第62讲-无线传感网络课件

第第6-2讲讲 无线传感网络无线传感网络无线自组网技术无线自组网技术主主 要要 内内 容容1.相关概念介绍相关概念介绍2.无线传感网络的目标、特点和无线传感网络的目标、特点和种类种类 3.当前研究现状当前研究现状 5.无线传感网络相关问题探讨无线传感网络相关问题探讨 4.无线无线传感网络的体系结构传感网络的体系结构6.结论结论 相关概念介绍相关概念介绍 相关定义相关定义 由一组带有无线收发装置的移动终端构成的一个多跳的临时性由一组带有无线收发装置的移动终端构成的一个多跳的临时性由一组带有无线收发装置的移动终端构成的一个多跳的临时性由一组带有无线收发装置的移动终端构成的一个多跳的临时性自治系统。自治系统。自治系统。自治系统。Ad HocAd Hoc网络的定义网络的定义网络的定义网络的定义由大量的小型传感器组成的用来监视物理环境和相关现象并向由大量的小型传感器组成的用来监视物理环境和相关现象并向由大量的小型传感器组成的用来监视物理环境和相关现象并向由大量的小型传感器组成的用来监视物理环境和相关现象并向观测者或处理中心报告监测结果的网络。观测者或处理中心报告监测结果的网络。观测者或处理中心报告监测结果的网络。观测者或处理中心报告监测结果的网络。传感网络的定义传感网络的定义传感网络的定义传感网络的定义一种基于大量具有传感和通信功能的小型可移动设备构造的主一种基于大量具有传感和通信功能的小型可移动设备构造的主一种基于大量具有传感和通信功能的小型可移动设备构造的主一种基于大量具有传感和通信功能的小型可移动设备构造的主要用于收集、传播和处理传感信息的要用于收集、传播和处理传感信息的要用于收集、传播和处理传感信息的要用于收集、传播和处理传感信息的Ad HocAd Hoc网络。网络。网络。网络。无线传感网络的定义无线传感网络的定义无线传感网络的定义无线传感网络的定义 无线传感网络是两种网络的的有机结合。无线传感网络是两种网络的的有机结合。无线传感网络是两种网络的的有机结合。无线传感网络是两种网络的的有机结合。2024/7/112024/7/11相关定义（续）相关定义（续）传感网络通常包括传感节点、观测者（中心处传感网络通常包括传感节点、观测者（中心处传感网络通常包括传感节点、观测者（中心处传感网络通常包括传感节点、观测者（中心处理节点）和现象（被监测对象）。理节点）和现象（被监测对象）。理节点）和现象（被监测对象）。理节点）和现象（被监测对象）。传感节点：用来监测物理环境（现象）并报告所测量信息的传感节点：用来监测物理环境（现象）并报告所测量信息的传感节点：用来监测物理环境（现象）并报告所测量信息的传感节点：用来监测物理环境（现象）并报告所测量信息的小型可移动设备。小型可移动设备。小型可移动设备。小型可移动设备。观测者：希望获得传感节点监测的信息并能对信息进行处理观测者：希望获得传感节点监测的信息并能对信息进行处理观测者：希望获得传感节点监测的信息并能对信息进行处理观测者：希望获得传感节点监测的信息并能对信息进行处理的端用户或中心节点。除了被动接收外，观测者还可主动查询的端用户或中心节点。除了被动接收外，观测者还可主动查询的端用户或中心节点。除了被动接收外，观测者还可主动查询的端用户或中心节点。除了被动接收外，观测者还可主动查询相关信息。相关信息。相关信息。相关信息。现象：观测者感兴趣的被监测的物理实体，并且能够被传感现象：观测者感兴趣的被监测的物理实体，并且能够被传感现象：观测者感兴趣的被监测的物理实体，并且能够被传感现象：观测者感兴趣的被监测的物理实体，并且能够被传感网络进行分析和过滤。网络进行分析和过滤。网络进行分析和过滤。网络进行分析和过滤。2024/7/112024/7/11传感节点的构成传感节点的构成 典型的传感节点包括四个主要部分：检测单元、典型的传感节点包括四个主要部分：检测单元、典型的传感节点包括四个主要部分：检测单元、典型的传感节点包括四个主要部分：检测单元、处理单元、发送接收单位和能量供给单元，此外处理单元、发送接收单位和能量供给单元，此外处理单元、发送接收单位和能量供给单元，此外处理单元、发送接收单位和能量供给单元，此外还包括一些附加的与应用相关的部件，如位置发还包括一些附加的与应用相关的部件，如位置发还包括一些附加的与应用相关的部件，如位置发还包括一些附加的与应用相关的部件，如位置发现系统、功率产生器和移动载体等。现系统、功率产生器和移动载体等。现系统、功率产生器和移动载体等。现系统、功率产生器和移动载体等。检测单元检测信号并将其送到处理单元；处理检测单元检测信号并将其送到处理单元；处理检测单元检测信号并将其送到处理单元；处理检测单元检测信号并将其送到处理单元；处理单元处理数据并运行相关程序使之与其它节点协单元处理数据并运行相关程序使之与其它节点协单元处理数据并运行相关程序使之与其它节点协单元处理数据并运行相关程序使之与其它节点协调工作；发送接收单位用于节点之间通信；能量调工作；发送接收单位用于节点之间通信；能量调工作；发送接收单位用于节点之间通信；能量调工作；发送接收单位用于节点之间通信；能量供给单元用于提供能量；位置发现系统用于定位供给单元用于提供能量；位置发现系统用于定位供给单元用于提供能量；位置发现系统用于定位供给单元用于提供能量；位置发现系统用于定位传感节点的位置；功率产生器可以补充能量，如传感节点的位置；功率产生器可以补充能量，如传感节点的位置；功率产生器可以补充能量，如传感节点的位置；功率产生器可以补充能量，如太阳能发电；移动载体可以使节点移动。