第4章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

1、內(nèi)容提要：u物聯(lián)網(wǎng)的支撐技術(shù)融合了RFID、傳感器技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、智能網(wǎng)絡(luò)等多種技術(shù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)立足于無線通信協(xié)議。u物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ) 是互聯(lián)網(wǎng)，無線網(wǎng)絡(luò)是補(bǔ)充。傳感網(wǎng)的基礎(chǔ)是無線網(wǎng)絡(luò)。u本章介紹無線傳感網(wǎng)技術(shù)體系、通信協(xié)議與信息整合。4.1無線傳感網(wǎng)絡(luò)概述4.2無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系4.3無線傳感網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議4.4無線傳感網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)本章目錄u 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN，wireless Sensor Network）是由具有感知、計算及通信能力的一群微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成的一個自組網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。目的是協(xié)作感知、采集處理區(qū)域的信息如環(huán)境參數(shù)、溫度、振動、化學(xué)濃度等數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)

2、點(diǎn)供分析。u 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)涉及傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、無線傳輸技術(shù)、嵌入式技術(shù)、分布式、微電子、無線傳輸技術(shù)、嵌入式技術(shù)、分布式、微電子、軟件編程。軟件編程。4.1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)介紹4.14.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)自組織網(wǎng)絡(luò)多跳路由動態(tài)性網(wǎng)絡(luò)可靠的網(wǎng)絡(luò)以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)4.14.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)條件與約束 電源能量有限 通信能力有限 計算和存儲能力4.14.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用 軍事應(yīng)用 環(huán)境觀測和預(yù)報系統(tǒng) 醫(yī)療護(hù)理 智

3、能家居 建筑物狀態(tài)監(jiān)控 其他應(yīng)用：如空間探索4.1.2傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)4.14.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述圖4-3傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧4.14.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述圖4-5傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧改進(jìn)的模型？討論：p87教材圖4-5b4.1.3傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展4.14.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 第一代傳感器網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代。使用具有簡單信息信號獲取能力的傳統(tǒng)傳感器，采用點(diǎn)對點(diǎn)傳輸、連接傳感控制器構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)； 第二代傳感器網(wǎng)絡(luò)，由智能傳感器，現(xiàn)場控制站組成的測控網(wǎng)絡(luò)。 采用串，并接口 (如Rs-232)與傳感控制器相聯(lián) 第三代傳感器網(wǎng)絡(luò)出

4、現(xiàn)在20世紀(jì)90年代后期和本世紀(jì)初，用具有現(xiàn)場總線的智能傳感器網(wǎng)絡(luò) 第四代傳感器網(wǎng)絡(luò)-無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。 本文所介紹的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是指第四代傳感器網(wǎng)絡(luò)。u新一代計算 設(shè)備u普適計算的重要途經(jīng)4.2.1 自組網(wǎng)技術(shù)4.24.2無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系 移動自組網(wǎng)(Ad-Hoc) Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的前身是分組無線網(wǎng)（Packet Radio Network）1991年成立的IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)委員會采用了“Ad hoc網(wǎng)絡(luò)”一詞來描述這種特殊的對等式無線移動網(wǎng)絡(luò)。 移動自組網(wǎng)的特點(diǎn) 無中心自組織 動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓樸 受限的無線傳輸 安全性差 多跳路由4.2.2 節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)1

5、.基本概念和算法在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，為了實(shí)現(xiàn)定位的需要，隨機(jī)播撒的節(jié)點(diǎn)主要有兩種：信標(biāo)節(jié)點(diǎn)（Beacon Node）和未知節(jié)點(diǎn)（Unknown Node）。通常將已知自身位置的節(jié)點(diǎn)稱為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)可以通過攜帶GPS定位設(shè)備等手段獲得自身的精確位置，而其它節(jié)點(diǎn)稱之為未知節(jié)點(diǎn)，未知節(jié)點(diǎn)以信標(biāo)節(jié)點(diǎn)作為參考點(diǎn)，通過信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置信息來確定自身位置。圖4-6傳感器網(wǎng)絡(luò)中信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)1.基本概念和算法基本概念和算法(1)鄰居節(jié)點(diǎn)（Neighbor Nodes）：無需經(jīng)過其它節(jié)點(diǎn)能夠直接與之進(jìn)行通信的節(jié)點(diǎn)；(2) 跳數(shù)（Hop Count）：兩個要實(shí)現(xiàn)通信的節(jié)點(diǎn)之間信息轉(zhuǎn)發(fā)所需要的最小跳段總數(shù)；(3

