第1章 無線傳感網(wǎng)技術(shù)概述

1、無線傳感網(wǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)Wireless Sensor Networks（WSNs）楊茂云網(wǎng)絡(luò)與通信系第一章第一章 無線傳感無線傳感網(wǎng)概述網(wǎng)概述課程目的熟悉WSN的研究與發(fā)展掌握WSN的基本概念和關(guān)鍵技術(shù)掌握WSN的體系結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議第一章第一章 無線傳感無線傳感網(wǎng)概述網(wǎng)概述教學(xué)目標(biāo)教學(xué)目標(biāo)【教學(xué)目標(biāo)】講授無線傳感網(wǎng)的基本概念、基本原理、通信協(xié)議。【教學(xué)重點】無線傳感網(wǎng)的基本概念、關(guān)鍵技術(shù)。掌握WSN網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議，包括信道接入技術(shù)、路由協(xié)議，以及各種支撐技術(shù)?！窘虒W(xué)要求】理解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本概念，了解其發(fā)展史和發(fā)展現(xiàn)狀和研究發(fā)展方向，掌握WSN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和通信協(xié)議，了解WSN面臨的

2、新的問題。 第一章第一章 無線傳感無線傳感網(wǎng)概述網(wǎng)概述課程內(nèi)容第一章 WSN概述第二章 物理層技術(shù)第三章 信道接入技術(shù)第四章 ZigBee協(xié)議第五章 拓?fù)淇刂婆c路由技術(shù)第六章 WSN支撐技術(shù) 定位與同步第七章 WSN操作系統(tǒng)與仿真技術(shù)第八章 WSN網(wǎng)絡(luò)互連第九章 WSN硬件設(shè)計與開發(fā)第一章第一章 無線傳感無線傳感網(wǎng)概述網(wǎng)概述教師聯(lián)系方式辦公地點：9號樓709手機-mail：QQ:574816562第一章第一章 無線傳感無線傳感網(wǎng)概述網(wǎng)概述推薦教學(xué)參考書推薦教學(xué)參考書孫利民等編孫利民等編. .無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò). 清華大學(xué)出版社清華大學(xué)出版社 ，2005200

3、5王汝傳等編王汝傳等編. .無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用. .人民郵人民郵電出版社，電出版社，20112011卡拉維卡拉維 (Edgar H.Callaway Jr)(Edgar H.Callaway Jr)編、馬偉明等譯編、馬偉明等譯. .無線無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感器網(wǎng)絡(luò): :體系結(jié)構(gòu)與協(xié)議體系結(jié)構(gòu)與協(xié)議. .電子工業(yè)出版社電子工業(yè)出版社 ,2007,2007。于宏毅等編于宏毅等編無線傳感器網(wǎng)絡(luò)理論、技術(shù)與實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)理論、技術(shù)與實現(xiàn)，國，國防工業(yè)出版社，防工業(yè)出版社，20082008第一章第一章 無線傳感無線傳感網(wǎng)概述網(wǎng)概述第一章 概述1.1無線傳感網(wǎng)發(fā)展與現(xiàn)狀

4、1.2無線傳感網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)1.3無線傳感網(wǎng)主要特征1.4無線傳感網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)1.5無線傳感網(wǎng)應(yīng)用范圍第一章第一章 無線傳感無線傳感網(wǎng)概述網(wǎng)概述課前思考問題什么是無線傳感網(wǎng)？無線傳感網(wǎng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域？無線傳感網(wǎng)的基本理論？無線傳感網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)？第一章第一章 無線傳感無線傳感網(wǎng)概述網(wǎng)概述什么是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（ wireless sensor network，WSN） ，簡稱無線傳感網(wǎng)。WSN是由具有感知、計算及通信能力的一群微小節(jié)點組成。這些節(jié)點部署在要監(jiān)視的區(qū)域中，采集指定的環(huán)境參數(shù)，如溫度、振動、化學(xué)濃度等，通過協(xié)作、自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點供用戶分析。WSN不同于

5、一般的通信網(wǎng)絡(luò)，WSN的任務(wù)不是通信，而是要監(jiān)視周圍環(huán)境。傳感器節(jié)點部署在要監(jiān)視的區(qū)域中，采集指定的環(huán)境參數(shù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點供分析使用。第一章第一章 無線傳感無線傳感網(wǎng)概述網(wǎng)概述什么是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無線傳感網(wǎng)就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，由大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器、 感知對象和觀察者構(gòu)成了傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個要素。 第一章第一章 無線傳感無線傳感網(wǎng)概述網(wǎng)概述1.1無線傳感網(wǎng)發(fā)展與現(xiàn)狀國外：l起源于美國，根源可追溯到1978年由國防部高級研究計劃署（DARPA）

