無線傳感器網(wǎng)絡技術概述 第一章分析

1、無線傳感網(wǎng)絡 Wireless Sensor Networks,王婷婷,本課程在專業(yè)中地位,首先，物聯(lián)網(wǎng)是由感知層、網(wǎng)絡層和應用層構成的層次體系。感知層主要涉及到RFID、傳感器、二維碼等機器設備，然后通過電信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的融合網(wǎng)絡層，及時準確地傳遞物體基本信息，在應用平臺上，利用各種先進智能技術對信息資料進行分析處理，以便對物體進行智能控制。傳感器在基礎感知層，負責對物體信息的采集和抓取，這一功能對于物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展和應用，起著至關重要的支撐作用。無線傳感器網(wǎng)絡則是將傳感器感知到的信息通過無線組網(wǎng)技術來進行傳輸?shù)囊环N技能。 事實上傳感技術也好、RFID技術也好，都僅僅是信息采集技術之一。除傳感

2、技術和RFID技術外，GPS、視頻識別、紅外、激光、掃描等所有能夠實現(xiàn)自動識別與物物通信的技術都可以成為物聯(lián)網(wǎng)的信息采集技術。傳感網(wǎng)或者RFID網(wǎng)只是物聯(lián)網(wǎng)的一種應用，但絕不是物聯(lián)網(wǎng)的全部。無線傳感器網(wǎng)絡不同于物聯(lián)網(wǎng)。,本課程在專業(yè)中地位,本課程是物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的一門專業(yè)技術基礎課，是一門理論和實際緊密結合的課程。 本課程的任務是使學生掌握無線傳感器網(wǎng)絡的概念、相關原理、主要技術以及未來發(fā)展等，具有較強的實驗技能，對學生進行邏輯思維能力訓練。 為學習其他物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程準備必要的知識，并為從事有關實際工作奠定必要的基礎。,1、課程定位物聯(lián)網(wǎng)重要專業(yè)技術課,專業(yè)基礎課程,專業(yè)技術課程,綜合實踐課程,公

3、共素質(zhì)課程,單片機與接口技術 傳感器理論與技術 嵌入式系統(tǒng)原理及應用 EDA技術基礎及應用 微機原理與應用 無線傳感網(wǎng)絡 射頻識別技術 ,單片機技術課設 嵌入式系統(tǒng)課設 RFID傳感與檢測技術課設 無線傳感器網(wǎng)絡綜合設計,電路基礎 模擬電子技術 數(shù)字電子技術 ,思想道德修養(yǎng) 英語 數(shù)學 ,無線傳感器網(wǎng)絡 綜合設計 畢業(yè)設計等,傳感器理論與技術 計算機網(wǎng)絡技術 ,無線傳感網(wǎng)絡 ZigBee技術,先修課程,現(xiàn)學課程,后續(xù)課程,本課程在專業(yè)中地位,本課程的先行主要課程有：傳感器理論與技術，要求學生掌握傳感器相關原理以及選用等；計算機網(wǎng)絡技術等基礎課程，要求學生掌握網(wǎng)絡傳輸?shù)南嚓P技術及方法。是涉及多學

4、科的交叉的一門課程。 總之，其地位作用：這是一門專業(yè)必修課，是作為物聯(lián)網(wǎng)新技術，對本專來學生專業(yè)技術的一個拓展和推廣。,概述,各層協(xié)議的主要技術,體系結構,協(xié)議標準,主要技術,包含全部原理知識點,主要原理性知識點,概念、特征、 關鍵技術、應用領域、 發(fā)展現(xiàn)狀、與物聯(lián)網(wǎng)之間關系,節(jié)點結構、網(wǎng)絡結構協(xié)議棧、 網(wǎng)絡分類,MAC協(xié)議、路由協(xié)議、傳輸協(xié)議,時間同步技術、拓撲控制技術、 定位技術、數(shù)據(jù)融合技術,與其他網(wǎng)絡融合技術,IEEE 802.15.4標準、ZIGBEE標準,與蜂窩網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)的融合,實驗部分,主要利用 已有實驗板CC2530設備來完成。,CC2530平臺結構,接口組件設計與應用,外設組

5、件接口,GPIO接口組件、中斷組件、 隨機數(shù)組件、定時器組件等,ADC組件、串口通信組件、 通信協(xié)議組件,射頻通信組件,射頻模塊、射頻驅動控制接口和組件、 射頻數(shù)據(jù)接受和發(fā)送,射頻通信組件,點對點通信、點對多點通信、 通信信道設置、發(fā)送功率設置等,包含全部實驗知識點,主要實驗性知識點,具體實驗項目,考核方法,1、考核方法,本課程共48課時： 分為24課時理論、22課時實驗、2課時期末復習課。 理論部分 課堂表現(xiàn) 平時作業(yè) 期末考試（筆試：閉卷） 實驗部分 平時操作情況（實驗操作考試） 實驗報告（實驗理論考試）,2、成績評定方法,理論部分 課堂表現(xiàn)及作業(yè)占總成績的10% 期末考試成績占總成績的6

