无线传感器网络第8章课件

第8章 无线传感器网络1.什么是无线传感器网络(WSN)?WSN有哪些特点？2.WSN组成结构如何？3.WSN的协议体系是怎样的？无线传感器网络MAC协议 无线传感器网络的路由协议 无线传感器网络的拓扑控制 无线传感器网络的定位技术 无线传感器网络的时间同步机制无线传感器网络的安全技术4.无线传感器网络数据管理5.无线传感器网络数据融合6.无线传感器网络常用操作系统主要内容：主要内容：1.什么是无线传感器网络什么是无线传感器网络 无线传感器网络(wireless sensor network，WSN)是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。WSN可以看为是前面讲的短距离无线网络的应用。新兴的第四代传感器网络新兴的第四代传感器网络第一代传感器网络：2020世纪世纪7070年代。点对点传输，具年代。点对点传输，具有简单信息获取能力。有简单信息获取能力。第二代传感器网络：获取多种信息的综合能力，采用获取多种信息的综合能力，采用串串/并接口与传感控制器相联。并接口与传感控制器相联。第三代传感器网络：2020世纪世纪9090年代后期。智能传感器年代后期。智能传感器采用现场总线连接传感控制器构成局域网络。采用现场总线连接传感控制器构成局域网络。第四代传感器网络：以无线传感器网络为标志，正处以无线传感器网络为标志，正处于研究和开发阶段。于研究和开发阶段。普通节点和普通节点和SinkSink节点节点：完成数据采集和多跳中继传输。：完成数据采集和多跳中继传输。：完成数据采集和多跳中继传输。：完成数据采集和多跳中继传输。网关节点网关节点G G：完成无线和有线信号转换，实现完成无线和有线信号转换，实现完成无线和有线信号转换，实现完成无线和有线信号转换，实现CERNET2CERNET2CERNET2CERNET2的接的接的接的接入。入。入。入。监控中心监控中心CCCC：完成区域数据的综合处理。完成区域数据的综合处理。完成区域数据的综合处理。完成区域数据的综合处理。以自组织形式构成多跳中继的分级结构网络以自组织形式构成多跳中继的分级结构网络节点硬件资源有限节点硬件资源有限能量效率要求高能量效率要求高无中心无中心自组织自组织多跳路由多跳路由动态拓扑动态拓扑节点数量众多，分布密集节点数量众多，分布密集无线传感器网络的特点无线传感器网络的特点2.2.国内外研究现状国内外研究现状引起了世界各国军事部门、工业界和学术界的极大关注引起了世界各国军事部门、工业界和学术界的极大关注美国军方：C4KISRC4KISR计划、Smart Sensor WebSmart Sensor Web、灵巧传感器网络通信、无人值守地面传感器群、传感器组网系统、网状传感器系统CEC CEC 等。IntelIntel公司：20022002年基于微型传感器网络的新型计算发展规划。美国NSFNSF：20032003年制定了传感器网络研究计划。美国Dust NetworksDust Networks和Crossbow TechnologiesCrossbow Technologies等公司：“智能尘埃、MoteMote”已进入应用测试。英国、日本、意大利等国：开展该领域的研究工作。我国也开展了这一领域的研究工作：无线传感器结点的硬件设计、操作系统、网络路由技术、节能技术、覆盖控制技术等。正处于研究和开发阶段。是一个从理论到实践都需要大量研究的正处于研究和开发阶段。是一个从理论到实践都需要大量研究的课题。课题。2.1 2.1 产品之一：智能尘埃产品之一：智能尘埃Smart DustSmart Dust 光信号传输光信号传输 很微小，微米级的包含传感和通信的平台很微小，微米级的包含传感和通信的平台 具有计算能力，双向无线通信能力，自带电源具有计算能力，双向无线通信能力，自带电源 成本比较低，适合大规模生产和部署成本比较低，适合大规模生产和部署 有特定的用途与功能：有特定的用途与功能：空间探测空间探测 远距离交通流量探测远距离交通流量探测 建筑物情况监控建筑物情况监控 战场，自然资源监视战场，自然资源监视智能尘埃智能尘埃Smart DustSmart Dust智能尘埃Smart Dust：大小比较大小比较2.2 2.2 产品之二：产品之二：Mote Mote无线电波传输，无线电波传输，元件齐全，选择性高，元件齐全，选择性高，功能较完善功能较完善MoteMote基于基于MoteMote无线传感器网络硬件平台无线传感器网络硬件平台=传感器板：传感器板：气体传感器气体传感器温度传感器温度传感器湿度传感器湿度传感器Mote：微处理器微处理器 RF传输和接受设备传输和接受设备 电池和太阳能供电电池和太阳能供电传感器节点传感器节点基站基站网关：网关：把接收数据传输给把接收数据传输给其它媒介如：手机、其它媒介如：手机、Internet、卫星等、卫星等3.