物联网技术与应用--第4章.ppt

1、无线传感器网络Wireless Sensor Networks,一、无线传感器网络简介,无线传感器网络是一种特殊的Ad-hoc网络，可应用于布线和电源供给困难的区域、人员不能到达的区域(如受到污染、环境不能被破坏或敌对区域)和一些临时场合(如发生自然灾害时，固定通信网络被破坏)等。它不需要固定网络支持，具有快速展开，抗毁性强等特点，可广泛应用于军事、工业、交通、环保等领域，引起了人们广泛关注。,无线传感器网络典型工作方式如下：使用飞行器将大量传感器节点(数量从几百到几千个)抛撒到感兴趣区域，节点通过自组织快速形成一个无线网络。节点既是信息的采集和发出者，也充当信息的路由者，采集的数据通过多跳路

2、由到达网关。网关是一个特殊的节点，可以通过Internet、移动通信网络、卫星等与监控中心通信。也可以利用无人机飞越网络上空，通过网关采集数据。,一、无线传感器网络简介,目前无线传感器网络尚处于研究阶段，为了加快其实用化进程，国外建设了很多演示系统，相关的理论研究成果也很多。近年来，国内一些科研院所和高校也开展了无线传感器网络理论和应用的研究，从可以获得的文献资料来看，基本处于起步阶段。,一、无线传感器网络简介,二、无线传感器网络体系结构,无线传感器网络典型的体系结构如图1所示：,传感器接近感知对象 传感器仅产生数据流 传感器无计算能力 无传感器间通信能力,传统的感知方法,有线/无线连接,现代

3、感知方法,Sensing Area,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 使用多跳路由算法向用户报告观测结果,Sink,Internet 或 通信卫星,Sensor network,节点具有传感、信号处理和无线通信功能，它们既是信息包的发起者，也是信息包的转发者。通过网络自组织和多跳路由，将数据向网关发送。网关可以使用多种方式与外部网络通信，如Internet、卫星或移动通信网络等等，大规模的应用可能使用多个网关。,二、无线传感器网络体系结构,节点由于受到体积、价格和电源供给等因素的限制，通信距离较短，只能与自己通信范围内的邻居交

4、换数据。要访问通信范围以外的节点，必须使用多跳路由。为了保证网络内大多数节点都可以与网关建立无线链路，节点的分布要相当的密集。,二、无线传感器网络体系结构,节点的典型硬件结构如图2所示，主要包括电池及电源管理电路、传感器、信号调理电路、AD转换器件、存储器、微处理器和射频模块等。,二、无线传感器网络体系结构,节点采用电池供电，一旦电源耗尽，节点就失去了工作能力。为了虽大限度的节约电源，在硬件设计方面，要尽量采用低功耗器件，在没有通信任务的时候，切断射频部分电源；在软件设计方面，各层通信协议都应该以节能为中心，必要时可以牺牲其他的一些网络性能指标，以获得更高的电源效率。,二、无线传感器网络体系结

5、构,WSN-Wireless Sensor Networks 基础 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 解释1 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。,三、什么是无线传感器网络,解释2： 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。 传感器网络的三个基本要素： 传感器，感知对象，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,三、什么是无线传感器网络,现代微型传感器 感知能力计算能力通信

6、能力 体积小 能耗小 由六部分组成,大规模网络：地理区域大；部署密集 提高信噪比；提高监测精度；增强容错性；减少盲区 自组织网络：不确定性；拓扑结构变化 资源受限：计算、存储、通讯、能量 动态拓扑：节点故障；通讯故障；移动性；节点加入 可靠网络：适应环境条件；鲁棒性、容错性 应用相关：没有统一的通信协议平台 以数据为中心,四、传感器网络的特点,电源能量有限 通信能力有限 计算和存储能力有限,五、传感器节点的限制,通信能力有限 节点带宽窄，而且经常变化 节点通信覆盖范围只有几十到几百米， 而且经常变化,挑战之一 如何在如此有限通信能力的条件下, 高质量地完成感知数据的查询、分析、挖掘与传输？ 在

7、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！,五、传感器节点的限制,多源、多跳是主要通信方式 多个传感器节点向一个目标传送信息 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,挑战之二 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通信路径的理论是我们面临的第二个挑战问题！,五、传感器节点的限制,节点移动、断接频繁 在移动网络中，节点移动频繁 节点间通信的断接频繁，导致通信失败. 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, 因此传感器可能会长时间脱离网络, 离线工作,挑战之三 通信路径重构成为突出问

8、题？路由算法必须具有自适应性？ 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基础是我们面临的第三个挑战问题？,五、传感器节点的限制,电源能量有限 传感器的电源能量极其有限 由于电源能量的原因经常失效或废弃 电源能量约束是传感器网络应用的障碍 现有电源部件不能满足传感器网络的需要 传感器传输信息比执行计算更消耗电能 传感器传输1位信息需要的电能足以执行3000条计算指令,挑战之四 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？ 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！,五、传感器节点的限制,计算能力有限 传感器网络中传感

9、器通常都具有嵌入式处理器和存储器，具有计算能力 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,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、空间和通信复杂性的分布式算法是我们面临的第五个挑战性问题！,五、传感器节点的限制,传感器数量大、分布范围广 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 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 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,挑战之六 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

10、题！,五、传感器节点的限制,大规模分布式触发器 很多传感器网络需要对感知对象进行控制（如温度控制） 传感器需要配备回控装置和控制软件 我们称回控装置和控制软件为触发器,挑战之七 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？,五、传感器节点的限制,感知数据流无限 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 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,挑战之八 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？,五、传感器节点的限制,以数据为中心 传感器网络不是通常的网络 用户感兴趣的是数据而不是网络和传感器硬件 用户很少

