無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概述ppt課件

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)Wireless Sensor Networks,李克秋 （） 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與高性能計(jì)算實(shí)驗(yàn)室（CNHPC） http:/ 大連理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系,聲明,課件來源：本課件系中科院計(jì)算所寧波中科 無線通訊事業(yè)部編制，只有第一章做了部分 改動(dòng)。 下載網(wǎng)址：http:/,課程安排,6月22日（周一）6月25日（周四） 6月29日（周一）7月02日（周四） 7月06日（周一）7月09日（周四） 7月13日（周一）7月16日（周四） 第一大節(jié)：08：00-09：30 第二大節(jié)：09：40-11：10,教材,書名：無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 作者：孫利民，李建中，陳渝，朱紅松 出版社：清華大學(xué)出

2、版社,成績(jī)?cè)u(píng)定,平時(shí)成績(jī)：50% 平時(shí)成績(jī)：20% 隨堂測(cè)試：30% 最后考試：50% 最后一次課進(jìn)行： 7月16日（周四,出席考核,點(diǎn)名 抽查點(diǎn)名 隨堂作業(yè) 無故累計(jì)缺席超過3次，無考試成績(jī),作弊和抄襲等,發(fā)生作弊、抄襲等情況考試成績(jī)零分計(jì)算,助教,李宏娟 郵箱： 電話劉亞穹 郵箱： 電話無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù),目錄,傳感器網(wǎng)絡(luò)概述 傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用 傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 傳感器網(wǎng)絡(luò)研究進(jìn)展 傳感器網(wǎng)絡(luò)影響力,什么是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò),計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，是指將地理位置不同的具有獨(dú)立功能的多臺(tái)計(jì)算機(jī)及其外部設(shè)備，通過通信線路連接起來，在網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)管理軟件及網(wǎng)絡(luò)

3、通信協(xié)議的管理和協(xié)調(diào)下，實(shí)現(xiàn)資源共享和信息傳遞的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),所謂無線網(wǎng)絡(luò)，就是利用無線電波作為信息傳輸?shù)拿浇闃?gòu)成的無線局域網(wǎng)（WLAN），與有線網(wǎng)絡(luò)的用途十分類似，最大的不同在于傳輸媒介的不同，利用無線電技術(shù)取代網(wǎng)線，可以和有線網(wǎng)絡(luò)互為備份,什么是傳感器網(wǎng)絡(luò),WSN-Wireless Sensor Networks 基礎(chǔ) 微電子技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù) 解釋1 由部署在觀測(cè)環(huán)境附近的大量的微型廉價(jià)低功耗的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成一個(gè)多跳的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),什么是傳感器網(wǎng)絡(luò),解釋2： 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

4、感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地理區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并發(fā)布給觀察者。 傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)基本要素： 傳感器，感知對(duì)象，觀察者 傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能 協(xié)作地感知、采集、處理和發(fā)布感知信息,傳感器接近感知對(duì)象 傳感器僅產(chǎn)生數(shù)據(jù)流 傳感器無計(jì)算能力 無傳感器間通信能力,傳統(tǒng)的感知方法,有線/無線連接,現(xiàn)代感知方法,Sensing Area,傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋感知對(duì)象區(qū)域 每個(gè)傳感器完成其臨近感知對(duì)象的觀測(cè) 多傳感器協(xié)同完成感知區(qū)域的大觀測(cè)任務(wù) 使用多跳路由算法向用戶報(bào)告觀測(cè)結(jié)果,Sink,Internet 或 通信衛(wèi)星,Sensor network,傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),sink -匯聚點(diǎn) sensor

