无线传感网络技术教学.pptx
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无线传感网络技术教学.pptx
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无线传感器网络技术,1,计算机网络高级教程,关于信息技术的论述,著名科学家钱学森:
测量技术是信息技术的组成部分。
信息技术的关键还是测量,测量是基础和关键。
IT测量计算机通讯惠普(HP)公司认为:
ITMC2MC2MeasurementComputerCommunication传感技术是现代测量手段,2,计算机网络高级教程,国家需求,医疗监护,智能家居,环境监测,国防军事,防灾减灾,工业监控,新一代网络,无线传感网络将在新一代网络中起重要作用,概念篇,智能交通3,计算机网络高级教程,网络技术发展的主线,4,计算机网络高级教程,无线网络技术的研究与发展,5,计算机网络高级教程,无线局域网WLAN与Adhoc网结构比较:
一跳与多跳,6,计算机网络高级教程,WSN,7,计算机网络高级教程,WSN概述,8,计算机网络高级教程,无线传感器网络(wirelesssensornetwork,WSN)系统是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。
它综合了传感器技术、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等如果说Internet改变了人与人之间的沟通方式,那么无线传感器网络将会改变人类与自然界的交互方式;人们可以通过传感网络直接感知客观世界,从而极大地扩展现有网络的功能和人类认识世界的能力,任务管理中心,Internet、卫星或移动通信网络等汇聚节点,什么是无线传感器网络?
监测区域,传感器节点,9,计算机网络高级教程,给用户。
n“无线传感器网络”术语的标准无线传感器网络(W定SN义)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,目的是协作地采集、处理和传输网络覆盖地域内感知对象的监测信息,并报告,10,计算机网络高级教程,什么是无线传感网络?
无线传感网络是由部署在监测区域内的大量微型、低成本、低功耗的传感器节点组成的多跳无线网络,网关,概念篇,大规模、自组织、随机部署、环境复杂、传感器节点资源有限、网络拓扑经常变化11,计算机网络高级教程,数字世界,传感数据,传感数据,传感数据,传感数据,传感数据,12,计算机网络高级教程,传感数据,物理世界,无线传感网络,连接物理世界和数字世界,无线传感网络在新一代网络中的角色,无线传感网络,接入网络核心网络,13,计算机网络高级教程,现代微型传感器感知能力计算能力通信能力体积小能耗小由六部分组成,14,计算机网络高级教程,传感器节点,传感器模块:
信息采集、数据转换处理器模块:
控制、数据处理、网络协议无线通讯模块:
无线通信,交换控制信息和收发采集数据能量供应模块:
提供能量,15,计算机网络高级教程,无线传感器网络的特点,16,计算机网络高级教程,网络规模:
结点数量与分布的地理范围,自组织网络:
自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统,拓扑结构的动态变化:
具有动态的系统可重构性,802.15.4标准:
低功耗、低速率、低成本,传感器网络的结构,17,计算机网络高级教程,根据节点数目的多少,传感器网络的结构可以分为平面结构和分级结构。
如果网络的规模较小,一般采用平面结构。
如果网络规模很大,则必须采用分级网络结构。
(1)平面结构,平面结构的网络比较简单,所有节点的地位平等,所以又可以称为对等式结构。
源节点和目的节点之间一般存在多条路经,网络负荷由这些路径共同承担,一般情况下不存在瓶颈,网络比较健壮。
平面型的网络结构在节点的组织、路由建立、控制与维持的报文开销上都存在问题,这些开销会占用很大的带宽,影响网络数据的传输速率。
另外,整个系统在宏观上将损耗很大的能量。
还有一个缺点就是可扩充性差。
18,计算机网络高级教程,
