第一 WSN概述.ppt

无线网络技术及应用 课程目的学时分配 32个学时 实验学时专业课程 专业课 较新课程重点 无线传感器网络 什么是 使用的教材 教材的购买 教学内容 第一章概述 基本概念 应用 发展 结构 主要技术问题等 第三章传感器网络的通信与组网技术 协议 物理层 数据链路层 网络层 第四章传感器网络的支撑技术 同步技术 定位技术 能量管理 安全等 第五章传感器网络的应用开发基础第六章传感器网络协议的技术标准 802 15 4 ZIGBEE等 教材的第二 七 八章略去不讲教学的基本思想 通过本课程了解传感器网络技术的基础 概念 发展 应用 热点 基本技术及相关理论 一定的动手实践 根据课时情况 可能会做适当的删减补充相关的 有用的内容 兼顾目前的发展 授课以使用的教材为基础 需要时会适当补充有用的信息与知识 第一章概述 一 什么是无线传感器网络 二 传感器网络的发展历史 三 传感器网络的应用情况 四 传感器网络的结构 五 传感器网络的关键技术 通过第一章的学习达到如下目的 了解传感器网络的定义 特点了解传感器网络的结构结点结构网络结构理解相关基本概念例如 网络协议 拓扑控制 能量管理等了解传感器网络的发展情况了解传感器网络的应用情况了解传感器网络的关键技术 一 什么是无线传感器网络 无线网络的分类什么是无线传感器网络 1 无线网络的分类 无线网络可以分为2种 如图1 1所示如何划分无线网络 是否有基站 结点是否移动无线网络的典型例子 无线蜂窝网络AdHoc网络与传感器网络对比 P 2 3pa2 4L6 无线网络 有基础设施网 无基础设施网 移动Adhoc网络 无线传感器网络 什么是无线传感器网络 无线传感器网络定义 无线传感器网络功能无线传感器网络特点无线传感器网络要素无线传感器网络的系统构架 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 无线传感器网络 术语的标准定义 传感器技术 计算机技术 通信技术 感官 大脑 神经 现代信息技术 信息系统 无线传感器网络 什么是无线传感器网络 无线传感器网络定义 无线传感器网络功能无线传感器网络要素无线传感器网络特点无线传感器网络的系统构架 图1 3 物理层 数据链路层 网络层 传输层 应用层 能量分配 移动管理 应用优化 传感器节点实物示例 二 传感器网络的发展历史 计算设备的演化历史 发展历程 一 二十世纪70年代 冷战时期的声音监测系统 SoundSurveillanceSystem SOSUS 空中预警与控制系统 AirborneWarningandControlSystem AWACS 1980年 DARPA的分布式传感器网络项目 DistributedSensorNetworks DSN 1994年 加州大学洛杉矶分校的WilliamJ Kaiser向DARPA提交建议书 LowPowerWirelessIntegratedMicrosensors 里程碑 二十世纪80年代至90年代之间 美国海军研制的协同交战能力系统 CooperativeEngagementCapability CEC 用于反潜的确定性分布系统 FixedDistributedSystem FDS 和高级配置系统 AdvancedDeploymentSystem ADS 以及远程战场传感器网络系统 RemoteBattlefieldSensorSystem REMBASS 和战术远程传感器系统 TacticalRemoteSensorSystem 等无人看管地面传感器网络系统 发展历程 二 1998年 Gregory J Pottie阐释了WSN的科学意义 DARPA巨资启动了SensIT项目 目标是实现 超视距 战场监测 1999年9月 商业周刊将其列位21世纪最重要的21项技术之一 橡树岭国家实验室 OakRidgeNationalLaboratory ORNL 提出了 网络就是传感器 NetworkisSensor 的论断 2001年1月 MIT技术评论 将WSN列于十种改变未来世界新兴技术之首 2003年8月 商业周刊 预测 WSN和其他三项信息技术将会在不远的将来掀起新的产业浪潮 2004年 IEEESpectrum 杂志发表一期专集 传感器的国度 论述WSN的发展和可能的广泛应用 我们国家未来20年预见技术的调查报告 信息领域157项技术课题中有7项与传感器网络直接相关 2006年初发布的 国家中长期科学与技术发展规划纲要 为信息技术确定了三个前沿方向 