無線傳感器網絡

WirelessSensorNetworks李克秋（）計算機網絡與高性能計算實驗室（CNHPC）/大連理工大學計算機科學與工程系無線傳感器網絡

WirelessSensorNetwor1聲明課件來源：本課件系中科院計算所寧波中科無線通訊事業部編制，只有第一章做了部分改動。下載網址：聲明課件來源：本課件系中科院計算所寧波中科2課程安排6月22日（周一）6月25日（周四）6月29日（周一）7月02日（周四）7月06日（周一）7月09日（周四）7月13日（周一）7月16日（周四）第一大節：08：00-09：30第二大節：09：40-11：10課程安排6月22日（周一）6月25日（周四）3教材書名：無線傳感器網絡作者：孫利民，李建中，陳渝，朱紅松出版社：清華大學出版社教材書名：無線傳感器網絡4成績評定平時成績：50%平時成績：20%隨堂測試：30%最后考試：50%最后一次課進行：7月16日（周四）成績評定平時成績：50%5出席考核點名抽查點名隨堂作業無故累計缺席超過3次，無考試成績出席考核點名6作弊和抄襲等發生作弊、抄襲等情況考試成績零分計算。作弊和抄襲等發生作弊、抄襲等情況考試成績零分計算。7助教李宏娟郵箱：hongjuan163com163電話亞穹郵箱：rockrobygmail電話教李宏娟8無線傳感器網絡技術無線傳感器網絡技術9目錄傳感器網絡－概述傳感器網絡－應用傳感器網絡－協議傳感器網絡－研究進展傳感器網絡－影響力目錄傳感器網絡－概述10什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11什么是傳感器網絡WSN-WirelessSensorNetworks基礎微電子技術、嵌入式計算技術、現代網絡及無線通信技術、分布式信息處理技術解釋1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WSN-WirelessSensorNe12什么是傳感器網絡解釋2：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。傳感器網絡的三個基本要素：傳感器，感知對象，觀察者傳感器網絡的基本功能協作地感知、采集、處理和發布感知信息什么是傳感器網絡解釋2：13

傳感器接近感知對象傳感器僅產生數據流傳感器無計算能力

無傳感器間通信能力SensorsObject信號分析傳統的感知方法有線/無線連接傳感器接近感知對象SensorsObject信號分析傳統的14現代感知方法SensingAreaObjectUser端

傳感器網絡覆蓋感知對象區域

每個傳感器完成其臨近感知對象的觀測

多傳感器協同完成感知區域的大觀測任務使用多跳路由算法向用戶報告觀測結果SinkInternet或通信衛星SensornetworkUser端現代感知方法SensingAreaObjectUser端15傳感器網絡的網絡結構sink-匯聚點sensornode-傳感器節點sensorfield-監測區域傳感器網絡的網絡結構sink-匯聚點16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：兼顧節點和路由器資源受限：存儲、計算、通信、能量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實體傳感器節點17現代微型傳感器感知能力＋計算能力＋通信能力體積小能耗小由六部分組成現代微型傳感器18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塊：提供能量傳感器節點傳感器模塊：信息采集、數據轉換19傳感器網絡的特點大規模網絡：地理區域大；部署密集提高信噪比；提高監測精度；增強容錯性；減少盲區自組織網絡：不確定性；拓撲結構變化資源受限：計算、存儲、通訊、能量動態拓撲：節點故障；通訊故障；移動性；節點加入可靠網絡：適應環境條件；魯棒性、容錯性應用相關：沒有統一的通信協議平臺以數據為中心傳感器網絡的特點大規模網絡：地理區域大；部署密集20傳感器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傳感器節點的限制電源能量有限21傳感器網絡概述－與adhoc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Adhoc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傳感器網絡概述－與adhoc的不同WSNAdhoc22軍事應用（UCLA-WINS）軍事應用（UCLA-WINS）23軍事應用（2）（UCLA-WINS）軍事應用（2）（UCLA-WINS）24商業（1）商業（1）25商業（2）商業（2）26通信能力有限節點帶寬窄，而且經常變化節點通信覆蓋范圍只有幾十到幾百米，而且經常變化挑戰之一如何在如此有限通信能力的條件下,高質量地完成感知數據的查詢、分析、挖掘與傳輸？在傳感器網絡環境下，發現最小化算法通信復雜性的機理是我們面臨的第一個挑戰問題！通信能力有限挑戰之一27多源、多跳是主要通信方式多個傳感器節點向一個目標傳送信息一次多源信息傳輸需要多條由多個傳感器節點組成的路徑挑戰之二如何為多源信息傳輸選擇優化通信路徑？在傳感器網絡環境下，建立選擇優化或近似優化通信路徑的理論是我們面臨的第二個挑戰問題！多源、多跳是主要通信方式挑戰之二28節點移動、斷接頻繁在移動網絡中，節點移動頻繁節點間通信的斷接頻繁，導致通信失敗.經常受到高山、建筑物、障礙物等地勢地貌以及風雨雷電等自然環境的影響,因此傳感器可能會長時間脫離網絡,離線工作挑戰之三通信路徑重構成為突出問題？路由算法必須具有自適應性？如何建立網絡隨機連通性的數據理論，為通信路徑重構和自適應路由算法設計奠定堅實理論基礎是我們面臨的第三個挑戰問題？節點移動、斷接頻繁挑戰之三29電源能量有限傳感器的電源能量極其有限由于電源能量的原因經常失效或廢棄電源能量約束是傳感器網絡應用的障礙現有電源部件不能滿足傳感器網絡的需要傳感器傳輸信息比執行計算更消耗電能傳感器傳輸1位信息需要的電能足以執行3000條計算指令挑戰之四如何傳感器網絡在工作過程中節省能，實現能源均衡，最大化網絡生命周期？建立能源復雜性和能源均衡理論是我們面臨的第四個挑戰性問題！電源能量有限挑戰之四30計算能力有限傳感器網絡中傳感器通常都具有嵌入式處理器和存儲器，具有計算能力但是，處理器性能、存儲器容量和能源都很有限，導致傳感器的計算能力十分有限挑戰之五如何使用大量具有有限計算能力的傳感器設計能源有效的高性能分布式算法?