6、在卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)發(fā)起的分布式傳感器研討會。l具有代表性的項目包括：1993-1999年間由美國國防高級研究計劃署(DARPA)資助，加州大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)承擔(dān)的WINS項目；l1999-2001年間由DAPRA資助UC Berkeley承擔(dān)的Smart Dust項目。第一章第一章 無線傳感無線傳感網(wǎng)概述網(wǎng)概述1.1無線傳感網(wǎng)發(fā)展與現(xiàn)狀l1998-2002年DARPA資助，加州大學(xué)伯克利分校等25個機構(gòu)聯(lián)合承擔(dān)的SensIT計劃；l1999-2004年間海軍研究辦公室的SeaWeb計劃等。第一章第一章 無線傳感無線傳感網(wǎng)概述網(wǎng)概述1.1無線傳感網(wǎng)發(fā)展與現(xiàn)狀國內(nèi)：l中國的一些研究機構(gòu)近年

7、開始研究：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、清華大學(xué)、中科院計算所、上海微系統(tǒng)所、沈陽自動化所以及合肥智能所等研究單位 。l以國內(nèi)外都投入巨資研究機構(gòu)紛紛開展無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究，很大程度歸功于其廣闊的應(yīng)用前景和對社會生活的巨大影響。第一章第一章 無線傳感無線傳感網(wǎng)概述網(wǎng)概述課外作業(yè)（1）查閱我國自然科學(xué)基金就WSN方向的研究課題（2）查閱2010年以來，WSN研究方向和關(guān)鍵應(yīng)用第一章第一章 無線傳感無線傳感網(wǎng)概述網(wǎng)概述1.2 無線傳感網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)1.2.1無線傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)1.2.2無線傳感網(wǎng)節(jié)點結(jié)構(gòu)1.2.3無線傳感網(wǎng)協(xié)議棧結(jié)構(gòu)第一章第一章 無線傳感無線傳感網(wǎng)概述網(wǎng)概述1.2.1無線傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)無線傳感網(wǎng)

8、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1-1 所示，傳感網(wǎng)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點（sensor node ）、匯聚節(jié)點（sink node）和管理節(jié)點。大量傳感器節(jié)點隨機部署在監(jiān)測區(qū)域（sensor field）內(nèi)部或附近， 能夠通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。 傳感器節(jié)點監(jiān)測的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點逐跳地進(jìn)行傳輸， 在傳輸過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)可能被多個節(jié)點處理，經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星或無線網(wǎng)絡(luò)到達(dá)管理節(jié)點。 用戶通過管理節(jié)點對傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理， 發(fā)布監(jiān)測任務(wù)以及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。第一章第一章 無線傳感無線傳感網(wǎng)概述網(wǎng)概述任務(wù)管理中心任務(wù)管理中心 匯聚節(jié)點匯聚節(jié)點監(jiān)測區(qū)域監(jiān)測區(qū)域傳感器節(jié)點傳感器節(jié)點1.2

9、.1 無線傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)第一章第一章 無線傳感無線傳感網(wǎng)概述網(wǎng)概述1.2.2 無線傳感網(wǎng)的節(jié)點結(jié)構(gòu)第一章第一章 無線傳感無線傳感網(wǎng)概述網(wǎng)概述1、 傳感網(wǎng)節(jié)點的組成傳感器節(jié)點是一個微型化的嵌入式系統(tǒng)，它構(gòu)成了傳感網(wǎng)的基礎(chǔ)層支持平臺。傳感器節(jié)點可以做得非常小，稱為智能塵埃（smart dust）。第一章第一章 無線傳感無線傳感網(wǎng)概述網(wǎng)概述1、 傳感網(wǎng)節(jié)點的組成（續(xù)）傳感器節(jié)點一般由傳感器模塊、處理模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊組成。l感知模塊由傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器組成，負(fù)責(zé)采集感知監(jiān)控對象的信息；l數(shù)據(jù)處理模塊包括存儲器和微處理器等部分，負(fù)責(zé)控制整個傳感器節(jié)點的操作，存儲和處理本身采集的數(shù)據(jù)

