第1章-无线传感网技术概述

无线传感网无线传感器网络WirelessSensorNetworks（WSNs）杨茂云网络与通信系第一章无线传感网概述课程目的熟悉WSN的研究与发展掌握WSN的基本概念和关键技术掌握WSN的体系结构和网络协议第一章无线传感网概述教学目标【教学目标】讲授无线传感网的基本概念、基本原理、通信协议。【教学重点】无线传感网的基本概念、关键技术。掌握WSN网络体系结构、通信协议，包括信道接入技术、路由协议，以及各种支撑技术。【教学要求】理解无线传感器网络的基本概念，了解其发展史和发展现状和研究发展方向，掌握WSN网络结构和通信协议，了解WSN面临的新的问题。第一章无线传感网概述课程内容第一章WSN概述第二章物理层技术第三章信道接入技术第四章ZigBee协议第五章拓扑控制与路由技术第六章WSN支撑技术–定位与同步第七章WSN操作系统与仿真技术第八章WSN网络互连第九章WSN硬件设计与开发第一章无线传感网概述教师联系方式办公地点：9号楼709手机：[phone]E-mail：[e-mail]QQ:574816562第一章无线传感网概述推荐教学参考书孙利民等编.《无线传感器网络》.清华大学出版社，2005王汝传等编.《无线传感器网络技术及其应用》.人民邮电出版社，2011卡拉维(EdgarH.CallawayJr)编、马伟明等译.《无线传感器网络:体系结构与协议》.电子工业出版社,2007。于宏毅等编《无线传感器网络理论、技术与实现》，国防工业出版社，2008第一章无线传感网概述第一章概述1.1无线传感网发展与现状1.2无线传感网体系结构1.3无线传感网主要特征1.4无线传感网关键技术1.5无线传感网应用范围第一章无线传感网概述课前思考问题什么是无线传感网？无线传感网的主要应用领域？无线传感网的基本理论？无线传感网的关键技术？第一章无线传感网概述什么是无线传感器网络无线传感器网络（wirelesssensornetwork，WSN），简称无线传感网。WSN是由具有感知、计算及通信能力的一群微小节点组成。这些节点部署在要监视的区域中，采集指定的环境参数，如温度、振动、化学浓度等，通过协作、自组织方式构成网络，并将数据发送到汇聚节点供用户分析。WSN不同于一般的通信网络，WSN的任务不是通信，而是要监视周围环境。传感器节点部署在要监视的区域中，采集指定的环境参数，并将数据发送到汇聚节点供分析使用。第一章无线传感网概述什么是无线传感器网络无线传感网就是由部署在监测区域内，由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。传感器、感知对象和观察者构成了传感器网络的三个要素。第一章无线传感网概述1.1无线传感网发展与现状国外：起源于美国，根源可追溯到1978年由国防部高级研究计划署（DARPA）在卡内基-梅隆大学发起的分布式传感器研讨会。具有代表性的项目包括：1993-1999年间由美国国防高级研究计划署(DARPA)资助，加州大学洛杉矶分校(UCLA)承担的WINS项目；1999-2001年间由DAPRA资助UCBerkeley承担的SmartDust项目。第一章无线传感网概述1.1无线传感网发展与现状1998-2002年DARPA资助，加州大学伯克利分校等25个机构联合承担的SensIT计划；1999-2004年间海军研究办公室的SeaWeb计划等。第一章无线传感网概述1.1无线传感网发展与现状国内：中国的一些研究机构近年开始研究：中国科学技术大学、清华大学、中科院计算所、上海微系统所、沈阳自动化所以及合肥智能所等研究单位。以国内外都投入巨资研究机构纷纷开展无线传感器网络的研究，很大程度归功于其广阔的应用前景和对社会生活的巨大影响。第一章无线传感网概述课外作业（1）查阅我国自然科学基金就WSN方向的研究课题（2）查阅2010年以来，WSN研究方向和关键应用第一章无线传感网概述1.2无线传感网体系结构1.2.1无线传感网网络结构1.2.2无线传感网节点结构1.2.3无线传感网协议栈结构第一章无线传感网概述1.2.1无线传感网网络结构无线传感网网络结构如图1-1所示，传感网系统通常包括传感器节点（sensornode）、汇聚节点（sinknode）和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域（sensorfield）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或无线网络到达管理节点。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。第一章无线传感网概述任务管理中心Internet、卫星或移动通信网络等汇聚节点监测区域传感器节点1.2.1无线传感网网络体系结构第一章无线传感网概述1.2.2无线传感网的节点结构传感器A/D转换器网络应用存储器处理器能源供给单元处理单元感知单元传输单元MAC收发器第一章无线传感网概述1、传感网节点的组成传感器节点是一个微型化的嵌入式系统，它构成了传感网的基础层支持平台。传感器节点可以做得非常小，称为智能尘埃（smartdust）。第一章无线传感网概述1、传感网节点的组成（续）传感器节点一般由传感器模块、处理模块、无线通信模块和能量供应模块组成。感知模块由传感器、A/D转换器组成，负责采集感知监控对象的信息；数据处理模块包括存储器和微处理器等部分，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它节点发来的数据。无线通信模块完成节点间的交互通信工作，一般为无线电收发装置；能源供给单元负责供给节点工作所消耗的能量，一般为小体积的电池；20第一章无线传感网概述同时，有些节点上还可装配有能源再生装置、移动或执行机构、定位系统及复杂信号处理（包括声音、图像、数据处理及数据融合）等扩展设备以获得更完善的功能。