《传感器网络》PPT课件.ppt

传感器网络的概念与问题传感器网络的概念与问题 李建中李建中 计算机科学技术学院计算机科学技术学院 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 传感器网络的概念传感器网络的概念 传感器接近感知对象传感器接近感知对象 传感器仅产生数据流传感器仅产生数据流 传感器无计算能力传感器无计算能力 无传感器间通信能力无传感器间通信能力 SensorsSensors ObjectObject 信号分析信号分析 传统的感知方法传统的感知方法 有线/无线连接 现代感知方法现代感知方法 Sensing AreaSensing Area ObjectObject UserUser端端 传感器网络覆盖传感器网络覆盖感知对象区域感知对象区域 每个传感器完成其临近感知对象的观测每个传感器完成其临近感知对象的观测 多传感器协同完成感知区域的大多传感器协同完成感知区域的大观测任务观测任务 使用多跳路由算法向用户报告使用多跳路由算法向用户报告观测结果观测结果 SinkSink InternetInternet 或或 通信卫星通信卫星 Sensor networkSensor network UserUser端端 n n 现代微型传感器现代微型传感器 uu感知能力感知能力计算能力计算能力通信能力通信能力 uu体积小体积小 uu能耗小能耗小 uu由六部分组成由六部分组成 Nested Nested SoftwareSoftwarePower UnitPower Unit Sensing UnitSensing Unit SensorSensorADCADC Processing Processing UnitUnit CommunicationCommunication Unit Unit StorageStorage n n 现代传感器网络现代传感器网络 uu传感器技术传感器技术嵌入式计算技术嵌入式计算技术分布式信息分布式信息 处理技术处理技术无线通信技术无线通信技术 uu传感器节点密集传感器节点密集 uu传感器节点静止或移动传感器节点静止或移动 uu具有通信路径自组织能力具有通信路径自组织能力( (Ad HocAd Hoc) ) uu感知信息通过多跳的方式传输给用户感知信息通过多跳的方式传输给用户 传感器网络是传感器网络是大量大量的静止或的静止或移动移动的的传感器传感器以以 自组织和多跳的方式构成的无线网络的方式构成的无线网络, , 其目其目 的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆 盖地理区域内感知对象的盖地理区域内感知对象的监测信息监测信息, , 报告给报告给 用户用户. . 传感器网络的定义传感器网络的定义 军事应用军事应用: : 作战环境侦查与监控作战环境侦查与监控 军事侦查、情报获取军事侦查、情报获取 战场监测与指挥战场监测与指挥 民事应用民事应用: : 环境监测环境监测 交通管理交通管理 灾难预防灾难预防( (如森林火灾监测如森林火灾监测) ) 危险区域监测危险区域监测 有灭绝危险或珍贵动物的跟踪监护有灭绝危险或珍贵动物的跟踪监护 民用和工程基础设施的安全性监测民用和工程基础设施的安全性监测 等等，等等等等，等等 n传感器网络是扩大人类感知能力的一场革命 n传感器网络可以为增加 “耳、鼻、眼、舌” 等 感知能力 传感器网络的应用传感器网络的应用 大地监测大地监测 环境监测 Contaminant Flow MonitoringContaminant Flow Monitoring Sensor Sensor attached to attached to every vehicle.every vehicle. Capable of Capable of detecting their detecting their location, location, vehicle sizes, vehicle sizes, speeds and ; speeds and ; road road conditionsconditions