10、以及其它節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)。l無線通信模塊完成節(jié)點間的交互通信工作，一般為無線電收發(fā)裝置；l能源供給單元負(fù)責(zé)供給節(jié)點工作所消耗的能量，一般為小體積的電池；20第一章第一章 無線傳感無線傳感網(wǎng)概述網(wǎng)概述同時，有些節(jié)點上還可裝配有能源再生裝置、移動或執(zhí)行機構(gòu)、定位系統(tǒng)及復(fù)雜信號處理（包括聲音、圖像、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)融合）等擴展設(shè)備以獲得更完善的功能。第一章第一章 無線傳感無線傳感網(wǎng)概述網(wǎng)概述2、節(jié)點模型結(jié)構(gòu)22有些節(jié)點上還可裝配有能源再生裝置、移動或執(zhí)行機構(gòu)、定位系統(tǒng)及復(fù)雜信號處理（包括聲音、圖像、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)融合）等擴展設(shè)備以獲得更完善的功能。第一章第一章 無線傳感無線傳感網(wǎng)概述網(wǎng)概述3、匯聚節(jié)點與

11、普通節(jié)點相比，匯聚節(jié)點的處理能力、存儲能力和通信能力相對傳感器節(jié)點更強它連接著傳感網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)等，實現(xiàn)兩種協(xié)議棧協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，同時發(fā)布管理節(jié)點的監(jiān)測任務(wù)，并將收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)上。匯聚節(jié)點既可以是一個具有增強功能的傳感器節(jié)點，有足夠的能量提供給更多的內(nèi)存與計算資源；也可以是沒有監(jiān)測功能僅帶有無線通信接口的特定網(wǎng)關(guān)設(shè)備。23第一章第一章 無線傳感無線傳感網(wǎng)概述網(wǎng)概述4、無線傳感網(wǎng)節(jié)點的特點廉價：每個節(jié)點的期望價格在一美元左右體積?。夯鸩窈谢蛴矌虐愦笮≈亓枯p：小于100克能量有限：兩節(jié)五號電池或紐扣電池供電無線通信能力：能夠用無線電、紅外線、藍(lán)牙、超聲波等通信，帶寬低，干擾大計算能力：幾百

12、兆赫茲的處理器存儲能力：幾兆或幾百兆的存儲空間感知能力：具有一個或幾個傳感器軟件環(huán)境：TinyOS是專為傳感器節(jié)點開發(fā)的操作系統(tǒng)第一章第一章 無線傳感無線傳感網(wǎng)概述網(wǎng)概述1.2.3無線傳感網(wǎng)協(xié)議棧結(jié)構(gòu)第一章第一章 無線傳感無線傳感網(wǎng)概述網(wǎng)概述1.2.3無線傳感網(wǎng)協(xié)議棧結(jié)構(gòu)早期提出的一個協(xié)議棧，包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層，與互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧的五層協(xié)議相對應(yīng)。另外，協(xié)議棧還包括能量管理平臺、移動管理平臺和任務(wù)管理平臺。這些管理平臺使得傳感器節(jié)點能夠按照能源高效的方式協(xié)同工作，在節(jié)點移動的傳感器網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，并支持多任務(wù)和資源共享。第一章第一章 無線傳感無線傳感網(wǎng)概述網(wǎng)概述 各層協(xié)

13、議和平臺的功能 物理層提供簡單但健壯的信號調(diào)制和無線收發(fā)技術(shù)； 數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)成幀、幀檢測、媒體訪問和差錯控制；網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)路由生成與路由選擇； 傳輸層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制， 是保證通信服務(wù)質(zhì)量的重要部分； 應(yīng)用層包括一系列基于監(jiān)測任務(wù)的應(yīng)用層軟件； 能量管理平臺管理傳感器節(jié)點如何使用能源，在各個協(xié)議層都需要考慮節(jié)省能量； 移動管理平臺檢測并注冊傳感器節(jié)點的移動，維護到匯聚節(jié)點的路由，使得傳感器節(jié)點能夠動態(tài)跟蹤其鄰居的位置； 任務(wù)管理平臺在一個給定的區(qū)域內(nèi)平衡和調(diào)度監(jiān)測任務(wù)。 27第一章第一章 無線傳感無線傳感網(wǎng)概述網(wǎng)概述1.3無線傳感網(wǎng)主要特征節(jié)點固定或只有較小的活動性數(shù)量大，密度高拓

