第4章无线传感器网络技术

内容提要：物联网的支撑技术融合了RFID、传感器技术、无线传感器网络、智能网络等多种技术。无线传感器网络立足于无线通信协议。物联网的基础是互联网，无线网络是补充。传感网的基础是无线网络。本章介绍无线传感网技术体系、通信协议与信息整合。第4章无线传感器网络技术4.1无线传感网络概述4.2无线传感网络技术体系4.3无线传感网络的通信协议4.4无线传感网络的技术标准本章目录无线传感器网络技术无线传感器网络（WSN，wirelessSensorNetwork）是由具有感知、计算及通信能力的一群微型传感器节点组成的一个自组网络系统。目的是协作感知、采集处理区域的信息如环境参数、温度、振动、化学浓度等数据发送到汇聚节点供分析。无线传感器网络涉及传感器技术、网络通信技术、无线传输技术、嵌入式技术、分布式、微电子、软件编程。4.1.1

无线传感器网络介绍4.1无线传感器网络概述无线传感器网络的特点大规模网络自组织网络多跳路由动态性网络可靠的网络以数据为中心的网络应用相关的网络4.1无线传感器网络概述无线传感器网络的实现条件与约束电源能量有限通信能力有限计算和存储能力4.1无线传感器网络概述无线传感器网络的应用军事应用环境观测和预报系统医疗护理智能家居建筑物状态监控其他应用：如空间探索4.1.2传感器网络体系结构4.1无线传感器网络概述图4-3传感器网络体系结构传感器网络协议栈4.1无线传感器网络概述图4-5传感器网络协议栈改进的模型？讨论：p87教材图4-5b4.1.3传感器网络的发展4.1无线传感器网络第一代传感器网络出现在20世纪70年代。使用具有简单信息信号获取能力的传统传感器，采用点对点传输、连接传感控制器构成传感器网络；第二代传感器网络，由智能传感器，现场控制站组成的测控网络。采用串，并接口(如Rs-232)与传感控制器相联第三代传感器网络出现在20世纪90年代后期和本世纪初，用具有现场总线的智能传感器网络第四代传感器网络-无线传感器网络。本文所介绍的无线传感器网络就是指第四代传感器网络。新一代计算设备普适计算的重要途经

4.2.1自组网技术4.2无线传感网络技术体系移动自组网(Ad-Hoc)Adhoc网络的前身是分组无线网（PacketRadioNetwork）1991年成立的IEEE802.11标准委员会采用了“Adhoc网络”一词来描述这种特殊的对等式无线移动网络。移动自组网的特点无中心自组织动态变化的网络拓朴受限的无线传输安全性差多跳路由4.2.2节点定位技术1.基本概念和算法在传感器网络中，为了实现定位的需要，随机播撒的节点主要有两种：信标节点（BeaconNode）和未知节点（UnknownNode）。通常将已知自身位置的节点称为信标节点，信标节点可以通过携带GPS定位设备等手段获得自身的精确位置，而其它节点称之为未知节点，未知节点以信标节点作为参考点，通过信标节点的位置信息来确定自身位置。图4-6传感器网络中信标节点和未知节点1.基本概念和算法(1)邻居节点（NeighborNodes）：无需经过其它节点能够直接与之进行通信的节点；(2)跳数（HopCount）：两个要实现通信的节点之间信息转发所需要的最小跳段总数；(3)连通度（Connectivity）：一个节点拥有的邻居节点数目；(4)跳段距离（HopDistance）两个节点间隔之间最小跳段距离的总和(5)接收信号传播时间差(TimeDifferenceofArrival，TDOA)：两种不同频率的信号到达同一目的地时由于不同的传输速度所造成的时间差；(6)接收信号传播时间（TimeofArrival，TOA）：信号在两个不同节点之间传播所需要的时间；(7)信号返回时间（Round-tripTimeofFlight，RTOF）：信号从一个节点传到另一个节点后又返回来的时间；(8)到达角度(AngleofArrival，AOA)：节点自身轴线相对于其接收到的信号之间的角度；(9)接收信号强度指示(ReceivedSigna1StrengthIndicator，RSSI)：无线信号到达传感器节点后的强弱值。（1）三边测量法4.2传感网技术体系根据上式可得未知节点D的坐标方程为：

