第4章無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

內(nèi)容提要：物聯(lián)網(wǎng)的支撐技術(shù)融合了RFID、傳感器技術(shù)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、智能網(wǎng)絡(luò)等多種技術(shù)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)立足于無(wú)線通信協(xié)議。物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)是互聯(lián)網(wǎng)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是補(bǔ)充。傳感網(wǎng)的基礎(chǔ)是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。本章介紹無(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)體系、通信協(xié)議與信息整合。第4章無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)4.1無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)概述4.2無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系4.3無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議4.4無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)本章目錄無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN，wirelessSensorNetwork）是由具有感知、計(jì)算及通信能力的一群微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成的一個(gè)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(dòng)、化學(xué)濃度等數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)供分析。無(wú)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)、無(wú)線傳輸技術(shù)、嵌入式技術(shù)、分布式、微電子、軟件編程。4.1.1

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)介紹4.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述無(wú)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(dòng)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)4.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述無(wú)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(jì)算和存儲(chǔ)能力4.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用軍事應(yīng)用環(huán)境觀測(cè)和預(yù)報(bào)系統(tǒng)醫(yī)療護(hù)理智能家居建筑物狀態(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)4.1無(wú)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4.1無(wú)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4.1無(wú)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(jiǎn)單信息信號(hào)獲取能力的傳統(tǒng)傳感器，采用點(diǎn)對(duì)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(chǎng)控制站組成的測(cè)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)出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代后期和本世紀(jì)初，用具有現(xiàn)場(chǎng)總線的智能傳感器網(wǎng)絡(luò)第四代傳感器網(wǎng)絡(luò)-無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。本文所介紹的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是指第四代傳感器網(wǎng)絡(luò)。新一代計(jì)算設(shè)備普適計(jì)算的重要途經(jīng)

4.2.1自組網(wǎng)技術(shù)4.2無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系移動(dòng)自組網(wǎng)(Ad-Hoc)Adhoc網(wǎng)絡(luò)的前身是分組無(wú)線網(wǎng)（PacketRadioNetwork）1991年成立的IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)采用了“Adhoc網(wǎng)絡(luò)”一詞來(lái)描述這種特殊的對(duì)等式無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。移動(dòng)自組網(wǎng)的特點(diǎn)無(wú)中心自組織動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓樸受限的無(wú)線傳輸安全性差多跳路由4.2.2節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)1.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)（BeaconNode）和未知節(jié)點(diǎn)（UnknownNode）。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(lái)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(1)鄰居節(jié)點(diǎn)（NeighborNodes）：無(wú)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)（HopCount）：兩個(gè)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)連通度（Connectivity）：一個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目；(4)跳段距離（HopDistance）兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間隔之間最小跳段距離的總和(5)接收信號(hào)傳播時(shí)間差(TimeDifferenceofArrival，TDOA)：兩種不同頻率的信號(hào)到達(dá)同一目的地時(shí)由于不同的傳輸速度所造成的時(shí)間差；(6)接收信號(hào)傳播時(shí)間（TimeofArrival，TOA）：信號(hào)在兩個(gè)不同節(jié)點(diǎn)之間傳播所需要的時(shí)間；(7)信號(hào)返回時(shí)間（Round-tripTimeofFlight，RTOF）：信號(hào)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)后又返回來(lái)的時(shí)間；(8)到達(dá)角度(AngleofArrival，AOA)：節(jié)點(diǎn)自身軸線相對(duì)于其接收到的信號(hào)之間的角度；(9)接收信號(hào)強(qiáng)度指示(ReceivedSigna1StrengthIndicator，RSSI)：無(wú)線信號(hào)到達(dá)傳感器節(jié)點(diǎn)后的強(qiáng)弱值。（1）三邊測(cè)量法4.2傳感網(wǎng)技術(shù)體系根據(jù)上式可得未知節(jié)點(diǎn)D的坐標(biāo)方程為：

