移动计算技术-无线传感网-2014

移动计算技术-无线传感网-2014第一页，共202页。关于信息技术的论述著名科学家钱学森：测量技术是信息技术的组成部分。信息技术的关键还是测量，测量是基础和关键。IT＝测量＋计算机＋通讯惠普(HP)公司认为：IT＝MC2

MC2＝Measurement＋Computer

＋Communication传感技术是现代测量手段第二页，共202页。国家需求医疗监护智能交通智能家居环境监测国防军事防灾减灾工业监控新一代网络无线传感网络将在新一代网络中起重要作用第三页，共202页。网络技术发展的主线第四页，共202页。无线网络技术的研究与发展第五页，共202页。WSN概述

无线传感器网络（wirelesssensornetwork,WSN）系统是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等

如果说Internet改变了人与人之间的沟通方式，那么无线传感器网络将会改变人类与自然界的交互方式；人们可以通过传感网络直接感知客观世界，从而极大地扩展现有网络的功能和人类认识世界的能力

第六页，共202页。任务管理中心Internet、卫星或移动通信网络等汇聚节点无线传感器网络拓扑监测区域传感器节点第七页，共202页。

无线传感器网络(WSN)是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，目的是协作地采集、处理和传输网络覆盖地域内感知对象的监测信息，并报告给用户。“无线传感器网络”术语的标准定义第八页，共202页。什么是无线传感网络？ 无线传感网络是由部署在监测区域内的大量微型、低成本、低功耗的传感器节点组成的多跳无线网络网关 大规模、自组织、随机部署、环境复杂、传感器节点资源有限、网络拓扑经常变化第九页，共202页。数字世界传感数据传感数据传感数据传感数据传感数据传感数据物理世界连接物理世界和数字世界第十页，共202页。无线传感网络在新一代网络中的角色无线传感网络接入网络核心网络第十一页，共202页。感知能力＋计算能力＋通信能力体积小能耗小现代微型传感器第十二页，共202页。传感器节点传感器模块：信息采集、数据转换处理器模块：控制、数据处理、网络协议无线通讯模块：无线通信，交换控制信息和收发采集数据能量供应模块：提供能量第十三页，共202页。无线传感器网络的特点

网络规模：结点数量与分布的地理范围自组织网络

:自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统拓扑结构的动态变化

:具有动态的系统可重构性802.15.4标准：低功耗、低速率、低成本第十四页，共202页。传感器网络的结构

根据节点数目的多少，传感器网络的结构可以分为平面结构和分级结构。如果网络的规模较小，一般采用平面结构。如果网络规模很大，则必须采用分级网络结构。第十五页，共202页。平面结构

平面结构的网络比较简单，所有节点的地位平等，所以又可以称为对等式结构。源节点和目的节点之间一般存在多条路经，网络负荷由这些路径共同承担，一般情况下不存在瓶颈，网络比较健壮。平面型的网络结构在节点的组织、路由建立、控制与维持的报文开销上都存在问题，这些开销会占用很大的带宽，影响网络数据的传输速率。另外，整个系统在宏观上将损耗很大的能量。还有一个缺点就是可扩充性差。第十六页，共202页。分级结构在分级结构中，传感器网络被划分为多个簇。每个簇由一个簇头和多个簇成员组成。这些簇头形成了高一级的网络。簇头节点负责簇间数据的转发，簇成员只负责数据的采集。这大大减少了网络中路由控制信息的数量，具有很好的可扩充性。问题就是簇头的能量消耗问题，簇头发送和接收报文的频率要高出普通节点几倍或十几倍，因而要求可以在簇内运行簇头选择程序来更换簇头。第十七页，共202页。这些结点在一个微小的芯片上集成了信息采集、数据处理和无线电通信等多种功能。传感器微型处理器无线通信最小的芯片只有150×150×7.5微米无线传感器网络由成千上万个微型传感器组成，每个微型传感器称为网络的一个“结点”。第十八页，共202页。传感器技术计算机技术通信技术感官大脑神经现代信息技术信息系统无线传感器网络第十九页，共202页。结点的构成传感器应用程序无线通信内存CPU电源网络中的网关（基站）（较强的处理、通信能力）网络中的结点（简单处理、短距离通信）第二十页，共202页。1、传感器结点激活；2、通过无线通信，确定自身的位置；3、自动组织成网络；唤醒、联络、确定自身位置网关结点

第二十一页，共202页。各传感器分别探测外部信息温度湿度土壤成分图象压强压力光照声音加速度？因环境影响、能量耗尽等原因，结点容易发生故障。磁场位移核辐射第二十二页，共202页。各结点将信息汇聚到基站结点出故障，其它结点会自动寻找别的“同伴”完成任务。网关

（路由器）既要输出本身的信息，还要传递其它结点的信息。结点能量不足时，只能输出本身的信息，而无法传递其它结点的信息。第二十三页，共202页。卫星、互联网信息经卫星、互联网到达用户网关

网关对各路信息进行过滤，把重要的信息发送给用户。第二十四页，共202页。卫星、互联网网关大量结点随机分布联络、自身定位、自动组织成网络传感器探测磁场和震动信息1、是不是坦克？2、根据多点信息，

进行目标定位报告时间、方位、速度、方向第二十五页，共202页。无线传感器网络的意义无线传感器网络引起了全世界的关注，被认为是继互联网之后的第二大网络。在无线传感器网络研究及其应用方面，我国与发达国家几乎同步启动，它已经成为我国信息领域，位居世界前列的少数项目之一。无线传感器网络被称为21世纪最具影响的技术之一；是改变世界的十大新兴技术之首；是全球未来的四大高新技术产业之一。第二十六页，共202页。大型机PC机互联网东方明珠金茂大厦环球金融中心上海中心1998年420米

2008年580米1994年350米

492米无线传感器网络2014年制高点信息产业中，无线传感器网络已成为继计算机和互联网之后，国际竞争新的制高点。1965年1980年1995年2010年第二十七页，共202页。

WSN关键技术

第二十八页，共202页。无线传感器网络涉及：传感器技术计算机网络技术无线传输技术嵌入式计算技术分布式信息处理技术微电子制造技术软件编程技术第二十九页，共202页。第三十页，共202页。无线传感器结点的限制

