同參考位置所對應(yīng)（試驗環(huán)境下的）3個基站的信號強度信息，生成信號指紋（每個指紋對應(yīng)一個信號向量，也對應(yīng)一個參考位置）信息。在線階段隨時采集3個基站的信號信息，生成未知位置的信號強度向量，與各個指紋相比對，進行歸屬定位。影響：有人、無人，對信號影響很大5.典型定位系統(tǒng)-無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)使用指紋方式定位的545.典型定位系統(tǒng)-無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)使用指紋方式定位的系統(tǒng)SpotON（1999）SpotOn標簽的硬件由DragonballEZ處理器、在916.5MHz的TR1000射頻收發(fā)器和10-bitA/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。該系統(tǒng)基于射頻接收信號強度（RSS）分析的三維位置感知方法，實現(xiàn)小范圍內(nèi)的定位。505.典型定位系統(tǒng)-無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)使用指紋方式定位的555.典型定位系統(tǒng)-無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)使用TOA/TDOA方式定位的系統(tǒng)BatSystem（1999）Cricket（2000）5.典型定位系統(tǒng)-無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)使用TOA/TDO565.典型定位系統(tǒng)-無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)使用TOA/TDOA方式定位的系統(tǒng)BatSystem（1999）Cricket（2000）室內(nèi)定位系統(tǒng)Badge系統(tǒng)是ActiveBadge的后繼發(fā)展，是一種基于測距（range-based）的定位技術(shù)。如右圖所示，該系統(tǒng)使用超聲波信號的TOA實現(xiàn)三維空間定位，使用多邊定位方法提高精度。Bat系統(tǒng)的定位精度最高達到3cm。MIT提出了一種融合TDOA和信號到達相位差的硬件解決方案——CricketCompass，其原型系統(tǒng)可在40角內(nèi)以5的誤差確定接收信號方向。Cricket系統(tǒng)是麻省理工學院的Oxygen項目的一部分，用來確定移動或靜止節(jié)點在大樓內(nèi)的具體所在房間位置。該定位系統(tǒng)利用射頻信號與超聲波信號到達時間間隔和各自的傳播速度，計算出未知位置節(jié)點到已知位置節(jié)點的距離。525.典型定位系統(tǒng)-無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)使用TOA/TDO575.典型定位系統(tǒng)-無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)混合定位系統(tǒng)CalamariAHLoS（AdHocLocalizationSystem）（2001）5.典型定位系統(tǒng)-無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)混合定位系統(tǒng)585.典型定位系統(tǒng)-無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)混合定位系統(tǒng)CalamariCalamar采用超聲波傳播時間（TOA）和接收電信號強度（RSS）方式定位。使用超聲波的測距，將49個節(jié)點部署在144平方米的范圍。定位中等誤差0.53m。使用RSS，系統(tǒng)分別在半個足球場，定位中等誤差4.1m。

