第1章 无线传感网技术概述

无线传感网

无线传感器网络WirelessSensorNetworks（WSNs）杨茂云网络与通信系课程目的熟悉WSN的研究与发展掌握WSN的基本概念和关键技术掌握WSN的体系结构和网络协议教学目标【教学目标】讲授无线传感网的基本概念、基本原理、通信协议。【教学重点】无线传感网的基本概念、关键技术。掌握WSN网络体系结构、通信协议，包括信道接入技术、路由协议，以及各种支撑技术。【教学要求】理解无线传感器网络的基本概念，了解其发展史和发展现状和研究发展方向，掌握WSN网络结构和通信协议，了解WSN面临的新的问题。课程内容第一章WSN概述第二章物理层技术第三章信道接入技术第四章ZigBee协议第五章拓扑控制与路由技术第六章WSN支撑技术–定位与同步第七章WSN操作系统与仿真技术第八章WSN网络互连第九章WSN硬件设计与开发教师联系方式办公地点：9号楼709手机-mail：ymaoyun@163.comQQ:574816562推荐教学参考书孙利民等编.《无线传感器网络》.

清华大学出版社，2005王汝传等编.《无线传感器网络技术及其应用》.人民邮电出版社，2011卡拉维(EdgarH.CallawayJr)编、马伟明等译.《无线传感器网络:体系结构与协议》.电子工业出版社,2007。于宏毅等编《无线传感器网络理论、技术与实现》，国防工业出版社，2008第一章概述1.1无线传感网发展与现状1.2无线传感网体系结构1.3无线传感网主要特征1.4无线传感网关键技术1.5无线传感网应用范围课前思考问题什么是无线传感网？无线传感网的主要应用领域？无线传感网的基本理论？无线传感网的关键技术？什么是无线传感器网络无线传感器网络（wirelesssensornetwork，WSN），简称无线传感网。WSN是由具有感知、计算及通信能力的一群微小节点组成。这些节点部署在要监视的区域中，采集指定的环境参数，如温度、振动、化学浓度等，通过协作、自组织方式构成网络，并将数据发送到汇聚节点供用户分析。WSN不同于一般的通信网络，WSN的任务不是通信，而是要监视周围环境。传感器节点部署在要监视的区域中，采集指定的环境参数，并将数据发送到汇聚节点供分析使用。什么是无线传感器网络无线传感网就是由部署在监测区域内，由大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统。其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了传感器网络的三个要素。1.1无线传感网发展与现状国外：起源于美国，根源可追溯到1978年由国防部高级研究计划署（DARPA）在卡内基-梅隆大学发起的分布式传感器研讨会。具有代表性的项目包括：1993-1999年间由美国国防高级研究计划署(DARPA)资助，加州大学洛杉矶分校(UCLA)承担的WINS项目；1999-2001年间由DAPRA资助UC

Berkeley承担的Smart

Dust项目。1.1无线传感网发展与现状1998-2002年DARPA资助，加州大学伯克利分校等25个机构联合承担的SensIT计划；1999-2004年间海军研究办公室的SeaWeb计划等。1.1无线传感网发展与现状国内：中国的一些研究机构近年开始研究：中国科学技术大学、清华大学、中科院计算所、上海微系统所、沈阳自动化所以及合肥智能所等研究单位。以国内外都投入巨资研究机构纷纷开展无线传感器网络的研究，很大程度归功于其广阔的应用前景和对社会生活的巨大影响。课外作业（1）查阅我国自然科学基金就WSN方向的研究课题（2）查阅2010年以来，WSN研究方向和关键应用1.2无线传感网体系结构1.2.1无线传感网网络结构1.2.2无线传感网节点结构1.2.3无线传感网协议栈结构1.2.1无线传感网网络结构无线传感网网络结构如图1-1所示，传感网系统通常包括传感器节点（sensornode）、汇聚节点（sinknode）和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域（sensorfield）内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星或无线网络到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。任务管理中心Internet、卫星或移动通信网络等汇聚节点监测区域传感器节点1.2.1无线传感网网络体系结构1.2.2无线传感网的节点结构1、传感网节点的组成传感器节点是一个微型化的嵌入式系统，它构成了传感网的基础层支持平台。传感器节点可以做得非常小，称为智能尘埃（smartdust）。1、传感网节点的组成（续）传感器节点一般由传感器模块、处理模块、无线通信模块和能量供应模块组成。感知模块由传感器、A/D转换器组成，负责采集感知监控对象的信息；数据处理模块包括存储器和微处理器等部分，负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其它节点发来的数据。无线通信模块完成节点间的交互通信工作，一般为无线电收发装置；能源供给单元负责供给节点工作所消耗的能量，一般为小体积的电池；20同时，有些节点上还可装配有能源再生装置、移动或执行机构、定位系统及复杂信号处理（包括声音、图像、数据处理及数据融合）等扩展设备以获得更完善的功能。2、节点模型结构22有些节点上还可装配有能源再生装置、移动或执行机构、定位系统及复杂信号处理（包括声音、图像、数据处理及数据融合）等扩展设备以获得更完善的功能。3、汇聚节点与普通节点相比，汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对传感器节点更强它连接着传感网与互联网等，实现两种协议栈协议之间的转换，同时发布管理节点的监测任务，并将收集到的数据转发到外部网络上。汇聚节点既可以是一个具有增强功能的传感器节点，有足够的能量提供给更多的内存与计算资源；也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特定网关设备。234、无线传感网节点的特点廉价：每个节点的期望价格在一美元左右体积小：火柴盒或硬币般大小重量轻：小于100克能量有限：两节五号电池或纽扣电池供电无线通信能力：能够用无线电、红外线、蓝牙、超声波等通信，带宽低，干扰大计算能力：几百兆赫兹的处理器存储能力：几兆或几百兆的存储空间感知能力：具有一个或几个传感器软件环境：TinyOS是专为传感器节点开发的操作系统1.2.3无线传感网协议栈结构1.2.3无线传感网协议栈结构早期提出的一个协议栈，包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，与互联网协议栈的五层协议相对应。另外，协议栈还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。