电源能量对结点寿命的影响

环境对通信距离与信道质量的影响计算、存储能力对结点协同工作质量的影响

第三十一页，共202页。电源对无线传感器结点的限制第三十二页，共202页。物理层数据链路层网络层传输层应用层能量分配移动管理应用优化协议架构第三十三页，共202页。通信能力有限节点带宽窄，而且经常变化节点通信覆盖范围只有几十到几百米，而且经常变化挑战之一如何在如此有限通信能力的条件下,高质量地完成感知数据的查询、分析、挖掘与传输？在传感器网络环境下，发现最小化算法通信复杂性的机理是我们面临的第一个挑战问题！通信能力的挑战第三十四页，共202页。多源、多跳是主要通信方式多个传感器节点向一个目标传送信息一次多源信息传输需要多条由多个传感器节点组成的路径挑战之二如何为多源信息传输选择优化通信路径？在传感器网络环境下，建立选择优化或近似优化通信路径的理论是我们面临的第二个挑战问题！通信能力的挑战第三十五页，共202页。通信能力有限节点通信覆盖范围只有几十到几百米如何在有限的通信能力条件下,完成探测数据的传输？无线通信技术是关键技术！关键技术-无线通信技术第三十六页，共202页。节点移动、断接频繁在移动网络中，节点移动频繁节点间通信的断接频繁，导致通信失败.经常受到高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响,因此传感器可能会长时间脱离网络,离线工作挑战之三通信路径重构成为突出问题？路由算法必须具有自适应性？如何建立网络随机连通性的数据理论，为通信路径重构和自适应路由算法设计奠定坚实理论基础是我们面临的第三个挑战问题？通信能力挑战第三十七页，共202页。自组织的动态网络传感器网络没有基站节点失效、新节点加入，导致网络拓扑结构的动态性，需要自动愈合多跳自组织的网络路由是关键技术！关键技术-多跳自组织路由第三十八页，共202页。电源能量有限传感器的电源能量极其有限由于电源能量的原因经常失效或废弃电源能量约束是传感器网络应用的障碍现有电源部件不能满足传感器网络的需要传感器传输信息比执行计算更消耗电能传感器传输1位信息需要的电能足以执行3000条计算指令挑战之四如何传感器网络在工作过程中节省能，实现能源均衡，最大化网络生命周期？建立能源复杂性和能源均衡理论是我们面临的第四个挑战性问题！电源能量挑战第三十九页，共202页。电源能量有限通常电池供电，工作环境恶劣，一次部署终生使用，更换电池困难如何节省电源、最大化网络的使用寿命？低功耗设计问题是关键技术！关键技术-低功耗设计第四十页，共202页。计算能力有限传感器网络中传感器通常都具有嵌入式处理器和存储器，具有计算能力但是，处理器性能、存储器容量和能源都很有限，导致传感器的计算能力十分有限挑战之五

如何使用大量具有有限计算能力的传感器设计能源有效的高性能分布式算法?

设计同时最小化能源、时间、空间和通信复杂性的分布式算法是我们面临的第五个挑战性问题！计算能力挑战第四十一页，共202页。计算能力有限节点体积小，处理器和存储器性能有限，不允许进行复杂算法的运算嵌入式操作系统设计是关键技术！关键技术-嵌入式操作系统第四十二页，共202页。传感器数量大、分布范围广传感器网络中传感器节点密集，数量巨大，可能达到几百、几千万，甚至更多传感器网络可以分布在很大区域，也可以分布在险恶环境下传感器数量大、分布广的特点使得网络的维护十分困难甚至不可维护挑战之六如何使传感器网络软硬件具有高强壮性和容错性是我们面临的第六个挑战性问题！大规模部署挑战第四十三页，共202页。大规模分布式触发器很多传感器网络需要对感知对象进行控制（如温度控制）传感器需要配备回控装置和控制软件我们称回控装置和控制软件为触发器挑战之七如何管理成千上万分布式触发器是我们面临的第七个挑战性问题？大规模部署挑战第四十四页，共202页。感知数据流无限传感器网络每个传感器都产生无限的流式数据，并具有实时性每个传感器仅具有有限的存储器和计算资源，难以处理巨大的实时数据流挑战之八如何设计高效率、能源有效、实时的海量感知数据流的查询、分析和挖掘的分布式算法？大规模部署挑战第四十五页，共202页。以数据为中心传感器网络不是通常的网络用户感兴趣的是数据而不是网络和传感器硬件用户很少询问“A节点到B节点的连接是如何实现的？”用户经常询问“网络覆盖区域中那些地区出现毒气？”传感器网络不是以地址为中心的用户不会询问“地址为27的传感器的温度是多少？”用户感兴趣是“某个地理位置的温度是多少？”数据传输以聚集方式进行,而不是地址到地址的路由大规模部署挑战第四十六页，共202页。传感器网络是以数据为中心的网络把传感器视为感知数据流或感知数据源把传感器网络视为感知数据空间或数据库把数据管理和处理作为网络的应用目标挑战之九如何建立以数据为中心的传感器网络？以感知数据管理和处理为中心;

把数据管理和处理技术与网络技术融为一体;

为用户提供有效的感知数据空间或感知数据库;