14、撲動態(tài)變化節(jié)點同構(gòu)，或只有少量特殊節(jié)點；分布式：沒有預(yù)先指定的中心，所有節(jié)點通過分布式算法相互協(xié)調(diào)；自組織：傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署和初始化等不需要外界干預(yù)；節(jié)點資源受限，特別是能量非常有限；以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點具有數(shù)據(jù)處理的能力；與應(yīng)用緊密耦合的網(wǎng)絡(luò)第一章第一章 無線傳感無線傳感網(wǎng)概述網(wǎng)概述1.3.1無線傳感網(wǎng)與移動自組網(wǎng)的區(qū)別節(jié)點規(guī)模：l移動自組網(wǎng)：節(jié)點數(shù)量通常在幾十或上百l傳感器網(wǎng)絡(luò)：節(jié)點數(shù)目往往高出好幾個數(shù)量級節(jié)點密度：l移動自組網(wǎng)：小l傳感器網(wǎng)絡(luò)：大（冗余部署的結(jié)果）拓?fù)渥兓脑颍簂移動自組網(wǎng)：節(jié)點運動l傳感器網(wǎng)絡(luò)：節(jié)點休眠調(diào)度、環(huán)境干擾或節(jié)點故障引起節(jié)點處理能力：l移動自組網(wǎng)：較強l

15、傳感器網(wǎng)絡(luò)：十分有限第一章第一章 無線傳感無線傳感網(wǎng)概述網(wǎng)概述1.3.1無線傳感網(wǎng)與移動自組網(wǎng)的區(qū)別在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模方面：l無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包含的節(jié)點數(shù)量比ad-hoc網(wǎng)絡(luò)高幾個數(shù)量級在分布密度方面：l無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的分布密度很大。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)頻繁變化l由于能量限制和環(huán)境因素，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點易損壞出故障。l由于節(jié)點的移動和損壞，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)頻繁變化。在通信方式方面：l無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點主要使用廣播通信，而別ad-hoc節(jié)點采用點對點通信。無無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能量、計算能力和存儲能力受限。l由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量的原因，節(jié)點沒有統(tǒng)一的標(biāo)識。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以數(shù)據(jù)為中心。第一章第一章 無

16、線傳感無線傳感網(wǎng)概述網(wǎng)概述1.3.2無線傳感網(wǎng)節(jié)點的限制 電源能量有限通信能力有限計算和存儲能力有限31第一章第一章 無線傳感無線傳感網(wǎng)概述網(wǎng)概述電源能量有限傳感器節(jié)點體積微小， 通常攜帶能量十分有限的電池。 由于傳感器節(jié)點個數(shù)多、成本要求低廉、分布區(qū)域廣， 而且部署區(qū)域環(huán)境復(fù)雜， 有些區(qū)域甚至人員不能到達(dá)， 所以傳感器節(jié)點通過更換電池的方式來補充能源是不現(xiàn)實的。 如何高效使用能量來最大化網(wǎng)絡(luò)生命周期是傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的首要挑戰(zhàn)。傳感器節(jié)點消耗能量的模塊包括傳感器模塊、處理器模塊和無線通信模塊。隨著集成電路工藝的進(jìn)步， 處理器和傳感器模塊的功耗變得很低， 絕大部分能量消耗在無線通信模塊上。 第一

17、章第一章 無線傳感無線傳感網(wǎng)概述網(wǎng)概述（1）電源能量有限無線通信模塊存在發(fā)送、接收、無線通信模塊存在發(fā)送、接收、空閑和睡眠四種狀態(tài)。空閑和睡眠四種狀態(tài)。 無線通信模塊在空閑狀態(tài)一直無線通信模塊在空閑狀態(tài)一直監(jiān)聽無線信道的使用情況，監(jiān)聽無線信道的使用情況， 檢檢查是否有數(shù)據(jù)發(fā)送給自查是否有數(shù)據(jù)發(fā)送給自 己，己， 而而在睡眠狀態(tài)則關(guān)閉通信模塊。在睡眠狀態(tài)則關(guān)閉通信模塊。無線通信模塊在發(fā)送狀態(tài)的能無線通信模塊在發(fā)送狀態(tài)的能量消耗最大，量消耗最大， 在空閑狀態(tài)和接在空閑狀態(tài)和接收狀態(tài)的能量消耗接近，收狀態(tài)的能量消耗接近， 略少略少于發(fā)送狀態(tài)的能量消耗，于發(fā)送狀態(tài)的能量消耗， 在睡在睡眠狀態(tài)的能量消耗最

