1、無線傳感器網絡技術目錄n傳感器網絡概述n傳感器網絡應用n傳感器網絡協議n傳感器網絡研究進展n傳感器網絡影響力什么是計算機網絡計算機網絡，是指將地理位置不同的具有獨立功能的多臺計算機及其外部設備，通過通信線路連接起來，在網絡操作系統，網絡管理軟件及網絡通信協議的管理和協調下，實現資源共享和信息傳遞的計算機系統。 所謂無線網絡，就是利用無線電波作為信息傳輸的媒介構成的無線局域網（WLAN），與有線網絡的用途十分類似，最大的不同在于傳輸媒介的不同，利用無線電技術取代網線，可以和有線網絡互為備份。 什么是傳感器網絡nWSN-Wireless Sensor Networksn基礎n微電子技術、嵌入式計算

2、技術、現代網絡及無線通信技術、分布式信息處理技術n解釋1n由部署在觀測環境附近的大量的微型廉價低功耗的傳感器節點組成，通過無線通信方式形成一個多跳的無線網絡系統。什么是傳感器網絡n解釋2：n傳感器網絡是由一組傳感器以特定方式構成的無線網絡，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋的地理區域中感知對象的信息，并發布給觀察者。n傳感器網絡的三個基本要素：n傳感器，感知對象，觀察者n傳感器網絡的基本功能n協作地感知、采集、處理和發布感知信息 有線有線/ /無線連接無線連接 傳感器網絡的網絡結構nsink -匯聚點nsensor node -傳感器節點nsensor field -監測區域傳感器網絡的實

3、體n傳感器節點功能：采集、處理、控制和通信等網絡功能：兼顧節點和路由器資源受限：存儲、計算、通信、能量nSink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、數量少等傳感器節點n傳感器模塊：信息采集、數據轉換n處理器模塊：控制、數據處理、網絡協議n無線通訊模塊：無線通信，交換控制信息和收發采集數據n能量供應模塊：提供能量傳感器網絡的特點n大規模網絡：地理區域大；部署密集n提高信噪比；提高監測精度；增強容錯性；減少盲區n自組織網絡：不確定性；拓撲結構變化n資源受限：計算、存儲、通訊、能量n

4、動態拓撲：節點故障；通訊故障；移動性；節點加入n可靠網絡：適應環境條件；魯棒性、容錯性n應用相關：沒有統一的通信協議平臺n以數據為中心傳感器節點的限制n電源能量有限n通信能力有限n計算和存儲能力有限傳感器網絡概述與ad hoc的不同WSN結點數量更為龐大多數節點為靜止節點分布更為密集能量約束結點更容易出錯拓撲結構變化頻繁Ad hoc幾十至上百個節點局域網節點全移動結構變化（移動）能量可連續提供點到點通信軍事應用（UCLA-WINS）軍事應用（2）（UCLA-WINS）商業（1）商業（2）傳感器網絡的協議棧（1）n能源管理平臺： 管理傳感器節點如何使用能量；n 移動管理平臺： 檢測和注冊傳感器節

5、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；n 任務管理平臺： 在一個給定的區域內平衡和調度監測任務傳感器網絡的協議棧（2）傳感器網絡物理層（1）n傳輸媒體n建議采用ISM （工業、科學和醫學）頻段n短距離的無線低功率通信最適合傳感器網絡n紅外n不需要許可證，抗干擾n要求收發雙方在視線之內n光n不排除用光作為通信媒體傳感器網絡物理層（2）n頻率選擇，載頻發生，信號檢測，調制，數據加密n信號傳播n傳播信號需要的最小發送功率和傳輸距離d的n次方（ ）成正比，2= n 4.n為了減小傳輸距離，傳感器網絡采用多跳（multihop）通信方式nd傳感器網絡MAC協議的功能（1）n功能n

6、無線信道的使用 建立傳感器網絡的基礎結構n考慮因素n節省能量n可擴展性n鏈路帶寬分配的公平性、帶寬利用率、延時性能等 目前普遍認為這三個方面的重要性依次遞減MAC協議的能量浪費因素（2）n空閑偵聽：節點不知道鄰居節點何時向自己發送數據，射頻收發模塊必須一直處于工作狀態，消耗大量能源，是無效能耗的主要來源。 n沖突：同時向同一節點發送多個數據幀，信號相互干擾，接收方無法準確接收，重發造成能量浪費n串擾：接收和處理發往其他節點的數據屬于無效功耗。n控制開銷：控制報文不傳送有效數據，消耗的能量對用戶來說是無效功耗。 傳感器MAC協議的節能策略（3）n盡量讓傳感器節點處于睡眠狀態；n 減少傳感器節點之