使用户如同使用通常的数据库系统和数据处理系统一样自如地使用感知数据.传感器网络数据管理系统的理论和技术是我们面临的第九个挑战性问题！大规模部署挑战第四十七页，共202页。传感器网络是以数据为中心的网络用户感兴趣的是数据而不是网络和传感器硬件如何建立以数据为中心的传感器网络？关键技术是数据融合方法！关键技术-数据融合方法第四十八页，共202页。需要多种多样的感知器物理传感器生物传感器化学传感器……挑战之十如何建立新感知器概念、理论、技术和各种新型感知器是我们面临的第十个挑战性问题？传感器多样性挑战第四十九页，共202页。其他挑战性问题传感器的投放或撒播理论与技术传感器的定位问题时钟同步问题组网连通可靠性研究和探测覆盖率研究传感器网络安全性问题和抗干扰问题信号的协作处理挑战第五十页，共202页。网络攻击无处不在传感器节点的物理操纵传感信息的窃听拒绝服务攻击私有信息的泄露……安全性是传感网络设计的重要问题。如何保护机密数据和防御网络攻击是关键技术！关键技术-安全性第五十一页，共202页。传感器网络的支撑技术第五十二页，共202页。国家中长期科技发展规划纲要前沿技术自组织网络技术自组织传感器网技术低成本的实时信息处理系统多传感信息融合技术研究自组织智能系统优先主题下一代网络关键技术与服务传感器网络及智能信息处理重点开发多种新型传感器基于多种传感信息的智能化信息处理技术发展低成本的传感器网络和实时信息处理系统第五十三页，共202页。国内研究现状：NSF资助项目项目编号/申请代码1项目名称项目负责人依托单位60533110/F02传感器网络系统基础软件及数据管理关键技术研究李建中哈尔滨工业大学60573050/F020104基于无线传感器网络的安全路由协议研究周贤伟北京科技大学10572058/A020205基于无线智能传感器网络复合材料结构健康监测的先进损伤识别技术周丽南京航空航天大学60574032/F030109传感器网络中信息压缩与融合理论及算法研究周杰四川大学60572037/F010106可信传感器网络路由交换理论与关键技术张思东北京交通大学60502036/F010106无线传感器网络中的分布式信源编码张琳北京邮电大学60502021/F010104传感器网络中传感器配置算法的研究姚向华西安交通大学60503036/F020204以数据为中心的无线传感器网络查询处理与查询优化技术研究杨晓春东北大学60573111/F020303移动性无线传感器网络的研究唐碧华北京邮电大学60573122/F020303无线传感器网络中时间同步机制与算法的研究任丰原清华大学10571052/A010206传感器网络密钥预分配方案的组合论研究李乔良湖南师范大学60573115/F020303无线传感器网络传输控制协议研究胡月明华南农业大学60574087/F0302无线传感器网络定位与跟踪方法的研究管晓宏清华大学60572060/F0101无线传感器网络的多层能量优化机制和算法研究崔莉中国科学院计算技术研究所60573132/F020303基于复杂网络理论的无线传感器网络拓扑控制陈力军南京大学60572049/F010106可重构MIMO的无线传感器网络信息处理与传输程文青华中科技大学60434030/F0302面向传感器网络的分布自治系统关键技术及协调控制理论于海斌中国科学院沈阳自动化研究所50408034/E080702基于城市轨道交通的无线传感器网络模型、适应性及评价策略研究张轮同济大学60472074/F010107无线传感器网络定位系统和算法的研究王福豹西北工业大学60472059/F010303基于小世界网络的传感器网络研究刘中南京理工大学60475031/F030601传感器网络环境中移动机器人动态特征与可重构控制框架李文锋武汉理工大学60473075/F020204传感器网络数据管理关键技术的研究李建中哈尔滨工业大学60475012/F030405传感器网络中图像传感节点及相关协议的研究季振洲哈尔滨工业大学60374072/F0302新一代分布式智能自组织传感器网络系统技术研究于海斌中国科学院沈阳自动化研究所60373014/F020303嵌入式Internet环境下传感器网络计算及其移动代理方法研究王雪清华大学60373049/F020303基于能量高效的传感器网络协议的研究方贵明中国科学院软件研究所第五十四页，共202页。挑战有许多尚未解决的问题有许多尚待发现的问题有许多尚待拓展的应用低能耗、自组织节点资源有限网络拓扑复杂异构性、扩展性节点网络异构规模难以扩展泛在性、协同性多应用环境复杂多数据难以融合具有安全性的操作系统自动地址分配方法精准的定位方法高效的MAC协议面向应用的可靠性路由协议多网关的优化配置问题自适应的状态切换与节点调度高效协同的事件监测手段感知数据的查询、分析及挖掘移动传感器引发的问题

…第五十五页，共202页。用户终端和设备三个关键科学问题无线传感网络移动电话PDA标签GPS无线传感网络无线传感网络无线传感网络异构互连低耗自组泛在协同第五十六页，共202页。异构互连低耗自组泛在协同三个关键科学问题如何对大规模低成本的无线传感网络节点供电；如何应对无线传感网络部署的随机性，网络拓扑结构在时间和空间上的复杂多变性第五十七页，共202页。异构互连低耗自组泛在协同三个关键科学问题如何应对无线传感网络内（即节点）的异构性和网络间的异构性；如何应对无线传感网络的可扩展性第五十八页，共202页。异构互连低耗自组泛在协同三个关键科学问题如何建立多应用场景自适应模型以及多传感数据协同处理方法；如何对多传感数据进行协同处理，应对无线传感网络的泛在性第五十九页，共202页。973项目：研究内容节点系统的体系结构数据管理理论与算法自主组网模型与方法通信协议接入互联网的模型与机制应用示范系统测试平台与监控工具第六十页，共202页。973项目：课题之间的关系课题1：节点系统的体系结构课题2：自主组网模型与方法课题3:通信协议研究课题4：接入互联网的模型与机制课题5：数据管理理论与算法课题6：应用示范系统课题7：测试平台与监控工具第六十一页，共202页。973项目：目标与成果目标在无线传感网络基础理论方面取得突破为无线传感网络大规模应用提供关键技术支撑成果无线传感网络的基础理论无线传感网络应用示范系统无线传感网络验证平台异构互连模型机制数据管理理论方法节点系统体系结构第六十二页，共202页。

挑战一：节点问题性能问题Mica2只能3跳感知热、力、光、电、声、位移、震动，

还要感知化学成分。价格问题好的传感器：10kmradio+40mbps+20kdata微系统所传感器节点价格:几元～几万美金体积问题1cubicinch=16387cubicmillimeter假设Moore定律永远有效，Log16387=?能耗问题Mica2：十几个小时代替能源:太阳能，无线电磁波充电Mica212/0238.4kbpsradio

FSK第六十三页，共202页。

挑战二：互联问题WSNInternetWSNInternetWSNInternet模式一模式二模式三谁大谁小的问题毅然没有解决Geni(GlobalEnvironmentforNetworkInnovations)第六十四页，共202页。

挑战三：移动性问题无线网状网技术三层结构、无线接入手段网状传感器网络(MeshSensorNetwork)多种变形只有下面两层上两层合二为一Router可移动底层可以异构节点可移动router可移动

gateway可移动sink可移动

第六十五页，共202页。

挑战四：覆盖问题有向有向传感有向天线有向传输覆盖问题Coverageproblem

Boundarycoverage(UIUCKumar)

uncoveryproblem第六十六页，共202页。挑战五：模拟与仿真传播范围信息源传感节点增加无线传感节点会增加传送成功率吗?接收器一个真实的测试实例第六十七页，共202页。挑战五：模拟与仿真在室外与室内传送成功率有很大差异仿真或模拟是看不出来的证明实验性研究的重要性第六十八页，共202页。