5、node -傳感器節(jié)點(diǎn) sensor field -監(jiān)測(cè)區(qū)域,傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)體,傳感器節(jié)點(diǎn) 功能：采集、處理、控制和通信等 網(wǎng)絡(luò)功能：兼顧節(jié)點(diǎn)和路由器 資源受限：存儲(chǔ)、計(jì)算、通信、能量 Sink節(jié)點(diǎn) 功能：連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet等外部網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，發(fā)布管理節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)任務(wù)，轉(zhuǎn)發(fā)收集到的數(shù)據(jù)。 特點(diǎn)：連續(xù)供電、功能強(qiáng)、數(shù)量少等,現(xiàn)代微型傳感器 感知能力計(jì)算能力通信能力 體積小 能耗小 由六部分組成,傳感器節(jié)點(diǎn),傳感器模塊：信息采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 處理器模塊：控制、數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 無線通訊模塊：無線通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù) 能量供應(yīng)模塊：提供能量,傳感器網(wǎng)

6、絡(luò)的特點(diǎn),大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)：地理區(qū)域大；部署密集 提高信噪比；提高監(jiān)測(cè)精度；增強(qiáng)容錯(cuò)性；減少盲區(qū) 自組織網(wǎng)絡(luò)：不確定性；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化 資源受限：計(jì)算、存儲(chǔ)、通訊、能量 動(dòng)態(tài)拓?fù)洌汗?jié)點(diǎn)故障；通訊故障；移動(dòng)性；節(jié)點(diǎn)加入 可靠網(wǎng)絡(luò)：適應(yīng)環(huán)境條件；魯棒性、容錯(cuò)性 應(yīng)用相關(guān)：沒有統(tǒng)一的通信協(xié)議平臺(tái) 以數(shù)據(jù)為中心,傳感器節(jié)點(diǎn)的限制,電源能量有限 通信能力有限 計(jì)算和存儲(chǔ)能力有限,傳感器網(wǎng)絡(luò)概述與ad hoc的不同,WSN 結(jié)點(diǎn)數(shù)量更為龐大 多數(shù)節(jié)點(diǎn)為靜止 節(jié)點(diǎn)分布更為密集 能量約束 結(jié)點(diǎn)更容易出錯(cuò) 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化頻繁,Ad hoc 幾十至上百個(gè)節(jié)點(diǎn) 局域網(wǎng) 節(jié)點(diǎn)全移動(dòng) 結(jié)構(gòu)變化（移動(dòng)） 能量可連續(xù)提供 點(diǎn)到點(diǎn)通信

7、,軍事應(yīng)用（UCLA-WINS,軍事應(yīng)用（2）（UCLA-WINS,商業(yè)（1,商業(yè)（2,通信能力有限 節(jié)點(diǎn)帶寬窄，而且經(jīng)常變化 節(jié)點(diǎn)通信覆蓋范圍只有幾十到幾百米， 而且經(jīng)常變化,挑戰(zhàn)之一 如何在如此有限通信能力的條件下, 高質(zhì)量地完成感知數(shù)據(jù)的查詢、分析、挖掘與傳輸？ 在傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，發(fā)現(xiàn)最小化算法通信復(fù)雜性的機(jī)理是我們面臨的第一個(gè)挑戰(zhàn)問題,多源、多跳是主要通信方式 多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)向一個(gè)目標(biāo)傳送信息 一次多源信息傳輸需要多條由多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成的路徑,挑戰(zhàn)之二 如何為多源信息傳輸選擇優(yōu)化通信路徑？ 在傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，建立選擇優(yōu)化或近似優(yōu)化通信路徑的理論是我們面臨的第二個(gè)挑戰(zhàn)問題,節(jié)點(diǎn)移動(dòng)

8、、斷接頻繁 在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)移動(dòng)頻繁 節(jié)點(diǎn)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(shì)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(huì)長(zhǎng)時(shí)間脫離網(wǎng)絡(luò), 離線工作,挑戰(zhàn)之三 通信路徑重構(gòu)成為突出問題？路由算法必須具有自適應(yīng)性？ 如何建立網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)連通性的數(shù)據(jù)理論，為通信路徑重構(gòu)和自適應(yīng)路由算法設(shè)計(jì)奠定堅(jiān)實(shí)理論基礎(chǔ)是我們面臨的第三個(gè)挑戰(zhàn)問題,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 電源能量約束是傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的障礙 現(xiàn)有電源部件不能滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)的需要 傳感器傳輸信息比執(zhí)行計(jì)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(jì)

