无线传感器网络重点课件

无线传感器网络无线传感器网络1.无线传感器网络的基本概念2.无线传感器网络的体系结构3.无线传感器网络的拓扑结构4.无线传感器网络的节点定位1.无线传感器网络的基本概念传感器网络的概念无线传感器网络(WSN：Wireless Sensor Network)是由部署在待监测区域内的大量的廉价的微型传感器节点组成。通过无线通信的方式形成的一个多跳的自组织的网络系统。其根本的目的就是协作地感知、采集和处理被该传感器节点组成的网络覆盖的区域中的信息。经过一定的初级处理并发送给对待测信息感兴趣的观察者传感器网络的概念无线传感器网络(WSN：Wireless S现代微型传感器现代微型传感器感知能力感知能力计算能力计算能力通信能力通信能力体积小体积小能耗小能耗小由六部分组成由六部分组成现代微型传感器传感器节点传感器模块：信息采集、数据转换处理器模块：控制、数据处理、网络协议无线通讯模块：无线通信，交换控制信息和收发采集数据能量供应模块：提供能量传感器节点传感器模块：信息采集、数据转换传感器网络的三要素节点上各种测试使用的传感器传感器要感知的各种待测数据对象对待测数据感兴趣的观察者传感器网络的三要素节点上各种测试使用的传感器传感器网络的特点第一，无线传感器网络的网络拓扑结构极易发生变化第二，无线传感器网络节点与节点之间采用的是自组织的通信方式第三，无线传感器网络中的传感器节点的电能是由节点所携带的电池直接供电的，因而节点携带能量十分有限第四，无线传感器网络中的传感器节点数量众多、分布密度较高使得单位面积上所拥有的网络节点数量远远大于传统的无线网络，并且这些大量的传感器节点根本无需底层基础设施的支持就能够自动组织构成一定结构的网络。传感器网络的特点第一，无线传感器网络的网络拓扑结构极易发生变第五，无线传感器网络具备有很强容错能力第六，由于无线传感器网络节点的体积和所携带能量有限的限制，这些限制决定了传感器节点只能具备有限的计算和存储能力还有相对距离较短的通信能力第七，无线传感器网络节点无中心，无线传感器网络中的传感器节点无严格的控制中心所有的节点都是地位平等，加入和离开节点都是随意的没有严格的限制条件无线传感器网络重点课件1.静态节点、不可控制部署2.动态节点、不可控制部署3.静态节点、可控部署4.动态节点、可控部署传感器网络拓扑可以根据节点的可移动与否和部署的可控与否分为四类：1.静态节点、不可控制部署传感器网络拓扑可以根据节点的可移动传感器网络的影响传感器网络将物理世界和信息技术连接起来传感器网络具有改造社会的潜力，将来广阔的应用领域使得传感器网络成为我们生活中不可缺少的部分传感器网络已经引起国内外科技界和工业界高度重视传感器网络的影响传感器网络将物理世界和信息技术连接起来传感器网络的影响传感器网络的影响通信能力有限通信能力有限节点带宽窄，而且经常变化节点带宽窄，而且经常变化节点通信覆盖范围只有几十到几百米，节点通信覆盖范围只有几十到几百米，而且经常变化而且经常变化传感器节点的限制通信能力有限传感器节点的限制多源、多跳是主要通信方式多源、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感器节点组成的路径传感器节点的限制多源、多跳是主要通信方式传感器节点的限制节点移动、断接频繁节点移动、断接频繁在移动网络中，节点移动频繁在移动网络中，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貌以及风雨雷电等自然环境的影响,因此因此传感器可能会长时间脱离网络传感器可能会长时间脱离网络,离线工作离线工作传感器节点的限制节点移动、断接频繁传感器节点的限制电源能量有限电源能量有限传感器的电源能量极其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现有电源部件不能满足传感器网络的需要要传感器传输信息比执行计算更消耗电能传感器传输信息比执行计算更消耗电能 传感器传输传感器传输传感器传输传感器传输1 