1、无线传感器网络Wireless Sensor Networks魏叶华（）教材n书名：无线传感器网络n作者：孙利民，李建中，陈渝，朱红松n出版社：清华大学出版社 成绩评定n平时成绩：20%n考试成绩：80%目录n传感器网络概述n传感器网络发展n传感器网络结构n传感器网络应用n传感器网络协议n传感器网络研究进展n传感器网络影响力一、什么是传感器网络计算机网络，是指将地理位置不同的具有独立功能的多台计算机及其外部设备，通过通信线路连接起来，在网络操作系统，网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的计算机系统。所谓无线网络，就是利用无线电波作为信息传输的媒介构成的无线局域网（W
2、LAN），与有线网络的用途十分类似，最大的不同在于传输媒介的不同，利用无线电技术取代网线，可以和有线网络互为备份。无无 线线 网网 络络有基础设施网有基础设施网无基础设施网无基础设施网移动移动Ad hocAd hoc网络网络无线传感器网络无线传感器网络传感器网络nWSN-Wireless Sensor Networksn基础n微电子技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术n解释1n由部署在观测环境附近的大量的微型廉价低功耗的传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的无线网络系统。传感器网络n解释2：n传感器网络是由一组传感器以特定方式构成的无线网络，其目的是协作地感
3、知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发布給观察者。无线传感器网络(WSN)是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，目的是协作地采集、处理和传输网络覆盖地域内感知对象的监测信息，并报告给用户。传感器技术传感器技术计算机技术计算机技术通通 信信 技技 术术感感 官官大大 脑脑神神 经经现代信息技术现代信息技术信息系统信息系统无线传感器网络无线传感器网络传感器网络n传感器网络的三个基本要素：n传感器，感知对象，观察者n传感器网络的基本功能n协作地感知、采集、处理和发布感知信息二、传感器网络的发展第一阶段第一阶段最早可以追溯二十世纪最早可以追溯二十世纪7070年代
4、越战时期使用的年代越战时期使用的传统的传感器系统。传统的传感器系统。胡志明小道胡志明小道胡志明小道胡志明小道热带树热带树热带树热带树轰炸机轰炸机有线有线/无线连接无线连接第二阶段第二阶段19991999年商业周刊将传感器网络年商业周刊将传感器网络列为二十一世纪最具影响的列为二十一世纪最具影响的2121项技术之一项技术之一 。二十世纪二十世纪8080年代年代至至9090年代之间年代之间第三阶段第三阶段2121世纪开始至今世纪开始至今20012001911911事件事件20022002橡树岭实验室提出橡树岭实验室提出“网络就是传网络就是传感器感器”。2003200320062006美国美国技术评论
5、技术评论杂志评出深远杂志评出深远影响人类未来生活的十大新兴技影响人类未来生活的十大新兴技术，传感器网络列为第一术，传感器网络列为第一 。我国发布我国发布国家中长期科学与技国家中长期科学与技术发展规划纲要术发展规划纲要。巨型机巨型机 小型机小型机 工作站工作站 PC PDA WSNWSN 节点等节点等 生物芯片生物芯片 计算设备的演化历史计算设备的演化历史三、传感器网络的网络结构nsink-汇聚点nsensor node-传感器节点nsensor field-监测区域传感器网络的常用逻辑结构图传感器传感器1 1传感器传感器2 2传感器传感器N N无线链路无线链路无线接口无线接口模块模块监控主机监
6、控主机n传感器节点功能：采集、处理、控制和通信等网络功能：兼顾节点和路由器资源受限：存储、计算、通信、能量nSink节点功能：连接传感器网络与Internet等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，发布管理节点的监测任务，转发收集到的数据。特点：连续供电、功能强、数量少等传感器节点n传感器模块：信息采集、数据转换n处理器模块：控制、数据处理、网络协议n无线通讯模块：无线通信，交换控制信息和收发采集数据n能量供应模块：提供能量传感器网络的特点n大规模网络：地理区域大；部署密集n提高信噪比；提高监测精度；增强容错性；减少盲区n自组织网络：不确定性；拓扑结构变化n资源受限：计算、存储、通讯、能