5.典型定位系統(tǒng)-無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)混合定位系統(tǒng)Cal595.典型定位系統(tǒng)-無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)混合定位系統(tǒng)AHLoS（AdHocLocalizationSystem）（2001）AHLoS使用RSS進行接近情況探測，同時使用RF和超聲波的收發(fā)時間進行TDOA測量。AHLoS系統(tǒng)中使用3種多邊定位算法：原子式（atommultilateration）、協(xié)作式（collaborativemultilateration）和迭代式（iterativemultilateration）。原子式多邊定位就是普通的最大似然估計定位。55原子式協(xié)作式迭代式5.典型定位系統(tǒng)-無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)混合定位系統(tǒng)55原605.典型定位系統(tǒng)-無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)無需測距的定位系統(tǒng)——（歸屬定位類）ActiveBadge（1992） 每一個目標上安裝一個badge。每個badge周期地每15秒鐘，紅外線發(fā)送大約持續(xù)0.1秒的唯一ID號。已知位置的參考節(jié)點收到這些信號，傳送到網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)知道當前某個badge在哪一個cell附近。ActiveBadge系統(tǒng)的缺點是部署大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)(即：大量參考節(jié)點)困難，同時，紅外線容易受到光線的干擾，尤其是在戶外。因此，ActiveBadge是一個室內(nèi)的基于小區(qū)（cell-based）的定位系統(tǒng)….即參考節(jié)點相互較遠，其覆蓋范圍沒有交集——意圖：只定位到關(guān)鍵位置。5.典型定位系統(tǒng)-無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)無需測距的定位系統(tǒng)61WiFiSlam室內(nèi)定位技術(shù)2013年3月24日，蘋果確認以2000萬美元收購室內(nèi)地理位置服務(wù)商WiFiSlam。該公司的產(chǎn)品允許智能機用戶實時精確定位朋友的位置，精度可達2.5米。WifiSLAM的技術(shù)則利用多種智能手機中的傳感設(shè)備進行定位，包括Wifi天線、GPS、陀螺儀、加速計和磁力計，并且通過機器學習和模式識別等算法將這些數(shù)據(jù)繪制這一張準確的室內(nèi)地圖。SLAM：Simultaneouslocalizationandmapping，不需要先驗知識或者提前標定指紋。WiFiSlam室內(nèi)定位技術(shù)2013年3月24日，蘋果確認以62思科室內(nèi)定位技術(shù)思科和SITA公司合作，在麥哥本哈根國際機場建立了一套室內(nèi)定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含600個AP接入點，可通過Wi-Fi信號分析客戶行為，實現(xiàn)基于信號強度的歸屬定位。誤差在10英尺(約合3米)以內(nèi)。主要作用：防止飛機延誤：飛機的延誤原因之一是乘客傳完登機牌后沒有按時登機，該系統(tǒng)可以根據(jù)乘客和特定登機口的距離提前提醒乘客登機，取代傳統(tǒng)的廣播提醒改為定向針對個人的提醒。提供機場的客流量和關(guān)鍵性能指標的實時信息，如平均排隊時間。為使用iPhone的乘客更有效地在航站樓中導航，提供地圖和機場服務(wù)信息。思科室內(nèi)定位技術(shù)思科和SITA公司合作，在麥哥本哈根國際機場63IndoorAtlas室內(nèi)定位IndoorAtlas定位技術(shù)是利用地磁在室內(nèi)的變化進行室內(nèi)導航。現(xiàn)代建筑的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)會在局部范圍內(nèi)對地磁產(chǎn)生擾亂，指南針可能也會因此受到影響。原則上來說，非均勻的磁場環(huán)境會因其路徑不同產(chǎn)生不同的磁場觀測結(jié)果。特點：受人體影響小，但受金屬影響大IndoorAtlas室內(nèi)定位IndoorAtlas定位技64Google室內(nèi)定位技術(shù)Google已經(jīng)在android4.0上集成室內(nèi)定位API，通過networkprovider接口設(shè)置可以從GPS切換為wifi指紋定位。定位原理為基于wifi的指紋定位，以mac地址為唯一標識，通過眾包(crowdsensing)方式（用戶上傳指紋信息）采建立指紋庫。定位精度和參考點粒度有關(guān)。Google室內(nèi)定位技術(shù)Google已經(jīng)在android465Nokia聯(lián)盟Nokia與Broadcom、Samsung、SonyMobile和Qualcomm等22家公司連手，集合業(yè)內(nèi)的創(chuàng)新技術(shù)共同打造名為「In-Location」的行動室內(nèi)定位服務(wù)?！窱n-Location」將會用到（低功耗）藍牙4.0和Wi-Fi技術(shù)。該系統(tǒng)的好處是，它使用2.4GHz的頻率，藍牙和WiFi是相同的頻率，因此現(xiàn)有的手機不需要添加額外的天線，它完全兼容市面上的手機。你只需要在手機上安裝一個新開發(fā)的定位軟件就好了。更重要的是，這種短距離的定位信號能夠把功耗控制在一個很低的水平，它所需要的能耗，只是接收普通GPS信號的三十分之一。64Nokia聯(lián)盟Nokia與Broadcom、Samsung66百度2012年9月21日消息，百度地圖正式推4.0版本，在iOS及Android平臺上線，包括室內(nèi)定位技術(shù)。目前室內(nèi)定位功能目前僅支持北京地區(qū)的6家大型商場，即中關(guān)村歐美匯、西直門凱德MALL、王府井北京百貨大樓、王府井新東安APM、東直門來福士、東直門銀座等商場。屬于基于wifi的指紋定位，沒有特殊優(yōu)化，實測誤差超過20米。百度2012年9月21日消息，百度地圖正式推4.0版本，在i67無線傳感器網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)定位技術(shù)時間同步融合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)定位技術(shù)68時間同步的必要性晶體振蕩器的頻率本身存在偏差，同時又容易受到濕度、電磁波干擾等影響每個節(jié)點的時間并非同步的時間同步的必要性晶體振蕩器的頻率本身存在偏差，同時又容易受到69時間同步相互協(xié)作的完成感知任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)管理任務(wù)集中式系統(tǒng)與分布式系統(tǒng)集中式：事件間有著明確的時間先后關(guān)系，不存在同步問題分布式：同步是必需的，只是對同步的要求程度不同無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步典型的分布式系統(tǒng)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的基礎(chǔ)時間同步相互協(xié)作的完成感知任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)管理任務(wù)70時間同步技術(shù)的應(yīng)用場合多傳感器數(shù)據(jù)壓縮與融合低功耗MAC協(xié)議、路由協(xié)議網(wǎng)絡(luò)管理（例如覆蓋率等）的要求測距、定位（位置相關(guān)報務(wù)，LBS）分布式系統(tǒng)的傳統(tǒng)要求......時間同步技術(shù)的應(yīng)用場合多傳感器數(shù)據(jù)壓縮與融合71WSN時間同步機制的主要性能參數(shù)最大誤差：一組傳感器節(jié)點之間的最大時間差或相對外部標準時間的最大差值。同步期限：節(jié)點保持時間同步的時間長度。同步范圍：節(jié)點保持時間同步的區(qū)域范圍?？捎眯裕悍秶采w的完整性。效率：達到同步精度所經(jīng)歷的時間以及消耗的能量。代價和體積：需要考慮節(jié)點的價格和體積。WSN時間同步機制的主要性能參數(shù)最大誤差：一組傳感器節(jié)點之間時間同步技術(shù)的分類排序、相對同步與絕對同步

