第一無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概述

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)Wireless Sensor Networks劉永桂 博士電話：教材n書名：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)n作者：孫利民，李建中，陳渝，朱紅松n出版社：清華大學(xué)出版社 nFundamentals of Wireless Sensor Networks-theory and practicenWaltenegus Dargie, Technical University of Dresden, GemanynChristian Poellabauer, University of Notre Dame, USA成績(jī)?cè)u(píng)定n平時(shí)成績(jī)：50%n平時(shí)成績(jī)：20%n隨堂測(cè)試：30%n最后考試：50% 第2

2、-9周課為理論課時(shí)第10-14周為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)出席考核n點(diǎn)名n抽查點(diǎn)名n隨堂作業(yè)n無故累計(jì)缺席超過3次，無考試成績(jī)作弊和抄襲等發(fā)生作弊、抄襲等情況考試成績(jī)零分計(jì)算。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)目錄n傳感器網(wǎng)絡(luò)概述n傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用n傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議n傳感器網(wǎng)絡(luò)研究進(jìn)展n傳感器網(wǎng)絡(luò)影響力什么是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，是指將地理位置不同的具有獨(dú)立功能的多臺(tái)計(jì)算機(jī)及其外部設(shè)備，通過通信線路連接起來，在網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)管理軟件及網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的管理和協(xié)調(diào)下，實(shí)現(xiàn)資源共享和信息傳遞的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 所謂無線網(wǎng)絡(luò)，就是利用無線電波作為信息傳輸?shù)拿浇闃?gòu)成的無線局域網(wǎng)（WLAN），與有線網(wǎng)絡(luò)的用途十分類似，最大的不同在于傳輸媒介的

3、不同，利用無線電技術(shù)取代網(wǎng)線，可以和有線網(wǎng)絡(luò)互為備份。 什么是傳感器網(wǎng)絡(luò)nWSN-Wireless Sensor Networksn基礎(chǔ)n微電子技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)n解釋1n由部署在觀測(cè)環(huán)境附近的大量的微型廉價(jià)低功耗的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成一個(gè)多跳的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。什么是傳感器網(wǎng)絡(luò)n解釋2：n傳感器網(wǎng)絡(luò)是由一組傳感器以特定方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地理區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并發(fā)布給觀察者。n傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)基本要素：n傳感器，感知對(duì)象，觀察者n傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能n協(xié)作地感知、采集、處理和發(fā)布感知信息 有

4、線有線/ /無線連接無線連接 傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)nsink -匯聚點(diǎn)nsensor node -傳感器節(jié)點(diǎn)nsensor field -監(jiān)測(cè)區(qū)域傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)體n傳感器節(jié)點(diǎn)功能：采集、處理、控制和通信等網(wǎng)絡(luò)功能：兼顧節(jié)點(diǎn)和路由器資源受限：存儲(chǔ)、計(jì)算、通信、能量nSink節(jié)點(diǎn)功能：連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet等外部網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，發(fā)布管理節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)任務(wù)，轉(zhuǎn)發(fā)收集到的數(shù)據(jù)。特點(diǎn)：連續(xù)供電、功能強(qiáng)、數(shù)量少等傳感器節(jié)點(diǎn)n傳感器模塊：信息采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換n處理器模塊：控制、數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議n無線通訊模塊：無線通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)n能量供應(yīng)模塊：提供能量傳感器網(wǎng)絡(luò)

5、的特點(diǎn)n大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)：地理區(qū)域大；部署密集n提高信噪比；提高監(jiān)測(cè)精度；增強(qiáng)容錯(cuò)性；減少盲區(qū)n自組織網(wǎng)絡(luò)：不確定性；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化n資源受限：計(jì)算、存儲(chǔ)、通訊、能量n動(dòng)態(tài)拓?fù)洌汗?jié)點(diǎn)故障；通訊故障；移動(dòng)性；節(jié)點(diǎn)加入n可靠網(wǎng)絡(luò)：適應(yīng)環(huán)境條件；魯棒性、容錯(cuò)性n應(yīng)用相關(guān)：沒有統(tǒng)一的通信協(xié)議平臺(tái)n以數(shù)據(jù)為中心傳感器節(jié)點(diǎn)的限制n電源能量有限n通信能力有限n計(jì)算和存儲(chǔ)能力有限傳感器網(wǎng)絡(luò)概述與ad hoc的不同WSN結(jié)點(diǎn)數(shù)量更為龐大多數(shù)節(jié)點(diǎn)為靜止節(jié)點(diǎn)分布更為密集能量約束結(jié)點(diǎn)更容易出錯(cuò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化頻繁Ad hoc幾十至上百個(gè)節(jié)點(diǎn)局域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)全移動(dòng)結(jié)構(gòu)變化（移動(dòng)）能量可連續(xù)提供點(diǎn)到點(diǎn)通信軍事應(yīng)用（UCLA-WINS）軍事

