無線傳感網

無線傳感器網絡WirelessSensorNetworks（WSNs）楊茂云網絡與通信系課程目的熟悉WSN的研究與發展掌握WSN的基本概念和關鍵技術掌握WSN的體系結構和網絡協議教學目標【教學目標】講授無線傳感網的基本概念、基本原理、通信協議。【教學重點】無線傳感網的基本概念、關鍵技術。掌握WSN網絡體系結構、通信協議，包括信道接入技術、路由協議，以及各種支撐技術。【教學要求】理解無線傳感器網絡的基本概念，了解其發展史和發展現狀和研究發展方向，掌握WSN網絡結構和通信協議，了解WSN面臨的新的問題。課程內容第一章WSN概述第二章物理層技術第三章信道接入技術第四章ZigBee協議第五章拓撲控制與路由技術第六章WSN支撐技術–定位與同步第七章WSN操作系統與仿真技術第八章WSN網絡互連第九章WSN硬件設計與開發教師聯系方式辦公地點：9號樓709手機-mail：ymaoyun@163.comQQ:574816562推薦教學參考書孫利民等編.《無線傳感器網絡》.

清華大學出版社，2005王汝傳等編.《無線傳感器網絡技術及其應用》.人民郵電出版社，2011卡拉維(EdgarH.CallawayJr)編、馬偉明等譯.《無線傳感器網絡:體系結構與協議》.電子工業出版社,2007。于宏毅等編《無線傳感器網絡理論、技術與實現》，國防工業出版社，2008第一章概述1.1無線傳感網發展與現狀1.2無線傳感網體系結構1.3無線傳感網主要特征1.4無線傳感網關鍵技術1.5無線傳感網應用范圍課前思考問題什么是無線傳感網？無線傳感網的主要應用領域？無線傳感網的基本理論？無線傳感網的關鍵技術？什么是無線傳感器網絡無線傳感器網絡（wirelesssensornetwork，WSN），簡稱無線傳感網。WSN是由具有感知、計算及通信能力的一群微小節點組成。這些節點部署在要監視的區域中，采集指定的環境參數，如溫度、振動、化學濃度等，通過協作、自組織方式構成網絡，并將數據發送到匯聚節點供用戶分析。WSN不同于一般的通信網絡，WSN的任務不是通信，而是要監視周圍環境。傳感器節點部署在要監視的區域中，采集指定的環境參數，并將數據發送到匯聚節點供分析使用。什么是無線傳感器網絡無線傳感網就是由部署在監測區域內，由大量的廉價微型傳感器節點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網絡系統。其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中感知對象的信息，并發送給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者構成了傳感器網絡的三個要素。1.1無線傳感網發展與現狀國外：起源于美國，根源可追溯到1978年由國防部高級研究計劃署（DARPA）在卡內基-梅隆大學發起的分布式傳感器研討會。具有代表性的項目包括：1993-1999年間由美國國防高級研究計劃署(DARPA)資助，加州大學洛杉磯分校(UCLA)承擔的WINS項目；1999-2001年間由DAPRA資助UC