无线传感器网络的组成结构无线传感器网络的组成结构(1)网络结构无线传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。传感器节点：微型嵌入式系统，处理能力、存储能力、通信能力相对较弱，通过电池供电。除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合处理。汇聚节点：处理能力、存储能力、通信能力相对较强，连接传感器网络与外部网络，实现两种协议栈之间的协议转换。发布管理节点的检测任务，将收集数据转发到外部网络。传感器网络组成结构 传感器节点结构传感器节点结构传感器节点结构：传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。3.无线传感器网络的协议体系图a是早期协议栈模型，与互联网五层协议栈对应图b是细化后的协议栈模型时间同步和定位子层既要依赖于数据传输通道进行协作定位和时间同步协商，又要为其他各层提供信息支持，如基于时分复用的MAC协议，基于地理位置的路由协议等。b右边诸多机制一部分融入到协议中，另一部分独立于协议外，通过各种收集和配置接口对相应机制进行配置和监控。I.无线传感器网络的无线传感器网络的MAC协议协议MAC协议处于网络协议的底层部分，对无线传感器网络的性能有较大影响，是保证无线传感器网络高效通信的关键网络协议之一。无线传感器网络单个节点功能较弱，其强大功能是由众多节点协作实现的。多点通信在局部范围需要MAC协议协调其间的无线信道分配，在整个网络范围内需要路由协议选择通信路径。设计无线传感器网络MAC协议需要着重考虑的问题：(1)节省能量，首要问题。传统网络MAC重点考虑带宽使用的公平性，带宽利用率，网络的实时性等，与传感器网络相反，因此必须有新的MAC协议适应传感器网络。(2)可扩展性(3)网络效率 可能造成网络能量浪费的主要原因(1)如果MAC协议采用竞争方式使用共享无线信道，可能会引起多个节点之间发送的数据产生碰撞，导致重传消耗节点更多的能量。(2)节点接收并处理不必要的数据。(3)节点在不需要发送数据时一直保持对无线信道的空闲侦听，以便接收可能传输给自己的数据。过度的空闲侦听或者没必要的空闲侦听同样会造成节点能量的浪费。(4)在控制节点之间的信道分配时，如果控制消息过多，也会消耗较多的网络能量。MAC协议分类标准:缺乏统一的分类标准，采用以下几种：采用分布式控制还是集中控制使用单一共享信道还是多个信道采用固定分配信道方式还是随机访问信道方式采用第三种标准的MAC协议分类:(1)采用无线信道的时分复用方式，给每个传感器节点分配固定的无线信道使用时段，从而避免节点之间的相互干扰。包括基于分簇网络的MAC协议、DEANA协议、基于周期性调度的协议、TRAMA协议、DMAC协议等。(2)采用无线信道的随机竞争方式，节点在需要发送数据时随机使用无线信道，重点考虑尽量减少节点间的干扰。包括IEEE802.11MAC、S-MAC、T-MAC、SIFT协议等。(3)其他MAC协议，如通过采用频分复用或者码分复用等方式，实现节点间无冲突的无线信道的分配。II 无线传感器网络的路由协议无线传感器网络的路由协议无线传感器网络的路由协议的特点：能量优先：传统路由协议考虑的是通信延迟小的路径，提高网络的利用率，避免拥塞，均衡网络流量等。传感网以能量消耗为主要考虑问题。基于局部拓扑信息：传感节点只能存储有限资源 以数据为中心：传统路由协议以地址为路由依据，而传感网是多个传感器节点到汇聚节点的数据流，以数据为中心 应用相关 ：由于应用环境区别很大，传感网路由机制由应用确定设计无线传感器网络路由机制的要求(1)能量高效(2)可扩展性(3)鲁棒性：路由机制有一定的容错能力。(4)快速收敛性：路由表更新，并将分组发送到新的接口所用的时间。