（2-2）（2）三角測(cè)量法4.2傳感網(wǎng)技術(shù)體系

（2-2）（3）最大似然估計(jì)法

（2-2）圖4-9最大似然估計(jì)法（3）最大似然估計(jì)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(wú)關(guān)的定位算法基于TOA的定位（基于到達(dá)時(shí)間的定位機(jī)制）基于TDOA的定位（基于到達(dá)時(shí)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(hào)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(wú)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(hào)特征距離測(cè)量方法距離d=波速v*傳播時(shí)間Δt傳播時(shí)間Δt=收到時(shí)刻t–發(fā)出時(shí)刻t0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(hào)特征方法1：利用波速差發(fā)送端同時(shí)發(fā)送一道電磁波和聲波接收端記錄：電磁波到達(dá)時(shí)刻聲波到達(dá)時(shí)刻距離由于遠(yuǎn)大于，上式可簡(jiǎn)化為基于距離的定位（ToA）基于距離基于距離差基于信號(hào)特征方法2：測(cè)量波的往返時(shí)間發(fā)送端于時(shí)刻發(fā)送波接收端收到波后，等待時(shí)間后返回同樣的波發(fā)送端記錄收到回復(fù)的時(shí)間距離基于距離的定位（ToA）基于距離基于距離差基于信號(hào)特征位置計(jì)算方法多邊測(cè)量（也稱多點(diǎn)測(cè)量）平面上定位，取三個(gè)參考點(diǎn)以每個(gè)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(gè)圓交于一點(diǎn)實(shí)際中取用超過三個(gè)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(hào)特征ToA的局限需要參考點(diǎn)和測(cè)量目標(biāo)時(shí)鐘同步TDoA不需要參考點(diǎn)和測(cè)量目標(biāo)時(shí)鐘同步參考點(diǎn)之間仍然需要時(shí)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(hào)特征距離差測(cè)距方法測(cè)量目標(biāo)廣播信號(hào)參考點(diǎn)i，j分別記錄信號(hào)接收到的時(shí)刻ti，tj測(cè)量目標(biāo)到i，j的距離差基于距離差的定位（TDoA）基于距離基于距離差基于信號(hào)特征位置計(jì)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(cè)量結(jié)果參考點(diǎn)坐標(biāo)到參考點(diǎn)的距離構(gòu)建方程：AOA定位分析基于RSSI的定位基于距離基于距離差基于信號(hào)強(qiáng)度基于信號(hào)強(qiáng)度的定位原理：建立信號(hào)衰減與距離關(guān)系，利用4-6計(jì)算節(jié)點(diǎn)與基站的距離，再用三邊法計(jì)算節(jié)點(diǎn)位置。基于信號(hào)特征的定位基于距離基于距離差基于信號(hào)特征解決方法：將信號(hào)強(qiáng)度看做“特征”預(yù)先布置N個(gè)參考節(jié)點(diǎn)測(cè)出N個(gè)參考節(jié)點(diǎn)信號(hào)的強(qiáng)度，得到一個(gè)N維向量事先測(cè)出區(qū)域中每個(gè)位置的特征向量將目標(biāo)測(cè)出的特征向量和事先測(cè)量值比對(duì)，找出位置缺點(diǎn)：不能應(yīng)對(duì)動(dòng)態(tài)變化4.2.3時(shí)間同步技術(shù)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(NTP)RBS機(jī)制4.2.4安全技術(shù)路徑選擇交換算法特點(diǎn)：能量?jī)?yōu)先局部拓樸數(shù)據(jù)中心應(yīng)用相關(guān)4.3.1無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議4.3無(wú)線傳感網(wǎng)通迅協(xié)議4.3無(wú)線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議藍(lán)牙紅外802.15.4/ZigBee典型的無(wú)線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議：4.3無(wú)線傳感網(wǎng)通迅協(xié)議藍(lán)牙（Bluetooth）典型無(wú)線低速網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙紅外802.15.4/ZigBee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研發(fā)。采用的是調(diào)頻技術(shù)（frequency-hoppingspreadspectrum），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(wú)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(wú)線的轉(zhuǎn)變，他可以用來(lái)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)牙主要是為了替換一些個(gè)人用戶攜帶設(shè)備的有線，如耳機(jī)，鍵盤等。這些設(shè)備對(duì)帶寬的要求相對(duì)較少，或者說(shuō)不是經(jīng)常使用，比如手機(jī)間的傳送小文件，或者說(shuō)這些設(shè)備的資源擁有量（電量，計(jì)算資源等等）相對(duì)較低。紅外（Infrared)典型無(wú)線低速網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙紅外802.15.4/ZigBee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(wú)線通信技術(shù)。