(2)分级结构,在分级结构中,传感器网络被划分为多个簇。
每个簇由一个簇头和多个簇成员组成。
这些簇头形成了高一级的网络。
簇头节点负责簇间数据的转发,簇成员只负责数据的采集。
这大大减少了网络中路由控制信息的数量,具有很好的可扩充性。
问题就是簇头的能量消耗问题,簇头发送和接收报文的频率要高出普通节点几倍或十几倍,因而要求可以在簇内运行簇头选择程序来更换簇头。
19,计算机网络高级教程,这些结点在一个微小的芯片上集成了信息采集、数据处理和无线电通信等多种功能。
微型处理器无线通信,20,计算机网络高级教程,传感器最小的芯片只有1501507.5微米,无线传感器网络由成千上万个微型传感器组成,每个微型传感器称为网络的一个“结点”。
传感器技术,计算机技术,通信技术,感官,大脑,神经,现代信息技术,信息系统,无线传感器网络,21,计算机网络高级教程,结点的构成,传感器,无线通信,内存,CPU,应用程序电源,网络中的网关(基站)(较强的处理、通信能力),网络中的结点(简单处理、短距离通信),22,计算机网络高级教程,1、传感器结点激活;2、通过无线通信,确定自身的位置;3、自动组织成网络;,唤醒、联络、确定自身位置,23,计算机网络高级教程,网关,结点,各传感器分别探测外部信息,温度,土壤成分,图象,压强,压力,光照,声音,加速度,因环境影响、能量耗尽等原因,结点容易发生故障。
湿度?
磁场,位移,核辐射,24,计算机网络高级教程,各结点将信息汇聚到基站,结点出能故量障不,足其时,它只结能点输会出自本动身寻的找信别息的,而“同无伴法传”完递成其任它务结。
点的信息。
(路由器)既要输出本身的信息,还要传递其它结点网关的信息。
25,计算机网络高级教程,信息经卫星、互联网到达用户,网关,26,计算机网络高级教程,网关对各路信息进行过滤,把重要的信息发送给用户。
卫星、互联网,网关,大量结点随机分布,进行目标定位,计算机网络高级教程,1联报、传告是感、时不器自间是探身、坦测定方克磁位?
场、,2自速、动度卫根和星组、据震、织方多动互成向联点信网网信息络息,,27,无线传感器网络的意义,28,计算机网络高级教程,无线传感器网络引起了全世界的关注,被认为是继互联网之后的第二大网络。
无线传感器网络被称为21世纪最具影响的技术之一;是改变世界的十大新兴技术之首;是全球未来的四大高新技术产业之一。
在无线传感器网络研究及其应用方面,我国与发达国家几乎同步启动,它已经成为我国信息领域,位居世界前列的少数项目之一。
PC机大型机,互联网,492米2008年,无线传感器网络,580米2014年,信息产业中,无线传感器网络,已成制为继高计算点机和互联网之后,,国际竞争新的制高点。
420米1998年350米1994年,东1方96明5年珠,金19茂8大0年厦,29,环球19金95融年中心计算机网络2上高0海1级0中教年程心,WNS关键技术,30,计算机网络高级教程,无线传感器网络涉及:
传感器技术计算机网络技术无线传输技术嵌入式计算技术分布式信息处理技术微电子制造技术软件编程技术,31,计算机网络高级教程,32,计算机网络高级教程,无线传感器结点的限制电源能量对结点寿命的影响环境对通信距离与信道质量的影响计算、存储能力对结点协同工作质量的影响,33,计算机网络高级教程,电源对无线传感器结点的限制,34,计算机网络高级教程,35,计算机网络高级教程,应用优化移动管理能量分配数据链路层物理层,通信能力有限,节点带宽窄,而且经常变化节点通信覆盖范围只有几十到几百米,而且经常变化,n挑战之一n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?
n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!
36,计算机网络高级教程,多源、多跳是主要通信方式,多个传感器节点向一个目标传送信息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,n挑战之二n如何为多源信息传输选择优化通信路径?
n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!
