无线传感器网络技术概述绪论

1、什么是计算机网络 计算机网络，是指将地理位置不同的具有独立功能 的多台计算机及其外部设备，通过通信线路连接起 来，在网络操作系统，网络管理软件及网络通信协 议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的计 算机系统。 所谓无线网络，就是利用无线电波作为信息传输的 媒介构成的无线局域网（WLAN），与有线网络的 用途十分类似，最大的不同在于传输媒介的不同， 利用无线电技术取代网线，可以和有线网络互为备 份。 什么是传感器网络 WSN-Wireless Sensor Networks 基础 微电子技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、 分布式信息处理技术 解释1 由部署在观测环境附近的大量的微

2、型廉价低功耗的传感器节 点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的无线网络系统。 什么是传感器网络 解释2： 传感器网络是由一组传感器以特定方式构成的无线 网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖 的地理区域中感知对象的信息，并发布給观察者。 传感器网络的三个基本要素： 传感器，感知对象，观察者 传感器网络的基本功能 协作地感知、采集、处理和发布感知信息 有线有线/ /无线连接无线连接 传感器网络的网络结构 sink -汇聚点 sensor node -传感器节点 sensor field -监测区域 传感器网络的实体 传感器节点 功能：采集、处理、控制和通信等 网络功能：兼顾节点和路由器 资

3、源受限：存储、计算、通信、能量 Sink节点 功能：连接传感器网络与Internet等外部网络，实现两种协议 栈之间的通信协议转换，发布管理节点的监测任务，转发收集 到的数据。 特点：连续供电、功能强、数量少等 传感器节点 传感器模块：信息采集、数据转换 处理器模块：控制、数据处理、网络协议 无线通讯模块：无线通信，交换控制信息和收发 采集数据 能量供应模块：提供能量 传感器网络的特点 大规模网络：地理区域大；部署密集 提高信噪比；提高监测精度；增强容错性；减少盲区 自组织网络：不确定性；拓扑结构变化 资源受限：计算、存储、通讯、能量 动态拓扑：节点故障；通讯故障；移动性；节点 加入 可靠网络

4、：适应环境条件；鲁棒性、容错性 应用相关：没有统一的通信协议平台 以数据为中心 传感器节点的限制 电源能量有限 通信能力有限 计算和存储能力有限 传感器网络概述与ADAD HOCHOC的不同 WSN 结点数量更为庞大 多数节点为静止 节点分布更为密集 能量约束 结点更容易出错 拓扑结构变化频繁 Ad hoc 几十至上百个节点 局域网 节点全移动 结构变化（移动） 能量可连续提供 点到点通信 军事应用 军事应用 联合国维和部队联合国维和部队 伊伊 拉拉 克战争克战争 微型感应传感器网络微型感应传感器网络 核武器和生化武器核武器和生化武器 军事应用 美军未来战斗系统的战场警戒示意图美军未来战斗系统

5、的战场警戒示意图 传感器节点 通行车辆 枪声定位反恐系统 美国美国F-22猛禽战斗机猛禽战斗机 机外传感器网络机外传感器网络 美军“沙地直线”项目 无线链路 目标探测、 分类和跟踪 传感器节点传感器节点 商业 韩国济州岛智能渔场北京大兴区菊花基地 克尔斯博公司 沈阳玫瑰园 讨 论 题 请大家思考和组织课堂讨论：请大家思考和组织课堂讨论： 传感器网络还可以有哪些用途？传感器网络还可以有哪些用途？ 传感器网络的协议栈（1 1） 能源管理平台： 管理传感器节点如何使 用能量； 移动管理平台： 检测和注册传感器节点 的移动，维护到汇聚点的 路由，使得传感器节点能 够跟踪它的邻居； 任务管理平台： 在一

6、个给定的区域内平 衡和调度监测任务 传感器网络的协议栈（2 2） 传感器网络物理层（1 1） 传输媒体 建议采用ISM （工业、科学和医学）频段 短距离的无线低功率通信最适合传感器网络 红外 不需要许可证，抗干扰 要求收发双方在视线之内 光 不排除用光作为通信媒体 传感器网络物理层（2 2） 频率选择，载频发生，信号检测，调制， 数据加密 信号传播 传播信号需要的最小发送功率和传输距离d的n 次方（ ）成正比，2= n 4. 为了减小传输距离，传感器网络采用多跳 （multihop）通信方式 n d 传感器网络MACMAC协议的功能（1 1） 功能 无线信道的使用 建立传感器网络的基础结构 考

7、虑因素 节省能量 可扩展性 链路带宽分配的公平性、带宽利用率、延时性能等 目前普遍认为这三个方面的重要性依次递减 MACMAC协议的能量浪费因素（2 2） 空闲侦听：节点不知道邻居节点何时向自己发 送数据，射频收发模块必须一直处于工作状态， 消耗大量能源，是无效能耗的主要来源。 冲突：同时向同一节点发送多个数据帧，信号 相互干扰，接收方无法准确接收，重发造成能 量浪费 串扰：接收和处理发往其他节点的数据属于无 效功耗。 控制开销：控制报文不传送有效数据，消耗的 能量对用户来说是无效功耗。 传感器MACMAC协议的节能策略（3 3） 尽量让传感器节点处于睡眠状态； 减少传感器节点之间的碰撞； 减