太阳能发电；移动载体可以使节点移动。太阳能发电；移动载体可以使节点移动。太阳能发电；移动载体可以使节点移动。2024/7/112024/7/11 无线传感网络概述无线传感网络概述 无线传感网络中，传感节点协作运行来完成任务，无线传感网络中，传感节点协作运行来完成任务，无线传感网络中，传感节点协作运行来完成任务，无线传感网络中，传感节点协作运行来完成任务，并根据网络的规模选用合适的路由协议转发传感信息。并根据网络的规模选用合适的路由协议转发传感信息。并根据网络的规模选用合适的路由协议转发传感信息。并根据网络的规模选用合适的路由协议转发传感信息。节点不仅能够借助中间节点的转发来实现远距离通信，节点不仅能够借助中间节点的转发来实现远距离通信，节点不仅能够借助中间节点的转发来实现远距离通信，节点不仅能够借助中间节点的转发来实现远距离通信，还可以监测本地环境的变化，收集和处理相关的传感还可以监测本地环境的变化，收集和处理相关的传感还可以监测本地环境的变化，收集和处理相关的传感还可以监测本地环境的变化，收集和处理相关的传感信息，从而增强了传统信息，从而增强了传统信息，从而增强了传统信息，从而增强了传统Ad HocAd Hoc网络的功能。无线传感网络的功能。无线传感网络的功能。无线传感网络的功能。无线传感网络可以广泛应用于军事和民用环境，进行信息的收网络可以广泛应用于军事和民用环境，进行信息的收网络可以广泛应用于军事和民用环境，进行信息的收网络可以广泛应用于军事和民用环境，进行信息的收集和处理、对象跟踪和网络环境的监测，适合配置在集和处理、对象跟踪和网络环境的监测，适合配置在集和处理、对象跟踪和网络环境的监测，适合配置在集和处理、对象跟踪和网络环境的监测，适合配置在野外、交通要道、家庭、军事、医疗和安全部门等场野外、交通要道、家庭、军事、医疗和安全部门等场野外、交通要道、家庭、军事、医疗和安全部门等场野外、交通要道、家庭、军事、医疗和安全部门等场合。此外，传感节点可以使用多种传输媒质，包括无合。此外，传感节点可以使用多种传输媒质，包括无合。此外，传感节点可以使用多种传输媒质，包括无合。此外，传感节点可以使用多种传输媒质，包括无线电播、声波和地震波等。线电播、声波和地震波等。线电播、声波和地震波等。线电播、声波和地震波等。2024/7/112024/7/11 无线传感网络应用情景无线传感网络应用情景 军用传感网络可以监视战场的态势（用于军事军用传感网络可以监视战场的态势（用于军事军用传感网络可以监视战场的态势（用于军事军用传感网络可以监视战场的态势（用于军事通信、指挥、控制、监视、侦察和定位）。通信、指挥、控制、监视、侦察和定位）。通信、指挥、控制、监视、侦察和定位）。通信、指挥、控制、监视、侦察和定位）。环境传感网络可以检测环境和气候的变化。环境传感网络可以检测环境和气候的变化。环境传感网络可以检测环境和气候的变化。环境传感网络可以检测环境和气候的变化。交通传感网络可以配置在交通要道用于监测交交通传感网络可以配置在交通要道用于监测交交通传感网络可以配置在交通要道用于监测交交通传感网络可以配置在交通要道用于监测交通的流量，包括车辆的数量、种类、速度和方向通的流量，包括车辆的数量、种类、速度和方向通的流量，包括车辆的数量、种类、速度和方向通的流量，包括车辆的数量、种类、速度和方向等相关参数。等相关参数。等相关参数。等相关参数。监控传感网络可以用于商场和银行等场合来提监控传感网络可以用于商场和银行等场合来提监控传感网络可以用于商场和银行等场合来提监控传感网络可以用于商场和银行等场合来提高安全性。高安全性。高安全性。高安全性。2024/7/112024/7/11 应用情景（续）应用情景（续）环环境境监监测测和和分分析析2024/7/112024/7/11 应用情景（续）应用情景（续）河河流流污污染染监监测测2024/7/112024/7/11 应用情景（续）应用情景（续）交交通通流流量量监监控控2024/7/112024/7/11传感网络的目标、传感网络的目标、特点和种类特点和种类 传感网络的目标传感网络的目标 目标由环境和应用决定，但通常涉及以下几个方面：目标由环境和应用决定，但通常涉及以下几个方面：目标由环境和应用决定，但通常涉及以下几个方面：目标由环境和应用决定，但通常涉及以下几个方面：传感网络可能需要完成多种任务，包括测量环境的温度、传感网络可能需要完成多种任务，包括测量环境的温度、传感网络可能需要完成多种任务，包括测量环境的温度、传感网络可能需要完成多种任务，包括测量环境的温度、湿度和气压等，因此需要能够选用合适的参数，包括抽样速湿度和气压等，因此需要能够选用合适的参数，包括抽样速湿度和气压等，因此需要能够选用合适的参数，包括抽样速湿度和气压等，因此需要能够选用合适的参数，包括抽样速率和消息发送周期等。率和消息发送周期等。率和消息发送周期等。率和消息发送周期等。检测检测检测检测相关事件的出现并估计相应的参数。相关事件的出现并估计相应的参数。相关事件的出现并估计相应的参数。