网络部署后，由根节点广播级别发现分组来启动层次发现阶段，级别 发现分组包含节点的ID和级别
邻居节点收到分组后，将自己的级别设置为分组中的级别加1，然后 广播新的级别发现分组
节点收到第i级节点的广播分组后，记录发送这个广播分组的节点ID ，设置自己的级别为（i+1），广播级别为（i+1）的分组，这个过程 持续到网络内每个节点都被赋予一个级别
层次结构建立以后，根节点通过广播时间同步分组启动同步阶段
第1级节点收到分组后，各自分别等待一段随机时间，再通过与根节 点交换消息同步到根节点
第2级节点侦听到第1级节点的交换消息后，等待一段随机时间，再与 它记录的上一级别的节点交换消息进行同步，网络中的节点依次与上 一级节点同步，最终都同步到根节点
... ...
时钟模型
硬件时钟模型 软件时钟模型
硬件时钟模型
硬件时钟由电池+硬件电路来实现 硬件时钟是独立运行的，通常比较精确 不适应环境变化剧烈的场合
温度漂移
软件时钟模型
它是由PC硬件产生的周期性的定时器中断来工作的
如果系统运行了太多的进程，它就需要较长的时间来执 行定时器中断程序，并且软件时钟就会漏掉一些中断。
节点一旦建立自己的级别，就忽略任何其他级别发现分组，防止网络 产生洪泛拥塞
TPSN协议过程
第二阶段 同步阶段（Synchronization Phase）
目的：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，最终所有节点同步到根节点 ，实现整个网络的时间同步
FTSP （Flooding Time Synchronization Protocol）
GCS （Global Clock Synchronization）
时间同步协议：DMTS
1. 在所有节点中选择一个主节点 2. 主节点广播其本地时钟，并且在发送前导帧和起始符时
打上时间戳t0 3. 接收节点收到广播分组后打上时间戳t1，并且在 Sept. 2008 © Neusoft Confidential
前言
虽然传感器网络用户的使用目的千变万化，但是作为网 络终端节点的功能归根结底就是传感、探测、感知，用来 收集应用相关的数据信号。为了实现用户的功能，除了要 设计第3章介绍的通信与组网技术以外，还要实现保证网络 用户功能的正常运行所需的其它基础性技术。
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。
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
传输延迟的不确定性
Sender
Send Access time time
Receiver
Propagation time
Transmission time
Reception time
100~200μs，<2μs的 确定，依赖射频芯片的种类和设
抖动
置。
Byte alignment time
0~400μs
确定，依赖发送速率和收发字节 偏移。
典型时间同步协议
NTP（Network Time Protocol） DMTS （Delay Measurement Time Synchronization）
考虑能耗问题，TPSN可以与后同步策略结合使用
二、定位技术
什么是定位？
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。
位置信息的类型：
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
TPSN协议过程
协议准备
每个传感器节点都有唯一的标识号ID 节点间的无线通信链路是双向的，通过双向消息交换实现节点间的时
间同步 整个网络内所有节点按层次结构管理，由TPSN协议生成和维护
TPSN协议过程
第一阶段 层次发现阶段（Level Discovery Phase）
目的：生成节点层次结构，每个节点被赋予一个级别，根节点为0级 ，第i级的节点至少能够与一个第（i-1）级得节点通信
传统同步：NTP与GPS
NTP：网络时间协议 GPS：全球定位系统
NTP（Network Time Protocol）
体系结构（网络）
NTP
时钟信息逐层传播 标准的时钟信息通过TCP/IP网络传输 NTP使用UDP传输，使用固定端口号123和37 精度：LAN上与标准间差小于1毫秒，WAN上几十毫秒
不确定，依赖信道负载
10~20ms
确定，依赖报文长度和发送速率
<1μs(距离<300米)
确定，依赖收发方物理距离和传 播媒质特性
Interrupt waiting time
在<可5大达μs，多30在数μ重情s 负况载下下，不器确负定载，。依赖处理器类型和处理
Encoding time & Decoding time
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。
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
TPSN是类似于NTP（Network Time Protocol）时间同步协议 目的是提供传感器网络全网范围内节点间的时间同步 节点结构中包含一个根节点，它与外界通信获取外界时间，以此作为
整个网络系统的时钟源 将节点分级后（根节点是0级，累加），每个节点同上一级的一个节点
进行时间同步，最终与根节点同步 节点对之间的同步采用发送者-接收者同步机制（RBS）
时钟前打上时间戳t2 4. 接收节点应该调整自己的时钟为t0 ＋（t2－t1）
DMTS特点
最简单直观 单报文同步 同步精度低（传输过程的时间没计算） 广播方式 同步能耗低
TPSN时间同步协议思想
TPSN （ Timing-sync Protocol for Sensor Networks ）
测距方式对精度的影响
Radio（VHF、UWB、CDMA、光、红外光）
自动化/控制等
跟踪/导航等
室外全球 室外局域
室内
GPS
专有微波 方案
TDOA RTOF
技术壁垒
DGPS
WLAN DECT 蓝牙 RSS
TDOA
GSM/3G蜂窝电话
Cell-ID AOA TOA TDOA
0.1 0.3
1
3
10
30
GPS（Global Position System）
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到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（成本、功耗、室内、安全性、分布式）
传感器网络的挑战
Receive time
传输延迟的进一步细化
时间
Send time & Receive time
Access time Transmission time & Reception time
Propagation time
典型值 0~100ms 10~500ms
特性
不确定，依赖处理器负载、操作 系统系统调用开销
100 300 1K 3K
一米的壁垒：更高的精度非常困难
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（Global Positioning System）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（GALILEO satellite radio navigationsystem）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。
定位服务的标准化
定位系统往往是订制系统，没有统一的标准 GPS系统，事实标准
E-911，1996年美国联邦通信委员会（FCC） 制定的运营 商（紧急救援）服务标准
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）
值服务
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。
超声波 Wi-Fi和蓝牙 GSM系统
精度 分米级 3米 100米
覆盖范围 十多米 100米 公里级
这些应用层的基础性技术是支撑传感器网络完成任务 的关键，包括时间同步机制、定位技术、能量管理、数据 融合和安全机制等。
一、时钟同步机制
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