6、0% 實驗部分 平時操作情況和實驗報告占總成績的30% 其中， 實驗操作考試占總成績的15% 實驗理論考試占總成績的15%,無線傳感網(wǎng)發(fā)展歷程,第一代傳感網(wǎng)絡 第二代傳感網(wǎng)絡 第三代傳感網(wǎng)絡 第四代傳感網(wǎng)絡 ,什么是無線網(wǎng)絡,計算機網(wǎng)絡，是指將地理位置不同的具有獨立功能的多臺計算機及其外部設備，通過通信線路連接起來，在網(wǎng)絡操作系統(tǒng)，網(wǎng)絡管理軟件及網(wǎng)絡通信協(xié)議的管理和協(xié)調(diào)下，實現(xiàn)資源共享和信息傳遞的計算機系統(tǒng)。,所謂無線網(wǎng)絡，就是利用無線電波作為信息傳輸?shù)拿浇闃嫵傻臒o線局域網(wǎng)（WLAN），與有線網(wǎng)絡的用途十分類似，最大的不同在于傳輸媒介的不同，利用無線電技術取代網(wǎng)線，可以和有線網(wǎng)絡互為備份。,什

7、么是傳感器網(wǎng)絡,WSN-Wireless Sensor Networks 基礎 微電子技術、嵌入式計算技術、現(xiàn)代網(wǎng)絡及無線通信技術、分布式信息處理技術 解釋1 由部署在觀測環(huán)境附近的大量的微型廉價低功耗的傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成一個多跳的無線網(wǎng)絡系統(tǒng)。,什么是傳感器網(wǎng)絡,解釋2： 傳感器網(wǎng)絡是由一組傳感器以特定方式構成的無線網(wǎng)絡，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋的地理區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)布給觀察者。 傳感器網(wǎng)絡的三個基本要素： 傳感器，感知對象，觀察者 傳感器網(wǎng)絡的基本功能 協(xié)作地感知、采集、處理和發(fā)布感知信息,傳感器接近感知對象 傳感器僅產(chǎn)生數(shù)據(jù)流 傳感器無計算能力

8、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)絡覆蓋感知對象區(qū)域 每個傳感器完成其臨近感知對象的觀測 多傳感器協(xié)同完成感知區(qū)域的大觀測任務 使用多跳路由算法向用戶報告觀測結果,Sink,Internet 或 通信衛(wèi)星,Sensor network,傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)絡結構,sink -匯聚點 sensor node -傳感器節(jié)點 sensor field -監(jiān)測區(qū)域,傳感器網(wǎng)絡的實體,傳感器節(jié)點 功能：采集、處理、控制和通信等 網(wǎng)絡功能：兼顧節(jié)點和路由器 資源受限：存儲、計算、通信、能量 Sink節(jié)點 功能：連接傳感器網(wǎng)絡與Internet等外

9、部網(wǎng)絡，實現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉換，發(fā)布管理節(jié)點的監(jiān)測任務，轉發(fā)收集到的數(shù)據(jù)。 特點：連續(xù)供電、功能強、數(shù)量少等,現(xiàn)代微型傳感器 感知能力計算能力通信能力 體積小 能耗小,傳感器節(jié)點,傳感器模塊：信息采集、數(shù)據(jù)轉換 處理器模塊：控制、數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡協(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) 能量供應模塊：提供能量,傳感器網(wǎng)絡的特點,大規(guī)模網(wǎng)絡：地理區(qū)域大；部署密集 提高信噪比；提高監(jiān)測精度；增強容錯性；減少盲區(qū) 自組織網(wǎng)絡：不確定性；拓撲結構變化 資源受限：計算、存儲、通訊、能量 動態(tài)拓撲：節(jié)點故障；通訊故障；移動性；節(jié)點加入 可靠網(wǎng)絡：適應環(huán)境條件；魯棒性、容錯性 應用相

10、關：沒有統(tǒng)一的通信協(xié)議平臺 以數(shù)據(jù)為中心,傳感器節(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,通信能力有限 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)絡環(huán)境下，發(fā)現(xiàn)最小化算法通信復雜性的機理是我們面臨的第一個挑戰(zhàn)問題！,多源、多跳是主要通信方式 多個傳感器節(jié)點向一個目標傳送信息 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

