第四章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

1、物聯(lián)網(wǎng)(lin wn)通信技術(shù)第三章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)趙建立(jinl)山東科技大學(xué)共四十一頁普適計算(j sun)未來計算將充斥于我們的日常生活中的每個角落智能空間(Ambient intelligence)/普適計算(Ubiquitous computing)大量不同種設(shè)備采集、處理來自不同來源的信息以供控制(kngzh)實際過程并與用戶交互 智能空間所需信息的來源：無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 這些由單個節(jié)點組成的網(wǎng)絡(luò)需要相互合作完成指定任務(wù)。 節(jié)點間通過無線通信完成相互的合作無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)智能空間的重要組成部分共四十一頁信息獲取(huq)與信息發(fā)布 有線方式(fngsh)連接：高額費用和使用局限

2、性共四十一頁WSN概述(i sh) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network, WSN）系統(tǒng)是當(dāng)前在國際上備受關(guān)注的、涉及多學(xué)科高度交叉、知識(zh shi)高度集成的前沿?zé)狳c研究領(lǐng)域。它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(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)等。 共四十一頁MEMS技術(shù)(jsh)對WSN的推動共四十一頁 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network, WSN)是物聯(lián)網(wǎng)的一個重要的組成部分，是物聯(lián)網(wǎng)的感知控制層中實現(xiàn)“物”的信息(xnx)采集、“物”與“物”之間相互通信的重要技術(shù)手段。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是狹義上的物聯(lián)網(wǎng)，它是物聯(lián)網(wǎng)的雛形、

3、是物質(zhì)基礎(chǔ)之一，同時也必然是泛在網(wǎng)的重要基礎(chǔ)。共四十一頁5.1 概述(i sh)共四十一頁5.1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wnglu)的概念與特點共四十一頁無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network, WSN）就是由部署在檢測區(qū)域內(nèi)大量(dling)的廉價衛(wèi)星傳感器節(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)，目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知的對象信息，并發(fā)送給觀察者。構(gòu)成WSN的三要素： 傳感器、感知對象、觀察者。1）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wnglu)的概念共四十一頁傳感器之間、傳感器與觀察者之間是以的無線網(wǎng)絡(luò)的通信方式進行通信的，通過無線網(wǎng)絡(luò)在傳感器與

4、觀察者之間建立(jinl)通信路由。協(xié)作感知，采集和處理信息是傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的部分或者全部節(jié)點是可移動，因此無線傳感器的拓撲結(jié)構(gòu)也會隨著節(jié)點的移動而發(fā)生改變。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間以Ad hoc方式進行通信，每個節(jié)點即可以作為終端來實現(xiàn)感知功能，又可作為路由器來執(zhí)行動態(tài)搜索，定位和恢復(fù)連接的功能。 Ad Hoc源于拉丁語，引申為一種有特殊用途的網(wǎng)絡(luò)。IEEE802.11標準委員會采用了“Ad hoc網(wǎng)絡(luò)”一詞來描述這種特殊的自組織對等式多跳移動通信網(wǎng)絡(luò)。共四十一頁2）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wnglu)的體系結(jié)構(gòu)共四十一頁（1）無線傳感器結(jié)點(ji din)結(jié)構(gòu) 一個無線傳

5、感器結(jié)點(ji din)一般由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊四部分構(gòu)成，如圖所示。共四十一頁（2）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(jigu)共四十一頁（3）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系結(jié)構(gòu) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系是對網(wǎng)絡(luò)及其部件應(yīng)完成功能的定義與描述。它由網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、傳感器網(wǎng)絡(luò)管理以及應(yīng)用(yngyng)支撐技術(shù)組成，其結(jié)構(gòu)如圖5.3所示。共四十一頁 分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議結(jié)構(gòu)類似于傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議體系結(jié)構(gòu)，由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層組成。物理層的功能包括信道選擇、無線信號的監(jiān)測、信號的發(fā)送與接收等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用的傳輸方式可以是無線、紅外或者光波等。物理層的設(shè)計目