18、少。眠狀態(tài)的能量消耗最少。第一章第一章 無線傳感無線傳感網(wǎng)概述網(wǎng)概述（2）通信能力有限無線通信的能量消耗與通信距離的關(guān)系為：E = kdn 其中， 參數(shù) n 滿足關(guān)系 2 n4 。 n 的取值與很多因素有關(guān)， 通常取 n 為 3 ， 即通信能耗與距離的三次方成正比。 l隨著通信距離的增加，能耗將急劇增加。因此，在滿足通信連通度的前提下應(yīng)盡量減少單跳通信距離。 一般而言， 傳感器節(jié)點的無線通信半徑在 100m 以內(nèi)比較合適。l考慮到傳感器節(jié)點的能量限制和網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域大，傳感器網(wǎng)絡(luò)采用多跳路由的傳輸機制。傳感器節(jié)點的無線通信帶寬有限， 通常僅有幾百 kbps 的速率。 第一章第一章 無線傳感無線傳

19、感網(wǎng)概述網(wǎng)概述（3） 計算和存儲能力有限 傳感器節(jié)點的價格和功耗的限制，必然導(dǎo)致其攜帶的處理器能力比較弱，存儲器容量也比較小。傳感器節(jié)點的操作系統(tǒng)設(shè)計了動態(tài)能量管理（ dynamic power management ， DPM ）和動態(tài)電壓調(diào)節(jié)（ dynamic voltage scaling ， DVS ） 模塊，可以更有效地利用節(jié)點的各種資源。 l動態(tài)能量管理是當(dāng)節(jié)點周圍沒有感興趣的事件發(fā)生時， 部分模塊處于空閑狀態(tài)， 把這些組件關(guān)掉或調(diào)到更低能耗的睡眠狀態(tài)。 動態(tài)電壓調(diào)節(jié)是當(dāng)計算負(fù)載較低時， 通過降低微處理器的工作電壓和頻率來降低處理能力， 從而節(jié)約微處理器的能耗， 很多處理器如 St

20、rongARM 都支持電壓頻率調(diào)節(jié)。第一章第一章 無線傳感無線傳感網(wǎng)概述網(wǎng)概述 1.3.3 無線傳感網(wǎng)的特點 （1）傳感器節(jié)點數(shù)目大，密度高，采用空間位置尋址（2）傳感器節(jié)點的能量、計算能力和存儲容量有限（3）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)易變化，具有自組織能力（5）網(wǎng)絡(luò)的自動管理和高度協(xié)作性（6）傳感器節(jié)點具有數(shù)據(jù)融合能力（7）以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)（8）安全性問題嚴(yán)重 第一章第一章 無線傳感無線傳感網(wǎng)概述網(wǎng)概述1.4無線傳感網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)覆蓋與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂萍夹g(shù)定位技術(shù)同步技術(shù)網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)數(shù)據(jù)融合技術(shù)嵌入式操作系統(tǒng)第一章第一章 無線傳感無線傳感網(wǎng)概述網(wǎng)概述1.4.1覆蓋與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂萍夹g(shù)拓?fù)淇刂瓶梢宰詣由?/p>

21、成的良好的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠提高路由協(xié)議和MAC協(xié)議的效率，可為數(shù)據(jù)融合、時間同步和目標(biāo)定位等方面奠定基礎(chǔ)，有利于節(jié)省節(jié)點的能量來延長網(wǎng)絡(luò)的生存期。拓?fù)淇刂浦饕膯栴}是在滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋度和連通度的前提下，通過功率控制和骨干網(wǎng)節(jié)點選擇、剔除節(jié)點之間不必要的無線通信鏈路，生成一個高效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。拓?fù)淇刂埔话憧梢苑譃閮煞N方式：l節(jié)點功率控制l層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)第一章第一章 無線傳感無線傳感網(wǎng)概述網(wǎng)概述1.4.2 網(wǎng)絡(luò)與無線通信技術(shù) 由于傳感器節(jié)點的計算能力、存儲能力、通信能力以及攜帶的能量都十分有限，每個節(jié)點只能獲取局部網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔?，其上運行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議也不能太復(fù)雜。同時，傳感器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)