邏輯時間同步絕對時間同步外同步與內(nèi)同步參考源不同局部同步與全網(wǎng)同步同步對象的范圍不同時間同步技術(shù)的分類排序、相對同步與絕對同步73傳統(tǒng)與挑戰(zhàn)傳統(tǒng)同步方法NTP：網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議GPS：全球定位系統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)傳統(tǒng)與挑戰(zhàn)傳統(tǒng)同步方法74NTP（NetworkTimeProtocol）體系結(jié)構(gòu)（網(wǎng)絡(luò)）NTP（NetworkTimeProtocol）體系75NTP（NetworkTimeProtocol）體系結(jié)構(gòu)（單機）NTP（NetworkTimeProtocol）體系結(jié)構(gòu)NTP（NetworkTimeProtocol）NTP不適合WSNWSN體積、計算能力和存儲空間存在限制，而NTP要頻繁的進行信息交換傳輸方式不同：不可靠無線而非有線拓撲動態(tài)性較強WSN可能只有少數(shù)節(jié)點有GPS等時間模塊WSN的目標是局部最優(yōu)而非全局最優(yōu)NTP（NetworkTimeProtocol）NTP不77GPS（GlobalPositionSystem）從根本上解決了人類在地球上的導航與定位問題。每顆衛(wèi)星上配備有高精度的銣、銫原子鐘，并不斷發(fā)射其時間信息地面接收裝置同時接收4顆衛(wèi)星的時間信息，采用偽距測量定位方法可計算出時間和位置信息缺點（室內(nèi)、功耗、成本等）GPS（GlobalPositionSystem）從根78傳感器網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)室內(nèi)、礦井、森林，有遮擋低功耗、低成本和小體積傳輸延遲的不確定性可擴展性、移動性健壯性、安全性網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、多點協(xié)作傳感器網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)室內(nèi)、礦井、森林，有遮擋79挑戰(zhàn)--傳輸延遲的不確定性SendtimeAccesstimeTransmissiontimeReceptiontimeReceivetimePropagationtimeSenderReceiver發(fā)送時間：發(fā)送節(jié)點構(gòu)造和發(fā)送時間同步消息所用時間。e.g.,系統(tǒng)調(diào)用時間；內(nèi)核調(diào)度時間；消息從主機發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)接口時間。訪問時間：發(fā)送節(jié)點等待訪問網(wǎng)絡(luò)傳輸信道的時間。最不確定傳播延遲：發(fā)送節(jié)點傳輸?shù)浇邮展?jié)點所經(jīng)歷的時間。接收時間：從接收節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)接口接收到消息到通知主機消息達到事件所經(jīng)歷的時間間隔。挑戰(zhàn)--傳輸延遲的不確定性SendAccessTransmi80傳輸延遲的進一步細化(在Mica2上)時間典型值特性Sendtime&Receivetime0~100ms不確定，依賴處理器負載、操作系統(tǒng)系統(tǒng)調(diào)用開銷Accesstime10~500ms不確定，依賴信道負載。Transmissiontime&Receptiontime10~20ms確定，依賴報文長度和發(fā)送速率。Propagationtime<1μs（距離<300米）確定，依賴收發(fā)方物理距離和傳播媒質(zhì)特性。Interruptwaitingtime在大多數(shù)情況下<5μs，在重負載下，可達30μs不確定，依賴處理器類型和處理器負載。Encodingtime&Decodingtime100~200μs，<2μs的抖動確定，依賴射頻芯片的種類和設(shè)置。Bytealignmenttime0~400μs確定，依賴發(fā)送速率和收發(fā)字節(jié)偏移。傳輸延遲的進一步細化(在Mica2上)時間典型值特性Send挑戰(zhàn)--低功耗、低成本和小體積軟硬件都要受到該限制存儲與計算能力均比較小加劇了電能供應(yīng)的緊張（電池體積）網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、密度高通信距離近分布式、協(xié)作挑戰(zhàn)--低功耗、低成本和小體積軟硬件都要受到該限制82挑戰(zhàn)--可擴展性（Scalability）在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中尤為重要是大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟硬件設(shè)計中非常重要的問題滿足不同的網(wǎng)絡(luò)類型、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模滿足不同的應(yīng)用需求挑戰(zhàn)--可擴展性（Scalability）在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中尤為83挑戰(zhàn)--健壯性外部環(huán)境復雜，搞毀能力需要應(yīng)對安全性挑戰(zhàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲動態(tài)性較強網(wǎng)絡(luò)規(guī)模變化、需求變化挑戰(zhàn)--健壯性外部環(huán)境復雜，搞毀能力84典型時間同步協(xié)議NTP（NetworkTimeProtocol）DMTS（DelayMeasurementTimeSynchronization）RBS（ReferenceBroadcastSynchronization）TPSN（Timing-syncProtocolforSensorNetworks）Tiny-sync(TightTimeSynchronizationforWSN)HRTS（HierarchyReferencingTimeSynchronizationProtocol）FTSP（FloodingTimeSynchronizationProtocol）GCS（GlobalClockSynchronization）典型時間同步協(xié)議NTP（NetworkTimeProto85發(fā)送者接收者：DMTS

