無線傳感器網絡技術概述

無線傳感器網絡

WirelessSensorNetworks無線傳感器網絡技術概述參考書目書名：無線傳感器網絡作者：孫利民，李建中，陳渝，朱紅松出版社：清華大學出版社無線傳感器網絡技術概述目錄傳感器網絡－概述傳感器網絡－發(fā)展傳感器網絡－結構傳感器網絡－應用傳感器網絡－協(xié)議傳感器網絡－研究進展傳感器網絡－影響力無線傳感器網絡技術概述一、什么是傳感器網絡計算機網絡，是指將地理位置不同的具有獨立功能的多臺計算機及其外部設備，通過通信線路連接起來，在網絡操作系統(tǒng)，網絡管理軟件及網絡通信協(xié)議的管理和協(xié)調下，實現(xiàn)資源共享和信息傳遞的計算機系統(tǒng)。所謂無線網絡，就是利用無線電波作為信息傳輸?shù)拿浇闃嫵傻臒o線局域網（WLAN），與有線網絡的用途十分類似，最大的不同在于傳輸媒介的不同，利用無線電技術取代網線，可以和有線網絡互為備份。無線傳感器網絡技術概述無線網絡有基礎設施網無基礎設施網移動Adhoc網絡無線傳感器網絡無線傳感器網絡技術概述傳感器網絡WSN-WirelessSensorNetworks基礎微電子技術、嵌入式計算技術、現(xiàn)代網絡及無線通信技術、分布式信息處理技術解釋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絡系統(tǒng)。無線傳感器網絡技術概述傳感器網絡解釋2：傳感器網絡是由一組傳感器以特定方式構成的無線網絡，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網絡覆蓋的地理區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)布給觀察者。無線傳感器網絡技術概述

無線傳感器網絡(WSN)是大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構成的無線網絡，目的是協(xié)作地采集、處理和傳輸網絡覆蓋地域內感知對象的監(jiān)測信息，并報告給用戶。“無線傳感器網絡”術語的標準定義無線傳感器網絡技術概述傳感器技術計算機技術通信技術感官大腦神經現(xiàn)代信息技術信息系統(tǒng)無線傳感器網絡無線傳感器網絡技術概述傳感器網絡傳感器網絡的三個基本要素：傳感器，感知對象，觀察者傳感器網絡的基本功能協(xié)作地感知、采集、處理和發(fā)布感知信息無線傳感器網絡技術概述二、傳感器網絡的發(fā)展無線傳感器網絡技術概述第一階段最早可以追溯二十世紀70年代越戰(zhàn)時期使用的傳統(tǒng)的傳感器系統(tǒng)。胡志明小道胡志明小道無線傳感器網絡技術概述熱帶樹熱帶樹轟炸機無線傳感器網絡技術概述傳感器僅產生探測數(shù)據(jù)流傳感器無計算能力

傳感器之間不能相互通信SensorsObject信號分析傳統(tǒng)感知方法的特征有線/無線連接無線傳感器網絡技術概述第二階段感知能力＋計算能力＋通信能力1999年商業(yè)周刊將傳感器網絡列為二十一世紀最具影響的21項技術之一。二十世紀80年代至90年代之間無線傳感器網絡技術概述第三階段

21世紀開始至今2001911事件2002橡樹嶺實驗室提出“網絡就是傳感器”。20032006美國《技術評論》雜志評出深遠影響人類未來生活的十大新興技術，傳感器網絡列為第一。我國發(fā)布《國家中長期科學與技術發(fā)展規(guī)劃綱要》。無線傳感器網絡技術概述現(xiàn)代感知方法SensingAreaObjectUser端

