第9章 无线传感器网络技术概述解析

第9章无线传感器网络技术概述目录第1章概述第2章智能传感器系统中经典传感技术基础第3章不同集成度智能传感器系统介绍第4章智能传感器的集成技术第5章智能传感器系统智能化功能的实现方法第6章通信功能与总线接口第7章智能技术在传感器系统中的应用第8章智能传感器系统的设计与应用第9章无线传感器网络技术概述第9章无线传感器网络技术概述第9章无线传感器网络技术概述要点：无线传感器网络概述；无线传感器网络的关键技术；无线传感器网络的应用。第9章无线传感器网络技术概述无线传感器网络（WSN）就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。它的目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖地区中感知对象的信息，并发给观察者。三个要素：传感器、感知对象、观察者。WSN将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起，改变了人类与自然界的交互方式。美国商业周刊和MIT技术评论分别将无线传感器网络列为21世纪最有影响的21项技术和改变世界的10大技术之一。第9章无线传感器网络技术概述§9.1无线传感器网络概述§9.1.1传感器网络结构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，通过自组织方式构成网络。互联网和卫星EDCBA传感器节点监测区域汇聚节点任务管理节点用户第9章无线传感器网络技术概述传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱。每个传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能。汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对较强，它连接传感器网络和外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同时发布管理节点的监测任务，并把收集到的数据转发到外部网络上。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。第9章无线传感器网络技术概述§9.1.2传感器节点结构传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分构成。传感器AC/DC处理器存储器网络MAC收发器能量供应模块传感器模块处理器模块无线通信模块第9章无线传感器网络技术概述§9.1.3传感器网络协议栈——早期的协议栈应用层传输层网络层数据链路层物理层能量管理平台移动管理平台任务管理平台信号调制、无线收发数据成帧、帧检测、媒体访问、差错控制路由生成、路由选择数据流的传输控制一系列基于监测任务的应用层软件管理传感器节点如何使用能源检测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由平衡调度监测任务第9章无线传感器网络技术概述——改进的协议栈传输控制路由数据链路上层应用拓扑QoS能量/安全/移动网络管理物理时间同步定位依赖于数据传输通道，同时为网络协议各层提供信息支持队列管理、优先级机制或带宽预留等机制第9章无线传感器网络技术概述§9.1.4传感器网络的特征——与现有无线网络的区别无线自组网（mobilead-hocnetwork）是一个由几十到上百个节点组成的、采用无线通信方式的、动态组网的多条的移动性对等网络。传感器网络：是集成了监测、控制及无线通信的网络系统，节点数目更庞大，分布更密集。节点更容易出现故障。环境干扰和节点故障容易造成网络拓扑结构的变化。通常情况大多数传感器节点固定不动的。第9章无线传感器网络技术概述节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力十分有限。传统无线网络首要设计目标是提供高服务质量和高效带宽利用，其次才考虑节约能源。传感器网络的首要设计目标是能源的高效利用，这是两种网络最重要的区别之一。