1、無線傳感器網絡1.無線傳感器網絡的基本概念2.無線傳感器網絡的體系結構3.無線傳感器網絡的拓撲結構4.無線傳感器網絡的節點定位傳感器網絡的概念 無線傳感器網絡(WSN：Wireless Sensor Network)是由部署在待監測區域內的大量的廉價的微型傳感器節點組成。通過無線通信的方式形成的一個多跳的自組織的網絡系統。其根本的目的就是協作地感知、采集和處理被該傳感器節點組成的網絡覆蓋的區域中的信息。經過一定的初級處理并發送給對待測信息感興趣的觀察者傳感器節點 傳感器模塊：信息采集、數據轉換 處理器模塊：控制、數據處理、網絡協議 無線通訊模塊：無線通信，交換控制信息和收發采集數據 能量供應模

2、塊：提供能量傳感器網絡的三要素 節點上各種測試使用的傳感器 傳感器要感知的各種待測數據對象 對待測數據感興趣的觀察者傳感器網絡的特點 第一，無線傳感器網絡的網絡拓撲結構極易發生變化 第二，無線傳感器網絡節點與節點之間采用的是自組織的通信方式 第三，無線傳感器網絡中的傳感器節點的電能是由節點所攜帶的電池直接供電的，因而節點攜帶能量十分有限 第四，無線傳感器網絡中的傳感器節點數量眾多、分布密度較高使得單位面積上所擁有的網絡節點數量遠遠大于傳統的無線網絡，并且這些大量的傳感器節點根本無需底層基礎設施的支持就能夠自動組織構成一定結構的網絡。 第五，無線傳感器網絡具備有很強容錯能力 第六，由于無線傳感器

3、網絡節點的體積和所攜帶能量有限的限制，這些限制決定了傳感器節點只能具備有限的計算和存儲能力還有相對距離較短的通信能力 第七，無線傳感器網絡節點無中心，無線傳感器網絡中的傳感器節點無嚴格的控制中心所有的節點都是地位平等，加入和離開節點都是隨意的沒有嚴格的限制條件傳感器網絡拓撲可以根據節點的可移動與否和部署的可控與否分為四類：1.靜態節點、不可控制部署2.動態節點、不可控制部署3.靜態節點、可控部署4.動態節點、可控部署傳感器網絡的影響 傳感器網絡將物理世界和信息技術連接起來 傳感器網絡具有改造社會的潛力，將來廣闊的應用領域使得傳感器網絡成為我們生活中不可缺少的部分 傳感器網絡已經引起國內外科技界

4、和工業界高度重視傳感器網絡的影響傳感器節點的限制傳感器節點的限制傳感器節點的限制傳感器節點的限制傳感器節點的限制傳感器節點的限制傳感器節點的限制傳感器節點的限制傳感器節點的限制傳感器節點的限制傳感器網絡的網絡結構 sink -匯聚點 sensor node -傳感器節點 sensor field -監測區域傳感器網絡的實體 傳感器節點功能：采集、處理、控制和通信等網絡功能：兼顧節點和路由器 Sink節點功能：連接傳感器網絡與Internet等外部網絡，實現兩種協議棧之間的通信協議轉換，發布管理節點的監測任務，轉發收集到的數據。特點：連續供電、功能強、數量少等傳感器網絡的協議棧 橫向的通信協議層

5、和縱向的網絡管理平臺 能源管理平臺： 管理傳感器節點如何使用能量； 移動管理平臺： 檢測和注冊傳感器節點的移動，維護到匯聚點的路由，使得傳感器節點能夠跟蹤它的鄰居； 任務管理平臺： 在一個給定的區域內平衡和調度監測任務拓撲控制的概念與意義 概念拓撲控制（topology control）是一種協調節點間各自傳輸范圍的技術，用以構建具有某些期望的全局特性（如，連通性）的網絡拓撲結構，同時減少節點的能耗或增加網絡的傳輸能力。 意義1、減少節點的通信負載，提高通信效率；2、減少網絡耗能，延長網絡壽命；3、輔助路由協議；拓撲控制的研究方向 WSN中拓撲控制可以分為兩個研究方向：功率控制和層次拓撲結構控

