無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概述.ppt

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WirelessSensorNetworks,李克秋（keqiu）計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與高性能計算實驗室（CNHPC）,聲明,課件來源：本課件系中科院計算所寧波中科無線通訊事業(yè)部編制，只有第一章做了部分改動。下載網(wǎng)址：,課程安排,6月22日（周一）6月25日（周四）6月29日（周一）7月02日（周四）7月06日（周一）7月09日（周四）7月13日（周一）7月16日（周四）第一大節(jié)：08：00-09：30第二大節(jié)：09：40-11：10,教材,書名：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作者：孫利民，李建中，陳渝，朱紅松出版社：清華大學(xué)出版社,成績評定,平時成績：50%平時成績：20%隨堂測試：30%最后考試：50%最后一次課進(jìn)行：7月16日（周四）,出席考核,點名抽查點名隨堂作業(yè)無故累計缺席超過3次，無考試成績,作弊和抄襲等,發(fā)生作弊、抄襲等情況考試成績零分計算。,助教,李宏娟郵箱：hongjuan163com電話亞穹郵箱：rockroby電話無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù),目錄,傳感器網(wǎng)絡(luò)概述傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳感器網(wǎng)絡(luò)研究進(jìn)展傳感器網(wǎng)絡(luò)影響力,什么是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò),計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，是指將地理位置不同的具有獨立功能的多臺計算機(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，實現(xiàn)資源共享和信息傳遞的計算機(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),WSN-WirelessSensorNetworks基礎(chǔ)微電子技術(shù)、嵌入式計算技術(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)解釋1由部署在觀測環(huán)境附近的大量的微型廉價低功耗的傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成一個多跳的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。,什么是傳感器網(wǎng)絡(luò),解釋2：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)域中感知對象的信息，并發(fā)布給觀察者。傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個基本要素：傳感器，感知對象，觀察者傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能協(xié)作地感知、采集、處理和發(fā)布感知信息,傳感器接近感知對象傳感器僅產(chǎn)生數(shù)據(jù)流傳感器無計算能力無傳感器間通信能力,傳統(tǒng)的感知方法,有線/無線連接,現(xiàn)代感知方法,SensingArea,傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋感知對象區(qū)域每個傳感器完成其臨近感知對象的觀測多傳感器協(xié)同完成感知區(qū)域的大觀測任務(wù)使用多跳路由算法向用戶報告觀測結(jié)果,Sink,Internet或通信衛(wèi)星,Sensornetwork,傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),sink-匯聚點sensornode-傳感器節(jié)點sensorfield-監(jiān)測區(qū)域,傳感器網(wǎng)絡(luò)的實體,傳感器節(jié)點功能：采集、處理、控制和通信等網(wǎng)絡(luò)功能：兼顧節(jié)點和路由器資源受限：存儲、計算、通信、能量Sink節(jié)點功能：連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet等外部網(wǎng)絡(luò)，實現(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)點的監(jiān)測任務(wù)，轉(zhuǎn)發(fā)收集到的數(shù)據(jù)。