相关事件的出现并估计相应的参数。对收集到的数据进行处理和分类。对收集到的数据进行处理和分类。对收集到的数据进行处理和分类。对收集到的数据进行处理和分类。跟踪对象并能够迅速准确地将信息传送到指定位置。跟踪对象并能够迅速准确地将信息传送到指定位置。跟踪对象并能够迅速准确地将信息传送到指定位置。跟踪对象并能够迅速准确地将信息传送到指定位置。2024/7/112024/7/11 传感网络的特征传感网络的特征(1)(1)网络中存在大量（成千上万）传感节点，并且多数情况网络中存在大量（成千上万）传感节点，并且多数情况网络中存在大量（成千上万）传感节点，并且多数情况网络中存在大量（成千上万）传感节点，并且多数情况下传感节点的位置相对固定，密度较高，因此网络应具有自下传感节点的位置相对固定，密度较高，因此网络应具有自下传感节点的位置相对固定，密度较高，因此网络应具有自下传感节点的位置相对固定，密度较高，因此网络应具有自组织能力，并要着重考虑网络的可扩展性。组织能力，并要着重考虑网络的可扩展性。组织能力，并要着重考虑网络的可扩展性。组织能力，并要着重考虑网络的可扩展性。(2)(2)传感节点经常配置在偏远或危险的地区并且需要持续工传感节点经常配置在偏远或危险的地区并且需要持续工传感节点经常配置在偏远或危险的地区并且需要持续工传感节点经常配置在偏远或危险的地区并且需要持续工作，节点容易被破坏和干扰，并且节点的寿命由电池的能量作，节点容易被破坏和干扰，并且节点的寿命由电池的能量作，节点容易被破坏和干扰，并且节点的寿命由电池的能量作，节点容易被破坏和干扰，并且节点的寿命由电池的能量决定，因此需要尽量节省能量的耗费。决定，因此需要尽量节省能量的耗费。决定，因此需要尽量节省能量的耗费。决定，因此需要尽量节省能量的耗费。(3)(3)传感网络主要采用广播通信模式，而许多传感网络主要采用广播通信模式，而许多传感网络主要采用广播通信模式，而许多传感网络主要采用广播通信模式，而许多Ad HocAd Hoc网络基网络基网络基网络基于点到点通信。并且由于数量较大，传感节点不一定都有唯于点到点通信。并且由于数量较大，传感节点不一定都有唯于点到点通信。并且由于数量较大，传感节点不一定都有唯于点到点通信。并且由于数量较大，传感节点不一定都有唯一的全局标识符。一的全局标识符。一的全局标识符。一的全局标识符。(4)(4)它的目标是检测和通知相关事件的发生，而不仅仅是实现它的目标是检测和通知相关事件的发生，而不仅仅是实现它的目标是检测和通知相关事件的发生，而不仅仅是实现它的目标是检测和通知相关事件的发生，而不仅仅是实现节点间的通信，因此节点需要协作来进行信息的汇聚和处理。节点间的通信，因此节点需要协作来进行信息的汇聚和处理。节点间的通信，因此节点需要协作来进行信息的汇聚和处理。节点间的通信，因此节点需要协作来进行信息的汇聚和处理。2024/7/112024/7/11 传感网络的分类传感网络的分类 基于网络的规模、节点的数量和分布以及传感网络到有基于网络的规模、节点的数量和分布以及传感网络到有基于网络的规模、节点的数量和分布以及传感网络到有基于网络的规模、节点的数量和分布以及传感网络到有线固定网络的距离可以把传感网络划分为不同的种类。线固定网络的距离可以把传感网络划分为不同的种类。线固定网络的距离可以把传感网络划分为不同的种类。线固定网络的距离可以把传感网络划分为不同的种类。网络的规模和节点的数量将决定整个系统的成本，而传网络的规模和节点的数量将决定整个系统的成本，而传网络的规模和节点的数量将决定整个系统的成本，而传网络的规模和节点的数量将决定整个系统的成本，而传感网络到有线网络的距离将决定路由节点配置的数量和使感网络到有线网络的距离将决定路由节点配置的数量和使感网络到有线网络的距离将决定路由节点配置的数量和使感网络到有线网络的距离将决定路由节点配置的数量和使用的路由算法。传感节点的分布可以事先确定或随机选择，用的路由算法。传感节点的分布可以事先确定或随机选择，用的路由算法。传感节点的分布可以事先确定或随机选择，用的路由算法。传感节点的分布可以事先确定或随机选择，前者易于管理和配置，但适应性较差；后者的适应性较强，前者易于管理和配置，但适应性较差；后者的适应性较强，前者易于管理和配置，但适应性较差；后者的适应性较强，前者易于管理和配置，但适应性较差；后者的适应性较强，但管理较复杂。但管理较复杂。但管理较复杂。但管理较复杂。基于以上考虑，传感网络可分为三类：非传播系统、确基于以上考虑，传感网络可分为三类：非传播系统、确基于以上考虑，传感网络可分为三类：非传播系统、确基于以上考虑，传感网络可分为三类：非传播系统、确定路由系统和自组织系统。定路由系统和自组织系统。定路由系统和自组织系统。定路由系统和自组织系统。另外，还可以根据网络中的传感节点是否需要单独寻址另外，还可以根据网络中的传感节点是否需要单独寻址另外，还可以根据网络中的传感节点是否需要单独寻址另外，还可以根据网络中的传感节点是否需要单独寻址以及传感数据是否被汇聚来对传感网络分类。以及传感数据是否被汇聚来对传感网络分类。以及传感数据是否被汇聚来对传感网络分类。以及传感数据是否被汇聚来对传感网络分类。