6、標是以盡可能少的能量損耗獲得較大的鏈路容量。數(shù)據(jù)鏈路層的主要任務(wù)是建立一條無差錯的通信鏈路，該層一般包括媒體訪問控制(MAC)子層與邏輯鏈路控制(LLC)子層，其中(qzhng)MAC層規(guī)定了不同用戶如何共享信道資源，LLC層負責(zé)向網(wǎng)絡(luò)層提供統(tǒng)一的服務(wù)接口。網(wǎng)絡(luò)層的主要功能是完成分組路由、網(wǎng)絡(luò)互連等功能。傳輸層負責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制，提供可靠高效的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。共四十一頁 網(wǎng)絡(luò)(wnglu)管理技術(shù)主要是對傳感器節(jié)點自身的管理以及用戶對傳感器網(wǎng)絡(luò)(wnglu)的管理。網(wǎng)絡(luò)(wnglu)管理模塊是網(wǎng)絡(luò)(wnglu)故障管理、計費管理、配置管理、性能管理的總和。其他還包括網(wǎng)絡(luò)(wnglu)安全模塊、

7、移動控制模塊、遠程管理模塊。傳感器網(wǎng)絡(luò)(wnglu)的應(yīng)用支撐技術(shù)為用戶提供各種應(yīng)用支撐，包括時間同步、節(jié)點定位，以及向用戶提供協(xié)調(diào)應(yīng)用服務(wù)接口。共四十一頁5.1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用(yngyng)難點共四十一頁1）WSN的關(guān)鍵技術(shù)共四十一頁通信(tng xn)能力有限節(jié)點帶寬窄，而且經(jīng)常變化節(jié)點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(hunjng)下，發(fā)現(xiàn)最小化算法通信復(fù)雜性的機理是我們面臨的第一個挑戰(zhàn)問題！共四十一頁多源、多跳是主要通信方式多個傳感器節(jié)點向一個(y

8、)目標傳送信息一次多源信息傳輸需要多條由多個傳感器節(jié)點組成的路徑挑戰(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(minlng)的第二個挑戰(zhàn)問題！共四十一頁節(jié)點移動、斷接頻繁在移動網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點移動頻繁節(jié)點間通信的斷接頻繁，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(knng)會長時間脫離網(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(su j)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)計奠定堅實理論基礎(chǔ)是我們面臨的第三個

9、挑戰(zhàn)問題？ 共四十一頁電源能量(nngling)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(lln)是我們面臨的第四個挑戰(zhàn)性問題！共四十一頁計算能力有限傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器通常(tngchng)都具有嵌入式處理器和存儲器，具有計算能力但是，處理器性能、存儲器容量和能源都很有限，導(dǎo)致傳感器的計算能力十分有限挑戰(zhàn)之五 如何使

10、用大量具有有限計算能力的傳感器設(shè)計能源有效(yuxio)的高性能分布式算法? 設(shè)計同時最小化能源、時間、空間和通信復(fù)雜性的分布式算法是我們面臨的第五個挑戰(zhàn)性問題！共四十一頁傳感器數(shù)量大、分布范圍廣傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點密集，數(shù)量巨大，可能達到幾百、幾千萬，甚至更多傳感器網(wǎng)絡(luò)可以分布在很大區(qū)域，也可以分布在險惡(xin )環(huán)境下傳感器數(shù)量大、分布廣的特點使得網(wǎng)絡(luò)的維護十分困難甚至不可維護挑戰(zhàn)之六如何使傳感器網(wǎng)絡(luò)(wnglu)軟硬件具有高強壯性和容錯性是我們面臨的第六個挑戰(zhàn)性問題！共四十一頁大規(guī)模分布式觸發(fā)器很多傳感器網(wǎng)絡(luò)需要對感知對象(duxing)進行控制（如溫度控制）傳感器需要配備回控裝置和