11、询问“A节点到B节点的连接是如何实现的？” 用户经常询问“网络覆盖区域中那些地区出现毒气？” 传感器网络不是以地址为中心的 用户不会询问“地址为27的传感器的温度是多少？” 用户感兴趣是“某个地理位置的温度是多少？” 数据传输以聚集方式进行,而不是地址到地址的路由,五、传感器节点的限制,传感器网络是以数据为中心的网络 把传感器视为感知数据流或感知数据源 把传感器网络视为感知数据空间或数据库 把数据管理和处理作为网络的应用目标,挑战之九 如何建立以数据为中心的传感器网络？ 以感知数据管理和处理为中心; 把数据管理和处理技术与网络技术融为一体; 为用户提供有效的感知数据空间或感知数据库; 使用户如

12、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. 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！,五、传感器节点的限制,需要多种多样的感知器 物理传感器 生物传感器 化学传感器 ,挑战之十 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个挑战性问题？,五、传感器节点的限制,其他挑战性问题 传感器的投放或撒播理论与技术 传感器的定位问题 时钟同步问题 组网连通可靠性研究和探测覆盖率研究 传感器网络安全性问题和抗干扰问题 信号的协作处理,五、传感器节点的限制,能源管理平台： 管理传感器节点如何使用能量； 移动管理平台： 检测和注册传感器节点的移动，

13、维护到汇聚点的路由，使得传感器节点能够跟踪它的邻居； 任务管理平台： 在一个给定的区域内平衡和调度监测任务,六、传感器网络协议,六、传感器网络协议,传输媒体 建议采用ISM （工业、科学和医学）频段 短距离的无线低功率通信最适合传感器网络 红外 不需要许可证，抗干扰 要求收发双方在视线之内 光 不排除用光作为通信媒体,六、传感器网络协议物理层,频率选择，载频发生，信号检测，调制，数据加密 信号传播 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. 为了减小传输距离，传感器网络采用多跳 （multihop）通信方式,六、传感器网络协议物理层,功能 无线信道的使用 建立传

14、感器网络的基础结构 考虑因素 节省能量 可扩展性 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,六、传感器网络协议物理层功能,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。 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 串扰：接收和处理发往其他节点的数据属于无效功耗。 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。,六、传感器网络协议物理层能量浪费因素,尽量让传感器节点处于睡眠状态； 减少传感器节点之间的碰撞； 减少接收到

15、自己不需要接收的数据分组； （overhearing） 减少控制消息的开销。,六、传感器网络协议物理层的节能策略,基于竞争 S-MAC/T-MAC/Sift 基于TDMA的 DEAN/TRAMA /DMAC/周期性消息调度 其它 SMACS/EAR CSMA/CA和CDMA结合,六、传感器网络协议物理层 WSN协议,已有网络ad hoc、蜂窝 主要目标通信服务质量 带宽利用率 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,六、传感器网络协议物理层 WSN路由协议,特点 基于局部拓扑信息 数据为中心（不知道目的节点的编号，甚至向哪个区域） 要求 能量高效（协议简单|开销小|节省能量/均

16、衡消耗） 可扩展性（网络范围/节点密度） 鲁棒性（节点变化|拓扑变化） 快速收敛性,六、传感器网络协议物理层 WSN路由协议,能量感知路由 能量路由/能量多路径路由 查询路由 定向扩散路由(DD)/谣传路由 地理路由 GPRS/GEAR/ GEM/边界定位路由 可靠路由 ReInform/SPEED /多路径路由,六、传感器网络协议物理层 WSN路由协议,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 目前关于传感器网络传输层机制和协议的建议很少 存在的问题 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

17、 TCP的应答方式开销太大 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,六、传感器网络协议传输层,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,六、传感器网络协议传输层,应用层协议还处于探索阶段 三种可能的应用层协议 传感器管理协议 Sensor management protocol (SMP) 任务分配和数据通告协议 task assignment and data advertisement protocol (TADAP) 传感器询问和数据分发协议 Sensor qu

18、ery and data dissemination protocol (SQDDP),六、传感器网络协议应用层,时间同步是传感器网络的基本功能 MAC/跟踪/监测 时间同步需要的多样性（目标跟踪例子） 传感器网络时间同步的性能参数 最大误差 同步期限 同步范围 效率 代价和体积,六、传感器网络协议时间同步,定位是传感器网络的基本功能 报告事件发生的地点 目标跟踪和定位 协助路由 进行网络管理,六、传感器网络协议定位机制,特殊性 体积、成本（GPS不能普遍适用） 能耗有限、可靠性差 节点的规模大、随机布放 无线模块通信距离有限 环境要求（室内、室外）,六、传感器网络协议定位机制,基于距离的定位机制 到达时间定位算法（TOA） 不同到达时间定位算法（TDOA） 到达角度定位定位算法（AOA） 接收信号强度定位算法（RSSI） 距离无关的定位机制 质心定位算法（Centroid） 距离向量-跳段定位算法（DV-HOP） 自组织定位算法（Amorphous Positioning) 近似的点在三角形中定位算法（APIT),六、传感器网络协议定位机制,关键网络技术 拓扑控制 网络协议 网络安全 时间同步 定位技术 数据融合 数据管理 无线通信技术 嵌入式系统 应用层技术,核心问题 能源 传感器