傳感器網絡覆蓋感知對象區(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)域的大觀測任務使用多跳路由算法向用戶報告觀測結果SinkInternet或通信衛(wèi)星SensornetworkUser端無線傳感器網絡技術概述計算設備的演化歷史無線傳感器網絡技術概述三、傳感器網絡的網絡結構sink-匯聚點sensornode-傳感器節(jié)點sensorfield-監(jiān)測區(qū)域無線傳感器網絡技術概述傳感器網絡的常用邏輯結構圖傳感器1傳感器2傳感器N無線鏈路無線接口模塊…監(jiān)控主機無線傳感器網絡技術概述傳感器節(jié)點功能：采集、處理、控制和通信等網絡功能：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：連接傳感器網絡與Internet等外部網絡，實現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉換，發(fā)布管理節(jié)點的監(jiān)測任務，轉發(fā)收集到的數(shù)據(jù)。特點：連續(xù)供電、功能強、數(shù)量少等無線傳感器網絡技術概述感知能力＋計算能力＋通信能力體積小能耗小傳感器節(jié)點實物示例無線傳感器網絡技術概述無線傳感器網絡技術概述傳感器節(jié)點傳感器模塊：信息采集、數(shù)據(jù)轉換處理器模塊：控制、數(shù)據(jù)處理、網絡協(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)能量供應模塊：提供能量無線傳感器網絡技術概述無線傳感器網絡技術概述傳感器網絡的特點大規(guī)模網絡：地理區(qū)域大；部署密集提高信噪比；提高監(jiān)測精度；增強容錯性；減少盲區(qū)自組織網絡：不確定性；拓撲結構變化資源受限：計算、存儲、通訊、能量動態(tài)拓撲：節(jié)點故障；通訊故障；移動性；節(jié)點加入可靠網絡：適應環(huán)境條件；魯棒性、容錯性應用相關：沒有統(tǒng)一的通信協(xié)議平臺以數(shù)據(jù)為中心無線傳感器網絡技術概述傳感器節(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無線傳感器網絡技術概述傳感器網絡概述－與adhoc的不同WSN結點數(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點更容易出錯拓撲結構變化頻繁Adhoc幾十至上百個節(jié)點局域網節(jié)點全移動結構變化（移動）能量可連續(xù)提供點到點通信無線傳感器網絡技術概述四、傳感器網絡應用（一）民事應用無線傳感器網絡技術概述大鴨島海燕監(jiān)測無人干擾監(jiān)測鳥巢海燕大鴨島無線傳感器網絡技術概述橋梁監(jiān)測無線傳感器網絡技術概述道路交通無線傳感器網絡技術概述智能停車場物流系統(tǒng)列車鐵軌高速公路系統(tǒng)無線傳感器網絡技術概述韓國濟州島智能漁場北京大興區(qū)菊花基地克爾斯博公司無線傳感器網絡技術概述浙江溫州的奶牛牧場沈陽玫瑰園無線傳感器網絡技術概述二零零八年五月十二日汶川地區(qū)發(fā)生強烈地震無線傳感器網絡技術概述（二）軍事應用無線傳感器網絡技術概述聯(lián)合國維和部隊伊拉克微型感應傳感器網絡核武器和生化武器無線傳感器網絡技術概述美軍未來戰(zhàn)斗系統(tǒng)的戰(zhàn)場警戒示意圖傳感器節(jié)點通行車輛無線傳感器網絡技術概述槍聲定位反恐系統(tǒng)無線傳感器網絡技術概述F-22猛禽戰(zhàn)斗機美國F-22猛禽戰(zhàn)斗機機外傳感器網絡無線傳感器網絡技術概述