6、應(yīng)用（2）（UCLA-WINS）商業(yè)（1）商業(yè)（2）傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧（1）n能源管理平臺(tái)： 管理傳感器節(jié)點(diǎn)如何使用能量；n 移動(dòng)管理平臺(tái)： 檢測(cè)和注冊(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，維護(hù)到匯聚點(diǎn)的路由，使得傳感器節(jié)點(diǎn)能夠跟蹤它的鄰居；n 任務(wù)管理平臺(tái)： 在一個(gè)給定的區(qū)域內(nèi)平衡和調(diào)度監(jiān)測(cè)任務(wù)傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧（2）傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層（1）n傳輸媒體n建議采用ISM （工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)）頻段n短距離的無線低功率通信最適合傳感器網(wǎng)絡(luò)n紅外n不需要許可證，抗干擾n要求收發(fā)雙方在視線之內(nèi)n光n不排除用光作為通信媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層（2）n頻率選擇，載頻發(fā)生，信號(hào)檢測(cè)，調(diào)制，數(shù)據(jù)加密n信號(hào)傳播n傳播信號(hào)需要的最小發(fā)送功

7、率和傳輸距離d的n次方（ ）成正比，2= n 4.n為了減小傳輸距離，傳感器網(wǎng)絡(luò)采用多跳（multihop）通信方式nd傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的功能（1）n功能n無線信道的使用 建立傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)n考慮因素n節(jié)省能量n可擴(kuò)展性n鏈路帶寬分配的公平性、帶寬利用率、延時(shí)性能等 目前普遍認(rèn)為這三個(gè)方面的重要性依次遞減MAC協(xié)議的能量浪費(fèi)因素（2）n空閑偵聽：節(jié)點(diǎn)不知道鄰居節(jié)點(diǎn)何時(shí)向自己發(fā)送數(shù)據(jù)，射頻收發(fā)模塊必須一直處于工作狀態(tài)，消耗大量能源，是無效能耗的主要來源。 n沖突：同時(shí)向同一節(jié)點(diǎn)發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)幀，信號(hào)相互干擾，接收方無法準(zhǔn)確接收，重發(fā)造成能量浪費(fèi)n串?dāng)_：接收和處理發(fā)往其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)屬于無效

8、功耗。n控制開銷：控制報(bào)文不傳送有效數(shù)據(jù)，消耗的能量對(duì)用戶來說是無效功耗。 傳感器MAC協(xié)議的節(jié)能策略（3）n盡量讓傳感器節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)；n 減少傳感器節(jié)點(diǎn)之間的碰撞；n 減少接收到自己不需要接收的數(shù)據(jù)分組；（overhearing）n 減少控制消息的開銷。WSN MAC協(xié)議（4）n基于競(jìng)爭(zhēng)nS-MAC/T-MAC/Siftn基于TDMA的nDEAN/TRAMA /DMAC/周期性消息調(diào)度n其它nSMACS/EARnCSMA/CA和CDMA結(jié)合WSN路由協(xié)議（1）n已有網(wǎng)絡(luò)ad hoc、蜂窩主要目標(biāo)通信服務(wù)質(zhì)量 帶寬利用率n傳感器網(wǎng)絡(luò)主要目標(biāo)高效使用能源 延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的生存期WSN路由協(xié)議（

9、2）n特點(diǎn)n基于局部拓?fù)湫畔數(shù)據(jù)為中心（不知道目的節(jié)點(diǎn)的編號(hào)，甚至向哪個(gè)區(qū)域）n要求n能量高效（協(xié)議簡(jiǎn)單|開銷小|節(jié)省能量/均衡消耗）n可擴(kuò)展性（網(wǎng)絡(luò)范圍/節(jié)點(diǎn)密度）n魯棒性（節(jié)點(diǎn)變化|拓?fù)渥兓﹏快速收斂性WSN路由協(xié)議（3）n能量感知路由n能量路由/能量多路徑路由n查詢路由n定向擴(kuò)散路由(DD)/謠傳路由n地理路由nGPRS/GEAR/ GEM/邊界定位路由n可靠路由nReInform/SPEED /多路徑路由WSN傳輸層（1）n當(dāng)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的系統(tǒng)需要接入Internet 或其它外部網(wǎng)絡(luò)時(shí)，傳輸層的功能是必要的n目前關(guān)于傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸層機(jī)制和協(xié)議的建議很少n存在的問題n硬件的限制（例如

