第四章无线传感器网络ZZ-2003版.

无线传感器网络概述无线传感器网络的技术体系无线传感器网络的通信协议无线传感器网络的技术标准4123多传感器网络的信息融合5目录4.1无线传感器网络概述U网络来源于拉丁语的Ubiquitous（遍及性[juˈbɪkwɪtəs]），是指无所不在的网络，又称泛在网络最早提出U战略的日韩（U-Japan、U-Korea）给出的定义是：无所不在的网络社会将是由智能网络、最先进的计算技术以及其它领先的数字技术基础设施武装而成的技术社会形态根据这样的构想，U网络将以“无所不在”、“无所不包”、“无所不能”为基本特征，帮助人类实现“4A”化通信，即在任何时间(Anytime)、任何地点(Anywhere)、任何人(Anyone)、任何物(Anything)都能顺畅地通信4.1无线传感器网络概述个人局域网（PersonalAreaNetwork,PAN）局域网（LocalAreaNetwork，LAN）全球定位系统（GlobalPositioningSystem，GPS）4.1.1无线传感器网络介绍无线传感器网络（WirelessSensorNetwork,WSN）是由部署在监测区域内大量的微型传感器节点通过无线电通信形成的一个多跳的自组织网络系统WSN目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域内被监测对象的信息，并发送给观察者无线传感器网络具有以下的特点：（1）大规模网络（2）自组织网络（3）多跳（Multi-hop）路由（4）动态性网络（5）可靠的网络（6）以数据为中心的网络（7）应用相关的网络4.1.1无线传感器网络介绍传感器节点能量消费情况传感器节点传感器网络的应用前景非常广阔，随着传感器网络的深入研究和广泛应用，传感器网络将逐渐深入到人类生活的各个领域⑴军事应用：兵力部署监控、战场评估、目标定位、攻击监测⑵环境观测和预报系统：农作物、土壤监测，气象、自然灾害监测⑶医疗护理：生理指标监测、药物监测⑷智能家居：家电监控、家居环境监测⑸建筑物状态监控：状态监测、安全隐患报警，……4.1.1无线传感器网络介绍4.1.2传感器网络体系结构传感器节点-SensorNode汇聚节点-SinkNode管理节点-ManagementNode传感节点之间可以相互通信，自己组织成网并通过多跳的方式连接至Sink节点。Sink节点收到数据后，通过网关（Gateway）完成和公用Internet网络的连接。整个系统通过任务管理节点来管理和控制传感器网络体系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组成4.1.2传感器网络体系结构传感器节点体系结构AC：AlternatingCurrentDC：DirectCurrentMAC：MediaAccessControl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组装成帧、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组成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地跟踪其邻居的位置任务管理平台在一个给定区域内平衡和调度监测任务4.1.2传感器网络体系结构传感器网络协议栈无线传感器网络的基本思想起源于20世纪70年代1978年，DARPA在卡耐基-梅隆大学成立了分布式传感器网络工作组1980年，DARPA的分布式传感器网络项目（WSN）开启了传感器网络的研究先河20世纪80年代至90年代，研究主要在军事领域，成为网络中心战的关键技术，拉开了无线传感器网络研究的序幕20世纪90年代中后期，WSN引起了学术界、军界和工业界的广泛关注，开启了现代意义的无线传感器网络技术4.1.3传感器网络的发展DARPA（DefenseAdvancedResearchProjectsAgency）美国国防部先进研究项目局WSN的地位可从以下三方面分析：⑴第四代传感器网络。第一代简单点到点传输的测控系统，第二代智能传感器与现场控制站组成的测控网络，第三代基于现场总线的智能传感器网络⑵新一代计算设备。巨型机、小型机、工作站、PC、PDA、生物芯片、WSN节点⑶普适计算的一个重要途径：普适计算又称普存计算、普及计算（Pervasivecomputing或Ubiquitouscomputing），这一概念强调和环境融为一体的计算，而计算机本身则从人们的视线里消失在普适计算的模式下，人们能够在任何时间、任何地点，以任何方式进行信息的获取与处理4.1.3传感器网络的发展4.2.1自组网技术4.2.2节点定位技术4.2.3时间同步技术4.2.4安全技术4.2无线传感器网络的技术体系Adhoc[ædˈhɑ:k]源于拉丁语，意思是“forthis”引申为“forthispurposeonly”，即“为某种目的设置的，特别的”意思，即Adhoc网络是一种有特殊用途的网络。其基于两个原型:1)美国1968年建立的ALOHA网络（世界上最早的无线电计算机通信网）2)1973提出的PR（PacketRadio）网络IEEE在开发802.11标准时，提出将PR网络改名为Ad-Hoc网络，也即今天常说的移动自组织网络作为一种分布式网络，移动自组织网络是一种自治、多跳网络，整个网络没有固定的基础设施，但能够在不能利用或者不便利用现有网络基础设施(如基站、AP)的情况下，提供终端之间的相互通信由于终端的发射功率和无线覆盖范围有限，因此距离较远的两个终端如果要进行通信就必须借助于其它节点进行分组转发，这样节点之间就构成了一种无线多跳网络4.2.1自组网技术自组织网络具有以下显著特点：(1)无中心和自组织性。