最簡單直觀

單報文同步同步精度低

t2’=t0+nt+(t2-t1)

廣播方式同步能耗低發(fā)送者接收者發(fā)送前導碼、同步字（nt）嵌入時標t0：發(fā)送端的處理延遲和MAC層的訪問延遲接收前導碼、同步字接收ACK接收數(shù)據(jù)發(fā)送ACK接收處理時標t1時標t2發(fā)送時間訪問時間DMTS（DelayMeasurementTimeSynchronization）基于同步消息在傳輸路徑上所有延遲的估計，實現(xiàn)節(jié)點間的時間同步發(fā)送者接收者：DMTS最簡單直觀發(fā)送者接收者發(fā)送前導碼86接收者接收者：RBS（ReferenceBroadcastSynchronizationNICSenderReceiver1CriticalPathReceiver2通過廣播同步指示分組實現(xiàn)接收點間的相對時間同步RF信號的傳播時間差值非常小可以消除接收節(jié)點的接收協(xié)議處理、上下文切換、網(wǎng)絡(luò)接口向主機傳送影響RBS機制性能的因素：時鐘偏差、接收點非確定性因素以及接收點的個數(shù)接收者時間相移均值為0接收者接收者：RBS（ReferenceBroadca87TPSN（Timing-syncProtocolforSensorNetworks）雙報文交換的發(fā)送者接收者同步節(jié)點A節(jié)點BT1T4T2T3RequestReply同步點TPSN（Timing-syncProtocolfor88對同步誤差的分析很重要，是一種基本的分析方法理論分析和實驗證明：TPSN同步誤差是RBS的一半結(jié)合對clockskew的估計，可以提高TPSN的精度TPSN（Timing-syncProtocolforSensorNetworks）對同步誤差的分析TPSN（Timing-syncProto89多跳TPSN全網(wǎng)周期性同步“層發(fā)現(xiàn)”把網(wǎng)絡(luò)組織成最短生成樹逐層在相鄰兩層節(jié)點間同步網(wǎng)絡(luò)內(nèi)兩個節(jié)點的同步“后同步”查找兩個節(jié)點間的路徑在路徑的相鄰兩個節(jié)點間進行TPSN同步多跳TPSN全網(wǎng)周期性同步90思考題傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)時間同步的作用是什么？傳感器網(wǎng)絡(luò)常見的時間同步機制有哪些？理解TPSN時間同步協(xié)議的實現(xiàn)過程。思考題傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)時間同步的作用是什么？91無線傳感器網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)時間同步定位數(shù)據(jù)融合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)時間同步92Q1:內(nèi)容安排是什么？融合的定義：什么是融合融合的作用：為什么需要融合融合的分類：融合的方法：怎樣實現(xiàn)融合經(jīng)典協(xié)議Q1:內(nèi)容安排是什么？融合的定義：什么是融合93Q2：什么是融合？參考案例：1.戰(zhàn)場上部署雷達、激光測距傳感器、攝像頭等多種傳感器，綜合所有感知數(shù)據(jù)檢測敵方情況并做出決策；2.父節(jié)點在轉(zhuǎn)發(fā)所有子節(jié)點的數(shù)據(jù)時，把所有子節(jié)點的數(shù)據(jù)組合成一個數(shù)據(jù)包再發(fā)送融合的對象：多信源、多層次融合的過程：數(shù)據(jù)的檢測（detection）、關(guān)聯(lián)(correlation)、估計(estimation)和合并(combination)融合的輸出：低層次的狀態(tài)分析，高層次的態(tài)勢評估和決策Q2：什么是融合？94Q2：