11、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(gunl)成千上萬分布式觸發(fā)器是我們面臨的第七個挑戰(zhàn)性問題？共四十一頁感知數(shù)據(jù)流無限傳感器網(wǎng)絡(luò)每個傳感器都產(chǎn)生無限的流式數(shù)據(jù)，并具有實時性每個傳感器僅具有有限的存儲器和計算資源，難以(nny)處理巨大的實時數(shù)據(jù)流挑戰(zhàn)之八如何設(shè)計高效率、能源有效、實時的海量感知(gnzh)數(shù)據(jù)流的查詢、分析和挖掘的分布式算法？共四十一頁以數(shù)據(jù)為中心傳感器網(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)點到B節(jié)點的連接是如何實現(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詢問“地址為

12、27的傳感器的溫度是多少？”用戶感興趣是“某個(mu )地理位置的溫度是多少？”數(shù)據(jù)傳輸以聚集方式進行,而不是地址到地址的路由 共四十一頁傳感器網(wǎng)絡(luò)(wnglu)是以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)(wnglu)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(minlng)的第九個挑

13、戰(zhàn)性問題！共四十一頁需要多種多樣(du zhn du yn)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)(jsh)和各種新型感知器是我們面臨的第十個挑戰(zhàn)性問題？共四十一頁其他挑戰(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鐘同步問題 組網(wǎng)連通可靠性研究(ynji)和探測覆蓋率研究(ynji) 傳感器網(wǎng)絡(luò)安全性問題和抗干擾問題信號的協(xié)作處理共四十一頁2）物聯(lián)網(wǎng)(lin wn)中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的難點共四十一頁 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。物聯(lián)網(wǎng)中，除WSN外還有其他性能不同、通信方式不同的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)終端（感知控制設(shè)備），這些大量的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)終

14、端與WSN共同構(gòu)成了一個復(fù)雜的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。WSN在與其他物聯(lián)網(wǎng)終端協(xié)同應(yīng)用會產(chǎn)生一些幾個(j )方面的應(yīng)用難點：共四十一頁（1）承載(chngzi)通信網(wǎng)的異構(gòu)與互聯(lián) WSN結(jié)點通過與匯聚結(jié)點與現(xiàn)有的各種信息網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)是WSN應(yīng)用的難點之一。物聯(lián)網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)傳輸層是以現(xiàn)有的各種承載通信網(wǎng)為基礎(chǔ)的信息網(wǎng)絡(luò)，各種承載通信網(wǎng)就其本質(zhì)而言，又是一個異構(gòu)的通信網(wǎng)，這些異構(gòu)網(wǎng)從傳輸媒質(zhì)、傳輸速率、透明性能(xngnng)方面都是不同的。承載通信網(wǎng)上的信息網(wǎng)必須采用各種適配技術(shù)來滿足承載網(wǎng)的傳送要求，這就使得信息網(wǎng)的結(jié)構(gòu)需要分層、需要采用各種協(xié)議的相互轉(zhuǎn)換及適配。而WSN的加入又使得異構(gòu)的復(fù)雜度增加，因此在互

15、聯(lián)時會產(chǎn)生較大的難度，如何以簡便的方式實現(xiàn)互聯(lián)是WSN應(yīng)用與物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)難點之一。共四十一頁（2）異構(gòu)終端(zhn dun)間的通信與互聯(lián) 在物聯(lián)網(wǎng)中，往往需要進行終端之間的通信(tng xn)，常規(guī)的方式是通過網(wǎng)絡(luò)傳輸層后在應(yīng)用層進行通信(tng xn)交互。當(dāng)異構(gòu)終端相互通信(tng xn)時，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸層在應(yīng)用層通信(tng xn)成為了必然的手段，即可稱之為高層交互。當(dāng)進行高層交互時，由于異構(gòu)終端與網(wǎng)絡(luò)傳輸層間的通信(tng xn)會產(chǎn)生各種延時、誤碼等傳輸錯誤，因此可能導(dǎo)致異構(gòu)終端間的通信(tng xn)質(zhì)量下降、極端情況下甚至導(dǎo)致通信(tng xn)無法進行。因此，如何解決WSN