各层协议和平台的功能物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术；数据链路层负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制；网络层主要负责路由生成与路由选择；传输层负责数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要部分；应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件；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度监测任务。271.3无线传感网主要特征节点固定或只有较小的活动性数量大，密度高拓扑动态变化节点同构，或只有少量特殊节点；分布式：没有预先指定的中心，所有节点通过分布式算法相互协调；自组织：传感器网络的部署和初始化等不需要外界干预；节点资源受限，特别是能量非常有限；以数据为中心的网络，节点具有数据处理的能力；与应用紧密耦合的网络1.3.1无线传感网与移动自组网的区别节点规模：移动自组网：节点数量通常在几十或上百传感器网络：节点数目往往高出好几个数量级节点密度：移动自组网：小传感器网络：大（冗余部署的结果）拓扑变化的原因：移动自组网：节点运动传感器网络：节点休眠调度、环境干扰或节点故障引起节点处理能力：移动自组网：较强传感器网络：十分有限1.3.1无线传感网与移动自组网的区别在网络规模方面：无线传感器网络包含的节点数量比ad-hoc网络高几个数量级在分布密度方面：无线传感器网络节点的分布密度很大。拓扑结构频繁变化由于能量限制和环境因素，无线传感器网络节点易损坏出故障。由于节点的移动和损坏，无线传感器网络的拓扑结构频繁变化。在通信方式方面：无线传感器网络节点主要使用广播通信，而别ad-hoc节点采用点对点通信。无无线传感器网络节点能量、计算能力和存储能力受限。由于无线传感器网络节点数量的原因，节点没有统一的标识。无线传感器网络以数据为中心。1.3.2无线传感网节点的限制电源能量有限通信能力有限计算和存储能力有限31电源能量有限传感器节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池。由于传感器节点个数多、成本要求低廉、分布区域广，而且部署区域环境复杂，有些区域甚至人员不能到达，所以传感器节点通过更换电池的方式来补充能源是不现实的。如何高效使用能量来最大化网络生命周期是传感器网络面临的首要挑战。传感器节点消耗能量的模块包括传感器模块、处理器模块和无线通信模块。随着集成电路工艺的进步，处理器和传感器模块的功耗变得很低，绝大部分能量消耗在无线通信

模块上。

（1）电源能量有限无线通信模块存在发送、接收、空闲和睡眠四种状态。无线通信模块在空闲状态一直监听无线信道的使用情况，检查是否有数据发送给自己，而在睡眠状态则关闭通信模块。无线通信模块在发送状态的能量消耗最大，在空闲状态和接收状态的能量消耗接近，略少于发送状态的能量消耗，在睡眠状态的能量消耗最少。（2）通信能力有限无线通信的能量消耗与通信距离的关系为：E=kd^n