美軍“沙地直線”項目無線鏈路目標探測、分類和跟蹤傳感器節(jié)點傳感器節(jié)點無線傳感器網絡技術概述密封形封裝罩節(jié)點封裝示例（一）特點：表面光滑可以滾動自動調整姿態(tài)位置萬向節(jié)固定架設計無線傳感器網絡技術概述節(jié)點封裝示例（二）錐形罩特點：底基重量大自正位“懸垂鐘擺”式電路板飛機拋撒無線傳感器網絡技術概述“狼群”地面?zhèn)鞲衅骶W絡美軍共計完成23項傳感器網絡項目網絡工程專業(yè)無線傳感器網絡技術概述通信能力有限節(jié)點帶寬窄，而且經常變化節(jié)點通信覆蓋范圍只有幾十到幾百米，而且經常變化挑戰(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？在傳感器網絡環(huán)境下，發(fā)現(xiàn)最小化算法通信復雜性的機理是我們面臨的第一個挑戰(zhàn)問題！五、傳感器網絡關鍵技術無線傳感器網絡技術概述多源、多跳是主要通信方式多個傳感器節(jié)點向一個目標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？在傳感器網絡環(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！無線傳感器網絡技術概述節(jié)點移動、斷接頻繁在移動網絡中，節(jié)點移動頻繁節(jié)點間通信的斷接頻繁，導致通信失敗.經常受到高山、建筑物、障礙物等地勢地貌以及風雨雷電等自然環(huán)境的影響,因此傳感器可能會長時間脫離網絡,離線工作挑戰(zhàn)之三通信路徑重構成為突出問題？路由算法必須具有自適應性？如何建立網絡隨機連通性的數(shù)據(jù)理論，為通信路徑重構和自適應路由算法設計奠定堅實理論基礎是我們面臨的第三個挑戰(zhàn)問題？無線傳感器網絡技術概述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常失效或廢棄電源能量約束是傳感器網絡應用的障礙現(xiàn)有電源部件不能滿足傳感器網絡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)之四如何傳感器網絡在工作過程中節(jié)省能，實現(xiàn)能源均衡，最大化網絡生命周期？建立能源復雜性和能源均衡理論是我們面臨的第四個挑戰(zhàn)性問題！無線傳感器網絡技術概述計算能力有限傳感器網絡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計能源有效的高性能分布式算法?

設計同時最小化能源、時間、空間和通信復雜性的分布式算法是我們面臨的第五個挑戰(zhàn)性問題！無線傳感器網絡技術概述傳感器數(shù)量大、分布范圍廣傳感器網絡中傳感器節(jié)點密集，數(shù)量巨大，可能達到幾百、幾千萬，甚至更多傳感器網絡可以分布在很大區(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絡的維護十分困難甚至不可維護挑戰(zhàn)之六如何使傳感器網絡軟硬件具有高強壯性和容錯性是我們面臨的第六個挑戰(zhàn)性問題！無線傳感器網絡技術概述大規(guī)模分布式觸發(fā)器很多傳感器網絡需要對感知對象進行控制（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？無線傳感器網絡技術概述感知數(shù)據(jù)流無限傳感器網絡每個傳感器都產生無限的流式數(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？無線傳感器網絡技術概述以數(shù)據(jù)為中心傳感器網絡不是通常的網絡用戶感興趣的是數(shù)據(jù)而不是網絡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？”用戶經常詢問“網絡覆蓋區(qū)域中那些地區(qū)出現(xiàn)毒氣？”傳感器網絡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)傳輸以聚集方式進行,而不是地址到地址的路由無線傳感器網絡技術概述傳感器網絡是以數(shù)據(jù)為中心的網絡把傳感器視為感知數(shù)據(jù)流或感知數(shù)據(jù)源把傳感器網絡視為感知數(shù)據(jù)空間或數(shù)據(jù)庫把數(shù)據(jù)管理和處理作為網絡的應用目標挑戰(zhàn)之九如何建立以數(shù)據(jù)為中心的傳感器網絡？以感知數(shù)據(jù)管理和處理為中心;

把數(shù)據(jù)管理和處理技術與網絡技術融為一體;

