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传感器网络时间同步的意义

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柠檬 2019-04-18 11:21 评论( 1 ) 浏览( 2994 )

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,每个传感器结点都有自己的本地时钟。不同结点的晶体振荡器频率存在偏差,湿度和电磁波的干扰等也都会造成网络结点之间的运行时间偏差。有时传感器网络的单个结点的能力有限,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结点相互配合来共同完成,分布式系统的协同工作需要结点间的时间同步,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。

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。

时间同步机制在传统网络中已经得到广泛应用,如网络时间协议(NetworkTimeProtocol,NTP)是因特网采用的时间同步协议。另外,GPS和无线测距等技术也可以用来提供网络的全局时间同步。

在传感器网络的很多应用中,同样需要时间同步机制,例如在结点时间同步的基础上,可以远程观察卫星和导弹发射的轨道变化情况等。另外,时间同步能够用来形成分布式波束系统、构成TDMA调度机制、实现多传感器结点的数据融合,以及用时间序列的目标位置来估计目标的运行速度和方向,或者通过测量声音的传播时间确定结点到声源的距离或声源的位置。

概括起来说,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,传感器结点通常需要彼此协作去完成复杂的监测和感知任务。数据融合是协是协作操作中的典型例子,不同的结点采集的数据最终融合形成了一个有意义的结果。例如,在车辆跟踪系统中,传感器结点记录车辆的位置和时间,然后结合这些信息来估计车辆的位置和速度。如果传感器结点缺乏统一的时间同步,年辆的位置估许将是不准确的

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。例如,传感器可以在适当的时候休眠,在需要的时候再唤醒。当应用这种节能模式的时候,网络结点应该在相同的时间休眠或唤醒,也就是说当数据到来时结点的接收器并没有关闭。这里传感器网络时间同步机制的设计目的,是为网络中所有结点的本地时钟提供其同的时间截。

最近美军装备的枪声定位系统,用于打击恐怖分子和战场上的狙击手。部署在街道或道路两侧的声响传感器,检测轻武器射击时产生的枪口爆炸波,以及子弹飞行时产生的震动冲击波,这此声波信号通过传感器网络传送给附近的计算机,计算出射手的坐标位置。这里相关的声波到达时间(Time of Arrival, ToA)测量要求以一个共同的网络时间值,实现传感器网络的精确时间同步。另外通过试验发现射手定位误差除了取决于传感器结点本身测量的位置坐标偏差以外,不可能绝对精确的时间同步也是造成定位误差的另一重要因素。


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