無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù) 課件 第3章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)

第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)2第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)目錄3.1網(wǎng)絡(luò)覆蓋與拓撲控制技術(shù)3.2能量管理技術(shù)3.3時間同步技術(shù)3.4定位技術(shù)3.5容錯技術(shù)3.6數(shù)據(jù)融合技術(shù)3.7本章小結(jié)3.1網(wǎng)絡(luò)覆蓋與拓撲控制技術(shù)3.1.1覆蓋控制技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋控制技術(shù)是在節(jié)點能量、無線帶寬、計算處理能力等受限資源條件下，通過網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點配置策略及路由建立等方法，使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)對所監(jiān)測區(qū)域的無線覆蓋和信息獲取。覆蓋控制技術(shù)要求無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點能夠高效協(xié)調(diào)工作，優(yōu)化各個節(jié)點狀態(tài)，在保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能的條件下，盡可能地減少激活狀態(tài)的節(jié)點數(shù)量，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)連接性能，控制網(wǎng)絡(luò)能耗。1．覆蓋評價方法2．節(jié)點感知模型3．節(jié)點部署方法4．覆蓋方式分類5．覆蓋控制算法3.1網(wǎng)絡(luò)覆蓋與拓撲控制技術(shù)1．覆蓋評價方法——基本術(shù)語無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定義了針對覆蓋控制技術(shù)的基本術(shù)語。①感知范圍（SensingRange）。表征單個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點感知物理世界時的最大范圍，也稱為節(jié)點自身的覆蓋范圍或探測訪問范圍。該參數(shù)由節(jié)點自身的硬件支撐條件決定，并可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求進行調(diào)整。②感知精度（SensingAccuracy）。表征節(jié)點或網(wǎng)絡(luò)采集到的監(jiān)測對象信息的準(zhǔn)確程度，一般用感知數(shù)據(jù)與物理世界真實數(shù)據(jù)之間的比值來表示。③感知概率（PerceivedProbability）。表征監(jiān)測對象被節(jié)點或網(wǎng)絡(luò)感知的可能性，也稱為覆蓋概率。該參數(shù)一般與節(jié)點或網(wǎng)絡(luò)的感知模型相關(guān)。④漏檢率（MissedDetectionRate）。表征監(jiān)測對象被節(jié)點或網(wǎng)絡(luò)漏檢的可能性，與感知概率相對應(yīng)。3.1網(wǎng)絡(luò)覆蓋與拓撲控制技術(shù)基本術(shù)語⑤覆蓋效率（CoverageEfficiency，CE）。表征節(jié)點覆蓋范圍的利用率，定義為區(qū)域中所有節(jié)點的有效覆蓋范圍的交集與所有節(jié)點覆蓋范圍之和的比值，其數(shù)學(xué)關(guān)系為⑥覆蓋程度（CoverageDegree）。表征所有節(jié)點覆蓋的總面積與目標(biāo)監(jiān)測區(qū)域總面積之間的比值。3.1網(wǎng)絡(luò)覆蓋與拓撲控制技術(shù)基本術(shù)語⑦覆蓋均勻性（CoverageUniformity，CU）。表征節(jié)點在監(jiān)測區(qū)域的分布情況，一般采用節(jié)點之間的距離標(biāo)準(zhǔn)差來表示，即⑧覆蓋時間（TimetoCoverage）。表征網(wǎng)絡(luò)在達到覆蓋要求時，所有節(jié)點從啟動到就緒時所經(jīng)歷的時間。該參數(shù)在應(yīng)急或突發(fā)事件監(jiān)測應(yīng)用中尤為重要，需要盡可能地降低覆蓋時間，使網(wǎng)絡(luò)快速達到覆蓋要求。3.1網(wǎng)絡(luò)覆蓋與拓撲控制技術(shù)基本術(shù)語⑨平均移動距離（AverageMovingDistance）。在有移動節(jié)點的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，該參數(shù)表征所有移動節(jié)點到達最終位置時移動距離的平均值，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)差還能夠描述各個移動節(jié)點的移動距離與能耗等性能差異。平均移動距離越小，表示網(wǎng)絡(luò)整體能耗就越?。粯?biāo)準(zhǔn)差越小，表示移動節(jié)點的能耗就越均衡，網(wǎng)絡(luò)就能夠持續(xù)更長時間地運行下去。3.1網(wǎng)絡(luò)覆蓋與拓撲控制技術(shù)1．覆蓋評價方法——評價指標(biāo)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋應(yīng)用涉及無線帶寬、計算、存儲等資源的利用，并綜合考慮節(jié)點能量、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量與生命周期，可以從不同角度來評價覆蓋控制算法的可用性和有效性。①覆蓋能力。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能是實現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)域或目標(biāo)對象的信息感知、傳輸與處理，為此產(chǎn)生相應(yīng)的區(qū)域監(jiān)測覆蓋需求，因此，該指標(biāo)是評價無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量的首要指標(biāo)。需要注意的是，一些應(yīng)用場景并不需要區(qū)域被全部覆蓋，在網(wǎng)絡(luò)覆蓋程度超過某個設(shè)定閾值時即達到應(yīng)用需求，實現(xiàn)區(qū)域的部分覆蓋。②網(wǎng)絡(luò)連通性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以自組織的多跳方式進行組網(wǎng)通信，并以此完成網(wǎng)絡(luò)任務(wù)，該指標(biāo)能夠有效評估網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)運行效果，并直接決定了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)感知、傳輸?shù)冗\行服務(wù)質(zhì)量。3.1網(wǎng)絡(luò)覆蓋與拓撲控制技術(shù)評價指標(biāo)③算法準(zhǔn)確性。由于受到應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜性及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身資源與能力的限制，網(wǎng)絡(luò)覆蓋控制算法往往呈現(xiàn)出NP完全問題，僅能得到近似的優(yōu)化效果，引起覆蓋誤差，為此，通過該指標(biāo)來描述所采用覆蓋控制算法的準(zhǔn)確性。④算法復(fù)雜性。由于節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)的處理能力有限，通過該指標(biāo)來評價所采用算法應(yīng)用時的執(zhí)行能力和效率，涉及通信復(fù)雜度、時間復(fù)雜度和執(zhí)行復(fù)雜度等。⑤能量有效性。該指標(biāo)用于評價網(wǎng)絡(luò)的能耗情況，用于延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。覆蓋控制算法主要通過調(diào)整發(fā)射功率、調(diào)度節(jié)點狀態(tài)、減少信息維護與交換開銷等方式來降低網(wǎng)絡(luò)能耗。⑥網(wǎng)絡(luò)可擴展性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出動態(tài)變化的運行特征，節(jié)點的失效退出和新節(jié)點的加入使得覆蓋控制算法需要適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的擴展性變化。3.1網(wǎng)絡(luò)覆蓋與拓撲控制技術(shù)評價指標(biāo)⑦算法實施策略。覆蓋控制算法包括集中式、分布式和混合式（集中式與分布式相結(jié)合）3種模式，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)因能量、資源等有限，適用于基于本地信息執(zhí)行的分布式覆蓋控制算法。在一些無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景中，如果存在處理能力強且能量充足的中心節(jié)點或基站，可考慮集中式覆蓋控制算法，也可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和需求采用混合式覆蓋控制算法來提高執(zhí)行效果。3.1網(wǎng)絡(luò)覆蓋與拓撲控制技術(shù)2.節(jié)點感知模型——布爾感知模型在理想的平面區(qū)域中，節(jié)點的覆蓋范圍描述為以節(jié)點為圓心且以最大感知距離為半徑的圓形區(qū)域。位于該圓形區(qū)域內(nèi)的對象能夠被探測，設(shè)置為1；區(qū)域外的對象不能被探測，設(shè)置為0，故也稱為二元感知模型，其數(shù)學(xué)關(guān)系為布爾感知模型忽略了眾多應(yīng)用因素的影響，是一種理想化的離散模型，但模型簡單、便于計算。3.1網(wǎng)絡(luò)覆蓋與拓撲控制技術(shù)2.節(jié)點感知模型——概率感知模型一般地，監(jiān)測對象離節(jié)點越近，越能夠獲得準(zhǔn)確的感知效果，但隨著距離的增大，節(jié)點的無線信號強度將逐漸弱化，所獲得的監(jiān)測信息也就越粗糙。因此，在沒有鄰居節(jié)點的情況下，節(jié)點的感知概率可表述成與距離相關(guān)的指數(shù)衰減關(guān)系，即3.1網(wǎng)絡(luò)覆蓋與拓撲控制技術(shù)3.節(jié)點部署方法——確定性部署如果已知應(yīng)用環(huán)境情況，可根據(jù)任務(wù)需求和節(jié)點特性來預(yù)先配置節(jié)點的放置位置，從而形成確定性覆蓋（DeterministicCoverage）方式。這種方式的部署代價小，適合網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不大、節(jié)點放置條件便于確定的應(yīng)用場景。典型的確定性部署覆蓋方式包含3種類型，即確定性區(qū)域/點覆蓋、基于網(wǎng)格的目標(biāo)覆蓋、確定性網(wǎng)絡(luò)路徑/目標(biāo)覆蓋。確定性區(qū)域/點覆蓋是直接利用已知節(jié)點位置信息完成區(qū)域或?qū)ο蟮母采w。基于網(wǎng)格的目標(biāo)覆蓋是在已知地理環(huán)境信息的條件下，建立基于二維或三維的網(wǎng)格模型，在適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格格點實現(xiàn)目標(biāo)對象的覆蓋。確定性網(wǎng)絡(luò)路徑/目標(biāo)覆蓋是在已知節(jié)點位置的基礎(chǔ)上，針對穿越網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)或其經(jīng)過的路徑上的各個節(jié)點進行感應(yīng)和跟蹤。3.1網(wǎng)絡(luò)覆蓋與拓撲控制技術(shù)3.節(jié)點部署方法——隨機部署在很多實際情況中，應(yīng)用環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不能預(yù)先確定，可能需要在監(jiān)測區(qū)域部署大量節(jié)點或?qū)⒐?jié)點部署到人員難以接近的區(qū)域，這就需要通過隨機拋撒方式部署節(jié)點，從而形成隨機覆蓋（RandomCoverage）方式。典型的隨機部署覆蓋方式包含兩類，即隨機節(jié)點覆蓋和動態(tài)網(wǎng)絡(luò)覆蓋。隨機節(jié)點覆蓋就是通過預(yù)先不知道節(jié)點位置的隨機部署方式實現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)域的覆蓋，一旦完成部署，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點就保持固定。