11、二個挑戰(zhàn)問題！,節(jié)點移動、斷接頻繁 在移動網(wǎng)絡中，節(jié)點移動頻繁 節(jié)點間通信的斷接頻繁，導致通信失敗. 經(jīng)常受到高山、建筑物、障礙物等地勢地貌以及風雨雷電等自然環(huán)境的影響, 因此傳感器可能會長時間脫離網(wǎng)絡, 離線工作,挑戰(zhàn)之三 通信路徑重構成為突出問題？路由算法必須具有自適應性？ 如何建立網(wǎng)絡隨機連通性的數(shù)據(jù)理論，為通信路徑重構和自適應路由算法設計奠定堅實理論基礎是我們面臨的第三個挑戰(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)絡應用的障礙 現(xiàn)有電源部件不能滿足傳感器網(wǎng)絡的需要 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

12、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)絡在工作過程中節(jié)省能，實現(xiàn)能源均衡，最大化網(wǎng)絡生命周期？ 建立能源復雜性和能源均衡理論是我們面臨的第四個挑戰(zhàn)性問題！,計算能力有限 傳感器網(wǎng)絡中傳感器通常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，導致傳感器的計算能力十分有限,挑戰(zhàn)之五 如何使用大量具有有限計算能力的傳感器設計能源有效的高性能分布式算法? 設計同時最小化能源、時間、空間和通信復雜性的分布式算法是我們面臨的第五個挑戰(zhàn)性問題！,傳感器數(shù)量大、分布范圍廣 傳感器網(wǎng)絡中傳感器節(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)絡可

13、以分布在很大區(qū)域，也可以分布在險惡環(huán)境下 傳感器數(shù)量大、分布廣的特點使得網(wǎng)絡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！,大規(guī)模分布式觸發(fā)器 很多傳感器網(wǎng)絡需要對感知對象進行控制（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挑戰(zhàn)性問題？,感知數(shù)據(jù)流無限 傳感器網(wǎng)絡每個傳感器都產(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，難以處理巨大的實時數(shù)據(jù)流,挑戰(zhàn)之八 如何設計高效率、能源有效、實時的海量感知數(shù)據(jù)流的查詢、

14、分析和挖掘的分布式算法？,以數(shù)據(jù)為中心 傳感器網(wǎng)絡不是通常的網(wǎng)絡 用戶感興趣的是數(shù)據(jù)而不是網(wǎng)絡和傳感器硬件 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)絡覆蓋區(qū)域中那些地區(qū)出現(xiàn)毒氣？” 傳感器網(wǎng)絡不是以地址為中心的 用戶不會詢問“地址為27的傳感器的溫度是多少？” 用戶感興趣是“某個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,傳感器網(wǎng)絡是以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡 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)絡的應用目標,挑戰(zhàn)之九 如何建立以數(shù)據(jù)為中心的傳感器網(wǎng)絡？ 以感知數(shù)據(jù)管理和處理為中心;

15、把數(shù)據(jù)管理和處理技術與網(wǎng)絡技術融為一體; 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)絡數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的理論和技術是我們面臨的第九個挑戰(zhàn)性問題！,需要多種多樣的感知器 物理傳感器 生物傳感器 化學傳感器 ,挑戰(zhàn)之十 如何建立新感知器概念、理論、技術和各種新型感知器是我們面臨的第十個挑戰(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 傳感器的定位問題 時鐘同步問題 組網(wǎng)連通可靠性研究和探測覆蓋率研究 傳感器網(wǎng)絡安全性問題和抗干擾問題 信號的協(xié)作處理,傳感器網(wǎng)絡的協(xié)議棧（1）,能源管理平臺： 管理傳感器節(jié)點如何使

16、用能量； 移動管理平臺： 檢測和注冊傳感器節(jié)點的移動，維護到匯聚點的路由，使得傳感器節(jié)點能夠跟蹤它的鄰居； 任務管理平臺： 在一個給定的區(qū)域內(nèi)平衡和調(diào)度監(jiān)測任務,傳感器網(wǎng)絡的協(xié)議棧（2）,傳感器網(wǎng)絡物理層（1）,傳輸媒體 建議采用ISM （工業(yè)、科學和醫(yī)學）頻段 短距離的無線低功率通信最適合傳感器網(wǎng)絡 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)絡物理層（2）,頻率選擇，載頻發(fā)生，信號檢測，調(diào)制，數(shù)據(jù)加密 信號傳播 傳播信號需要的最小發(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)絡采用多跳 （multihop）通