特點：連續(xù)供電、功能強(qiáng)、數(shù)量少等,現(xiàn)代微型傳感器感知能力計算能力通信能力體積小能耗小由六部分組成,傳感器節(jié)點,傳感器模塊：信息采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理器模塊：控制、數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議無線通訊模塊：無線通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)能量供應(yīng)模塊：提供能量,傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點,大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)：地理區(qū)域大；部署密集提高信噪比；提高監(jiān)測精度；增強(qiáng)容錯性；減少盲區(qū)自組織網(wǎng)絡(luò)：不確定性；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化資源受限：計算、存儲、通訊、能量動態(tài)拓?fù)洌汗?jié)點故障；通訊故障；移動性；節(jié)點加入可靠網(wǎng)絡(luò)：適應(yīng)環(huán)境條件；魯棒性、容錯性應(yīng)用相關(guān)：沒有統(tǒng)一的通信協(xié)議平臺以數(shù)據(jù)為中心,傳感器節(jié)點的限制,電源能量有限通信能力有限計算和存儲能力有限,傳感器網(wǎng)絡(luò)概述與adhoc的不同,WSN結(jié)點數(shù)量更為龐大多數(shù)節(jié)點為靜止節(jié)點分布更為密集能量約束結(jié)點更容易出錯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化頻繁,Adhoc幾十至上百個節(jié)點局域網(wǎng)節(jié)點全移動結(jié)構(gòu)變化（移動）能量可連續(xù)提供點到點通信,軍事應(yīng)用（UCLA-WINS）,軍事應(yīng)用（2）（UCLA-WINS）,商業(yè)（1）,商業(yè)（2）,通信能力有限節(jié)點帶寬窄，而且經(jīng)常變化節(jié)點通信覆蓋范圍只有幾十到幾百米，而且經(jīng)常變化,挑戰(zhàn)之一如何在如此有限通信能力的條件下,高質(zhì)量地完成感知數(shù)據(jù)的查詢、分析、挖掘與傳輸？在傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，發(fā)現(xiàn)最小化算法通信復(fù)雜性的機(jī)理是我們面臨的第一個挑戰(zhàn)問題！,多源、多跳是主要通信方式多個傳感器節(jié)點向一個目標(biāo)傳送信息一次多源信息傳輸需要多條由多個傳感器節(jié)點組成的路徑,挑戰(zhàn)之二如何為多源信息傳輸選擇優(yōu)化通信路徑？在傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，建立選擇優(yōu)化或近似優(yōu)化通信路徑的理論是我們面臨的第二個挑戰(zhàn)問題！,節(jié)點移動、斷接頻繁在移動網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點移動頻繁節(jié)點間通信的斷接頻繁，導(dǎo)致通信失敗.經(jīng)常受到高山、建筑物、障礙物等地勢地貌以及風(fēng)雨雷電等自然環(huán)境的影響,因此傳感器可能會長時間脫離網(wǎng)絡(luò),離線工作,挑戰(zhàn)之三通信路徑重構(gòu)成為突出問題？路由算法必須具有自適應(yīng)性？如何建立網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)連通性的數(shù)據(jù)理論，為通信路徑重構(gòu)和自適應(yīng)路由算法設(shè)計奠定堅實理論基礎(chǔ)是我們面臨的第三個挑戰(zhàn)問題？,電源能量有限傳感器的電源能量極其有限由于電源能量的原因經(jīng)常失效或廢棄電源能量約束是傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的障礙現(xiàn)有電源部件不能滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)的需要傳感器傳輸信息比執(zhí)行計算更消耗電能傳感器傳輸1位信息需要的電能足以執(zhí)行3000條計算指令,挑戰(zhàn)之四如何傳感器網(wǎng)絡(luò)在工作過程中節(jié)省能，實現(xiàn)能源均衡，最大化網(wǎng)絡(luò)生命周期？建立能源復(fù)雜性和能源均衡理論是我們面臨的第四個挑戰(zhàn)性問題！,計算能力有限傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器通常都具有嵌入式處理器和存儲器，具有計算能力但是，處理器性能、存儲器容量和能源都很有限，導(dǎo)致傳感器的計算能力十分有限,挑戰(zhàn)之五如何使用大量具有有限計算能力的傳感器設(shè)計能源有效的高性能分布式算法?設(shè)計同時最小化能源、時間、空間和通信復(fù)雜性的分布式算法是我們面臨的第五個挑戰(zhàn)性問題！,傳感器數(shù)量大、分布范圍廣傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點密集，數(shù)量巨大，可能達(dá)到幾百、幾千萬，甚至更多傳感器網(wǎng)絡(luò)可以分布在很大區(qū)域，也可以分布在險惡環(huán)境下傳感器數(shù)量大、分布廣的特點使得網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)十分困難甚至不可維護(hù),挑戰(zhàn)之六如何使傳感器網(wǎng)絡(luò)軟硬件具有高強(qiáng)壯性和容錯性是我們面臨的第六個挑戰(zhàn)性問題！