所有节点地位平等，可在任何时刻、任何地点快速自动组网(2)动态变化的网络拓扑。移动终端可以任何方式移动，因此网络拓扑随时可能变化，且变化方式、速度无法预测(3)受限的无线传输带宽。无线信道带宽本身就窄，再考虑竞争冲突、地形、天气等影响，实际带宽更窄(4)安全性较差。容易被窃听、入侵，受到拒绝服务、剥夺“睡眠”等网络攻击(5)多跳路由。多跳路由由普通节点完成，无专用路由设备4.2.1自组网技术在传感器网络节点定位技术中，根据节点是否已知自身的位置，把传感器节点分为信标节点和未知节点未知节点(Unknownnode)根据少数信标节点(Beaconnode)，按照某种定位机制来确定自身的位置4.2.2节点定位技术信标节点：(1)自身有GPS定位功能(2)位置固定邻居节点(Neighbornode)：通信半径内的所有节点跳数(Hopcount)：两个节点之间间隔的跳段总数跳段距离(Hopdistance)：两个节点之间间隔的各跳段距离之和基础设施(Infrastructure)：协助节点定位的固定设备，如卫星、基站到达时间(TimeOfArrival，TOA)：从一个节点到另一个节点所需时间到达时间差(TimeDifferenceOfArrival，TDOA)：两种信号从一个节点到另一个节点所需时间之差接收信号强度指示(ReceivedSignalStrengthIndicator，RSSI)：节点接收到的无线信号强度到达角度(AngleOfArrival，AOA)：节点接收到的信号相对于自身轴线的角度视线关系(LineofSight，LOS)：两个节点间没有障碍物间隔非视线关系(NoLOS，NLOS)：两个节点间存在障碍物间隔4.2.2节点定位技术（1）三边测量法已知A、B、C三个节点的坐标以及它们到未知节点D的距离，假设节点D的坐标为(x,y)，那么，存在下列公式：222222()()()()()()aaabbbcccxxyydxxyydxxyyd12222222222222()2()2()2()acacacaccabcbcacbccbxxyyxxxyyddxxyyyxxyydd4.2.2节点定位技术则节点D的坐标为：已知A，B，C三个节点的坐标，节点D相对于节点A，B，C的角度分别为：∠ADB，∠ADC，∠BDC，假设节点D的坐标为（x，y）对于节点A，C和角∠ADC，如果弧段AC在△ABC内，那么能够惟一确定一个圆，设圆为O1(XO1,yO2)，半径为r1，那么α=∠AO1C=2π-2∠ADC（2）三角测量法4.2.2节点定位技术并存在下列公式：2211122121222211()()()()()()22cosOaOaObObacacxxyyrxxyyrxxyyrr由上式能够确定圆心点的坐标和半径。同理对A，B，∠ADB和B，C，∠BDC分别确定相应的圆心、半径、圆心和半径最后利用三边测量法，确定D点坐标（2）三角测量法4.2.2节点定位技术极大似然估计法如下图，已知1，2，3等n个节点的坐标和它们到节点D的距离，假设节点D的坐标为（x,y）那么，存在下列公式：222111222()()()()nnnxxyydxxyyd从第一个方程开始分别减去最后一个方程，得：22222211111222222111112()2()2()2()nnnnnnnnnnnnnnnxxxxxyyyyyddxxxxxyyyyydd4.2.2节点定位技术（3）极大似然估计法11112()2()2()2()nnnnnnxxyyAxxyy线性方程表示方式为：AX=b，其中：222222111222222111nnnnnnnnnxxyyddbxxyyddxXy使用标准的最小均方差估计方法可以得到节点D的坐标为：1ˆ()TTXAAAb（3）极大似然估计法4.2.2节点定位技术在传感器网络中，定位算法通常有以下几种分类：（1）基于距离的定位算法和距离无关的定位算法：Range-based需测量相邻节点间距离和方位，Range-free无需测距利用节点间连通性估计距离（2）递增式的定位算法和并发式的定位算法：Incremental从信标节点开始逐层向外计算定位，Concurrent所有节点同时进行定位计算（3）基于信标节点的定位算法和无信标节点的定位算法：Beacon-based以信标节点作为定位参考点，Beacon-free以自身为参考点，将相邻节点纳入自己的定位坐标系中在基于距离的定位中，测量节点间距离或方位时采用的方法有TOA，TDOA，RSSI和AOA等4.2.2节点定位技术基于TOA（到达时间）的定位设两个节点间时间同步，发送节点的扬声器模块在发送伪噪声序列信号的同时，无线电模块通过无线电同步消息通知接收节点伪噪声序列信号发送的时间，接收节点的麦克风模块在检测到伪噪声序列信号后，根据声波信号的传播时间和速度计算发送节点和接收节点之间的距离节点在计算出距离多个邻近信标节点的距离后，可以利用三边测量算法或极大似然估计算法计算出自身位置4.2.2节点定位技术在基于到达时间差TDOA的定位机制中，发射节点同时发射两种不同传播速度的无线信号，接收节点根据两种信号到达的时间差以及已知这两种信号的传播速度，计算两个节点之间的距离，再通过已有基本的定位算法计算出节点的位置发射节点同时发射无线射频信号和超声波信号，接收节点记录两种信号到达的时间，已知无线射频信号和超声波的传播速度，那么两点之间的距离为(T2-T1)×S，其中S=C1C2/(C1-C2)基于TDOA（到达时间差）的定位4.2.2节点定位技术在基于到达角度AOA的定位机制中，接收节点通过天线阵列或多个超声波接收机感知发射节点信号的到达方向，计算接收节点和发射节点之间的相对方位或角度，再通过三角测量法计算出节点的位置接收节点通过麦克风阵列，感知发射节点信号的到