什么是融合？數(shù)據(jù)融合（dataaggregation）又叫信息融合，通過對來自同一目標的多元數(shù)據(jù)進行優(yōu)化合成，獲得比單一信息源更精確完整的估計和判斷。軍事應(yīng)用的角度來說，Waltz&Llinas定義：多傳感器數(shù)據(jù)融合是一種多層次、多方面的處理過程，這個過程對多源數(shù)據(jù)進行檢測、互聯(lián)、相關(guān)、估計和組合，以更高的精度、更高的置信度得到目標的狀態(tài)估計和身份識別，以及完整的態(tài)勢估計和威脅評估，為指揮員提供有用的決策信息。Q2：什么是融合？數(shù)據(jù)融合（dataaggregatio95Q3:你能想得到多少融合的例子？參考案例：1.戰(zhàn)場上部署雷達、激光測距傳感器、攝像頭等多種傳感器，綜合所有感知數(shù)據(jù)檢測敵方情況并做出決策；2.父節(jié)點在轉(zhuǎn)發(fā)所有子節(jié)點的數(shù)據(jù)時，把所有子節(jié)點的數(shù)據(jù)組合成一個數(shù)據(jù)包再發(fā)送；或把相同的數(shù)據(jù)包丟棄。。。3.兩個節(jié)點同時測量到有火災(zāi)發(fā)生，才判斷火災(zāi)發(fā)生了，否則為誤報4.可穿戴WSN可以利用多種傳感器綜合監(jiān)控人體健康5.手環(huán)可以利用陀螺儀、加速度器等檢測脈搏Q3:你能想得到多少融合的例子？參考案例：96Q4：為什么需要融合？節(jié)省成本和能量消耗等

使用多個廉價傳感器獲得和昂貴的高精度傳感器相同的效果，節(jié)省成本

降低數(shù)據(jù)傳輸量和傳輸消耗的能量（in-networkaggregation）提高數(shù)據(jù)準確性冗余測量，提高置信度和容錯性降低噪聲等影響，提高精度增加感知的角度，提供更全面的感知提高效率

精簡數(shù)據(jù)量，可以避免頻繁的沖突碰撞、快速的到達目的Q4：為什么需要融合？節(jié)省成本和能量消耗等97Q5：融合的分類有哪些？根據(jù)融合前后數(shù)據(jù)的信息含量分類無損/有損融合根據(jù)數(shù)據(jù)融合和應(yīng)用數(shù)據(jù)語義之間關(guān)系分類依賴于應(yīng)用/獨立于應(yīng)用的/混合的融合根據(jù)對數(shù)據(jù)的操作級別數(shù)據(jù)級/特征級/決策級融合Q5：融合的分類有哪些？根據(jù)融合前后數(shù)據(jù)的信息含量分類98Q6:融合的方法：怎樣實現(xiàn)融合？多個同構(gòu)節(jié)點感知一個目標事件－平均法實時動態(tài)的多傳感器冗余數(shù)據(jù)－卡爾曼濾波

靜態(tài)冗余數(shù)據(jù)－貝葉斯估計未知引起的不確定性－D-S證據(jù)推論可加噪聲引起的不確定性－統(tǒng)計決策論目標特征有一定的模糊性現(xiàn)象－模糊邏輯法對傳感器特性和環(huán)境特性進行分析－產(chǎn)生式規(guī)則法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法Q6:融合的方法：怎樣實現(xiàn)融合？多個同構(gòu)節(jié)點感知一個目標99Q7:經(jīng)典協(xié)議有哪些？TAGDDQ7:經(jīng)典協(xié)議有哪些？TAG100TinyAggregationTAGUseSQL

to

describe

dataDistributionphaseAggregatequeriesarepusheddownintothenetworkCollectionphaseAggregatevaluesarecontinuouslyroutedupfromchildrentoparentsTinyAggregationTAGUseSQLto101EnergyConsumptionEnergyConsumption102DeclarativeQueriesforSensorNetworksExamples:SELECTnodeid,lightFROMsensorsWHERElight>400EPOCHDURATION1s1EpochNodeidLightTempAccelSound01455xxx02389xxx11422xxx12405xxxSensorsTimeispartitionedintoepochsofduration