8、少接收到自己不需要接收的数据分组； （overhearing） 减少控制消息的开销。 WSN MACWSN MAC协议（4 4） 基于竞争 S-MAC/T-MAC/Sift 基于TDMA的 DEAN/TRAMA /DMAC/周期性消息调度 其它 SMACS/EAR CSMA/CA和CDMA结合 WSNWSN路由协议（1 1） 已有网络ad hoc、蜂窝 主要目标通信服务质量 带宽利用率 传感器网络 主要目标高效使用能源 延长网络系统的生存期 WSNWSN路由协议（2 2） 特点 基于局部拓扑信息 数据为中心（不知道目的节点的编号，甚至向哪个 区域） 要求 能量高效（协议简单|开销小|节省能量/

9、均衡消耗） 可扩展性（网络范围/节点密度） 鲁棒性（节点变化|拓扑变化） 快速收敛性 WSNWSN路由协议（3 3） 能量感知路由 能量路由/能量多路径路由 查询路由 定向扩散路由(DD)/谣传路由 地理路由 GPRS/GEAR/ GEM/边界定位路由 可靠路由 ReInform/SPEED /多路径路由 WSN传输层（1） 当传感器网络中的系统需要接入Internet 或其 它外部网络时，传输层的功能是必要的 目前关于传感器网络传输层机制和协议的建议 很少 存在的问题 硬件的限制（例如有限的电能和存储量）使传感器 节点不能像Internet中的服务器那样存储大量的数 据 TCP的应答方式开销

10、太大 将来有可能在传感器网络中使用类似于UDP的协议， 而在Internet和卫星网络中使用TCP/UDP协议 WSN传输层（2 2） 一种TCP分段（TCP splitting） 的方法可 能使传感器网络和其它网络（如Internet)互 通 WSNWSN应用层 应用层协议还处于探索阶段 三种可能的应用层协议 传感器管理协议 Sensor management protocol (SMP) 任务分配和数据通告协议 task assignment and data advertisement protocol (TADAP) 传感器询问和数据分发协议 Sensor query and data

11、 dissemination protocol (SQDDP) WSN 时间同步（1） 时间同步是传感器网络的基本功能 MAC/跟踪/监测 时间同步需要的多样性（目标跟踪例子） 传感器网络时间同步的性能参数 最大误差 同步期限 同步范围 效率 代价和体积 WSN时间同步机制（2） TPSN（Timing-sync Protocol for Sensor Networks ） RBS（Reference Broadcast Synchronization） TINY/MINI-SYNC DMTS （Delay Measurement Time Synchronization） PCS （Prob

12、abilistic Clock Synchronization ） WSN定位机制（1） 定位是传感器网络的基本功能 报告事件发生的地点 目标跟踪和定位 协助路由 进行网络管理 WSN定位机制（2） 特殊性 体积、成本（GPS不能普遍适用） 能耗有限、可靠性差 节点的规模大、随机布放 无线模块通信距离有限 环境要求（室内、室外） WSN定位机制（3） 基于距离的定位机制 到达时间定位算法（TOA） 不同到达时间定位算法（TDOA） 到达角度定位定位算法（AOA） 接收信号强度定位算法（RSSI） 距离无关的定位机制 质心定位算法（Centroid） 距离向量-跳段定位算法（DV-HOP） 自组

13、织定位算法（Amorphous Positioning) 近似的点在三角形中定位算法（APIT) 无线传感器网络的研究进展 军事领域 美国陆军的研究计划 “灵巧传感器网络通信” （20012005，通用通信基础设施） “无人值守地面传感器群” （支持陆军更广阔视野） “战场环境侦察与监视系统” （侦察和情报） 美国海军的研究计划 “传感器网络系统”（战术和战略级的传感器信息管理） “网状传感器系统CEC（Cooperative engagement capability) (装载在舰艇和战斗机群上，进行高精度侦察） 美国国防部 Smart Sensor Web，5个尖端研究领域之一 （以Web

14、为中心的传感器信息分发和融合网络） 美国Sandia国家实验室和能源部 （发现对地铁、车站的生化武器袭击） 无线传感器网络的研究进展 民用领域 美国交通部 国家智能交通系统项目规划，1995开始，2025投入使用（用传感 器网络进行地面交通管理） Intel公司 基于微型传感器网络的新型计算发展项目，2002发布 开发超微型传感器 MOTE（尘粒） Smart dust (智能灰尘） 无线传感器网络的研究进展 学术和科技界 美国自然科学基金委（NSF）推动下，很多高校开展研究 英国、意大利、日本等国的大学和研究机构 学术科技界的研究集中在网络技术、通信协议、感知数据查 询处理技术和应用试验等方

15、面 无线传感器网络的研究进展 中国研究进展和现状 高校和研究机构 传感器网络的影响 传感器网络将物理世界和信息技术连接起来 传感器网络具有改造社会的潜力，将来广阔的应用领域 使得传感器网络成为我们生活中不可缺少的部分 传感器网络已经引起国内外科技界和工业界高度重视 传感器网络的影响 改变世界的十个新兴技术 未来四大高技术将掀起新产业浪潮 WSNWSN的关键技术 关键网络技术 拓扑控制 网络协议 网络安全 时间同步 定位技术 数据融合 数据管理 无线通信技术 嵌入式系统 应用层技术 核心问题 能源 传感器 封装 部署 资源受限下的网络机制 大规模下的网络机制 美军“沙地直线”项目 无线链路 目标探测、 分类和跟踪 传感器节点传感器节点 韩国济州岛智能渔场北京大兴区菊花基地 克尔斯博公司 WSNWSN路由协议（1 1） 已有网络ad hoc、蜂窝 主要目标通信服务质量 带宽利用率 传感器网络 主要目标高效使用能源 延长网络系统的生存期 WSN传输层（1） 当传感器网络中的系统需要接入Internet 或其 它外部网络时，传输层的功能是必要的 目前关于传感器网络传输层机制和协议的建议 很少 存在的问题 硬件的限制（例如