Berkeley承擔的Smart

Dust項目。1.1無線傳感網發展與現狀1998-2002年DARPA資助，加州大學伯克利分校等25個機構聯合承擔的SensIT計劃；1999-2004年間海軍研究辦公室的SeaWeb計劃等。1.1無線傳感網發展與現狀國內：中國的一些研究機構近年開始研究：中國科學技術大學、清華大學、中科院計算所、上海微系統所、沈陽自動化所以及合肥智能所等研究單位。以國內外都投入巨資研究機構紛紛開展無線傳感器網絡的研究，很大程度歸功于其廣闊的應用前景和對社會生活的巨大影響。課外作業（1）查閱我國自然科學基金就WSN方向的研究課題（2）查閱2010年以來，WSN研究方向和關鍵應用1.2無線傳感網體系結構1.2.1無線傳感網網絡結構1.2.2無線傳感網節點結構1.2.3無線傳感網協議棧結構1.2.1無線傳感網網絡結構無線傳感網網絡結構如圖1-1所示，傳感網系統通常包括傳感器節點（sensornode）、匯聚節點（sinknode）和管理節點。大量傳感器節點隨機部署在監測區域（sensorfield）內部或附近，能夠通過自組織方式構成網絡。傳感器節點監測的數據沿著其他傳感器節點逐跳地進行傳輸，在傳輸過程中監測數據可能被多個節點處理，經過多跳后路由到匯聚節點，最后通過互聯網或衛星或無線網絡到達管理節點。用戶通過管理節點對傳感器網絡進行配置和管理，發布監測任務以及收集監測數據。任務管理中心Internet、衛星或移動通信網絡等匯聚節點監測區域傳感器節點1.2.1無線傳感網網絡體系結構1.2.2無線傳感網的節點結構1、傳感網節點的組成傳感器節點是一個微型化的嵌入式系統，它構成了傳感網的基礎層支持平臺。傳感器節點可以做得非常小，稱為智能塵埃（smartdust）。1、傳感網節點的組成（續）傳感器節點一般由傳感器模塊、處理模塊、無線通信模塊和能量供應模塊組成。感知模塊由傳感器、A/D轉換器組成，負責采集感知監控對象的信息；數據處理模塊包括存儲器和微處理器等部分，負責控制整個傳感器節點的操作，存儲和處理本身采集的數據以及其它節點發來的數據。無線通信模塊完成節點間的交互通信工作，一般為無線電收發裝置；能源供給單元負責供給節點工作所消耗的能量，一般為小體積的電池；20同時，有些節點上還可裝配有能源再生裝置、移動或執行機構、定位系統及復雜信號處理（包括聲音、圖像、數據處理及數據融合）等擴展設備以獲得更完善的功能。2、節點模型結構22有些節點上還可裝配有能源再生裝置、移動或執行機構、定位系統及復雜信號處理（包括聲音、圖像、數據處理及數據融合）等擴展設備以獲得更完善的功能。3、匯聚節點與普通節點相比，匯聚節點的處理能力、存儲能力和通信能力相對傳感器節點更強它連接著傳感網與互聯網等，實現兩種協議棧協議之間的轉換，同時發布管理節點的監測任務，并將收集到的數據轉發到外部網絡上。匯聚節點既可以是一個具有增強功能的傳感器節點，有足夠的能量提供給更多的內存與計算資源；也可以是沒有監測功能僅帶有無線通信接口的特定網關設備。234、無線傳感網節點的特點廉價：每個節點的期望價格在一美元左右體積小：火柴盒或硬幣般大小重量輕：小于100克能量有限：兩節五號電池或紐扣電池供電無線通信能力：能夠用無線電、紅外線、藍牙、超聲波等通信，帶寬低，干擾大計算能力：幾百兆赫茲的處理器存儲能力：幾兆或幾百兆的存儲空間感知能力：具有一個或幾個傳感器軟件環境：TinyOS是專為傳感器節點開發的操作系統1.2.3無線傳感網協議棧結構1.2.3無線傳感網協議棧結構早期提出的一個協議棧，包括物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層，與互聯網協議棧的五層協議相對應。另外，協議棧還包括能量管理平臺、移動管理平臺和任務管理平臺。這些管理平臺使得傳感器節點能夠按照能源高效的方式協同工作，在節點移動的傳感器網絡中轉發數據，并支持多任務和資源共享。