7、量n动态拓扑：节点故障；通讯故障；移动性；节点加入n可靠网络：适应环境条件；鲁棒性、容错性n应用相关：没有统一的通信协议平台n以数据为中心传感器节点的限制n电源能量有限n通信能力有限n计算和存储能力有限传感器网络概述与ad hoc的不同WSN结点数量更为庞大多数节点为静止节点分布更为密集能量约束结点更容易出错拓扑结构变化频繁Ad hoc几十至上百个节点局域网节点全移动结构变化（移动）能量可连续提供点到点通信四、传感器网络应用无人干扰监测无人干扰监测鸟鸟 巢巢海海 燕燕大大 鸭鸭 岛岛桥桥 梁梁 监监 测测健健 康康 监监 测测海海 洋洋 监监 测测环环 境境 监监 测测韩国济州岛智能渔场韩国济
8、州岛智能渔场北京大兴区菊花基地北京大兴区菊花基地克尔斯博公司克尔斯博公司沈阳玫瑰园沈阳玫瑰园二零零八年五月十二二零零八年五月十二日汶川地区发生强烈日汶川地区发生强烈地震地震联合国维和部队联合国维和部队伊伊 拉拉 克克微型感应传感器网络微型感应传感器网络核武器和生化武器核武器和生化武器美军未来战斗系统的战场警戒示意图传感器节点传感器节点通行车辆通行车辆枪声定位反恐系统枪声定位反恐系统美国美国F-22F-22猛禽战斗机猛禽战斗机机外传感器网络机外传感器网络 美军美军“沙地直线沙地直线”项目项目无线链路无线链路目标探测、目标探测、分类和跟踪分类和跟踪传感器节点传感器节点传感器节点传感器节点节点封装示
9、例（一）节点封装示例（一）特点：表面光滑可以滚动自动调整姿态位置万向节固定架设计节点封装示例（二）节点封装示例（二）特点：底基重量大自正位“悬垂钟摆”式电路板飞机抛撒“狼群狼群”地面传感器网络地面传感器网络美军共计完成美军共计完成2323项传感器网络项目项传感器网络项目网络工程专业网络工程专业五、传感器网络关键技术六、传感器网络的协议n能源管理平台：管理传感器节点如何使用能量；n 移动管理平台：检测和注册传感器节点的移动，维护到汇聚点的路由，使得传感器节点能够跟踪它的邻居；n 任务管理平台：在一个给定的区域内平衡和调度监测任务物物 理理 层层数据链路层数据链路层网网 络络 层层传传 输输 层层
10、应应 用用 层层能能 量量 分分 配配移移 动动 管管 理理应应 用用 优优 化化传感器网络的协议栈传感器网络物理层（1）n传输媒体n建议采用ISM（工业、科学和医学）频段n短距离的无线低功率通信最适合传感器网络n红外n不需要许可证，抗干扰n要求收发双方在视线之内n光n不排除用光作为通信媒体传感器网络物理层（2）n频率选择，载频发生，信号检测，调制，数据加密n信号传播n传播信号需要的最小发送功率和传输距离d的n次方（）成正比，2=n 4.n为了减小传输距离，传感器网络采用多跳（multihop）通信方式nd传感器网络MAC协议的功能（1）n功能n无线信道的使用 建立传感器网络的基础结构n考虑因
11、素n节省能量n可扩展性n链路带宽分配的公平性、带宽利用率、延时性能等 目前普遍认为这三个方面的重要性依次递减MAC协议的能量浪费因素（2）n空闲侦听：节点不知道邻居节点何时向自己发送数据，射频收发模块必须一直处于工作状态，消耗大量能源，是无效能耗的主要来源。n冲突：同时向同一节点发送多个数据帧，信号相互干扰，接收方无法准确接收，重发造成能量浪费n串扰：接收和处理发往其他节点的数据属于无效功耗。n控制开销：控制报文不传送有效数据，消耗的能量对用户来说是无效功耗。传感器MAC协议的节能策略（3）n尽量让传感器节点处于睡眠状态；n 减少传感器节点之间的碰撞；n 减少接收到自己不需要接收的数据分组；（
12、overhearing）n 减少控制消息的开销。WSN MAC协议（4）n基于竞争nS-MAC/T-MAC/Siftn基于TDMA的nDEAN/TRAMA/DMAC/周期性消息调度n其它nSMACS/EARnCSMA/CA和CDMA结合WSN路由协议（1）n已有网络ad hoc、蜂窝主要目标通信服务质量 带宽利用率n传感器网络主要目标高效使用能源 延长网络系统的生存期WSN路由协议（2）n特点n基于局部拓扑信息n数据为中心（不知道目的节点的编号，甚至向哪个区域）n要求n能量高效（协议简单|开销小|节省能量/均衡消耗）n可扩展性（网络范围/节点密度）n鲁棒性（节点变化|拓扑变化）n快速收敛性WS