37,计算机网络高级教程,通信能力有限节点通信覆盖范围只有几十到几百米,n如何在有限的通信能力条件下,完成探测数据的传输?
n无线通信技术是关键技术!
38,计算机网络高级教程,节点移动、断接频繁在移动网络中n挑,战节之点三移动频繁n通信节路点径间重通构信成的为断突接出频问题繁?
,路导由致算通法信必失须败.具有自经适常应受性到?
高山、建筑物、障碍物等地势地n如何貌建以立及网风络雨随雷机电连等通自性然的环数据境理的论影,响为,因通此信路径传重感构器和可自能适会应长路时由间算脱法离设网计络奠定,离坚线实工理作论基础是我们面临的第三个挑战问题?
39,计算机网络高级教程,电源能量有限,传感器的电源能量极其有限由于电源能量的原因经常失效或废弃电源能量约束是传感器网络应用的障碍现有电源部件不能满足传感器网络的需要传感器传输信息比执行计算更消耗电能,传感器传输1位信息需要的电能足以执行3000条计算指令n挑战之四n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?
n建立能源复杂性和能源均衡理论是我们,面临的第四个挑4战0性问题!
计算机网络高级教程,电源能量有限通常电池供电,工作环境恶劣,一次部署终生使用,更换电池困难,n如何节省电源、最大化网络的使用寿命?
n低功耗设计问题是关键技术!
41,计算机网络高级教程,计算能力有限,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,n,42,计算机网络高级教程,n,n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源有效的高性能分布式算法?
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!
计算能力有限,节点体积小,处理器和存储器性能有限,不允许进行复杂算法的运算,n,43,计算机网络高级教程,嵌入式操作系统设计是关键技术!
传感器数量大、分布范围广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,甚至更多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n挑战之六n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!
44,计算机网络高级教程,大规模分布式触发器,很多传感器网络需要对感知对象进行控制(如温度控制)传感器需要配备回控装置和控制软件我们称回控装置和控制软件为触发器,n挑战之七n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?
45,计算机网络高级教程,感知数据流无限,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据流n挑战之八n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?
46,计算机网络高级教程,以数据为中心,47,计算机网络高级教程,传感器网络不是通常的网络,用户感兴趣的是数据而不是网络和传感器硬件,用户很少询问“A节点到B节点的连接是如何实现的?
”用户经常询问“网络覆盖区域中那些地区出现毒气?
”,传感器网络不是以地址为中心的,用户不会询问“地址为27的传感器的温度是多少?
”用户感兴趣是“某个地理位置的温度是多少?
”数据传输以聚集方式进行,而不是地址到地址的路由,传感器网络是以数据为中心的网络,把传感器视为感知数据流或感知数据源把传感器网络视为感知数据空间或数据库把数据管理和处理作为网络的应用目标n挑战之九n如何建立以数据为中心的传感器网络?
n以感知数据管理和处理为中心;n把数据管理和处理技术与网络技术融为一体;n为用户提供有效的感知数据空间或感知数据库;n使用户如同使用通常的数据库系统和数据处理n系统一样自如地使用感知数据.n传感器网络数据管理系统的理论和技术是我们面临的第九个挑战性问题!
48,计算机网络高级教程,需要多种多样的感知器,物理传感器生物传感器化学传感器,n挑战之十n如何建立新感知器概念、理论、技术和各种新型感知器是我们面临的第十个挑战性问题?
49,计算机网络高级教程,50,计算机网络高级教程,其他挑战性问题,传感器的投放或撒播理论与技术传感器的定位问题时钟同步问题组网连通可靠性研究和探测覆盖率研究传感器网络安全性问题和抗干扰问题信号的协作处理,自组织的动态网络,传感器网络没有基站节点失效、新节点加入,导致网络拓扑结构的动态性,需要自动愈合,n关键之四n多跳自组织的网络路由是第四项关键技术!
