第8章无线传感器网

第8章无线传感器网张凯博士教授计算机科学技术系电话：[phone]邮件：[e-mail]第8章无线传感器网8.1无线网络技术8.2无线传感器网8.1无线网络技术8.1.1无线传输技术基础1.无线传输媒体传输媒体是数据传输系统中发送器和接收器之间的物理路径，其可分为导向的和非导向的两类。对导向媒体而言，电磁波被引导沿某一固定媒体前进，例如双绞线、同轴电缆和光纤。非导向媒体则是大气和外层空间，它们提供了传输电磁波信号的手段，但不引导它们的传播方向，这种传输形式通常称为无线传播。8.1无线网络技术无线传输分为模拟微波传输和数字微波传输。模拟微波传输就是把视频信号直接调制在微波的信道上（微波发射机），通过天线发射出去。数字微波传输就是先把视频编码压缩，然后通过数字微波信道调制，再通过天线发射出去。2.媒体分类（1）地面微波。（2）卫星微波。8.1无线网络技术（3）广播无线电波。（4）红外线。（5）光波。8.1.2无线个域网1.定义无线个域网(WirelessPersonalAreaNetwork，WPAN)是为了实现活动半径小、业务类型丰富、面向特定群体、无线无缝的连接而提出的新兴无线通信网络技术。WPAN能够有效地解决“最后的几米电缆”问题。WPAN是一种与无线广域网(WWAN)、无线城域网(WMAN)、无线局域网(WLAN)并列但覆盖范围相对较小的无线网络。8.1无线网络技术2.技术标准目前，IEEE、ITU和HomeRF等组织都致力于WPAN标准的研究，其中IEEE组织对WPAN的规范标准主要集中在802.15系列。蓝牙是目前WPAN应用的主流技术。8.1.3无线局域网1.概述无线局域网络(WirelessLocalAreaNetworks；WLAN)是相当便利的数据传输系统，它利用射频(RadioFrequency；RF)的技术，取代旧式的双绞铜线构成局域网络。8.1无线网络技术2.结构无线局域网拓扑结构是一种基于IEEE802.11标准的网络，它允许在局域网络环境中使用未授权的2.4GHz或5.3GHz射频波段进行无线连接。它们应用广泛，从家庭到企业再到Internet接入点。（1）简单的家庭无线LAN（2）中型无线局域网（3）大型可交换无线局域网3.无线局域网络应用大楼之间、餐饮及零售、医疗、企业、仓储管理、货柜集散场、监视系统、展示会场8.1无线网络技术4.无线局域网优缺点无线局域网的优点：（1）灵活性和移动性。（2）安装便捷。（3）易于进行网络规划和调整（4）故障定位容易。（5）易于扩展。无线局域网的不足之处：（1）性能。（2）速率。3）安全性。8.1.4无线城域网1.网络标准无线城域网的推出是为了满足日益增长的宽带无线接入市场需求。8.1无线网络技术2.技术特点802.16物理层具备了以下特点：灵活的信道宽度、自适应突发信号轮廓、采用Reed－Solomon与卷积级联码的前向纠错、任选的先进天线系统(AAS)(可改善距离/容量)、动态频率选择(DFS)(可帮助减小干扰)、空时编码(STC)(通过空间分集提高在衰落环境下的性能)。8.1.5无线广域网1.定义无线广域网（WirelessWideAreaNetwork；WWAN）代表移动联通的无线网络，其传输距离小于15km，传输速率大概3Mbps。8.1无线网络技术2.标准IEEE802.20标准在物理层技术上，以正交频分复用技术（OFDM）和多输入多输出技术（MIMO）为核心，充分挖掘时域、频域和空间域的资源，大大提高了系统的频谱效率。在设计理念上，基于分组数据的纯IP架构适应突发性数据业务的性能优于3G技术，与3.5G（HSDPA、EV－DO）性能相当，在实现和部署成本上也具有较大的优势。3.典型应用室外无线网桥设备在各行各业具有广泛的应用，8.1无线网络技术8.1.6移动Ad-Hoc网络1.定义Adhoc网是一种多跳的、无中心的、自组织的无线网络，又称为多跳网（Multi-hopNetwork）、无基础设施网（InfrastructurelessNetwork）或自组织网（Self-or-ganizingNetwork）。整个网络没有固定的基础设施，每个节点都是移动的，并且都能以任意方式动态地保持与其它节点的联系。8.1无线网络技术8.1无线网络技术2.Ad-hoc网络的主要特征（1）最小化的基础设施支持。（2）自组织和自管理。（3）大部分甚至所有节点都在移动，导致网络拓扑动态变化。（4）无线链路。（5）节点既是一个主机，又是一个路由器。（6）多跳性。（7）能量受限。（8）异质性。（9）有限的安全性。8.1无线网络技术3.如何应用家庭无线局域网的组建，最简单的是两台安装有无线网卡的计算机实施无线互联，其中一台计算机连接Internet就可以共享带宽。一个基于Ad-Hoc结构的无线局域网便完成了组建。从一台已经通过有线Ethernet宽带连接到Internet的独立电脑开始，按照3个步骤建立ad-hoc无线网络：第一步是在主电脑上安装802.11b无线网卡，并将其配置为一个电脑到电脑的无线连接；第二步是在第二台电脑上安装一个无线网卡，完成网络并提供与Internet的连接，在主机上激活Internet连接共享（ICS）；第三步是回到“网络属性”对话框配置WEP的设置，以此保证ad-hoc网络得到最佳的安全保护。