7、間的碰撞；n 減少接收到自己不需要接收的數據分組；（overhearing）n 減少控制消息的開銷。WSN MAC協議（4）n基于競爭nS-MAC/T-MAC/Siftn基于TDMA的nDEAN/TRAMA /DMAC/周期性消息調度n其它nSMACS/EARnCSMA/CA和CDMA結合WSN路由協議（1）n已有網絡ad hoc、蜂窩主要目標通信服務質量 帶寬利用率n傳感器網絡主要目標高效使用能源 延長網絡系統的生存期WSN路由協議（2）n特點n基于局部拓撲信息n數據為中心（不知道目的節點的編號，甚至向哪個區域）n要求n能量高效（協議簡單|開銷小|節省能量/均衡消耗）n可擴展性（網絡范圍/節

8、點密度）n魯棒性（節點變化|拓撲變化）n快速收斂性WSN路由協議（3）n能量感知路由n能量路由/能量多路徑路由n查詢路由n定向擴散路由(DD)/謠傳路由n地理路由nGPRS/GEAR/ GEM/邊界定位路由n可靠路由nReInform/SPEED /多路徑路由WSN傳輸層（1）n當傳感器網絡中的系統需要接入Internet 或其它外部網絡時，傳輸層的功能是必要的n目前關于傳感器網絡傳輸層機制和協議的建議很少n存在的問題n硬件的限制（例如有限的電能和存儲量）使傳感器節點不能像Internet中的服務器那樣存儲大量的數據nTCP的應答方式開銷太大n將來有可能在傳感器網絡中使用類似于UDP的協議，而

9、在Internet和衛星網絡中使用TCP/UDP協議WSN傳輸層（2）n一種TCP分段（TCP splitting） 的方法可能使傳感器網絡和其它網絡（如Internet)互通WSN應用層n應用層協議還處于探索階段n三種可能的應用層協議n傳感器管理協議 Sensor management protocol (SMP)n任務分配和數據通告協議 task assignment and data advertisement protocol (TADAP)n傳感器詢問和數據分發協議 Sensor query and data dissemination protocol (SQDDP)WSN 時間同

10、步（1）n時間同步是傳感器網絡的基本功能nMAC/跟蹤/監測n時間同步需要的多樣性（目標跟蹤例子）n傳感器網絡時間同步的性能參數n最大誤差n同步期限n同步范圍n效率n代價和體積WSN時間同步機制（2）nTPSN（Timing-sync Protocol for Sensor Networks ）nRBS（Reference Broadcast Synchronization）nTINY/MINI-SYNCnDMTS （Delay Measurement Time Synchronization）nPCS （Probabilistic Clock Synchronization ）WSN定位機制

11、（1）n定位是傳感器網絡的基本功能n報告事件發生的地點n目標跟蹤和定位n協助路由n進行網絡管理WSN定位機制（2）n特殊性n體積、成本（GPS不能普遍適用）n能耗有限、可靠性差n節點的規模大、隨機布放n無線模塊通信距離有限n環境要求（室內、室外）WSN定位機制（3）n基于距離的定位機制n到達時間定位算法（TOA）n不同到達時間定位算法（TDOA）n到達角度定位定位算法（AOA）n接收信號強度定位算法（RSSI）n距離無關的定位機制n質心定位算法（Centroid）n距離向量-跳段定位算法（DV-HOP）n自組織定位算法（Amorphous Positioning)n近似的點在三角形中定位算法（

12、APIT)無線傳感器網絡的研究進展n軍事領域n美國陸軍的研究計劃n“靈巧傳感器網絡通信” （20012005，通用通信基礎設施）n“無人值守地面傳感器群” （支持陸軍更廣闊視野）n“戰場環境偵察與監視系統” （偵察和情報）n美國海軍的研究計劃n“傳感器網絡系統”（戰術和戰略級的傳感器信息管理）n“網狀傳感器系統CEC（Cooperative engagement capability) (裝載在艦艇和戰斗機群上，進行高精度偵察）n美國國防部nSmart Sensor Web，5個尖端研究領域之一 （以Web為中心的傳感器信息分發和融合網絡）n美國Sandia國家實驗室和能源部 （發現對地鐵、車

13、站的生化武器襲擊）無線傳感器網絡的研究進展n民用領域n美國交通部n國家智能交通系統項目規劃，1995開始，2025投入使用（用傳感器網絡進行地面交通管理）nIntel公司n基于微型傳感器網絡的新型計算發展項目，2002發布 開發超微型傳感器 MOTE（塵粒） Smart dust (智能灰塵）無線傳感器網絡的研究進展n學術和科技界n美國自然科學基金委（NSF）推動下，很多高校開展研究n英國、意大利、日本等國的大學和研究機構n學術科技界的研究集中在網絡技術、通信協議、感知數據查詢處理技術和應用試驗等方面無線傳感器網絡的研究進展n中國研究進展和現狀n高校和研究機構傳感器網絡的影響n傳感器網絡將物理世界和信息技術連接起來n傳感器網絡