動態(tài)網(wǎng)絡(luò)覆蓋是利用網(wǎng)絡(luò)中移動節(jié)點的動態(tài)覆蓋能力完成相應(yīng)的覆蓋需求，這種方式可以彌補隨機節(jié)點覆蓋的不足，也可為網(wǎng)絡(luò)的運行帶來一定的靈活性。3.1網(wǎng)絡(luò)覆蓋與拓撲控制技術(shù)4.覆蓋方式分類結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)需求，進行覆蓋控制不僅只是為了實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋，而且還得與可靠傳輸、路徑規(guī)劃、目標(biāo)定位等應(yīng)用結(jié)合起來進行綜合考慮。根據(jù)監(jiān)測區(qū)域中覆蓋對象的差異，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋方式可以分為3類，即點覆蓋（PointCoverage）、區(qū)域覆蓋（AreaCoverage）和柵欄覆蓋（BarrierCoverage）。另外，根據(jù)應(yīng)用屬性的不同，還有節(jié)能覆蓋（Energy-EfficientCoverage）、連通性覆蓋（CoveragewithConnectivity）等其他方式。3.1網(wǎng)絡(luò)覆蓋與拓撲控制技術(shù)點覆蓋點覆蓋是指監(jiān)測區(qū)域中的有限個離散目標(biāo)點，每個目標(biāo)點處于至少一個傳感器節(jié)點的感應(yīng)范圍內(nèi)。如圖3-1所示，黑色方塊為需要被監(jiān)測的離散目標(biāo)點，空心圓為非激活節(jié)點（可能處于睡眠或關(guān)閉狀態(tài)），黑色實心圓為激活的傳感器節(jié)點，虛線圓圈表示激活節(jié)點的覆蓋范圍。從圖中可以看出，目標(biāo)點被至少一個激活節(jié)點所覆蓋。3.1網(wǎng)絡(luò)覆蓋與拓撲控制技術(shù)區(qū)域覆蓋區(qū)域覆蓋是指在監(jiān)測區(qū)域中，任意一個點都能處于至少一個傳感器節(jié)點的感應(yīng)范圍內(nèi)，如圖3-2所示。針對某一個指定區(qū)域，如果能夠?qū)崿F(xiàn)該區(qū)域的整體覆蓋，則稱為完全覆蓋或單重（1-重）覆蓋；如果指定區(qū)域中的一個點被多個不同的傳感器節(jié)點相互協(xié)作監(jiān)測，則稱為多重覆蓋。不同的應(yīng)用對覆蓋程度也有著不同的要求，比如，當(dāng)面向一些固定監(jiān)測任務(wù)時，單個傳感器節(jié)點能夠?qū)崿F(xiàn)完全覆蓋，也就是說，單重覆蓋就已滿足應(yīng)用需求；當(dāng)面向一些分布式目標(biāo)跟蹤任務(wù)時，就需要多重覆蓋，以及時響應(yīng)目標(biāo)的動態(tài)變化過程。3.1網(wǎng)絡(luò)覆蓋與拓撲控制技術(shù)柵欄覆蓋柵欄覆蓋是指移動目標(biāo)沿著任意路徑穿越無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署的監(jiān)測區(qū)域時能夠被監(jiān)測到的覆蓋方式。該方式的目標(biāo)是找出連接監(jiān)測對象從出發(fā)位置和離開位置的一條或多條路徑，也稱為障礙物覆蓋，可用于入侵監(jiān)測和邊界保護等應(yīng)用，如圖3-3所示。3.1網(wǎng)絡(luò)覆蓋與拓撲控制技術(shù)節(jié)能覆蓋在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點能量有限，特別是針對大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，需要保障網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能夠充分參與到覆蓋任務(wù)中。一般采用節(jié)點的輪換激活和睡眠機制來提高網(wǎng)絡(luò)的生命周期，其中的關(guān)鍵就在于如何在滿足覆蓋任務(wù)要求的條件下，使得輪換節(jié)點集合的數(shù)量達到最優(yōu)。3.1網(wǎng)絡(luò)覆蓋與拓撲控制技術(shù)連通性覆蓋連通性覆蓋在考慮無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力的同時，還融合了網(wǎng)絡(luò)連通性屬性。針對要求可靠通信的應(yīng)用場景，同時考慮覆蓋和連通性需求就變得尤為重要。這類覆蓋主要有兩種實現(xiàn)方式：一種是活躍節(jié)點集連通覆蓋，采用活躍節(jié)點集輪換機制，確保指定區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)覆蓋和連通性；另一種是連通路徑覆蓋，通過優(yōu)化選擇可能的連通傳感器節(jié)點路徑，得到最大化的網(wǎng)絡(luò)覆蓋效果。3.1網(wǎng)絡(luò)覆蓋與拓撲控制技術(shù)5.覆蓋控制算法覆蓋控制是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和運行的基礎(chǔ)，隨著需求和技術(shù)的發(fā)展，逐漸形成了多種算法，這里介紹其中的代表性覆蓋控制算法。（1）基于網(wǎng)格的覆蓋控制算法（2）基于輪換活躍/睡眠的覆蓋控制算法3.1網(wǎng)絡(luò)覆蓋與拓撲控制技術(shù)基于網(wǎng)格的覆蓋控制算法基于網(wǎng)格的覆蓋控制算法將監(jiān)測區(qū)域以網(wǎng)格化方式均勻劃分，是一種關(guān)于節(jié)點的確定性部署方式，如圖3-4所示，黑色實心圓為激活的傳感器節(jié)點，空心圓為網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)格點，且格點至少被一個傳感器節(jié)點所覆蓋。傳感器節(jié)點采用二元的布爾覆蓋模型，并可使用能量向量來表示各個格點的能量，如第2個格點能夠被激活的第5個傳感器節(jié)點感應(yīng)，其能量向量可以表示為（0,1,0）。3.1網(wǎng)絡(luò)覆蓋與拓撲控制技術(shù)基于輪換活躍/睡眠的覆蓋控制算法基于輪換活躍/睡眠的覆蓋控制算法是一種針對節(jié)能控制的覆蓋方法，通過節(jié)點輪換活躍與睡眠的自我調(diào)度（Self-Scheduling）方式來節(jié)約能量，以延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。如圖3-5所示，節(jié)點3和節(jié)點4的感應(yīng)任務(wù)可以被鄰居節(jié)點替代覆蓋，但如果這兩個節(jié)點同時睡眠，則會出現(xiàn)圖中所示的陰影區(qū)域，該陰影區(qū)域不能被其他節(jié)點所感應(yīng)，即為盲點。3.1網(wǎng)絡(luò)覆蓋與拓撲控制技術(shù)3.1.2拓撲控制技術(shù)針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點分布式部署，特別是面向大規(guī)模應(yīng)用，在網(wǎng)絡(luò)拓撲構(gòu)建過程中，必然會形成大量的節(jié)點通信鏈路。將兩個能夠直接通信的節(jié)點之間的連接鏈路視為一條拓撲邊，如果沒有拓撲控制機制，網(wǎng)絡(luò)中將生成大量的拓撲邊，而冗余的拓撲邊使得網(wǎng)絡(luò)需要處理更多的信息，造成路由的選擇計算過于復(fù)雜，增加額外的網(wǎng)絡(luò)開銷，浪費有限的計算資源；同時，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點都會以各自的最大無線傳輸功率方式沿著拓撲邊進行相互傳輸，節(jié)點能量將因此被快速消耗，縮短網(wǎng)絡(luò)的生命周期；所有節(jié)點的最大無線功率傳輸使得各個節(jié)點都以最大感應(yīng)范圍進行監(jiān)測覆蓋，無線信號覆蓋范圍相互疊加明顯，容易引起無線信道中的信息傳輸沖突，削弱無線通信的質(zhì)量，降低網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。3.1網(wǎng)絡(luò)覆蓋與拓撲控制技術(shù)拓撲控制的任務(wù)與目標(biāo)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲控制任務(wù)是在相關(guān)資源受限情況下，全網(wǎng)協(xié)作地控制節(jié)點發(fā)射功率，協(xié)調(diào)優(yōu)化節(jié)點與無線通信鏈路組成的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，保障網(wǎng)絡(luò)具有一定的連通度和覆蓋度。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與具體應(yīng)用密不可分，不同的應(yīng)用場景需要不同的拓撲控制目標(biāo)要求。無論什么場景，都希望能夠?qū)⒈O(jiān)測到的信息傳送到數(shù)據(jù)服務(wù)中心，良好的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)是確保監(jiān)測信息能夠高效穩(wěn)定傳輸?shù)闹匾侄?。在設(shè)計過程中，一般是結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期，綜合網(wǎng)絡(luò)負載均衡、通信干擾、網(wǎng)絡(luò)時延、覆蓋能力、簡單性、可靠性、可擴展性等要素，以形成優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲控制需要考慮的設(shè)計目標(biāo)主要包含以下幾個方面。3.1網(wǎng)絡(luò)覆蓋與拓撲控制技術(shù)拓撲控制的任務(wù)與目標(biāo)①覆蓋度。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)與覆蓋度緊密相關(guān)，即在拓撲生成過程中需要保證網(wǎng)絡(luò)具有足夠大的覆蓋度，反映網(wǎng)絡(luò)對監(jiān)測區(qū)域的全面感知能力。②連通度。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋區(qū)域廣，部署的節(jié)點數(shù)量眾多，但單個節(jié)點的通信能力有限，通常情況下感知信息需要通過多跳方式發(fā)送到匯聚節(jié)點，這就要求多跳路徑上的傳輸鏈路相互連通。③吞吐量。吞吐量表征了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)承載數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰?，特別是當(dāng)有大量數(shù)據(jù)需要傳輸時，吞吐量是影響網(wǎng)絡(luò)通信能力的重要因素。在理想情況下，假設(shè)目標(biāo)區(qū)域為凸區(qū)域，其面積為A，節(jié)點最高的傳輸速率為W，源節(jié)點到目標(biāo)節(jié)點的平均距離為L，節(jié)點數(shù)量為n3.1網(wǎng)絡(luò)覆蓋與拓撲控制技術(shù)拓撲控制的任務(wù)與目標(biāo)④網(wǎng)絡(luò)時延。網(wǎng)絡(luò)時延表示從信息請求發(fā)出開始到獲得最終響應(yīng)結(jié)果的間隔時間，網(wǎng)絡(luò)負載、信道競爭使用、無線射頻功率等因素都會對網(wǎng)絡(luò)時延造成影響。在應(yīng)急監(jiān)測、災(zāi)害救助等實時性要求較高的應(yīng)用場景中，網(wǎng)絡(luò)時延是關(guān)系到系統(tǒng)能否正常運行的重要指標(biāo)。⑤網(wǎng)絡(luò)能耗。在構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)中，如果某個重要節(jié)點因過快地消耗自身能量而消亡，那么該節(jié)點所關(guān)聯(lián)的所有鏈路將失效，可能導(dǎo)致該區(qū)域節(jié)點難以提供正常的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，因此，拓撲控制算法需要均衡網(wǎng)絡(luò)能耗，并達到最小化使用網(wǎng)絡(luò)能耗的效果。3.1網(wǎng)絡(luò)覆蓋與拓撲控制技術(shù)拓撲控制的任務(wù)與目標(biāo)⑥網(wǎng)絡(luò)生命周期。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)要生存下去，需要滿足一定的網(wǎng)絡(luò)覆蓋能量、拓撲連通能力及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量要求。網(wǎng)絡(luò)生命周期一般可以通過網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的死亡數(shù)量閾值或網(wǎng)絡(luò)是否還能提供滿足需求的服務(wù)能力來評價。拓撲控制算法需要最大限度地延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。⑦魯棒性和可擴展性。