51,计算机网络高级教程,传感器网络是以数据为中心的网络,用户感兴趣的是数据而不是网络和传感器硬件n关键之五n如何建立以数据为中心的传感器网络?
n传感器网络的第五项关键技术是数据融合方法!
52,计算机网络高级教程,网络攻击无处不在,传感器节点的物理操纵传感信息的窃听拒绝服务攻击私有信息的泄露n关键之六,53,计算机网络高级教程,n安全性是传感网络设计的重要问题。
如何保护机密数据和防御网络攻击是第六项关键技术!
传感器网络的支撑技术,54,计算机网络高级教程,国家中长期科技发展规划纲要,55,计算机网络高级教程,前沿技术自组织网络技术自组织传感器网技术低成本的实时信息处理系统多传感信息融合技术研究自组织智能系统,优先主题下一代网络关键技术与服务传感器网络及智能信息处理重点开发多种新型传感器基于多种传感信息的智能化信息处理技术发展低成本的传感器网络和实时信息处理系统,国内研究现状:
NSF资助项目,挑战,异构性、扩展性,泛在性、协同性,多数据难以融合,有许多尚未解决的问题具有安全性的操作系统自动地址分配方法有许多尚待发现的问题精准的定位方法有许多尚待拓展的应用节点高效资的源M有AC限协议低能耗、自组织网络面向拓应扑用复的可杂靠性路由协议,多网关的优化配置问题节点自适网应络的异状态构切换与节点调度规模高效难协以同扩的事展件监测手段,感知数据的查询、分析及挖掘,多应移用动环传感境器复引杂发的问题,57,计算机网络高级教程,用户终端和设备,三个关键科学问题,无线传感网络,移动电话,PDA,无线传感网络,无线传感网络,无线传感网络,异构互连,低耗自组,标签泛G在PS协同,异构互连,低耗自组,三个关键科学问题,59,计算机网络高级教程,如何对大规模低成本,泛的在无协线同传感网络节点供,电;如何应对无线传感网络部署的随机性,网络拓扑结构在时间和空间上的复杂多变性,异构互连,泛在协同,三个关键科学问题,如何应对无线低传耗感自网组络内(即节点)的异构性和网络间的异构性;如何应对无线传感网络的可扩展性,60,计算机网络高级教程,泛在协同,三个关键科学问题,如何建立多应用场景异构互连自适应模型以及多传感数,61,计算机网络高级教程,据协同处理方法;低如耗何对自组多传感数据进行协同处理,应对无线传感网络的泛在性,节点系统的体系结构,数据管理理论与算法,自主组网模型与方法,973项目:
研究内容通信协议,接入互联网的模型与机制,应用示范系统测试平台与监控工具,概念篇,62,计算机网络高级教程,973项目:
课题之间的关系,课题1:
节点系统的体系结构,课题2:
自主组网模型与方法,课题3:
通信协议研究,课题4:
接入互联网的模型与机制,课题6:
应用示范系统课题5:
数据管理理论与算法,63,计算机网络高级教程,课题7:
测试平台与监控工具,973项目:
目标与成果,目标在无线传感网络基础理论方面取得突破为无线传感网络大规模应用提供关键技术支撑无线传感网络应用示范系统,无线传感网络的基础理论无线传感网络验证平台,异构互连模型机制,数据管理理论方法,成果节点系统体系结构,64,计算机网络高级教程,973项目:
技术路线,目标,基础理论:
节点系统自主组网通信协议接入模型数据管理,验证平台:
仿真测试,监控,应用示范:
煤矿井下安全水资源监测世博监控,2000个节点,概念篇,65,计算机网络高级教程,挑战一:
节点问题,性能问题Mica2只能3跳感知热、力、光、电、声、位移、震动,还要感知化学成分。
价格问题好的传感器:
10kmradio+40mbps+20kdata微系统所传感器节点价格:
几元几万美金体积问题1cubicinch=16387cubicmillimeter假设Moore定律永远有效,Log16387=?