10、有限的電能和存儲(chǔ)量）使傳感器節(jié)點(diǎn)不能像Internet中的服務(wù)器那樣存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)nTCP的應(yīng)答方式開銷太大n將來有可能在傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用類似于UDP的協(xié)議，而在Internet和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中使用TCP/UDP協(xié)議WSN傳輸層（2）n一種TCP分段（TCP splitting） 的方法可能使傳感器網(wǎng)絡(luò)和其它網(wǎng)絡(luò)（如Internet)互通WSN應(yīng)用層n應(yīng)用層協(xié)議還處于探索階段n三種可能的應(yīng)用層協(xié)議n傳感器管理協(xié)議 Sensor management protocol (SMP)n任務(wù)分配和數(shù)據(jù)通告協(xié)議 task assignment and data advertisement protocol

11、(TADAP)n傳感器詢問和數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議 Sensor query and data dissemination protocol (SQDDP)WSN 時(shí)間同步（1）n時(shí)間同步是傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能nMAC/跟蹤/監(jiān)測(cè)n時(shí)間同步需要的多樣性（目標(biāo)跟蹤例子）n傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步的性能參數(shù)n最大誤差n同步期限n同步范圍n效率n代價(jià)和體積WSN時(shí)間同步機(jī)制（2）nTPSN（Timing-sync Protocol for Sensor Networks ）nRBS（Reference Broadcast Synchronization）nTINY/MINI-SYNCnDMTS （Delay Mea

12、surement Time Synchronization）nPCS （Probabilistic Clock Synchronization ）WSN定位機(jī)制（1）n定位是傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能n報(bào)告事件發(fā)生的地點(diǎn)n目標(biāo)跟蹤和定位n協(xié)助路由n進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理WSN定位機(jī)制（2）n特殊性n體積、成本（GPS不能普遍適用）n能耗有限、可靠性差n節(jié)點(diǎn)的規(guī)模大、隨機(jī)布放n無線模塊通信距離有限n環(huán)境要求（室內(nèi)、室外）WSN定位機(jī)制（3）n基于距離的定位機(jī)制n到達(dá)時(shí)間定位算法（TOA）n不同到達(dá)時(shí)間定位算法（TDOA）n到達(dá)角度定位定位算法（AOA）n接收信號(hào)強(qiáng)度定位算法（RSSI）n距離無關(guān)的定位機(jī)制n質(zhì)心

13、定位算法（Centroid）n距離向量-跳段定位算法（DV-HOP）n自組織定位算法（Amorphous Positioning)n近似的點(diǎn)在三角形中定位算法（APIT)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究進(jìn)展n軍事領(lǐng)域n美國(guó)陸軍的研究計(jì)劃n“靈巧傳感器網(wǎng)絡(luò)通信” （20012005，通用通信基礎(chǔ)設(shè)施）n“無人值守地面?zhèn)鞲衅魅骸?（支持陸軍更廣闊視野）n“戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境偵察與監(jiān)視系統(tǒng)” （偵察和情報(bào)）n美國(guó)海軍的研究計(jì)劃n“傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)”（戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)略級(jí)的傳感器信息管理）n“網(wǎng)狀傳感器系統(tǒng)CEC（Cooperative engagement capability) (裝載在艦艇和戰(zhàn)斗機(jī)群上，進(jìn)行高精度偵察）n美國(guó)國(guó)

14、防部nSmart Sensor Web，5個(gè)尖端研究領(lǐng)域之一 （以Web為中心的傳感器信息分發(fā)和融合網(wǎng)絡(luò)）n美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和能源部 （發(fā)現(xiàn)對(duì)地鐵、車站的生化武器襲擊）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究進(jìn)展n民用領(lǐng)域n美國(guó)交通部n國(guó)家智能交通系統(tǒng)項(xiàng)目規(guī)劃，1995開始，2025投入使用（用傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行地面交通管理）nIntel公司n基于微型傳感器網(wǎng)絡(luò)的新型計(jì)算發(fā)展項(xiàng)目，2002發(fā)布 開發(fā)超微型傳感器 MOTE（塵粒） Smart dust (智能灰塵）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究進(jìn)展n學(xué)術(shù)和科技界n美國(guó)自然科學(xué)基金委（NSF）推動(dòng)下，很多高校開展研究n英國(guó)、意大利、日本等國(guó)的大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)n學(xué)術(shù)科技界的研究集中在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信協(xié)議、感知數(shù)據(jù)查詢處理技術(shù)和應(yīng)用試驗(yàn)等方面無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究進(jìn)展n中國(guó)研究進(jìn)展和現(xiàn)狀n高校和研究機(jī)構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)的影響n傳感器網(wǎng)絡(luò)將