物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用基礎(chǔ)（第2版） 課件 41.WSN特點-50.碼分復(fù)用

WSN特點物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用基礎(chǔ)通信能力有限而且經(jīng)常變化節(jié)點通信覆蓋范圍只有幾十到幾百米8.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概念胃腸道診斷的微型吞服攝像膠囊維C片大小由一個攝象機、LED、電池、特制芯片和天線組成膠囊經(jīng)過食道、胃和小腸時就可將圖象廣播出來。覆蓋范圍小，位置變化2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3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),離線工作地震監(jiān)測4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5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6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)的維護十分困難甚至不可維護例如檢測火山數(shù)據(jù)時，在整個山體設(shè)置傳感器節(jié)點，數(shù)量巨大，環(huán)境險惡，不可維護7大規(guī)模分布式觸發(fā)器很多傳感器網(wǎng)絡(luò)需要對感知對象進行控制（如溫度控制）傳感器需要配備回控裝置和控制軟件回控裝置和控制軟件稱為觸發(fā)器將成千上萬個微型傳感器密集地分布在森林中，為傳感器節(jié)點配備溫度計，各傳感器通過無線網(wǎng)絡(luò)相互協(xié)作，共同執(zhí)行分布式感知任務(wù)，并將準(zhǔn)確的火源信息傳送給信息中心。森林火警系統(tǒng)8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9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)傳輸以聚集方式進行,而不是地址到地址的路由10無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院張園物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用基礎(chǔ)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。三個基本要素：傳感器，感知對象，觀察者12任務(wù)管理中心Internet、衛(wèi)星或移動通信網(wǎng)絡(luò)等匯聚節(jié)點監(jiān)測區(qū)域傳感器節(jié)點大量傳感器節(jié)點隨機部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部或附近，通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點監(jiān)測的數(shù)據(jù)路由到匯聚節(jié)點通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達管理節(jié)點。用戶通過管理節(jié)點對傳感器網(wǎng)絡(luò)進行配置，發(fā)布監(jiān)測任并收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。13

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14WSN應(yīng)用南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院張園物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用基礎(chǔ)傳感器網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)場評估生活習(xí)性監(jiān)測地震監(jiān)測深海監(jiān)控醫(yī)療狀況監(jiān)控目標(biāo)跟蹤和檢測小區(qū)安全監(jiān)控?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用精細農(nóng)業(yè)森林火災(zāi)監(jiān)控16精細農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是在現(xiàn)代信息技術(shù)、生物技術(shù)、工程技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形式。其核心技術(shù)是農(nóng)田地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、遙感技術(shù)和計算機自動控制技術(shù)。17東海大橋工業(yè)在停車場智能引導(dǎo)停車泊位對列車鐵軌的狀態(tài)是否正常進行監(jiān)測在物流系統(tǒng)中，監(jiān)測物資的保存狀態(tài)和數(shù)量高速公路系統(tǒng)，輔助完成不停車收費功能18醫(yī)療在病房內(nèi)部布置一定數(shù)量的傳感器節(jié)點，這些節(jié)點可以實時監(jiān)測病房內(nèi)的溫度、光度等環(huán)境信息，將采集的數(shù)據(jù)借助于傳感網(wǎng)絡(luò)的多跳路由，實時傳遞給監(jiān)控中心或醫(yī)生的手持PDA。解決了傳統(tǒng)病房巡檢的不足：比如醫(yī)生護士定時查房，耗費人力資源；