能耗问题,Mica2:
十几个小时,代替能源:
太阳能,无线电磁波充电,Mica212/0238.4kbpsradioFSK,66,计算机网络高级教程,挑战二:
互联问题,WSN,Internet,WSN,Internet,WSN,Internet,模式一,67,计算机网络高级教程,模式二,模式三,谁大谁小的问题毅然没有解决Geni(GlobalEnvironmentforNetworkInnovations),挑战三:
移动性问题,无线网状网技术,68,计算机网络高级教程,三层结构、无线接入手段网状传感器网络(MeshSensorNetwork)多种变形只有下面两层上两层合二为一Router可移动底层可以异构节点可移动router可移动gateway可移动sink可移动,挑战四:
覆盖问题,有向,有向传感有向天线有向传输覆盖问题CoverageproblemBoundarycoverage(UIUCKumar)uncoveryproblem,69,计算机网络高级教程,挑战五:
模拟与仿真,70,计算机网络高级教程,有向,有向传感有向天线有向传输覆盖问题CoverageproblemBoundarycoverage(UIUCKumar)uncoveryproblem,传播范围,信息源,传感节点,增加无线传感节点会增加传送成功率吗?
71,计算机网络高级教程,接收器,挑战五一个:
真模实的拟测试与实仿例真,挑战五:
模拟与仿真,在室外与室内传送成功率有很大差异仿真或模拟是看不出来的证明实验性研究的重要性,72,计算机网络高级教程,更多挑战,73,计算机网络高级教程,自动标识定位与测距安全保障。
现有工作局限,国外研究已有很多的学校、学者投入到这一研究领域仍在研究阶段,未见重要商业实施大多停留在理论研究,缺乏实用性国内研究越来越多的学校、研究人员进入这一研究领域大多停留在技术跟踪,缺乏原创性应用理论,74,计算机网络高级教程,WSN推翻了换别的WSN一步步完善WSN与另一技术在相似应用领域上共存,若干年后的今天,75,计算机网络高级教程,道路是曲折的,前途是光明的,低耗自主,异构互联,76,计算机网络高级教程,泛在协同,一则寓言,77,计算机网络高级教程,巨型机说:
“我认为全球大概只需要五台计算机就够了”;PC机说:
“每个家庭的桌面上都应该有一台电脑”;PocketPC说:
“太大了,应该每人口袋里放一台”;WSN说:
“每粒沙子都应该是一台计算机”。
虽然传感器网络用户的使用目的千变万化,但是作为网络终端节点的功能归根结底就是传感、探测、感知,用来收集应用相关的数据信号。
为了实现用户的功能,除了要设计第3章介绍的通信与组网技术以外,还要实现保证网络用户功能的正常运行所需的其它基础性技术。
这些应用层的基础性技术是支撑传感器网络完成任务的关键,包括时间同步机制、定位技术、数据融合、能量管理和安全机制等。
78,计算机网络高级教程,4.1时间同步机制,79,计算机网络高级教程,4.1.1传感器网络的时间同步机制1、传感器网络时间同步的意义无线传感器网络的同步管理主要是指时间上的同步管理。
在分布式的无线传感器网络应用中,每个传感器节点都有自己的本地时钟。
不同节点的晶体振荡器频率存在偏差,以及湿度和电磁波的干扰等都会造成网络节点之间的运行时间偏差。
有时传感器网络的单个节点的能力有限,或者某些应用的需要,使得整个系统所要实现的功能要求网络内所有节点相互配合来共同完成,分布式系统的协同工作需要节点间的时间同步,因此,时间同步机制是分布式系统基础框架的一个关键机制。
在分布式系统中,时间同步涉及“物理时间”和“逻辑时间”两个不同的概念。
“物理时间”用来表示人类社会使用的绝对时间;“逻辑时间”体现了事件发生的顺序关系,是一个相对概念。
