无线传感器网络概述

1、无线传感器网络(wnglu)概述共六十页参考文献无线传感器网络技术及其应用 ，王汝传等，人民邮电出版社，2011年无线传感器网络技术导论 ，王汝传等，清华大学出版社，2012年无线传感器网络 ，王营冠等，电子工业出版社，2012年无线传感器网络技术及应用 ，熊茂华等，西安电子科技大学出版社，2014年无线自组织网络和对等网络原理与安全，易平等(pngdng)，清华大学出版社，2009年10月无线传感器网络通信协议，尚凤军，电子工业出版社，2011年6月第1版。无线传感网络测量系统，王雪，机械工业出版社，2008年3月无线传感器网络，孙利民、李建中、陈渝开等，清华大学出版社，2011年7月共六十

2、页Agenda概况网络概念体系结构协议栈基本特点发展现状(xinzhung)与趋势应用领域共六十页概述(i sh)信息的获取、存储、处理、传输和利用(lyng)已逐步深入到社会生产生活的各个层面无线传感器网络技术，被认为是二十一世纪最重要的技术之一，将对人类的生活方式产生巨大的影响。无线传感器网络集成了传感器技术、微机电系统技术、无线通信技术和分布式信息处理技术等前沿科技。它将逻辑上的信息世界和真实的物理世界紧密地结合起来，从而实现了无处不在的计算模式，最终实现物理世界、计算世界及人类社会三元世界的连通。共六十页概述(i sh)计算机网络地理位置(d l wi zh)不同的，具有独立功能的多台

3、计算机及其外部设备通过通信链路连接起来，在网络操作系统，网络管理软件以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。无线网络利用无线电波作为信息传输的媒介构成的无线局域网（WLAN），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。共六十页无线传感器网络(wnglu)的概念无线传感器网络的概念(ginin)并不统一国内外比较流行的无线传感器网络的解释主要包括以下四种。共六十页无线传感器网络(wnglu)的概念解释一:无线传感器网络是由若干具有无线通信能力(nngl)的传感节点自组织构成的网络。它起源于1978年美国国防部

4、高级研究计划局资助卡耐基梅隆大学进行分布式传感器网络的研究项目，由美国军方提出。当时没有考虑互联网及智能计算等技术的支持，强调无线传感器网络是由节点组成的小规模自组织网络。共六十页无线传感器网络(wnglu)的概念解释二:泛在无线传感器网络(Ubiquitous Sensor Network, USN)是由智能传感器节点组成的网络，可以以“任何地点，任何时间，任何人，任何物”的形式被部署。该技术(jsh)具有巨大的发展潜力，能够推动新的应用和服务，涉及安全保卫环境监测到推动个人生产力和增强国家竞争力等领域。此定义由ITU-T于2008年2月的研究报告Ubiquitous Sensor Netw

5、ork中提出，该解释强调任何时间，任何地点，任何人，任何物的互联。共六十页无线传感器网络(wnglu)的概念解释三 :无线传感器网络以对物理世界的数据采集和信息处理为主要任务，以网络为信息传递载体，实现物与物、物与人之间的信息交互，提供信息服务的智能网络信息系统。此定义由我国信息技术委员会所属传感器网络标准工作组于2009年9月的工作文件中提出；它综合了微传感器、分布式信号处理、无线通信网络和嵌入式计算等多种先进信息技术，能对物理世界进行信息采集、传输和处理，并将处理结果以服务形式发布给用户；此解释重点(zhngdin)强调网络化信息系统。共六十页无线传感器网络(wnglu)的概念国内传感器网

6、络标准化工作组关于无线传感器网络的最新定义为：利用无线传感器网络节点，及其他网络基础设施，对物理世界进行信息采集，并对采集的信息进行传输和处理(chl)，以及为用户提供服务的网络化信息系统。共六十页无线传感器网络(wnglu)的概念解释四 :无线传感器网络是一感知为目的，实现人与人、人与物、物与物全面互联的网络。其突出特征是通过传感器等方式，获取物理世界的各种信息，结合互联网、移动通信网站进行信息的传送与交互，采用智能技术对信息进行分析处理，从而提升对物质(wzh)世界的感知能力，实现智能化的决策和控制。自定义出自工业和信息化部、江苏省联合向国务院上报的关于支持无锡建设国家传感网创新示范区（国

7、家传感信息中心）情况的报告此解释突出感知地位，强调智能化的决策和控制。共六十页无线传感器网络(wnglu)的概念传感器网络的三个基本要素传感器感知(gnzh)对象观察者传感器网络的基本功能协作地感知、采集、处理和发布感知信息共六十页无线传感器网络(wnglu)的体系结构无线传感器网络是集如下功能于一体的有机自知(z zh)整体：信息感知(Sensing)信息处理(Processing)信息传送(Transmitting)信息提供(Provisioning)共六十页无线传感器网络(wnglu)的体系结构传统的感知方法传感器接近(jijn)感知对象传感器仅产生数据流传感器没有计算能力传感器之间没有

