《無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)》PPT課件

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1、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)1.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本概念2.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)3.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)4.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)定位 傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN：Wireless Sensor Network)是由部署在待監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的大量的廉價(jià)的微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成。通過無(wú)線通信的方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域中的信息。經(jīng)過一定的初級(jí)處理并發(fā)送給對(duì)待測(cè)信息感興趣的觀察者 傳感器節(jié)點(diǎn)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(luò)協(xié)議無(wú)線通訊模塊：無(wú)線通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)能量供應(yīng)模塊：提

2、供能量 傳感器網(wǎng)絡(luò)的三要素節(jié)點(diǎn)上各種測(cè)試使用的傳感器傳感器要感知的各種待測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)象對(duì)待測(cè)數(shù)據(jù)感興趣的觀察者 傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)第一，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)極易發(fā)生變化第二，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間采用的是自組織的通信方式第三，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)的電能是由節(jié)點(diǎn)所攜帶的電池直接供電的，因而節(jié)點(diǎn)攜帶能量十分有限第四，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)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(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，并且這些大量的傳感器節(jié)點(diǎn)根本無(wú)需底層基礎(chǔ)設(shè)施的支持就能夠自動(dòng)組織構(gòu)成一定結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。 第五，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具備有很強(qiáng)容錯(cuò)能力第六，由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)只能具備有限的計(jì)算和存儲(chǔ)能力還有相對(duì)距離較短的通信能力第七，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)無(wú)中心，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)無(wú)嚴(yán)格的控制中心所有的節(jié)點(diǎn)都是地位平等，加入和離開節(jié)點(diǎn)都是隨意的沒有嚴(yán)格的限制條件 傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢愿鶕?jù)節(jié)點(diǎn)的可移動(dòng)與否和部署的可控與否分為四類：1.靜態(tài)節(jié)點(diǎn)、不可控制部署2.動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)、不可控制部署3.靜態(tài)節(jié)點(diǎn)、可控部署4.動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)、可控部署 傳感器網(wǎng)絡(luò)的影響傳感器網(wǎng)絡(luò)將物理世界和信息技術(shù)連接起來傳感器網(wǎng)絡(luò)具有改造社會(huì)的潛力，將來廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域使得傳感器網(wǎng)絡(luò)成為我們生活中不可缺少的部分傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)引起國(guó)內(nèi)外科技界和工業(yè)界高度重視 傳感

4、器網(wǎng)絡(luò)的影響 傳感器節(jié)點(diǎn)的限制 傳感器節(jié)點(diǎn)的限制 傳感器節(jié)點(diǎn)的限制 傳感器節(jié)點(diǎn)的限制 傳感器節(jié)點(diǎn)的限制 傳感器節(jié)點(diǎn)的限制 傳感器節(jié)點(diǎn)的限制 傳感器節(jié)點(diǎn)的限制 傳感器節(jié)點(diǎn)的限制 傳感器節(jié)點(diǎn)的限制 傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) sink -匯聚點(diǎn) sensor node -傳感器節(jié)點(diǎn) sensor field -監(jiān)測(cè)區(qū)域 傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)體傳感器節(jié)點(diǎn)功能：采集、處理、控制和通信等網(wǎng)絡(luò)功能：兼顧節(jié)點(diǎn)和路由器 Sink節(jié)點(diǎn)功能：連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet等外部網(wǎng)絡(luò)，實(shí)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(diǎn)的監(jiān)測(cè)任務(wù)，轉(zhuǎn)發(fā)收集到的數(shù)據(jù)。特點(diǎn)：連續(xù)供電、功能強(qiáng)、數(shù)量少等 傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧 橫向的通信協(xié)

5、議層和縱向的網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)能源管理平臺(tái)： 管理傳感器節(jié)點(diǎn)如何使用能量； 移動(dòng)管理平臺(tái)： 檢測(cè)和注冊(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，維護(hù)到匯聚點(diǎn)的路由，使得傳感器節(jié)點(diǎn)能夠跟蹤它的鄰居； 任務(wù)管理平臺(tái)： 在一個(gè)給定的區(qū)域內(nèi)平 衡和調(diào)度監(jiān)測(cè)任務(wù) 拓?fù)淇刂频母拍钆c意義概念拓?fù)淇刂疲╰opology control）是一種協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)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(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時(shí)減少節(jié)點(diǎn)的能耗或增加網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力。意義1、減少節(jié)點(diǎn)的通信負(fù)載，提高通信效率；2、減少網(wǎng)絡(luò)耗能，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命；3、輔助路由協(xié)議； 拓?fù)淇刂频难芯糠较?WSN中拓?fù)淇刂瓶梢苑譃閮蓚€(gè)研究方向：功率控制和層次拓?fù)浣Y(jié)