8.2无线传感器网8.2.1无线传感器网概述电系统(Micro-Electro-MechanismSystem，MEMS)、片上系统（SOC，SystemonChip）、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展，孕育出无线传感器网络(WirelessSensorNetworks，WSN)，并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革。无线传感器网络由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳自组织网络。8.2无线传感器网1.定义无线传感器网络是由大量无处不在的，具有通信与计算能力的微小传感器节点密集布设在无人值守的监控区域，从而构成的能够根据环境自主完成指定任务的“智能”自治测控网络系统无线传感器网络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，其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。8.2无线传感器网1.定义无线传感器网络是由大量无处不在的，具有通信与计算能力的微小传感器节点密集布设在无人值守的监控区域，从而构成的能够根据环境自主完成指定任务的“智能”自治测控网络系统无线传感器网络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，其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。无线传感器网络可以在独立的环境下运行，也可以通过网关连接到现有的网络基础设施上，如Internet等。在后面这种情况中，远程用户可以通过Intemet浏览无线传感器网络所采集的信息。8.2无线传感器网2.特点（1）大规模网络。（2）自组织网络。（3）动态性网络。（4）可靠的网络。（5）应用相关的网络。（6）以数据为中心的网络。2.发展历史第一阶段最早可以追溯到二十世纪70年代越战时期使用的传统传感器系统。第二阶段在二十世纪80年代至90年代之间。第三阶段于21世纪开始至今。8.2无线传感器网8.2.2体系结构尽管传统的通信网络技术中一些解决方案可以借鉴到无线传感器网络技术中，由于无线传感器网络是能量受限的自组织网络，并且其工作环境和条件也与传统网络有所不同，所以无线传感器网络的体系结构有其特殊性，深入地探讨无线传感器网络的体系结构，有着重要的研究意义。8.2无线传感器网1．无线传感器网络拓扑结构无线传感器网络拓扑结构是组织无线传感器节点的组网技术，有多种形态和组网方式。按照其组网形态和方式来看，有集中式、分布式和混合式。如果按照节点功能及结构层次来看，无线传感器网络通常可分为平面网络结构、分级网络结构、混合网络结构以及Mesh网络结构8.2无线传感器网2．无线传感器网络系统架构一个典型的无线传感器网络的系统架构包括分布式无线传感器节点(群)、接收发送器汇聚节点、互联网或通信卫星和任务管理节点等，如图8-8所示。大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，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到达任务管理节点。8.2无线传感器网8.2无线传感器网3．无线传感器网络的体系无线传感器网络的体系由分层的网络通信协议、网络管理平台以及应用支撑平台这3个部分组成根据以上特性，传感器网络需要根据用户对网络的需求设计适应自身特点的网络体系结构，为网络协议和算法的标准化提供统一的技术规范，使其能够满足用户的需求。4.网络通信协议1）物理层无线传感器网络的传输介质可以是无线、红外或者光介质。无线传感器网络推荐使用免许可证频段(ISM)。8.2无线传感器网2）数据链路层数据链路层负责数据流的多路复用、数据帧检测、媒体接入和差错控制。数据链路层保证了传感器网络内点到点和点到多点的连接。(1)媒体接入控制。(2)差错控制。3）网络层4）传输层5）应用层8.2无线传感器网5．网络管理平台主要是对传感器节点自身的管理以及用户对传感器网络的管理，它包括了拓扑控制、服务质量管理、能量管理、安全管理、移动管理、网络管理等：(1)拓扑控制。(2)服务质量。(3)能量管理。(4)安全管理。(5)移动管理。(6)网络管理。8.2无线传感器网6．应用支撑平台应用支撑平台建立在分层网络通信协议和网络管理技术的基础之上，它包括一系列基于监测任务的应用层软件，通过应用服务接口和网络管理接口来为终端用户提供各种具体应用和支持。(1)时间同步。(2)定位(3)应用服务接口。(4)网络管理接口。8.2无线传感器网8.2.3主要用途虽然无线传感器网络的大规模商业应用还有待时日，但是最近几年，随着计算成本的下降以及微处理器体积的减小，为数不少的无线传感器网络已开始投入使用。目前无线传感器网络的应用主要集中在以下领域：1.环境的监测和保护2.医疗护理3.军事领域4.目标跟踪5.其他用途