2024/7/112024/7/11 传感网络的分类（续）传感网络的分类（续）非传播系统中，传感节点与中心节点一跳可达，不需任非传播系统中，传感节点与中心节点一跳可达，不需任非传播系统中，传感节点与中心节点一跳可达，不需任非传播系统中，传感节点与中心节点一跳可达，不需任何路由节点和路由算法。传感节点通常不移动，数据的聚集、何路由节点和路由算法。传感节点通常不移动，数据的聚集、何路由节点和路由算法。传感节点通常不移动，数据的聚集、何路由节点和路由算法。传感节点通常不移动，数据的聚集、分发和处理主要由中心节点完成，例如安装在建筑物和交通分发和处理主要由中心节点完成，例如安装在建筑物和交通分发和处理主要由中心节点完成，例如安装在建筑物和交通分发和处理主要由中心节点完成，例如安装在建筑物和交通要道上的传感系统。要道上的传感系统。要道上的传感系统。要道上的传感系统。确定路由系统中确定路由系统中确定路由系统中确定路由系统中，传感节点使用事先确定的路由将数据传传感节点使用事先确定的路由将数据传传感节点使用事先确定的路由将数据传传感节点使用事先确定的路由将数据传递到中心节点，路由通常由手工配置。这种系统适用于节点递到中心节点，路由通常由手工配置。这种系统适用于节点递到中心节点，路由通常由手工配置。这种系统适用于节点递到中心节点，路由通常由手工配置。这种系统适用于节点数量较少的网络，如用于家庭和办公室环境的传感网络。数量较少的网络，如用于家庭和办公室环境的传感网络。数量较少的网络，如用于家庭和办公室环境的传感网络。数量较少的网络，如用于家庭和办公室环境的传感网络。自组织系统多用于节点数量较多的场合，节点可以随机移自组织系统多用于节点数量较多的场合，节点可以随机移自组织系统多用于节点数量较多的场合，节点可以随机移自组织系统多用于节点数量较多的场合，节点可以随机移动，例如战场侦察或气象监测系统。在这种网络中，传感节动，例如战场侦察或气象监测系统。在这种网络中，传感节动，例如战场侦察或气象监测系统。在这种网络中，传感节动，例如战场侦察或气象监测系统。在这种网络中，传感节点与路由节点协作，并借助路由协议向信息处理中心传输数点与路由节点协作，并借助路由协议向信息处理中心传输数点与路由节点协作，并借助路由协议向信息处理中心传输数点与路由节点协作，并借助路由协议向信息处理中心传输数据。我们将这种自组织传感网络称为无线传感网络。据。我们将这种自组织传感网络称为无线传感网络。据。我们将这种自组织传感网络称为无线传感网络。据。我们将这种自组织传感网络称为无线传感网络。2024/7/112024/7/11 传感网络的分类（续）传感网络的分类（续）(a)非传播系统非传播系统(b)确定路由系统确定路由系统(c)自组织系统自组织系统传感节点路由节点中心处理节点2024/7/112024/7/11当前研究现状当前研究现状目前，国外很多大学和组织都在对无线传感网络目前，国外很多大学和组织都在对无线传感网络进行积极探索，并取得了一些研究成果。进行积极探索，并取得了一些研究成果。当前研究现状当前研究现状加州大学伯克利分校研制了一个包括加州大学伯克利分校研制了一个包括800个小型传感节个小型传感节点的测试床，传感节点可以感知光线的强度、温度、电点的测试床，传感节点可以感知光线的强度、温度、电池能量和信号强度，并能及时地反映在监控屏幕上。池能量和信号强度，并能及时地反映在监控屏幕上。他们还他们还开发了一种用于资源受限环境的灵活操作系统开发了一种用于资源受限环境的灵活操作系统TinyOS，它是基于部件的事件驱动的操作系统，开它是基于部件的事件驱动的操作系统，开销很小。该试验平台实现了从物理层到应用层，从分组销很小。该试验平台实现了从物理层到应用层，从分组路由到数据收集和处理等功能，并且可以方便地构建覆路由到数据收集和处理等功能，并且可以方便地构建覆盖整个网络的广播树。盖整个网络的广播树。2024/7/112024/7/11 当前研究现状（续）当前研究现状（续）测试床中无线传感节点的尺寸为测试床中无线传感节点的尺寸为11.5英寸，包括英寸，包括一个一个4MHz的低功率微处理器、模数转换器和简单的低功率微处理器、模数转换器和简单的外围接口，整个系统激活时耗能仅为的外围接口，整个系统激活时耗能仅为5mA，而而休眠状态下只有几十休眠状态下只有几十uA。2024/7/112024/7/11 当前研究现状（续）当前研究现状（续）S Tilak按照通信方式、数据投递模式和网络动态性按照通信方式、数据投递模式和网络动态性对传感网络进行了分类，目的是为了更好地进行协议对传感网络进行了分类，目的是为了更好地进行协议设计和构造更加符合实际的网络模型。设计和构造更加符合实际的网络模型。S Bhatnagar考虑了如何在无线传感网络中进行服务区考虑了如何在无线传感网络中进行服务区分的机制，以便对不同类型的传感数据赋予不同的优先分的机制，以便对不同类型的传感数据赋予不同的优先级。提出的自适应转发机制可以根据环境的变化动态选级。提出的自适应转发机制可以根据环境的变化动态选择转发机制来提高分组投递的可靠性并减少控制开销。择转发机制来提高分组投递的可靠性并减少控制开销。D.Estrin等人研究了传感网络中的可扩展协调机制，等人研究了传感网络中的可扩展协调机制，传感节点通过运行传感节点通过运行本地化算法，与附近有限的传感节点交互信息来获得所需的全局目标。