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).傳感器網絡數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的理論和技術是我們面臨的第九個挑戰(zhàn)性問題！無線傳感器網絡技術概述需要多種多樣的感知器物理傳感器生物傳感器化學傳感器……挑戰(zhàn)之十如何建立新感知器概念、理論、技術和各種新型感知器是我們面臨的第十個挑戰(zhàn)性問題？無線傳感器網絡技術概述其他挑戰(zhàn)性問題傳感器的投放或撒播理論與技術傳感器的定位問題時鐘同步問題組網連通可靠性研究和探測覆蓋率研究傳感器網絡安全性問題和抗干擾問題信號的協(xié)作處理無線傳感器網絡技術概述六、傳感器網絡的協(xié)議能源管理平臺：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；任務管理平臺：在一個給定的區(qū)域內平衡和調度監(jiān)測任務物理層數(shù)據(jù)鏈路層網絡層傳輸層應用層能量分配移動管理任務管理無線傳感器網絡技術概述傳感器網絡的協(xié)議棧無線傳感器網絡技術概述傳感器網絡物理層（1）傳輸媒體建議采用ISM（工業(yè)、科學和醫(yī)學）頻段短距離的無線低功率通信最適合傳感器網絡紅外不需要許可證，抗干擾要求收發(fā)雙方在視線之內光不排除用光作為通信媒體無線傳感器網絡技術概述傳感器網絡物理層（2）頻率選擇，載頻發(fā)生，信號檢測，調制，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<=n<4.為了減小傳輸距離，傳感器網絡采用多跳（multihop）通信方式無線傳感器網絡技術概述傳感器網絡MAC協(xié)議的功能（1）功能無線信道的使用建立傳感器網絡的基礎結構考慮因素節(jié)省能量可擴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為這三個方面的重要性依次遞減無線傳感器網絡技術概述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，接收方無法準確接收，重發(fā)造成能量浪費串擾：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。無線傳感器網絡技術概述傳感器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。無線傳感器網絡技術概述WSNMAC協(xié)議（4）基于競爭S-MAC/T-MAC/Sift基于TDMA的DEAN/TRAMA/DMAC/周期性消息調度其它SMACS/EARCSMA/CA和CDMA結合無線傳感器網絡技術概述WSN路由協(xié)議（1）已有網絡－adhoc、蜂窩主要目標－通信服務質量

帶寬利用率傳感器網絡主要目標－高效使用能源

延長網絡系統(tǒng)的生存期無線傳感器網絡技術概述WSN路由協(xié)議（2）特點基于局部拓撲信息數(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）可擴展性（網絡范圍/節(jié)點密度）魯棒性（節(jié)點變化|拓撲變化）快速收斂性無線傳感器網絡技術概述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/多路徑路由無線傳感器網絡技術概述WSN傳輸層（1）當傳感器網絡中的系統(tǒng)需要接入Internet或其它外部網絡時，傳輸層的功能是必要的目前關于傳感器網絡傳輸層機制和協(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中的服務器那樣存儲大量的數(shù)據(jù)TCP的應答方式開銷太大將來有可能在傳感器網絡中使用類似于UDP的協(xié)議，而在Internet和衛(wèi)星網絡中使用TCP/UDP協(xié)議無線傳感器網絡技術概述WSN傳輸層（2）一種TCP分段（TCPsplitting）的方法可能使傳感器網絡和其它網絡（如Internet)互通無線傳感器網絡技術概述WSN應用層應用層協(xié)議還處于探索階段三種可能的應用層協(xié)議傳感器管理協(xié)議

Sensormanagementprotocol(SMP)任務分配和數(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)無線傳感器網絡技術概述WSN時間同步（1）時間同步是傳感器網絡的基本功能MAC/跟蹤/監(jiān)測時間同步需要的多樣性（目標跟蹤例子）傳感器網絡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無線傳感器網絡技術概述WSN時間同步機制（2）TPSN（Timing-syncProtocolforSensorNetworks）RBS（ReferenceBroadcastSynchronization）TINY/MINI-SYNCDMTS（DelayMeasurementTimeSynchronization）PCS（ProbabilisticClockSynchronization）無線傳感器網絡技術概述WSN定位機制（1）定位是傳感器網絡的基本功能報告事件發(fā)生的地點目標跟蹤和定位協(xié)助路由進行網絡管理無線傳感器網絡技術概述WSN定位機制（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、隨機布放無線模塊通信距離有限環(huán)境要求（室內、室外）無線傳感器網絡技術概述WSN定位機制（3）基于距離的定位機制到達時間定位算法（TOA）不同到達時間定位算法（TDOA）到達角度定位定位算法（AOA）接收信號強度定位算法（RSSI）距離無關的定位機制質心定位算法（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)無線傳感器網絡技術概述無線傳感器網絡的研究進展軍事領域美國陸軍的研究計劃“靈巧傳感器網絡通信”（2001－2005，通用通信基礎設施）“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“傳感器網絡系統(tǒng)”（戰(zhàn)術和戰(zhàn)