Alternate Alternate routes, estimate routes, estimate trip timestrip times Traffic ControlTraffic Control Biological SystemsBiological Systems 作战环境侦查作战环境侦查 战场监测与指挥战场监测与指挥 传感器网络的特点传感器网络的特点 与挑战与挑战 n n 通信能力有限通信能力有限 uu节点带宽窄，而且经常变化节点带宽窄，而且经常变化 uu节点通信覆盖范围只有几十到几百米，节点通信覆盖范围只有几十到几百米， 而且经常变化而且经常变化 挑战之一挑战之一 如何在如此有限通信能力的条件下如何在如此有限通信能力的条件下, , 高质量地高质量地 完成感知数据的查询、分析、挖掘与传输？完成感知数据的查询、分析、挖掘与传输？ 在传感器网络环境下，发现最小化算法通信复在传感器网络环境下，发现最小化算法通信复 杂性的机理是我们面临的第一个挑战问题！杂性的机理是我们面临的第一个挑战问题！ n n 多源、多跳是主要通信方式多源、多跳是主要通信方式 uu多个传感器节点向一个目标传送信息多个传感器节点向一个目标传送信息 uu一次多源信息传输需要多条由多个传感一次多源信息传输需要多条由多个传感 器节点组成的路径器节点组成的路径 挑战之二挑战之二 如何为多源信息传输选择优化通信路径？如何为多源信息传输选择优化通信路径？ 在传感器网络环境下，建立选择优化或近似优化在传感器网络环境下，建立选择优化或近似优化 通信路径的理论是我们面临的第二个挑战问题！通信路径的理论是我们面临的第二个挑战问题！ n n 节点移动、断接频繁节点移动、断接频繁 uu在移动网络中，节点移动频繁在移动网络中，节点移动频繁 uu节点间通信的断接频繁，导致通信失败节点间通信的断接频繁，导致通信失败. . uu经常受到高山、建筑物、障碍物等地势地貌经常受到高山、建筑物、障碍物等地势地貌 以及风雨雷电等自然环境的影响以及风雨雷电等自然环境的影响, , 因此传感因此传感 器可能会长时间脱离网络器可能会长时间脱离网络, , 离线工作离线工作 挑战之三挑战之三 通信路径重构成为突出问题？路由算法必须具通信路径重构成为突出问题？路由算法必须具 有自适应性？有自适应性？ 如何建立网络随机连通性的数据理论，为通信如何建立网络随机连通性的数据理论，为通信 路径重构和自适应路由算法设计奠定坚实理论路径重构和自适应路由算法设计奠定坚实理论 基础是我们面临的第三个挑战问题？基础是我们面临的第三个挑战问题？ n n 电源能量有限电源能量有限 uu传感器的电源能量极其有限传感器的电源能量极其有限 uu由于电源能量的原因经常失效或废弃由于电源能量的原因经常失效或废弃 uu电源能量约束是传感器网络应用的障碍电源能量约束是传感器网络应用的障碍 uu现有电源部件不能满足传感器网络的需要现有电源部件不能满足传感器网络的需要 uu传感器传输信息比执行计算更消耗电能传感器传输信息比执行计算更消耗电能 FF传感器传输传感器传输1 1位信息需要的电能足以执行位信息需要的电能足以执行 30003000条计算指令条计算指令 挑战之四挑战之四 如何传感器网络在工作过程中节省能，如何传感器网络在工作过程中节省能， 实现能源均衡，最大化网络生命周期？实现能源均衡，最大化网络生命周期？ 建立能源复杂性和能源均衡理论是我们建立能源复杂性和能源均衡理论是我们 面临的第四个挑战性问题！面临的第四个挑战性问题！ n n 计算能力有限计算能力有限 uu传感器网络中传感器通常都具有嵌入式处理传感器网络中传感器通常都具有嵌入式处理 器和存储器，具有计算能力器和存储器，具有计算能力 uu但是，处理器性能、存储器容量和能源都很但是，处理器性能、存储器容量和能源都很 有限，导致传感器的计算能力十分有限有限，导致传感器的计算能力十分有限 挑战之五挑战之五 如何使用大量具有有限计算能力的传感器设计能如何使用大量具有有限计算能力的传感器设计能 源有效的高性能分布式算法源有效的高性能分布式算法? ? 设计同时最小化能源、时间、空间和通信复杂性设计同时最小化能源、时间、空间和通信复杂性 的分布式算法是我们面临的第五个挑战性问题！