《专题2(无线传感器网络专题)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《专题2(无线传感器网络专题)（88页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、高级计算机网络,王 雷2008年9月,第三章 无线传感器网络WSN,无线传感器网络的基本概念 无线传感器网络的应用 无线传感器网络中的几种典型路由协议 无线传感器网络中的拓扑控制技术 无线传感器网络中的几个研究热点,1.1 无线传感器网络的基本概念,无线传感器网络的历史 第一代传感器网络：无线传感器网络的构想最初是由美国军方提出的，美国国防部高级研究所计划署（DARPA）于1978年开始资助卡耐基梅隆大学进行分布式传感器网络的研究。通过将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成传感器网络雏形。 第二代传感器网络：传感器网络具有了获取多种信息信号的综合处理能力，并通过与传感控制器的相联，组
2、成了有信息综合和处理能力的传感器网络。 第三代传感器网络：从上世纪末开始，现场总线技术开始应用于传感器网络，人们用其组建智能化传感器网络，大量多功能传感器被运用，并使用无线技术连接，无线传感器网络逐渐形成。,发展背景,1.1 无线传感器网络的基本概念,1.1 无线传感器网络的基本概念,无线传感器网络的定义 无线传感器网络是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络, 其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息, 报告给用户。 无线传感器网络WSN（Wireless Sensor Network）也称为智能灰尘（Smart Dust）。 被称为二十一
3、世纪最具挑战性的研究课题之一。,传感器节点拓扑结构：,从上图我们可以看到一个典型的传感器节点由数据获取单元、数据处理单元、数据传输单元、以及能量供应单元四部分组成。每一个模块的功能如下：,1.1 无线传感器网络的基本概念,传感器节点各部分的功能 数据获取单元：负责监视区域内信息的采集和数据转换。 数据处理单元：负责控制整个传感器节点的操作，存储处理本身采集的数据以及其它节点发来的数据。 数据传输单元：负责与其它传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据。 能量供应单元：为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。,传感器实物 体积小 能耗小 能量受限 处理能力受限 存储能力受限,
4、1.1 无线传感器网络的基本概念,WSN的网络拓扑结构,结构如上图所示，传感器网络系统通常包括传感器节点（sensor node），汇聚节点（sink node），和管理节点。大量传感器节点随机的部署在检测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感其节点检测的数据沿着其它节点逐跳的进行传输，其传输过程可能经过多个节点处理，经过多跳后到达汇集节点，最后通过互联网和卫星达到管理节点，用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布检测任务以及收集检测数据。,1.1 无线传感器网络的基本概念,WSN的相关技术无线传感器网络是应用相关性网络，是一种应用中产生和发展的技术，所以不同的应用领域使用不
5、同的网络技术实现，目前实现WSN的主要技术有：Zigbee：一种近距离（10-75m）、低复杂度、低功耗（两节普通号干电池可使用年 ）、低数据速率（250Kbps）、低成本的无线网络技术。 WI-FI：无线保真技术（WirelessFidelity），一种短距离（目前已达几百公里）无线技术。最大传输数据速率为54Mbps。 BlueTooth：蓝牙，传输距离一般在10m左右，最大传输数据速率小于10M。 UWB：一种超宽带（Ultra WideBand）的短距离（ 10m左右）通信技术 ， 1GHz以上带宽。,1.1 无线传感器网络的基本概念,1.1 无线传感器网络的基本概念,无线传感器网络的