22、變化，網(wǎng)絡(luò)資源也在不斷變化，這些都對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提出了更高的要求。無線傳感網(wǎng)協(xié)議負(fù)責(zé)使各個獨立的節(jié)點形成一個多跳的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)層的路由協(xié)議決定監(jiān)測信息的傳輸路徑；數(shù)據(jù)鏈路層的介質(zhì)訪問控制用來構(gòu)建底層的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，控制傳感器節(jié)點的通信過程和工作模式。路由協(xié)議不僅關(guān)心單個節(jié)點的能量消耗，更關(guān)心整個網(wǎng)絡(luò)能量的均衡消耗，這樣才能延長整個網(wǎng)絡(luò)的生存期。MAC協(xié)議首先要考慮節(jié)省能源和可擴展性，其次才考慮公平性、利用率和實時性等。第一章第一章 無線傳感無線傳感網(wǎng)概述網(wǎng)概述1.4.2 網(wǎng)絡(luò)與無線通信技術(shù)無線通信技術(shù)lIEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)是針對低速無線個人域網(wǎng)絡(luò)的無線通信標(biāo)準(zhǔn)，把低功耗、低成本作為設(shè)

23、計的主要目標(biāo)。l超寬帶技術(shù)（UWB）是一種極具潛力的無線通信技術(shù)。第一章第一章 無線傳感無線傳感網(wǎng)概述網(wǎng)概述 1.4.3定位技術(shù) 位置信息是傳感器節(jié)點采集數(shù)據(jù)中不可缺少的部分，沒有位置信息的監(jiān)測消息通常毫無意義。確定事件發(fā)生的位置或采集數(shù)據(jù)的節(jié)點位置是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最基本的功能之一。由于傳感器節(jié)點存在資源有限、隨機部署、通信易受環(huán)境干擾甚至節(jié)點失效等特點，定位機制必須滿足自組織性、健壯性、能量高效、分布式計算等要求。根據(jù)節(jié)點位置是否確定，傳感器節(jié)點分為信標(biāo)節(jié)點和位置未知節(jié)點。信標(biāo)節(jié)點的位置是已知的，位置未知節(jié)點需要根據(jù)少數(shù)信標(biāo)節(jié)點， 按照某種定位機制確定自身的位置。在無線傳感網(wǎng)定位通常使用三邊

24、測量法、三角測量法或極大似然估計法確定節(jié)點位置。根據(jù)定位過程中是否實際測量節(jié)點間的距離或角度，把無線傳感網(wǎng)中的定位分類為基于距離的定位和距離無關(guān)的定位。 第一章第一章 無線傳感無線傳感網(wǎng)概述網(wǎng)概述1.4.4同步技術(shù) 同步是需要協(xié)同工作的無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)的一個關(guān)鍵機制。如測量移動車輛速度需要計算不同傳感器檢測事件時間差，通過波束陣列確定聲源位置節(jié)點間時間同步。NTP 協(xié)議是 Internet上廣泛使用的網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議，但只適用于結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定、鏈路很少失敗的有線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；GPS系統(tǒng)能夠以納秒級精度與世界標(biāo)準(zhǔn)時間UTC保持同步，但需要配置固定的高成本接收機，同時在室內(nèi)、森林或水下等有掩體的環(huán)境中無法使用

25、GPS系統(tǒng)。因此，它們都不適合應(yīng)用在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。 目前已提出了多個時間同步機制，其中RBS、TINY/MINI-SYNC和TPSN被認(rèn)為是三個基本的同步機制。第一章第一章 無線傳感無線傳感網(wǎng)概述網(wǎng)概述1.4.5網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù) 為了保證任務(wù)的機密布置和任務(wù)執(zhí)行結(jié)果的安全傳遞和融合，無線傳感網(wǎng)需要實現(xiàn)一些最基本的安全機制：機密性、點到點的消息認(rèn)證、完整性鑒別、新鮮性、認(rèn)證廣播和安全管理。為了確保數(shù)據(jù)融合后數(shù)據(jù)源信息的保留，水印技術(shù)也成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全的研究內(nèi)容。雖然在安全研究方面，無線傳感網(wǎng)沒有引入太多的內(nèi)容，但無線傳感網(wǎng)的特點決定了它的安全與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全在研究方法和計算手段上有很大的不同

26、。首先，無線傳感網(wǎng)的單元節(jié)點的各方面能力都不能與目前Internet的任何一種網(wǎng)絡(luò)終端相比， 所以必然存在算法計算強度和安全強度之間的權(quán)衡問題，如何通過更簡單的算法實現(xiàn)盡量堅固的安全外殼是無線傳感網(wǎng)安全的主要挑戰(zhàn)；其次，有限的計算資源和能量資源往往需要系統(tǒng)的各種技術(shù)綜合考慮，以減少系統(tǒng)代碼的數(shù)量，如安全路由技術(shù)等；另外，無線傳感網(wǎng)任務(wù)的協(xié)作特性和路由的局部特性使節(jié)點之間存在安全耦合，單個節(jié)點的安全泄漏必然威脅網(wǎng)絡(luò)的安全， 所以在考慮安全算法的時候要盡量減小這種耦合性。第一章第一章 無線傳感無線傳感網(wǎng)概述網(wǎng)概述1.4.6數(shù)據(jù)融合與管理技術(shù) 數(shù)據(jù)融合l無線傳感網(wǎng)是能量約束的網(wǎng)絡(luò)，減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量能