6、) 連通度（Connectivity）：一個節(jié)點(diǎn)擁有的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目；(4) 跳段距離（Hop Distance）兩個節(jié)點(diǎn)間隔之間最小跳段距離的總和(5)接收信號傳播時間差(Time Difference of Arrival，TDOA)：兩種不同頻率的信號到達(dá)同一目的地時由于不同的傳輸速度所造成的時間差；(6)接收信號傳播時間（Time of Arrival，TOA）：信號在兩個不同節(jié)點(diǎn)之間傳播所需要的時間；(7)信號返回時間（Round-trip Time of Flight，RTOF）：信號從一個節(jié)點(diǎn)傳到另一個節(jié)點(diǎn)后又返回來的時間；(8)到達(dá)角度(Angle of Arrival，AOA)

7、：節(jié)點(diǎn)自身軸線相對于其接收到的信號之間的角度；(9) 接收信號強(qiáng)度指示(Received Signa1 Strength Indicator，RSSI)：無線信號到達(dá)傳感器節(jié)點(diǎn)后的強(qiáng)弱值。（1）三邊測量法4.24.2傳感網(wǎng)技術(shù)體系傳感網(wǎng)技術(shù)體系222111222222222333()()()()()()dxxyydxxyydxxyy根據(jù)上式可得未知節(jié)點(diǎn)D的坐標(biāo)方程為：1222222131313133122222223231313312()2()2()2()xxyyxxyyddxyxxyyxxyydd （2-2）（2）三角測量法4.24.2傳感網(wǎng)技術(shù)體系傳感網(wǎng)技術(shù)體系 （2-2）（3）最大似然估

8、計法 （2-2）圖4-9最大似然估計法（3）最大似然估計法 （2-2）4.2.2傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法的分類基于距離和距離無關(guān)的定位算法 基于TOA的定位（基于到達(dá)時間的定位機(jī)制） 基于TDOA的定位（基于到達(dá)時間差的定位機(jī)制） 基于AOA的定位（基于到達(dá)角度的定位機(jī)制） 基于RSSI的定位（基于接收信號強(qiáng)度的定位機(jī)制）2. 遞增式和并發(fā)式3. 基于信標(biāo)和無信標(biāo)的定位基于距離的定位（ToA）基于距離基于距離差基于信號特征距離測量方法距離測量方法距離d = 波速v * 傳播時間t傳播時間t = 收到時刻t 發(fā)出時刻t0問題：問題：接受端如何得知t0？基于距離的定位（ToA）基于距離基于距離差基于信號

9、特征方法方法1：利用波速差發(fā)送端同時發(fā)送一道電磁波和聲波接收端記錄：電磁波到達(dá)時刻聲波到達(dá)時刻距離由于 遠(yuǎn)大于 ，上式可簡化為rtstrssrrsv vttdvvrvsvssrdvtt基于距離的定位（ToA）基于距離基于距離差基于信號特征方法方法2：測量波的往返時間發(fā)送端于時刻 發(fā)送波接收端收到波后，等待時間 后返回同樣的波發(fā)送端記錄收到回復(fù)的時間距離0tt02v tttdt基于距離的定位（ToA）基于距離基于距離差基于信號特征位置計算方法位置計算方法多邊測量多邊測量（也稱多點(diǎn)測量）平面上定位，取三個參考點(diǎn)以每個參考點(diǎn)為圓心，到該參考點(diǎn)的距離為半徑畫圓，目標(biāo)必在圓上平面上三個圓交于一點(diǎn)實(shí)際中取

10、用超過三個參考點(diǎn)，用最小二乘法減少誤差基于距離差的定位（TDoA）基于距離基于距離差基于信號特征ToA的局限的局限需要參考點(diǎn)和測量目標(biāo)時鐘同步TDoA不需要參考點(diǎn)和測量目標(biāo)時鐘同步參考點(diǎn)之間仍然需要時鐘同步基于距離差的定位（TDoA）基于距離基于距離差基于信號特征距離差測距方法距離差測距方法測量目標(biāo)廣播信號參考點(diǎn)i，j分別記錄信號接收到的時刻ti，tj測量目標(biāo)到i，j的距離差ijijdv tt基于距離差的定位（TDoA）基于距離基于距離差基于信號特征位置計算方法位置計算方法至少兩組數(shù)據(jù)聯(lián)立方程求解實(shí)際采用多組數(shù)據(jù)最小二乘法求解每次測量結(jié)果參考點(diǎn)坐標(biāo)到參考點(diǎn)的距離構(gòu)建方程：22222iijjij