（2-2）（2）三角测量法4.2传感网技术体系

（2-2）（3）最大似然估计法

（2-2）图4-9最大似然估计法（3）最大似然估计法

（2-2）4.2.2传感器网络定位算法的分类基于距离和距离无关的定位算法基于TOA的定位（基于到达时间的定位机制）基于TDOA的定位（基于到达时间差的定位机制）基于AOA的定位（基于到达角度的定位机制）基于RSSI的定位（基于接收信号强度的定位机制）2.递增式和并发式3.基于信标和无信标的定位基于距离的定位（ToA）基于距离基于距离差基于信号特征距离测量方法距离d=波速v*传播时间Δt传播时间Δt=收到时刻t–发出时刻t0问题：接受端如何得知t0？基于距离的定位（ToA）基于距离基于距离差基于信号特征方法1：利用波速差发送端同时发送一道电磁波和声波接收端记录：电磁波到达时刻声波到达时刻距离由于远大于，上式可简化为基于距离的定位（ToA）基于距离基于距离差基于信号特征方法2：测量波的往返时间发送端于时刻发送波接收端收到波后，等待时间后返回同样的波发送端记录收到回复的时间距离基于距离的定位（ToA）基于距离基于距离差基于信号特征位置计算方法多边测量（也称多点测量）平面上定位，取三个参考点以每个参考点为圆心，到该参考点的距离为半径画圆，目标必在圆上平面上三个圆交于一点实际中取用超过三个参考点，用最小二乘法减少误差基于距离差的定位（TDoA）基于距离基于距离差基于信号特征ToA的局限需要参考点和测量目标时钟同步TDoA不需要参考点和测量目标时钟同步参考点之间仍然需要时钟同步基于距离差的定位（TDoA）基于距离基于距离差基于信号特征距离差测距方法测量目标广播信号参考点i，j分别记录信号接收到的时刻ti，tj测量目标到i，j的距离差基于距离差的定位（TDoA）基于距离基于距离差基于信号特征位置计算方法至少两组数据联立方程求解实际采用多组数据最小二乘法求解每次测量结果参考点坐标到参考点的距离构建方程：AOA定位分析基于RSSI的定位基于距离基于距离差基于信号强度基于信号强度的定位原理：建立信号衰减与距离关系，利用4-6计算节点与基站的距离，再用三边法计算节点位置。基于信号特征的定位基于距离基于距离差基于信号特征解决方法：将信号强度看做“特征”预先布置N个参考节点测出N个参考节点信号的强度，得到一个N维向量事先测出区域中每个位置的特征向量将目标测出的特征向量和事先测量值比对，找出位置缺点：不能应对动态变化4.2.3时间同步技术网络时间协议(NTP)RBS机制4.2.4安全技术路径选择交换算法特点：能量优先局部拓朴数据中心应用相关4.3.1无线传感网络路由协议4.3无线传感网通迅协议4.3无线低速网络协议蓝牙红外802.15.4/ZigBee典型的无线低速网络协议：4.3无线传感网通迅协议蓝牙（Bluetooth）典型无线低速网络蓝牙红外802.15.4/ZigBee蓝牙技术是一种短距离低功耗传输协议，最早始于1994年，由瑞典的爱立信公司研发。采用的是调频技术（frequency-hoppingspreadspectrum），频段范围是2.402GHz-2.480GHz。通信速率一般能达到1Mbps左右，新的蓝牙标准也支持超过20Mbps的速率。通信半径从几米到100米左右不等，常见为几米左右。蓝牙和Wi-Fi区别典型无线低速网络蓝牙红外802.15.4/ZigBeeWi-Fi的定位目标是为了取代网络应用中的有线设备，能够真正的实现从有线到无线的转变，他可以用来传送各种文件，视频，音频，实现互联网的各种应用。蓝牙主要是为了替换一些个人用户携带设备的有线，如耳机，键盘等。这些设备对带宽的要求相对较少，或者说不是经常使用，比如手机间的传送小文件，或者说这些设备的资源拥有量（电量，计算资源等等）相对较低。红外（Infrared)典型无线低速网络蓝牙红外802.15.4/ZigBee红外通信技术利用红外线传输数据，比蓝牙技术出现更早，是一种较早的无线通信技术。