更多挑战自动标识定位与测距安全保障。。。第六十九页，共202页。道路是曲折的，前途是光明的低耗自主异构互联泛在协同…第七十页，共202页。一则寓言巨型机说：“我认为全球大概只需要五台计算机就够了”；PC机说：“每个家庭的桌面上都应该有一台电脑”;PocketPC说：“太大了，应该每人口袋里放一台”;WSN说：“每粒沙子都应该是一台计算机”。第七十一页，共202页。时间同步机制定位技术数据融合能量管理安全机制。。。应用层技术第七十二页，共202页。传感器网络同步管理无线传感器网络的同步管理主要是指时间上的同步管理。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。有时传感器网络的单个节点的能力有限，或者某些应用的需要，使得整个系统所要实现的功能要求网络内所有节点相互配合来共同完成，分布式系统的协同工作需要节点间的时间同步，因此，时间同步机制是分布式系统基础框架的一个关键机制。第七十三页，共202页。在分布式系统中，时间同步涉及“物理时间”和“逻辑时间”两个不同的概念。“物理时间”用来表示人类社会使用的绝对时间；“逻辑时间”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。全局时间根据需要可以是物理时间或逻辑时间。物理时间和逻辑时间第七十四页，共202页。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：首先，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个有意义的结果。其次，传感器网络的一些节能方案是利用时间同步来实现的。传感器网络时间同步的意义第七十五页，共202页。WSN时间同步技术背景集中式系统与分布式系统集中式：事件间有着明确的时间先后关系，不存在同步问题分布式：同步是必需的，只是对同步的要求程度不同无线传感器网络时间同步典型的分布式系统是无线传感器网络应用的基础需要解决的问题同步精度功耗可扩展性第七十六页，共202页。WSN时间同步机制的主要性能参数最大误差：一组传感器节点之间的最大时间差或相对外部标准时间的最大差值。同步期限：节点保持时间同步的时间长度。同步范围：节点保持时间同步的区域范围。可用性：范围覆盖的完整性。效率：达到同步精度所经历的时间以及消耗的能量。代价和体积：需要考虑节点的价格和体积。第七十七页，共202页。时间同步技术的分类排序、相对同步与绝对同步递进关系各自具有典型的协议代表外同步与内同步参考源不同局部同步与全网同步同步对象的范围不同第七十八页，共202页。传统同步：NTP与GPSNTP：网络时间协议GPS：全球定位系统时间同步协议第七十九页，共202页。NTP（NetworkTimeProtocol）NTP不适合于WSN体积、计算能力和存储空间存在限制传输方式不同：无线而非有线目标不同：局部最优而非全局最优NTP第八十页，共202页。GPS（GlobalPositionSystem）

从根本上解决了人类在地球上的导航与定位问题。每颗卫星上配备有高精度的铷、铯原子钟，并不断发射其时间信息地面接收装置同时接收4颗卫星的时间信息，采用伪距测量定位方法可计算出时间和位置信息缺点（室内、功耗、安全性、分布式）GPS第八十一页，共202页。传感器网络的挑战室内、矿井、森林，有遮挡低功耗、低成本和小体积传输延迟的不确定性可扩展性、移动性健壮性、安全性网络规模大、多点协作第八十二页，共202页。传输延迟的不确定性发送时间：发送节点构造和发送时间同步消息所用时间。e.g.,系统调用时间；内核调度时间；消息从主机发送到网络接口时间。访问时间：发送节点等待访问网络传输信道的时间。传播延迟：发送节点传输到接收节点所经历的时间。接收时间：从接收节点的网络接口接收到消息到通知主机消息达到事件所经历的时间间隔。第八十三页，共202页。低功耗、低成本和小体积软硬件都要受到该限制存储与计算能力均比较小加剧了电能供应的紧张（电池体积）网络规模大、密度高通信距离近分布式、协作第八十四页，共202页。可扩展性（Scalability）在大规模网络中尤为重要是大规模无线传感器网络软硬件设计中非常重要的问题满足不同的网络类型、网络规模满足不同的应用需求第八十五页，共202页。健壮性外部环境复杂，搞毁能力需要应对安全性挑战无线传感器网络拓扑动态性较强网络规模变化、需求变化第八十六页，共202页。

RBS（ReferenceBroadcastSynchronization）同步协议的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。