需要人工測量病人的多個常規(guī)項目；

病人外出病房活動時，無法及時通知。

19智能家居監(jiān)測節(jié)點在現(xiàn)代的家庭環(huán)境中，可以在墻壁、書桌、櫥柜等內(nèi)側(cè)嵌入微型無線傳感器節(jié)點，節(jié)點之間將動態(tài)自組織成網(wǎng)絡(luò)。假設(shè)有這樣一個場景。在回家之前，打一個電話到家里，按不同的數(shù)字鍵，與電話相連的監(jiān)測節(jié)點將根據(jù)不同的聲波信號向整個網(wǎng)絡(luò)發(fā)布不同的應(yīng)用，如控制空調(diào)開關(guān)并調(diào)節(jié)室溫等。20檢測對珍貴的古老建筑進行保護，是文物保護單位長期以來的一個工作重點。將具有溫度、濕度、壓力、加速度、光照等傳感器的節(jié)點布放在重點保護對象當(dāng)中，無需拉線鉆孔，便可有效地對建筑物進行長期的監(jiān)測。此外，對于珍貴文物而言，在保存地點的墻角、天花板等位置，監(jiān)測環(huán)境的溫度、濕度是否超過安全值，可以更妥善地保護展覽品的品質(zhì)。21數(shù)據(jù)融合南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院張園物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用基礎(chǔ)信息處理流程信息獲?。瓊鬟f－計算/處理－智能/控制（利用角度）人對信息的獲取特點：自適應(yīng)性：信息的多樣性高智能化處理：各種解決手段先驗知識：越豐富，信息處理能力越強數(shù)據(jù)融合:是對多種信息的獲取、表示及其內(nèi)在聯(lián)系進行綜合處理和優(yōu)化的技術(shù)。定義：將經(jīng)過集成處理的多傳感器信息進行合成，形成一種對外部環(huán)境或被測對象某一特征的表達方式數(shù)據(jù)融合的時空性S個傳感器N時刻數(shù)據(jù)融合的時間性按時間先后對不同時間的觀測值進行融合即進行融合時要考慮時間的先后性數(shù)據(jù)融合的空間性對同一時刻的不同空間的數(shù)值進行融合要考慮空間性數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)形式1.集中式融合系統(tǒng)2、無反饋的分布式融合系統(tǒng)1）集中式處理結(jié)構(gòu)

所有傳感器數(shù)據(jù)都送到中心處理器處理和融合。

主要優(yōu)點：利用全部信息，系統(tǒng)的信息損失小。不足：把所有的原始信息全部送給處理中心，通信開銷太大，融合中心計算機的存儲容量要大。對計算機要求高及數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)困難。2）、無反饋的分布式融合系統(tǒng)各傳感器都進行預(yù)處理，然后把中間結(jié)果送到中心處理器進行融合處理分布式融合系統(tǒng)所要求的通信開銷小，融合中心計算機所需的存儲容量小，且其融合速度快，但其性能不如集中式融合系統(tǒng)。數(shù)據(jù)融合的層次1、數(shù)據(jù)層(像素級)融合

2、特征級融合

3、決策級融合1.像素級融合直接對傳感器的原始數(shù)據(jù)進行融合處理。盡可能多地保持了原始信息。局限性：(1)由于所要處理的傳感器信息量大，故處理代價高；(2)傳感器的原始數(shù)據(jù)的不確定性、不完全性和不穩(wěn)定性，要求在融合時有較高的糾錯能力；(3)通信量大優(yōu)點：

1)能保持盡可能多的現(xiàn)場數(shù)據(jù)