6、構(gòu)控制。功率控制機(jī)制調(diào)整網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，保證網(wǎng)絡(luò)連通，在均衡節(jié)點(diǎn)中直接鄰居數(shù)目(單跳可達(dá)鄰居數(shù)目)的同時(shí)，降低節(jié)點(diǎn)之間的通信干擾。層次拓?fù)淇刂剖抢梅执厮枷?，使網(wǎng)絡(luò)中的部分節(jié)點(diǎn)處于激活狀態(tài)，成為簇頭節(jié)點(diǎn)。由這些簇頭節(jié)點(diǎn)構(gòu)建一個(gè)連通的網(wǎng)絡(luò)來處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)，并定期或不定期地重新選擇簇頭節(jié)點(diǎn)，以均衡網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量消耗。 拓?fù)淇刂婆c網(wǎng)絡(luò)體系的關(guān)系 MAC協(xié)議：基本任務(wù)是節(jié)點(diǎn)共享網(wǎng)絡(luò)媒體的接入問題，為兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的MAC層實(shí)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(wù)是完成組幀、差錯(cuò)控制、流量控制、功率控制、鏈路管理。網(wǎng)絡(luò)層：提供的兩個(gè)相鄰端點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)幀的傳送功能上，進(jìn)一步管理網(wǎng)絡(luò)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(gè)中間節(jié)點(diǎn)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(wù)。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?fù)淇刂频脑u(píng)價(jià)指標(biāo)連通性 在沒有拓?fù)渌惴ㄇ?，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間存在k條路徑，那么使用拓?fù)渌惴ê?，這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)中也應(yīng)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(luò)對(duì)物理世界的感知能力。吞吐量 化簡(jiǎn)后的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)該能夠支持與原始網(wǎng)絡(luò)相似的通信量。 擴(kuò)展性（網(wǎng)絡(luò)容量） 減少數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)所能影響的鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)量,減少節(jié)點(diǎn)通信的傳輸范圍,可以有效減小網(wǎng)絡(luò)中的沖突域,從而降低通信沖突的概率。相反，網(wǎng)絡(luò)中的沖突就越多,節(jié)點(diǎn)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(luò)發(fā)生變化時(shí)，一些節(jié)點(diǎn)可能會(huì)變化它們的拓?fù)湫畔?，顯然，魯棒的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只需要進(jìn)行少量的調(diào)整，這樣可以避免對(duì)本地節(jié)點(diǎn)的重新組織而造成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的波動(dòng)。 實(shí)現(xiàn)拓?fù)淇刂频氖侄?1、在保證網(wǎng)絡(luò)的連通性與覆蓋性的情況下，控制節(jié)點(diǎn)的發(fā)射距離，減少發(fā)射功耗，同時(shí)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(diǎn)進(jìn)行休眠，降低功耗； 3、數(shù)據(jù)融合，減少分組的冗余。 拓?fù)淇刂频姆诸?無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù) WSN的定位問題一般指對(duì)于一組未知位置坐標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，依靠有限的位置已知的錨節(jié)點(diǎn)，通過測(cè)量未知節(jié)點(diǎn)至其余節(jié)點(diǎn)的距離或跳數(shù)，或者通過估計(jì)節(jié)點(diǎn)可能處于的區(qū)域范圍，結(jié)合節(jié)點(diǎn)

9、間的交換的信息和錨節(jié)點(diǎn)的已知位置，來確定每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置。 WSN定位算法的特點(diǎn)： 1.自組織性：傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)隨機(jī)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(diǎn)的硬件配置低，能量少，可靠性差，測(cè)量距離時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤差，算法必須具有良好的容錯(cuò)性。 3.能量高效：盡可能地減少算法的復(fù)雜性，減少節(jié)點(diǎn)間的通信開銷，以盡量延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存周期。通信開銷是傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要開銷 4.分布式計(jì)算：每個(gè)節(jié)點(diǎn)盡量計(jì)算自身位置，不能將所有信息傳送到某個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行集中計(jì)算。 基本術(shù)語(yǔ)鄰居節(jié)點(diǎn)：是指?jìng)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)通信半徑內(nèi)的所有其他節(jié)點(diǎn)，也就是說，在一個(gè)節(jié)點(diǎn)通信半徑內(nèi)，可以與其直接通信的所有其他點(diǎn)跳數(shù)：是指兩個(gè)節(jié)點(diǎn)