路由协议分类 根据不同应用对传感器网络各种特性的敏感度不同，可以将路由协议分为四种类型：(1)能量感知路由协议。早期传感网络路由协议仅考虑能量因素，如能量路由算法和能量多路径路由算法。(2)基于查询的路由协议。实时监测应用中，以数据查询为主，通信流量主要是查询节点和传感器节点之间的命令和数据传输，同时传感器节点通常进行数据融合。(3)地理位置路由协议。目标跟踪应用中，需要知道节点的地理位置，以此作为路由依据。(4)可靠的路由协议。对通信质量有较高要求的应用，一般传感网络通信质量低，稳定性难以保证，需要设计相应可靠路由协议，如基于不相交路径的多路径路由协议、ReInForM协议。III 无线传感器网络的拓扑控制无线传感器网络的拓扑控制良好的拓扑结构能提高路由协议、mac协议效率，为数据融合、时间同步、目标定位提供基础，延长网络生存时间。WSN拓扑控制主要研究的问题：在满足网络覆盖度和连通度的前提下，通过功率控制和骨干网节点选择，剔除节点间不必要的通信链路，形成一个数据转发的优化网络结构。WSN拓扑控制的分类：节点功率控制：调节网络中每个节点的发射功率，均衡节点的单跳可达邻居数目。层次型拓扑控制：利用分簇机制，让一些节点作为簇头节点，由簇头节点形成一个处理并转发数据的骨干网，其他非骨干网节点可以暂时关闭通信模块，进入休眠状态以节省能量。启发式的节点唤醒和休眠机制：使节点在没有事件发生时设置通信模块为睡眠状态，而在有事件发生时及时自动醒来并唤醒邻居节点，形成数据转发的拓扑结构。（需要于其他拓扑控制算法结合使用）拓扑控制的算法举例:统一功率分配算法，如COMPOW 基于节点度数的算法，如LINT/LILT,LMN/LMA 基于邻近图的近似算法，如CBTC,LMST,RNG等 成簇算法，如TopDisc 成簇算法，改进的GAF虚拟地理网格分簇算法，LEACH和HEED等自组织成簇算法，等 IV.无线传感器网络的定位技术 检测到事件发生，事件发生在哪里？确定事件发生的位置或获取消息的节点位置是传感器网络最基本的功能之一，对无线传感器网络应用的有效性起着关键的作用。定位信息还具有下列用途：报告事件发生地点 目标跟踪 协助路由：利用节点位置的地理路由协议 构建网络拓扑图例如：传感器节点分为：信标节点和位置未知节点。信标节点的位置时已知的，位置未知节点需要根据少数信标节点，按照某种定位机制确定自身的位置。定位算法应具备的特性：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。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，算法必须具有较好的容错性。能量高效：尽可能地减少算法中计算的复杂性，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能量开销。分布式计算：每个节点计算自身位置，不能将所有信息传送到某个节点进行集中计算。定位算法分类：基于距离的定位机制：如，基于TOA的定位、基于TDOA的定位、基于AOA的定位、基于RSSI的定位等。距离无关的定位机制：如，质心算法、DV Hop算法、Amorphous算法、APIT算法等。V.无线传感器网络的时间同步机制无线传感器网络的时间同步机制时间同步是需要协同工作的无线传感器网络系统的一个关键机制。NTP协议是Internet上广泛使用的网络时间协议，但只适用于结构相对稳定、链路很少失败的有线网络系统GPS系统能够以纳秒级精度与世界标准时间UTC保持同步，但需要配置固定的高成本接收机，同时在室内、森林或水下等有掩体的环境中无法使用GPS系统。NTP、GPS都不适合应用在无线传感器网络中。三个基本的同步机制：RBS机制：是基于接收者-接收者的时钟同步。一个节点广播时钟参考分组，广播域内的两个节点分别采用本地时钟记录参考分组的到达时间，通过交换记录时间来实现它们之间的时钟同步。TINY/MINI-SYNC：是简单的轻量级的同步机制。假设节点的时钟漂移遵循线性变化，那么两个节点之间的时间偏移也是线性的，可通过交换时标分组来估计两个节点间的最优匹配偏移量。TPSN：采用层次结构实现整个网络节点的时间同步。所有节点按照层次结构进行逻辑分级，通过基于发送者-接收者的节点对方式，每个节点能够与上一级的某个节点进行同步，从而实现所有节点都与根节点的时间同步。