无线传感器网络技术概述.ppt

1、无线传感器网络Wireless Sensor Networks,魏叶华 （）,教材,书名：无线传感器网络 作者：孙利民，李建中，陈渝，朱红松 出版社：清华大学出版社,成绩评定,平时成绩：20% 考试成绩：80%,目录,传感器网络概述 传感器网络发展 传感器网络结构 传感器网络应用 传感器网络协议 传感器网络研究进展 传感器网络影响力,一、什么是传感器网络,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

2、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。,无 线 网 络,有基础设施网,无基础设施网,移动Ad hoc网络,无线传感器网络,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。,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

3、对象的信息，并发布給观察者。,无线传感器网络(WSN)是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，目的是协作地采集、处理和传输网络覆盖地域内感知对象的监测信息，并报告给用户。,“无线传感器网络”术语的标准定义,传感器技术,计算机技术,通 信 技 术,感 官,大 脑,神 经,现代信息技术,信息系统,无线传感器网络,传感器网络,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,二、传感器网络的发展,第一阶段,最早可以追溯二十世纪70年代越战时期使用的传统的传感器系统。,胡志明小道,胡志明小道,热带树,热带树,轰炸机,

4、传感器仅产生探测数据流 传感器无计算能力 传感器之间不能相互通信,传统感知方法的特征,有线/无线连接,第二阶段,感知能力计算能力通信能力,1999年商业周刊将传感器网络列为二十一世纪最具影响的21项技术之一 。,二十世纪80年代至90年代之间,第三阶段,21世纪开始至今,2001,911事件,2002,橡树岭实验室提出“网络就是传感器”。,2003,2006,美国技术评论杂志评出深远影响人类未来生活的十大新兴技术，传感器网络列为第一 。,我国发布国家中长期科学与技术发展规划纲要。,现代感知方法,Sensing Area,传感器网络覆盖感知对象区域 每个传感器完成其临近感知对象的观测 多传感器协

5、同完成感知区域的大观测任务 使用多跳路由算法向用户报告观测结果,Sink,Internet 或 通信卫星,Sensor network,计算设备的演化历史,三、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,传感器网络的常用逻辑结构图,传感器1,传感器2,传感器N,无线链路,无线接口 模块,监控主机,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 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，

6、转发收集到的数据。 特点：连续供电、功能强、数量少等,感知能力计算能力通信能力 体积小 能耗小,传感器节点实物示例,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：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

7、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,四、传感器网络应用,（一）民事应用,大鸭岛海燕监测,无人干扰监测,鸟 巢,海 燕,大 鸭 岛,桥 梁 监 测,健 康 监 测,海 洋 监 测,环 境 监 测,电力高压线,高尔夫球场,葡 萄 园,道 路 交 通,智能停车场,物流系统,列车铁轨,高速公路系统,韩国济州岛智能渔场,北京大兴区菊花基地,克尔斯博公司,浙江温

8、州的奶牛牧场,沈阳玫瑰园,二零零八年五月十二日汶川地区发生强烈地震,（二）军事应用,联合国维和部队,伊 拉 克,微型感应传感器网络,核武器和生化武器,美军未来战斗系统的战场警戒示意图,传感器节点,通行车辆,枪声定位反恐系统,F-22猛禽战斗机,美国F-22猛禽战斗机,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,密封形封装罩,节点封装示例（一）,特点： 表面光滑 可以滚动 自动调整姿态位置 万向节固定架设计,节点封装示例（二）,锥形罩,特点： 底基重量大 自正位 “悬垂钟摆”式电路板 飞机抛撒,“狼群”地面传感器网络,美军共计完成23项传感器网络

9、项目,网络工程专业,通信能力有限 节点带宽窄，而且经常变化 节点通信覆盖范围只有几十到几百米， 而且经常变化,挑战之一 如何在如此有限通信能力的条件下, 高质量地完成感知数据的查询、分析、挖掘与传输？ 在传感器网络环境下，发现最小化算法通信复杂性的机理是我们面临的第一个挑战问题！,五、传感器网络关键技术,多源、多跳是主要通信方式 多个传感器节点向一个目标传送信息 一次多源信息传输需要多条由多个传感器节点组成的路径,挑战之二 如何为多源信息传输选择优化通信路径？ 在传感器网络环境下，建立选择优化或近似优化通信路径的理论是我们面临的第二个挑战问题！,节点移动、断接频繁 在移动网络中，节点移动频繁