17、信方式,傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議的功能（1）,功能 無線信道的使用 建立傳感器網(wǎng)絡的基礎結構 考慮因素 節(jié)省能量 可擴展性 鏈路帶寬分配的公平性、帶寬利用率、延時性能等 目前普遍認為這三個方面的重要性依次遞減,MAC協(xié)議的能量浪費因素（2）,空閑偵聽：節(jié)點不知道鄰居節(jié)點何時向自己發(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：同時向同一節(jié)點發(fā)送多個數(shù)據(jù)幀，信號相互干擾，接收方無法準確接收，重發(fā)造成能量浪費 串擾：接收和處理發(fā)往其他節(jié)點的數(shù)據(jù)屬于無效功耗。 控制開銷：控制報文不傳送有效數(shù)據(jù)，消耗的能量對用戶來說是無效功耗。,傳感器MAC協(xié)議的節(jié)能策略（3）,盡

18、量讓傳感器節(jié)點處于睡眠狀態(tài)； 減少傳感器節(jié)點之間的碰撞； 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）,基于競爭 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結合,WSN路由協(xié)議（1）,已有網(wǎng)絡ad hoc、蜂窩 主要目標通信服務質(zhì)量 帶寬利用率 傳感器網(wǎng)絡 主要目標高效使用能源 延長網(wǎng)絡系統(tǒng)的生存期,WSN路由協(xié)議（2）,特點 基于局部拓撲信息 數(shù)據(jù)為中心（不知道目的節(jié)點的編號，甚至向哪個區(qū)域） 要求 能量高效（協(xié)議簡單

19、|開銷小|節(jié)省能量/均衡消耗） 可擴展性（網(wǎng)絡范圍/節(jié)點密度） 魯棒性（節(jié)點變化|拓撲變化） 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）,當傳感器網(wǎng)絡中的系統(tǒng)需要接入Internet 或其它外部網(wǎng)絡時，傳輸層的功能是必要的 目前關于傳感器網(wǎng)絡傳輸層機制和協(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量）使傳感器節(jié)點不能像Internet中的服務器那樣存儲大量的數(shù)據(jù) TCP的應答方式開

20、銷太大 將來有可能在傳感器網(wǎng)絡中使用類似于UDP的協(xié)議，而在Internet和衛(wèi)星網(wǎng)絡中使用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)絡和其它網(wǎng)絡（如Internet)互通,WSN應用層,應用層協(xié)議還處于探索階段 三種可能的應用層協(xié)議 傳感器管理協(xié)議 Sensor management protocol (SMP) 任務分配和數(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 dissem

21、ination protocol (SQDDP),WSN 時間同步（1）,時間同步是傳感器網(wǎng)絡的基本功能 MAC/跟蹤/監(jiān)測 時間同步需要的多樣性（目標跟蹤例子） 傳感器網(wǎng)絡時間同步的性能參數(shù) 最大誤差 同步期限 同步范圍 效率 代價和體積,WSN時間同步機制（2）,TPSN（Timing-sync Protocol for Sensor Networks ） RBS（Reference Broadcast Synchronization） TINY/MINI-SYNC DMTS （Delay Measurement Time Synchronization） PCS （Probabilist

22、ic Clock Synchronization ）,WSN定位機制（1）,定位是傳感器網(wǎng)絡的基本功能 報告事件發(fā)生的地點 目標跟蹤和定位 協(xié)助路由 進行網(wǎng)絡管理,WSN定位機制（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)點的規(guī)模大、隨機布放 無線模塊通信距離有限 環(huán)境要求（室內(nèi)、室外）,WSN定位機制（3）,基于距離的定位機制 到達時間定位算法（TOA） 不同到達時間定位算法（TDOA） 到達角度定位定位算法（AOA） 接收信號強度定位算法（RSSI） 距離無關的定位機制 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（A

23、morphous Positioning) 近似的點在三角形中定位算法（APIT),無線傳感器網(wǎng)絡的研究進展,軍事領域 美國陸軍的研究計劃 “靈巧傳感器網(wǎng)絡通信” （20012005，通用通信基礎設施） “無人值守地面?zhèn)鞲衅魅骸?（支持陸軍更廣闊視野） “戰(zhàn)場環(huán)境偵察與監(jiān)視系統(tǒng)” （偵察和情報） 美國海軍的研究計劃 “傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)”（戰(zhàn)術和戰(zhàn)略級的傳感器信息管理） “網(wǎng)狀傳感器系統(tǒng)CEC（Cooperative engagement capability) (裝載在艦艇和戰(zhàn)斗機群上，進行高精度偵察） 美國國防部 Smart Sensor Web，5個尖端研究領域之一 （以Web為中心的傳感器信息分發(fā)和融合網(wǎng)絡） 美國Sandia國家實驗室和能源部 （發(fā)現(xiàn)對地鐵、車站的生化武器襲擊）,無線傳感器網(wǎng)絡的研究進展,民用領域 美國交通部