9、算指令,挑戰(zhàn)之四 如何傳感器網(wǎng)絡(luò)在工作過程中節(jié)省能，實(shí)現(xiàn)能源均衡，最大化網(wǎng)絡(luò)生命周期？ 建立能源復(fù)雜性和能源均衡理論是我們面臨的第四個(gè)挑戰(zhàn)性問題,計(jì)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(chǔ)器，具有計(jì)算能力 但是，處理器性能、存儲(chǔ)器容量和能源都很有限，導(dǎo)致傳感器的計(jì)算能力十分有限,挑戰(zhàn)之五 如何使用大量具有有限計(jì)算能力的傳感器設(shè)計(jì)能源有效的高性能分布式算法? 設(shè)計(jì)同時(shí)最小化能源、時(shí)間、空間和通信復(fù)雜性的分布式算法是我們面臨的第五個(gè)挑戰(zhàn)性問題,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(diǎn)密集，數(shù)量巨大，可能達(dá)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

10、險(xiǎn)惡環(huán)境下 傳感器數(shù)量大、分布廣的特點(diǎn)使得網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)十分困難甚至不可維護(hù),挑戰(zhàn)之六 如何使傳感器網(wǎng)絡(luò)軟硬件具有高強(qiáng)壯性和容錯(cuò)性是我們面臨的第六個(gè)挑戰(zhàn)性問題,大規(guī)模分布式觸發(fā)器 很多傳感器網(wǎng)絡(luò)需要對(duì)感知對(duì)象進(jìn)行控制（如溫度控制） 傳感器需要配備回控裝置和控制軟件 我們稱回控裝置和控制軟件為觸發(fā)器,挑戰(zhàn)之七 如何管理成千上萬分布式觸發(fā)器是我們面臨的第七個(gè)挑戰(zhàn)性問題,感知數(shù)據(jù)流無限 傳感器網(wǎng)絡(luò)每個(gè)傳感器都產(chǎn)生無限的流式數(shù)據(jù)，并具有實(shí)時(shí)性 每個(gè)傳感器僅具有有限的存儲(chǔ)器和計(jì)算資源，難以處理巨大的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流,挑戰(zhàn)之八 如何設(shè)計(jì)高效率、能源有效、實(shí)時(shí)的海量感知數(shù)據(jù)流的查詢、分析和挖掘的分布式算法,以數(shù)據(jù)為中

11、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(diǎn)到B節(jié)點(diǎn)的連接是如何實(shí)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(huì)詢問“地址為27的傳感器的溫度是多少？” 用戶感興趣是“某個(gè)地理位置的溫度是多少？” 數(shù)據(jù)傳輸以聚集方式進(jìn)行,而不是地址到地址的路由,傳感器網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò) 把傳感器視為感知數(shù)據(jù)流或感知數(shù)據(jù)源 把傳感器網(wǎng)絡(luò)視為感知數(shù)據(jù)空間或數(shù)據(jù)庫 把數(shù)據(jù)管理和處理作為網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用目標(biāo),挑戰(zhàn)之九 如何建立以數(shù)據(jù)為中心的傳感器網(wǎng)絡(luò)？ 以感知數(shù)據(jù)管理和處理為中心; 把數(shù)據(jù)管理和處理技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融為一

