传感器网络发展现状

传感器网络发展现状中国科学院上海微系统与信息技术研究所上海2009年5月19日20001990s科学研究2006标准化2010产业化传感器网络的发展传感器网络联结现实物理世界•大量多种类传感节点组成的自治网络，实现对物理世界的动态智能协同感知,是上世纪末信息领域兴起的多学科交叉重大前沿研究热点•雷达、卫星等：宏观远程侦察；传感网：微观近距侦察•移动通信网络：人人互联；传感网：物物互联•互联网：虚拟信息空间；传感网：现实物理世界“自治组网、协同感知”是传感器网络的核心传感网是信息技术的前沿领域移动通信网络连接的是人与人，人是智能的，网络无需智能传感器网络连接的物与物，物是非智能的因此要求传感器网络必须是智能的自治系统物－物、物－人互联：智能组网、自治不仅是通信的网络，更是感知的网络必须具备协同感知等功能无人值守：部分受限系统带来四大受限因素：能源、通信、计算、存储感知的系统：感知、处理、协同传感器网络：不仅仅是传感器+网络面向应用：功能、性能、效率无线传感器网络—信息技术的一次历史性机遇民用移动通信网人与人互联传感网物与物互联新的支柱性产业军事卫星、雷达远程宏观侦察传感网近距微观侦察战争模式、样式等革命美国的移动计算和网络国际会议（1999年）：“无线传感器网络是下一个世纪面临的重大发展机遇。”美国橡树岭实验室（2002）:IT时代正在从“Computeristhenetwork”向“Sensoristhenetwork”转变。美国《MIT技术评论》（2003）:“传感网络技术将是未来改变人们生活方式的十大技术之首。”美国《商业周刊》（2003）:“未来四大高新技术产业之一。”美国《福布斯》(2008)：“未来的传感器网络比现在的Internet大得多。”美国国防部（2000）：将传感网络定为五个国防尖端领域之一美国《每日防务》（2005）：“传感器网络技术将会在战场上带来革命性的变化，并将改变战争的样式。”美国海军副司令（2004）：“我们正关注着正在兴起的基于传感器网络的战争。”美国DARPA：SensIT计划、2007年战略计划：包含大量传感网相关内容。美军FCS：UGS传感网被列为14个系统组成之一，目前5项急需发展的关键技术之一。传感器网络的未来方向：泛在网“实现人与人、人与物乃至物与物之间随时随地沟通的全新网络环境——泛在网（UbiquitousNetwork）和普适计算正在变为现实并逐步走进人们的生活。人与物、物与物之间的通信被认为是泛在网的突出特点。”ITU、ISO、IEC国际标准化组织：传感器网络作为泛在网的重要基础支撑，将不断深化、无处不在ITU、ISO、IEC国际标准化组织：传感器网络作为泛在网的重要基础支撑，将不断深化、无处不在传感网在未来网络架构的地位ITU-T传感器网络标准化：网络架构U社会：无处不在的网络社会(UbiquitousNetworkSociety,UNS)Anytime,Anywhere,Anyone,Anything传感器网络(WSN)物物互联e社会Anytime,Anywhere,Anyone重要信息基础设施之一重要特征Anything的支撑技术传感器网络—信息技术的一次历史性机遇日本U-Japan计划•2004-2007年共投入29亿美元•到2010年将带来371亿美元直接收益•传感器网络是四项重点战略之一韩国U-Korea战略•IT839战略：到2010年计划投入700亿美元•泛在传感网USN是三大基础建设之一新加坡“下一代I-Hub”计划发达国家和地区积极推动无处不在(Ubiquitous)化，迈向信息服务随手可得的无处不在网络社会USN。WSN是真正实现无处不在网络概念的支撑技术欧洲：1999年eEurope计划Æ2005年提出旨在创建无所不在网络社会的i2010计划。