第一章无线传感网概述2、节点模型结构22电源供给模块传感器A/D转换器存储器无线发送/接收器电源产生器感知模块数据处理模块移动系统定位系统无线通信模块MAC网络层信号处理执行机构微处理器有些节点上还可装配有能源再生装置、移动或执行机构、定位系统及复杂信号处理（包括声音、图像、数据处理及数据融合）等扩展设备以获得更完善的功能。第一章无线传感网概述3、汇聚节点与普通节点相比，汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对传感器节点更强它连接着传感网与互联网等，实现两种协议栈协议之间的转换，同时发布管理节点的监测任务，并将收集到的数据转发到外部网络上。汇聚节点既可以是一个具有增强功能的传感器节点，有足够的能量提供给更多的内存与计算资源；也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特定网关设备。23第一章无线传感网概述4、无线传感网节点的特点廉价：每个节点的期望价格在一美元左右体积小：火柴盒或硬币般大小重量轻：小于100克能量有限：两节五号电池或纽扣电池供电无线通信能力：能够用无线电、红外线、蓝牙、超声波等通信，带宽低，干扰大计算能力：几百兆赫兹的处理器存储能力：几兆或几百兆的存储空间感知能力：具有一个或几个传感器软件环境：TinyOS是专为传感器节点开发的操作系统第一章无线传感网概述1.2.3无线传感网协议栈结构第一章无线传感网概述1.2.3无线传感网协议栈结构早期提出的一个协议栈，包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，与互联网协议栈的五层协议相对应。另外，协议栈还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。第一章无线传感网概述各层协议和平台的功能物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术；数据链路层负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制；网络层主要负责路由生成与路由选择；传输层负责数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要部分；应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件；能量管理平台管理传感器节点如何使用能源，在各个协议层都需要考虑节省能量；移动管理平台检测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置；任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度监测任务。27第一章无线传感网概述1.3无线传感网主要特征节点固定或只有较小的活动性数量大，密度高拓扑动态变化节点同构，或只有少量特殊节点；分布式：没有预先指定的中心，所有节点通过分布式算法相互协调；自组织：传感器网络的部署和初始化等不需要外界干预；节点资源受限，特别是能量非常有限；以数据为中心的网络，节点具有数据处理的能力；与应用紧密耦合的网络第一章无线传感网概述1.3.1无线传感网与移动自组网的区别节点规模：移动自组网：节点数量通常在几十或上百传感器网络：节点数目往往高出好几个数量级节点密度：移动自组网：小传感器网络：大（冗余部署的结果）拓扑变化的原因：移动自组网：节点运动传感器网络：节点休眠调度、环境干扰或节点故障引起节点处理能力：移动自组网：较强传感器网络：十分有限第一章无线传感网概述1.3.1无线传感网与移动自组网的区别在网络规模方面：无线传感器网络包含的节点数量比ad-hoc网络高几个数量级在分布密度方面：无线传感器网络节点的分布密度很大。拓扑结构频繁变化由于能量限制和环境因素，无线传感器网络节点易损坏出故障。由于节点的移动和损坏，无线传感器网络的拓扑结构频繁变化。在通信方式方面：无线传感器网络节点主要使用广播通信，而别ad-hoc节点采用点对点通信。无无线传感器网络节点能量、计算能力和存储能力受限。由于无线传感器网络节点数量的原因，节点没有统一的标识。无线传感器网络以数据为中心。第一章无线传感网概述1.3.2无线传感网节点的限制电源能量有限通信能力有限计算和存储能力有限31第一章无线传感网概述电源能量有限传感器节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池。由于传感器节点个数多、成本要求低廉、分布区域广，而且部署区域环境复杂，有些区域甚至人员不能到达，所以传感器节点通过更换电池的方式来补充能源是不现实的。如何高效使用能量来最大化网络生命周期是传感器网络面临的首要挑战。传感器节点消耗能量的模块包括传感器模块、处理器模块和无线通信模块。随着集成电路工艺的进步，处理器和传感器模块的功耗变得很低，绝大部分能量消耗在无线通信模块上。第一章无线传感网概述（1）电源能量有限•无线通信模块存在发送、接收、空闲和睡眠四种状态。•无线通信模块在空闲状态一直监听无线信道的使用情况，检查是否有数据发送给自己，而在睡眠状态则关闭通信模块。•无线通信模块在发送状态的能量消耗最大，在空闲状态和接收状态的能量消耗接近，略少于发送状态的能量消耗，在睡眠状态的能量消耗最少。第一章无线传感网概述（2）通信能力有限无线通信的能量消耗与通信距离的关系为：E=kd^n其中，参数n满足关系2n4。n的取值与很多因素有关，通常取n为3，即通信能耗与距离的三次方成正比。随着通信距离的增加，能耗将急剧增加。因此，在满足通信连通度的前提下应尽量减少单跳通信距离。一般而言，传感器节点的无线通信半径在100m以内比较合适。考虑到传感器节点的能量限制和网络覆盖区域大，传感器网络采用多跳路由的传输机制。传感器节点的无线通信带宽有限，通常仅有几百kbps的速率。第一章无线传感网概述（3）计算和存储能力有限传感器节点的价格和功耗的限制，必然导致其携带的处理器能力比较弱，存储器容量也比较小。传感器节点的操作系统设计了动态能量管理（dynamicpowermanagement，DPM）和动态电压调节（dynamicvoltage