其中，参数n满足关系2<n<4。n的取值与很多因素有关，通常取n为3，即通信能耗与距离的三次方成正比。随着通信距离的增加，能耗将急剧增加。因此，在满足通信连通度的前提下应尽量减少单跳通信距离。一般而言，传感器节点的无线通信半径在100m以内比较合适。考虑到传感器节点的能量限制和网络覆盖区域大，传感器网络采用多跳路由的传输机制。传感器节点的无线通信带宽有限，通常仅有几百kbps的速率。（3）计算和存储能力有限传感器节点的价格和功耗的限制，必然导致其携带的处理器能力比较弱，存储器容量也比较小。传感器节点的操作系统设计了动态能量管理（dynamicpowermanagement，DPM）和动态电压调节（dynamicvoltagescaling，DVS）模块，可以更有效地利用节点的各种资源。动态能量管理是当节点周围没有感兴趣的事件发生时，部分模块处于空闲状态，把这些组件关掉或调到更低能耗的睡眠状态。动态电压调节是当计算负载较低时，通过降低微处理器的工作电压和频率来降低处理能力，从而节约微处理器的能耗，很多处理器如StrongARM都支持电压频率调节。1.3.3无线传感网的特点（1）传感器节点数目大，密度高，采用空间位置寻址（2）传感器节点的能量、计算能力和存储容量有限（3）无线传感器网络的拓扑结构易变化，具有自组织能力（5）网络的自动管理和高度协作性（6）传感器节点具有数据融合能力（7）以数据为中心的网络（8）安全性问题严重1.4无线传感网关键技术覆盖与网络拓扑控制技术定位技术同步技术网络安全技术数据融合技术嵌入式操作系统1.4.1覆盖与网络拓扑控制技术拓扑控制可以自动生成的良好的网络拓扑结构，能够提高路由协议和MAC协议的效率，可为数据融合、时间同步和目标定位等方面奠定基础，有利于节省节点的能量来延长网络的生存期。拓扑控制主要的问题是在满足网络覆盖度和连通度的前提下，通过功率控制和骨干网节点选择、剔除节点之间不必要的无线通信链路，生成一个高效的数据转发的网络拓扑结构。拓扑控制一般可以分为两种方式：节点功率控制层次型拓扑结构1.4.2网络与无线通信技术由于传感器节点的计算能力、存储能力、通信能力以及携带的能量都十分有限，每个节点只能获取局部网络的拓扑信息，其上运行的网络协议也不能太复杂。同时，传感器拓扑结构动态变化，网络资源也在不断变化，这些都对网络协议提出了更高的要求。无线传感网协议负责使各个独立的节点形成一个多跳的数据传输网络，网络层的路由协议决定监测信息的传输路径；数据链路层的介质访问控制用来构建底层的基础结构，控制传感器节点的通信过程和工作模式。路由协议不仅关心单个节点的能量消耗，更关心整个网络能量的均衡消耗，这样才能延长整个网络的生存期。MAC协议首先要考虑节省能源和可扩展性，其次才考虑公平性、利用率和实时性等。1.4.2网络与无线通信技术无线通信技术IEEE802.15.4标准是针对低速无线个人域网络的无线通信标准，把低功耗、低成本作为设计的主要目标。超宽带技术（UWB）是一种极具潜力的无线通信技术。1.4.3定位技术位置信息是传感器节点采集数据中不可缺少的部分，没有位置信息的监测消息通常毫无意义。确定事件发生的位置或采集数据的节点位置是无线传感器网络最基本的功能之一。由于传感器节点存在资源有限、随机部署、通信易受环境干扰甚至节点失效等特点，定位机制必须满足自组织性、健壮性、能量高效、分布式计算等要求。根据节点位置是否确定，传感器节点分为信标节点和位置未知节点。信标节点的位置是已知的，位置未知节点需要根据少数信标节点，按照某种定位机制确定自身的位置。在无线传感网定位通常使用三边测量法、三角测量法或极大似然估计法确定节点位置。根据定位过程中是否实际测量节点间的距离或角度，把无线传感网中的定位分类为基于距离的定位和距离无关的定位。1.4.4同步技术同步是需要协同工作的无线传感网系统的一个关键机制。如测量移动车辆速度需要计算不同传感器检测事件时间差，通过波束阵列确定声源位置节点间时间同步。NTP协议是Internet上广泛使用的网络时间协议，但只适用于结构相对稳定、链路很少失败的有线网络系统；GPS系统能够以纳秒级精度与世界标准时间UTC保持同步，但需要配置固定的高成本接收机，同时在室内、森林或水下等有掩体的环境中无法使用GPS系统。因此，它们都不适合应用在无线传感器网络中。目前已提出了多个时间同步机制，其中RBS、TINY/MINI-SYNC和TPSN被认为是三个基本的同步机制。1.4.5网络安全技术为了保证任务的机密布置和任务执行结果的安全传递和融合，无线传感网需要实现一些最基本的安全机制：机密性、点到点的消息认证、完整性鉴别、新鲜性、认证广播和安全管理。为了确保数据融合后数据源信息的保留，水印技术也成为无线传感器网络安全的研究内容。