2)提供其他融合層次所不能提供的細微信息監(jiān)測對象傳感器1特征提取傳感器2傳感器N數(shù)據(jù)融合識別決策…數(shù)據(jù)級融合(或像素級融合)2.特征級融合利用從各個傳感器原始數(shù)據(jù)中提取的特征信息，進行綜合分析和處理的中間層次過程。特征級融合分類：目標(biāo)狀態(tài)融合目標(biāo)特性融合。監(jiān)測對象特征融合傳感器1傳感器2傳感器N…識別決策特征提取特征提取特征提取…3.決策級融合在信息表示的最高層次上進行的融合處理。決策級融合是直接針對具體決策目標(biāo)，利用特征級融合所得出的目標(biāo)各類特征信息，給出簡明而直觀的結(jié)果。決策級融合優(yōu)點：實時性最好在一個或幾個傳感器失效時仍能給出最終決策，因此具有良好的容錯性。監(jiān)測對象決策融合傳感器1傳感器2傳感器N…決策特征提取特征提取特征提取…識別識別識別…決策級融合通信發(fā)展歷史南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院張園物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用基礎(chǔ)通信基本靠吼聞鼓而進，聞金而退旗語中繼烽火臺八百里加急1844年5月通信概念南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院張園物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用基礎(chǔ)所謂通信是指通過某種媒質(zhì)進行的信息傳遞。什么是信息？有意義的內(nèi)容例:我屬-鼠的后面雞的前面不是牛不是虎不是兔不是龍不是蛇不是馬不是猴而是-羊有意義的內(nèi)容只有"我屬羊",這是信息例:有人說"狗會咬人"-正常的,必然的,信息量小有人說"人咬狗了"-沒有預(yù)料的,信息量大什么又是媒質(zhì)通信是指通過某種媒質(zhì)進行的信息傳遞在通信中所指的媒質(zhì)是能傳輸信息的渠道有線介質(zhì)無線介質(zhì)空氣信號分為模擬信號與數(shù)字信號兩類。1.模擬信號：是指在時間和幅值上都是連續(xù)變化的信號。如常見的正弦波信號。2.數(shù)字信號：是指在幅值和時間兩個方面都離散的信號電話機數(shù)字電視一個簡單的通信系統(tǒng)首先由發(fā)送和接收兩部分組成電話機計算機攝像機媒質(zhì)模擬通信系統(tǒng)，只能傳輸語音數(shù)字通信系統(tǒng)信號調(diào)制解調(diào)模擬變數(shù)字按特定規(guī)律編碼加載高頻信號上調(diào)制南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院張園物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用基礎(chǔ)載波高頻振蕩的正弦波信號在長距離通信中能夠比其他信號傳送得更遠。因此可以把這種正弦波信號作為攜帶信息的“載波”1、什么是信號調(diào)制？調(diào)制就是用一個信號（稱為調(diào)制信號）去控制另一個做為載體的信號（稱為載波信號），讓后者的某一特征參數(shù)按前者變化。調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相3種調(diào)制方法(一個正弦信號有幅值、頻率、相位三個參數(shù)，可以對這三個參數(shù)進行調(diào)制)txOtOucusa)調(diào)制信號b)載波信號Otc)雙邊帶調(diào)幅信號調(diào)幅就是用調(diào)制信號x去控制高頻載波信號的幅值時分復(fù)用南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院張園物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用基礎(chǔ)FDM,信道僅用來傳輸一路話音，有92%空閑時間，一塊收發(fā)機（載頻）被一個用戶霸占，浪費了，怎么辦？向春晚學(xué)習(xí)：一人一句歌時分復(fù)用Moto基站載頻tf12384567將一個載波（頻段）劃分成8個時段（時隙：時間間隔），每個用戶占一個，輪流打電話3個用戶輪流通話就像1個護士要照顧8個病人，她先照顧第1個病人，然后第2個….第8個，周而復(fù)始空分復(fù)用南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院張園物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用基礎(chǔ)在空間上將使用同一頻率的不同終端分割開學(xué)生互相干擾嚴(yán)重分成若干小教室，則干擾會減少大功率基站覆蓋面積大，但只有12個頻道，只支持12個用戶12用戶12用戶12用戶12用戶12用戶相同覆蓋區(qū)域，將基站功率減小，增加基站個數(shù)，每個基站仍只有12個頻道，但總用戶數(shù)增多早期70年代將這個大區(qū)劃分成許多小區(qū)，每個小區(qū)設(shè)置一個基站，并控制發(fā)射機的功率——蜂窩技術(shù)每個基站覆蓋范圍構(gòu)成一個圓形的小區(qū)去掉一些重疊部分，就成為六角形的組合碼分復(fù)用南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院張園物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用基礎(chǔ)CDMA是3G的基礎(chǔ)技術(shù)，是碼分復(fù)用的應(yīng)用，即依靠不同的擴頻碼來區(qū)分終端。舉例：參加大型聚會你和你的朋友在小包間聊天——FDM（房間代表頻段）房間不夠，你們聊完