AsingleaggregatedvalueisproducedtocombinethereadingsofalldevicesduringtheepochDeclarativeQueriesforSensor103AggregationQueriesSELECTroomNo,AVG(sound)FROMsensorsGROUPBYroomNoHAVINGAVG(sound)>200EPOCHDURATION10sRoomsw/sound>20032SELECTAVG(sound)FROMsensorsEPOCHDURATION10sEpochAVG(sound)04401445EpochroomNoAVG(sound)01360025201137012520AggregationQueriesRoomsw/so104Section4.1ofTAGIllustration:Aggregation12345112341123451Sensor#Slot#Slot1SELECTCOUNT(*)FROMsensorsSection4.1ofTAGIllustration105Illustration:Aggregation123451122341123452Sensor#Slot#Slot2SELECTCOUNT(*)FROMsensorsIllustration:Aggregation12345106Illustration:Aggregation123451122313411234531Sensor#Slot#Slot3SELECTCOUNT(*)FROMsensorsIllustration:Aggregation12345107Illustration:Aggregation123451122313451123455Sensor#Slot#Slot4SELECTCOUNT(*)FROMsensorsIllustration:Aggregation12345108Illustration:Aggregation1234511223134511123451Sensor#Slot#Slot1SELECTCOUNT(*)FROMsensorsIllustration:Aggregation12345109FlowUpthetreeduringanepoch、parentschoosethedurationoftheintervalinwhichtheywillreceivevalues?FlowUpthetreeduringanepo110111定向擴散的工作過程采用查詢-響應(yīng)操作模式：

任務(wù)命名：各數(shù)據(jù)以（attribute,value）命名；Interest廣播：sink廣播一條查詢消息(Interest)；Interest擴散：網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(sources)；梯度建立：該擴散過程建立了網(wǎng)絡(luò)梯度gradients；數(shù)據(jù)匯報：一旦sources檢測到任務(wù)相關(guān)數(shù)據(jù)便沿著多條路徑流向interest的發(fā)起者；融合：網(wǎng)絡(luò)上的中間節(jié)點可以見機融合interest；聚合、關(guān)聯(lián)或者緩存數(shù)據(jù)；強化路徑：使用加強和減弱來強化多條路徑中的一條或幾條111定向擴散的工作過程采用查詢-響應(yīng)操作模式：112工作過程示例“告訴我在(100,20)區(qū)域內(nèi)4腳動物的位置”

(100,20)區(qū)域內(nèi)的節(jié)點收到interest后立即啟動傳感器收集有關(guān)4腳動物的數(shù)據(jù)；有關(guān)4腳動物的位置信息沿著interest傳播的逆向路徑返回；112工作過程示例“告訴我在(100,20)區(qū)域內(nèi)4腳動物的113命名Interest中type和rect的值一樣時可以融合Data中所有屬性和值一樣時可以融合113命名Interest中type和rect的值一樣思考題WSN中融合的定義和作用理解常用的融合方法其工作原理和適用范圍思考題WSN中融合的定義和作用114無線傳感器網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)定位時間同步數(shù)據(jù)融合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)定位115內(nèi)容提要WSN定位概述基于測距（range-based）的定位技術(shù)無需測距（range-free）的定位技術(shù)典型定位系統(tǒng)展望內(nèi)容提要WSN定位概述1161.WSN定位概述