設計同時最小化能源、時間、空間和通信復雜性的分布式算法是我們面臨的第五個挑戰性問題！計算能力有限挑戰之五31傳感器數量大、分布范圍廣傳感器網絡中傳感器節點密集，數量巨大，可能達到幾百、幾千萬，甚至更多傳感器網絡可以分布在很大區域，也可以分布在險惡環境下傳感器數量大、分布廣的特點使得網絡的維護十分困難甚至不可維護挑戰之六如何使傳感器網絡軟硬件具有高強壯性和容錯性是我們面臨的第六個挑戰性問題！傳感器數量大、分布范圍廣挑戰之六32大規模分布式觸發器很多傳感器網絡需要對感知對象進行控制（如溫度控制）傳感器需要配備回控裝置和控制軟件我們稱回控裝置和控制軟件為觸發器挑戰之七如何管理成千上萬分布式觸發器是我們面臨的第七個挑戰性問題？大規模分布式觸發器挑戰之七33感知數據流無限傳感器網絡每個傳感器都產生無限的流式數據，并具有實時性每個傳感器僅具有有限的存儲器和計算資源，難以處理巨大的實時數據流挑戰之八如何設計高效率、能源有效、實時的海量感知數據流的查詢、分析和挖掘的分布式算法？感知數據流無限挑戰之八34以數據為中心傳感器網絡不是通常的網絡用戶感興趣的是數據而不是網絡和傳感器硬件用戶很少詢問“A節點到B節點的連接是如何實現的？”用戶經常詢問“網絡覆蓋區域中那些地區出現毒氣？”傳感器網絡不是以地址為中心的用戶不會詢問“地址為27的傳感器的溫度是多少？”用戶感興趣是“某個地理位置的溫度是多少？”數據傳輸以聚集方式進行,而不是地址到地址的路由以數據為中心35傳感器網絡是以數據為中心的網絡把傳感器視為感知數據流或感知數據源把傳感器網絡視為感知數據空間或數據庫把數據管理和處理作為網絡的應用目標挑戰之九如何建立以數據為中心的傳感器網絡？以感知數據管理和處理為中心;

把數據管理和處理技術與網絡技術融為一體;

為用戶提供有效的感知數據空間或感知數據庫;

使用戶如同使用通常的數據庫系統和數據處理系統一樣自如地使用感知數據.傳感器網絡數據管理系統的理論和技術是我們面臨的第九個挑戰性問題！傳感器網絡是以數據為中心的網絡挑戰之九36需要多種多樣的感知器物理傳感器生物傳感器化學傳感器……挑戰之十如何建立新感知器概念、理論、技術和各種新型感知器是我們面臨的第十個挑戰性問題？需要多種多樣的感知器挑戰之十37其他挑戰性問題傳感器的投放或撒播理論與技術傳感器的定位問題時鐘同步問題組網連通可靠性研究和探測覆蓋率研究傳感器網絡安全性問題和抗干擾問題信號的協作處理其他挑戰性問題38傳感器網絡的協議棧（1）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傳感器網絡的協議棧（1）能源管理平臺：39傳感器網絡的協議棧（2）傳感器網絡的協議棧（2）40傳感器網絡物理層（1）傳輸媒體建議采用ISM（工業、科學和醫學）頻段短距離的無線低功率通信最適合傳感器網絡紅外不需要許可證，抗干擾要求收發雙方在視線之內光不排除用光作為通信媒體傳感器網絡物理層（1）傳輸媒體41傳感器網絡物理層（2）頻率選擇，載頻發生，信號檢測，調制，數據加密信號傳播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.為了減小傳輸距離，傳感器網絡采用多跳（multihop）通信方式傳感器網絡物理層（2）頻率選擇，載頻發生，信號檢測，調制，數42傳感器網絡MAC協議的功能（1）功能無線信道的使用建立傳感器網絡的基礎結構考慮因素節省能量可擴展性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傳感器網絡MAC協議的功能（1）功能43MAC協議的能量浪費因素（2）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。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，重發造成能量浪費串擾：接收和處理發往其他節點的數據屬于無效功耗。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。MAC協議的能量浪費因素（2）空閑偵聽：節點不知道鄰居節點何44傳感器MAC協議的節能策略（3）盡量讓傳感器節點處于睡眠狀態；減少傳感器節點之間的碰撞；減少接收到自己不需要接收的數據分組；（overhearing）減少控制消息的開銷。傳感器MAC協議的節能策略（3）盡量讓傳感器節點處于睡眠狀態45WSNMAC協議（4）基于競爭S-MAC/T-MAC/Sift基于TDMA的DEAN/TRAMA/DMAC/周期性消息調度其它SMACS/EARCSMA/CA和CDMA結合WSNMAC協議（4）基于競爭46WSN路由協議（1）已有網絡－adhoc、蜂窩主要目標－通信服務質量