虽然在安全研究方面，无线传感网没有引入太多的内容，但无线传感网的特点决定了它的安全与传统网络安全在研究方法和计算手段上有很大的不同。首先，无线传感网的单元节点的各方面能力都不能与目前Internet的任何一种网络终端相比，所以必然存在算法计算强度和安全强度之间的权衡问题，如何通过更简单的算法实现尽量坚固的安全外壳是无线传感网安全的主要挑战；其次，有限的计算资源和能量资源往往需要系统的各种技术综合考虑，以减少系统代码的数量，如安全路由技术等；另外，无线传感网任务的协作特性和路由的局部特性使节点之间存在安全耦合，单个节点的安全泄漏必然威胁网络的安全，所以在考虑安全算法的时候要尽量减小这种耦合性。1.4.6数据融合与管理技术数据融合无线传感网是能量约束的网络，减少传输的数据量能够有效地节省能量，提高网络的生存期。因此，在各个传感器节点数据收集过程中，可利用节点的本地计算和存储能力、数据处理融合能力，去除冗余信息，从而达到节省能量的目的。由于传感器节点的易失效性，无线传感网也需要数据融合技术对多份数据进行综合，提高信息的准确度。数据融合技术可以与无线传感器网络的多个协议层次进行结合。在应用层可以利用分布式数据库技术，对采集到的数据进行逐步筛选，达到融合的效果；在网络层，很多路由协议均结合了数据融合机制，以期减少数据传输量。数据融合技术在节省能量、提高信息准确度的同时，要以牺牲其他方面的性能为代价。首先是延迟的代价，在数据传送过程中寻找易于进行数据融合的路由、进行数据融合操作、为融合而等待其他数据的到来，这三个方面都可能增加网络的平均延迟。其次是鲁棒性的代价，无线传感器网络相对于传统网络有更高的节点失效率以及数据丢失率，数据融合可以大幅度降低数据的冗余性，但丢失相同的数据量可能损失更多的信息，因此相对而言也降低了网络的鲁棒性1.4.6数据融合与管理技术数据管理从数据存储的角度来看，无线传感网可被视为一种分布式数据库。以数据库的方法在无线传感网中进行数据管理，可以将存储在网络中的数据的逻辑视图与网络中的实现进行分离，使得无线传感网的用户只需要关心数据查询的逻辑结构，无需关心实现细节。美国加州大学伯克利分校的TinyDB系统和Cornell大学的Cougar系统是目前具有代表性的无线传感网数据管理系统。无线传感网的数据管理与传统的分布式数据库有很大的差别。由于传感器节点能量受限且容易失效，数据管理系统必须在尽量减少能量消耗的同时提供有效的数据服务。同时，由于节点数量庞大，且节点产生的是无限的数据流，无法通过传统的分布式数据库的数据管理技术进行分析处理。此外，对无线传感网数据的查询经常是连续的查询或随机抽样的查询，这也使得传统分布式数据库的数据管理技术不适用于无线传感网。数据管理技术无线传感网的数据管理系统的结构主要有集中式、半分布式、分布式以及层次式结构，目前大多数研究工作均集中在半分布式结构方面。无线传感网中数据的存储采用网络外部存储、本地存储和以数据为中心的存储三种方式。相对于其他两种方式，以数据为中心的存储方式可以在通信效率和能量消耗两个方面获得很好的折中。基于地理散列表的方法便是一种常用的以数据为中心的数据存储方式。1.4.7嵌入式操作系统传感器节点是一个微型的嵌入式系统，携带非常有限的硬件资源，需要操作系统能够节能高效地使用其有限的内存、处理器和通信模块，且能够对各种特定应用提供最大的支持。在面向无线传感网操作系统的支持下，多个应用可以并发地使用系统的有限资源。传感器节点有两个突出的特点。一个特点是并发性密集，即可能存在多个需要同时执行的逻辑控制，这需要操作系统能够有效地满足这种发生频繁、并发程度高、执行过程比较短的逻辑控制流程；另一个特点是传感器节点模块化程度很高，要求操作系统能够让应用程序方便地对硬件进行控制，且保证在不影响整体开销的情况下，应用程序中的各个部分能够比较方便地进行重新组合。上述这些特点对设计面向无线传感器网络的操作系统提出了新的挑战。美国加州大学伯克利分校针对无线传感器网络研发了TinyOS操作系统。传感器网络的应用传感器网络在环境监视方面的优势：通过在物理环境中部署大量廉价的智能传感器节点，可以获得长时间、近距离、高分辨率的环境数据，这是传统监视设备无法得到的。传感器节点的计算和存储能力允许节点执行数据过滤、数据压缩等操作，也可以执行一些应用特定的处理任务。节点之间的通信能力允许节点之间协同完成更复杂的任务，如目标跟踪。通过任务的重新分配可以改变传感器网络的用途。传感器网络战场评估生活习性监测地震监测深海监控医疗状况监控目标跟踪和检测小区安全监控

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