8、通信能力传统的感知方法共六十页无线传感器网络(wnglu)的体系结构现代感知(gnzh)方法传感器网络覆盖感知对象区域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观测任务使用多跳路由下载向用户报告观测结果什么叫多跳？共六十页无线传感器网络(wnglu)的体系结构单跳无限单跳网络中所有源节点的数据报文只能发送给在其通信范围内的一个集中式（如基站），由该节点通过(tnggu)有线方式转发到目的节点。如蜂窝网络、WiFi无线局域网络均属于无线单跳网络。共六十页无线传感器网络(wnglu)的体系结构多跳在无线网络中，任何无线设备节点都可以同时作为AP和路由器，网络中的每个节点都可以发

9、送和接收信号，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。无线多跳网络中源节点的数据(shj)报文通过多个相继的无线链路，以无线多跳的方式发送到目的节点。共六十页无线传感器网络(wnglu)的体系结构多跳网络 （Multi-hop Network）在无线多跳网络中，源节点到目的节点之间的典型路径是由多跳组成的，该路径上的中间节点充当转发节点。无线多跳网络中一个节点具有两种功能：首先节点可以充当端节点产生或接受(jishu)数据分组其次节点可以充当路由器，对来自其它节点的数据分组进行转发。如无线Ad Hoc网络、无线传感器网络、无线Mesh网络均属于无线多跳网络。共六十页无线传感器网络(w

10、nglu)的体系结构通常包括：传感(器)节点（Sensor Node）汇聚节点（Sink, 网关）互联网或通信卫星(tngxn wixng)管理节点典型的无线传感器网络结构共六十页无线传感器网络(wnglu)的体系结构传感器节点传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，具有：感知、采集物理环境数据的能力(nngl)计算和存储数据的能力通信能力兼顾节点和路由器功能共六十页无线传感器网络(wnglu)的体系结构传感器节点每个传感器节点既具有传统网络节点的终端功能，也具有路由器功能（多跳）除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其他节点协作完成一些特

11、定任务。网络装传感器节点的地位相同各个节点之间可独立采集相关(xinggun)信息，并可通过传感器节点间的相互通信共享彼此之间的信息。共六十页无线传感器网络(wnglu)的体系结构传感器节点资源受限计算能力、存储能力和通信能力都相对较弱。目前常见的传感器节点一般通过能量(nngling)有限的电池供电，所以通常传感器节点的电源能量有限。共六十页无线传感器网络(wnglu)的体系结构传感器节点的组成传感器模块：信息采集，数据转换(zhunhun)处理器模块：控制、数据处理、网络协议无线通信模块：无线通信、交换控制信息、收发采集数据能量供应模块：提供能量共六十页无线传感器网络(wnglu)的体系结

12、构汇聚节点功能：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，转发收集到的数据汇聚节点是传感器网络中的网关设备，其处理能力、存储能力和通信能力比传感器节点强，没有感知(gnzh)能力，但一般有充足、稳定的固定电源为其供电。特点：连续供电、功能强、数量少共六十页无线传感器网络(wnglu)的体系结构汇聚节点汇聚节点通过无线方式连接传感器网络通过有线或具有可靠通信质量的无线接入网络连接internet等外部网络充当基站管理设备和传感器网络之间的通信员可以(ky)实现两种通信协议栈之间的通信协议转换可以发布基站管理设备的检测任务并把收集的传感数

13、据转发到外部网络中。共六十页无线传感器网络(wnglu)的体系结构管理节点管理节点一般即为普通的计算机系统充当无线传感器网络服务器的角色通过(tnggu)与传感器汇聚节点的信息传递来监控整个网络的数据和状态共六十页无线传感器网络技术(jsh)体系(1)物理层数据链路层网络层传输层应用层能量管理平台移动(ydng)管理平台任务管理平台共六十页无线传感器网络(wnglu)技术体系(1)物理层物理层主要实现以下基础的无线通信技术，保证为网络(wnglu)提供基础的良好的无线电收发技术：载波频率选择信号的调制解调发射、传输、信号检测与接收等物理层直接决定着无线传感器网络节点的体积大小，成本及功耗传输媒