2024/7/112024/7/11无线传感网络无线传感网络的体系结构的体系结构 一种通用的平面网络结构一种通用的平面网络结构 传感节点负责收集传感信息并通过多跳路由将数据路由到中传感节点负责收集传感信息并通过多跳路由将数据路由到中心处理节点（心处理节点（Sink），），中心处理节点可以处理信息，还可以中心处理节点可以处理信息，还可以通过通过Internet或卫星与远端的任务管理中心进行通信。或卫星与远端的任务管理中心进行通信。2024/7/112024/7/11 分级网络结构分级网络结构 平面网络结构设计简单，健壮性较好，适用于平面网络结构设计简单，健壮性较好，适用于传感节点数量较少并且节点功能相近的网络环境。传感节点数量较少并且节点功能相近的网络环境。但是当网络中存在处理能力不同的传感节点时，但是当网络中存在处理能力不同的传感节点时，无法很好地利用功能较强的传感节点来提高网络无法很好地利用功能较强的传感节点来提高网络性能，并且网络的可扩展性较差。性能，并且网络的可扩展性较差。在构造无线传感网络体系结构时应考虑网络中设在构造无线传感网络体系结构时应考虑网络中设备的数量、种类和能力。如果网络中设备数量较多，备的数量、种类和能力。如果网络中设备数量较多，并且存在普通传感节点和计算能力及功率较强的处并且存在普通传感节点和计算能力及功率较强的处理节点时，通常应采用分级网络结构。理节点时，通常应采用分级网络结构。2024/7/112024/7/11 分级网络结构（续分级网络结构（续）数据具有相关性，节点间的距离越近，数据相关性越强，节数据具有相关性，节点间的距离越近，数据相关性越强，节点可以通过本地协作来减少投递的数据量。为此，可以基于点可以通过本地协作来减少投递的数据量。为此，可以基于分簇结构使距离较近的节点共享数据。分簇结构使距离较近的节点共享数据。下层由普通传感节点下层由普通传感节点按照某种分簇算法构成多个簇，簇头负责协调簇内各节点、按照某种分簇算法构成多个簇，簇头负责协调簇内各节点、对信息进行汇聚并向功能较强的处理节点传送信息。功能较对信息进行汇聚并向功能较强的处理节点传送信息。功能较强的处理节点能够对上传的信息进行处理，并可以相互通信强的处理节点能够对上传的信息进行处理，并可以相互通信来构成上层网络。上层网络可以用于连接距离较远的低层簇，来构成上层网络。上层网络可以用于连接距离较远的低层簇，并且一些处理节点可以作为网关与外部有线网络互连，并将并且一些处理节点可以作为网关与外部有线网络互连，并将处理后的传感信息交付骨干中心节点。采用这种分簇分级结处理后的传感信息交付骨干中心节点。采用这种分簇分级结构，构，簇头可以对簇内的传感信息进行预处理和汇聚，减少了通信开销和传输功耗，提高了网络的可扩展型。传输功耗，提高了网络的可扩展型。2024/7/112024/7/11 分级网络结构（续）分级网络结构（续）普通传感节点 传感簇头节点 处理节点 有线网络 骨干中心节点 2024/7/112024/7/11 分级网络结构（续）分级网络结构（续）对传感网络而言，传感数据本身并不重要，相反对数据进行过对传感网络而言，传感数据本身并不重要，相反对数据进行过滤处理，使端用户及时获悉被监视环境的相关事件才是最重要滤处理，使端用户及时获悉被监视环境的相关事件才是最重要的。的。此外，可以赋予簇头较大的发送功率，簇头采用竞争此外，可以赋予簇头较大的发送功率，簇头采用竞争MAC协议（如协议（如CSMA）向基站发送聚集数据来减少投递时延。向基站发送聚集数据来减少投递时延。2024/7/112024/7/11 分簇策略分簇策略 分簇可以采用两种策略：一是任何节点都可充当簇头；分簇可以采用两种策略：一是任何节点都可充当簇头；二是由少数功能较强的节点充当簇头。第一种方法比较灵活二是由少数功能较强的节点充当簇头。第一种方法比较灵活并更为健壮，但网络的功能低于前者，并且需要相应的簇头并更为健壮，但网络的功能低于前者，并且需要相应的簇头选举算法。第二种方法无需簇头选举算法，簇头具有更大的选举算法。第二种方法无需簇头选举算法，簇头具有更大的传输功率和处理能力，能够支持更为复杂的功能，但网络的传输功率和处理能力，能够支持更为复杂的功能，但网络的健壮性低于前者。健壮性低于前者。当数据聚集所消耗的能量小于数据传输所需的能量时，分当数据聚集所消耗的能量小于数据传输所需的能量时，分簇结构中，簇头对数据进行汇聚预处理可以减少能量耗费。簇结构中，簇头对数据进行汇聚预处理可以减少能量耗费。为了防止簇头过快耗尽能量，分簇算法应尽量将簇头角色均为了防止簇头过快耗尽能量，分簇算法应尽量将簇头角色均等地分配到所有节点。在一个簇中，簇头可以为所有簇成员等地分配到所有节点。在一个簇中，簇头可以为所有簇成员生成一个生成一个TDMA调度表来通知每个节点的发送时隙，从而可调度表来通知每个节点的发送时隙，从而可以防止簇内冲突，并且节点在不发送数据时可转入休眠状态。以防止簇内冲突，并且节点在不发送数据时可转入休眠状态。此外相邻簇可以使用正交码字来防止簇间冲突。此外相邻簇可以使用正交码字来防止簇间冲突。2024/7/112024/7/11 分簇网络结构中的信息传递分簇网络结构中的信息传递簇内节点使用功率较低的频率簇内节点使用功率较低的频率1进行通信，而簇头之间使用功率进行通信，而簇头之间使用功率较强的频率较强的频率2进行通信，如下图所示。