Tiny/Mini-Sync是两种简单的轻量级时间同步机制。TPSN（Timing-syncProtocolforSensorNetworks）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。几种比较成熟的时间同步协议第八十七页，共202页。TPSN时间同步协议传感器网络TPSN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。在网络中有一个与外界可以通信，从而获取外部时间，这种节点称为根节点。根节点可装配诸如GPS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。TPSN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发送者-接收者的同步机制。第八十八页，共202页。TPSN协议的操作过程TPSN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，根节点赋予最高级别第0级，第i级的节点至少能够与一个第（i－1）级的节点通信；第二个阶段实现所有树节点的时间同步，第1级节点同步到根节点，第i级的节点同步到第（i－1）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。第八十九页，共202页。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同步。第九十页，共202页。边节点S在T1时间发送同步请求分组给节点R，分组中包含S的级别和T1时间。节点R在T2时间收到分组，，然后在T3时间发送应答分组给节点S，分组中包含节点R的级别和T1、T2和T3信息。节点S在T4时间收到应答，因此可以推导出右面算式：节点S在计算时间偏差之后，将它的时间同步到节点R。相邻级别节点间的同步机制第九十一页，共202页。节点A节点BT1T4T2T3RequestReply同步点TPSN第九十二页，共202页。很重要，是一种基本的分析方法理论分析和实验证明：TPSN同步误差是RBS的一半结合对clockskew的估计，可以提高TPSN的精度TPSN对同步误差的分析第九十三页，共202页。多跳TPSN全网周期性同步“层发现”把网络组织成最短生成树逐层在相邻两层节点间同步网络内两个节点的同步“后同步”查找两个节点间的路径在路径的相邻两个节点间进行TPSN同步第九十四页，共202页。新型同步机制基于报文交换的同步机制面临着挑战同步精度问题可扩展性问题新型同步机制萤火虫同步协作同步两个概念同时性与同步性第九十五页，共202页。萤火虫同步1935年，Science1975年,Peskin的RC模型1989年，M&S模型（无延迟）1998年，Ernst（有延迟）结论2005年，真实地实现简单，高效，可扩展性强第九十六页，共202页。其他一些研究与结论理论上没有突破单纯的仿真方法意义有限萤火虫同步技术对耦合延迟、耦合强度、耦合性质、初始相位、网络拓扑等因素很敏感。虽然在例如两个振荡器的同步收敛性研究上取得了一定的进展，但无论是理论研究还是仿真研究，研究者在某些结论上还不能达成一致的认识。但可以认同的一点是：在实际系统中，基于萤火虫同步策略的同步技术会取得在一定误差范围内的同步。第九十七页，共202页。萤火虫同步同步可直接在物理层而不需要以报文的方式实现。直接用硬件实现，使得同步精度不会受到MAC延迟、协议处理与软件实现等的影响。由于对任何同步信号的处理方式均相同，与同步信号的来源无关，因此可扩展性以及适应网络动态变化的能力很强。机制非常简单，不需要对其它节点的时间信息进行存储。萤火虫同步算法的一个限制是要求每个节点具有相似性，但这种机制在非相似节点所组成的网络下能否起到同步的作用，目前还不清楚。此外，由于萤火虫同步的理论研究还远未结束，工程实用性还有待考察。第九十八页，共202页。协作同步本质：空间平均而非时间平均实现上直接受限于信号处理技术第九十九页，共202页。小结在无线传感器网络中，时间同步不仅要关注同步精度，还需要关注同步能耗、可扩展性和健壮性需求经典的时间同步协议侧重于同步精度和同步能耗的需求，采用时钟飘移补偿、MAC层时间戳技术以及双向报文交换来提高同步精度，充分利用无线传输的广播特性和捎带技术来降低同步能耗萤火虫同步和协作同步则侧重于提高可扩展性和健壮性。非常适合于大规模无线传感器网络的应用第一百页，共202页。定位技术定位就是确定位置。定位的两种意义：一种是确定自己在系统中的位置；一种是系统确定目标在系统中的位置

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自组织的网络通过特定方法提供节点的位置信息。第一百零一页，共202页。什么是定位？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。第一百零二页，共202页。

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。位置信息分类第一百零三页，共202页。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，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。定位方法分类第一百零四页，共202页。定位机制的重要性定位机制是WSN的基本机制没有位置信息的检测消息是没有意义的；应用：战场侦查、目标跟踪、入侵检测、灾难预报等节点定位是基本的定位机制随机部署的网络，需要确定节点位置；只有节点定位以后，才能确定节点检测事件的位置；定位的其他用途报告事件发生的地点目标跟踪和定位协助路由/协作网络管理第一百零五页，共202页。WSN定位的应用领域导航：了解移动物体在坐标系中的位置，指导移动物体成功到达目的地的工作跟踪：系统实时地了解物体所处位置和移动的轨迹虚拟现实：定位物体的位置和方向网络路由：优化的路由可以提高系统性能、安全性，节省宝贵的电能基于位置的服务（LBS,LocationBasedService）：新的增值服务第一百零六页，共202页。WSN定位的技术指标(1)

最重要的指标，指定位系统提供的位置信息的精确程度。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。覆盖范围是另一个重要指标，它和精度是一对矛盾。精度覆盖范围超声波分米级十多米Wi-Fi和蓝牙3米100米GSM系统100米公里级第一百零七页，共202页。WSN定位的技术指标(2)刷新速度是提供位置信息的频率。比如GPS每秒钟刷新1次WSN相关的指标功耗，WSN是功耗受限制的带宽，协议栈开销+数据的有效载荷节点密度，节点密度要求越高，单次定位的通信开销越大，消耗的电能越多。第一百零八页，共202页。WSN定位系统的设计要点两个主要因素：定位机制的物理特性相应的算法其他设计要求：节点密度扩展性鲁棒性的要求第一百零九页，共202页。现有的定位系统GPS：精度高、实时性好、抗干扰能力强；无遮挡的室外环境、固定的基础设施、成本比较高机器人：节点的移动性、自组织性；携带充足的能量供应和精确地测距设备、节点数量少第一百一十页，共202页。定位算法的特点自组织性：节点随机分布，不能依靠全局的基础设施协助定位健壮性：节点测量数据时有误差，算法需具有良好的容错性。能量高效：算法计算复杂度要小，减少通信开销，延长网络的生命周期。分布计算：节点计算自身的位置，不能将信息集中到某个节点进行计算。第一百一十一页，共202页。三边测量算法已知A、B、C三个节点的坐标，以及它们到节点D的距离，确定节点D的坐标为；第一百一十二页，共202页。三角测量算法已知A、B、C三个节点的坐标，节点D相对于节点A、B、C的角度，确定节点D的坐标；转换为三边测量法；第一百一十三页，共202页。极大似然估计法知1、2、3等n个节点的坐标，及它们到节点D到距离，确定节点D的坐标；最小均方差估计算法；第一百一十四页，共202页。定位算法的分类(1)根据定位过程中是否测量实际节点间的距离，把定位算法分为：基于距离的（range-based）定位利用测量节点间实际距离或方位计算未知节点位置；距离无关的（range-free）定位利用节点间的估计距离计算未知节点位置；第一百一十五页，共202页。定位算法的分类(2)根据定位过程中节点定位先后次序的不同，把定位算法分为：递增式的（Incremental）定位信标节点附近的节点首先开始定位，依次向外延伸，各节点逐次进行定位；累计和传播测量误差并发式的（Concurrent）定位所有的节点同时进行位置计算；第一百一十六页，共202页。定位算法的分类(3)根据根据定位过程中是否使用信标节点的位置信息，把定位算法分为：基于信标节点（beacon-based）定位以信标节点作为定位中的参考点，各节点定位后产生整体绝对坐标系统；无信标节点的(beacon-free)定位各节点先以自身作为参考点，将邻近节点纳入自己定义的坐标系中，相邻的坐标系统依次转换合并，最后产生整体相对坐标系统；第一百一十七页，共202页。基本术语(1)锚点：指通过其它方式预先获得位置坐标的节点，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)测距：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。

(3)连接度：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。

(4)邻居节点：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。第一百一十八页，共202页。(5)跳数：两个节点之间间隔的跳段总数，称为这两个节点间的跳数。