11、xxyyxxyyd ,iix y,jjxyijdAOA定位分析基于RSSI的定位基于距離基于距離差基于信號強(qiáng)度基于信號強(qiáng)度的定位基于信號強(qiáng)度的定位原理：建立信號衰減與距離關(guān)系原理：建立信號衰減與距離關(guān)系 ，利用，利用4-6計計算節(jié)點(diǎn)與基站的距離，再用三邊法計算節(jié)點(diǎn)算節(jié)點(diǎn)與基站的距離，再用三邊法計算節(jié)點(diǎn)位置。位置。 00WWAF,nWCdBmdBm-10nlg(46)WAF,nWCndP dP dCd基于信號特征的定位基于距離基于距離差基于信號特征解決方法：解決方法：將信號強(qiáng)度看做“特征”預(yù)先布置N個參考節(jié)點(diǎn)測出N個參考節(jié)點(diǎn)信號的強(qiáng)度，得到一個N維向量事先測出區(qū)域中每個位置的特征向量將目標(biāo)測出的

12、特征向量和事先測量值比對，找出位置缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：不能應(yīng)對動態(tài)變化4.2.3 時間同步技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議(NTP) RBS機(jī)制4.2.4 安全技術(shù)路徑選擇路徑選擇交換算法交換算法特點(diǎn)：特點(diǎn)：能量優(yōu)先局部拓樸數(shù)據(jù)中心應(yīng)用相關(guān)4.3.1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議4.3 4.3 無線傳感網(wǎng)通迅協(xié)議無線傳感網(wǎng)通迅協(xié)議4.3無線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議藍(lán)牙紅外802.15.4/ZigBee典型的無線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議：4.3 4.3 無線傳感網(wǎng)通迅協(xié)議無線傳感網(wǎng)通迅協(xié)議藍(lán)牙（Bluetooth）典型無線低速網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙紅外802.15.4/ZigBee藍(lán)牙技術(shù)藍(lán)牙技術(shù)是一種短距離低功耗傳輸協(xié)議，最早始于1994年，由瑞典的愛立信公司

13、研發(fā)。采用的是調(diào)頻技術(shù)（frequency-hopping spread spectrum），頻段范圍是2.402GHz-2.480GHz。通信速率一般能達(dá)到1Mbps左右，新的藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)也支持超過20Mbps的速率。通信半徑從幾米到100米左右不等，常見為幾米左右。藍(lán)牙和Wi-Fi區(qū)別典型無線低速網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙紅外802.15.4/ZigBeeWi-Fi的定位目標(biāo)是為了取代網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的有線設(shè)備，能夠真正的實(shí)現(xiàn)從有線到無線的轉(zhuǎn)變，他可以用來傳送各種文件，視頻，音頻，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)的各種應(yīng)用。藍(lán)牙藍(lán)牙主要是為了替換一些個人用戶攜帶設(shè)備的有線，如耳機(jī)，鍵盤等。這些設(shè)備對帶寬的要求相對較少，或者說不是經(jīng)常使用，

14、比如手機(jī)間的傳送小文件，或者說這些設(shè)備的資源擁有量（電量，計算資源等等）相對較低。紅外（Infrared)典型無線低速網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙紅外802.15.4/ZigBee紅外通信技術(shù)紅外通信技術(shù)利用紅外線傳輸數(shù)據(jù)，比藍(lán)牙技術(shù)出現(xiàn)更早，是一種較早的無線通信技術(shù)。特點(diǎn)特點(diǎn)紅外通信采用的是875nm左右波長的光波通信，通信距離一般為1米左右。設(shè)備體積小、成本低、功耗低、不需要頻率申請等優(yōu)勢缺點(diǎn)缺點(diǎn)設(shè)備之間必須互相可見對障礙物的衍射較差4.4.1 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)/ZigBee典型無線低速網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙紅外802.15.4/ZigBee802.15.4/ZigBee是無線傳感網(wǎng)領(lǐng)域最為著名的無線通信協(xié)議ZigBe

15、e主要定義了網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層以及之上的應(yīng)用層的規(guī)范802.15.4主要定義了短距離通信的物理層以及鏈路層規(guī)范4.4 4.4 無線傳感網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)無線傳感網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)802.15.4 物理層典型無線低速網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙紅外802.15.4/ZigBee頻段：頻段：3個頻段，均為國際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)化組定義的用于科研和醫(yī)療的開放頻段，包括868.0-868.6MHz，主要為歐洲采用，單信道；902-928MHz，北美采用，10個信道，支持?jǐn)U展到30；2.4-2.4835GHz世界范圍內(nèi)通用，16個頻道。傳輸技術(shù)：傳輸技術(shù)：最早為直接擴(kuò)頻，后來可采用調(diào)頻、調(diào)相等多種技術(shù)。4.4 4.4 無線傳感網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)無線傳感