图中，传感层负责监测和进行通信，如下图所示。图中，传感层负责监测和收集来自发射源的相关信息，并进行相应的处理收集来自发射源的相关信息，并进行相应的处理。发射源发射源 传感层传感层 传输层传输层 网络层网络层 链路层链路层 物理层物理层 传感层传感层 传输层传输层 网络层网络层 链路层链路层 物理层物理层 传感层传感层 传输层传输层 网络层网络层 链路层链路层 物理层物理层监测接收数据监测接收数据普通节点普通节点1 普通节点普通节点2 簇头簇头 频率频率1 分级无线传感网络的信息传递流程分级无线传感网络的信息传递流程 频率频率1频率频率22024/7/112024/7/11相关问题探讨相关问题探讨 网络设计指标和设计要点网络设计指标和设计要点网络协议应尽量简单，控制开销尽可能少，并且网络网络协议应尽量简单，控制开销尽可能少，并且网络要有较强的容错能力。具体而言，必须考虑以下指标要有较强的容错能力。具体而言，必须考虑以下指标和问题：错误容忍性；可扩展性；网络成本；硬件限和问题：错误容忍性；可扩展性；网络成本；硬件限制；网络拓扑；传输媒介；能量效率制；网络拓扑；传输媒介；能量效率/系统寿命；信息系统寿命；信息投递时延和准确性；适于传感节点协同工作的信号处投递时延和准确性；适于传感节点协同工作的信号处理算法；高效的具有节能意识的路由协议和信道接入理算法；高效的具有节能意识的路由协议和信道接入机制；合适的网络体系结构和自组织算法。另外，对机制；合适的网络体系结构和自组织算法。另外，对于军用无线传感网络，需要具有较低的检测和截获概于军用无线传感网络，需要具有较低的检测和截获概率（率（LPD/LPI）、）、较高的抗干扰性、安全性和可靠性。较高的抗干扰性、安全性和可靠性。实现以上所有目标是不现实的，因此需要综合考虑，实现以上所有目标是不现实的，因此需要综合考虑，合理折衷。合理折衷。2024/7/112024/7/11网络协议栈网络协议栈协议栈可以参考协议栈可以参考OSI模型和模型和ATM协议栈结构进行设计。协议栈结构进行设计。2024/7/112024/7/11网络协议栈（续）网络协议栈（续）协议栈包含协议栈包含6层：物理层、数据链路层、网络层、传输层：物理层、数据链路层、网络层、传输层、传感层和应用层，其中传感层负责完成特定的传层、传感层和应用层，其中传感层负责完成特定的传感任务。此外还包括三个平面：能量管理平面负责管感任务。此外还包括三个平面：能量管理平面负责管理节点如何使用能量，例如改变节点的发送功率，控理节点如何使用能量，例如改变节点的发送功率，控制开机和关机，决定是否转发数据和参与路由计算等；制开机和关机，决定是否转发数据和参与路由计算等；任务管理平面负责为给定区域内的传感节点合理地分任务管理平面负责为给定区域内的传感节点合理地分配任务，任务的划分基于节点的能力和位置，从而使配任务，任务的划分基于节点的能力和位置，从而使节点能够以能量高效的方式协调工作；移动管理平面节点能够以能量高效的方式协调工作；移动管理平面负责跟踪节点的移动和位置，并且通过与邻居节点的负责跟踪节点的移动和位置，并且通过与邻居节点的协调来平衡节点之间的功率和任务分配协调来平衡节点之间的功率和任务分配。2024/7/112024/7/11网络自组织算法网络自组织算法在无线传感网络中，路由节点通过自组织算法构在无线传感网络中，路由节点通过自组织算法构成骨干网络，传感节点只需选择位于其传输范围成骨干网络，传感节点只需选择位于其传输范围内的路由节点作为中继节点，如果存在多个路由内的路由节点作为中继节点，如果存在多个路由节点，可以选择距离最近或负载最轻的节点。节点，可以选择距离最近或负载最轻的节点。自自组组织织算算法法具具体体包包括括以以下下四四个个过过程程：发发现现阶阶段段、组组织阶段、维护阶段和重组织阶段。织阶段、维护阶段和重组织阶段。发现阶段：路由节点通过交互探测消息来识别周围的邻居节发现阶段：路由节点通过交互探测消息来识别周围的邻居节点和网络拓扑。点和网络拓扑。2024/7/112024/7/11网络自组织算法（续）网络自组织算法（续）组织阶段：距离相近的路由节点可以构成簇，簇头又可构组织阶段：距离相近的路由节点可以构成簇，簇头又可构成高级簇，从而形成级联的分簇结构。根据节点在级联结构成高级簇，从而形成级联的分簇结构。根据节点在级联结构中的位置为其分配一个唯一的地址并维护相应的路由表。中的位置为其分配一个唯一的地址并维护相应的路由表。维护阶段：节点通过主动监测或被动监测方式来维护网络维护阶段：节点通过主动监测或被动监测方式来维护网络结构。主动监测能够及时地发现错误并做出快速反应，而被结构。主动监测能够及时地发现错误并做出快速反应，而被动监测可以节省节点能量并减少控制开销。在维护阶段，节动监测可以节省节点能量并减少控制开销。在维护阶段，节点需要根据收到的信息不断更新路由表，并与邻居节点交换点需要根据收到的信息不断更新路由表，并与邻居节点交换路由表和其它状态信息。路由表和其它状态信息。重组织阶段：当网络出现分区或节点发生故障时，节点可重组织阶段：当网络出现分区或节点发生故障时，节点可以基于网络拓扑的变化更新路由表，并可能需要重新启动上以基于网络拓扑的变化更新路由表，并可能需要重新启动上述的发现阶段和组织过程。