12、體; 為用戶提供有效的感知數(shù)據(jù)空間或感知數(shù)據(jù)庫; 使用戶如同使用通常的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理 系統(tǒng)一樣自如地使用感知數(shù)據(jù). 傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的理論和技術(shù)是我們面臨的第九個(gè)挑戰(zhàn)性問題,需要多種多樣的感知器 物理傳感器 生物傳感器 化學(xué)傳感器,挑戰(zhàn)之十 如何建立新感知器概念、理論、技術(shù)和各種新型感知器是我們面臨的第十個(gè)挑戰(zhàn)性問題,其他挑戰(zhàn)性問題 傳感器的投放或撒播理論與技術(shù) 傳感器的定位問題 時(shí)鐘同步問題 組網(wǎng)連通可靠性研究和探測(cè)覆蓋率研究 傳感器網(wǎng)絡(luò)安全性問題和抗干擾問題 信號(hào)的協(xié)作處理,傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧（1,能源管理平臺(tái)： 管理傳感器節(jié)點(diǎn)如何使用能量； 移動(dòng)管理平臺(tái)： 檢測(cè)和注冊(cè)傳感器節(jié)

13、點(diǎn)的移動(dòng)，維護(hù)到匯聚點(diǎn)的路由，使得傳感器節(jié)點(diǎn)能夠跟蹤它的鄰居； 任務(wù)管理平臺(tái)： 在一個(gè)給定的區(qū)域內(nèi)平衡和調(diào)度監(jiān)測(cè)任務(wù),傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧（2,傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層（1,傳輸媒體 建議采用ISM （工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)）頻段 短距離的無線低功率通信最適合傳感器網(wǎng)絡(luò) 紅外 不需要許可證，抗干擾 要求收發(fā)雙方在視線之內(nèi) 光 不排除用光作為通信媒體,傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層（2,頻率選擇，載頻發(fā)生，信號(hào)檢測(cè)，調(diào)制，數(shù)據(jù)加密 信號(hào)傳播 傳播信號(hào)需要的最小發(fā)送功率和傳輸距離d的n次方（ ）成正比，2= n 4. 為了減小傳輸距離，傳感器網(wǎng)絡(luò)采用多跳 （multihop）通信方式,傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的功能（1,功能 無線

14、信道的使用 建立傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu) 考慮因素 節(jié)省能量 可擴(kuò)展性 鏈路帶寬分配的公平性、帶寬利用率、延時(shí)性能等 目前普遍認(rèn)為這三個(gè)方面的重要性依次遞減,MAC協(xié)議的能量浪費(fèi)因素（2,空閑偵聽：節(jié)點(diǎn)不知道鄰居節(jié)點(diǎn)何時(shí)向自己發(fā)送數(shù)據(jù)，射頻收發(fā)模塊必須一直處于工作狀態(tài)，消耗大量能源，是無效能耗的主要來源。 沖突：同時(shí)向同一節(jié)點(diǎn)發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)幀，信號(hào)相互干擾，接收方無法準(zhǔn)確接收，重發(fā)造成能量浪費(fèi) 串?dāng)_：接收和處理發(fā)往其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)屬于無效功耗。 控制開銷：控制報(bào)文不傳送有效數(shù)據(jù)，消耗的能量對(duì)用戶來說是無效功耗,傳感器MAC協(xié)議的節(jié)能策略（3,盡量讓傳感器節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)； 減少傳感器節(jié)點(diǎn)之間的碰撞；

15、減少接收到自己不需要接收的數(shù)據(jù)分組； （overhearing） 減少控制消息的開銷,WSN MAC協(xié)議（4,基于競(jìng)爭(zhēng) S-MAC/T-MAC/Sift 基于TDMA的 DEAN/TRAMA /DMAC/周期性消息調(diào)度 其它 SMACS/EAR CSMA/CA和CDMA結(jié)合,WSN路由協(xié)議（1,已有網(wǎng)絡(luò)ad hoc、蜂窩 主要目標(biāo)通信服務(wù)質(zhì)量 帶寬利用率 傳感器網(wǎng)絡(luò) 主要目標(biāo)高效使用能源 延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的生存期,WSN路由協(xié)議（2,特點(diǎn) 基于局部拓?fù)湫畔?數(shù)據(jù)為中心（不知道目的節(jié)點(diǎn)的編號(hào)，甚至向哪個(gè)區(qū)域） 要求 能量高效（協(xié)議簡(jiǎn)單|開銷小|節(jié)省能量/均衡消耗） 可擴(kuò)展性（網(wǎng)絡(luò)范圍/節(jié)點(diǎn)密度） 魯