特点红外通信采用的是875nm左右波长的光波通信，通信距离一般为1米左右。设备体积小、成本低、功耗低、不需要频率申请等优势缺点设备之间必须互相可见对障碍物的衍射较差4.4.1802.15.4标准/ZigBee典型无线低速网络蓝牙红外802.15.4/ZigBee802.15.4/ZigBee是无线传感网领域最为著名的无线通信协议ZigBee主要定义了网络层、传输层以及之上的应用层的规范802.15.4主要定义了短距离通信的物理层以及链路层规范4.4无线传感网技术标准802.15.4物理层典型无线低速网络蓝牙红外802.15.4/ZigBee频段：3个频段，均为国际电信联盟电信标准化组定义的用于科研和医疗的开放频段，包括868.0-868.6MHz，主要为欧洲采用，单信道；902-928MHz，北美采用，10个信道，支持扩展到30；2.4-2.4835GHz世界范围内通用，16个频道。传输技术：最早为直接扩频，后来可采用调频、调相等多种技术。4.4无线传感网技术标准802.15.4介质访问控制层典型无线低速网络蓝牙红外802.15.4/ZigBee介质访问控制层（MAC）控制和协调节点使用物理层的信道802.15.4采用载波侦听多路访问方式(CSMA/CA)，与802.11（Wi-Fi）类似。传输之前，先侦听介质中是否有使用同一信道的载波存在，若不存在说明信道空闲，将直接进入数据传输状态；若系统检测到存在载波，则在随机退避一段时间后重新检测信道，退避的时间长短由具体的协议指定。4.4无线传感网技术标准CSMA/CA协议典型无线低速网络蓝牙红外802.15.4/ZigBee4.4无线传感网技术标准ZigBee网络层典型无线低速网络蓝牙红外802.15.4/ZigBee网络层功能：路由，新节点和路径的发现，决定一个节点属于某一个子网络等。ZigBee网络层采用距离矢量路由协议（AODV）源节点广播一个路由请求给它的所有邻居邻居节点在收到消息后，再广播收到的消息给它们的邻居，如此直到消息到达目的节点。当目的节点收到路由请求消息以后，目的节点返回一个路由回复给源节点。回复不再以广播方式发送到源节点，而是沿着路由请求数据包从源节点到目的节点的路径，这样源节点就可以按照这条路径发送消息到目的节点了。距离矢量路由协议（AODV）典型无线低速网络蓝牙红外802.15.4/ZigBeeZigBee网络层以上典型无线低速网络蓝牙红外802.15.4/ZigBee网络层以及上提供了向终端用户的接口与互联网类似，在网络层以上：互联网模型中需要提供不同类型的传输服务（比如TCP协议和UDP协议）在传输协议上还需要提供各种基于不同传输协议的应用（比如FTP，HTTP等等）。4.4无线传感网技术标准ZigBee与常用协议比较典型无线低速网络蓝牙红外802.15.4/ZigBee无线传感网组网：物理层设计链路特点动态性（Dynamic)非对称性（Asymmetric）：两个节点之间一个方向链路质量好，另一个方向质量非常差。空间关联性（SpatialCorrelation）：因为位置相近的节点通常有相似的环境。时间关联性（TemporalCorrelation）物理层设计应当支持802.15.14模块，如CC2420，同时满足：低能量消耗低通讯半径低通信带宽无线传感网组网：MAC层设计无线传感网节点特殊性：节点功能小→计算不能太复杂节点能量少→尽量减少不必要传输节点通信范围小→需要多跳网络设计节点内存小→不可能保存全部路由表节点工作环境复杂→高适应性协议MAC层：沿用CSMA/CA无线传感网组网：MAC层设计无线收发模块占用大部分电量消耗！MAC层设计：如何降低能量消耗？无线收发器件（radiotransceiver）工作时通常处于三种状态（发送，侦听，空闲状态），发送和侦听状态为工作状态，空闲状态浪