6、制。 功率控制機制調整網絡中每個節點的發射功率，保證網絡連通，在均衡節點中直接鄰居數目(單跳可達鄰居數目)的同時，降低節點之間的通信干擾。 層次拓撲控制是利用分簇思想，使網絡中的部分節點處于激活狀態，成為簇頭節點。由這些簇頭節點構建一個連通的網絡來處理和傳輸網絡中的數據，并定期或不定期地重新選擇簇頭節點，以均衡網絡中節點的能量消耗。拓撲控制與網絡體系的關系 MAC協議：基本任務是節點共享網絡媒體的接入問題，為兩個節點的MAC層實體之間提供可靠的數據鏈路。 數據鏈路層：主要任務是完成組幀、差錯控制、流量控制、功率控制、鏈路管理。 網絡層：提供的兩個相鄰端點之間的數據幀的傳送功能上，進一步管理網絡

7、中的數據通信，將數據設法從源端經過若直干個中間節點傳送到目的端，從而向傳輸層提供最基本的端到端的數據傳送服務。具體功能包括尋址和路由選擇、連接的建立、保持和終止等。拓撲控制的評價指標連通性 在沒有拓撲算法前，兩個節點之間存在k條路徑，那么使用拓撲算法后，這兩個節點中也應該有存在k條路徑。覆蓋性 覆蓋問題中，最重要的因素是網絡對物理世界的感知能力。吞吐量 化簡后的網絡拓撲結構應該能夠支持與原始網絡相似的通信量。擴展性（網絡容量） 減少數據傳輸節點所能影響的鄰居節點的數量,減少節點通信的傳輸范圍,可以有效減小網絡中的沖突域,從而降低通信沖突的概率。相反，網絡中的沖突就越多,節點通信也就更容易發生數

8、據丟包或重傳現象。魯棒性 網絡發生變化時，一些節點可能會變化它們的拓撲信息，顯然，魯棒的拓撲結構只需要進行少量的調整，這樣可以避免對本地節點的重新組織而造成整個網絡的波動。實現拓撲控制的手段 1、在保證網絡的連通性與覆蓋性的情況下，控制節點的發射距離，減少發射功耗，同時減少分組沖突的可能性，減少協議不必要的開銷； 2、盡可能讓多的節點進行休眠，降低功耗； 3、數據融合，減少分組的冗余。拓撲控制的分類無線傳感器網絡定位技術 WSN的定位問題一般指對于一組未知位置坐標的網絡節點，依靠有限的位置已知的錨節點，通過測量未知節點至其余節點的距離或跳數，或者通過估計節點可能處于的區域范圍，結合節點間的交換

9、的信息和錨節點的已知位置，來確定每個節點的位置。WSN定位算法的特點： 1.自組織性：傳感器網絡的節點隨機分布，不能依靠全局的基礎設施協助定位 2.健壯性；傳感器節點的硬件配置低，能量少，可靠性差，測量距離時會產生誤差，算法必須具有良好的容錯性。 3.能量高效：盡可能地減少算法的復雜性，減少節點間的通信開銷，以盡量延長網絡的生存周期。通信開銷是傳感器網絡的主要開銷 4.分布式計算：每個節點盡量計算自身位置，不能將所有信息傳送到某個節點進行集中計算?；拘g語 鄰居節點：是指傳感器節點通信半徑內的所有其他節點，也就是說，在一個節點通信半徑內，可以與其直接通信的所有其他點 跳數：是指兩個節點之間間隔

10、的跳段總數 跳段距離：是指兩個節點之間的各跳段距離總和 接收信號強度指示RSSI：節點接受到無線信號的強度大小 到達時間TOA：信號從一個節點傳播到另一個節點所需要的時間 信標節點（錨點）：已知自身的位置 未知節點：未知自身的位置 到達時間差TDOA：兩種具有不同傳播速度的信號從一個節點傳播到另一節點所需要的時間差 到達角度AOA：節點接收到的信號相對于自身軸線的角度 視線關系LOS：兩個節點間沒有障礙物間隔，能夠直接通信 非視線關系NLOS:兩個節點之間存在障礙物 基礎設施：協助傳感器節點定位的已知自身的位置的固定設備（如衛星，基站等）定位算法的分類 基于測距技術的定位和無需測距技術的定位