無線通信鏈路容易受到環(huán)境干擾的影響，且節(jié)點的消亡或新節(jié)點的加入使得網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生動態(tài)變化，因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲控制需要具備良好的魯棒性和可擴展性。3.1網(wǎng)絡(luò)覆蓋與拓撲控制技術(shù)拓撲控制研究思路2.1.2節(jié)介紹的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，包含平面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、層次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲控制的基本原則是在保證網(wǎng)絡(luò)具有一定的連通能力、覆蓋能力的前提下，形成優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以保證完成任務(wù)需求。目前，針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲控制的研究思想主要有計算幾何和概率分析兩大類方法。3.1網(wǎng)絡(luò)覆蓋與拓撲控制技術(shù)計算幾何方法計算幾何方法是在滿足某些網(wǎng)絡(luò)性能的基礎(chǔ)上，利用某些幾何結(jié)構(gòu)來構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的拓撲，常用的幾何結(jié)構(gòu)包括：最小生成樹（MinimumSpanningTree，MST）、相關(guān)鄰居圖（RelativeNeighborGraph）、Delaunay三角圖、Gabriel圖、Yao圖等。3.1網(wǎng)絡(luò)覆蓋與拓撲控制技術(shù)概率分析方法概率分析方法是假設(shè)監(jiān)測區(qū)域中的節(jié)點是按照某種概率密度分布的，通過計算使拓撲結(jié)構(gòu)以大概率滿足某些網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)時節(jié)點所需的最小鄰居個數(shù)和最小傳輸功率。常見的分析模型主要包括：考慮網(wǎng)絡(luò)鏈路相關(guān)性的隨機網(wǎng)絡(luò)（RandomNetwork，RN）模型、考慮網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵連通分布密度的連續(xù)滲流（ContinuumPercolation）模型、考慮網(wǎng)絡(luò)活躍節(jié)點輪換機制的占位（Occupancy）模型等。相對來說，在隨機圖理論中，需要假設(shè)任意兩個節(jié)點間邊的存在與否是互相獨立，與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲邊的生成存在一定差異，所改進的幾何隨機圖理論從一定程度上解決了該假設(shè)條件的適應(yīng)性問題。隨著研究的深入，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲控制從起初的單純幾何拓撲關(guān)系問題發(fā)展到融合網(wǎng)絡(luò)通信理論的階段，從功率控制、層次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和睡眠調(diào)度等角度考慮網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化問題，下面將著重介紹基于這3種類型的拓撲控制方法。3.1網(wǎng)絡(luò)覆蓋與拓撲控制技術(shù)基于功率控制的拓撲控制在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，其拓撲結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)連通性都與節(jié)點的發(fā)射功率相關(guān)，如果節(jié)點的發(fā)射功率過小，所形成的節(jié)點感應(yīng)半徑就很短，使得節(jié)點無法與其他節(jié)點建立通信連接，從而造成網(wǎng)絡(luò)的割裂；如果節(jié)點的發(fā)射功率過大，雖然能夠確保節(jié)點間的鏈路連通，但會使得無線信道的競爭加大，節(jié)點不僅會消耗更多的能量，還會因信道競爭造成碰撞重傳甚至可能會使數(shù)據(jù)丟包，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)時延等性能的下降。功率控制就是通過設(shè)置或動態(tài)調(diào)整節(jié)點的發(fā)射功率，在保證網(wǎng)絡(luò)連通與覆蓋需求的前提下，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)中骨干節(jié)點的選取，剔除節(jié)點之間非必要的通信鏈路，形成優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，控制網(wǎng)絡(luò)能耗，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。功率控制技術(shù)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多個協(xié)議層次相關(guān)，除與網(wǎng)絡(luò)層的路由控制緊密關(guān)聯(lián)外，還涉及物理層的無線射頻質(zhì)量、數(shù)據(jù)鏈路層的帶寬使用和空間復(fù)用度、傳輸層的擁塞控制等。下面主要介紹幾種基于功率控制的拓撲控制方法。3.1網(wǎng)絡(luò)覆蓋與拓撲控制技術(shù)基于功率控制的拓撲控制①統(tǒng)一功率分配控制方法統(tǒng)一功率分配控制方法的基本思想是，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點均采用一致的發(fā)射功率，在保證網(wǎng)絡(luò)連通的條件下使得網(wǎng)絡(luò)功率最小化。該方法的處理方式較為簡單，直接將功率控制和路由協(xié)議結(jié)合起來，即網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點需要維護多個路由表，這些路由表分別對應(yīng)不同的發(fā)射功率級別，節(jié)點間同級別的路由表交換控制信息；通過對比分析不同路由表的數(shù)據(jù)項，可以判斷在獲得最多節(jié)點連通情況下的最小功率，進而以此功率進行統(tǒng)一發(fā)射。該方法由于是統(tǒng)一操作，只適合于節(jié)點分布均勻的拓撲結(jié)構(gòu)應(yīng)用領(lǐng)域，否則，全網(wǎng)可能會以偏大的發(fā)射功率運行，從而造成過大的能耗。3.1網(wǎng)絡(luò)覆蓋與拓撲控制技術(shù)基于功率控制的拓撲控制②節(jié)點度控制方法所謂節(jié)點度，是指無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中所有距離本節(jié)點一跳的鄰居節(jié)點數(shù)量。節(jié)點度控制方法的基本思想是，設(shè)定網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的節(jié)點度的上限和下限需求，動態(tài)調(diào)整節(jié)點的發(fā)射功率，使其節(jié)點度控制在該限定范圍內(nèi)。從基本思想可以看出，節(jié)點度控制方法利用網(wǎng)絡(luò)局部信息來調(diào)整相鄰節(jié)點間的連通性，并以此為基礎(chǔ)進行拓展，以保證全網(wǎng)的連通性；同時，節(jié)點度數(shù)可調(diào)也使得節(jié)點間的傳輸鏈路具有一定的冗余性和可擴展性。本地平均算法（LocalMeanAlgorithm，LMA）是一種典型的基于節(jié)點度的拓撲控制方法，其處理過程是：首先，網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點都有唯一的ID，所有節(jié)點都有一個相同的初始化無線發(fā)射功率TransP，每個節(jié)點定期發(fā)送一個包含ID的廣播消息。鄰居節(jié)點收到廣播消息后，就返回一個包含自身ID的應(yīng)答消息。3.1網(wǎng)絡(luò)覆蓋與拓撲控制技術(shù)基于功率控制的拓撲控制每個節(jié)點在發(fā)送下一次的廣播消息前，檢查已經(jīng)收到的應(yīng)答消息，并統(tǒng)計出自身的鄰居節(jié)點數(shù)量NodeResp，如果NodeResp小于節(jié)點度的下限NodeMinTh，那么，節(jié)點在這一輪的廣播中就提高無線發(fā)射功率，如式（3-10）；如果NodeResp大于節(jié)點度的上限NodeMaxTh，那么，節(jié)點在這一輪的廣播中就降低無線發(fā)射功率，如式（3-11）。3.1網(wǎng)絡(luò)覆蓋與拓撲控制技術(shù)基于功率控制的拓撲控制本地鄰居平均算法（LocalMeanofNeighborsAlgorithm，LMN）的分析處理過程與LMA算法的類似，不同之處在于LMN算法統(tǒng)計鄰居數(shù)量時的計算方式有所不同。當(dāng)前節(jié)點發(fā)送廣播消息，鄰居節(jié)點將其自身的鄰居節(jié)點數(shù)量記入應(yīng)答消息中，當(dāng)前節(jié)點收到應(yīng)答消息后，將所有鄰居的平均鄰居節(jié)點數(shù)量作為自己的鄰居數(shù)。LMA和LMN兩種算法如圖3-6所示。3.1網(wǎng)絡(luò)覆蓋與拓撲控制技術(shù)基于功率控制的拓撲控制③鄰近圖控制方法DRNG（DirectedRelativeNeighborhoodGraph）算法是一種代表性的基于鄰近圖的拓撲控制方法。該算法以經(jīng)典的鄰近圖（RelativeNeighborhoodGraph，RNG）和局部最小生成樹（LocalMinimumSpanningTree，LMST）為基礎(chǔ)，并在全面考慮網(wǎng)絡(luò)連通性的情況下，用以解決在節(jié)點通信功率不同時的網(wǎng)絡(luò)拓撲控制優(yōu)化問題。其處理過程是：各個節(jié)點以最大無線發(fā)射功率廣播消息，該消息需要包含節(jié)點ID、自身位置和最大發(fā)射功率數(shù)據(jù)；節(jié)點在收到廣播消息后，按照優(yōu)先選擇與自身最近鄰居節(jié)點的原則來確定鄰居集合；根據(jù)鄰居集合，以其中最遠鄰居節(jié)點的距離為參考，通過無線發(fā)射功率調(diào)整發(fā)射半徑；然后借助拓撲邊的增刪，使網(wǎng)絡(luò)雙向連通。需要注意的是，該算法通常需要獲知節(jié)點的位置信息，一定程度上增加了節(jié)點設(shè)計的成本和能耗。3.1網(wǎng)絡(luò)覆蓋與拓撲控制技術(shù)基于層次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的拓撲控制根據(jù)層次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特性，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點分為骨干節(jié)點和普通節(jié)點兩種類型，骨干節(jié)點對普通節(jié)點實施管理，并由骨干節(jié)點承擔(dān)組網(wǎng)通信工作。一個骨干節(jié)點可以管理附近的若干個普通節(jié)點，形成一個分簇結(jié)構(gòu)，該骨干節(jié)點即為這個分簇的簇頭。在這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下，普通節(jié)點只負責(zé)感知信息并將信息傳輸至相應(yīng)的簇頭，當(dāng)普通節(jié)點無須運行時，就可關(guān)閉其無線通信模塊，降低網(wǎng)絡(luò)能量開銷。作為骨干節(jié)點的簇頭，協(xié)調(diào)普通節(jié)點的工作，并負責(zé)數(shù)據(jù)的融合和轉(zhuǎn)發(fā)，故簇頭的能耗較大，但也在整體上降低了網(wǎng)絡(luò)通信量，通常采用周期性替換簇頭的方式來均衡網(wǎng)絡(luò)的整體能耗。層次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)適合大規(guī)模部署的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，有利于分布式算法的應(yīng)用。典型的分簇拓撲控制算法有LEACH算法、PEGASIS算法和TEEN算法，這3種算法已在2.4.5節(jié)進行了描述，不再贅述。這里再補充一種針對LEACH算法的改進算法，即混合能量高效分布式分簇（HybridEnergy-EfficientDistributedClustering，HEED）算法。3.1網(wǎng)絡(luò)覆蓋與拓撲控制技術(shù)基于層次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的拓撲控制HEED算法針對LEACH算法中簇頭分布不均勻的問題，改進了簇頭選舉方式。在全網(wǎng)時間同步的條件下，計算節(jié)點的當(dāng)前剩余能量與初始能量間的比值P，并將該比值劃分為不同的等級，等級最高的節(jié)點將自己標(biāo)記為簇頭，等級較低的節(jié)點收到簇頭廣播消息后加入這個簇。