台湾的U-Taiwan推动传感器网络—信息技术的一次历史性机遇主要内容•技术综述—网络与通信—协同信息处理—安全—操作系统与中间件•已有系统与国内外标准化进展•应用案例•总结现有系统与标准化进展总结传感网应用和市场技术发展综述网络与通信•技术分析—物理层—MAC层—拓扑结构—路由•现有的系统与标准•总结WSN物理层的需求•对干扰的适应性和鲁棒性—在多样、复杂的环境中工作—适应节点密度的变化—适应信道选择•低能耗和低成本—大多数传感器节点都受能源限制—对频率准确性的要求不高—节能和较长的使用寿命•支持较大覆盖范围—数据传输模式:连续数据流(高数据率),短报文(低数据率),混合(可变速率)—短距离(1m~200m)，远距离(200m)•与现存标准的兼容性现有的物理层技术(1)•802.15.4—DSSS—OQPSK,BPSK,ASK—2450MHz(16个信道),868/915MHz—250kbps,40kbps,20kbps—15.4c增加了780MHzstd.，MPSK—15.4g强调在复杂环境下的适应行和鲁棒性•802.11b/g—DSSS—11Mbps—2.4～2.4835GHz—高数据率传输—随传感网节点密度的增加，接口也随之增加现有的物理层技术（2）•ISO/IECJTC1/SC6—2.400-2.4835GHz—(G)FSK—1Mbps—多跳—短距离无线通信系统•CC1100(TI)—OOK,ASK,FSK,GFSK,MSK—多跳—频率:300-348400-464800-928MHz—数据率:1.2K-500K—无标准，但已在传感网中广泛应用•RFID—ISO/IEC18000-X—135KHz,13.56MHz,2.45GHz,860~960MHz,433MHz,小结(1)•可调整的数据率和频率—低数据率:1kbps~10kbps•短报文•短/远距离—高数据率：500kbps~2Mbps•视频•短/远距离—频率Frequency•2.4GHz:免费使用，但有干扰•300-348400-464800-928MHz:限某些国家免费使用•779-787MHz中国已得到许可小结(2)•可用的调制方式—DSSS•抗干扰性•多路径的鲁棒性—OFDM•多路径的鲁棒性•高宽带效率—ASK,FSK,GFSK,MSK•低成本•在信道监听状态，尤其有用•合作通信—高能量效率—信道消失的鲁棒性WSNMAC层的需求•WSNMAC层的一般需求—能源效率:降低能耗，延长节点和网络的生命周期—规模性:适应节点的部署、失效及变化的拓扑结构•特殊需求—延迟性:不是非常重要，除非针对特殊的应用，如工业监控等—吞吐量:突发和周期性业务支持MAC分类•基于竞争的MAC协议•基于调度的MAC协议•混合MAC协议基于竞争的MAC协议•优点—按需分配资源—针对拓扑变化的规模性和鲁棒性—无需精确的时间同步—实施的简易性•缺点—能量使用的低效率—分组冲突和低吞吐量—隐藏的终端问题•例子—CSMA,OAR,SIFT,S-MAC基于调度的MAC协议•优点—支持短周期的操作—非竞争访问—网络中的公平性•缺点—需要精确的时间同步—限制规模及拓扑变化•例子—TDMA,LEACH，—ISA100MAC混合MAC协议•优点—根据信道的流量负荷，进行协议间的转换—根据网络结构，进行协议间的转换•缺点—评估流量负荷的复杂性—长控制帧头—限制拓扑变化•例子—Z-MAC,Funneling-MAC，—IEEE802.15.4MAC当前的MAC协议混合MAC协议─IEEE802.15.4MAC•IEEE802.15.4—针对低数据流，较长电池寿命和低复杂度•IEEE802.15.4b(IEEE802.15.4-2006)—specificenhancementstotheIEEE802.15.4-2003standard—resolvingambiguities,reducingunnecessarycomplexity,increasingflexibilityinsecuritykeyusage,considerationsfornewlyavailablefrequencyallocations,andothers.