分布式系统通常需要一个表示整个系统时间的全局时间。
全局时间根据需要可以是物理时间或逻辑时间。
80,计算机网络高级教程,无线传感器网络时间同步机制的意义和作用主要体现在如下两方面:
首先,传感器节点通常需要彼此协作,去完成复杂的监测和感知任务。
数据融合是协作操作的典型例子,不同的节点采集的数据最终融合形成了一个有意义的结果。
其次,传感器网络的一些节能方案是利用时间同步来实现的。
81,计算机网络高级教程,WSN时间同步技术背景,82,计算机网络高级教程,集中式系统与分布式系统集中式:
事件间有着明确的时间先后关系,不存在同步问题分布式:
同步是必需的,只是对同步的要求程度不同无线传感器网络时间同步典型的分布式系统是无线传感器网络应用的基础需要解决的问题同步精度功耗可扩展性,WSN时间同步机制的主要性能参数,83,计算机网络高级教程,最大误差:
一组传感器节点之间的最大时间差或相对外部标准时间的最大差值。
同步期限:
节点保持时间同步的时间长度。
同步范围:
节点保持时间同步的区域范围。
可用性:
范围覆盖的完整性。
效率:
达到同步精度所经历的时间以及消耗的能量。
代价和体积:
需要考虑节点的价格和体积。
时间同步技术的分类,84,计算机网络高级教程,排序、相对同步与绝对同步递进关系各自具有典型的协议代表外同步与内同步参考源不同局部同步与全网同步同步对象的范围不同,时间同步技术的应用场合,85,计算机网络高级教程,多传感器数据压缩与融合低功耗MAC协议、路由协议测距、定位(位置相关报务,LBS)分布式系统的传统要求协作传输、处理的要求.,传统同步:
NTP与GPS,86,计算机网络高级教程,NTP:
网络时间协议GPS:
全球定位系统,NTP(NetworkTimeProtocol),87,计算机网络高级教程,NTP不适合于WSN体积、计算能力和存储空间存在限制传输方式不同:
无线而非有线目标不同:
局部最优而非全局最优,GPS(GlobalPositionSystem)从根本上解决了人类在地球上的导航与定位问题。
每颗卫星上配备有高精度的铷、铯原子钟,并不断发射其时间信息地面接收装置同时接收4颗卫星的时间信息,采用伪距测量定位方法可计算出时间和位置信息缺点(室内、功耗、安全性、分布式),88,计算机网络高级教程,传感器网络的挑战,89,计算机网络高级教程,室内、矿井、森林,有遮挡低功耗、低成本和小体积传输延迟的不确定性可扩展性、移动性健壮性、安全性网络规模大、多点协作,传输延迟的不确定性,90,计算机网络高级教程,发送时间:
发送节点构造和发送时间同步消息所用时间。
e.g.,系统调用时间;内核调度时间;消息从主机发送到网络接口时间。
访问时间:
发送节点等待访问网络传输信道的时间。
传播延迟:
发送节点传输到接收节点所经历的时间。
接收时间:
从接收节点的网络接口接收到消息到通知主机消息达到事件所经历的时间间隔。
低功耗、低成本和小体积,91,计算机网络高级教程,软硬件都要受到该限制存储与计算能力均比较小加剧了电能供应的紧张(电池体积)网络规模大、密度高通信距离近分布式、协作,可扩展性(Scalability),92,计算机网络高级教程,在大规模网络中尤为重要是大规模无线传感器网络软硬件设计中非常重要的问题满足不同的网络类型、网络规模满足不同的应用需求,健壮性,93,计算机网络高级教程,外部环境复杂,搞毁能力需要应对安全性挑战无线传感器网络拓扑动态性较强网络规模变化、需求变化,三种最基本的传感器网络时间同步机制,其中RBS(ReferenceBroadcastSynchronization)、TINY/MINI-SYNCTPSN(Timing-sync
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