如果比值P低于一個小閾值（如1%），那么該節(jié)點就會被取消去競選簇頭的資格。實際應(yīng)用中，比值P的計算可以通過網(wǎng)絡(luò)特點進行一定的修正，即3.1網(wǎng)絡(luò)覆蓋與拓撲控制技術(shù)基于層次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的拓撲控制HEED算法能夠得到更加均勻的簇頭分布效果，如圖3-7所示，黑色節(jié)點為選舉的簇頭，空心圓為普通節(jié)點。HEED算法由于需要進行大量的能耗檢測和能耗信息交換，因而其所形成的網(wǎng)絡(luò)能耗開銷較大。3.1網(wǎng)絡(luò)覆蓋與拓撲控制技術(shù)基于睡眠調(diào)度的拓撲控制考慮到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面向事件驅(qū)動性應(yīng)用的需求，節(jié)點在沒有檢測到事件發(fā)生時，該節(jié)點的無線通信模塊不需要激活，僅讓其傳感器模塊處于工作狀態(tài)就可以了。由于無線通信模塊的能耗要遠大于傳感器模塊，關(guān)閉無線通信模塊后能節(jié)約該節(jié)點的電源能量。因此，將節(jié)點的啟發(fā)式睡眠與喚醒機制引入網(wǎng)絡(luò)的拓撲控制中，能夠起到優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)能耗的作用。這種機制的關(guān)鍵在于解決節(jié)點如何在睡眠狀態(tài)與激活狀態(tài)之間的切換問題，本身并不能單獨成為一種拓撲控制方法，需要與其他拓撲控制算法融合使用。典型的方法有STEM算法ASCENT算法CCP算法3.1網(wǎng)絡(luò)覆蓋與拓撲控制技術(shù)基于睡眠調(diào)度的拓撲控制①STEM算法STEM算法是早期提出的一種簡單且迅速的節(jié)點喚醒方法，包含兩種方式，即STEM-B（STEM-Beacon）和STEM-T（STEM-Tone）。STEM-B：每個睡眠節(jié)點可以周期性地醒來偵聽信道，并將偵聽信道和數(shù)據(jù)傳輸信道分離，以避免喚醒信號和數(shù)據(jù)傳輸之間的沖突。STEM-T：將請求應(yīng)答過程取消，通過增加喚醒次數(shù)來達到狀態(tài)切換目的。3.1網(wǎng)絡(luò)覆蓋與拓撲控制技術(shù)基于睡眠調(diào)度的拓撲控制②ASCENT算法ASCENT算法包含3個階段，即觸發(fā)階段、建立階段和穩(wěn)定階段。在觸發(fā)階段，當(dāng)目標(biāo)節(jié)點發(fā)現(xiàn)所接收到的數(shù)據(jù)丟包嚴(yán)重時，就給數(shù)據(jù)源方向的鄰居節(jié)點發(fā)出求助消息；在建立階段，收到求助消息的節(jié)點，或者某個節(jié)點在偵聽階段探測到周圍節(jié)點的通信丟包率高時，當(dāng)前節(jié)點根據(jù)評估算法決定自身是否成為活動節(jié)點，如果激活成為活動節(jié)點，就向鄰居節(jié)點發(fā)送聲明廣播包；在穩(wěn)定階段，數(shù)據(jù)源方向的節(jié)點與目標(biāo)節(jié)點間的傳輸通信恢復(fù)。從處理過程可以看出，該算法在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)達到穩(wěn)定狀態(tài)時，能將網(wǎng)絡(luò)中的骨干節(jié)點數(shù)量控制在一定的范圍內(nèi)；且節(jié)點的計算不依賴于無線通信模型、節(jié)點位置分布和路由協(xié)議，僅依據(jù)本地信息交換進行節(jié)點的喚醒與轉(zhuǎn)發(fā)；網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信情況動態(tài)地調(diào)整自身狀態(tài)，可適應(yīng)動態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的變化。3.1網(wǎng)絡(luò)覆蓋與拓撲控制技術(shù)基于睡眠調(diào)度的拓撲控制③CCP算法CCP算法能夠?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)配置到指定的覆蓋度與連通度，可靈活地應(yīng)用于不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。該算法針對節(jié)點的狀態(tài)分析，在工作、偵聽、睡眠3個狀態(tài)的基礎(chǔ)上還引入了加入和退出兩個過渡狀態(tài)，以避免由于多個節(jié)點在根據(jù)局部信息進行獨立調(diào)度時引起的沖突情況。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點都先初始化為處于工作狀態(tài)，其基本過程如下：3.1網(wǎng)絡(luò)覆蓋與拓撲控制技術(shù)基于睡眠調(diào)度的拓撲控制i．如果處于工作狀態(tài)的節(jié)點收到一個Hello廣播消息，就檢查自身是否滿足睡眠條件，如果滿足，就進入退出狀態(tài)并啟動退出計時器。ii．在退出狀態(tài)過程中，如果計時器溢出，在廣播一個Withdraw消息后進入睡眠狀態(tài)，并啟動睡眠計時器。如果在計時器溢出之前收到來自鄰居節(jié)點的Withdraw或Hello廣播消息，就撤銷計時器并返回工作狀態(tài)。iii．在睡眠狀態(tài)，如果計時器溢出，就進入偵聽狀態(tài)并啟動偵聽計時器。iv．在偵聽狀態(tài)，如果計時器溢出，就返回睡眠狀態(tài)并啟動睡眠計時器；如果在計時器溢出之前收到Withdraw、Hello或Join消息，節(jié)點就檢查自身是否應(yīng)該工作，如果是，就進入加入狀態(tài)并啟動加入計時器。v．在加入狀態(tài)，如果計時器溢出，節(jié)點就進入工作狀態(tài)并廣播Join消息；在計時器溢出之前，如果收到Join消息并判斷出沒有工作的必要，則該節(jié)點就進入睡眠狀態(tài)。3.2能量管理技術(shù)3.2.1能耗分析在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于節(jié)點體積小、能量有限，且部署范圍較廣、部署環(huán)境復(fù)雜，難以及時給節(jié)點充電或更換電池，一旦能量耗盡，將會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)空洞、分裂甚至失效現(xiàn)象。所謂能量管理，就是通過一系列的硬件、軟件手段對節(jié)點能耗和網(wǎng)絡(luò)能耗進行優(yōu)化約束，減少一些不必要的能量開銷，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗主要體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)硬件節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)運行協(xié)議所需要的能量開銷上，分別描述如下。3.2能量管理技術(shù)節(jié)點硬件能耗2.1.1節(jié)已經(jīng)介紹了傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)包括傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊4部分，電源模塊為節(jié)點提供所需要的電能量。如圖3-8所示，傳感器模塊主要體現(xiàn)采集能耗，采樣頻率越快、采樣精度越高，所需能耗就越大。3.2能量管理技術(shù)網(wǎng)絡(luò)運行協(xié)議能耗在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，各節(jié)點的能量十分有限，節(jié)點之間相互依賴的程度較高，各節(jié)點需要通過信息交互、合作實現(xiàn)節(jié)點之間的互聯(lián)互通，因此單純地降低單個節(jié)點的能耗，而不考慮網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和路由等協(xié)議對能耗的影響仍然無法最大限度地延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。另外，由于無線信號傳播與間隔距離相關(guān)，距離越遠，所需要的無線發(fā)射功率也就越大，因而為避免節(jié)點能量過快衰減，應(yīng)盡可能降低單跳通信距離。也就是說，多跳短距離的無線通信方式通過多個節(jié)點來實現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)傳輸，能夠起到一定的均衡能效的作用，相對于單跳長距離通信方式更能有效控制節(jié)點能耗。3.2能量管理技術(shù)3.2.2能量管理方法結(jié)合3.2.1節(jié)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗分析情況，其能量管理（EnergyManagement，EM）策略相應(yīng)地也體現(xiàn)在節(jié)點級能量管理(睡眠機制、動態(tài)能量管理、數(shù)據(jù)融合等)網(wǎng)絡(luò)級節(jié)能協(xié)議設(shè)計3.2能量管理技術(shù)節(jié)點級能量管理——針對數(shù)據(jù)采集的能量管理傳感器節(jié)點在數(shù)據(jù)采集過程中，其能耗主要來源于傳感器感知單元和A/D轉(zhuǎn)換器等，因此針對數(shù)據(jù)采集的能量管理策略可以從硬件和軟件兩個方面來設(shè)計。硬件設(shè)計上，采用低功耗的傳感器、調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器等可以在一定程度上降低硬件能耗。軟件設(shè)計上，在滿足應(yīng)用需求的基礎(chǔ)上，通過減小采集頻率（延長采樣周期）和降低采樣精度，可在一定程度上降低傳感器模塊的能耗；進一步，還可通過軟件與硬件相結(jié)合的方式，在節(jié)點需要采集數(shù)據(jù)時再采集，在不需要采集時將傳感器節(jié)點斷電或關(guān)閉，即利用睡眠機制降低數(shù)據(jù)采集階段的能耗。3.2能量管理技術(shù)節(jié)點級能量管理——針對計算處理的能量管理利用能量感知等方式獲取節(jié)點資源使用情況，通過合理分配計算資源來達到降低節(jié)點能耗的目的。針對計算處理的能量管理策略主要包括動態(tài)電壓調(diào)節(jié)（DynamicVoltageScaling，DVS）技術(shù)、動態(tài)調(diào)制調(diào)節(jié)（DynamicModulationScaling，DMS）技術(shù)。①動態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)運行過程中，大多數(shù)節(jié)點的計算負載隨時間動態(tài)變化。由于微處理器的能耗與工作電壓緊密相關(guān)，當(dāng)計算負載減少時，節(jié)點的工作電壓不需要一直保持在峰值狀態(tài)。動態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)就是通過調(diào)整微處理器的工作電壓和頻率，使其在能夠滿足計算需求的條件下協(xié)調(diào)微處理器的能耗，即工作電壓隨著計算負載的減少而降低，使微處理器滿足節(jié)能要求。但是，如果計算負載較高，微處理器工作電壓和頻率的降低會帶來計算時延延長的問題，會對實時性任務(wù)執(zhí)行造成負面影響。3.2能量管理技術(shù)節(jié)點級能量管理——針對計算處理的能量管理需要注意的是，為確保動態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)的實施應(yīng)用，需要對計算負載進行有效預(yù)測。另外，該技術(shù)針對的是處理器模塊，該模塊用于信息計算處理的能耗遠小于無線通信模塊的能耗，故該技術(shù)的節(jié)能效果并不明顯。目前，以ARM為代表的嵌入式處理器已具備支持電壓頻率調(diào)節(jié)的能力，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用提供了有利條件。②動態(tài)調(diào)制調(diào)節(jié)技術(shù)動態(tài)調(diào)制調(diào)節(jié)技術(shù)是指根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的需求動態(tài)調(diào)整節(jié)點的發(fā)射功率，在保障網(wǎng)絡(luò)通信性能的條件下控制能耗。在保持發(fā)送數(shù)據(jù)包不變的情況下，節(jié)點的無線發(fā)射功率與通信距離相關(guān)，如果通信距離較近，較高的發(fā)射功率會造成能量的過度消耗。對節(jié)點進行功率控制，動態(tài)調(diào)整節(jié)點的發(fā)射功率，可有效均衡網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點能耗，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。