其中两个与WSN的研究直接相关 即智能感知技术和自组织网络技术 三 传感器网络的应用情况 WSN的应用 目标跟踪大鸭岛海燕监测冰河监测医疗健康电子牧场结构化监测火山观测 目标跟踪 大鸭岛海燕监测 大鸭岛海燕监测 无人干扰监测 鸟巢 海燕 大鸭岛 冰河监测 冰河监测 利用WSN监测冰河的变化情况 目的在于通过分析冰河环境的变化来推断地球气候的变化 医疗健康 医疗健康 电子牧场 火山观测 火山观测 结构化监测 讨论题 请大家思考和组织课堂讨论 传感器网络还可以有哪些用途 四 传感器网络的结构 1 2 2传感器网络节点的结构 操作系统 TinyOS TinyOS是UCBerkeley的DavidCuller领导的研究小组为WSN量身定制的嵌入式操作系统 WSN对操作系统的特殊要求主要表现在 1 节点的计算资源有限 需要尽可能的减小系统开销 2 节点由电池供电 且要求较长的工作周期 因此需要系统的能耗管理策略与方案 包括操作系统的支持 3 节点的各模块之间需要一定的调度协调机制 同时支持并发控制 4 观测任务需要操作系统支持实时性 TinyOS简介 1 结点体系组成从无线联网的角度来看 传感器网络节点的体系由分层的网络通信协议 网络管理平台和应用支撑平台三个部分 1 2 3网络体系结构 结点与网络结构 1 网络通信协议类似于传统Internet网络中的TCP IP协议体系 它由物理层 数据链路层 网络层 传输层和应用层组成 P7 8 2 网络管理平台 网络管理平台主要是对传感器节点自身的管理和用户对传感器网络的管理 包括 拓扑控制服务质量管理能量管理安全管理移动管理网络管理等 关于拓扑控制的一个简单讨论 动机拓扑控制基本方法降低发送功率网络结构等评价指标 动机 一个密集网络 如下图所示 太多的结点处于通信里程之内 这样会带来如下问题 结点互相干扰 增加了通信协议的复杂度 例如 各种可能的路由方式很多 基本的解决方法 降低拓扑结构复杂度拓扑控制必须保持某些指标 例如连通不变性两种解决方法 降低发送功率 降低发送功率不要总是使用最大功率相比之前 拓扑结构简化了 如下图降低了串扰 采用分级结构 划分为多个簇划分网络为多个簇簇有一个簇头每一个结点属于一个簇 称为簇成员簇成员与簇头直接连接簇头构成支配集 举例 3 应用支撑平台 应用支撑平台建立在网络通信协议和网络管理技术的基础之上 包括一系列基于监测任务的应用层软件 通过应用服务接口和网络管理接口来为终端用户提供各种具体应用的支持 时间同步 定位 应用服务接口 网络管理接口 2 传感器网络的结构 根据节点数目的多少 传感器网络的结构可以分为平面结构 对等式结构 和分级结构 如果网络的规模较小 一般采用平面结构 如果网络规模很大 则必须采用分级网络结构 1 平面结构 1 平面结构 定义 平面结构的网络比较简单 所有节点的地位平等 所以又可以称为对等式结构 例如右图 优点 源节点和目的节点之间一般存在多条路经 网络负荷由这些路径共同承担 一般情况下不存在瓶颈 网络比较健壮 缺点 平面型的网络结构在节点的组织 路由建立 控制与维持的报文开销上都存在问题 这些开销会占用很大的带宽 影响网络数据的传输速率 另外 整个系统在宏观上将损耗很大的能量 还有一个缺点就是可扩充性差 2 分级结构 定义 在分级结构中 传感器网络被划分为多个簇 每个簇由一个簇头和多个簇成员组成 这些簇头形成了高一级的网络 簇头节点负责簇间数据的转发 簇成员只负责数据的采集 优点 这大大减少了网络中路由控制信息的数量 具有很好的可扩充性 缺点 问题就是簇头的能量消耗问题 簇头发送和接收报文的频率要高出普通节点几倍或十几倍 因而要求可以在簇内运行簇头选择程序来更换簇头 五 传感器网络的关键技术 通信能力有限节点通信覆盖范围只有几十到几百米 关键之一如何在有限的通信能力条件下 完成探测数据的传输 无线通信技术是第一项关键技术 电源能量有限通常电池供电 工作环境恶劣 一次部署终生使用 更换电池困难 关键之二如何节省电源 最大化网络的使用寿命 低功耗设计问题是第二项关键技术 计算能力有限节点体积小 处理器和存储器性能有限 不允许进行复杂算法的运算 关键之三嵌入式操作系统设计是第三项关键技术 自组织的动态网络传感器网络没有基站节点失效 新节点加入 导致网络拓扑结构的动态性 需要自动愈合 关键之四多跳自组织的网络路由是第四项关键技术 传感器网络是以数据为中心的网络用户感兴趣的是数据而不是网络和传感器硬件 关键之五如何建立以数据为中心的传感器网络 传感器网