1位信息需要的电能足以执行位信息需要的电能足以执行位信息需要的电能足以执行位信息需要的电能足以执行30003000条计算指令条计算指令条计算指令条计算指令传感器节点的限制电源能量有限传感器节点的限制计算能力有限计算能力有限传感器网络中传感器通常都具有嵌入式处传感器网络中传感器通常都具有嵌入式处理器和存储器，具有计算能力理器和存储器，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很有限，导致传感器的计算能力十分有限传感器节点的限制计算能力有限传感器节点的限制传感器数量大、分布范围广传感器数量大、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，甚至巨大，可能达到几百、几千万，甚至更多更多传感器网络可以分布在很大区域，也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络的维护十分困难甚至不可维护传感器节点的限制传感器数量大、分布范围广传感器节点的限制感知数据流无限感知数据流无限传感器网络每个传感器都产生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计算资源，难以处理巨大的实时数据流据流传感器节点的限制感知数据流无限传感器节点的限制以数据为中心以数据为中心传感器网络不是通常的网络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感兴趣的是数据而不是网络和传感器硬件用户感兴趣的是数据而不是网络和传感器硬件用户感兴趣的是数据而不是网络和传感器硬件用户很少询问用户很少询问用户很少询问用户很少询问“A A节点到节点到节点到节点到B B节点的连接是如何实现的？节点的连接是如何实现的？节点的连接是如何实现的？节点的连接是如何实现的？”用户经常询问用户经常询问用户经常询问用户经常询问“网络覆盖区域中那些地区出现毒气？网络覆盖区域中那些地区出现毒气？网络覆盖区域中那些地区出现毒气？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传感器网络不是以地址为中心的传感器网络不是以地址为中心的传感器网络不是以地址为中心的用户不会询问用户不会询问用户不会询问用户不会询问“地址为地址为地址为地址为27272727的传感器的温度是多少？的传感器的温度是多少？的传感器的温度是多少？的传感器的温度是多少？”用户感兴趣是用户感兴趣是用户感兴趣是用户感兴趣是“某个地理位置的温度是多少？某个地理位置的温度是多少？某个地理位置的温度是多少？某个地理位置的温度是多少？”数据传输以聚集方式进行数据传输以聚集方式进行数据传输以聚集方式进行数据传输以聚集方式进行,而不是地址到地址的路由而不是地址到地址的路由而不是地址到地址的路由而不是地址到地址的路由 传感器节点的限制以数据为中心传感器节点的限制传感器网络是以数据为中心的网络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视为感知数据流或感知数据源把传感器视为感知数据流或感知数据源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传感器网络视为感知数据空间或数据库把传感器网络视为感知数据空间或数据库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把数据管理和处理作为网络的应用目标把数据管理和处理作为网络的应用目标把数据管理和处理作为网络的应用目标传感器节点的限制传感器网络是以数据为中心的网络传感器节点的限制需要多种多样的感知需要多种多样的感知器器物理传感器物理传感器生物传感器生物传感器化学传感器化学传感器传感器节点的限制需要多种多样的感知器传感器节点的限制传感器网络的网络结构sink-汇聚点sensor node-传感器节点sensor field-监测区域传感器网络的网络结构sink-汇聚点传感器网络的实体传感器节点功能：采集、处理、控制和通信等网络功能：兼顾节点和路由器Sink节点功能：连接传感器网络与Internet等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，发布管理节点的监测任务，转发收集到的数据。特点：连续供电、功能强、数量少等传感器网络的实体传感器节点传感器网络的协议栈 横向的通信协议层和纵向的网络管理平台能源管理平台：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，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传感器网络的协议栈 横向的通信协议层和纵向的网络管理平拓扑控制的概念与意义概念拓扑控制（topology control）是一种协调节点间各自传输范围的技术，用以构建具有某些期望的全局特性（如，连通性）的网络拓扑结构，同时减少节点的能耗或增加网络的传输能力。意义1、减少节点的通信负载，提高通信效率；2、减少网络耗能，延长网络寿命；3、辅助路由协议；拓扑控制的概念与意义概念拓扑控制的研究方向WSN中拓扑控制可以分为两个研究方向：功率控制和层次拓扑结构控制。