無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)8.ppt

1、第8章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò),內(nèi)蒙古商貿(mào)職業(yè)學(xué)院計算機(jī)系 2010-2011第二學(xué)期 09網(wǎng)絡(luò)一班、二班,主要內(nèi)容,8.1 什么是無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 8.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu) 8.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點 8.4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用 8.5 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議 8.6 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議 8.7 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂?8.8 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù) 8.9 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步機(jī)制 8.10 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全技術(shù) 8.11 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)管理 8.12 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)融合,8.1 什么是無線傳感器網(wǎng)絡(luò),無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor ne

2、twork，WSN) 是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)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。,8.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu),1網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和管理節(jié)點。 大量傳感器節(jié)點隨機(jī)部署在監(jiān)測區(qū)域內(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

3、監(jiān)測數(shù)據(jù)。,傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),2.傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu),傳感器模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換； 處理器模塊負(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)以及其他節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)； 無線通信模塊負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點進(jìn)行無線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)； 能量供應(yīng)模塊為傳感器節(jié)點提供運行所需的能量，通常采用微型電池。,3.協(xié)議棧,8.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點,1大規(guī)模網(wǎng)絡(luò) 2自組織網(wǎng)絡(luò) 3動態(tài)性網(wǎng)絡(luò) 4可靠的網(wǎng)絡(luò) 5應(yīng)用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò) 6以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò),8.4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用,1軍事應(yīng)用 2環(huán)境觀測和預(yù)報系統(tǒng) 3醫(yī)療護(hù)理 4智能家居 5建筑物狀態(tài)監(jiān)控 6其他方面的應(yīng)用,8.5

4、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議,MAC協(xié)議處于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的底層部分，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能有較大影響，是保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)高效通信的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之一。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)大功能是由眾多節(jié)點協(xié)作實現(xiàn)的。 多點通信在局部范圍需要MAC協(xié)議協(xié)調(diào)其間的無線信道分配，在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)需要路由協(xié)議選擇通信路徑。,設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議需要著重考慮的問題： (1)節(jié)省能量 (2)可擴(kuò)展性 (3)網(wǎng)絡(luò)效率,可能造成網(wǎng)絡(luò)能量浪費的主要原因,(1)如果MAC協(xié)議采用競爭方式使用共享無線信道，可能會引起多個節(jié)點之間發(fā)送的數(shù)據(jù)產(chǎn)生碰撞，導(dǎo)致重傳消耗節(jié)點更多的能量。 (2)節(jié)點接收并處理不必要的數(shù)據(jù)。 (3)節(jié)點在不需

5、要發(fā)送數(shù)據(jù)時一直保持對無線信道的空閑偵聽，以便接收可能傳輸給自己的數(shù)據(jù)。過度的空閑偵聽或者沒必要的空閑偵聽同樣會造成節(jié)點能量的浪費。 (4)在控制節(jié)點之間的信道分配時，如果控制消息過多，也會消耗較多的網(wǎng)絡(luò)能量。,MAC協(xié)議分類標(biāo)準(zhǔn),采用分布式控制還是集中控制 使用單一共享信道還是多個信道 采用固定分配信道方式還是隨機(jī)訪問信道方式 (1)采用無線信道的時分復(fù)用方式，給每個傳感器節(jié)點分配固定的無線信道使用時段，從而避免節(jié)點之間的相互干擾。包括基于分簇網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議、DEANA協(xié)議、基于周期性調(diào)度的協(xié)議、TRAMA協(xié)議、DMAC協(xié)議等。 (2)采用無線信道的隨機(jī)競爭方式，節(jié)點在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時隨機(jī)使

6、用無線信道，重點考慮盡量減少節(jié)點間的干擾。包括IEEE802.11MAC、S-MAC、T-MAC、SIFT協(xié)議等。 (3)其他MAC協(xié)議，如通過采用頻分復(fù)用或者碼分復(fù)用等方式，實現(xiàn)節(jié)點間無沖突的無線信道的分配。,8.6 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議的特點： (1)能量優(yōu)先 (2)基于局部拓?fù)湫畔?(3)以數(shù)據(jù)為中心 (4)應(yīng)用相關(guān),設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由機(jī)制的要求,(1)能量高效 (2)可擴(kuò)展性 (3)魯棒性 (4)快速收斂性,路由協(xié)議分類,根據(jù)不同應(yīng)用對傳感器網(wǎng)絡(luò)各種特性的敏感度不同，可以將路由協(xié)議分為四種類型： (1)能量感知路由協(xié)議。如能量路由算法和能量多路徑路由算