VI.无线传感器网络的安全技术无线传感器网络的安全技术 无线传感器网络安全问题涉及的研究内容：任务执行的机密性数据产生的可靠性数据融合的高效性数据传输的安全性 无线传感器网络基本的安全机制：机密性点对点的消息认证完整性鉴别新鲜性认证广播安全管理 另外，为确保数据融合后数据源信息的保留，水印技术也成为无线传感器网络安全的研究内容。无线传感器网络在安全研究方面的特点：算法计算强度和安全强度之间的权衡：如何通过更简单的算法实现尽量坚固的安全外壳是无线传感器网络安全的主要挑战。减少系统代码的数量：有限的计算资源和能量资源往往需要系统的各种技术综合考虑，以减少系统代码的数量，如安全路由技术等。减小耦合性：WSN任务的协作特性和路由的局部特性导致节点之间存在安全耦合，单个节点的安全泄露必然威胁网络的安全，在考虑安全算法时要 尽量减小耦合性。研究现状：SPINS安全框架：无线传感器网络SPINS安全框架在机密性、点到点的消息认证、完整性鉴别、新鲜性、认证广播方面定义了完整有效的机制和算法。SPINS安全协议框架是最早的无线传感网络(Wireless Sensor NetWork，WSN)安全框架之一,包括SNEP(Secure Network Encryption Protocol)和TESLA(micro TimedEfficient St reaming Loss2tolerant Authentication Protocol)两个部分.密钥预分布模型：安全管理方面以密钥预分布模型作为安全初始化和维护的主要机制，其中随机密钥对模型、基于多项式的密钥对模型等是目前最有代表性的算法。4.无线传感器网络的数据管理无线传感器网络的数据管理 数据管理的特点：从数据存储的角度来看，无线传感器网络可被视为一种分布式数据库。无线传感器网络的数据管理与传统的分布式数据库有很大的差别。无线传感器网络的数据管理系统的结构主要有集中式、半分布式、分布式以及层次式结构，目前大多数研究工作均集中在半分布式结构方面。无线传感器网络中数据的存储方式：网络外部存储本地存储以数据为中心的存储：权衡通信效率和能量消耗，例如，基于地理散列表的方法无线传感器网络中数据的查询：数据查询语言多采用类SQL的语言查询操作：按照集中式、分布式或流水线式查询进行设计集中式查询会消耗额外的能量，因为传送冗余数据分布式查询利用聚集技术可以显著降低通信开销流水线式聚集技术可以提高分布式查询的聚集正确性目前代表性的无线传感器网络数据管理系统：TinyDB系统（美国加州大学伯克利分校）Cougar系统（Cornel大学）Dimensions系统（加州大学洛杉矶分校）数据融合的目的：有效地节省能量：无线传感器网络存在能量约束。利用节点的本地计算和存储能力处理数据的融合，去除冗余信息，可以达到节省能量的目的。提高信息的准确度：传感器节点的易失效性也需要数据融合技术对多份数据进行综合，提高准确度。5.无线传感器网络的数据融合无线传感器网络的数据融合 数据融合技术的实现：与无线传感器网络的多个协议层次进行结合 在应用设计层，可利用分布式数据库技术，对采集到的数据进行逐步筛选，达到融合的效果在网络层中，很多路由协议都结合了数据融合机制，以期减少数据传输量数据融合协议层：独立于其他协议层的，通过减少MAC层的发送冲突和头部开销达到节省能量的目的，同时又不损失时间性能和信息的完整性。数据融合技术在节省能量、提高信息准确度的同时，要以牺牲其他方面的性能为代价：延迟的代价：在数据传输过程中寻找易于进行数据融合的路由、进行数据融合的操作以及为融合而等待其他数据的到来，都可能增加网络的平均延迟鲁棒性的代价：WSN节点失效率和数据丢失率比较高，数据融合可大幅度降低数据的冗余性，这样丢失相同的数据量可能损失更多的信息，相对而言也降低了网络的鲁棒性。典型操作系统：TinyOS：是加州U.C.Berkeley开发的传感器网络操作系统（目前主流），在TinyOS上编写程序使用的语言是nesC（C language for network embedded system）语言。MagnetOS（康奈尔大学）MANTIS（科罗拉多大学）6.无线传感器网络操作系统无线传感器网络操作系统1.无线传感器网络(WSN)的定义及特点2.WSN结构体系3.无线传感器网络数据管理与数据融合4.无线传感器网络常用操作系统小结小结 本章主要介绍如下内容：