各層協議和平臺的功能物理層提供簡單但健壯的信號調制和無線收發技術；數據鏈路層負責數據成幀、幀檢測、媒體訪問和差錯控制；網絡層主要負責路由生成與路由選擇；傳輸層負責數據流的傳輸控制，是保證通信服務質量的重要部分；應用層包括一系列基于監測任務的應用層軟件；能量管理平臺管理傳感器節點如何使用能源，在各個協議層都需要考慮節省能量；移動管理平臺檢測并注冊傳感器節點的移動，維護到匯聚節點的路由，使得傳感器節點能夠動態跟蹤其鄰居的位置；任務管理平臺在一個給定的區域內平衡和調度監測任務。271.3無線傳感網主要特征節點固定或只有較小的活動性數量大，密度高拓撲動態變化節點同構，或只有少量特殊節點；分布式：沒有預先指定的中心，所有節點通過分布式算法相互協調；自組織：傳感器網絡的部署和初始化等不需要外界干預；節點資源受限，特別是能量非常有限；以數據為中心的網絡，節點具有數據處理的能力；與應用緊密耦合的網絡1.3.1無線傳感網與移動自組網的區別節點規模：移動自組網：節點數量通常在幾十或上百傳感器網絡：節點數目往往高出好幾個數量級節點密度：移動自組網：小傳感器網絡：大（冗余部署的結果）拓撲變化的原因：移動自組網：節點運動傳感器網絡：節點休眠調度、環境干擾或節點故障引起節點處理能力：移動自組網：較強傳感器網絡：十分有限1.3.1無線傳感網與移動自組網的區別在網絡規模方面：無線傳感器網絡包含的節點數量比ad-hoc網絡高幾個數量級在分布密度方面：無線傳感器網絡節點的分布密度很大。拓撲結構頻繁變化由于能量限制和環境因素，無線傳感器網絡節點易損壞出故障。由于節點的移動和損壞，無線傳感器網絡的拓撲結構頻繁變化。在通信方式方面：無線傳感器網絡節點主要使用廣播通信，而別ad-hoc節點采用點對點通信。無無線傳感器網絡節點能量、計算能力和存儲能力受限。由于無線傳感器網絡節點數量的原因，節點沒有統一的標識。無線傳感器網絡以數據為中心。1.3.2無線傳感網節點的限制電源能量有限通信能力有限計算和存儲能力有限31電源能量有限傳感器節點體積微小，通常攜帶能量十分有限的電池。由于傳感器節點個數多、成本要求低廉、分布區域廣，而且部署區域環境復雜，有些區域甚至人員不能到達，所以傳感器節點通過更換電池的方式來補充能源是不現實的。如何高效使用能量來最大化網絡生命周期是傳感器網絡面臨的首要挑戰。傳感器節點消耗能量的模塊包括傳感器模塊、處理器模塊和無線通信模塊。隨著集成電路工藝的進步，處理器和傳感器模塊的功耗變得很低，絕大部分能量消耗在無線通信

模塊上。

（1）電源能量有限無線通信模塊存在發送、接收、空閑和睡眠四種狀態。無線通信模塊在空閑狀態一直監聽無線信道的使用情況，檢查是否有數據發送給自己，而在睡眠狀態則關閉通信模塊。無線通信模塊在發送狀態的能量消耗最大，在空閑狀態和接收狀態的能量消耗接近，略少于發送狀態的能量消耗，在睡眠狀態的能量消耗最少。（2）通信能力有限無線通信的能量消耗與通信距離的關系為：E=kd^n