述的发现阶段和组织过程。2024/7/112024/7/11分布式检测和处理分布式检测和处理 传感节点独立地检测和收集数据并进行本地化处理后将数据传感节点独立地检测和收集数据并进行本地化处理后将数据发向中心节点，然后由中心节点对数据进行汇聚并做出最终决发向中心节点，然后由中心节点对数据进行汇聚并做出最终决定。分布式检测和处理的目标是最大化全局检测概率和最小化定。分布式检测和处理的目标是最大化全局检测概率和最小化全局错误概率。使用反馈机制可以在一定程度上提高网络性能，全局错误概率。使用反馈机制可以在一定程度上提高网络性能，但是会增加实现和计算的复杂性并消耗更多的能量。为了节省但是会增加实现和计算的复杂性并消耗更多的能量。为了节省带宽，通常让节点承担更多的信号处理和计算任务。分簇网络带宽，通常让节点承担更多的信号处理和计算任务。分簇网络结构中可以使用多频率方式来配置节点并结合本地数据汇聚功结构中可以使用多频率方式来配置节点并结合本地数据汇聚功能来提高网络性能。能来提高网络性能。如果节点具有情景意识能力，那么传感网络的整体功能可以如果节点具有情景意识能力，那么传感网络的整体功能可以得到显著提高。情景意识能力指节点可以识别周围的区域和地得到显著提高。情景意识能力指节点可以识别周围的区域和地形、邻居节点的数量和种类、传输安全级别等。形、邻居节点的数量和种类、传输安全级别等。2024/7/112024/7/11 路由协议路由协议 在分簇无线传感网络中，可以选用区域路由协议（在分簇无线传感网络中，可以选用区域路由协议（ZRP），），因为因为ZRP所需的通信开销和存储空间较少。在所需的通信开销和存储空间较少。在ZRP中，网络按中，网络按照规定的跳数被划分成可重叠的路由区域，每个节点只需维护照规定的跳数被划分成可重叠的路由区域，每个节点只需维护其路由区域内的路由信息，状态更新只在本区内进行。其路由区域内的路由信息，状态更新只在本区内进行。ZRP可可以减少路由开销和维护成本，并且具有一定的自适应和较好的以减少路由开销和维护成本，并且具有一定的自适应和较好的可扩展性。路由查找首先在本区内进行，然后向边缘节点广播，可扩展性。路由查找首先在本区内进行，然后向边缘节点广播，直到找到包含目的节点的区域。直到找到包含目的节点的区域。在高速运动的网络环境下，在高速运动的网络环境下，ZRP降级为洪泛协议，区域半径降级为洪泛协议，区域半径为为1；而对于静止网络而言，整个网络可以看成一个路由区域。；而对于静止网络而言，整个网络可以看成一个路由区域。因此因此ZRP可以看成是纯粹的反应式路由协议和先验式路由协议可以看成是纯粹的反应式路由协议和先验式路由协议的合理折衷，并可以通过在路由消息中加入能量指标使的合理折衷，并可以通过在路由消息中加入能量指标使ZRP具具有能量意识来减少总功耗。有能量意识来减少总功耗。2024/7/112024/7/11 处理开销和通信开销的优化处理开销和通信开销的优化 当网络中存在大量数据需要处理时，为了减少节点的处理负当网络中存在大量数据需要处理时，为了减少节点的处理负担，可以将部分处理任务交由上层骨干节点处理。但是转移数担，可以将部分处理任务交由上层骨干节点处理。但是转移数据又会引入通信和传输开销，耗费带宽和能量。因此，在节点据又会引入通信和传输开销，耗费带宽和能量。因此，在节点间分配处理任务时需要考虑其它网络开销。节点收集的信息应间分配处理任务时需要考虑其它网络开销。节点收集的信息应在本地进行预处理，以此减少节点间传递的信息。另外，由于在本地进行预处理，以此减少节点间传递的信息。另外，由于节点的存储空间有限，因此路由算法还应高效使用存储资源。节点的存储空间有限，因此路由算法还应高效使用存储资源。该网络存在一个需要优化的三维空间：计算能力、存储空间该网络存在一个需要优化的三维空间：计算能力、存储空间和传输耗费。面临的挑战是在给定设备的传输功率和处理能力和传输耗费。面临的挑战是在给定设备的传输功率和处理能力的情况下如何决定三维空间的最佳界限。并且我们注意到，设的情况下如何决定三维空间的最佳界限。并且我们注意到，设备的尺寸和重量与以上三个方面存在矛盾：设备尺寸越小、重备的尺寸和重量与以上三个方面存在矛盾：设备尺寸越小、重量越轻，其处理、存储和传输能力相对较低。量越轻，其处理、存储和传输能力相对较低。2024/7/112024/7/11协议栈各层的协议栈各层的设计设计 物理层物理层物理层负责频率选择、载波产生和监听、信号检测、调制和数据加密等。当节点密度较高时，多跳通信模式能够有效减少信号遮蔽和路径丢失的影响。与此相似，尽管信号衰落影响了数据的可靠投递，但是可以提高空间和频率重用。此外，超宽带（UWB）和脉冲无线电（IR）技术目前日益得到关注，UWB采用了基带传输而不需要中间媒介或载频，能够很好地适应多路径路由，具有较低的传输功率，实现简单。有待解决的问题：有待解决的问题：发展简单和低功率的调制技术；克服信号传播损失的影响；低功耗、低成本的硬件设计。2024/7/112024/7/11数据链路层 数据链路层主要负责数据流的复用、数据帧的检测、信道接入和差错控制等。无线传感网络的MAC协议具有两个目标：一是辅助生成网络基础设施；二是在传感节点间公平和高效地共享网络资源。