27、夠有效地節(jié)省能量，提高網(wǎng)絡(luò)的生存期。因此，在各個傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)收集過程中，可利用節(jié)點的本地計算和存儲能力、數(shù)據(jù)處理融合能力，去除冗余信息，從而達(dá)到節(jié)省能量的目的。l由于傳感器節(jié)點的易失效性，無線傳感網(wǎng)也需要數(shù)據(jù)融合技術(shù)對多份數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合，提高信息的準(zhǔn)確度。l數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多個協(xié)議層次進(jìn)行結(jié)合。在應(yīng)用層可以利用分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行逐步篩選，達(dá)到融合的效果；在網(wǎng)絡(luò)層，很多路由協(xié)議均結(jié)合了數(shù)據(jù)融合機制，以期減少數(shù)據(jù)傳輸量。l數(shù)據(jù)融合技術(shù)在節(jié)省能量、提高信息準(zhǔn)確度的同時，要以犧牲其他方面的性能為代價。首先是延遲的代價，在數(shù)據(jù)傳送過程中尋找易于進(jìn)行數(shù)據(jù)融合的路由、進(jìn)行

28、數(shù)據(jù)融合操作、為融合而等待其他數(shù)據(jù)的到來，這三個方面都可能增加網(wǎng)絡(luò)的平均延遲。其次是魯棒性的代價，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相對于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)有更高的節(jié)點失效率以及數(shù)據(jù)丟失率，數(shù)據(jù)融合可以大幅度降低數(shù)據(jù)的冗余性，但丟失相同的數(shù)據(jù)量可能損失更多的信息，因此相對而言也降低了網(wǎng)絡(luò)的魯棒性 第一章第一章 無線傳感無線傳感網(wǎng)概述網(wǎng)概述1.4.6數(shù)據(jù)融合與管理技術(shù) 數(shù)據(jù)管理l從數(shù)據(jù)存儲的角度來看，無線傳感網(wǎng)可被視為一種分布式數(shù)據(jù)庫。l以數(shù)據(jù)庫的方法在無線傳感網(wǎng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，可以將存儲在網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)的邏輯視圖與網(wǎng)絡(luò)中的實現(xiàn)進(jìn)行分離，使得無線傳感網(wǎng)的用戶只需要關(guān)心數(shù)據(jù)查詢的邏輯結(jié)構(gòu)，無需關(guān)心實現(xiàn)細(xì)節(jié)。l美國加州大學(xué)伯克利分

29、校的Tiny DB 系統(tǒng)和 Cornell 大學(xué)的 Cougar 系統(tǒng)是目前具有代表性的無線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。l無線傳感網(wǎng)的數(shù)據(jù)管理與傳統(tǒng)的分布式數(shù)據(jù)庫有很大的差別。由于傳感器節(jié)點能量受限且容易失效，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)必須在盡量減少能量消耗的同時提供有效的數(shù)據(jù)服務(wù)。l同時，由于節(jié)點數(shù)量龐大，且節(jié)點產(chǎn)生的是無限的數(shù)據(jù)流，無法通過傳統(tǒng)的分布式數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)管理技術(shù)進(jìn)行分析處理。此外，對無線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)的查詢經(jīng)常是連續(xù)的查詢或隨機抽樣的查詢，這也使得傳統(tǒng)分布式數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)管理技術(shù)不適用于無線傳感網(wǎng)。第一章第一章 無線傳感無線傳感網(wǎng)概述網(wǎng)概述數(shù)據(jù)管理技術(shù)l無線傳感網(wǎng)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要有集中式、半分布式、

