《無線傳感器網(wǎng)絡》PPT課件

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1、無線傳感器網(wǎng)絡1.無線傳感器網(wǎng)絡的基本概念2.無線傳感器網(wǎng)絡的體系結(jié)構(gòu)3.無線傳感器網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)4.無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點定位 傳感器網(wǎng)絡的概念無線傳感器網(wǎng)絡(WSN：Wireless Sensor Network)是由部署在待監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量的廉價的微型傳感器節(jié)點組成。通過無線通信的方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡系統(tǒng)。其根本的目的就是協(xié)作地感知、采集和處理被該傳感器節(jié)點組成的網(wǎng)絡覆蓋的區(qū)域中的信息。經(jīng)過一定的初級處理并發(fā)送給對待測信息感興趣的觀察者 傳感器節(jié)點傳感器模塊：信息采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理器模塊：控制、數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡協(xié)議無線通訊模塊：無線通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)能量供應模塊：提

2、供能量 傳感器網(wǎng)絡的三要素節(jié)點上各種測試使用的傳感器傳感器要感知的各種待測數(shù)據(jù)對象對待測數(shù)據(jù)感興趣的觀察者 傳感器網(wǎng)絡的特點第一，無線傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)極易發(fā)生變化第二，無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點與節(jié)點之間采用的是自組織的通信方式第三，無線傳感器網(wǎng)絡中的傳感器節(jié)點的電能是由節(jié)點所攜帶的電池直接供電的，因而節(jié)點攜帶能量十分有限第四，無線傳感器網(wǎng)絡中的傳感器節(jié)點數(shù)量眾多、分布密度較高使得單位面積上所擁有的網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)量遠遠大于傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡，并且這些大量的傳感器節(jié)點根本無需底層基礎(chǔ)設(shè)施的支持就能夠自動組織構(gòu)成一定結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡。 第五，無線傳感器網(wǎng)絡具備有很強容錯能力第六，由于無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的體積和所

3、攜帶能量有限的限制，這些限制決定了傳感器節(jié)點只能具備有限的計算和存儲能力還有相對距離較短的通信能力第七，無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點無中心，無線傳感器網(wǎng)絡中的傳感器節(jié)點無嚴格的控制中心所有的節(jié)點都是地位平等，加入和離開節(jié)點都是隨意的沒有嚴格的限制條件 傳感器網(wǎng)絡拓撲可以根據(jù)節(jié)點的可移動與否和部署的可控與否分為四類：1.靜態(tài)節(jié)點、不可控制部署2.動態(tài)節(jié)點、不可控制部署3.靜態(tài)節(jié)點、可控部署4.動態(tài)節(jié)點、可控部署 傳感器網(wǎng)絡的影響傳感器網(wǎng)絡將物理世界和信息技術(shù)連接起來傳感器網(wǎng)絡具有改造社會的潛力，將來廣闊的應用領(lǐng)域使得傳感器網(wǎng)絡成為我們生活中不可缺少的部分傳感器網(wǎng)絡已經(jīng)引起國內(nèi)外科技界和工業(yè)界高度重視 傳感

4、器網(wǎng)絡的影響 傳感器節(jié)點的限制 傳感器節(jié)點的限制 傳感器節(jié)點的限制 傳感器節(jié)點的限制 傳感器節(jié)點的限制 傳感器節(jié)點的限制 傳感器節(jié)點的限制 傳感器節(jié)點的限制 傳感器節(jié)點的限制 傳感器節(jié)點的限制 傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu) sink -匯聚點 sensor node -傳感器節(jié)點 sensor field -監(jiān)測區(qū)域 傳感器網(wǎng)絡的實體傳感器節(jié)點功能：采集、處理、控制和通信等網(wǎng)絡功能：兼顧節(jié)點和路由器 Sink節(jié)點功能：連接傳感器網(wǎng)絡與Internet等外部網(wǎng)絡，實現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，發(fā)布管理節(jié)點的監(jiān)測任務，轉(zhuǎn)發(fā)收集到的數(shù)據(jù)。特點：連續(xù)供電、功能強、數(shù)量少等 傳感器網(wǎng)絡的協(xié)議棧 橫向的通信協(xié)

