無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概述

1、1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò) Wireless Sensor Networks 李克秋 （） 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與高性能計(jì)算實(shí)驗(yàn)室（CNHPC） http:/ 大連理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 2 聲明 課件來(lái)源：本課件系中科院計(jì)算所寧波中科 無(wú)線(xiàn)通訊事業(yè)部編制，只有第一章做了部分 改動(dòng)。 下載網(wǎng)址：http:/ 3 課程安排 n6月22日（周一）6月25日（周四） n6月29日（周一）7月02日（周四） n7月06日（周一）7月09日（周四） n7月13日（周一）7月16日（周四） n第一大節(jié)：08：00-09：30 n第二大節(jié)：09：40-11：10 4 教材 n書(shū)名：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò) n作者：孫利民，李建中

2、，陳渝，朱紅松 n出版社：清華大學(xué)出版社 5 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% 最后一次課進(jìn)行： 7月16日（周四） 6 出席考核 n點(diǎn)名 n抽查點(diǎn)名 n隨堂作業(yè) n無(wú)故累計(jì)缺席超過(guò)3次，無(wú)考試成績(jī) 7 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。 8 助教 n李宏娟 n郵箱： n電話(huà)n劉亞穹 n郵箱： n電話(huà)9 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 10 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 11 什么是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò) 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，是指

3、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(guò)通信線(xiàn)路連接起 來(lái)，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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，就是利用無(wú)線(xiàn)電波作為信息傳輸?shù)?媒介構(gòu)成的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)（WLAN），與有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的 用途十分類(lèi)似，最大的不同在于傳輸媒介的不同， 利用無(wú)線(xiàn)電技術(shù)取代網(wǎng)線(xiàn)，可以和有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互為備 份。 12 什么是傳感器網(wǎng)絡(luò) nWSN-Wireless Sensor Networks n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(wú)線(xiàn)通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù) n解釋1 n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

4、感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式 形成一個(gè)多跳的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 13 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(wú)線(xiàn) 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 14 有線(xiàn)有線(xiàn)/ /無(wú)線(xiàn)連接無(wú)線(xiàn)連接 15 16 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 17 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

5、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 18 19 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(wú)線(xiàn)通訊模塊：無(wú)線(xiàn)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 20 傳感器網(wǎng)絡(luò)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)、

6、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(méi)有統(tǒng)一的通信協(xié)議平臺(tái) n以數(shù)據(jù)為中心 21 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 22 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 23 軍事應(yīng)用（UCLA-WINS） 24 軍事應(yīng)用（2）（UCLA-WINS） 25 商業(yè)（1） 26 商業(yè)（2） 2

7、7 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 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) 40 傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧（2） 41 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(wú)線(xiàn)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(xiàn)之內(nèi) n光 n不排除用光作為通信媒體 42 傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層（2）

8、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 n d 43 傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的功能（1） n功能 n無(wú)線(xiàn)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 44 MAC協(xié)議的能量浪費(fèi)因素（2） n空閑偵聽(tīng)：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(wú)效能耗的主要來(lái)源。

9、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(wú)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(wú) 效功耗。 n控制開(kāi)銷(xiāo)：控制報(bào)文不傳送有效數(shù)據(jù)，消耗的 能量對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)是無(wú)效功耗。 45 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(kāi)銷(xiāo)。 46 WSN MAC協(xié)議（4） n基于競(jìng)爭(zhēng) nS-MAC/T-MAC/Sift n基于TDMA的 nDEAN/TRAMA /DMAC/周期性消息調(diào)度 n其它 nSMACS/EAR

10、 nCSMA/CA和CDMA結(jié)合 47 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 48 WSN路由協(xié)議（2） n特點(diǎn) n基于局部拓?fù)湫畔?n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(kāi)銷(xiāo)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?n快速收斂性 49 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(xún)路由 n定向擴(kuò)散路由(DD)/謠傳路由 n地理路由 nGPRS/GEAR/ GEM/邊

11、界定位路由 n可靠路由 nReInform/SPEED /多路徑路由 50 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(wèn)題 n硬件的限制（例如有限的電能和存儲(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(kāi)銷(xiāo)太大 n將來(lái)有可能在傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用類(lèi)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 51 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)

12、（如Internet)互通 52 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 (TADAP) n傳感器詢(xún)問(wèn)和數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議 Sensor query and data dissemination protocol (SQDDP) 53 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

13、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 54 WSN時(shí)間同步機(jī)制（2） nTPSN（Timing-sync Protocol for Sensor Networks ） nRBS（Reference Broadcast Synchronization） nTINY/MINI-SYNC nDMTS （Delay Measurement Time Synchronization） nPCS （Probabilistic Clock Synchronization ） 55 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

14、協(xié)助路由 n進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理 56 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(wú)線(xiàn)模塊通信距離有限 n環(huán)境要求（室內(nèi)、室外） 57 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(wú)關(guān)的定位機(jī)制 n質(zhì)心定位算法（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) 58 無(wú)線(xiàn)

15、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(wú)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)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)

16、地鐵、車(chē)站的生化武器襲擊） 59 無(wú)線(xiàn)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(kāi)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(kāi)發(fā)超微型傳感器 MOTE（塵粒） Smart dust (智能灰塵） 60 無(wú)線(xiàn)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(kāi)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(xún)處理技術(shù)和應(yīng)用試驗(yàn)等方 面 61 無(wú)線(xiàn)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) 62 傳感器網(wǎng)絡(luò)的影響 n傳感器網(wǎng)絡(luò)將物理世界和信息技