,大規(guī)模分布式觸發(fā)器很多傳感器網(wǎng)絡(luò)需要對感知對象進(jìn)行控制（如溫度控制）傳感器需要配備回控裝置和控制軟件我們稱回控裝置和控制軟件為觸發(fā)器,挑戰(zhàn)之七如何管理成千上萬分布式觸發(fā)器是我們面臨的第七個挑戰(zhàn)性問題？,感知數(shù)據(jù)流無限傳感器網(wǎng)絡(luò)每個傳感器都產(chǎn)生無限的流式數(shù)據(jù)，并具有實時性每個傳感器僅具有有限的存儲器和計算資源，難以處理巨大的實時數(shù)據(jù)流,挑戰(zhàn)之八如何設(shè)計高效率、能源有效、實時的海量感知數(shù)據(jù)流的查詢、分析和挖掘的分布式算法？,以數(shù)據(jù)為中心傳感器網(wǎng)絡(luò)不是通常的網(wǎng)絡(luò)用戶感興趣的是數(shù)據(jù)而不是網(wǎng)絡(luò)和傳感器硬件用戶很少詢問“A節(jié)點到B節(jié)點的連接是如何實現(xiàn)的？”用戶經(jīng)常詢問“網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中那些地區(qū)出現(xiàn)毒氣？”傳感器網(wǎng)絡(luò)不是以地址為中心的用戶不會詢問“地址為27的傳感器的溫度是多少？”用戶感興趣是“某個地理位置的溫度是多少？”數(shù)據(jù)傳輸以聚集方式進(jìn)行,而不是地址到地址的路由,傳感器網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)把傳感器視為感知數(shù)據(jù)流或感知數(shù)據(jù)源把傳感器網(wǎng)絡(luò)視為感知數(shù)據(jù)空間或數(shù)據(jù)庫把數(shù)據(jù)管理和處理作為網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用目標(biāo),挑戰(zhàn)之九如何建立以數(shù)據(jù)為中心的傳感器網(wǎng)絡(luò)？以感知數(shù)據(jù)管理和處理為中心;把數(shù)據(jù)管理和處理技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融為一體;為用戶提供有效的感知數(shù)據(jù)空間或感知數(shù)據(jù)庫;使用戶如同使用通常的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)一樣自如地使用感知數(shù)據(jù).傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的理論和技術(shù)是我們面臨的第九個挑戰(zhàn)性問題！,需要多種多樣的感知器物理傳感器生物傳感器化學(xué)傳感器,挑戰(zhàn)之十如何建立新感知器概念、理論、技術(shù)和各種新型感知器是我們面臨的第十個挑戰(zhàn)性問題？,其他挑戰(zhàn)性問題傳感器的投放或撒播理論與技術(shù)傳感器的定位問題時鐘同步問題組網(wǎng)連通可靠性研究和探測覆蓋率研究傳感器網(wǎng)絡(luò)安全性問題和抗干擾問題信號的協(xié)作處理,傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧（1）,能源管理平臺：管理傳感器節(jié)點如何使用能量；移動管理平臺：檢測和注冊傳感器節(jié)點的移動，維護(hù)到匯聚點的路由，使得傳感器節(jié)點能夠跟蹤它的鄰居；任務(wù)管理平臺：在一個給定的區(qū)域內(nèi)平衡和調(diào)度監(jiān)測任務(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）,傳輸媒體建議采用ISM（工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)）頻段短距離的無線低功率通信最適合傳感器網(wǎng)絡(luò)紅外不需要許可證，抗干擾要求收發(fā)雙方在視線之內(nèi)光不排除用光作為通信媒體,傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層（2）,頻率選擇，載頻發(fā)生，信號檢測，調(diào)制，數(shù)據(jù)加密信號傳播傳播信號需要的最小發(fā)送功率和傳輸距離d的n次方（）成正比，2=n4.為了減小傳輸距離，傳感器網(wǎng)絡(luò)采用多跳（multihop）通信方式,傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的功能（1）,功能無線信道的使用建立傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)考慮因素節(jié)省能量可擴(kuò)展性鏈路帶寬分配的公平性、帶寬利用率、延時性能等目前普遍認(rèn)為這三個方面的重要性依次遞減,MAC協(xié)議的能量浪費因素（2）,空閑偵聽：節(jié)點不知道鄰居節(jié)點何時向自己發(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。沖突：同時向同一節(jié)點發(fā)送多個數(shù)據(jù)幀，信號相互干擾，接收方無法準(zhǔn)確接收，重發(fā)造成能量浪費串?dāng)_：接收和處理發(fā)往其他節(jié)點的數(shù)據(jù)屬于無效功耗?？刂崎_銷：控制報文不傳送有效數(shù)據(jù)，消耗的能量對用戶來說是無效功耗。