什么是定位？定位的應(yīng)用領(lǐng)域定位的技術(shù)指標定位系統(tǒng)的設(shè)計要點定位服務(wù)的標準化1.WSN定位概述什么是定位？1171.WSN定位概述-什么是定位？定位就是確定位置。定位的兩種意義：一種是確定自己在系統(tǒng)中的位置；一種是系統(tǒng)確定目標在系統(tǒng)中的位置。位置信息的類型：物理位置指目標在特定坐標系下的位置數(shù)值，表示目標的相對或者絕對位置。符號位置指在目標與一個信標或者多個信標臨近程度的信息，表示目標與基站之間的連通關(guān)系，提供目標大致的所在范圍。也稱“歸屬定位”1.WSN定位概述-什么是定位？定位就是確定位置。118WSN定位機制的重要性定位機制是WSN的基本機制沒有位置信息的檢測消息是沒有意義的；應(yīng)用：戰(zhàn)場偵察、目標跟蹤、入侵檢測、災(zāi)難預報等節(jié)點定位是定位機制的基礎(chǔ)隨機部署的網(wǎng)絡(luò)，需要首先確定傳感器節(jié)點位置；只有節(jié)點定位以后，才能確定節(jié)點檢測事件的位置；定位的其他用途報告事件發(fā)生的地點目標跟蹤和定位協(xié)助路由/網(wǎng)絡(luò)管理物品/財產(chǎn)/醫(yī)療設(shè)備/固定資產(chǎn)的定位與跟蹤6WSN定位機制的重要性定位機制是WSN的基本機制61191.WSN定位概述-定位的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ш剑毫私庖苿游矬w在坐標系中的位置，指導移動物體成功到達目的地的工作跟蹤：系統(tǒng)實時地了解物體所處位置和移動的軌跡網(wǎng)絡(luò)路由：優(yōu)化的路由可以提高系統(tǒng)性能、安全性，節(jié)省寶貴的電能基于位置的服務(wù)（LBS,LocationBasedService）：新的增值服務(wù)、應(yīng)用廣泛1.WSN定位概述-定位的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ш剑毫私庖苿游矬w在坐標1201.WSN定位概述-定位的技術(shù)指標(1)最重要的指標，指定位系統(tǒng)提供的位置信息的精度。絕對精度指以長度為單位度量的精度。相對精度，通常以節(jié)點之間距離的百分比來定義。覆蓋范圍是另一個重要指標，它和定位精度是一對矛盾。精度覆蓋范圍超聲波分米級十多米Wi-Fi和藍牙3米100米GSM系統(tǒng)100米公里級1.WSN定位概述-定位的技術(shù)指標(1)最重要的指標，指1211.WSN定位概述-定位的技術(shù)指標(1)代價

定位系統(tǒng)或算法的代價包括時間代價、空間代價和成本代價等方面。時間代價主要考慮一個定位系統(tǒng)或算法的安裝、配置或定位時間等因素；空間代價主要考慮一個定位系統(tǒng)或算法所需的基礎(chǔ)設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量或系統(tǒng)硬件尺寸等因素；成本代價則主要考慮實現(xiàn)一種定位系統(tǒng)或算法的基礎(chǔ)設(shè)施和節(jié)點設(shè)備的總費用。1.WSN定位概述-定位的技術(shù)指標(1)代價1221.WSN定位概述-定位的技術(shù)指標(2)刷新速度是提供位置信息的頻率。

比如GPS每秒鐘刷新1次影響定位服務(wù)的實時性和精度WSN相關(guān)的指標功耗，WSN是功耗受限制的帶寬，協(xié)議棧開銷+數(shù)據(jù)的有效載荷節(jié)點密度，節(jié)點密度要求越高，單次定位的通信開銷越大，消耗的電能越多。91.WSN定位概述-定位的技術(shù)指標(2)刷新速度是提供位1231.WSN定位概述-定位系統(tǒng)的設(shè)計要點兩個主要因素：定位機制的物理特性（如：時間同步、傳播特性）相應(yīng)的算法其他設(shè)計要求：節(jié)點密度擴展性魯棒性的要求1.WSN定位概述-定位系統(tǒng)的設(shè)計要點兩個主要因素：1241.WSN定位概述-定位服務(wù)的標準化定位系統(tǒng)往往是訂制系統(tǒng)，沒有統(tǒng)一的標準GPS系統(tǒng)，事實標準…但其它定位系統(tǒng)也正在發(fā)展E-911，1996年美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）制定的移動運營商（緊急救援）提供的基站定位服務(wù)標準111.WSN定位概述-定位服務(wù)的標準化定位系統(tǒng)往往是訂制系統(tǒng)125現(xiàn)有的定位系統(tǒng)？？GPS：精度高、實時性好、抗干擾能力強；無遮擋的室外環(huán)境、固定的基礎(chǔ)設(shè)施、成本比較高現(xiàn)有的定位系統(tǒng)？？GPS：精度高、實時性好、抗干擾能力強；無126定位算法的特點自組織性：傳感器節(jié)點通常價格低廉，難以大量配備GPS接收機等定位裝置，需要基于無線網(wǎng)絡(luò)的自組織協(xié)同定位；健壯性：節(jié)點測量數(shù)據(jù)常常有誤差，定位算法需具有良好的容錯性；能量高效：算法計算復雜度要小、通信開銷要低，以利延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期；分布計算：每個節(jié)點獨立計算自身的位置，不依賴全局信息來集中式計算。定位算法的特點自組織性：傳感器節(jié)點通常價格低廉，難以大量配備127相關(guān)術(shù)語信標節(jié)點(anchor)和未知節(jié)點鄰居節(jié)點跳數(shù)、跳段距離(Per-hopdistance)基礎(chǔ)設(shè)施到達時間、到達時間差接收信號強度指示(RSSI)到達角度視線關(guān)系(LOS)、非視線關(guān)系(NLOS)14相關(guān)術(shù)語信標節(jié)點(anchor)和未知節(jié)點14128三邊測量算法（Trilateration）已知A、B、C三個節(jié)點的坐標，以及它們到節(jié)點D的距離，確定節(jié)點D的坐標為；三邊測量算法（Trilateration）已知A、B、C三個129三角測量算法（Triangulation）已知A、B、C三個節(jié)點的坐標，節(jié)點M相對于節(jié)點A、B、C的角度，確定節(jié)點M的坐標；首先求解O1以及O2、O3坐標，然后轉(zhuǎn)換為三邊測量法16