5、議層和縱向的網(wǎng)絡管理平臺能源管理平臺： 管理傳感器節(jié)點如何使用能量； 移動管理平臺： 檢測和注冊傳感器節(jié)點的移動，維護到匯聚點的路由，使得傳感器節(jié)點能夠跟蹤它的鄰居； 任務管理平臺： 在一個給定的區(qū)域內(nèi)平 衡和調(diào)度監(jiān)測任務 拓撲控制的概念與意義概念拓撲控制（topology control）是一種協(xié)調(diào)節(jié)點間各自傳輸范圍的技術(shù)，用以構(gòu)建具有某些期望的全局特性（如，連通性）的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，同時減少節(jié)點的能耗或增加網(wǎng)絡的傳輸能力。意義1、減少節(jié)點的通信負載，提高通信效率；2、減少網(wǎng)絡耗能，延長網(wǎng)絡壽命；3、輔助路由協(xié)議； 拓撲控制的研究方向 WSN中拓撲控制可以分為兩個研究方向：功率控制和層次拓撲結(jié)

6、構(gòu)控制。功率控制機制調(diào)整網(wǎng)絡中每個節(jié)點的發(fā)射功率，保證網(wǎng)絡連通，在均衡節(jié)點中直接鄰居數(shù)目(單跳可達鄰居數(shù)目)的同時，降低節(jié)點之間的通信干擾。層次拓撲控制是利用分簇思想，使網(wǎng)絡中的部分節(jié)點處于激活狀態(tài)，成為簇頭節(jié)點。由這些簇頭節(jié)點構(gòu)建一個連通的網(wǎng)絡來處理和傳輸網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)，并定期或不定期地重新選擇簇頭節(jié)點，以均衡網(wǎng)絡中節(jié)點的能量消耗。 拓撲控制與網(wǎng)絡體系的關(guān)系 MAC協(xié)議：基本任務是節(jié)點共享網(wǎng)絡媒體的接入問題，為兩個節(jié)點的MAC層實體之間提供可靠的數(shù)據(jù)鏈路。數(shù)據(jù)鏈路層：主要任務是完成組幀、差錯控制、流量控制、功率控制、鏈路管理。網(wǎng)絡層：提供的兩個相鄰端點之間的數(shù)據(jù)幀的傳送功能上，進一步管理網(wǎng)絡中

7、的數(shù)據(jù)通信，將數(shù)據(jù)設(shè)法從源端經(jīng)過若直干個中間節(jié)點傳送到目的端，從而向傳輸層提供最基本的端到端的數(shù)據(jù)傳送服務。具體功能包括尋址和路由選擇、連接的建立、保持和終止等。 拓撲控制的評價指標連通性 在沒有拓撲算法前，兩個節(jié)點之間存在k條路徑，那么使用拓撲算法后，這兩個節(jié)點中也應該有存在k條路徑。覆蓋性 覆蓋問題中，最重要的因素是網(wǎng)絡對物理世界的感知能力。吞吐量 化簡后的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)應該能夠支持與原始網(wǎng)絡相似的通信量。 擴展性（網(wǎng)絡容量） 減少數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點所能影響的鄰居節(jié)點的數(shù)量,減少節(jié)點通信的傳輸范圍,可以有效減小網(wǎng)絡中的沖突域,從而降低通信沖突的概率。相反，網(wǎng)絡中的沖突就越多,節(jié)點通信也就更容易發(fā)生

8、數(shù)據(jù)丟包或重傳現(xiàn)象。魯棒性 網(wǎng)絡發(fā)生變化時，一些節(jié)點可能會變化它們的拓撲信息，顯然，魯棒的拓撲結(jié)構(gòu)只需要進行少量的調(diào)整，這樣可以避免對本地節(jié)點的重新組織而造成整個網(wǎng)絡的波動。 實現(xiàn)拓撲控制的手段 1、在保證網(wǎng)絡的連通性與覆蓋性的情況下，控制節(jié)點的發(fā)射距離，減少發(fā)射功耗，同時減少分組沖突的可能性，減少協(xié)議不必要的開銷； 2、盡可能讓多的節(jié)點進行休眠，降低功耗； 3、數(shù)據(jù)融合，減少分組的冗余。 拓撲控制的分類 無線傳感器網(wǎng)絡定位技術(shù) WSN的定位問題一般指對于一組未知位置坐標的網(wǎng)絡節(jié)點，依靠有限的位置已知的錨節(jié)點，通過測量未知節(jié)點至其余節(jié)點的距離或跳數(shù)，或者通過估計節(jié)點可能處于的區(qū)域范圍，結(jié)合節(jié)點