的分布式算法是我们面临的第五个挑战性问题！ n n 传感器数量大、分布范围广传感器数量大、分布范围广 uu传感器网络中传感器节点密集，数量巨传感器网络中传感器节点密集，数量巨 大，可能达到几百、几千万，甚至更多大，可能达到几百、几千万，甚至更多 uu传感器网络可以分布在很大区域，也可传感器网络可以分布在很大区域，也可 以分布在险恶环境下以分布在险恶环境下 uu传感器数量大、分布广的特点使得网络传感器数量大、分布广的特点使得网络 的维护十分困难甚至不可维护的维护十分困难甚至不可维护 挑战之六挑战之六 如何使传感器网络软硬件具有高强壮性和如何使传感器网络软硬件具有高强壮性和 容错性是我们面临的第六个挑战性问题！容错性是我们面临的第六个挑战性问题！ n n 大规模分布式触发器大规模分布式触发器 uu很多传感器网络需要对感知对象进行很多传感器网络需要对感知对象进行 控制（如温度控制）控制（如温度控制） uu传感器需要配备回控装置和控制软件传感器需要配备回控装置和控制软件 uu我们称回控装置和控制软件为触发器我们称回控装置和控制软件为触发器 挑战之七挑战之七 如何管理成千上万分布式触发器是我如何管理成千上万分布式触发器是我 们面临的第七个挑战性问题？们面临的第七个挑战性问题？ n n 感知数据流无限感知数据流无限 uu传感器网络每个传感器都产生无限的传感器网络每个传感器都产生无限的 流式数据，并具有实时性流式数据，并具有实时性 uu每个传感器仅具有有限的存储器和计每个传感器仅具有有限的存储器和计 算资源，难以处理巨大的实时数据流算资源，难以处理巨大的实时数据流 挑战之八挑战之八 如何设计高效率、能源有效、实时的海量感知如何设计高效率、能源有效、实时的海量感知 数据流的查询、分析和挖掘的分布式算法？数据流的查询、分析和挖掘的分布式算法？ n n 以数据为中心以数据为中心 uu传感器网络不是通常的网络传感器网络不是通常的网络 FF用户感兴趣的是数据而不是网络和传感器硬件用户感兴趣的是数据而不是网络和传感器硬件 用户很少询问用户很少询问“A A节点到节点到B B节点的连接是如何实现的？节点的连接是如何实现的？ ” ” 用户经常询问用户经常询问“网络覆盖区域中那些地区出现毒气？网络覆盖区域中那些地区出现毒气？ ” FF传感器网络不是以地址为中心的传感器网络不是以地址为中心的 用户不会询问用户不会询问“地址为地址为2727的传感器的温度是多少？的传感器的温度是多少？” 用户感兴趣是用户感兴趣是“某个地理位置的温度是多少？某个地理位置的温度是多少？” 数据传输以聚集方式进行数据传输以聚集方式进行, ,而不是地址到地址的路由而不是地址到地址的路由 uu传感器网络是以数据为中心的网络传感器网络是以数据为中心的网络 FF把传感器视为感知数据流或感知数据源把传感器视为感知数据流或感知数据源 FF把传感器网络视为感知数据空间或数据把传感器网络视为感知数据空间或数据 库库 FF把数据管理和处理作为网络的应用目标把数据管理和处理作为网络的应用目标 挑战之九挑战之九 如何建立以数据为中心的传感器网络？如何建立以数据为中心的传感器网络？ n n 以感知数据管理和处理为中心以感知数据管理和处理为中心; ; n n 把数据管理和处理技术与网络技术融为一体把数据管理和处理技术与网络技术融为一体; ; n n 为用户提供有效的感知数据空间或感知数据库为用户提供有效的感知数据空间或感知数据库; ; n n 使用户如同使用通常的数据库系统和数据处理使用户如同使用通常的数据库系统和数据处理 系统一样自如地使用感知数据系统一样自如地使用感知数据 . . 传感器网络数据管理系统的理论和技术是传感器网络数据管理系统的理论和技术是 我们面临的第九个挑战性问题！我们面临的第九个挑战性问题！ n n 需要多种多样的感知器需要多种多样的感知器 uu物理传感器物理传感器 uu生物传感器生物传感器 uu化学传感器化学传感器 uu 挑战之十挑战之十 如何建立新感知器概念、理论、技术如何建立新感知器概念、理论、技术 和各种新型感知器是我们面临的第十和各种新型感知器是我们面临的第十 个挑战性问题？个挑战性问题？ n n 其