第9章无线传感器网络技术概述传感器节点的限制电源能量有限传感器节点的绝大部分能量消耗在无线通信模块。通信能力有限无线通信的能量消耗和通信距离的关系为：其中2n4，通常取3。节点的无线通信带宽有限，通常仅有几百kbps的速率。计算和存储能力有限如何利用有限的计算和存储资源完成诸多协同任务成为传感器网络设计的挑战。传感器处理器发送接收空闲睡眠通信05101520功耗/mWnEkd第9章无线传感器网络技术概述§9.1.5传感器网络的特点1、大规模网络1）分布在很大的区域内2）节点部署很密集2、自组织性网络传感器节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多条无线网络系统。3、动态性网络适应如下变化：1）传感器节点出现故障或失效。2）无线通信链路带宽变化，甚至时断时通。3）传感器、感知对象、观察者这三要素可能具有移动性。4）新节点的加入。第9章无线传感器网络技术概述4、可靠的网络传感器网络的软硬件具有鲁棒性和容错性。5、与应用相关的网络根据不同的应用背景来研究传感器网络技术。6、以数据为中心的网络传感器网络是任务型的网络。用户直接将所关心的事件通告给网络，网络在获得指定事件的信息后回报给用户。以数据本身作为查询或传输线索。第9章无线传感器网络技术概述§9.1.6传感器网络的研究进展1、军事领域美国陆军2001年提出“灵巧传感器网络通信”计划；美国陆军近期确立了“无人值守地面传感器群”项目；美国海军最近确立了“传感器组网系统”研究项目；美国海军最近开展了协同交战能力（CEC）的技术；2002年5月美国Sandia国家实验室与美国能源部合作的系统。2、民用领域美国交通部1995年提出了“国家智能交通系统项目规划”；Intel公司2002年10月发布了“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”；3、学术界美国自然科学基金委员会2003年制定了无线传感器网络研究计划；我国许多院校和科研机构加入到该领域的研究中来。第9章无线传感器网络技术概述§9.2.1拓扑控制1、网络拓扑控制的意义1）影响整个网络的生存时间——保证网络连通性和覆盖性的情况下，合理高效的使用网络能量。2）减少节点间通信干扰，提高通信效率——功率控制技术。3）为路由协议提供基础——确定哪些点为转发节点，确定节点间的邻居关系。4）影响数据融合——选择骨干节点。5）弥补节点失效的影响——具有鲁棒性。2、目前主要的研究问题是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，剔除节点之间不必要的无线通信链路，生成一个高效的数据转发的网络拓扑结构。3、拓扑控制分为节点功率控制和层次型拓扑结构组织。§9.2无线传感器网络的关键技术第9章无线传感器网络技术概述§9.2.2网络协议1、负责使各个独立的节点形成一个多跳的数据传输网络。2、目前研究的重点是网络层协议和数据链路层协议。3、数据链路层的介质访问控制（MAC）用来构建底层的基础机构，控制传感器节点的通信过程和工作模式。4、MAC协议首先要考虑节省能源和可扩展性，其次才考虑公平性、利用率和实时性等。5、MAC层的能量消耗主要表现在空闲侦听、接收不必要数据和碰撞重传等。6、无线传感器网络MAC协议通常采用“侦听/睡眠”交替的无线信道使用策略。7、传感器网络的MAC协议可分为三类：1）采用无线信道的时分复用方式（TDMA）；2）采用无线信道的随机竞争方式；3）其他MAC协议（如频分复用或码分复用等方式）。第9章无线传感器网络技术概述§9.2.3路由协议1、路由协议负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点。2、路由协议功能：寻找源节点和目的节点间的优化路径，将数据分组沿着优化路径正确转发。3、传统无线网络路由协议的主要任务是寻找源节点到目的节点间通信延迟小的路径，同时提高整个网络的利用率，避免产生通信拥塞并平衡网络流量，而能量消耗不是考虑的重点。4、无线传感器网络节点能量有限且一般没有能量补充，因此路由协议需要高效利用能量。5、无线传感器网络节点数目很大，节点只能获取局部拓扑结构信息，路由协议要能在局部网路信息基础上选择合适的路径。