6、特点与挑战： 节点带宽窄，节点通信覆盖范围只有几十到几百米,而且经常变化 挑战：如何在如此有限通信能力的条件下, 高质量地完成感知数据的查询、分析、挖掘与传输？ 多源、多跳是主要通信方式 挑战：如何为多源信息传输选择优化通信路径？,1.1 无线传感器网络的基本概念,无线传感器网络的特点与挑战（Cont.）： 节点移动、断接频繁 挑战：通信路径重构成为突出问题？路由算法必须具有自适应性？ 节点电源能量有限、且难于补充 挑战：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？ 节点计算能力有限 挑战：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?,1.1 无
7、线传感器网络的基本概念,无线传感器网络的特点与挑战（Cont.）： 传感器数量大、分布范围广 挑战：如何使传感器网络软硬件具有高强壮性和容错性？ 感知数据流无限 挑战：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？ 传感器网络是以数据为中心的网络 挑战：如何建立以数据为中心的传感器网络?,1.1 无线传感器网络的基本概念,1.2 无线传感器网络的应用,军事应用: 作战环境侦查与监控 军事侦查、情报获取 战场监测与指挥 民事应用: 环境监测 交通管理 灾难预防(如森林火灾监测) 危险区域监测 有灭绝危险或珍贵动物的跟踪监护 民用和工程基础设施的安全性监测 等等，等
8、等,大地与环境监测,1.2 无线传感器网络的应用,1.2 无线传感器网络的应用,1.2 无线传感器网络的应用,污染流监控,1.2 无线传感器网络的应用,Sensor attached to every vehicle. Capable of detecting their location, vehicle sizes, speeds and ; road conditions Alternate routes, estimate trip times,Traffic Control,1.2 无线传感器网络的应用,Biological Systems,1.2 无线传感器网络的应用,作战环境侦查
9、,1.2 无线传感器网络的应用,空间探测：对星球表面的监测和探索,1.2 无线传感器网络的应用,1.2 无线传感器网络的应用,无线传感器网络的最新应用： 2004/03/18 日经BP社报道】英特尔向美国政府人员等演示了无线传感器网络的家庭护理技术。 通过在鞋、家具以家用电器等家中道具和设备中嵌入半导体传感器，帮助老龄人士、阿尔茨海默氏病患者以及残障人士的家庭生活。 利用无线通信将各传感器联网可高效传递必要的信息从而方便接受护理。而且还可以减轻护理人员的负担。,1.2 无线传感器网络的应用,无线传感器网络的最新应用（Cont.）： 著名的沃尔玛连锁店已经投入资金，在其货物上加装射频识别条型码芯
10、片（RFID），使该公司和供应商能够跟踪从生产厂到收款台的商品流向。 这种技术可望减少商品失窃率和其他损失，并能节省仓库占用及商店的人力成本。 目前每个条型码芯片的成本为24美分，未来将会降到仅仅几美分。,1.2 无线传感器网络的应用,无线传感器网络的最新应用（Cont.）： 美国约克国际公司为6万家客户管理通风系统。 计划在未来5年内，为其客户的空调装置上安装几万个网络化的传感器。 传感器将监视温度，并自动地将最新信息传送给办公室，从而使维修人员对客户的空调运行状况一目了然。 大大减少该公司2444名技术人员的工作负荷，使生产力提高15。,1.2 无线传感器网络的应用,无线传感器网络的最新应
11、用（Cont.）： 美国每日防务2004年3月18日报道无线传感器网络技术将会在战场上带来革命性的变化，并将改变战争的样式。 它不仅可以感觉到运动的或静止的金属，而且可以感觉到声音、光线、温度、化学物品，以及动植物的生理特征。 无线传感器网络技术，预示着为战场上带来新的电子眼和电子耳，“能够在未来几十年内变革战场环境” 。,1.3 无线传感器网络中的几种典型路由协议,WSN路由协议面临的挑战: 考虑网络和节点能量优化（能量受限&难于补充） 具有高可扩展性（网络规模&自组织） 适应强网络拓扑变化（节点移动&无线信道） 适应非规则数据流量分布（以数据为中心&数据流） 具有一定的安全性（处理能力受限