AO1C的角度r1:基于A、M、C三點的外接圓的半徑O1:基于A、M、C三點的外接圓的圓心三角測量算法（Triangulation）已知A、B、C三個130極大似然估計法已知1、2、3等n個節(jié)點的坐標，及它們到節(jié)點D到距離，確定節(jié)點D的坐標；最小均方差估計算法；極大似然估計法已知1、2、3等n個節(jié)點的坐標，及它們到節(jié)點D131定位算法的分類根據(jù)定位過程中是否需要測量實際節(jié)點間的距離，把定位算法分為：基于測距的（range-based）定位利用測量節(jié)點間實際距離或方位計算未知節(jié)點位置；測距無關(guān)的（range-free）定位利用節(jié)點間的估計距離計算未知節(jié)點位置；利用特征進行位置關(guān)聯(lián)不需要直接測量節(jié)點間距離定位算法的分類根據(jù)定位過程中是否需要測量實際節(jié)點間的距離，132定位算法的分類(2)根據(jù)定位過程中節(jié)點定位先后次序的不同，把定位算法分為：遞增式的（Incremental）定位信標節(jié)點附近的節(jié)點首先開始定位，依次向外延伸，各節(jié)點逐次進行定位；累計和傳播測量誤差并發(fā)式的（Concurrent）定位所有的節(jié)點同時進行位置計算；定位算法的分類(2)根據(jù)定位過程中節(jié)點定位先后次序的不同，133定位算法的分類(3)根據(jù)定位過程中是否使用信標節(jié)點的位置信息，把定位算法分為：基于信標節(jié)點（beacon-based）定位以信標節(jié)點作為定位中的參考點，其他各節(jié)點定位后產(chǎn)生整體絕對坐標系統(tǒng)

；無信標節(jié)點的(beacon-free)定位各節(jié)點先以自身作為參考點，將鄰近節(jié)點納入自己定義的坐標系中，相鄰的坐標系統(tǒng)依次轉(zhuǎn)換合并，最后產(chǎn)生整體相對坐標系統(tǒng)；定位算法的分類(3)根據(jù)定位過程中是否使用信標節(jié)點的位置信134WSN定位概述基于測距（range-based）的定位技術(shù)無需測距（range-free）的定位技術(shù)典型定位系統(tǒng)展望內(nèi)容提要21WSN定位概述內(nèi)容提要21135基于距離的定位機制基本思想（range-based）通過測量節(jié)點(即：待定位節(jié)點)與信標節(jié)點間的實際距離或方位進行定位。三個階段測距階段：未知節(jié)點首先測量到鄰居節(jié)點的距離或角度，然后進一步計算到鄰近信標節(jié)點的距離或方位；定位階段：未知節(jié)點在計算出到達三個或三個以上信標節(jié)點的距離或角度后，利用三邊測量法、三角測量法或極大似然估計法計算未知節(jié)點的坐標；修正階段：對求得的節(jié)點坐標進行求精，提高定位精度，減少誤差；基于距離的定位機制基本思想（range-based）1362.基于測距（range-based）的定位技術(shù)

三邊定位和多邊定位信號強度（RSS）信號傳播時間/時間差（ToA/TDoA/ToF）接收信號角度定位(AoA)23RSS:RadioSignalStrength;TOA:TimeOFArrivalAOA:AngleofArrivalTDOA:TimeDifferenceofArrivalTOF:TimeofFlightPDOA:PhaseDifferenceofArrival2.基于測距（range-based）的定位技術(shù)三邊定位1372.基于測距的定位技術(shù)-三邊定位和多邊定位信號強度（RSS）通過信號在傳播中的衰減來估計節(jié)點之間的距離根據(jù)信道模型求解距離：PL(d)為接收信號強度、PL(d0)為參考距離d0處的信號強度信道的時變特性：信道由于受到多徑衰減（Multi-pathFading）非視距阻擋（Non-of-SightBlockage）的影響PL(d0)….單位距離地點測得的接收信號強度…如，距離發(fā)送節(jié)點1米處的接收信號強度（dBm)2.基于測距的定位技術(shù)