14、介主要有无线电波、红外光波等共六十页无线传感器网络(wnglu)技术体系(1)物理层的要求：需在多样、复杂(fz)的环境中工作，适应信道选择，适应节点密度变化，具有对干扰的适应性和鲁棒性；大多数传感节点都受能源限制，对频率准确性的要求不高，节能和较长的使用寿命，满足低功耗，低成本要求。共六十页无线传感器网络(wnglu)技术体系(1)物理层的要求：支持(zhch)连续数据流(高速率)，短报文(低速率)和混合(可变速率)数据传输模式支持短距离(1200m)和远距离(200m)传输，具有较大的覆盖范围共六十页无线传感器网络(wnglu)技术体系(1)物理层的要求：与现存标准兼容IEEE802.15

15、.4描述了低速率无线个人局域网的物理层和媒体接入控制协议是ZigBee,WirelessHART, MiWi规范的基础(jch)RFID (Radio Frequency Identification技术，又称无线射频识别)802.11 b/g/n/ac (WIFI)ISO/IEC共六十页无线传感器网络(wnglu)技术体系(1)数据链路层包括逻辑链路层和媒体访问控制层(MAC)负责网格内两个节点之间的数据链路的建立、维持和释放实现传感节点间公平、高效的通信(tng xn)资源共享主要用于数据流的多路复用、数据帧的检测，媒体访问控制和差错控制，控制介质访问，控制节点通信过程和工作模式。共六十页

16、无线传感器网络技术(jsh)体系(1)数据链路层维护网络结构，使网内相邻节点间的相互通信，实现网内点到点的传输，为网络的多跳传输和自组特性提供底层支撑；为每一个传感器合理有效的分配(fnpi)信道资源；数据链路层在一定程度上实现数据传输的差错控制。差错控制前向纠错（FEC, Forward Error Correction)自动重复请求（ARQ, Automatic Repeat Quest)共六十页无线传感器网络技术(jsh)体系(1)网络层网络层主要实现数据融合，负责路由发现、路由维护和路由选择，使得传感器节点可以进行有效的相互通信；路由算法执行效率的高低直接决定了传感器节点收发控制性数据

17、与有效采集数据的比率；控制性数据越少，能量损耗越小；控制性数据越多，能量损耗越大。从而影响(yngxing)到整个传感器网络的生存时间；可见，路由算法是网络层的最核心内容。共六十页无线传感器网络(wnglu)技术体系(1)传输层主要负责数据流的传输控制，提供端到端的错误恢复和流量控制，在网络层的基础上为应用层提供节能、可靠和实时的高质量数据传输服务。无线传感器网络在通信可靠性方面的弱点和其本身的特点，使得传输层的设计面临极大(j d)的困难与挑战。共六十页无线传感器网络(wnglu)技术体系(1)应用层应用层通过协调控制整个网络，优化现有的网络资源，以获得：网络资源的最大利用率单个任务的最少消

18、耗量同时提供可操作的“人网交互”界面，主要(zhyo)功能是：提供面向用户的各种应用服务实现时间同步功能实现定位功能共六十页无线传感器网络技术(jsh)体系(1)应用层管理协议任务分配和数据公告协议传感器管理协议传感器查询(chxn)和数据分发协议共六十页无线传感器网络(wnglu)技术体系(1)能量管理平台管理传感器节点如何使用能源，在各个协议层都需要考虑节省能量移动管理平台检测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由，使得传感器节点能够(nnggu)动态跟踪其邻居的位置任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调动监测任务共六十页无线传感器网络(wnglu)技术体系(2)改进(gijn)后的

19、协议栈共六十页无线传感器网络技术(jsh)体系(2)改进后的协议栈定位(dngwi)子层和时间同步子层在协议栈中的位置比较特殊依赖于数据传输通道进行协作定位和时间同步协商为网络协议各层提供定位和同步信息支持基于时分复用的MAC协议基于地理位置的路由协议共六十页无线传感器网络(wnglu)的特点面向任务无线传感器网络(wnglu)是任务驱动的自组织系统，其关注的是对用户的任务需求的执行与反馈，其网络资源分配、节点组织方式与信息交互方式需要与任务需求相适应，而不是单纯关注网络连通性与通信服务质量的网络通信系统。共六十页无线传感器网络(wnglu)的特点传感器节点体积小，能量有限传感器节点各部分集成

20、度很高，具有体积小的优点通常携带能量十分(shfn)有限的电池由于传感器节点数目庞大、分布区域广、而且部署环境复杂，有些区域甚至人员不能到达，无法通过更换电池的方式来补充能量，所以在考虑传感器网络体系结构以及各层协议设计时，节能是设计的主要考虑目标之一。共六十页无线传感器网络(wnglu)的特点传感器节点计算和存储能力有限由于无线传感器网络应用的特殊性，要求传感器节点的价格低、功耗小，必然导致其携带的处理器能力比较弱，存储器容量比较小；因此，如何利用有限的计算和存储资源，完成诸多协同任务，也是无线传感器网络技术面临的挑战之一。事实上，随着低功耗电路和系统(xtng)设计技术的提高，目前已经开发