功率控制机制调整网络中每个节点的发射功率，保证网络连通，在均衡节点中直接邻居数目(单跳可达邻居数目)的同时，降低节点之间的通信干扰。层次拓扑控制是利用分簇思想，使网络中的部分节点处于激活状态，成为簇头节点。由这些簇头节点构建一个连通的网络来处理和传输网络中的数据，并定期或不定期地重新选择簇头节点，以均衡网络中节点的能量消耗。拓扑控制的研究方向WSN中拓扑控制可以分为两个研究方向：功率拓扑控制与网络体系的关系MAC协议：基本任务是节点共享网络媒体的接入问题，为两个节点的MAC层实体之间提供可靠的数据链路。数据链路层：主要任务是完成组帧、差错控制、流量控制、功率控制、链路管理。网络层：提供的两个相邻端点之间的数据帧的传送功能上，进一步管理网络中的数据通信，将数据设法从源端经过若直干个中间节点传送到目的端，从而向传输层提供最基本的端到端的数据传送服务。具体功能包括寻址和路由选择、连接的建立、保持和终止等。拓扑控制与网络体系的关系拓扑控制的评价指标连通性 在没有拓扑算法前，两个节点之间存在k条路径，那么使用拓扑算法后，这两个节点中也应该有存在k条路径。覆盖性 覆盖问题中，最重要的因素是网络对物理世界的感知能力。吞吐量 化简后的网络拓扑结构应该能够支持与原始网络相似的通信量。拓扑控制的评价指标连通性扩展性（网络容量）减少数据传输节点所能影响的邻居节点的数量,减少节点通信的传输范围,可以有效减小网络中的冲突域,从而降低通信冲突的概率。相反，网络中的冲突就越多,节点通信也就更容易发生数据丢包或重传现象。鲁棒性 网络发生变化时，一些节点可能会变化它们的拓扑信息，显然，鲁棒的拓扑结构只需要进行少量的调整，这样可以避免对本地节点的重新组织而造成整个网络的波动。扩展性（网络容量）实现拓扑控制的手段1、在保证网络的连通性与覆盖性的情况下，控制节点的发射距离，减少发射功耗，同时减少分组冲突的可能性，减少协议不必要的开销；2、尽可能让多的节点进行休眠，降低功耗；3、数据融合，减少分组的冗余。实现拓扑控制的手段1、在保证网络的连通性与覆盖性的情况下，控拓扑控制的分类拓扑控制的分类无线传感器网络定位技术WSN的定位问题一般指对于一组未知位置坐标的网络节点，依靠有限的位置已知的锚节点，通过测量未知节点至其余节点的距离或跳数，或者通过估计节点可能处于的区域范围，结合节点间的交换的信息和锚节点的已知位置，来确定每个节点的位置。无线传感器网络定位技术WSN的定位问题一般指对于一组未知位置WSN定位算法的特点：1.自组织性：传感器网络的节点随机分布，不能依靠全局的基础设施协助定位 2.健壮性；传感器节点的硬件配置低，能量少，可靠性差，测量距离时会产生误差，算法必须具有良好的容错性。WSN定位算法的特点：1.自组织性：传感器网络的节点随 3.能量高效：尽可能地减少算法的复杂性，减少节点间的通信开销，以尽量延长网络的生存周期。通信开销是传感器网络的主要开销 4.分布式计算：每个节点尽量计算自身位置，不能将所有信息传送到某个节点进行集中计算。3.能量高效：尽可能地减少算法的复杂性，减少节点间的基本术语邻居节点：是指传感器节点通信半径内的所有其他节点，也就是说，在一个节点通信半径内，可以与其直接通信的所有其他点跳数：是指两个节点之间间隔的跳段总数跳段距离：是指两个节点之间的各跳段距离总和接收信号强度指示RSSI：节点接受到无线信号的强度大小到达时间TOA：信号从一个节点传播到另一个节点所需要的时间基本术语邻居节点：是指传感器节点通信半径内的所有其他节点，也信标节点（锚点）：已知自身的位置未知节点：未知自身的位置到达时间差TDOA：两种具有不同传播速度的信号从一个节点传播到另一节点所需要的时间差到达角度AOA：节点接收到的信号相对于自身轴线的角度视线关系LOS：两个节点间没有障碍物间隔，能够直接通信非视线关系NLOS:两个节点之间存在障碍物基础设施：协助传感器节点定位的已知自身的位置的固定设备（如卫星，基站等）信标节点（锚点）：已知自身的位置定位算法的分类基于测距技术的定位和无需测距技术的定位基于锚节点的定位算法和非基于锚节点的定位算法物理定位和符号定位递增式定位算法和并发式定位算法紧密耦合和松散耦合集中式计算与分布式计算粗粒度与细粒度绝对定位与相对定位三角测量、场景分析和接近度定位定位算法的分类基于测距技术的定位和无需测距技术的定位定位技术分类根据定位结果坐标类型的不同网络中存在已知位置的锚节点，所有节点根据锚节点确定自己的位置，使用同一个坐标系。网络中不存在已知位置的参考节点，所有节点确定到其它节点的相对位置。绝对定位相对定位定位技术分类根据定位结果坐标类型的不同网络中存在已知位置的锚根据在定位过程中是否把信息传送到某个后台中心或服务器进行节点坐标的计算把所需信息传送到某个中心节点(例如，一台服务器)，并在那里进行节点定位计算的方式指依赖节点间的信息交换和协调，由节点自行计算的定位方式。