3.2能量管理技術(shù)動態(tài)能量管理動態(tài)能量管理（DynamicPowerManagement，DPM）是一種系統(tǒng)級能量管理策略，其基本思想是：當(dāng)節(jié)點沒有監(jiān)測任務(wù)時，通過使節(jié)點的某些模塊從空閑狀態(tài)轉(zhuǎn)為更低能耗的狀態(tài)，如睡眠或關(guān)閉，降低空閑狀態(tài)的時長，從而節(jié)省能量。動態(tài)能量管理的核心是控制節(jié)點的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。雖然節(jié)點處于睡眠狀態(tài)的能耗較小，但是空閑狀態(tài)和睡眠狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換也會消耗一定的能量。需要說明的是，如果節(jié)點狀態(tài)轉(zhuǎn)換策略不合適，不僅不能控制能耗，還可能增加能耗，比如，如果節(jié)點不能及時從睡眠狀態(tài)轉(zhuǎn)為工作狀態(tài)，將會產(chǎn)生嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)時延和事件丟失。3.2能量管理技術(shù)網(wǎng)絡(luò)級能量管理無線傳感器網(wǎng)絡(luò)要求節(jié)點能量的高效利用，各個協(xié)議層都需要考慮能量管理問題。（1）物理層能量管理（2）數(shù)據(jù)鏈路層能量管理（3）網(wǎng)絡(luò)層能量管理（4）傳輸層能量管理（5）應(yīng)用層能量管理（6）跨層能量管理3.2能量管理技術(shù)物理層能量管理物理層直接影響到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的體積、成本及能耗，其設(shè)計目標(biāo)是以盡可能少的能量損耗獲得較大的鏈路容量。物理層與數(shù)據(jù)鏈路層緊密結(jié)合，主要涉及功率控制、編碼調(diào)制與解調(diào)技術(shù)、通信信道分配等。物理層功率控制的實現(xiàn)方法包括直接設(shè)置和接收端反饋。采用直接設(shè)置方法進行功率控制時，發(fā)送節(jié)點以不同的功率級別廣播多個消息，接收到消息的節(jié)點按照接收的消息中最小的發(fā)射功率來設(shè)置其發(fā)射功率。采用接收端反饋方法進行功率控制時，發(fā)送節(jié)點以最大功率廣播消息，接收到消息的節(jié)點計算出其無線信號強度（RSSI）值，并將該值反饋給發(fā)送節(jié)點，發(fā)送節(jié)點根據(jù)反饋的RSSI值調(diào)整其發(fā)送功率。編碼調(diào)制與解調(diào)技術(shù)影響信道頻率帶寬、通信速率等參數(shù)，常見的技術(shù)包括幅移鍵控、頻移鍵控、相移鍵控、多進制調(diào)制及直接序列擴頻等。3.2能量管理技術(shù)數(shù)據(jù)鏈路層能量管理數(shù)據(jù)鏈路層通過設(shè)計有效的MAC協(xié)議，控制各個節(jié)點公平、有效地訪問無線信道，均衡整個網(wǎng)絡(luò)的能耗，其能量管理集中體現(xiàn)在碰撞規(guī)避、串音處理、用戶調(diào)度、睡眠喚醒等方面。碰撞規(guī)避可以通過跳頻技術(shù)或發(fā)送信標(biāo)來實現(xiàn)。節(jié)點發(fā)送信標(biāo)，確定信標(biāo)周期中是否存在信標(biāo)碰撞問題，由此可以避免碰撞，減少因為碰撞重傳帶來的能耗，提高信道共享前提下用戶的信噪比。串音是指當(dāng)使用共享信道進行通信時，某個節(jié)點可能接收到不是發(fā)送給它的數(shù)據(jù)，該節(jié)點就會將接收到的消息丟棄。為了避免產(chǎn)生串音，節(jié)點可以在不接收數(shù)據(jù)時關(guān)閉其接收模塊，以此減少部分能耗。3.2能量管理技術(shù)數(shù)據(jù)鏈路層能量管理用戶調(diào)度是指按照一定的規(guī)則為每個節(jié)點分配相應(yīng)的時隙，使各節(jié)點在分配的時隙內(nèi)進行信道占用，通常包括集中調(diào)度和預(yù)留調(diào)度兩類。集中調(diào)度一般由基站按照節(jié)點電量、信道質(zhì)量等為每個節(jié)點分配相應(yīng)的時隙。預(yù)留調(diào)度是先通過信令消息預(yù)留時隙，然后在預(yù)留的時隙發(fā)送消息。用戶調(diào)度使資源分配更合理，從而提高能量利用率。從3.2.1節(jié)中可知，節(jié)點處于發(fā)送和空閑狀態(tài)時的能耗較高，處于睡眠狀態(tài)時的能耗較低，因此在不影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)那疤嵯拢M量減少空閑狀態(tài)時長，增加睡眠狀態(tài)的時間，設(shè)計合理的睡眠調(diào)度機制對降低節(jié)點能耗具有非常重要的意義。以S-MAC(Sensor-MAC)為例，S-MAC采用周期性偵聽與睡眠來減少空閑偵聽，采用物理載波偵聽機制及RTS、CRS的通告機制來減少碰撞和避免串音，采用流量自適應(yīng)偵聽機制來減少消息的傳輸時延。3.2能量管理技術(shù)網(wǎng)絡(luò)層能量管理無線通信模塊的能耗遠遠高于其他模塊的能耗，因此合理設(shè)計路由協(xié)議能高效地利用能量，達到延長網(wǎng)絡(luò)生命周期的目的。網(wǎng)絡(luò)層能量管理主要包括：基于網(wǎng)絡(luò)拓撲的能量優(yōu)化技術(shù)和基于路由選擇的能量優(yōu)化技術(shù)?；诰W(wǎng)絡(luò)拓撲的能量優(yōu)化技術(shù)的核心目標(biāo)是減少能耗、均衡負載。良好的拓撲結(jié)構(gòu)能夠提高路由協(xié)議及其協(xié)議的效率，為數(shù)據(jù)融合、時間同步和目標(biāo)定位等奠定基礎(chǔ)，有利于延長整個網(wǎng)絡(luò)的生命周期。由于在多跳路由過程中，靠近基站的區(qū)域?qū)⒊袚?dān)更多的數(shù)據(jù)負擔(dān)，容易產(chǎn)生“熱區(qū)”現(xiàn)象，因此設(shè)計拓撲形成算法時既要降低網(wǎng)絡(luò)能耗，又要均衡網(wǎng)絡(luò)負載。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議按拓撲結(jié)構(gòu)的不同可以分為平面路由協(xié)議和分簇路由協(xié)議兩類。其中，分簇路由協(xié)議在能耗和網(wǎng)絡(luò)控制上體現(xiàn)出比平面路由協(xié)議更好的效果。3.2能量管理技術(shù)傳輸層能量管理傳輸層負責(zé)數(shù)據(jù)包的傳輸控制，該層協(xié)議所涉及擁塞控制傳輸、可靠傳輸?shù)燃夹g(shù)，傳輸層能量管理即是在考慮網(wǎng)絡(luò)傳輸性能前提下控制能耗。這里不再贅述，詳見2.5節(jié)。3.2能量管理技術(shù)應(yīng)用層能量管理應(yīng)用層設(shè)計依賴于具體的應(yīng)用場景，主要任務(wù)是獲取目標(biāo)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的原始物理信息并進行相應(yīng)的處理。由于同一區(qū)域的節(jié)點采集的信息具有一定相似性和冗余性，這些數(shù)據(jù)在轉(zhuǎn)發(fā)過程中會帶來不必要的能量開銷，造成大量的無效能耗。常用的解決方式是利用數(shù)據(jù)融合技術(shù)，通過分布式處理對數(shù)據(jù)進行聯(lián)合、相關(guān)及組合等操作，去除冗余數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)量。數(shù)據(jù)融合通常與網(wǎng)絡(luò)拓撲和多跳路由相結(jié)合，在多跳路由過程中選擇合適的中間節(jié)點對多個傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)源進行融合處理，從減少數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)量的角度降低網(wǎng)絡(luò)能耗。簇型網(wǎng)內(nèi)融合技術(shù)就是一種典型的基于分層拓撲結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)融合技術(shù)，如LEACH算法、TEEN算法等。這類融合技術(shù)中，整個網(wǎng)絡(luò)被劃分為多個簇，每個簇內(nèi)包含簇頭和多個普通節(jié)點，普通節(jié)點將感知數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭，簇頭對普通節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)進行融合處理之后，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給基站。簇頭對多個普通節(jié)點的數(shù)據(jù)進行壓縮、融合后，大大減少了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)量，從而實現(xiàn)降低能耗的目的。3.2能量管理技術(shù)跨層能量管理在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，單一層次協(xié)議進行能量管理可能出現(xiàn)局部能耗最小，但無法實現(xiàn)全局能耗最小，為此，提出將多個協(xié)議層結(jié)合起來進行統(tǒng)一的跨層能量管理策略。例如，準(zhǔn)確的時間同步是實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合、睡眠調(diào)度、定位等的基礎(chǔ)，時間同步算法設(shè)計就應(yīng)同時考慮多個協(xié)議層的需求。跨層能量管理策略比較復(fù)雜，計算量大，難以適應(yīng)計算與資源受限的節(jié)點，但隨著嵌入式技術(shù)的快速發(fā)展，節(jié)點的性能也在逐步提高，為跨層能量管理策略研究提供了良好的發(fā)展前景。3.3時間同步技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中只有節(jié)點保持統(tǒng)一的物理時間，才能從網(wǎng)絡(luò)節(jié)點獲取有效的監(jiān)測信息，并且，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的很多基本操作和數(shù)據(jù)處理也需要在統(tǒng)一的時間框架下才能正確開展。這些需求主要體現(xiàn)在以下3個方面。（1）協(xié)作任務(wù)（2）傳輸調(diào)度（3）能耗管理3.3時間同步技術(shù)協(xié)作任務(wù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在分布式監(jiān)測區(qū)域環(huán)境下，單個節(jié)點獲取信息的能力有限，往往需要通過不同或多個節(jié)點來采集監(jiān)測區(qū)域信息，以實現(xiàn)被監(jiān)測對象的綜合分析。為達到這樣的目的，參與監(jiān)測任務(wù)的各個節(jié)點就需要協(xié)調(diào)它們的操作過程。典型的協(xié)作任務(wù)是數(shù)據(jù)融合，即利用節(jié)點采集信息的時間關(guān)系及節(jié)點相互之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，可實現(xiàn)多節(jié)點監(jiān)測信息的融合處理。另外，測距定位、目標(biāo)跟蹤等任務(wù)也需要通過多個節(jié)點協(xié)作完成。這些協(xié)作任務(wù)均是以網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的時間同步為基礎(chǔ)的。3.3時間同步技術(shù)傳輸調(diào)度無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸調(diào)度協(xié)議需要時間同步機制的支撐，特別是MAC協(xié)議中的TDMA模式，某一個傳輸周期由多個時隙組成，單個節(jié)點只能允許在所分配的時隙內(nèi)傳輸信息，且不同的節(jié)點占用不同的時隙。TDMA模式對協(xié)議運行時間有著嚴(yán)格的要求，故只能在時間同步網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。3.3時間同步技術(shù)能耗管理結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的具體應(yīng)用情況，時間同步根據(jù)應(yīng)用需求的嚴(yán)格程度也有所不同，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。①在僅關(guān)注事件發(fā)生先后次序的應(yīng)用中，即時間排序，對本地時間的要求較為寬松，只需要獲取當(dāng)前節(jié)點與其他節(jié)點間的相對時間就可以了，無須同步協(xié)調(diào)。②在僅關(guān)注某個相對小區(qū)域的應(yīng)用中，當(dāng)前節(jié)點維護自身的本地時鐘，周期性地獲取其與鄰居節(jié)點的時鐘偏移，將鄰居節(jié)點數(shù)據(jù)分組中的時間信息與當(dāng)前節(jié)點的時鐘基準(zhǔn)進行換算，進而調(diào)整以達到時間同步的目的，并不一定持續(xù)更新當(dāng)前節(jié)點的本地時鐘，是一種相對同步處理方式。