帶寬利用率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（1）已有網絡－adhoc、蜂窩47WSN路由協議（2）特點基于局部拓撲信息數據為中心（不知道目的節點的編號，甚至向哪個區域）要求能量高效（協議簡單|開銷小|節省能量/均衡消耗）可擴展性（網絡范圍/節點密度）魯棒性（節點變化|拓撲變化）快速收斂性WSN路由協議（2）特點48WSN路由協議（3）能量感知路由能量路由/能量多路徑路由查詢路由定向擴散路由(DD)/謠傳路由地理路由GPRS/GEAR/GEM/邊界定位路由可靠路由ReInform/SPEED/多路徑路由WSN路由協議（3）能量感知路由49WSN傳輸層（1）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目前關于傳感器網絡傳輸層機制和協議的建議很少存在的問題硬件的限制（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TCP的應答方式開銷太大將來有可能在傳感器網絡中使用類似于UDP的協議，而在Internet和衛星網絡中使用TCP/UDP協議WSN傳輸層（1）當傳感器網絡中的系統需要接入Interne50WSN傳輸層（2）一種TCP分段（TCPsplitting）的方法可能使傳感器網絡和其它網絡（如Internet)互通WSN傳輸層（2）一種TCP分段（TCPsplitting51WSN應用層應用層協議還處于探索階段三種可能的應用層協議傳感器管理協議

Sensormanagementprotocol(SMP)任務分配和數據通告協議

taskassignmentanddataadvertisementprotocol(TADAP)傳感器詢問和數據分發協議

Sensorqueryanddatadisseminationprotocol(SQDDP)WSN應用層應用層協議還處于探索階段52WSN時間同步（1）時間同步是傳感器網絡的基本功能MAC/跟蹤/監測時間同步需要的多樣性（目標跟蹤例子）傳感器網絡時間同步的性能參數最大誤差同步期限同步范圍效率代價和體積WSN時間同步（1）時間同步是傳感器網絡的基本功能53WSN時間同步機制（2）TPSN（Timing-syncProtocolforSensorNetworks）RBS（ReferenceBroadcastSynchronization）TINY/MINI-SYNCDMTS（DelayMeasurementTimeSynchronization）PCS（ProbabilisticClockSynchronization）WSN時間同步機制（2）TPSN（Timing-syncP54WSN定位機制（1）定位是傳感器網絡的基本功能報告事件發生的地點目標跟蹤和定位協助路由進行網絡管理WSN定位機制（1）定位是傳感器網絡的基本功能55WSN定位機制（2）特殊性體積、成本（GPS不能普遍適用）能耗有限、可靠性差節點的規模大、隨機布放無線模塊通信距離有限環境要求（室內、室外）WSN定位機制（2）特殊性56WSN定位機制（3）基于距離的定位機制到達時間定位算法（TOA）不同到達時間定位算法（TDOA）到達角度定位定位算法（AOA）接收信號強度定位算法（RSSI）距離無關的定位機制質心定位算法（Centroid）距離向量-跳段定位算法（DV-HOP）自組織定位算法（AmorphousPositioning)近似的點在三角形中定位算法（APIT)WSN定位機制（3）基于距離的定位機制57無線傳感器網絡的研究進展軍事領域美國陸軍的研究計劃“靈巧傳感器網絡通信”（2019－2019，通用通信基礎設施）“無人值守地面傳感器群”（支持陸軍更廣闊視野）“戰場環境偵察與監視系統”（偵察和情報）美國海軍的研究計劃“傳感器網絡系統”（戰術和戰略級的傳感器信息管理）“網狀傳感器系統CEC（Cooperativeengagementcapability)(裝載在艦艇和戰斗機群上，進行高精度偵察）美國國防部Smart