(6)基础设施：协助传感器节点定位的已知自身位置的固定设备，如卫星、基站等。

(7)到达时间：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。

(8)到达时间差(TDoA)：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差。(9)接收信号强度指示(RSSI)：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。基本术语第一百一十九页，共202页。(10)到达角度(AngleofArrival,AoA)：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度。(11)视线关系(LineofSight,LoS)：如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，则这两个节点间存在视线关系。(12)非视线关系：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。基本术语第一百二十页，共202页。衡量定位性能有多个指标，除了一般性的位置精度指标以外，对于资源受到限制的传感器网络，还有覆盖范围、刷新速度和功耗等其它指标。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。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。定位性能的评价指标第一百二十一页，共202页。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考虑两个主要因素，即定位机制的物理特性和定位算法。第一百二十二页，共202页。基于测距的定位技术基于测距的定位技术是通过测量节点之间的距离，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。第一百二十三页，共202页。测距方法(1)接收信号强度指示(RSSI)RSSI测距的原理如下：接收机通过测量射频信号的能量来确定与发送机的距离。将无线信号的发射功率和接收功率之间的关系表述为下式所示，其中PR是无线信号的接收功率，PT是无线信号的发射功率，r是收发单元之间的距离，n传播因子，传播因子的数值大小取决于无线信号传播的环境。第一百二十四页，共202页。基于距离的定位机制基本思想（range-based）通过测量节点与信标节点间的实际距离或方位进行定位。三个阶段测距阶段：未知节点首先测量到邻居节点的距离或角度，然后进一步计算到邻近信标节点的距离或方位；定位阶段：未知节点在计算出到达三个或三个以上信标节点的距离或角度后，利用三边测量法、三角测量法或极大似然估计法计算未知节点的坐标；修正阶段：对求得的节点的坐标进行求精，提高定位精度，减少误差；第一百二十五页，共202页。基于测距（range-based）的定位技术

三边定位和多边定位信号强度（RSS）信号传播时间/时间差（TOA/TDOA/RTOF）接收信号相位（PDOA）近场电磁测距（NFER）接收信号角度定位第一百二十六页，共202页。三边定位和多边定位

信号强度（RSS）通过信号在传播中的衰减来估计节点之间的距离根据信道模型求解距离：信道的时变特性：信道由于受到多径衰减（Multi-pathFading）非视距阻挡（Non-of-SightBlockage）的影响第一百二十七页，共202页。三边定位和多边定位

多边定位Multilateration多次测量方程的个数大于变量的个数估计方法：最小二乘（LS，LeastSquare）极大似然（MLE,MaximumLikelihoodEstimation）最小均方差（MMSE,MinimumMeanSquareError）第一百二十八页，共202页。三边定位和多边定位

三边定位Trilateration（多边定位特例）多次测量方程的个数等于变量的个数需要考虑无解的情况，求最优近似解第一百二十九页，共202页。信号传播时间/时间差信号传播时间/时间差（TOA/TDOA/RTOF）TOATDOARTOF第一百三十页，共202页。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。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节点间的距离。信号传播时间/时间差（TOA/TDOA/RTOF）信号传播时间/时间差第一百三十一页，共202页。基于TOA定位机制（1）基本思想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，然后利用三边或极大似然估计法等计算出节点的位置；评价精度高；要求节点间精确的时间同步；对传感器节点的硬件和功耗较高的要求；第一百三十二页，共202页。基于TOA定位机制（2）思想：伪噪声序列信号作为声波信号；组成：扬声器模块、麦克风模块、无线电模块和CPU模块；过程：发送节点的扬声器模块在发送伪噪声序列信号的同时，无线电模块通过无线电同步消息通知接收节点伪噪声序列信号发送的时间，接收节点的麦克风模块在检测到伪噪声序列信号后，根据传播时间和速度计算发送节点和接收节点之间的距离；利用三边测量算法或极大似然估计算法计算出自身位置；第一百三十三页，共202页。基于TDOA的定位原理发射节点同时发射两种不同传播速度的无线信号，接收节点根据两种信号到达的时间差以及已知这两种信号的传播速度，计算两个节点之间的距离，再通过已有基本的定位算法计算出节点的位置；第一百三十四页，共202页。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。AoA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，在某些应用领域可以发挥作用。基于AOA的定位第一百三十五页，共202页。基于AOA的定位过程第一步：相邻节点之间方位角的测定节点A的两个接收机R1、R2间距离是L，接收机连线中点的位置代表节点A位置；将两个接收机连线的中垂线作为节点A的轴线，作为确定邻居节点方位角度基准线；第一百三十六页，共202页。基于AOA的定位过程第二步：相对信标节点的方位角测量目标：计算与信标节点不相邻的未知节点与各信标节点之间的方位；L节点是信标节点，A、B、C节点互为邻居节点；⊿ABC、⊿LBC的内部角度已经计算，从而能够计算出四边形ACLB的角度信息，进而计算出信标节点L相对于节点A的方位；第一百三十七页，共202页。基于AOA的定位过程第三步：利用方位信息计算节点的位置从n个信标节点中任选三个信标节点A、B、C；利用三角测量算法或极大似然估计算法计算节点D坐标；评价不仅能确定节点的坐标，还能提供节点的方位信息；测距技术易受外界环境影响，且需要额外硬件，不适用于大规模的传感器网络第一百三十八页，共202页。无需测距的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。1、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pi=(xi，yi)T，则这个多边形的质心坐标为：第一百三十九页，共202页。2、DV-Hop算法DV-Hop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全网范围内广播跳数和位置。