21、出很多超低功耗微处理器，同时，一般传感器节点还会配上一些外部存储器，目前的Flash存储器是一种可以低电压操作、多次写、无限次读的非易失存储介质。共六十页无线传感器网络(wnglu)的特点通信半径小，带宽低无线传感器网络是利用“多跳”来实现低功耗下的数据传输，因此其设计(shj)的通信覆盖范围只有几十米。和传统无线网络不同，传感器网络中传输的数据大部分是经过节点处理过的数据，因此流量较小。根据目前观察到的现象特性来看，传感数据所需的带宽很低 (1-100 kbit/s)。共六十页无线传感器网络(wnglu)的特点大规模组网由于单个传感节点的功能限制，需要布设大量节点以获得较大的覆盖范围，通过分

22、布式处理采集大量的信息以提高监测的精确度，同时利用大量节点的群集效应完成(wn chng)少数节点无法负担的任务。大规模特性给网络拓扑管理、维护与数据的QoS服务带来了巨大的挑战。共六十页无线传感器网络(wnglu)的特点自组织，网络安全性较差在大部分网络应用中，传感节点的布设往往具有随机性存在节点故障、无线链路不稳定等因素个别节点的损坏并不会影响整个无线传感器网络的运行，节点可以随时加入或离开网络，这要求节点具有自组织能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制(kngzh)机制和网络协议自动形成多跳无线网络系统。不需要固定网络的支持，具有快速展开、抗毁性强等特点共六十页无线传感器网络(wng

23、lu)的特点自组织，网络安全性较差需要特别考虑信道(xn do)加密，抗干扰等安全管理措施原因：无线传感器网络大规模部署，且采用无线信道、分布式控制等技术，使得它更容易受到被动窃听，主动入侵等攻击。共六十页无线传感器网络(wnglu)的特点高冗余节点数量众多、分布密集大量冗余节点的存在可以有效提高信息(xnx)采集的精确度，降低对单个节点功能的要求，同时提高网络连通性和可靠性共六十页无线传感器网络(wnglu)的特点以数据为中心，数据传输方向性强传感器网络的核心是感知数据，而不是网络硬件以数据为中心的特点要求传感器网络的设计必须以感知数据管理和处理为中心，把数据库技术和网络技术紧密结合，从逻辑

24、概念和软、硬件技术两个方面实现一个高性能的、以数据为中心的网络系统，使用户如同(rtng)使用通常的数据库管理系统和数据处理系统一样，自如地在传感器网络上进行感知数据的管理和处理。共六十页无线传感器网络(wnglu)的特点以数据为中心，数据传输方向性强数据的传输具有很强的方向性。一般情况下：查询、管理及配置等信息，是从用户向网络中的节点发布监测、事件驱动上报等信息，是从分布在监测区内(q ni)的传感节点向汇聚节点传送，进而到达用户。共六十页无线传感器网络(wnglu)的特点网络动态性强无线传感器网络中的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有一定的移动性，并且经常有新节点加入或已有节点失效

25、。网络的拓扑结构动态变化，传感器、感知对象和观察者三者之间的路径也随之变化，网络必须(bx)具有可重构和自调整性。因此，无线传感器网络具有很强的动态性。共六十页无线传感器网络(wnglu)的特点在网信息处理由于用户关心的是最终数据，而且无线传感器网络高冗余的特性，决定了其需要进行在网处理（In-network Processing),包括数据聚合(Data Aggregation)与协同处理等。通过网络处理可以降低数据冗余，提取有效数据，最小化数据传输以降低网络能耗，延长网络生存(shngcn)时间。共六十页无线传感器网络(wnglu)的研究现状美国2009年1月，IBM提出“智慧地球”以企业

26、战略体现国家战略欧盟2009年9月，物联网(lin wn)战略研究路线图提出了到2020年欧盟物联网的研究领域和研究路线共六十页无线传感器网络的研究(ynji)现状日本第一个提出“泛在”战略的国家，Ubiquitous.提出e-Japan战略，希望能推动日本本国的整体ICT基础建设提出u-Japan,建设4U泛在网络，支持Ubiquitous 任何时间，任何地点, Universal 简单易用和互操作User-oriented 面向用户的Unique 独具匠心的韩国u-Korea基于IP的传感器网基础设施(j ch sh sh)构建基本规划，2009年10月共六十页无线传感器网络的研究(ynji)现状中 国无线传感器网络技术已经成为我国信息领域少数位于世界前列(qinli)的技术之一。在无线传感器网络领域，我