特點(diǎn)紅外通信采用的是875nm左右波長(zhǎng)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(qǐng)等優(yōu)勢(shì)缺點(diǎn)設(shè)備之間必須互相可見對(duì)障礙物的衍射較差4.4.1802.15.4標(biāo)準(zhǔn)/ZigBee典型無(wú)線低速網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙紅外802.15.4/ZigBee802.15.4/ZigBee是無(wú)線傳感網(wǎng)領(lǐng)域最為著名的無(wú)線通信協(xié)議ZigBee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無(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)802.15.4物理層典型無(wú)線低速網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙紅外802.15.4/ZigBee頻段：3個(gè)頻段，均為國(guó)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(gè)信道，支持?jǐn)U展到30；2.4-2.4835GHz世界范圍內(nèi)通用，16個(gè)頻道。傳輸技術(shù)：最早為直接擴(kuò)頻，后來(lái)可采用調(diào)頻、調(diào)相等多種技術(shù)。4.4無(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)802.15.4介質(zhì)訪問控制層典型無(wú)線低速網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙紅外802.15.4/ZigBee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(shuō)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(cè)到存在載波，則在隨機(jī)退避一段時(shí)間后重新檢測(cè)信道，退避的時(shí)間長(zhǎng)短由具體的協(xié)議指定。4.4無(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)CSMA/CA協(xié)議典型無(wú)線低速網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙紅外802.15.4/ZigBee4.4無(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)層典型無(wú)線低速網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙紅外802.15.4/ZigBee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(gè)節(jié)點(diǎn)屬于某一個(gè)子網(wǎng)絡(luò)等。ZigBee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(gè)路由請(qǐng)求給它的所有鄰居鄰居節(jié)點(diǎn)在收到消息后，再?gòu)V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(qǐng)求消息以后，目的節(jié)點(diǎn)返回一個(gè)路由回復(fù)給源節(jié)點(diǎn)。回復(fù)不再以廣播方式發(fā)送到源節(jié)點(diǎn)，而是沿著路由請(qǐng)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(wú)線低速網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙紅外802.15.4/ZigBeeZigBee網(wǎng)絡(luò)層以上典型無(wú)線低速網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙紅外802.15.4/ZigBee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無(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)ZigBee與常用協(xié)議比較典型無(wú)線低速網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙紅外802.15.4/ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)組網(wǎng)：物理層設(shè)計(jì)鏈路特點(diǎn)動(dòng)態(tài)性（Dynamic)非對(duì)稱性（Asymmetric）：兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間一個(gè)方向鏈路質(zhì)量好，另一個(gè)方向質(zhì)量非常差?？臻g關(guān)聯(lián)性（SpatialCorrelation）：因?yàn)槲恢孟嘟墓?jié)點(diǎn)通常有相似的環(huán)境。時(shí)間關(guān)聯(lián)性（TemporalCorrelation）物理層設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)支持802.15.14模塊，如CC2420，同時(shí)滿足：低能量消耗低通訊半徑低通信帶寬無(wú)線傳感網(wǎng)組網(wǎng)：MAC層設(shè)計(jì)無(wú)線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)特殊性：節(jié)點(diǎn)功能小→計(jì)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(jì)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：沿用CSMA/CA無(wú)線傳感網(wǎng)組網(wǎng)：MAC層設(shè)計(jì)無(wú)線收發(fā)模塊占用大部分電量消耗！MAC層設(shè)計(jì)：如何降低能量消耗？無(wú)線收發(fā)器件（radiotransceiver）工作時(shí)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