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1、无线传感器网络 Wireless Sensor Networks李克秋 （） 计算机网络与高性能计算实验室（CNHPC） http:/ 大连理工大学 计算机科学与工程系声明课件来源：本课件系中科院计算所宁波中科 无线通讯事业部编制，只有第一章做了部分 改动。 下载网址：http:/课程安排n6月22日（周一）6月25日（周四）n6月29日（周一）7月02日（周四）n7月06日（周一）7月09日（周四）n7月13日（周一）7月16日（周四）n第一大节：08：00-09：30n第二大节：09：40-11：10教材n书名：无线传感器网络n作者：孙利民，李建中，陈渝，朱红松n出版社：清华大学出版社 成
2、绩评定n平时成绩：50%n平时成绩：20%n随堂测试：30%n最后考试：50% 最后一次课进行： 7月16日（周四）出席考核n点名n抽查点名n随堂作业n无故累计缺席超过3次，无考试成绩作弊和抄袭等发生作弊、抄袭等情况考试成绩零分计算 。助教n李宏娟n邮箱：n电话：13478600305n刘亚穹n邮箱：n电话：13500784186无线传感器网络技术目录n传感器网络概述n传感器网络应用n传感器网络协议n传感器网络研究进展n传感器网络影响力什么是计算机网络计算机网络，是指将地理位置不同的具有独立功能 的多台计算机及其外部设备，通过通信线路连接起 来，在网络操作系统，网络管理软件及网络通信协 议的管
3、理和协调下，实现资源共享和信息传递的计 算机系统。 所谓无线网络，就是利用无线电波作为信息传输的 媒介构成的无线局域网（WLAN），与有线网络的 用途十分类似，最大的不同在于传输媒介的不同， 利用无线电技术取代网线，可以和有线网络互为备 份。 什么是传感器网络nWSN-Wireless Sensor Networksn基础n微电子技术、嵌入式计算技术、现代网络及 无线通信技术、分布式信息处理技术n解释1n由部署在观测环境附近的大量的微型廉价低 功耗的传感器节点组成，通过无线通信方式 形成一个多跳的无线网络系统。什么是传感器网络n解释2：n传感器网络是由一组传感器以特定方式构成的无线 网络，其目
4、的是协作地感知、采集和处理网络覆盖 的地理区域中感知对象的信息，并发布給观察者。n传感器网络的三个基本要素：n传感器，感知对象，观察者n传感器网络的基本功能n协作地感知、采集、处理和发布感知信息 传感器接近感知对象传感器接近感知对象 传感器仅产生数据流传感器仅产生数据流 传感器无计算能力传感器无计算能力 无传感器间通信能力无传感器间通信能力SensorsSensorsObjectObject信号分析信号分析传统的感知方法传统的感知方法有线/无线连接现代感知方法现代感知方法Sensing AreaSensing AreaObjectObjectUserUser端端 传感器网络覆盖传感器网络覆盖感
5、知对象区域感知对象区域 每个传感器完成其临近感知对象的观测每个传感器完成其临近感知对象的观测 多传感器协同完成感知区域的大多传感器协同完成感知区域的大观测任务观测任务 使用多跳路由算法向用户报告使用多跳路由算法向用户报告观测结果观测结果SinkSinkInternetInternet 或或 通信卫星通信卫星Sensor networkSensor networkUserUser端端传感器网络的网络结构nsink -汇聚点nsensor node -传感器节点nsensor field -监测区域传感器网络的实体n传感器节点功能：采集、处理、控制和通信等网络功能：兼顾节点和路由器资源受限：存储、
6、计算、通信、能量nSink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n n现代微型传感器现代微型传感器n n感知能力感知能力计算能力计算能力通信能力通信能力n n体积小体积小n n能耗小能耗小n n由六部分组成由六部分组成传感器节点n传感器模块：信息采集、数据转换n处理器模块：控制、数据处理、网络协议n无线通讯模块：无线通信，交换控制信息和收发 采集数据n能量供应模块：提供能量传感器网络的特点n大规模网络：地理区域大；部署密集n提高信噪比；提高监测精度；增强容错性；减少盲
7、区n自组织网络：不确定性；拓扑结构变化n资源受限：计算、存储、通讯、能量n动态拓扑：节点故障；通讯故障；移动性；节点 加入n可靠网络：适应环境条件；鲁棒性、容错性n应用相关：没有统一的通信协议平台n以数据为中心传感器节点的限制n电源能量有限n通信能力有限n计算和存储能力有限传感器网络概述与ad hoc的不同WSN结点数量更为庞大多数节点为静止节点分布更为密集能量约束结点更容易出错拓扑结构变化频繁Ad hoc几十至上百个节点局域网节点全移动结构变化（移动）能量可连续提供点到点通信军事应用（UCLA-WINS）军事应用（2）（UCLA-WINS）商业（1）商业（2）n n通信能力有限通信能力有限n
8、 n节点带宽窄，而且经常变化节点带宽窄，而且经常变化n n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 挑战之一挑战之一 如何在如此有限通信能力的条件下如何在如此有限通信能力的条件下, , 高质量地高质量地 完成感知数据的查询、分析、挖掘与传输？完成感知数据的查询、分析、挖掘与传输？ 在传感器网络环境下，发现最小化算法通信复在传感器网络环境下，发现最小化算法通信复 杂性的机理是我们面临的第一个挑战问题！杂性的机理是我们面临的第一个挑战问题！n n多源、多跳是主要通信方式多源、多跳是主要通信方式n n多个传感器节点向一个目标传送信息多个传感器节点向