30、分布式以及層次式結(jié)構(gòu)，目前大多數(shù)研究工作均集中在半分布式結(jié)構(gòu)方面。l無線傳感網(wǎng)中數(shù)據(jù)的存儲采用網(wǎng)絡(luò)外部存儲、本地存儲和以數(shù)據(jù)為中心的存儲三種方式。l相對于其他兩種方式，以數(shù)據(jù)為中心的存儲方式可以在通信效率和能量消耗兩個方面獲得很好的折中?；诘乩砩⒘斜淼姆椒ū闶且环N常用的以數(shù)據(jù)為中心的數(shù)據(jù)存儲方式。第一章第一章 無線傳感無線傳感網(wǎng)概述網(wǎng)概述1.4.7嵌入式操作系統(tǒng) 傳感器節(jié)點是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，攜帶非常有限的硬件資源，需要操作系統(tǒng)能夠節(jié)能高效地使用其有限的內(nèi)存、處理器和通信模塊，且能夠?qū)Ω鞣N特定應(yīng)用提供最大的支持。在面向無線傳感網(wǎng)操作系統(tǒng)的支持下，多個應(yīng)用可以并發(fā)地使用系統(tǒng)的有限資源。傳感

31、器節(jié)點有兩個突出的特點。l一個特點是并發(fā)性密集，即可能存在多個需要同時執(zhí)行的邏輯控制，這需要操作系統(tǒng)能夠有效地滿足這種發(fā)生頻繁、并發(fā)程度高、執(zhí)行過程比較短的邏輯控制流程；l另一個特點是傳感器節(jié)點模塊化程度很高，要求操作系統(tǒng)能夠讓應(yīng)用程序方便地對硬件進(jìn)行控制，且保證在不影響整體開銷的情況下，應(yīng)用程序中的各個部分能夠比較方便地進(jìn)行重新組合。上述這些特點對設(shè)計面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)提出了新的挑戰(zhàn)。美國加州大學(xué)伯克利分校針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研發(fā)了TinyOS操作系統(tǒng)。 第一章第一章 無線傳感無線傳感網(wǎng)概述網(wǎng)概述傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)視方面的優(yōu)勢：l通過在物理環(huán)境中部署大量廉價的智能傳感

32、器節(jié)點，可以獲得長時間、近距離、高分辨率的環(huán)境數(shù)據(jù)，這是傳統(tǒng)監(jiān)視設(shè)備無法得到的。l傳感器節(jié)點的計算和存儲能力允許節(jié)點執(zhí)行數(shù)據(jù)過濾、數(shù)據(jù)壓縮等操作，也可以執(zhí)行一些應(yīng)用特定的處理任務(wù)。l節(jié)點之間的通信能力允許節(jié)點之間協(xié)同完成更復(fù)雜的任務(wù)，如目標(biāo)跟蹤。l通過任務(wù)的重新分配可以改變傳感器網(wǎng)絡(luò)的用途。第一章第一章 無線傳感無線傳感網(wǎng)概述網(wǎng)概述 傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感器網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)場評估戰(zhàn)場評估 生活習(xí)性監(jiān)測生活習(xí)性監(jiān)測 地震監(jiān)測地震監(jiān)測 深海監(jiān)控深海監(jiān)控 醫(yī)療狀況監(jiān)控醫(yī)療狀況監(jiān)控 目標(biāo)跟蹤和檢測目標(biāo)跟蹤和檢測小區(qū)安全監(jiān)控小區(qū)安全監(jiān)控 v 無線傳線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用精細(xì)農(nóng)業(yè)精細(xì)農(nóng)業(yè) 森林火災(zāi)監(jiān)控森林火災(zāi)監(jiān)控第一章第一

33、章 無線傳感無線傳感網(wǎng)概述網(wǎng)概述第一章第一章 無線傳感無線傳感網(wǎng)概述網(wǎng)概述v無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用舉例醫(yī)院病房電子巡檢 第一章第一章 無線傳感無線傳感網(wǎng)概述網(wǎng)概述v無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用舉例醫(yī)院病房電子巡檢 在病人身上安裝帶在病人身上安裝帶有射頻標(biāo)簽的微型有射頻標(biāo)簽的微型無線傳感器，動態(tài)無線傳感器，動態(tài)感知病人信息。感知病人信息。第一章第一章 無線傳感無線傳感網(wǎng)概述網(wǎng)概述v無線傳線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用舉舉例醫(yī)醫(yī)院病房電電子巡檢檢 病房外的醫(yī)生病房外的醫(yī)生攜帶攜帶PDAPDA等通等通訊設(shè)施。訊設(shè)施。第一章第一章 無線傳感無線傳感網(wǎng)概述網(wǎng)概述v無線傳線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用舉舉例醫(yī)醫(yī)院病房電電子巡檢檢 得知病人病情后，得知病