10、之間間隔的跳段總數(shù)跳段距離：是指兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的各跳段距離總和接收信號(hào)強(qiáng)度指示RSSI：節(jié)點(diǎn)接受到無(wú)線信號(hào)的強(qiáng)度大小到達(dá)時(shí)間TOA：信號(hào)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳播到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)所需要 的時(shí)間 信標(biāo)節(jié)點(diǎn)（錨點(diǎn)）：已知自身的位置未知節(jié)點(diǎn)：未知自身的位置到達(dá)時(shí)間差TDOA：兩種具有不同傳播速度的信號(hào)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳播到另一節(jié)點(diǎn)所需要的時(shí)間差到達(dá)角度AOA：節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)相對(duì)于自身軸線的角度視線關(guān)系LOS：兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間沒有障礙物間隔，能夠直接通信非視線關(guān)系NLOS:兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間存在障礙物基礎(chǔ)設(shè)施：協(xié)助傳感器節(jié)點(diǎn)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(cè)距技術(shù)的定位和無(wú)需測(cè)距技術(shù)的定位基于錨節(jié)點(diǎn)

11、的定位算法和非基于錨節(jié)點(diǎn)的定位算法物理定位和符號(hào)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(jì)算與分布式計(jì)算粗粒度與細(xì)粒度絕對(duì)定位與相對(duì)定位三角測(cè)量、場(chǎng)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(biāo)類型的不同網(wǎng)絡(luò)中存在已知位置的錨節(jié)點(diǎn)，所有節(jié)點(diǎn)根據(jù)錨節(jié)點(diǎn)確定自己的位置，使用同一個(gè)坐標(biāo)系。 網(wǎng)絡(luò)中不存在已知位置的參考節(jié)點(diǎn)，所有節(jié)點(diǎn)確定到其它節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置。絕對(duì)定位相對(duì)定位 根據(jù)在定位過程中是否把信息傳送到某個(gè)后臺(tái)中心或服務(wù)器進(jìn)行節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算把所需信息傳送到某個(gè)中心節(jié)點(diǎn)(例如，一臺(tái)服務(wù)器)，并在那里進(jìn)行節(jié)點(diǎn)定位計(jì)算的方式指依賴節(jié)點(diǎn)間的信息交換和協(xié)調(diào)，由節(jié)點(diǎn)自行計(jì)算的定位方式。集中

12、式計(jì)算分布式計(jì)算 根據(jù)各節(jié)點(diǎn)定位的先后次序從信標(biāo)節(jié)點(diǎn)開始，首先它的鄰居節(jié)點(diǎn)開始定位，然后逐漸向外圍進(jìn)行延伸，即各個(gè)節(jié)點(diǎn)依次實(shí)現(xiàn)定位。 定位一旦開始，所有的節(jié)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行位置坐標(biāo)的計(jì)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(shí)際測(cè)量節(jié)點(diǎn)間的距離和角度與否通過測(cè)量節(jié)點(diǎn)間點(diǎn)到點(diǎn)的距離或角度等信息進(jìn)行位置估計(jì)；無(wú)須距離和角度信息，僅根據(jù)網(wǎng)絡(luò)連通性等信息即可實(shí)現(xiàn)。無(wú)須測(cè)距技術(shù)的定位基于測(cè)距的定位 測(cè)距方法基于距離的節(jié)點(diǎn)定位算法定位精度相對(duì)較高，但由于要實(shí)際測(cè)量節(jié)點(diǎn)間的距離或角度，所以通常硬件要求也較高。典型的距離測(cè)量技術(shù)包含利用 RSSI 測(cè)距、利用 TOA 或 TDOA

13、 測(cè)距和利用 AOA 測(cè)距 1. 基于 RSSI 的定位在基于接收信號(hào)強(qiáng)度指示RSSI的定位算法中，已知發(fā)射節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度，接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到信號(hào)的強(qiáng)度，計(jì)算出信號(hào)的傳播損耗，利用理論和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯鬏敁p耗轉(zhuǎn)化為距離，再利用已有的算法計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的位置。該技術(shù)主要使用 RF信號(hào)，因傳感器節(jié)點(diǎn)本身具有無(wú)線通信能力，故其是一種低功率、廉價(jià)的測(cè)距技術(shù)。 例如，在自由空間中，通過測(cè)量接收信號(hào)的強(qiáng)度，利用公（3-1）就可以計(jì)算出收發(fā)節(jié)點(diǎn)間的大概距離。 2. 基于TOA的定位在基于到達(dá)時(shí)間 TOA 的定位機(jī)制中，已知信號(hào)的傳播速度，根據(jù)信號(hào)的傳播時(shí)間來計(jì)算節(jié)點(diǎn)間的距離，然后利用已有算法計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的位置。 假