9、間的交換的信息和錨節(jié)點的已知位置，來確定每個節(jié)點的位置。 WSN定位算法的特點： 1.自組織性：傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點隨機分布，不能依靠全局的基礎(chǔ)設(shè)施協(xié)助定位 2.健壯性；傳感器節(jié)點的硬件配置低，能量少，可靠性差，測量距離時會產(chǎn)生誤差，算法必須具有良好的容錯性。 3.能量高效：盡可能地減少算法的復雜性，減少節(jié)點間的通信開銷，以盡量延長網(wǎng)絡的生存周期。通信開銷是傳感器網(wǎng)絡的主要開銷 4.分布式計算：每個節(jié)點盡量計算自身位置，不能將所有信息傳送到某個節(jié)點進行集中計算。 基本術(shù)語鄰居節(jié)點：是指傳感器節(jié)點通信半徑內(nèi)的所有其他節(jié)點，也就是說，在一個節(jié)點通信半徑內(nèi)，可以與其直接通信的所有其他點跳數(shù)：是指兩個節(jié)點

10、之間間隔的跳段總數(shù)跳段距離：是指兩個節(jié)點之間的各跳段距離總和接收信號強度指示RSSI：節(jié)點接受到無線信號的強度大小到達時間TOA：信號從一個節(jié)點傳播到另一個節(jié)點所需要 的時間 信標節(jié)點（錨點）：已知自身的位置未知節(jié)點：未知自身的位置到達時間差TDOA：兩種具有不同傳播速度的信號從一個節(jié)點傳播到另一節(jié)點所需要的時間差到達角度AOA：節(jié)點接收到的信號相對于自身軸線的角度視線關(guān)系LOS：兩個節(jié)點間沒有障礙物間隔，能夠直接通信非視線關(guān)系NLOS:兩個節(jié)點之間存在障礙物基礎(chǔ)設(shè)施：協(xié)助傳感器節(jié)點定位的已知自身的位置的固定設(shè)備（如衛(wèi)星，基站等） 定位算法的分類基于測距技術(shù)的定位和無需測距技術(shù)的定位基于錨節(jié)點

11、的定位算法和非基于錨節(jié)點的定位算法物理定位和符號定位遞增式定位算法和并發(fā)式定位算法緊密耦合和松散耦合集中式計算與分布式計算粗粒度與細粒度絕對定位與相對定位三角測量、場景分析和接近度定位 定位技術(shù)分類根據(jù)定位結(jié)果坐標類型的不同網(wǎng)絡中存在已知位置的錨節(jié)點，所有節(jié)點根據(jù)錨節(jié)點確定自己的位置，使用同一個坐標系。 網(wǎng)絡中不存在已知位置的參考節(jié)點，所有節(jié)點確定到其它節(jié)點的相對位置。絕對定位相對定位 根據(jù)在定位過程中是否把信息傳送到某個后臺中心或服務器進行節(jié)點坐標的計算把所需信息傳送到某個中心節(jié)點(例如，一臺服務器)，并在那里進行節(jié)點定位計算的方式指依賴節(jié)點間的信息交換和協(xié)調(diào)，由節(jié)點自行計算的定位方式。集中

12、式計算分布式計算 根據(jù)各節(jié)點定位的先后次序從信標節(jié)點開始，首先它的鄰居節(jié)點開始定位，然后逐漸向外圍進行延伸，即各個節(jié)點依次實現(xiàn)定位。 定位一旦開始，所有的節(jié)點同時進行位置坐標的計算，即定位。不存在先后次序。遞增式的定位算法并發(fā)式的定位算法 根據(jù)定位過程中實際測量節(jié)點間的距離和角度與否通過測量節(jié)點間點到點的距離或角度等信息進行位置估計；無須距離和角度信息，僅根據(jù)網(wǎng)絡連通性等信息即可實現(xiàn)。無須測距技術(shù)的定位基于測距的定位 測距方法基于距離的節(jié)點定位算法定位精度相對較高，但由于要實際測量節(jié)點間的距離或角度，所以通常硬件要求也較高。典型的距離測量技術(shù)包含利用 RSSI 測距、利用 TOA 或 TDOA