蜂窝网络中MAC协议的主要目标是提供QoS支持和提高带宽效率，而功率最小化并不重要，因为有基站支持，移动节点可以更换电池。传统Ad Hoc中节点的传输范围相对较大，电池大部分情况下也可以更换。而传感网络拥有大量节点，传输功率很低，节点通常配置在危险和偏远地区并需长时间持续，更容易出现故障，因此需要高度重视节能机制。2024/7/112024/7/11数据链路层（续）差错控制可以采用ARQ和FEC机制，但是ARQ的数据重传会消耗能量和带宽并会增加时延，而FEC需要较复杂的编解码机制以及额外的处理功率。有待解决的问题：有待解决的问题：现存的MAC协议通常只适用于移动性较弱的网络环境，此外还需研究退避机制和重传策略、效率较高的差错控制机制以及具有功率意识的切换模式。当采用模式切换（工作 休眠）来节省功耗时应考虑模式切换引入的功率和时延开销，并应采用合适的功率控制机制。2024/7/112024/7/11网络层 网络层通常按照以下原则设计：较高的功率效率、面向数据传输和处理、在不影响节点协作的情况下进行数据聚集；独特的寻址和位置定位能力。可以可以基于节点可用能量和每跳链路传输数据所需的能量来寻找能量高效路由；或者基于最大的节点可用能量总和来选择路由；或者选择链路消耗的总能量最小的路由（最小能量路由）；或者基于最小跳路由；或者选择最大的最小节点能量路由，即被选路由上的最小能量节点的能量比其它路由的最小能量节点的能量大。需要注意的是当每跳链路消耗的能量相同时，最小跳路由等价于最小能量路由。2024/7/112024/7/11网络层（续）数据聚集用来解决路由协议面临的数据爆炸和数据交叠问题。使用这种技术时通常将传感网络看成面向接收节点的反向多播树，具有相同属性的数据可以在同一个路由节点处进行汇聚，从而减少传递的数据量。但是在聚集数据时对来自不同源节点的数据的某些细节可能要保留，如节点的位置信息。面向数据的路由可以采用基于属性的命名机制，因为用户更愿意查询现象的属性而不是单独的传感节点。例如查询“温度高于70度的区域”比查询“某个节点感知的温度是多少？”更有实际意义。基于属性的命名使得广播和多播机制变得非常重要。网络层需要提供与外部其他网络的互联功能。此外，网络层应适应高度变化的拓扑结构并具有较好的可扩展性。2024/7/112024/7/11传输层 当需要保证数据的可靠传输或与其他协议栈较好地兼容时，传输层非常重要，特别是当系统需要接入Internet时，需要使用TCP/IP协议。但是现存的传输层协议不能很好地适应传感网络，并且目前的相关研究较少。TCP分割机制可用于和其它网络互联，网关节点使用TCP协议与Internet连接，在传感网络内使用特殊的传输层协议。与TCP不同，传感网络中的端到端通信机制通常不基于全局寻址结构，而是采用基于属性的命名机制来表示数据分组的目的。考虑到有限的内存，数据确认机制的代价过高，传感节点和中心节点间的通信有时倾向使用UDP。今后需要设计考虑传感网络特征（面向数据的路由、功耗和可扩展性）的新的传输层协议。2024/7/112024/7/11应用层 目前已经提出了一些与应用层相关的机制和协议。传感网络管理协议（SMP）：传感网络具有多种不同的应用领域，因此采用工作在应用层的SMP具有很多优点，它可以使低层的硬件和软件对传感网络管理应用透明。管理员使用SMP与传感网络交互，由于传感节点没有全局标识符以及没有基础设施支持，因此SMP需要采用基于属性的命名和基于位置的寻址机制来访问节点。SMP执行的管理任务如下：通知传感节点关于数据聚集、基于属性命名和分簇的规则；交换与位置发现算法相关的数据；传感节点间的时间同步；控制传感节点的移动和电源的开关；查询网络配置和节点状态，并进行重配置；认证、密钥分发和数据加密。2024/7/112024/7/11应用层（续）任务分配和数据通知协议（TADAP）：传感网络中的一项重要操作是查询和事件通知消息的分发，TADAP主要用于解决此问题，它提供具有高效接口的用户软件来分发消息，从而可以方便底层协议的操作，如路由算法。传感网络查询和数据分发协议（SQDDP）：可以向用户应用提供发送查询、响应查询和收集响应的接口。通常采用基于属性或基于位置命名的查询消息，例如“检测到温度高于70度的节点所在的区域”是基于属性的查询，而“区域A中的节点感知的温度是多少”是基于位置的查询。有关文献还提出了一种传感网络查询和任务语言（SQTL）用来支持更广泛的服务。2024/7/112024/7/11结结 论论p经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量pStudyConstantly,AndYouWillKnowEverything.TheMoreYouKnow,TheMorePowerfulYouWillBe学习总结结束语当你尽了自己的最大努力时，失败也是伟大的，所以不要放弃，坚持就是正确的。When You Do Your Best,Failure Is Great,So DonT Give Up,Stick To The End演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日