11、基于錨節點的定位算法和非基于錨節點的定位算法 物理定位和符號定位 遞增式定位算法和并發式定位算法 緊密耦合和松散耦合 集中式計算與分布式計算 粗粒度與細粒度 絕對定位與相對定位 三角測量、場景分析和接近度定位定位技術分類根據定位結果坐標類型的不同網絡中存在已知位置的錨節點，所有節點根據錨節點確定自己的位置，使用同一個坐標系。網絡中不存在已知位置的參考節點，所有節點確定到其它節點的相對位置。絕對定位相對定位根據在定位過程中是否把信息傳送到某個后臺中心或服務器進行節點坐標的計算把所需信息傳送到某個中心節點(例如，一臺服務器)，并在那里進行節點定位計算的方式指依賴節點間的信息交換和協調，由節點自行計

12、算的定位方式。集中式計算分布式計算根據各節點定位的先后次序從信標節點開始，首先它的鄰居節點開始定位，然后逐漸向外圍進行延伸，即各個節點依次實現定位。 定位一旦開始，所有的節點同時進行位置坐標的計算，即定位。不存在先后次序。遞增式的定位算法并發式的定位算法根據定位過程中實際測量節點間的距離和角度與否通過測量節點間點到點的距離或角度等信息進行位置估計；無須距離和角度信息，僅根據網絡連通性等信息即可實現。無須測距技術的定位基于測距的定位測距方法 基于距離的節點定位算法定位精度相對較高，但由于要實際測量節點間的距離或角度，所以通常硬件要求也較高。典型的距離測量技術包含利用 RSSI 測距、利用 TOA

13、 或 TDOA 測距和利用 AOA 測距1. 基于 RSSI 的定位 在基于接收信號強度指示RSSI的定位算法中，已知發射節點的發射信號強度，接收節點根據收到信號的強度，計算出信號的傳播損耗，利用理論和經驗模型將傳輸損耗轉化為距離，再利用已有的算法計算出節點的位置。該技術主要使用 RF信號，因傳感器節點本身具有無線通信能力，故其是一種低功率、廉價的測距技術。例如，在自由空間中，通過測量接收信號的強度，利用公（3-1）就可以計算出收發節點間的大概距離。2. 基于TOA的定位 在基于到達時間 TOA 的定位機制中，已知信號的傳播速度，根據信號的傳播時間來計算節點間的距離，然后利用已有算法計算出節點

14、的位置。 假設兩個節點間時間同步，發送節點的揚聲器模塊在發送偽噪聲序列信號的同時，無線電模塊通過無線電同步消息通知接收節點偽噪聲序列信號發送的時間，接收節點的麥克風模塊在檢測到偽噪聲序列信號后，根據聲波信號的傳播時間和速度計算發送節點和接收節點之間的距離。節點在計算出到多個鄰近信標節點的距離后，可以利用三邊測量算法或極大似然估計算法計算出自身位置?；赥DOA的定位定位算法基于測距技術的定位算法：v三邊測量法；v三角測量法；v最大似然估計法。三邊測量法三角測量法極大似然估計法定位算法性能指標 定位精度 規模 錨節點密度 節點密度 容錯性 自適應性 代價 功耗 定位精度：定位技術首要的評價指標就

15、是定位精確度，其又分為絕對精度和相對精度。絕對精度是測量的坐標與真實坐標的偏差。相對誤差一般用誤差值與節點無線射程的比例表示，定位誤差越小定位精確度越高。 規模：不同的定位系統或算法也許可在園區內、建筑物內、一層建筑物或僅僅是一個房間內實現定位。另外，給定一定數量的基礎設施或在一段時間內，一種技術可以定位多少目標也是一個重要的評價指標。 錨節點密度：定位通常依賴人工部署或使用GPS 實現。錨節點密度是評價定位系統和算法性能的重要指標之一。 節點密度：通常以網絡的平均連通度來表示， 許多定位算法的精度受節點密度的影響。 在無線傳感器網絡中， 節點密度增大不僅意味著網絡部署費用的增加， 而且會因為節點間的通信沖突問題帶來有限帶寬的阻塞。DV-Hop算法僅可在節點密集部署的情況下合理地估算節點位置。 容錯性：定位系統和算法都需要比較理想的無線通信環境和可靠的網絡節點設備。而真實環境往往比較復雜。 自適應性：定位系統和算法的軟、硬件必須具有很強的容錯性和自適應性，能夠通過自