集中式计算分布式计算根据在定位过程中是否把信息传送到某个后台中心或服务器进行节点根据各节点定位的先后次序从信标节点开始，首先它的邻居节点开始定位，然后逐渐向外围进行延伸，即各个节点依次实现定位。定位一旦开始，所有的节点同时进行位置坐标的计算，即定位。不存在先后次序。递增式的定位算法并发式的定位算法根据各节点定位的先后次序从信标节点开始，首先它的邻居节点开始根据定位过程中实际测量节点间的距离和角度与否通过测量节点间点到点的距离或角度等信息进行位置估计；无须距离和角度信息，仅根据网络连通性等信息即可实现。无须测距技术的定位基于测距的定位根据定位过程中实际测量节点间的距离和角度与否通过测量节点间点测距方法基于距离的节点定位算法定位精度相对较高，但由于要实际测量节点间的距离或角度，所以通常硬件要求也较高。典型的距离测量技术包含利用 RSSI 测距、利用 TOA 或 TDOA 测距和利用 AOA 测距测距方法基于距离的节点定位算法定位精度相对较高，但由于要实际1.基于RSSI的定位在基于接收信号强度指示RSSI的定位算法中，已知发射节点的发射信号强度，接收节点根据收到信号的强度，计算出信号的传播损耗，利用理论和经验模型将传输损耗转化为距离，再利用已有的算法计算出节点的位置。该技术主要使用 RF信号，因传感器节点本身具有无线通信能力，故其是一种低功率、廉价的测距技术。1.基于 RSSI 的定位例如，在自由空间中，通过测量接收信号的强度，利用公（3-1）就可以计算出收发节点间的大概距离。例如，在自由空间中，通过测量接收信号的强度，利用公（3-1）2.基于TOA的定位在基于到达时间 TOA 的定位机制中，已知信号的传播速度，根据信号的传播时间来计算节点间的距离，然后利用已有算法计算出节点的位置。假设两个节点间时间同步，发送节点的扬声器模块在发送伪噪声序列信号的同时，无线电模块通过无线电同步消息通知接收节点伪噪声序列信号发送的时间，接收节点的麦克风模块在检测到伪噪声序列信号后，根据声波信号的传播时间和速度计算发送节点和接收节点之间的距离。节点在计算出到多个邻近信标节点的距离后，可以利用三边测量算法或极大似然估计算法计算出自身位置。2.基于TOA的定位在基于到达时间 TOA 的定位机制中，基于TDOA的定位基于TDOA的定位定位算法基于测距技术的定位算法：v三边测量法；v三角测量法；v最大似然估计法。定位算法基于测距技术的定位算法：三边测量法三边测量法三角测量法三角测量法极大似然估计法极大似然估计法无线传感器网络重点课件定位算法性能指标定位精度规模锚节点密度节点密度容错性自适应性代价功耗定位算法性能指标定位精度定位精度：定位技术首要的评价指标就是定位精确度，其又分为绝对精度和相对精度。绝对精度是测量的坐标与真实坐标的偏差。相对误差一般用误差值与节点无线射程的比例表示，定位误差越小定位精确度越高。规模：不同的定位系统或算法也许可在园区内、建筑物内、一层建筑物或仅仅是一个房间内实现定位。另外，给定一定数量的基础设施或在一段时间内，一种技术可以定位多少目标也是一个重要的评价指标。定位精度：定位技术首要的评价指标就是定位精确度，其又分为绝对锚节点密度：定位通常依赖人工部署或使用GPS 实现。锚节点密度是评价定位系统和算法性能的重要指标之一。节点密度：通常以网络的平均连通度来表示，许多定位算法的精度受节点密度的影响。在无线传感器网络中，节点密度增大不仅意味着网络部署费用的增加，而且会因为节点间的通信冲突问题带来有限带宽的阻塞。DV-Hop算法仅可在节点密集部署的情况下合理地估算节点位置。锚节点密度：定位通常依赖人工部署或使用GPS 实现。锚节点密容错性：定位系统和算法都需要比较理想的无线通信环境和可靠的网络节点设备。而真实环境往往比较复杂。自适应性：定位系统和算法的软、硬件必须具有很强的容错性和自适应性，能够通过自动调整或重构纠正错误、适应环境、减小各种误差的影响，以提高定位精度。容错性：定位系统和算法都需要比较理想的无线通信环境和可靠的网功耗：是对无线传感器网络的设计和实现影响最大的因素之一。由于传感器节点的电池能量有限，因此与功耗密切相关的定位所需的计算量、通信开销、存储开销、时间复杂性是一组关键性指标。代价：定位算法的代价可从不同的方面来评价。时间代价包括一个系统的安装时间、配置时间、定位所需时间；空间代价包括一个定位系统或算法所需的基础设施和网络节点的数量、硬件尺寸等；资金代价则包括实现一种定位系统或算法的基础设施、节点设备的总费用。功耗：是对无线传感器网络的设计和实现影响最大的因素之一。由于