9、一个目标传送信息n n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挑战之二挑战之二 如何为多源信息传输选择优化通信路径？如何为多源信息传输选择优化通信路径？ 在传感器网络环境下，建立选择优化或近似优化在传感器网络环境下，建立选择优化或近似优化 通信路径的理论是我们面临的第二个挑战问题！通信路径的理论是我们面临的第二个挑战问题！n n节点移动、断接频繁节点移动、断接频繁n n在移动网络中，节点移动频繁在移动网络中，节点移动频繁n n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. .n n经常受到高山、建筑物、障碍物
10、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, , 离线工作离线工作挑战之三挑战之三通信路径重构成为突出问题？路由算法必须具通信路径重构成为突出问题？路由算法必须具 有自适应性？有自适应性？如何建立网络随机连通性的数据理论，为通信如何建立网络随机连通性的数据理论，为通信 路径重构和自适应路由算法设计奠定坚实理论路径重构和自适应路由算法设计奠定坚实理论 基础是我们面临的第三个挑战问题？基础是我们面临的第三个挑战问题？ n n电源能量有限电源能量有限n n传感器的电源
11、能量极其有限传感器的电源能量极其有限n n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n n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n n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n n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n n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 30003000条计算指令条计算指令挑战之四挑战之四 如何传感器网络在工作过程中节省能，如何传感器网络在工作过程中节省能， 实现能源均衡，最大化网络生命周期？实现能源均衡，最大化网络生
12、命周期？ 建立能源复杂性和能源均衡理论是我们建立能源复杂性和能源均衡理论是我们 面临的第四个挑战性问题！面临的第四个挑战性问题！n n计算能力有限计算能力有限n n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n n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 挑战之五挑战之五如何使用大量具有有限计算能力的传感器设计能如何使用大量具有有限计算能力的传感器设计能 源有效的高性能分布式算法源有效的高性能分布式算法? ?
13、设计同时最小化能源、时间、空间和通信复杂性设计同时最小化能源、时间、空间和通信复杂性 的分布式算法是我们面临的第五个挑战性问题！的分布式算法是我们面临的第五个挑战性问题！n n传感器数量大、分布范围广传感器数量大、分布范围广n n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n n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n n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
14、至不可维护挑战之六挑战之六如何使传感器网络软硬件具有高强壮性和如何使传感器网络软硬件具有高强壮性和 容错性是我们面临的第六个挑战性问题！容错性是我们面临的第六个挑战性问题！n n大规模分布式触发器大规模分布式触发器n n很多传感器网络需要对感知对象进很多传感器网络需要对感知对象进 行控制（如温度控制）行控制（如温度控制）n n传感器需要配备回控装置和控制软传感器需要配备回控装置和控制软 件件n n我们称回控装置和控制软件为触发我们称回控装置和控制软件为触发 器器挑战之七挑战之七如何管理成千上万分布式触发器是我如何管理成千上万分布式触发器是我 们面临的第七个挑战性问题？们面临的第七个挑战性问题？
15、n n感知数据流无限感知数据流无限n n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n n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 据流据流挑战之八挑战之八 如何设计高效率、能源有效、实时的海量感知如何设计高效率、能源有效、实时的海量感知 数据流的查询、分析和挖掘的分布式算法？数据流的查询、分析和挖掘的分布式算法？n n以数据为中心以数据为中心n n传感器网络不是通常的网络传感器网络不是通常的网络n n用户感兴趣的是数据而不是网络和传感器硬件用户感
16、兴趣的是数据而不是网络和传感器硬件n n用户很少询问用户很少询问“ “A A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？” ”n n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？” ”n n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n n用户不会询问用户不会询问“ “地址为地址为2727的传感器的温度是多少？的传感器的温度是多少？” ”n n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？” ”n n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 n n传感器网络是以数据为中心的网络传感器网络