13、N路由协议（3）n能量感知路由n能量路由/能量多路径路由n查询路由n定向扩散路由(DD)/谣传路由n地理路由nGPRS/GEAR/GEM/边界定位路由n可靠路由nReInform/SPEED/多路径路由WSN传输层（1）n当传感器网络中的系统需要接入Internet 或其它外部网络时，传输层的功能是必要的n目前关于传感器网络传输层机制和协议的建议很少n存在的问题n硬件的限制（例如有限的电能和存储量）使传感器节点不能像Internet中的服务器那样存储大量的数据nTCP的应答方式开销太大n将来有可能在传感器网络中使用类似于UDP的协议，而在Internet和卫星网络中使用TCP/UDP协议WSN
14、传输层（2）n一种TCP分段（TCP splitting）的方法可能使传感器网络和其它网络（如Internet)互通WSN应用层n应用层协议还处于探索阶段n三种可能的应用层协议n传感器管理协议 Sensor management protocol(SMP)n任务分配和数据通告协议 task assignment and data advertisement protocol(TADAP)n传感器询问和数据分发协议 Sensor query and data dissemination protocol(SQDDP)WSN 时间同步（1）n时间同步是传感器网络的基本功能nMAC/跟踪/监测n时间
15、同步需要的多样性（目标跟踪例子）n传感器网络时间同步的性能参数n最大误差n同步期限n同步范围n效率n代价和体积WSN时间同步机制（2）nTPSN（Timing-sync Protocol for Sensor Networks）nRBS（Reference Broadcast Synchronization）nTINY/MINI-SYNCnDMTS（Delay Measurement Time Synchronization）nPCS（Probabilistic Clock Synchronization）WSN定位机制（1）n定位是传感器网络的基本功能n报告事件发生的地点n目标跟踪和定位n协
16、助路由n进行网络管理WSN定位机制（2）n特殊性n体积、成本（GPS不能普遍适用）n能耗有限、可靠性差n节点的规模大、随机布放n无线模块通信距离有限n环境要求（室内、室外）WSN定位机制（3）n基于距离的定位机制n到达时间定位算法（TOA）n不同到达时间定位算法（TDOA）n到达角度定位定位算法（AOA）n接收信号强度定位算法（RSSI）n距离无关的定位机制n质心定位算法（Centroid）n距离向量-跳段定位算法（DV-HOP）n自组织定位算法（Amorphous Positioning)n近似的点在三角形中定位算法（APIT)无线传感器网络的研究进展n军事领域n美国陆军的研究计划n“灵巧传
17、感器网络通信”（20012005，通用通信基础设施）n“无人值守地面传感器群”（支持陆军更广阔视野）n“战场环境侦察与监视系统”（侦察和情报）n美国海军的研究计划n“传感器网络系统”（战术和战略级的传感器信息管理）n“网状传感器系统CEC（Cooperative engagement capability)(装载在舰艇和战斗机群上，进行高精度侦察）n美国国防部nSmart Sensor Web，5个尖端研究领域之一 （以Web为中心的传感器信息分发和融合网络）n美国Sandia国家实验室和能源部 （发现对地铁、车站的生化武器袭击）无线传感器网络的研究进展n民用领域n美国交通部n国家智能交通系统
18、项目规划，1995开始，2025投入使用（用传感器网络进行地面交通管理）nIntel公司n基于微型传感器网络的新型计算发展项目，2002发布 开发超微型传感器 MOTE（尘粒）Smart dust(智能灰尘）无线传感器网络的研究进展n学术和科技界n美国自然科学基金委（NSF）推动下，很多高校开展研究n英国、意大利、日本等国的大学和研究机构n学术科技界的研究集中在网络技术、通信协议、感知数据查询处理技术和应用试验等方面无线传感器网络的研究进展n中国研究进展和现状n高校和研究机构传感器网络的影响n传感器网络将物理世界和信息技术连接起来n传感器网络具有改造社会的潜力，将来广阔的应用领域使得传感器网络成为我们生活中不可缺少的部分n传感器网络已经引起国内外科技界和工业界高度重视传感器网络的影响改变世界的十个新兴技术未来四大高技术将掀起新产业浪潮WSN的关键技术n关键网络技术n拓扑控制n网络协议n网络安全n时间同步n定位技术n数据融合n数据管理n无线通信技术n嵌入式系统n应用层技术n核心问题n能源n传感器n封装n部署n资源受限下的网络机制n大规模下的网络机制