③在對時間有著嚴(yán)格要求的應(yīng)用中，即絕對同步，也稱為時鐘校正同步，要求所有節(jié)點的本地時鐘與設(shè)定的參考時鐘保持一致。3.3時間同步技術(shù)能耗管理結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特性，在設(shè)計時間同步機制時，需要重點考慮以下幾個因素。①網(wǎng)絡(luò)可擴展性：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需要部署大量的節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地理范圍大小及網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的節(jié)點密度都有所不同，那么，時間同步機制需要具備適應(yīng)這種網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍或節(jié)點密度變化的能力。②系統(tǒng)穩(wěn)定性：因受到多種因素影響，如環(huán)境、節(jié)點狀態(tài)變化等，為確保無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的連通性，其網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)將會產(chǎn)生一定的動態(tài)變化，因此，時間同步機制需要具備適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)動態(tài)變化的能力，以保持時間同步的連續(xù)性和時間精度的穩(wěn)定性。③系統(tǒng)魯棒性：當(dāng)遭遇節(jié)點失效、網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)動態(tài)變化、電磁干擾等情況時，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中無線鏈路的通信質(zhì)量將受到影響，因此，時間同步機制需要具備良好的抗擾動能力，以保障系統(tǒng)的魯棒性。3.3時間同步技術(shù)能耗管理④時效性：節(jié)點之間交換同步信息，如果需要交換的同步信息較多，所耗費的時間代價會越大，且對能耗的需求會越多，進而影響網(wǎng)絡(luò)同步的效率。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場合通常要求較短的時間同步建立時間，時間同步機制需要具備較高的時效性，以使節(jié)點能夠及時獲知其時間是否達到同步。⑤精確性：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步的精確性依賴于具體的應(yīng)用需求，通常要求時間同步機制具備盡可能小的時間同步誤差能力，以保證整個網(wǎng)絡(luò)的正常運行。⑥低功耗：為了網(wǎng)絡(luò)能夠控制能耗，則需要盡可能降低網(wǎng)絡(luò)時間同步的計算量和通信負載，那么，時間同步機制需要具備低計算復(fù)雜度的能力，以盡可能延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。3.3時間同步技術(shù)3.3.1時鐘模型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的時鐘系統(tǒng)主要包含晶振和計數(shù)器兩個核心部件。晶振產(chǎn)生一定頻率的時鐘源信號，計數(shù)器通過中斷計數(shù)方式來控制時鐘系統(tǒng)的運行頻率，晶振的時鐘源和計數(shù)器的中斷計數(shù)情況決定了時鐘系統(tǒng)的時間分辨率。根據(jù)計數(shù)方式的不同，節(jié)點時鐘模型有兩種，一種是硬件時鐘模型，利用硬件實體的晶振來實現(xiàn)時鐘計數(shù)；另一種是軟件時鐘模型，通過虛擬的軟件時鐘來實現(xiàn)時鐘計數(shù)。3.3時間同步技術(shù)硬件時鐘模型硬件時鐘模型的數(shù)學(xué)關(guān)系可描述為時鐘的計時速率（頻率）定義為時鐘的一階導(dǎo)數(shù)，即t時刻下的時鐘漂移為即當(dāng)前本地時鐘計時速率與理想計時速率間的差值，也稱為頻偏，表征了時鐘計時的穩(wěn)定性。該穩(wěn)定性滿足受限條件：

3.3時間同步技術(shù)軟件時鐘模型為保持節(jié)點本地時間的連續(xù)性，不能直接修改節(jié)點的本地時鐘，但可以根據(jù)本地時鐘并結(jié)合時鐘補償參數(shù)構(gòu)建相應(yīng)的虛擬軟件時鐘，即其中，α和β分別表示節(jié)點虛擬軟件時鐘的漂移補償參數(shù)和偏移補償參數(shù)。在實際應(yīng)用中，該軟件時鐘模型可根據(jù)需求表征為線性關(guān)系或非線性關(guān)系。3.3時間同步技術(shù)3.3.2時間同步機制簡介——傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時間同步技術(shù)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時間同步技術(shù)經(jīng)歷了長期發(fā)展，已經(jīng)形成了成熟的時間同步方案，典型的就是基于全球定位系統(tǒng)（GPS）的時間同步技術(shù)和基于網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（NetworkTimeProtocol，NTP）的時間同步技術(shù)。GPS在衛(wèi)星上搭載了高精密的原子鐘，并由衛(wèi)星監(jiān)控站負責(zé)對GPS時鐘系統(tǒng)的校準(zhǔn)，以與通用協(xié)調(diào)時間（UniversalTimeCoordinated，UTC）保持同步。我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也能提供高精度的授時服務(wù)，并逐步應(yīng)用于多個行業(yè)領(lǐng)域。衛(wèi)星持續(xù)發(fā)射精確度達到十億分之一秒的數(shù)字無線電信號，衛(wèi)星信號接收機收到該信號并用于當(dāng)前系統(tǒng)的時間校準(zhǔn)。由于衛(wèi)星信號的穿透能力較弱，為確保衛(wèi)星信號的接收質(zhì)量，衛(wèi)星天線的安裝位置有所限制，需要安置在相對空曠的室外，且不能有高大的阻擋物體；另外，衛(wèi)星信號接收機的功耗較大，對供電電源也提出了較高要求。因此，受到安裝應(yīng)用、能耗等條件的限制，一般情況下，以GPS、北斗為代表的衛(wèi)星授時技術(shù)不直接適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。3.3時間同步技術(shù)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時間同步技術(shù)NTP協(xié)議是目前Internet上應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)時間同步協(xié)議，該協(xié)議將網(wǎng)絡(luò)中計算機等設(shè)備的時間同步到UTC。NTP協(xié)議采用分層結(jié)構(gòu)，每層設(shè)置相應(yīng)的時間同步服務(wù)器。位于頂層的時間服務(wù)器連接網(wǎng)絡(luò)外部的時間源接收機，如GPS或廣播網(wǎng)絡(luò)等方式，獲取標(biāo)準(zhǔn)的UTC時間源，并提供給下一層的時間服務(wù)器。其他層的時間服務(wù)器或客戶端選擇一個或多個上一層的時間服務(wù)器來同步本地時間，進而最終使得網(wǎng)絡(luò)中所有服務(wù)器和客戶端的時間達到同步，如圖3-9所示。3.3時間同步技術(shù)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時間同步技術(shù)NTP協(xié)議的基本實現(xiàn)機理是客戶端運行3個基本進程，分別是發(fā)送進程、接收進程和本地時鐘進程，客戶端發(fā)送時間請求信息，時間服務(wù)器回應(yīng)包含時間信息的應(yīng)答消息，這些信息構(gòu)成NTP報文，該報文包含發(fā)送時的本地時間戳、上次接收到報文的時間戳，以及用于確定層級和管理關(guān)聯(lián)所必需的信息。本地時鐘進程根據(jù)遠端時間服務(wù)器時鐘與本地時鐘間偏移關(guān)系的修正處理，并結(jié)合NTP專用算法更新本地時鐘。如圖3-2所示3.3時間同步技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步誤差源無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步是在網(wǎng)絡(luò)中通過傳播參考同步報文的方式來實現(xiàn)的，但報文在無線信道中的傳輸時延呈現(xiàn)出不確定特征，這種不確定的傳輸時延是影響無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步效果的主要因素。因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步協(xié)議的設(shè)計就需要實現(xiàn)對報文傳輸時延的測量、分析和補償。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的報文傳輸時延結(jié)構(gòu)如圖3-11所示，由6部分構(gòu)成。3.3時間同步技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步誤差源①發(fā)送時間：表征發(fā)送節(jié)點構(gòu)造和發(fā)送時間同步報文所消耗的時間，主要取決于節(jié)點系統(tǒng)調(diào)用時間開銷、當(dāng)前處理器負載處理時間開銷和把報文發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)接口的時間開銷，具有一定的不確定性。②訪問時間：表征發(fā)送節(jié)點在獲得報文消息后，通過MAC協(xié)議訪問無線傳輸信道的等待時間，主要取決于具體的MAC協(xié)議和當(dāng)前無線信道的負載情況，具有較大的不確定性。由于對共享的無線信道存在競爭使用問題，只有當(dāng)無線信道處于空閑狀態(tài)時，發(fā)送節(jié)點才能傳輸報文消息。③傳送時間：表征發(fā)送節(jié)點從報文的第一個字節(jié)開始發(fā)送，直到所有報文字節(jié)發(fā)送完成所需要的時間。由于報文發(fā)送時其報文長度和發(fā)送速率是確定的，因此該傳送時間具有確定性。3.3時間同步技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步誤差源④傳播時間：表征報文從發(fā)送節(jié)點到接收節(jié)點間電磁波傳播所需要的時間。當(dāng)收發(fā)節(jié)點確定后，其間隔距離在當(dāng)前時刻固定，且電磁波在傳播介質(zhì)中的傳輸速率固定，因此該傳播時間具有確定性。⑤接收時間：表征接收節(jié)點從報文的第一個字節(jié)開始接收，直到所有報文字節(jié)接收完成所需要的時間。與傳送時間一樣，該接收時間具體確定性。⑥接受時間：表征接收節(jié)點處理接收到的時間同步報文所消耗的時間，主要取決于節(jié)點系3.3時間同步技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步機制分類目前有很多關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步的研究文獻報道，這些研究也在不斷地持續(xù)改進和完善，這里主要分別從全局視角和局部視角對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步機制分類進行簡要描述。全局視角結(jié)構(gòu)化時間同步非結(jié)構(gòu)化時間同步局部視角①基于發(fā)送者和接收者的單向時間同步機制②基于發(fā)送者和接收者的雙向時間同步機制③基于接收者和接收者的時間同步機制3.3時間同步技術(shù)全局視角根據(jù)實現(xiàn)全網(wǎng)時間同步過程中傳感器節(jié)點組織方式的不同，可分為結(jié)構(gòu)化時間同步機制和非結(jié)構(gòu)化時間同步機制。①所謂結(jié)構(gòu)化時間同步，是指基于網(wǎng)絡(luò)中的一個或多個參考節(jié)點，通過相應(yīng)的算法構(gòu)建不同的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，比如層次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或分簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。②所謂非結(jié)構(gòu)化時間同步機制，是指在不需要維護特定網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時間同步，適用于拓撲結(jié)構(gòu)頻繁變化的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。