13、 測距和利用 AOA 測距 1. 基于 RSSI 的定位在基于接收信號強度指示RSSI的定位算法中，已知發(fā)射節(jié)點的發(fā)射信號強度，接收節(jié)點根據(jù)收到信號的強度，計算出信號的傳播損耗，利用理論和經(jīng)驗模型將傳輸損耗轉(zhuǎn)化為距離，再利用已有的算法計算出節(jié)點的位置。該技術(shù)主要使用 RF信號，因傳感器節(jié)點本身具有無線通信能力，故其是一種低功率、廉價的測距技術(shù)。 例如，在自由空間中，通過測量接收信號的強度，利用公（3-1）就可以計算出收發(fā)節(jié)點間的大概距離。 2. 基于TOA的定位在基于到達時間 TOA 的定位機制中，已知信號的傳播速度，根據(jù)信號的傳播時間來計算節(jié)點間的距離，然后利用已有算法計算出節(jié)點的位置。 假

14、設(shè)兩個節(jié)點間時間同步，發(fā)送節(jié)點的揚聲器模塊在發(fā)送偽噪聲序列信號的同時，無線電模塊通過無線電同步消息通知接收節(jié)點偽噪聲序列信號發(fā)送的時間，接收節(jié)點的麥克風模塊在檢測到偽噪聲序列信號后，根據(jù)聲波信號的傳播時間和速度計算發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點之間的距離。節(jié)點在計算出到多個鄰近信標節(jié)點的距離后，可以利用三邊測量算法或極大似然估計算法計算出自身位置。 基于TDOA的定位 定位算法基于測距技術(shù)的定位算法：v三邊測量法；v三角測量法；v最大似然估計法。 三邊測量法 三角測量法 極大似然估計法 定位算法性能指標定位精度規(guī)模錨節(jié)點密度節(jié)點密度容錯性自適應性代價功耗 定位精度：定位技術(shù)首要的評價指標就是定位精確度，其

15、又分為絕對精度和相對精度。絕對精度是測量的坐標與真實坐標的偏差。相對誤差一般用誤差值與節(jié)點無線射程的比例表示，定位誤差越小定位精確度越高。規(guī)模：不同的定位系統(tǒng)或算法也許可在園區(qū)內(nèi)、建筑物內(nèi)、一層建筑物或僅僅是一個房間內(nèi)實現(xiàn)定位。另外，給定一定數(shù)量的基礎(chǔ)設(shè)施或在一段時間內(nèi)，一種技術(shù)可以定位多少目標也是一個重要的評價指標。 錨節(jié)點密度：定位通常依賴人工部署或使用GPS 實現(xiàn)。錨節(jié)點密度是評價定位系統(tǒng)和算法性能的重要指標之一。節(jié)點密度：通常以網(wǎng)絡的平均連通度來表示， 許多定位算法的精度受節(jié)點密度的影響。 在無線傳感器網(wǎng)絡中， 節(jié)點密度增大不僅意味著網(wǎng)絡部署費用的增加， 而且會因為節(jié)點間的通信沖突問題

16、帶來有限帶寬的阻塞。DV-Hop算法僅可在節(jié)點密集部署的情況下合理地估算節(jié)點位置。 容錯性：定位系統(tǒng)和算法都需要比較理想的無線通信環(huán)境和可靠的網(wǎng)絡節(jié)點設(shè)備。而真實環(huán)境往往比較復雜。自適應性：定位系統(tǒng)和算法的軟、硬件必須具有很強的容錯性和自適應性，能夠通過自動調(diào)整或重構(gòu)糾正錯誤、適應環(huán)境、減小各種誤差的影響，以提高定位精度。 功耗：是對無線傳感器網(wǎng)絡的設(shè)計和實現(xiàn)影響最大的因素之一。由于傳感器節(jié)點的電池能量有限， 因此與功耗密切相關(guān)的定位所需的計算量、通信開銷、存儲開銷、時間復雜性是一組關(guān)鍵性指標。代價：定位算法的代價可從不同的方面來評價。時間代價包括一個系統(tǒng)的安裝時間、配置時間、定位所需時間； 空間代價包括一個定位系統(tǒng)或算法所需的基礎(chǔ)設(shè)施和網(wǎng)絡節(jié)點的數(shù)量、硬件尺寸等； 資金代價則包括實現(xiàn)一種定位系統(tǒng)或算法的基礎(chǔ)設(shè)施、節(jié)點設(shè)備的 總費用。