,傳感器MAC協(xié)議的節(jié)能策略（3）,盡量讓傳感器節(jié)點處于睡眠狀態(tài)；減少傳感器節(jié)點之間的碰撞；減少接收到自己不需要接收的數(shù)據(jù)分組；（overhearing）減少控制消息的開銷。,WSNMAC協(xié)議（4）,基于競爭S-MAC/T-MAC/Sift基于TDMA的DEAN/TRAMA/DMAC/周期性消息調(diào)度其它SMACS/EARCSMA/CA和CDMA結(jié)合,WSN路由協(xié)議（1）,已有網(wǎng)絡(luò)adhoc、蜂窩主要目標(biāo)通信服務(wù)質(zhì)量帶寬利用率傳感器網(wǎng)絡(luò)主要目標(biāo)高效使用能源延長網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的生存期,WSN路由協(xié)議（2）,特點基于局部拓?fù)湫畔?shù)據(jù)為中心（不知道目的節(jié)點的編號，甚至向哪個區(qū)域）要求能量高效（協(xié)議簡單|開銷小|節(jié)省能量/均衡消耗）可擴(kuò)展性（網(wǎng)絡(luò)范圍/節(jié)點密度）魯棒性（節(jié)點變化|拓?fù)渥兓┛焖偈諗啃?WSN路由協(xié)議（3）,能量感知路由能量路由/能量多路徑路由查詢路由定向擴(kuò)散路由(DD)/謠傳路由地理路由GPRS/GEAR/GEM/邊界定位路由可靠路由ReInform/SPEED/多路徑路由,WSN傳輸層（1）,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，傳輸層的功能是必要的目前關(guān)于傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸層機(jī)制和協(xié)議的建議很少存在的問題硬件的限制（例如有限的電能和存儲量）使傳感器節(jié)點不能像Internet中的服務(wù)器那樣存儲大量的數(shù)據(jù)TCP的應(yīng)答方式開銷太大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）,一種TCP分段（TCPsplitting）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,應(yīng)用層協(xié)議還處于探索階段三種可能的應(yīng)用層協(xié)議傳感器管理協(xié)議Sensormanagementprotocol(SMP)任務(wù)分配和數(shù)據(jù)通告協(xié)議taskassignmentanddataadvertisementprotocol(TADAP)傳感器詢問和數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議Sensorqueryanddatadisseminationprotocol(SQDDP),WSN時間同步（1）,時間同步是傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能MAC/跟蹤/監(jiān)測時間同步需要的多樣性（目標(biāo)跟蹤例子）傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步的性能參數(shù)最大誤差同步期限同步范圍效率代價和體積,WSN時間同步機(jī)制（2）,TPSN（Timing-syncProtocolforSensorNetworks）RBS（ReferenceBroadcastSynchronization）TINY/MINI-SYNCDMTS（DelayMeasurementTimeSynchronization）PCS（ProbabilisticClockSynchronization）,WSN定位機(jī)制（1）,定位是傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能報告事件發(fā)生的地點目標(biāo)跟蹤和定位協(xié)助路由進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理,WSN定位機(jī)制（2）,特殊性體積、成本（GPS不能普遍適用）能耗有限、可靠性差節(jié)點的規(guī)模大、隨機(jī)布放無線模塊通信距離有限環(huán)境要求（室內(nèi)、室外）,WSN定位機(jī)制（3）,基于距離的定位機(jī)制到達(dá)時間定位算法（TOA）不同到達(dá)時間定位算法（TDOA）到達(dá)角度定位定位算法（AOA）接收信號強(qiáng)度定位算法（RSSI）距離無關(guān)的定位機(jī)制質(zhì)心定位算法（Centroid）距離向量-跳段定位算法（DV-HOP）自組織定位算法（AmorphousPositioning)近似的點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,軍事領(lǐng)域美國陸軍的研究計劃“靈巧傳感器網(wǎng)絡(luò)通信”（20012005，通用通信基礎(chǔ)設(shè)施）“無人值守地面?zhèn)鞲衅魅骸保ㄖС株戃姼鼜V闊視野）“戰(zhàn)場環(huán)境偵察與監(jiān)視系統(tǒng)”（偵察和情報）美國海軍的研究計劃“傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)”（戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)略級的傳感器信息管理）“網(wǎng)狀傳感器系統(tǒng)CEC（Cooperative