10、节点间通信的断接频繁，导致通信失败. 经常受到高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响, 因此传感器可能会长时间脱离网络, 离线工作,挑战之三 通信路径重构成为突出问题？路由算法必须具有自适应性？ 如何建立网络随机连通性的数据理论，为通信路径重构和自适应路由算法设计奠定坚实理论基础是我们面临的第三个挑战问题？,电源能量有限 传感器的电源能量极其有限 由于电源能量的原因经常失效或废弃 电源能量约束是传感器网络应用的障碍 现有电源部件不能满足传感器网络的需要 传感器传输信息比执行计算更消耗电能 传感器传输1位信息需要的电能足以执行3000条计算指令,挑战之四 如何传感器网络在工作

11、过程中节省能，实现能源均衡，最大化网络生命周期？ 建立能源复杂性和能源均衡理论是我们面临的第四个挑战性问题！,计算能力有限 传感器网络中传感器通常都具有嵌入式处理器和存储器，具有计算能力 但是，处理器性能、存储器容量和能源都很有限，导致传感器的计算能力十分有限,挑战之五 如何使用大量具有有限计算能力的传感器设计能源有效的高性能分布式算法? 设计同时最小化能源、时间、空间和通信复杂性的分布式算法是我们面临的第五个挑战性问题！,传感器数量大、分布范围广 传感器网络中传感器节点密集，数量巨大，可能达到几百、几千万，甚至更多 传感器网络可以分布在很大区域，也可以分布在险恶环境下 传感器数量大、分布广的

12、特点使得网络的维护十分困难甚至不可维护,挑战之六 如何使传感器网络软硬件具有高强壮性和容错性是我们面临的第六个挑战性问题！,大规模分布式触发器 很多传感器网络需要对感知对象进行控制（如温度控制） 传感器需要配备回控装置和控制软件 我们称回控装置和控制软件为触发器,挑战之七 如何管理成千上万分布式触发器是我们面临的第七个挑战性问题？,感知数据流无限 传感器网络每个传感器都产生无限的流式数据，并具有实时性 每个传感器仅具有有限的存储器和计算资源，难以处理巨大的实时数据流,挑战之八 如何设计高效率、能源有效、实时的海量感知数据流的查询、分析和挖掘的分布式算法？,以数据为中心 传感器网络不是通常的网络

13、 用户感兴趣的是数据而不是网络和传感器硬件 用户很少询问“A节点到B节点的连接是如何实现的？” 用户经常询问“网络覆盖区域中那些地区出现毒气？” 传感器网络不是以地址为中心的 用户不会询问“地址为27的传感器的温度是多少？” 用户感兴趣是“某个地理位置的温度是多少？” 数据传输以聚集方式进行,而不是地址到地址的路由,传感器网络是以数据为中心的网络 把传感器视为感知数据流或感知数据源 把传感器网络视为感知数据空间或数据库 把数据管理和处理作为网络的应用目标,挑战之九 如何建立以数据为中心的传感器网络？ 以感知数据管理和处理为中心; 把数据管理和处理技术与网络技术融为一体; 为用户提供有效的感知数

14、据空间或感知数据库; 使用户如同使用通常的数据库系统和数据处理 系统一样自如地使用感知数据. 传感器网络数据管理系统的理论和技术是我们面临的第九个挑战性问题！,需要多种多样的感知器 物理传感器 生物传感器 化学传感器 ,挑战之十 如何建立新感知器概念、理论、技术和各种新型感知器是我们面临的第十个挑战性问题？,其他挑战性问题 传感器的投放或撒播理论与技术 传感器的定位问题 时钟同步问题 组网连通可靠性研究和探测覆盖率研究 传感器网络安全性问题和抗干扰问题 信号的协作处理,六、传感器网络的协议,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

15、路由，使得传感器节点能够跟踪它的邻居； 任务管理平台： 在一个给定的区域内平衡和调度监测任务,物 理 层,数据链路层,网 络 层,传 输 层,应 用 层,能 量 分 配,移 动 管 理,应 用 优 化,传感器网络的协议栈,传感器网络物理层（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）,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

16、络采用多跳 （multihop）通信方式,传感器网络MAC协议的功能（1）,功能 无线信道的使用 建立传感器网络的基础结构 考虑因素 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,MAC协议的能量浪费因素（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

17、感器MAC协议的节能策略（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 MAC协议（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,WSN路由协议（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路由协议（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

18、个区域） 要求 能量高效（协议简单|开销小|节省能量/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,WSN路由协议（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

19、存储大量的数据 TCP的应答方式开销太大 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）,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,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 quer

20、y and data 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）

21、 PCS （Probabilistic 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