12、&存储能力受限）,1.3 无线传感器网络中的几种典型路由协议,WSN路由协议的分类:WSN路由协议负责在Sink点和Sensor节点间可靠地传输数据。由于WSN与应用高度相关，单一的路由协议不能满足各种应用需求，因而人们研究了众多的路由协议。根据路由协议采用的通信模式、路由结构、路由建立时机、状态维护、节点标识和投递方式等策略，可对其进行了如下分类： 根据传输过程中采用路径的多少，可分为单路径路由协议和多路径路由协议。单路径路由节约存储空间，数据通信量少，多路径路由容错性强，健壮性好，且可从众多路由中选择一条最优路由。,1.3 无线传感器网络中的几种典型路由协议,WSN路由协议的分类（Cont
13、.）: 根据节点在路由过程中是否有层次结构、作用是否有差异，可分为平面路由协议和层次路由协议。平面路由简单，健壮性好，但建立、维护路由的开销大，数据传输跳数多，适合小规模网络。层次路由扩展性好，适合大规模网络，但簇的维护开销大，且簇头是路由的关键节点，其失效将导致路由失败。,1.3 无线传感器网络中的几种典型路由协议,WSN路由协议的分类（Cont.）: 根据路由建立时机与数据发送的关系，可分为主动路由协议、按需路由协议和混合路由协议。主动路由建立、维护路由的开销大，资源要求高。按需路由在传输前需计算路由，时延大。混合路由则综合利用这两种方式。 根据是否以地理位置来标识目的地、路由计算中是否利
14、用地理位置信息，可分为基于位置的路由协议和非基于位置的路由协议。有大量WSN应用需要知道突发事件的地理位置，这是基于位置的路由协议的应用基础，但需要GPS定位系统或者其他定位方法协助节点计算位置信息。,1.3 无线传感器网络中的几种典型路由协议,WSN路由协议的分类（Cont.）: 根据是否以数据来标识目的地，可分为基于数据的路由协议和非基于数据的路由协议。有大量WSN应用要求查询或上报具有某种类型的数据，这是基于数据的路由协议的应用基础，但需要分类机制对数据类型进行命名。 根据节点是否编址、是否以地址标识目的地，可分为基于地址的路由协议和非基于地址的路由协议。基于地址的路由在传统路由协议中较
15、常见，而在WSN中一般不单独使用而与其他策略结合使用。,1.3 无线传感器网络中的几种典型路由协议,WSN路由协议的分类（Cont.）: 根据路由选择是否考虑QoS约束，可分为保证QoS的路由协议和不保证QoS的路由协议。保证QoS的路由协议是指在路由建立时，考虑时延、丢包率等QoS参数，从众多可行路由中选择一条最适合QoS应用要求的路由。 根据数据在传输过程中是否进行聚合处理，可分为数据聚合的路由协议和非数据聚合的路由协议。数据聚合能减少通信量，但需要时间同步技术的支持，并使传输时延增加。,1.3 无线传感器网络中的几种典型路由协议,WSN路由协议的分类（Cont.）: 根据路由是否由源节点
16、指定，可分为源站路由协议和非源站路由协议。源站路由协议节点无须建立、维护路由信息，从而节约存储空间，减少通信开销。但如果网络规模较大，数据包头的路由信息开销也大，而且如果网络拓扑变化频繁，将导致路由失败。 根据路由建立时机是否与查询有关，可分为查询驱动的路由协议和非查询驱动的路由协议。查询驱动的路由协议能够节约节点存储空间，但数据时延较大，且不适合环境监测等需紧急上报的应用。,几种代表性的WSN路由协议: 基于梯度(Gradient)的路由协议DD(Directed Diffusion) 基于协商机制(Negotiation)的路由协议SPIN(Sensor Protocol for Information via Negotiation) 基于位置信息(Location Information)的路由协议GEAR(Geographic and Energy Aware Routing ) 基于单层簇的路由协议LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy) 基于多层簇的路由协议TTDD(Two Tier Data Dissemination) 基于谣言的路由协议Rumor 无线传感器网络的组播与选播路由协议,