无需测距的定位技术第一百四十页，共202页。距离向量-跳段定位算法DistanceVector－Hop，类似于传统网络中的距离向量路由机制基本思想首先：计算未知节点与信标节点的最小跳数；然后：估算平均每跳的距离，利用最小跳数乘以平均每跳距离，得到未知节点与信标节点之间的估计距离，最后：利用三边测量法或极大似然估计法计算未知节点的坐标第一百四十一页，共202页。DV-Hop算法的定位过程计算未知节点与每个信标节点的最小跳数信标节点向邻居节点广播自身位置信息的分组，其中包括跳数字段，初始化为0；接收节点记录具有到每个信标节点的最小跳数，忽略来自同一个信标节点的较大跳数的分组。然后将跳数值加1，并转发给邻居节点；网络中所有节点能够记录下到每个信标节点最小跳数第一百四十二页，共202页。DV-Hop算法的定位过程计算未知节点与信标节点的实际跳段距离每个信标节点根据记录的其它信标节点的位置信息和相距跳数，估算平均每跳的实际距离；然后，信标节点将计算的每跳平均距离用带有生存期字段的分组广播至网络中，未知节点仅记录接收到的第一个每跳平均距离，并转发给邻居节点；未知节点接收到平均每跳距离后，根据记录的跳数，计算到每个信标节点的跳段距离；第一百四十三页，共202页。DV-Hop算法的定位过程利用三边测量法或极大似然估计法计算自身位置未知节点利用第二阶段中记录的到各个信标节点的跳段距离，利用三边测量法或极大似然估计法计算自身坐标第一百四十四页，共202页。例子已知锚点L1与L2、L3之间的距离和跳数。L2计算得到校正值（即平均每跳距离）为（40+75）/（2+5）=16.42m。假设传感器网络中的待定位节点A从L2获得校正值，则它与3个锚点之间的距离分别是L1=3×16.42，L2=2×16.42，L3=3×16.42，然后使用多边测量法确定节点的位置。DV-Hop算法的定位过程第一百四十五页，共202页。定位系统的典型应用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、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。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。虚拟现实仿真系统中需要实时定位物体的位置和方向。第一百四十六页，共202页。4.典型定位系统全球和区域导航系统全球导航系统地区导航系统无线传感器网络定位系统使用RSS方式定位的系统使用TOA/TDOA方式定位的系统混合定位系统无需测距的定位系统第一百四十七页，共202页。4.典型定位系统-全球和区域导航系统

全球导航系统：全球范围GPS GPS（GlobalPositioningSystem）二十世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。起初为了军事目的。Galileo系统 伽利略系统（GALILEOsatelliteradionavigationsystem）是欧洲自主的、独立的全球多模式卫星定位导航系统，提供高精度、高可靠性的定位服务，同时它实现完全非军方控制、管理。第一百四十八页，共202页。4.典型定位系统-全球和区域导航系统

全球导航系统：全球范围GPSGPS使用24颗人造卫星在离地面约2万公里的高空上，以12小时的周期环绕地球运行。在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。由于卫星的位置精确可知，通过4颗卫星发出的信号，我们可得到卫星到接收机的距离。GPS精度达到5m，专用车载GPS导航仪已经广泛使用于车辆导航等应用领域。第一百四十九页，共202页。4.典型定位系统-全球和区域导航系统

全球导航系统：全球范围Galileo系统伽利略系统是中高度圆轨道（MEO）方案，该系统将由30颗中高度圆轨道卫星和2个地面控制中心组成，其中27颗卫星为工作卫星，3颗为候补。卫星高度为24126公里，位于3个倾角为56度的轨道平面内。伽利略系统可以分发实时的米级定位精度信息，这是现有的卫星导航系统所没有的。同时伽利略系统能够保证在许多特殊情况下提供服务第一百五十页，共202页。4.典型定位系统-全球和区域导航系统

地区导航系统：区域范围LORAN系统 LORAN（LOngRAngeNavigation）是一种地区导航系统。基站以一定的时间间隔发送低频无线信号，船只、飞机等接收到多个信号基站的信号后，可以计算出自身所处的位置。LORAN系统发展经历LORAN-A、LORAN-C、LORAN-D和LORAN-F，最为重要的是LORAN-C系统。LORAN-C是测量脉冲和测量相位相结合的双曲线导航系统，工作频段90~110kHz，1957年开始建设，直到现在已经建成大量电台链，覆盖了北半球大部分地区。北斗 北斗双星定位系统是我国自行建立起来的一种区域性定位系统（RDSS）。2003年5月25日，我国成功发射了第三颗“北斗一号”导航定位卫星，作为“北斗导航定位系统”的备份星，连同2000年10月31日和12月21日发射升空的两颗“北斗一号”导航定位卫星和一个地面中心站，形成了一个较为完善的“双星导航定位系统”。“双星导航定位系统”应归于“卫星无线电定位服务”第一百五十一页，共202页。典型定位系统-无线传感器网络定位系统使用RSS方式定位的系统RADAR（1998）Microsoft的RADAR定位系统利用“指纹识别”技术进行定位，解决WLAN中定位移动计算设备的问题。SpotON（1999）第一百五十二页，共202页。典型定位系统-无线传感器网络定位系统使用RSS方式定位的系统RADAR（1998）通过对特定环境下的RF信号衰落特征值进行处理实现的。数据处理处理分成2个阶段：离线阶段（office-linephase）和实时阶段（real-timephase）。离线阶段记录目标节点的位置所对应3个基站的信号信息，生成以位置为变量的信号信息函数。实时阶段在采集3个基站的信号信息，根据信号信息函数求解位置。第一百五十三页，共202页。典型定位系统-无线传感器网络定位系统使用RSS方式定位的系统SpotON（1999）SpotOn标签的硬件由DragonballEZ处理器、在916.5MHz的TR1000射频收发器和10-bitA/D转换器构成。该系统基于射频接收信号强度（RSS）分析的三维位置感知方法，实现小范围内的定位。第一百五十四页，共202页。典型定位系统-无线传感器网络定位系统使用TOA/TDOA方式定位的系统BatSystem（1999）Cricket（2000）第一百五十五页，共202页。典型定位系统-无线传感器网络定位系统使用TOA/TDOA方式定位的系统BatSystem（1999）Cricket（2000）室内定位系统Badge系统是ActiveBadge的后继发展，是一种基于测距（range-based）的定位技术。如图7‑19，该系统使用超声波信号的TOA实现三维空间定位，使用多边定位方法提高精度。Bat系统的定位精度最高达到3cm。

MIT提出了一种融合TDOA和信号到达相位差的硬件解决方案——CricketCompass，其原型系统可在40角内以5的误差确定接收信号方向。Cricket系统是麻省理工学院的Oxygen项目的一部分，用来确定移动或静止节点在大楼内的具体所在房间位置。该定位系统利用射频信号与超声波信号到达时间间隔和各自的传播速度，计算出未知位置节点到已知位置节点的距离。第一百五十六页，共202页。典型定位系统-无线传感器网络定位系统混合定位系统CalamariAHLoS（AdHocLocalizationSystem）（2001）两个系统本质上都是cell-based方式定位的系统第一百五十七页，共202页。典型定位系统-无线传感器网络定位系统混合定位系统CalamariCalamar采用超声波传播时间（TOA）和接收电信号强度（RSS）方式定位。使用超声波的测距，将49个节点部署在144平方米的范围。定位中等误差0.53m。使用RSS，系统分别在半个足球场，定位中等误差4.1m。