16、與各異構(gòu)終端間的通信也是其在物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一。共四十一頁（3）大結(jié)構(gòu)(jigu)數(shù)據(jù)融合與異構(gòu)下的數(shù)據(jù)融合 很多應(yīng)用場合中，需要大規(guī)模部署無線傳感器節(jié)點，形成一個覆蓋面很大的監(jiān)控區(qū)域，在這樣的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，傳感器節(jié)點經(jīng)過數(shù)據(jù)(shj)采集后，使用多跳路由將數(shù)據(jù)(shj)送住下一個傳感器節(jié)點，大量的傳感器節(jié)點進行數(shù)據(jù)(shj)傳輸，匯聚結(jié)點要對大量數(shù)據(jù)(shj)進行協(xié)同處理，這種數(shù)據(jù)(shj)處理具有大結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)協(xié)同處理的特點。監(jiān)測區(qū)域內(nèi)密集的自治結(jié)點產(chǎn)生大量的傳感數(shù)據(jù)(shj)，有效地對大量節(jié)點所獲感知數(shù)據(jù)(shj)進行協(xié)同處理，在此基礎(chǔ)上完成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)。 另外，WSN結(jié)點還需

17、要與異構(gòu)終端進行數(shù)據(jù)融合，使整個監(jiān)測區(qū)域的信息能通過不同的觀測角度獲得真實、可靠的相互印證，這也是物聯(lián)網(wǎng)中WSN應(yīng)用的難點之一。共四十一頁5. 2 IEEE 802.15.4標準及ZigBee協(xié)議(xiy)規(guī)范共四十一頁 ZigBee是一種基于IEEE802.15.4標準的高層技術(shù)，該技術(shù)的物理層和MAC(Medium Access Control，MAC介質(zhì)訪問控制)直接引用IEEE 802.15.4。ZigBee協(xié)議規(guī)范的基礎(chǔ)是IEEE 802.15.4，這兩者之間有著非常(fichng)密切的關(guān)系。以下首先詳細地介紹IEEE802.15.4，然后介紹ZigBee協(xié)議規(guī)范。共四十一頁5.2

18、.1 IEEE802.15.4標準(biozhn)共四十一頁1）IEEE802.15.4主要(zhyo)性能 IEEE802.15.4標準是短距離無線通信的個域網(wǎng)WPAN(Wireless Personal Area Network, WPAN)標準。該標準規(guī)定了個域網(wǎng)PAN(Personal Area Network, PAN)中設(shè)備(shbi)間的無線通信協(xié)議和接口。IEEE802.15.4標準采用了CSMA/CA（載波偵聽Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，CSMA/CA，多址接入/沖突檢測）的媒體接入或媒體訪問控制方式，網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)可以是點對點或星形結(jié)構(gòu)。共四十一頁 IEEE 802.15.4通信協(xié)議主要描述了物理層和MAC層標準，通信距離一般在數(shù)十米的范圍之內(nèi)。IEEE802.15.4的物理層是實現(xiàn)WSN通信基礎(chǔ)，MAC層的功能是進行處理所有對物理層的訪問的，并負責(zé)完成信標的同步、支持個域網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)和去關(guān)聯(lián)、提供MAC實體問的可靠連接、執(zhí)行信道(xn do)接入等任務(wù)。 IEEE802.15.4標準也采用了滿足ISO/OSI參考模型的分層結(jié)構(gòu)，定義了單一的MAC層和多樣的物理層。該標準具有以下主要性能：共四十一頁內(nèi)容摘要物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)。未來計算將充斥于我們的日常