7、法。 (2)基于查詢的路由協(xié)議。如定向擴(kuò)散路由協(xié)議和Boulis等人提出的謠傳路由協(xié)議。 (3)地理位置路由協(xié)議。如GEAR路由協(xié)議、GEM路由協(xié)議和基于邊界定位的地理路由協(xié)議。 (4)可靠的路由協(xié)議。,8.7 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂?網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制與優(yōu)化的意義: (1)影響整個網(wǎng)絡(luò)的生存時間。 (2)減小節(jié)點間通信干擾，提高網(wǎng)絡(luò)通信效率。 (3)為路由協(xié)議提供基礎(chǔ)。 (4)影響數(shù)據(jù)融合。 (5)彌補(bǔ)節(jié)點失效的影響。,8.8 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù),無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，位置信息對傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測活動至關(guān)重要，沒有位置信息的監(jiān)測消息往往毫無意義。 確定事件發(fā)生的位置或獲取消息的節(jié)點位置是傳

8、感器網(wǎng)絡(luò)最基本的功能之一，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的有效性起著關(guān)鍵的作用。 定位信息還具有下列用途： 目標(biāo)跟蹤 協(xié)助路由 進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理,定位算法需要具備以下特點,(1)自組織性：傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點隨機(jī)分布，不能依靠全局的基礎(chǔ)設(shè)施協(xié)助定位。 (2)健壯性：傳感器節(jié)點的硬件配置低、能量少、可靠性差，測量距離時會產(chǎn)生誤差，算法必須具有較好的容錯性。 (3)能量高效：盡可能地減少算法中計算的復(fù)雜性，減少節(jié)點間的通信開銷，以盡量延長網(wǎng)絡(luò)的生存周期。通信開銷是傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要能量開銷。 (4)分布式計算：每個節(jié)點計算自身位置，不能將所有信息傳送到某個節(jié)點進(jìn)行集中計算。,定位算法分類,根據(jù)定位過程中是否實際測量節(jié)

9、點間的距離或角度，定位分類為基于距離的定位和距離無關(guān)的定位。 基于距離的定位分為基于TOA的定位、基于TDOA的定位、基于AOA的定位、基于RSSI的定位等。 距離無關(guān)的定位機(jī)制主要有質(zhì)心算法、DV Hop算法、Amorphous算法、APIT算法等。,8.9 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步機(jī)制,時間同步是需要協(xié)同工作的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一個關(guān)鍵機(jī)制。 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(jī)，同時在室內(nèi)、森林或水下等有掩體的環(huán)境中無法使用GPS系統(tǒng)

10、。 NTP、GPS都不適合應(yīng)用在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。,三個基本的同步機(jī)制,RBS機(jī)制是基于接收者-接收者的時鐘同步：一個節(jié)點廣播時鐘參考分組，廣播域內(nèi)的兩個節(jié)點分別采用本地時鐘記錄參考分組的到達(dá)時間，通過交換記錄時間來實現(xiàn)它們之間的時鐘同步。 TINY/MINI-SYNC是簡單的輕量級的同步機(jī)制：假設(shè)節(jié)點的時鐘漂移遵循線性變化，那么兩個節(jié)點之間的時間偏移也是線性的，可通過交換時標(biāo)分組來估計兩個節(jié)點間的最優(yōu)匹配偏移量。 TPSN采用層次結(jié)構(gòu)實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的時間同步：所有節(jié)點按照層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行邏輯分級，通過基于發(fā)送者-接收者的節(jié)點對方式，每個節(jié)點能夠與上一級的某個節(jié)點進(jìn)行同步，從而實現(xiàn)所有節(jié)點都與根

11、節(jié)點的時間同步。,8.10 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全技術(shù),無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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。 首先，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(qiáng)度和安全強(qiáng)度之間的權(quán)衡問題， 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。,研究現(xiàn)狀,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)SPINS安全框架在機(jī)密性、點到點的消息認(rèn)證、完整性鑒別、新鮮性、認(rèn)證廣播方面定義了完整有效的機(jī)制和算法。 安全管理方面目前以密鑰預(yù)分布模型作為安全初始化和維護(hù)的主要機(jī)制，其中隨機(jī)密鑰對模型、基于多項式的密鑰對模型等是目前最有代表性的算法。,8.11 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)管理,從數(shù)據(jù)存儲的角度來看，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可被視為一種分布式數(shù)據(jù)庫。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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、