第一百五十八页，共202页。典型定位系统-无线传感器网络定位系统混合定位系统AHLoS（AdHocLocalizationSystem）（2001）AHLoS使用RSS进行接近情况探测，同时使用RF和超声波的收发时间进行TDOA测量。AHLoS系统中使用3种多边定位算法：原子式（atommultilateration）、协作式（collaborativemultilateration）和迭代式（iterativemultilateration）。原子式多边定位就是普通的最大似然估计定位。第一百五十九页，共202页。典型定位系统-无线传感器网络定位系统无需测距的定位系统ActiveBadge（1992） 每一个目标上安装一个badge。每个badge周期地每15秒钟，红外线发送大约持续0.1秒的唯一ID号。已知位置的参考节点收到这些信号，传送到网络。系统知道当前某个badge在哪一个cell附近。ActiveBadge系统的缺点是部署大规模网络困难，同时，红外线容易受到光线的干扰，尤其是在户外。因此，ActiveBadge是一个室内的基于蜂窝单元（cell-based）的定位系统。第一百六十页，共202页。典型定位系统-无线传感器网络定位系统无需测距的定位系统UCBerkeley（2006）使用Trio传感器节点多传感器融合算法，使用空间相关性，融合后的二进制测量值提供更加精细的位置信息。融合后的数据通过数据关联的马尔可夫-蒙特卡罗算法（MarkovchainMonteCarloDataAssociation-MCMCDA）跟踪未知个数的目标。

第一百六十一页，共202页。数据融合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：第一百六十二页，共202页。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，有时也称作多传感器信息融合(InformationFusion,IF)技术或多传感器融合(SensorFusion,SF)技术，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广泛。数据融合也被人们称作信息融合，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，获得比单一信息源更精确、完整的估计或判决。多传感器融合第一百六十三页，共202页。从军事应用的角度来看，Waltz等人对数据融合的定义较为确切，即：“多传感器数据融合是一种多层次、多方面的处理过程，这个过程是对多源数据进行检测（detection）、互联（association）、相关（correlation）、估计（estimation）和组合（combination），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，为指挥员提供有用的决策信息”。这个定义包含三个要点：（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。数据融合的定义第一百六十四页，共202页。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。数据融合的内容第一百六十五页，共202页。在传感器网络中数据融合起着十分重要的作用，它的主要作用在于：(1)节省整个网络的能量；(2)增强所收集数据的准确性；(3)提高收集数据的效率。传感器数据融合的作用第一百六十六页，共202页。传感器网络的数据融合技术可以从不同的角度进行分类，这里介绍三种分类方法：(1)依据融合前后数据的信息含量进行分类；(2)依据数据融合与应用层数据语义的关系进行分类；(3)依据融合操作的级别进行分类。数据融合技术第一百六十七页，共202页。根据融合前后数据的信息含量分类根据数据进行融合操作前后的信息含量，可以将数据融合分为无损失融合和有损失融合两类。（1）无损失融合在无损失融合中，所有的细节信息均被保留，只去除冗余的部分信息。此类融合的常见做法是去除信息中的冗余部分。（2）有损失融合有损失融合通常会省略一些细节信息或降低数据的质量，从而减少需要存储或传输的数据量，以达到节省存储资源或能量资源的目的。在有损失融合中，信息损失的上限是要保留应用所必需的全部信息量。第一百六十八页，共202页。数据融合技术可以在传感器网络协议栈的多个层次中实现，既能在MAC协议中实现，也能在路由协议或应用层协议中实现。根据数据融合是否基于应用数据的语义，将数据融合技术分为三类：(1)依赖于应用的数据融合；(2)独立于应用的数据融合；(3)结合以上两种技术的数据融合。根据数据融合与应用层数据语义之问的关系分类第一百六十九页，共202页。根据融合操作的级别分类根据对传感器数据的操作级别，可将数据融合技术分为以下三类：（1）数据级融合数据级融合是最底层的融合，操作对象是传感器采集得到的数据，因而是面向数据的融合。（2）特征级融合特征级融合通过一些特征提取手段将数据表示为一系列的特征向量，来反映事物的属性。（3）决策级融合决策级融合根据应用需求进行较高级的决策，是最高级的融合。第一百七十页，共202页。数据融合的主要方法(1)综合平均法该方法是把来自多个传感器的众多数据进行综合平均。它适用于同类传感器检测同一个检测目标。这是最简单、最直观的数据融合方法。该方法将一组传感器提供的冗余信息进行加权平均，结果作为融合值。如果对一个检测目标进行了k次检测，则综合平均的结果为：其中，Wi为分配给第i次检测的权重。第一百七十一页，共202页。(2)卡尔曼滤波法卡尔曼滤波法用于融合低层的实时动态多传感器冗余数据。该方法利用测量模型的统计特性，递推地确定融合数据的估计，且该估计在统计意义下是最优的。如果系统可以用一个线性模型描述，且系统与传感器的误差均符合高斯白噪声模型，则卡尔曼滤波将为融合数据提供唯一的统计意义下的最优估计。例如，应用卡尔曼滤波器对n个传感器的测量数据进行融合后，既可以获得系统的当前状态估计，又可以预报系统的未来状态。所估计的系统状态可能表示移动机器人的当前位置、目标的位置和速度、从传感器数据中抽取的特征或实际测量值本身。数据融合的主要方法第一百七十二页，共202页。(3)贝叶斯估计法贝叶斯估计是融合静态环境中多传感器低层信息的常用方法。它使传感器信息依据概率原则进行组合，测量不确定性以条件概率表示。当传感器组的观测坐标一致时，可以用直接法对传感器测量数据进行融合。在大多数情况下，传感器是从不同的坐标系对同一环境物体进行描述，这时传感器测量数据要以间接方式采用贝叶斯估计进行数据融合。多贝叶斯估计把每个传感器作为一个贝叶斯估计，将各单独物体的关联概率分布组合成一个联合后验概率分布函数，通过使联合分布函数的似然函数最小，可以得到多传感器信息的最终融合值。数据融合的主要方法第一百七十三页，共202页。(4)D-S证据推理法D-S（D