3.3時間同步技術(shù)局部視角時間同步問題的最小單元是兩個節(jié)點相互間的協(xié)調(diào)操作，根據(jù)一對節(jié)點間的不同時間同步方法，可將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步機制分為3種：①基于發(fā)送者和接收者的單向時間同步機制：參考節(jié)點廣播含有自身時間信息的數(shù)據(jù)分組；接收節(jié)點評估測量數(shù)據(jù)分組的傳輸時延，然后接收節(jié)點將其本地時間更新為接收到的數(shù)據(jù)分組中的時間再加上數(shù)據(jù)分組的傳輸時延。代表性協(xié)議DMTS。②基于發(fā)送者和接收者的雙向時間同步機制：與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的NTP協(xié)議相似，發(fā)送者和接收者類似于服務(wù)器和客戶端。代表性協(xié)議TPSN。③基于接收者和接收者的時間同步機制：利用無線傳輸?shù)膹V播信道特性，選擇一個節(jié)點發(fā)送參考時間分組信息；在廣播覆蓋范圍內(nèi)，兩個或多個節(jié)點收到這個參考時間分組信息，然后比較各自接收到該信息的本地時間，進行協(xié)調(diào)修正，進而達到相互時間同步的目的。代表性協(xié)議RBS。3.3時間同步技術(shù)3.3.3DMTS機制DMTS機制是基于節(jié)點間同步報文消息在傳輸路徑上的時間延遲估計來實現(xiàn)時間同步的，即待同步節(jié)點的本地修正時間是同步報文中嵌入的時間加上報文傳輸時延。DMTS機制中時間廣播分組的傳輸過程如圖3-12所示3.3時間同步技術(shù)3.3.4TPSN機制針對DMTS機制面臨單向廣播報文不能準(zhǔn)確估算傳播時延的問題，研究人員提出基于報文傳輸?shù)膶ΨQ性，采用雙向報文方式，即通過基于發(fā)送者和接收者的雙向時間同步機制來獲取較高的準(zhǔn)確度，TPSN機制就是這種方式的典型協(xié)議。TPSN機制基于層次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其協(xié)議設(shè)計主要包含兩個階段。1．層次發(fā)現(xiàn)階段2．時間同步階段3.3時間同步技術(shù)層次發(fā)現(xiàn)階段從第一層的根節(jié)點開始，通過廣播層級發(fā)現(xiàn)報文標(biāo)記無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的層級，層級發(fā)現(xiàn)報文含有發(fā)送節(jié)點的ID和層級信息，每個節(jié)點具有唯一的ID。根節(jié)點的層級最高，一般標(biāo)記為0級；根據(jù)單跳廣播域范圍，根節(jié)點的鄰居節(jié)點收到根節(jié)點發(fā)送的層級發(fā)現(xiàn)報文后，就將自己的層級標(biāo)記成下一個層級，報文層級信息加1，即為1級；然后將層級報文轉(zhuǎn)發(fā)出去，以此類推。網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點與其上一級節(jié)點通過同步報文消息交換實現(xiàn)時間同步，最后完成所有節(jié)點與根節(jié)點間的時間同步。節(jié)點一旦建立自己的層級，就忽略任何其他層次發(fā)現(xiàn)分組，以防止網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生泛洪擁塞。其中，根節(jié)點可以配置精確的外部時鐘源，如GPS、UTC等；也可以配置成網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的指定節(jié)點，只需完成網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的時間同步，而不需要同步到外部時鐘。3.3時間同步技術(shù)時間同步階段層次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成以后，進入時間同步階段，根節(jié)點廣播時間同步報文，第1層級節(jié)點收到同步報文，通過報文消息交換，使得當(dāng)前層級節(jié)點與根節(jié)點的時間同步。第2層級節(jié)點偵聽到上一級的時間同步交換消息，等待一段隨機時間，待第1層級節(jié)點的時間同步完成后，第2層級節(jié)點才啟動與第1層級節(jié)點的報文消息交換，并進行同步。如此，每個節(jié)點都可以與最靠近的上一層級節(jié)點進行同步，最終將所有節(jié)點都同步到根節(jié)點。TPSN機制中發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點的雙向報文消息交換過程與NTP協(xié)議類似，如圖3-2所示，同樣假設(shè)時間請求消息和時間應(yīng)答消息在發(fā)送節(jié)點與接收節(jié)點間的傳播時間相同，那么就可根據(jù)計算出的時間偏差來修正本地時間，從而達到同步。3.3時間同步技術(shù)3.3.5RBS機制與采用基于發(fā)送者和接收者的同步方式不同，RBS機制采用的是基于接收者和接收者的同步方式，一定程度上縮短了同步報文所需要的傳輸關(guān)鍵路徑，也在一定程度上提升了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步效果。RBS機制時間同步的基本原理如圖3-13所示。3.3時間同步技術(shù)3.3.5RBS機制將單跳網(wǎng)絡(luò)的RBS機制進一步拓展，可應(yīng)用于多跳網(wǎng)絡(luò)中。如圖3-14所示，A、B為一個多跳網(wǎng)絡(luò)中的兩個單跳區(qū)域，利用RBS機制，A、B兩個單跳區(qū)域可分別實現(xiàn)各自的時間同步，位于交界區(qū)域的節(jié)點α可以同步區(qū)域A和區(qū)域B的時間，即利用節(jié)點α作為中間橋梁，可實現(xiàn)兩個單跳區(qū)域的時間同步轉(zhuǎn)換，達到全網(wǎng)同步的目的。3.3時間同步技術(shù)3.3.6FTSP協(xié)議泛洪時間同步協(xié)議（FloodingTimeSynchronizationProtocol，F(xiàn)TSP）是一種基于發(fā)送者和接收者的單向廣播消息傳遞時間同步方法，是對DMTS機制的一種改進。在多跳網(wǎng)絡(luò)中，F(xiàn)TSP協(xié)議以根節(jié)點為同步標(biāo)準(zhǔn)時間源，采用層次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)推廣方式實現(xiàn)全網(wǎng)的時間同步。根節(jié)點標(biāo)記為第0級，將同步消息以廣播方式傳遞至第1級節(jié)點，第1級節(jié)點將本地時鐘同步到根節(jié)點。以此類推，第i級節(jié)點收到i-1級節(jié)點的廣播同步消息后，同步到上一級節(jié)點。其同步過程主要包含3個主要步驟，即根節(jié)點選舉機制MAC層的時間戳標(biāo)記時間偏移補償。3.3時間同步技術(shù)根節(jié)點選舉機制FTSP協(xié)議假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點具有獨立唯一的ID，由于節(jié)點都存在失效風(fēng)險或者無線連接網(wǎng)絡(luò)，從而引起網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的變化。因此，不能采用專用的節(jié)點來擔(dān)任根節(jié)點。節(jié)點經(jīng)過一段時間的偵聽和等待，在時間同步的初始化過程中，如果當(dāng)前節(jié)點收到時間同步數(shù)據(jù)包，那么當(dāng)前節(jié)點就采用新的時間數(shù)據(jù)進行更新；如果沒有收到時間同步數(shù)據(jù)包，當(dāng)前節(jié)點就宣稱自己為根節(jié)點。由于有可能存在多個節(jié)點都沒收到時間同步數(shù)據(jù)包，這些節(jié)點就會同時宣稱自己為根節(jié)點，引起參考根節(jié)點的定義沖突。為解決這個問題，F(xiàn)TSP協(xié)議設(shè)計根節(jié)點選舉機制，選出ID最小的節(jié)點作為同步時間源。當(dāng)前節(jié)點收到同步數(shù)據(jù)包后，將自身的ID與數(shù)據(jù)包中的ID進行對比，選出所有節(jié)點記錄的根節(jié)點ID最小節(jié)點，即確定為根節(jié)點。3.3時間同步技術(shù)MAC層時間戳標(biāo)記FTSP協(xié)議將時間戳標(biāo)記在盡量靠近通信協(xié)議底層的數(shù)據(jù)鏈路層，以達到減小因消息傳輸引起延遲的目的。基于MAC層傳輸協(xié)議，F(xiàn)TSP協(xié)議在發(fā)送節(jié)點的時間同步數(shù)據(jù)包上標(biāo)記時間戳；接收節(jié)點記錄時間同步數(shù)據(jù)包的最后到達時間，在收到完成的消息后，計算位偏移產(chǎn)生的時延。利用針對發(fā)送節(jié)點發(fā)送一字節(jié)和接收節(jié)點接收一字節(jié)的適當(dāng)調(diào)整，對時間進行標(biāo)準(zhǔn)化處理。通過MAC層的時間戳標(biāo)記，并結(jié)合時間標(biāo)準(zhǔn)化分析，可以減小因中斷處理和編解碼時間引起的抖動，從而提高時間同步精度。3.3時間同步技術(shù)時鐘偏移補償在FTSP協(xié)議中，接收節(jié)點計算與發(fā)送節(jié)點間的時鐘偏移量，采用線性回歸技術(shù)（一般采用最小二乘法）來補償時鐘偏移誤差。這種擬合補償方式可以適當(dāng)延長時間同步的周期，減少同步次數(shù)，節(jié)省節(jié)點能量，延長節(jié)點壽命，增強網(wǎng)絡(luò)的生存能力。3.3時間同步技術(shù)3.3.7ATS機制平均時間同步（AverageTimeSynchronization，ATS）機制是一種分布式、異步同步算法，不依賴于網(wǎng)絡(luò)中的參考節(jié)點和拓撲結(jié)構(gòu)，對分布式網(wǎng)絡(luò)具有很好的魯棒性和可擴展性。結(jié)合節(jié)點時鐘模型，假設(shè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點處于理想狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的晶振的頻率保持一致，通過平均時間操作，所有節(jié)點達到的統(tǒng)一同步時間狀態(tài)可描述為3.3時間同步技術(shù)3.3.7ATS機制理想情況下，由于相鄰節(jié)點間的數(shù)據(jù)包傳送不存在延遲，相鄰節(jié)點i和j具有絕對相同的參考時鐘，那么節(jié)點i在成對廣播下的時間對信息記為（hi(t0),hj(t0)）；同理，節(jié)點j在新同步數(shù)據(jù)包的成對廣播下的時間對信息記為（hi(t1),hj(t1)），那么，根據(jù)理想化的線性時鐘模型，就可直接獲取相對時鐘斜率，即考慮到實際應(yīng)用中存在的誤差因素，直接利用理想模型獲取參數(shù)的準(zhǔn)確度不高。為提高參數(shù)準(zhǔn)確度，可設(shè)計低通濾波器來提升估計效果，其處理關(guān)系式表示為3.3時間同步技術(shù)3.3.7ATS機制在時鐘斜率補償中，ATS機制要求網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的時鐘斜率收斂到一個虛擬時鐘斜率，其主要思想是采用一種基于本地信息交換的分布式一致性算法。任意節(jié)點通過對虛擬時鐘斜率的估計記錄及鄰居節(jié)點對虛擬時鐘斜率估計的信息交換來更新自身參數(shù)。在t時刻，當(dāng)節(jié)點i接收到來自節(jié)點j的同步數(shù)據(jù)包時，節(jié)點i更新自身的時鐘斜率，即時鐘斜率補償之后，各個節(jié)點對于本地虛擬時鐘斜率的估計相同，即所有節(jié)點以相同的時鐘速率運行。為使所有節(jié)點時鐘能夠同步到一個共同的虛擬時鐘上，還需要對可能存在的時鐘偏移進行補償，同樣采用一致性算法來更新估計的時鐘偏移量，即3.4定位技術(shù)3.4.1定位技術(shù)簡介無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)有兩種含義：一是確定節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中的位置，即節(jié)點定位；二是確定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點所監(jiān)測事件（目標(biāo)）發(fā)生的具體位置，即事件（目標(biāo)）定位。節(jié)點定位就是在網(wǎng)絡(luò)中少量已知參考節(jié)點的基礎(chǔ)上，利用鄰居節(jié)點之間有限的通信和相關(guān)信息，通過某種定位機制來確定網(wǎng)絡(luò)中其他未知節(jié)點的位置。一般來說，只有在確定節(jié)點自身定位之后，才能確定節(jié)點所監(jiān)測事件發(fā)生的具體位置。因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點定位是事件定位的前提條件。