其中，參數n滿足關系2<n<4。n的取值與很多因素有關，通常取n為3，即通信能耗與距離的三次方成正比。隨著通信距離的增加，能耗將急劇增加。因此，在滿足通信連通度的前提下應盡量減少單跳通信距離。一般而言，傳感器節點的無線通信半徑在100m以內比較合適。考慮到傳感器節點的能量限制和網絡覆蓋區域大，傳感器網絡采用多跳路由的傳輸機制。傳感器節點的無線通信帶寬有限，通常僅有幾百kbps的速率。（3）計算和存儲能力有限傳感器節點的價格和功耗的限制，必然導致其攜帶的處理器能力比較弱，存儲器容量也比較小。傳感器節點的操作系統設計了動態能量管理（dynamicpowermanagement，DPM）和動態電壓調節（dynamicvoltagescaling，DVS）模塊，可以更有效地利用節點的各種資源。動態能量管理是當節點周圍沒有感興趣的事件發生時，部分模塊處于空閑狀態，把這些組件關掉或調到更低能耗的睡眠狀態。動態電壓調節是當計算負載較低時，通過降低微處理器的工作電壓和頻率來降低處理能力，從而節約微處理器的能耗，很多處理器如StrongARM都支持電壓頻率調節。1.3.3無線傳感網的特點（1）傳感器節點數目大，密度高，采用空間位置尋址（2）傳感器節點的能量、計算能力和存儲容量有限（3）無線傳感器網絡的拓撲結構易變化，具有自組織能力（5）網絡的自動管理和高度協作性（6）傳感器節點具有數據融合能力（7）以數據為中心的網絡（8）安全性問題嚴重1.4無線傳感網關鍵技術覆蓋與網絡拓撲控制技術定位技術同步技術網絡安全技術數據融合技術嵌入式操作系統1.4.1覆蓋與網絡拓撲控制技術拓撲控制可以自動生成的良好的網絡拓撲結構，能夠提高路由協議和MAC協議的效率，可為數據融合、時間同步和目標定位等方面奠定基礎，有利于節省節點的能量來延長網絡的生存期。拓撲控制主要的問題是在滿足網絡覆蓋度和連通度的前提下，通過功率控制和骨干網節點選擇、剔除節點之間不必要的無線通信鏈路，生成一個高效的數據轉發的網絡拓撲結構。拓撲控制一般可以分為兩種方式：節點功率控制層次型拓撲結構1.4.2網絡與無線通信技術由于傳感器節點的計算能力、存儲能力、通信能力以及攜帶的能量都十分有限，每個節點只能獲取局部網絡的拓撲信息，其上運行的網絡協議也不能太復雜。同時，傳感器拓撲結構動態變化，網絡資源也在不斷變化，這些都對網絡協議提出了更高的要求。無線傳感網協議負責使各個獨立的節點形成一個多跳的數據傳輸網絡，網絡層的路由協議決定監測信息的傳輸路徑；數據鏈路層的介質訪問控制用來構建底層的基礎結構，控制傳感器節點的通信過程和工作模式。路由協議不僅關心單個節點的能量消耗，更關心整個網絡能量的均衡消耗，這樣才能延長整個網絡的生存期。MAC協議首先要考慮節省能源和可擴展性，其次才考慮公平性、利用率和實時性等。1.4.2網絡與無線通信技術無線通信技術IEEE802.15.4標準是針對低速無線個人域網絡的無線通信標準，把低功耗、低成本作為設計的主要目標。超寬帶技術（UWB）是一種極具潛力的無線通信技術。1.4.3定位技術位置信息是傳感器節點采集數據中不可缺少的部分，沒有位置信息的監測消息通常毫無意義。確定事件發生的位置或采集數據的節點位置是無線傳感器網絡最基本的功能之一。由于傳感器節點存在資源有限、隨機部署、通信易受環境干擾甚至節點失效等特點，定位機制必須滿足自組織性、健壯性、能量高效、分布式計算等要求。根據節點位置是否確定，傳感器節點分為信標節點和位置未知節點。信標節點的位置是已知的，位置未知節點需要根據少數信標節點，按照某種定位機制確定自身的位置。在無線傳感網定位通常使用三邊測量法、三角測量法或極大似然估計法確定節點位置。根據定位過程中是否實際測量節點間的距離或角度，把無線傳感網中的定位分類為基于距離的定位和距離無關的定位。1.4.4同步技術同步是需要協同工作的無線傳感網系統的一個關鍵機制。如測量移動車輛速度需要計算不同傳感器檢測事件時間差，通過波束陣列確定聲源位置節點間時間同步。NTP協議是Internet上廣泛使用的網絡時間協議，但只適用于結構相對穩定、鏈路很少失敗的有線網絡系統；GPS系統能夠以納秒級精度與世界標準時間UTC保持同步，但需要配置固定的高成本接收機，同時在室內、森林或水下等有掩體的環境中無法使用GPS系統。因此，它們都不適合應用在無線傳感器網絡中。目前已提出了多個時間同步機制，其中RBS、TINY/MINI-SYNC和TPSN被認為是三個基本的同步機制。1.4.5網絡安全技術為了保證任務的機密布置和任務執行結果的安全傳遞和融合，無線傳感網需要實現一些最基本的安全機制：機密性、點到點的消息認證、完整性鑒別、新鮮性、認證廣播和安全管理。為了確保數據融合后數據源信息的保留，水印技術也成為無線傳感器網絡安全的研究內容。