16、棒性（節(jié)點(diǎn)變化|拓?fù)渥兓?快速收斂性,WSN路由協(xié)議（3,能量感知路由 能量路由/能量多路徑路由 查詢路由 定向擴(kuò)散路由(DD)/謠傳路由 地理路由 GPRS/GEAR/ GEM/邊界定位路由 可靠路由 ReInform/SPEED /多路徑路由,WSN傳輸層（1,當(dāng)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的系統(tǒng)需要接入Internet 或其它外部網(wǎng)絡(luò)時(shí)，傳輸層的功能是必要的 目前關(guān)于傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸層機(jī)制和協(xié)議的建議很少 存在的問題 硬件的限制（例如有限的電能和存儲(chǔ)量）使傳感器節(jié)點(diǎn)不能像Internet中的服務(wù)器那樣存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù) TCP的應(yīng)答方式開銷太大 將來有可能在傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用類似于UDP的協(xié)議，而在Inter

17、net和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中使用TCP/UDP協(xié)議,WSN傳輸層（2,一種TCP分段（TCP splitting） 的方法可能使傳感器網(wǎng)絡(luò)和其它網(wǎng)絡(luò)（如Internet)互通,WSN應(yīng)用層,應(yīng)用層協(xié)議還處于探索階段 三種可能的應(yīng)用層協(xié)議 傳感器管理協(xié)議 Sensor management protocol (SMP) 任務(wù)分配和數(shù)據(jù)通告協(xié)議 task assignment and data advertisement protocol (TADAP) 傳感器詢問和數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議 Sensor query and data dissemination protocol (SQDDP,WSN 時(shí)間同步（1,時(shí)

18、間同步是傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能 MAC/跟蹤/監(jiān)測(cè) 時(shí)間同步需要的多樣性（目標(biāo)跟蹤例子） 傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步的性能參數(shù) 最大誤差 同步期限 同步范圍 效率 代價(jià)和體積,WSN時(shí)間同步機(jī)制（2,TPSN（Timing-sync Protocol for Sensor Networks ） RBS（Reference Broadcast Synchronization） TINY/MINI-SYNC DMTS （Delay Measurement Time Synchronization） PCS （Probabilistic Clock Synchronization,WSN定位機(jī)制（1,定位是傳

19、感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能 報(bào)告事件發(fā)生的地點(diǎn) 目標(biāo)跟蹤和定位 協(xié)助路由 進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理,WSN定位機(jī)制（2,特殊性 體積、成本（GPS不能普遍適用） 能耗有限、可靠性差 節(jié)點(diǎn)的規(guī)模大、隨機(jī)布放 無線模塊通信距離有限 環(huán)境要求（室內(nèi)、室外,WSN定位機(jī)制（3,基于距離的定位機(jī)制 到達(dá)時(shí)間定位算法（TOA） 不同到達(dá)時(shí)間定位算法（TDOA） 到達(dá)角度定位定位算法（AOA） 接收信號(hào)強(qiáng)度定位算法（RSSI） 距離無關(guān)的定位機(jī)制 質(zhì)心定位算法（Centroid） 距離向量-跳段定位算法（DV-HOP） 自組織定位算法（Amorphous Positioning) 近似的點(diǎn)在三角形中定位算法（APIT,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究進(jìn)展,軍事領(lǐng)域 美國(guó)陸軍的研究計(jì)劃 “靈巧傳感器網(wǎng)絡(luò)通信” （20012005，通用通信基礎(chǔ)設(shè)施） “無人值守地面?zhèn)鞲衅魅骸?（支持陸軍更廣闊視野） “戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境偵察與監(jiān)視系統(tǒng)” （偵察和情報(bào)） 美國(guó)海軍的研究計(jì)劃 “傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)”（戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)略級(jí)的傳感器信息管理） “網(wǎng)狀傳感器系統(tǒng)CEC（Cooperative engag