6、无线传感器网络具有很强的相关性，不同应用中的路由协议可能差别很大，没有一个通用的路有协议。第9章无线传感器网络技术概述7、无线传感器网络路由机制还经常与数据融合技术联系在一起。8、无线传感器网络路由协议的特点：1）能量优先2）基于局部拓扑信息3）以数据为中心4）与应用相关9、设计路由机制时要满足的要求：1）能量高效——能量消耗小且整个网络能量均衡消耗2）可扩展性——考虑区域范围、节点密度、节点失败、新节点加入、节点移动等情况。3）鲁棒性——具有一定的容错能力4）快速收敛性——适应网络拓扑的动态变化，减少通信协议开销，提高消息传输的效率。第9章无线传感器网络技术概述§9.2.4网络安全1、传感器网络要解决的安全问题:1）机密性问题；2）点到点的消息认证问题；3）完整性鉴别问题；4）新鲜性问题；5）认证组播/广播问题；6）安全管理问题。2、物理层考虑机密性主要侧重在安全编码方面3、链路层和网络层的机密性考虑的是数据帧和路由信息的加解密技术4、应用层考虑的是密钥的管理和交换过程，为下层的加解密技术提供安全支撑。第9章无线传感器网络技术概述5、传感器网络的安全隐患在于网络部署区域的开放特性以及无线电网络的广播特性。网络层次攻击方法防御手段物理层拥塞攻击（jamming）宽频（跳频）、优先级消息、低占空比、区域映射、模式转换物理破坏破坏证明、节点伪装和隐藏链路层碰撞攻击（collision）纠错码耗尽攻击（exhaustion）设置竞争门限非公平竞争（unfairness）设置短帧策略和非优先级策略网络层丢弃和贪婪破坏（neglectandgreed）使用冗余路径、探测机制汇聚节点攻击（homing）使用加密和逐跳认证机制方向误导攻击（misdirection）出口过滤；认证、监视机制黑洞攻击（blackholes）认证、监视、冗余机制传输层洪泛攻击（flooding）客户端谜题失步攻击（desynchronization）认证表一传感器网络攻防手段一览表第9章无线传感器网络技术概述§9.2.5时间同步1、时间同步是需要协同工作的传感器网络系统的一个关键机制。2、由于传感器网络的特点，以及能量、价格和体积等多方面的约束，使得现有的时间同步机制不适用于传感器网络。3、设计传感器网络的时间同步机制考虑的几个方面：1）扩展性——要能够适应网络范围或节点密度的变化；2）稳定性——能在拓扑结构的动态变化中保持时间同步的连续性和精度的稳定；3）鲁棒性——良好的适应环境的动态变化；4）收敛性——要求建立时间同步的时间要短；5）能量感知——网络通信和计算负载应该可预知。4、三种基本同步机制：RBS、TINY/MINI-SYNC和TPSN。第9章无线传感器网络技术概述§9.2.6定位技术1、确定事件发生的位置或采集数据的节点位置是传感器网络最基本的功能之一。2、定位信息的用途：1）报告事件发生的地点；2）目标跟踪；3）协助路由；4）协助网络管理。3、传感器网络的定位算法需具备的特点：1）自组织性；2）健壮性：具有良好的容错性；3）能量高效：减少计算的复杂性，减少节点的通信开销；4）分布式计算：每个节点计算自身位置。4、算法分为基于距离的定位算法和距离无关的距离算法。第9章无线传感器网络技术概述§9.2.7数据融合1、由于传感器网络节点的易失效性，使得网络需要数据融合技术对多份数据进行综合。2、数据融合的作用1）节省能量——去掉冗余信息，将要传输的数据量最小化；2）获得更准确的信息——提高信息的精度和可信度；3）提高数据收集效率——减少了要传输的数据量，减轻网络传输拥塞，降低传输延迟，减少了冲突碰撞，提高了无线信道的利用率。3、数据融合可以与传感器网络的多个协议层次（如应用层、网络层等）进行结合。4、数据融合的代价：增加了网络的平均延迟；鲁棒性变差。第9章无线传感器网络技术概述§9.2.8数据管理1、目的：将传感器网络上数据的逻辑视图（命名、存取和操作）和网络的物理实现分离开来，使得传感器网络的用户和应用程序只需关心所要提出的查询的逻辑结构，而无需关心传感器网络的细节。2、两类数据：1）静态数据：如描述传感器特性的信息；2）动态数据：由传感器自身感知的数据。3、传感器网络数据管理系统一般不把每个传感器的感知数