16、網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)802.15.4介質(zhì)訪問控制層典型無線低速網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙紅外802.15.4/ZigBee介質(zhì)訪問控制層（介質(zhì)訪問控制層（MAC）控制和協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)使用物理層的信道802.15.4采用載波偵聽多路訪問方式(CSMA/CA)，與802.11（Wi-Fi）類似。傳輸之前，先偵聽介質(zhì)中是否有使用同一信道的載波存在，若不存在說明信道空閑，將直接進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)；若系統(tǒng)檢測到存在載波，則在隨機(jī)退避一段時間后重新檢測信道，退避的時間長短由具體的協(xié)議指定。4.4 4.4 無線傳感網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)無線傳感網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)CSMA/CA協(xié)議典型無線低速網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙紅外802.15.4/ZigBee4.4 4.4 無線傳感網(wǎng)技術(shù)

17、標(biāo)準(zhǔn)無線傳感網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)層典型無線低速網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙紅外802.15.4/ZigBee網(wǎng)絡(luò)層功能：網(wǎng)絡(luò)層功能：路由，新節(jié)點(diǎn)和路徑的發(fā)現(xiàn)，決定一個節(jié)點(diǎn)屬于某一個子網(wǎng)絡(luò)等。ZigBee網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層采用距離矢量路由協(xié)議（AODV）源節(jié)點(diǎn)廣播一個路由請求給它的所有鄰居鄰居節(jié)點(diǎn)在收到消息后，再廣播收到的消息給它們的鄰居，如此直到消息到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)收到路由請求消息以后，目的節(jié)點(diǎn)返回一個路由回復(fù)給源節(jié)點(diǎn)?；貜?fù)不再以廣播方式發(fā)送到源節(jié)點(diǎn)，而是沿著路由請求數(shù)據(jù)包從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的路徑，這樣源節(jié)點(diǎn)就可以按照這條路徑發(fā)送消息到目的節(jié)點(diǎn)了。距離矢量路由協(xié)議（AODV）典型無線低速網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙紅外80

18、2.15.4/ZigBeeZigBee 網(wǎng)絡(luò)層以上典型無線低速網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙紅外802.15.4/ZigBee網(wǎng)絡(luò)層以及上網(wǎng)絡(luò)層以及上提供了向終端用戶的接口與互聯(lián)網(wǎng)類似，在網(wǎng)絡(luò)層以上：互聯(lián)網(wǎng)模型中需要提供不同類型的傳輸服務(wù)（比如TCP協(xié)議和UDP協(xié)議）在傳輸協(xié)議上還需要提供各種基于不同傳輸協(xié)議的應(yīng)用（比如FTP，HTTP等等）。4.4 4.4 無線傳感網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)無線傳感網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)ZigBee與常用協(xié)議比較典型無線低速網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙紅外802.15.4/ZigBee無線傳感網(wǎng)組網(wǎng)：物理層設(shè)計鏈路特點(diǎn)鏈路特點(diǎn)動態(tài)性（Dynamic)非對稱性（Asymmetric）：兩個節(jié)點(diǎn)之間一個方向鏈路質(zhì)量好，另一個方向質(zhì)

19、量非常差。空間關(guān)聯(lián)性（Spatial Correlation）：因?yàn)槲恢孟嘟墓?jié)點(diǎn)通常有相似的環(huán)境。時間關(guān)聯(lián)性（Temporal Correlation）物理層設(shè)計物理層設(shè)計應(yīng)當(dāng)支持802.15.14模塊，如CC2420，同時滿足：低能量消耗低通訊半徑低通信帶寬無線傳感網(wǎng)組網(wǎng)：MAC層設(shè)計無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)特殊性：無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)特殊性：節(jié)點(diǎn)功能小計算不能太復(fù)雜節(jié)點(diǎn)能量少盡量減少不必要傳輸節(jié)點(diǎn)通信范圍小需要多跳網(wǎng)絡(luò)設(shè)計節(jié)點(diǎn)內(nèi)存小不可能保存全部路由表節(jié)點(diǎn)工作環(huán)境復(fù)雜高適應(yīng)性協(xié)議MAC層：層：沿用CSMA/CA無線傳感網(wǎng)組網(wǎng)：MAC層設(shè)計無線收發(fā)模塊占用大部分電量消耗！MAC層設(shè)計：如何降低能量消耗？無線收發(fā)器件（radio transceiver）工作時通常處于三種狀態(tài)（發(fā)送，偵聽，空閑狀態(tài)），發(fā)送和偵聽狀態(tài)為工作狀態(tài)，空閑狀態(tài)浪費(fèi)能量。低功率偵聽協(xié)議低功率偵聽協(xié)議采樣偵聽鏈路層調(diào)度采樣偵聽采樣偵聽無線收發(fā)模塊在沒有數(shù)據(jù)的時候關(guān)閉定時采樣獲取信道的信息MAC層設(shè)計：采樣偵聽的問題假設(shè)采