第一章 无线传感器网络技术概述

1、无线传感器网络Wireless Sensor Networks刘永桂 博士电话：教材n书名：无线传感器网络n作者：孙利民，李建中，陈渝，朱红松n出版社：清华大学出版社 nFundamentals of Wireless Sensor Networks-theory and practicenWaltenegus Dargie, Technical University of Dresden, GemanynChristian Poellabauer, University of Notre Dame, USA成绩评定n平时成绩：50%n平时成绩：20%n随堂测试：30%n最后考试：50% 第2

2、-9周课为理论课时第10-14周为实验设计出席考核n点名n抽查点名n随堂作业n无故累计缺席超过3次，无考试成绩作弊和抄袭等发生作弊、抄袭等情况考试成绩零分计算。无线传感器网络技术目录n传感器网络概述n传感器网络应用n传感器网络协议n传感器网络研究进展n传感器网络影响力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

3、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nWSN-Wireless Sensor Networksn基础n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n解释1n由部署在观测环境附近的大量的微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n解释2：n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。n传感器网络的三个基本要素：n传感器，感知对象，观察者n传感器网络的基本功能n协作地感知、采集、处理和发布感知信息 有

4、线有线/ /无线连接无线连接 传感器网络的网络结构nsink -汇聚点nsensor node -传感器节点nsensor field -监测区域传感器网络的实体n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源受限：存储、计算、通信、能量nSink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n传感器模块：信息采集、数据转换n处理器模块：控制、数据处理、网络协议n无线通讯模块：无线通信，交换控制信息和收发采集数据n能量供应模块：提供能量传感器网络

5、的特点n大规模网络：地理区域大；部署密集n提高信噪比；提高监测精度；增强容错性；减少盲区n自组织网络：不确定性；拓扑结构变化n资源受限：计算、存储、通讯、能量n动态拓扑：节点故障；通讯故障；移动性；节点加入n可靠网络：适应环境条件；鲁棒性、容错性n应用相关：没有统一的通信协议平台n以数据为中心传感器节点的限制n电源能量有限n通信能力有限n计算和存储能力有限传感器网络概述与ad hoc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（UCLA-WINS）军事

6、应用（2）（UCLA-WINS）商业（1）商业（2）传感器网络的协议栈（1）n能源管理平台： 管理传感器节点如何使用能量；n 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；n 任务管理平台： 在一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）传感器网络物理层（1）n传输媒体n建议采用ISM （工业、科学和医学）频段n短距离的无线低功率通信最适合传感器网络n红外n不需要许可证，抗干扰n要求收发双方在视线之内n光n不排除用光作为通信媒体传感器网络物理层（2）n频率选择，载频发生，信号检测，调制，数据加密n信号传播n传播信号需要的最小发送功

7、率和传输距离d的n次方（ ）成正比，2= n 4.n为了减小传输距离，传感器网络采用多跳（multihop）通信方式nd传感器网络MAC协议的功能（1）n功能n无线信道的使用 建立传感器网络的基础结构n考虑因素n节省能量n可扩展性n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MAC协议的能量浪费因素（2）n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。 n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n串扰：接收和处理发往其他节点的数据属于无效

8、功耗。n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MAC协议的节能策略（3）n尽量让传感器节点处于睡眠状态；n 减少传感器节点之间的碰撞；n 减少接收到自己不需要接收的数据分组；（overhearing）n 减少控制消息的开销。WSN MAC协议（4）n基于竞争nS-MAC/T-MAC/Siftn基于TDMA的nDEAN/TRAMA /DMAC/周期性消息调度n其它nSMACS/EARnCSMA/CA和CDMA结合WSN路由协议（1）n已有网络ad hoc、蜂窝主要目标通信服务质量 带宽利用率n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路由协议（

9、2）n特点n基于局部拓扑信息n数据为中心（不知道目的节点的编号，甚至向哪个区域）n要求n能量高效（协议简单|开销小|节省能量/均衡消耗）n可扩展性（网络范围/节点密度）n鲁棒性（节点变化|拓扑变化）n快速收敛性WSN路由协议（3）n能量感知路由n能量路由/能量多路径路由n查询路由n定向扩散路由(DD)/谣传路由n地理路由nGPRS/GEAR/ GEM/边界定位路由n可靠路由nReInform/SPEED /多路径路由WSN传输层（1）n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n目前关于传感器网络传输层机制和协议的建议很少n存在的问题n硬件的限制（例如

10、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nTCP的应答方式开销太大n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）n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WSN应用层n应用层协议还处于探索阶段n三种可能的应用层协议n传感器管理协议 Sensor management protocol (SMP)n任务分配和数据通告协议 task assignment and data advertisement protocol

11、(TADAP)n传感器询问和数据分发协议 Sensor query and data dissemination protocol (SQDDP)WSN 时间同步（1）n时间同步是传感器网络的基本功能nMAC/跟踪/监测n时间同步需要的多样性（目标跟踪例子）n传感器网络时间同步的性能参数n最大误差n同步期限n同步范围n效率n代价和体积WSN时间同步机制（2）nTPSN（Timing-sync Protocol for Sensor Networks ）nRBS（Reference Broadcast Synchronization）nTINY/MINI-SYNCnDMTS （Delay Mea

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

13、定位算法（Centroid）n距离向量-跳段定位算法（DV-HOP）n自组织定位算法（Amorphous Positioning)n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n军事领域n美国陆军的研究计划n“灵巧传感器网络通信” （20012005，通用通信基础设施）n“无人值守地面传感器群” （支持陆军更广阔视野）n“战场环境侦察与监视系统” （侦察和情报）n美国海军的研究计划n“传感器网络系统”（战术和战略级的传感器信息管理）n“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）n美国国

14、防部nSmart Sensor Web，5个尖端研究领域之一 （以Web为中心的传感器信息分发和融合网络）n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n民用领域n美国交通部n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）nIntel公司n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n学术和科技界n美国自然科学基金委（NSF）推动下，很多高校开展研究n英国、意大利、日本等国的大学和研究机构n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面无线传感器网络的研究进展n中国研究进展和现状n高校和研究机构传感器网络的影响n传感器网络将