14、設(shè)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間時(shí)間同步，發(fā)送節(jié)點(diǎn)的揚(yáng)聲器模塊在發(fā)送偽噪聲序列信號(hào)的同時(shí)，無(wú)線電模塊通過無(wú)線電同步消息通知接收節(jié)點(diǎn)偽噪聲序列信號(hào)發(fā)送的時(shí)間，接收節(jié)點(diǎn)的麥克風(fēng)模塊在檢測(cè)到偽噪聲序列信號(hào)后，根據(jù)聲波信號(hào)的傳播時(shí)間和速度計(jì)算發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)之間的距離。節(jié)點(diǎn)在計(jì)算出到多個(gè)鄰近信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離后，可以利用三邊測(cè)量算法或極大似然估計(jì)算法計(jì)算出自身位置。 基于TDOA的定位 定位算法基于測(cè)距技術(shù)的定位算法：v三邊測(cè)量法；v三角測(cè)量法；v最大似然估計(jì)法。 三邊測(cè)量法 三角測(cè)量法 極大似然估計(jì)法 定位算法性能指標(biāo)定位精度規(guī)模錨節(jié)點(diǎn)密度節(jié)點(diǎn)密度容錯(cuò)性自適應(yīng)性代價(jià)功耗 定位精度：定位技術(shù)首要的評(píng)價(jià)指標(biāo)就是定位精確度，其

15、又分為絕對(duì)精度和相對(duì)精度。絕對(duì)精度是測(cè)量的坐標(biāo)與真實(shí)坐標(biāo)的偏差。相對(duì)誤差一般用誤差值與節(jié)點(diǎn)無(wú)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(gè)房間內(nèi)實(shí)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(shí)間內(nèi)，一種技術(shù)可以定位多少目標(biāo)也是一個(gè)重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)。 錨節(jié)點(diǎn)密度：定位通常依賴人工部署或使用GPS 實(shí)現(xiàn)。錨節(jié)點(diǎn)密度是評(píng)價(jià)定位系統(tǒng)和算法性能的重要指標(biāo)之一。節(jié)點(diǎn)密度：通常以網(wǎng)絡(luò)的平均連通度來表示， 許多定位算法的精度受節(jié)點(diǎn)密度的影響。 在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中， 節(jié)點(diǎn)密度增大不僅意味著網(wǎng)絡(luò)部署費(fèi)用的增加， 而且會(huì)因?yàn)楣?jié)點(diǎn)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(diǎn)密集部署的情況下合理地估算節(jié)點(diǎn)位置。 容錯(cuò)性：定位系統(tǒng)和算法都需要比較理想的無(wú)線通信環(huán)境和可靠的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備。而真實(shí)環(huán)境往往比較復(fù)雜。自適應(yīng)性：定位系統(tǒng)和算法的軟、硬件必須具有很強(qiáng)的容錯(cuò)性和自適應(yīng)性，能夠通過自動(dòng)調(diào)整或重構(gòu)糾正錯(cuò)誤、適應(yīng)環(huán)境、減小各種誤差的影響，以提高定位精度。 功耗：是對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)影響最大的因素之一。由于傳感器節(jié)點(diǎn)的電池能量有限， 因此與功耗密切相關(guān)的定位所需的計(jì)算量、通信開銷、存儲(chǔ)開銷、時(shí)間復(fù)雜性是一組關(guān)鍵性指標(biāo)。代價(jià)：定位算法的代價(jià)可從不同的方面來評(píng)價(jià)。時(shí)間代價(jià)包括一個(gè)系統(tǒng)的安裝時(shí)間、配置時(shí)間、定位所需時(shí)間； 空間代價(jià)包括一個(gè)定位系統(tǒng)或算法所需的基礎(chǔ)設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量、硬件尺寸等； 資金代價(jià)則包括實(shí)現(xiàn)一種定位系統(tǒng)或算法的基礎(chǔ)設(shè)施、節(jié)點(diǎn)設(shè)備的 總費(fèi)用。