美國主導(dǎo)的全球定位系統(tǒng)（GPS）、中國主導(dǎo)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDouNavigationSatelliteSystem，BDS）、俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)和歐洲的GALILEO系統(tǒng)是全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)通過衛(wèi)星授時與測距實現(xiàn)對用戶終端的定位，具有方便、快捷等特點。3.4定位技術(shù)3.4.1定位技術(shù)簡介無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于自身的諸多限制，對定位技術(shù)的具體應(yīng)用提出了較高的要求。概括來說，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)應(yīng)具備以下主要特性。①分布式計算。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中眾多節(jié)點分布式部署，單個節(jié)點的計算能力有限，定位算法不能全部集中于某一個節(jié)點，需要將定位算法的計算任務(wù)結(jié)合分布式結(jié)構(gòu)分派到多個節(jié)點。②健壯性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的性能低，節(jié)點因失效或其他因素使得網(wǎng)絡(luò)鏈路結(jié)構(gòu)產(chǎn)生動態(tài)變化，并且在測量距離時導(dǎo)致誤差，因此，定位算法需要具有較好的容錯性。③自組織性。由于節(jié)點在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中隨機分布，定位算法不依賴于全局的基礎(chǔ)設(shè)施，需要具備良好的自組織能力。④節(jié)能性。定位算法需要盡可能地降低計算復(fù)雜度，控制節(jié)點間的通信開銷，延長生命。⑤可擴展性。根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求的不同，其節(jié)點規(guī)模也會有所差異，為適應(yīng)不3.4定位技術(shù)3.4.2定位技術(shù)的基本概念——定位基本術(shù)語無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定義了針對定位技術(shù)所需要的基本概念和術(shù)語。①信標(biāo)節(jié)點（BeaconNode）。信標(biāo)節(jié)點表示無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中已知位置信息的節(jié)點，可通過加裝GPS設(shè)備、人工設(shè)置或確定性部署等方式預(yù)先獲取節(jié)點的位置信息。信標(biāo)節(jié)點在定位初始化階段就已經(jīng)明確，并為其他節(jié)點提供坐標(biāo)參考，一般來說，信標(biāo)節(jié)點的數(shù)量在網(wǎng)絡(luò)中所占比例很小。信標(biāo)節(jié)點也稱為參考節(jié)點（ReferenceNode）、錨節(jié)點（AnchorNode）。②未知節(jié)點（UnknownNode）。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，除信標(biāo)節(jié)點外的所有節(jié)點均為未知節(jié)點，需要結(jié)合信標(biāo)節(jié)點和定位算法來確定未知節(jié)點的位置信息。③跳數(shù)（HopCount）。表征兩個節(jié)點之間間隔的跳段總數(shù)。④跳距（HopDistance）。表征兩個節(jié)點之間各個跳段的距離之和。3.4定位技術(shù)定位基本術(shù)語⑤到達時間（TimeOfArrival，TOA）。表征信號從一個節(jié)點傳播到另一個節(jié)點所需要經(jīng)歷的時間。⑥到達時間差（TimeDifferenceOfArrival，TDOA）。表征兩種具有不用傳播速度的信號從一個節(jié)點傳播到另一個節(jié)點所經(jīng)歷時間的差值。⑦到達角度（AngleOfArrival，AOA）。表征節(jié)點接收到的信號相對于該節(jié)點自身軸線的角度。⑧視距關(guān)系（LineOfSight，LOS）。兩個節(jié)點之間沒有障礙物遮擋，可以直接通信；反之稱為非視距關(guān)系（Non-LineOfSight，NLOS）。3.4定位技術(shù)定位基本術(shù)語⑨接收信號強度指示（ReceivedSignalStrengthIndication，RSSI）。表征節(jié)點接收到無線信號的強度情況。⑩節(jié)點連接度（NodeDegree）。表征節(jié)點可探測到的鄰居節(jié)點個數(shù)。?網(wǎng)絡(luò)連接度（NetworksDegree）。表征網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的鄰居節(jié)點數(shù)量的均值情況，可反映網(wǎng)絡(luò)節(jié)點部署的密集程度。3.4定位技術(shù)定位性能指標(biāo)針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的多種定位技術(shù)，需要通過性能指標(biāo)來評價定位效果，且不同的應(yīng)用場景對定位技術(shù)的性能要求也有所差異。主要有以下幾種性能指標(biāo)。①定位區(qū)域與定位精度。這是定位技術(shù)的基本核心指標(biāo)，定位區(qū)域反映網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，定位精度反映與真實位置間的誤差關(guān)系。一般情況下，兩者互補，即定位區(qū)域較大時定位精度較小，定位區(qū)域較小時定位精度較大。②實時指標(biāo)。該指標(biāo)也是定位技術(shù)的基本核心指標(biāo)，反映無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位是否及時反映。針對移動節(jié)點或移動事件的定位應(yīng)用，該指標(biāo)極其重要，如果定位速度跟不上位置變化速度，就難以獲得有效的定位數(shù)據(jù)。定位實時性與位置信息的更新頻率直接相關(guān)，更新越快，實時性就越高，這就要求定位算法具備較快的計算速度。3.4定位技術(shù)定位性能指標(biāo)③能耗指標(biāo)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨節(jié)點的能耗控制問題，一般來說，要求定位算法具有較低的計算復(fù)雜度和較高的能耗效率。④容錯指標(biāo)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)運行過程中可能會出現(xiàn)節(jié)點故障或無效的情況，造成節(jié)點通信鏈路失去網(wǎng)絡(luò)連接，因此，定位技術(shù)需要能夠適應(yīng)這種網(wǎng)絡(luò)的不確定性，在受到影響的情況下仍然能提供必要的定位服務(wù)。⑤代價指標(biāo)。除了技術(shù)性能指標(biāo)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還需要考慮定位算法所需要的實現(xiàn)代價，一般包括時間代價、空間代價和資金代價。3.4定位技術(shù)定位算法分類近年來，在不用的應(yīng)用環(huán)境下，基于不同的硬件平臺設(shè)計了多種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法。不同定位算法所采用的定位機制不盡相同，不同的定位機制具有各自的優(yōu)勢和特點，需要針對特定場景選擇合適的定位算法。結(jié)合測量技術(shù)、定位形式等因素，定位算法可進行如下分類。（1）基于測距的定位算法和無須測距的定位算法（2）基于信標(biāo)節(jié)點的定位算法和無信標(biāo)節(jié)點的定位算法（3）靜態(tài)定位算法和動態(tài)定位算法（4）集中式定位算法和分布式定位算法（5）遞增式定位算法和并發(fā)式定位算法3.4定位技術(shù)基于測距的定位算法和無須測距的定位算法基于測距的定位算法通過測量相鄰節(jié)點間的距離或方位信息來計算未知節(jié)點的位置信息，常用的測量參數(shù)有接收信號強度指示（RSSI）、到達時間（TOA）、到達時間差（TDOA）、到達角度（AOA）等。無須測距的定位算法則利用網(wǎng)絡(luò)的連接情況、多跳路由等信息來估計節(jié)點的位置信息。比較而言，基于測距的定位算法在測距過程中對通信環(huán)境的質(zhì)量要求較高，容易受到環(huán)境因素、功耗、成本的影響；無須測距的定位算法因不需要測量節(jié)點間的距離、方位關(guān)系，而不需要附加相應(yīng)的硬件，受環(huán)境因素的影響較小，通用性較好，但定位誤差相對較大。3.4定位技術(shù)基于信標(biāo)節(jié)點的定位算法和無信標(biāo)節(jié)點的定位算法根據(jù)信標(biāo)節(jié)點的使用情況，基于信標(biāo)節(jié)點的定位算法以信標(biāo)節(jié)點為參考，可形成面向全局的絕對坐標(biāo)體系；無須信標(biāo)節(jié)點的定位算法并不關(guān)注真實的位置信息，僅獲取定位過程中的相對坐標(biāo)體系。靜態(tài)定位算法和動態(tài)定位算法無線傳感器網(wǎng)絡(luò)完成所有節(jié)點部署后，通常處于靜止?fàn)顟B(tài)；在網(wǎng)絡(luò)運行過程中，雖然可能會因為部分節(jié)點的失效或新節(jié)點的加入導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化，但仍不存在移動節(jié)點，在這種場景構(gòu)成靜態(tài)定位算法。相應(yīng)地，如果無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署后存在移動節(jié)點，那么就構(gòu)成動態(tài)定位算法。3.4定位技術(shù)集中式定位算法和分布式定位算法集中式定位算法是將定位所需信息匯聚至某個計算服務(wù)中心，并由該中心完成網(wǎng)絡(luò)的定位計算，該中心的計算能力和存儲能力強，能夠進行高復(fù)雜度的計算，可獲取較為精確的定位效果。集中式定位算法不需要各個節(jié)點進行單獨的定位計算，只需將相關(guān)信息發(fā)送出去即可，也就降低了對節(jié)點計算和存儲能力的要求，但是，該算法需要在網(wǎng)絡(luò)中進行大量的通信開銷，將降低整個網(wǎng)絡(luò)的生命周期。分布式定位算法則通過節(jié)點自身的計算來實現(xiàn)定位，但節(jié)點的計算和存儲能力有限，不能進行過于復(fù)雜的計算，需要設(shè)計輕量級的分布式定位算法來提高定位效果。3.4定位技術(shù)遞增式定位算法和并發(fā)式定位算法遞增式定位算法借助于信標(biāo)節(jié)點，首先將信標(biāo)節(jié)點附近的未知節(jié)點進行定位，并將定位后的未知節(jié)點標(biāo)注為信標(biāo)節(jié)點，使得信標(biāo)節(jié)點的數(shù)量得到擴充，然后依次向外延伸，依次進行各個未知節(jié)點的定位。遞增式定位算法具有很好的擴展性，適合于分布式網(wǎng)絡(luò)的定位需求，但在遞進過程中會不斷累積定位誤差。并發(fā)式定位算法是指網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點同時進行位置計算，對節(jié)點間通信能力的要求較高，一些并發(fā)式定位算法還可融入迭代優(yōu)化的方式來降低定位誤差。相對來說，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、節(jié)點多、信標(biāo)節(jié)點少的應(yīng)用場景較適合采用遞增式定位算法，小型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景可采用并發(fā)式定位算法。在上述幾種分類方式中，測距和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)評估手段是定位算法的基本依據(jù)，相應(yīng)的應(yīng)用也較多，因此，后續(xù)主要介紹基于測距的定位算法和無須測距的定位算法。3.4定位技術(shù)3.4.3基于測距的定位算法基于測距的定位算法的實現(xiàn)過程通常分為兩個階段，即測距階段和定位階段。測距階段中，未知節(jié)點在測距階段中測量其到鄰近信標(biāo)節(jié)點的距離或方位；在計算出到達3個或3個以上信標(biāo)節(jié)點的距離或方位后，在定位階段中利用三邊測量、三角測量等方法計算出未知節(jié)點的坐標(biāo)。為提升定位精度，在實現(xiàn)定位之后還可增加修正操作，通過對計算得到的節(jié)點坐標(biāo)進行優(yōu)化，降低定位誤差。3.4定位技術(shù)1.測距階段節(jié)點之間距離測量是基于測距的定位算法的基礎(chǔ)，一般可通過3種方法實現(xiàn)節(jié)點之間的距離測量。（1）利用信號強度指示（RSSI）的測量（2）利用到達時間（T