•IEEE802.15.4e—defineaMACamendmenttotheexistingstandard802.15.4-2006.—bettersupporttheindustrialmarkets(criticallatency),permitcompatibilitywithmodificationsbeingproposedwithintheChineseWPAN基于调度的MAC协议─ISA100•在工业自动化和过程控制中，关注于：—行业应用服务进程，包括工厂自动化—中心网络管理•使用TDMA(时间槽),时间同步•对低延迟和可靠性的优化时间帧周期未分配的时槽分配的时槽小结•特定应用•特定通信量•规模化的限制尽管有多种适用于传感网的MAC协议，但没有任何一种协议可作为标准。因为，具体的应用决定着协议的选择，这意味着没有一个MAC标准可适用于所有的传感器网络，也不会存在一个传感网配有一个MAC标准的现象。WSN拓扑结构的需求•网络的动态变化和规模性•需处理节点的移动性和单个节点的故障•大规模的节点部署•覆盖面和连通性•Partialcoveragewithconnectivity,thecriticaldensityλctoensuremostsensorsareconnectedlocal•Constraincoveragewithconnectivitywhichfocusontargetdetectionandintrusiondetectionproblem•适应性/可靠性•能够处理通信的失败•能在恶劣的环境中工作•网内数据处理/协同信息处理•层次结构•基于任务的动态聚合•能量效率/负荷平衡•存储有限的能量•平衡整个网络的能耗技术分析•拓扑意识—网络部署—邻居发现—多跳路由•拓扑控制—覆盖面—连通性—分层结构拓扑结构的种类树型拓扑星状网拓扑网状网拓扑簇型拓扑簇形拓扑结构•什么是簇形拓扑结构?—一种分层的拓扑结构，将网络分成众多子节点，称为簇，每个簇中，都有一个节点作为簇头•为什么使用簇形拓扑结构?—可扩展性和能源效率—减少信道竞争，缩小路由表—为数据的集成提供一个架构框架—节点分布的不一致性•如何成簇？—选择簇头—簇的形成—簇的路由现有的分簇算法Mesh网络•什么是MESH网?—网络内部的节点都具有对等的地位，每个节点都可充当路由和转发器•为什么使用MESH?—多路由，简易的网络维护—能量效率高—自我形成和自愈功能—规模性和鲁棒性•如何使用MESH?—基础设施/骨干网—无线MESH子网—混合WMNs•局限性—实施的复杂性—额外的网络负荷—有限的带宽效率—帧头拓扑结构的建议WSN路由的需求•数据报告模型—几乎所有传感网的相关应用都需要把感知数据从多个源节点发送到一个或多个汇聚节点。—数据报告模型可分为时间驱动、事件驱动、查询驱动和混合驱动四种。•数据汇集/融合—由于多个节点可能会对同一目标产生相同的数据，因此会有大量冗余数据。•能耗问题—传感器节点在传输能力、电池供应、处理能力和存储空间方面，都受到一定限制。•网络动态—由于传感器节点的大规模部署，无法建立全球寻址模式。技术分析•以数据为中心/数据汇聚—查询驱动，减少冗余的数据传输•地理位置路由—通过定位信息，确定具体目标•基于QoS的路由—建立路由时，考虑端到端的延迟•分层—满足大规模的需求—使用地址集成和定位—允许不同层次的多种算法当前的路由协议小结•分层&以数据为中心•需进一步解决由视频&图像传感器和实时应用提出的服务质量(QoS)问题，•在设计路由协议时，需考虑一般节点和汇聚节点的移动性协同信息处理•介绍•数据融合/信息处理•CIP39为什么要关注信息处理?•传感网的主要目标是感知物理世界•感知不等同于传感器的测量值•信息处理可将传感器的测量值融合成需要感知的信息•信息处理又称为数据融合信息处理?40数据融合模型--ref.•JDL多级数据融合处理模型LowHi