雖然在安全研究方面，無線傳感網沒有引入太多的內容，但無線傳感網的特點決定了它的安全與傳統網絡安全在研究方法和計算手段上有很大的不同。首先，無線傳感網的單元節點的各方面能力都不能與目前Internet的任何一種網絡終端相比，所以必然存在算法計算強度和安全強度之間的權衡問題，如何通過更簡單的算法實現盡量堅固的安全外殼是無線傳感網安全的主要挑戰；其次，有限的計算資源和能量資源往往需要系統的各種技術綜合考慮，以減少系統代碼的數量，如安全路由技術等；另外，無線傳感網任務的協作特性和路由的局部特性使節點之間存在安全耦合，單個節點的安全泄漏必然威脅網絡的安全，所以在考慮安全算法的時候要盡量減小這種耦合性。1.4.6數據融合與管理技術數據融合無線傳感網是能量約束的網絡，減少傳輸的數據量能夠有效地節省能量，提高網絡的生存期。因此，在各個傳感器節點數據收集過程中，可利用節點的本地計算和存儲能力、數據處理融合能力，去除冗余信息，從而達到節省能量的目的。由于傳感器節點的易失效性，無線傳感網也需要數據融合技術對多份數據進行綜合，提高信息的準確度。數據融合技術可以與無線傳感器網絡的多個協議層次進行結合。在應用層可以利用分布式數據庫技術，對采集到的數據進行逐步篩選，達到融合的效果；在網絡層，很多路由協議均結合了數據融合機制，以期減少數據傳輸量。數據融合技術在節省能量、提高信息準確度的同時，要以犧牲其他方面的性能為代價。首先是延遲的代價，在數據傳送過程中尋找易于進行數據融合的路由、進行數據融合操作、為融合而等待其他數據的到來，這三個方面都可能增加網絡的平均延遲。其次是魯棒性的代價，無線傳感器網絡相對于傳統網絡有更高的節點失效率以及數據丟失率，數據融合可以大幅度降低數據的冗余性，但丟失相同的數據量可能損失更多的信息，因此相對而言也降低了網絡的魯棒性1.4.6數據融合與管理技術數據管理從數據存儲的角度來看，無線傳感網可被視為一種分布式數據庫。以數據庫的方法在無線傳感網中進行數據管理，可以將存儲在網絡中的數據的邏輯視圖與網絡中的實現進行分離，使得無線傳感網的用戶只需要關心數據查詢的邏輯結構，無需關心實現細節。美國加州大學伯克利分校的TinyDB系統和Cornell大學的Cougar系統是目前具有代表性的無線傳感網數據管理系統。無線傳感網的數據管理與傳統的分布式數據庫有很大的差別。由于傳感器節點能量受限且容易失效，數據管理系統必須在盡量減少能量消耗的同時提供有效的數據服務。同時，由于節點數量龐大，且節點產生的是無限的數據流，無法通過傳統的分布式數據庫的數據管理技術進行分析處理。此外，對無線傳感網數據的查詢經常是連續的查詢或隨機抽樣的查詢，這也使得傳統分布式數據庫的數據管理技術不適用于無線傳感網。數據管理技術無線傳感網的數據管理系統的結構主要有集中式、半分布式、分布式以及層次式結構，目前大多數研究工作均集中在半分布式結構方面。無線傳感網中數據的存儲采用網絡外部存儲、本地存儲和以數據為中心的存儲三種方式。相對于其他兩種方式，以數據為中心的存儲方式可以在通信效率和能量消耗兩個方面獲得很好的折中。基于地理散列表的方法便是一種常用的以數據為中心的數據存儲方式。1.4.7嵌入式操作系統傳感器節點是一個微型的嵌入式系統，攜帶非常有限的硬件資源，需要操作系統能夠節能高效地使用其有限的內存、處理器和通信模塊，且能夠對各種特定應用提供最大的支持。在面向無線傳感網操作系統的支持下，多個應用可以并發地使用系統的有限資源。傳感器節點有兩個突出的特點。一個特點是并發性密集，即可能存在多個需要同時執行的邏輯控制，這需要操作系統能夠有效地滿足這種發生頻繁、并發程度高、執行過程比較短的邏輯控制流程；另一個特點是傳感器節點模塊化程度很高，要求操作系統能夠讓應用程序方便地對硬件進行控制，且保證在不影響整體開銷的情況下，應用程序中的各個部分能夠比較方便地進行重新組合。上述這些特點對設計面向無線傳感器網絡的操作系統提出了新的挑戰。美國加州大學伯克利分校針對無線傳感器網絡研發了TinyOS操作系統。傳感器網絡的應用傳感器網絡在環境監視方面的優勢：通過在物理環境中部署大量廉價的智能傳感器節點，可以獲得長時間、近距離、高分辨率的環境數據，這是傳統監視設備無法得到的。傳感器節點的計算和存儲能力允許節點執行數據過濾、數據壓縮等操作，也可以執行一些應用特定的處理任務。節點之間的通信能力允許節點之間協同完成更復雜的任務，如目標跟蹤。通過任務的重新分配可以改變傳感器網絡的用途。傳感器網絡戰場評估生活習性監測地震監測深海監控醫療狀況監控目標跟蹤和檢測小區安全監控

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