2012无线传感网络技术.ppt

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测量技术是信息技术的组成部分。

信息技术的关键还是测量，测量是基础和关键。

IT测量计算机通讯惠普（HP）公司认为：

ITMC2MC2MeasurementComputerCommunication传感技术是现代测量手段,计算机网络高级教程,3,国家需求,医疗监护,智能交通,智能家居,环境监测,国防军事,防灾减灾,工业监控,新一代网络,无线传感网络将在新一代网络中起重要作用,概念篇,计算机网络高级教程,4,网络技术发展的主线,计算机网络高级教程,5,无线网络技术的研究与发展,计算机网络高级教程,6,无线局域网WLAN与Adhoc网结构比较：

一跳与多跳,计算机网络高级教程,7,WSN,计算机网络高级教程,8,WSN概述,无线传感器网络（wirelesssensornetwork,WSN）系统是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。

它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等如果说Internet改变了人与人之间的沟通方式，那么无线传感器网络将会改变人类与自然界的交互方式；人们可以通过传感网络直接感知客观世界，从而极大地扩展现有网络的功能和人类认识世界的能力,计算机网络高级教程,9,Internet、卫星或移动通信网络等,汇聚节点,什么是无线传感器网络？

监测区域,传感器节点,计算机网络高级教程,10,无线传感器网络（WSN）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，目的是协作地采集、处理和传输网络覆盖地域内感知对象的监测信息，并报告给用户。

“无线传感器网络”术语的标准定义,计算机网络高级教程,11,什么是无线传感网络？

无线传感网络是由部署在监测区域内的大量微型、低成本、低功耗的传感器节点组成的多跳无线网络,网关,概念篇,大规模、自组织、随机部署、环境复杂、传感器节点资源有限、网络拓扑经常变化,计算机网络高级教程,12,数字世界,传感数据,传感数据,传感数据,传感数据,传感数据,传感数据,物理世界,无线传感网络,连接物理世界和数字世界,计算机网络高级教程,13,无线传感网络在新一代网络中的角色,无线传感网络,接入网络,核心网络,计算机网络高级教程,14,现代微型传感器感知能力计算能力通信能力体积小能耗小由六部分组成,计算机网络高级教程,15,传感器节点,传感器模块：

信息采集、数据转换处理器模块：

控制、数据处理、网络协议无线通讯模块：

无线通信，交换控制信息和收发采集数据能量供应模块：

提供能量,计算机网络高级教程,16,无线传感器网络的特点,网络规模：

结点数量与分布的地理范围自组织网络:

自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统拓扑结构的动态变化:

具有动态的系统可重构性802.15.4标准：

低功耗、低速率、低成本,计算机网络高级教程,17,传感器网络的结构,根据节点数目的多少，传感器网络的结构可以分为平面结构和分级结构。

如果网络的规模较小，一般采用平面结构。

如果网络规模很大，则必须采用分级网络结构。

计算机网络高级教程,18,

（1）平面结构,平面结构的网络比较简单，所有节点的地位平等，所以又可以称为对等式结构。

源节点和目的节点之间一般存在多条路经，网络负荷由这些路径共同承担，一般情况下不存在瓶颈，网络比较健壮。

平面型的网络结构在节点的组织、路由建立、控制与维持的报文开销上都存在问题，这些开销会占用很大的带宽，影响网络数据的传输速率。

另外，整个系统在宏观上将损耗很大的能量。

还有一个缺点就是可扩充性差。

计算机网络高级教程,19,

（2）分级结构,在分级结构中，传感器网络被划分为多个簇。

每个簇由一个簇头和多个簇成员组成。

这些簇头形成了高一级的网络。

簇头节点负责簇间数据的转发，簇成员只负责数据的采集。

这大大减少了网络中路由控制信息的数量，具有很好的可扩充性。

问题就是簇头的能量消耗问题，簇头发送和接收报文的频率要高出普通节点几倍或十几倍，因而要求可以在簇内运行簇头选择程序来更换簇头。

计算机网络高级教程,20,这些结点在一个微小的芯片上集成了信息采集、数据处理和无线电通信等多种功能。

传感器,微型处理器,无线通信,最小的芯片只有1501507.5微米,无线传感器网络由成千上万个微型传感器组成，每个微型传感器称为网络的一个“结点”。

计算机网络高级教程,21,传感器技术,计算机技术,通信技术,感官,大脑,神经,现代信息技术,信息系统,无线传感器网络,计算机网络高级教程,22,结点的构成,传感器,应用程序,无线通信,内存,CPU,电源,网络中的网关（基站）（较强的处理、通信能力）,网络中的结点（简单处理、短距离通信）,计算机网络高级教程,23,1、传感器结点激活；2、通过无线通信，确定自身的位置；3、自动组织成网络；,唤醒、联络、确定自身位置,网关,结点,计算机网络高级教程,24,各传感器分别探测外部信息,温度,湿度,土壤成分,图象,压强,压力,光照,声音,加速度,？

因环境影响、能量耗尽等原因，结点容易发生故障。

磁场,位移,核辐射,计算机网络高级教程,25,各结点将信息汇聚到基站,结点出故障，其它结点会自动寻找别的“同伴”完成任务。

网关,（路由器）既要输出本身的信息，还要传递其它结点的信息。

结点能量不足时，只能输出本身的信息，而无法传递其它结点的信息。

计算机网络高级教程,26,卫星、互联网,信息经卫星、互联网到达用户,网关,网关对各路信息进行过滤，把重要的信息发送给用户。

计算机网络高级教程,27,卫星、互联网,网关,大量结点随机分布,联络、自身定位、自动组织成网络,传感器探测磁场和震动信息,1、是不是坦克？

2、根据多点信息，进行目标定位,报告时间、方位、速度、方向,计算机网络高级教程,28,无线传感器网络的意义,无线传感器网络引起了全世界的关注，被认为是继互联网之后的第二大网络。

在无线传感器网络研究及其应用方面，我国与发达国家几乎同步启动，它已经成为我国信息领域，位居世界前列的少数项目之一。

无线传感器网络被称为21世纪最具影响的技术之一；是改变世界的十大新兴技术之首；是全球未来的四大高新技术产业之一。

计算机网络高级教程,29,大型机,PC机,互联网,东方明珠,金茂大厦,环球金融中心,上海中心,1998年,420米,2008年,580米,1994年,350米,492米,无线传感器网络,2014年,制高点,信息产业中，无线传感器网络已成为继计算机和互联网之后，国际竞争新的制高点。

1965年,1980年,1995年,2010年,计算机网络高级教程,30,WNS关键技术,计算机网络高级教程,31,无线传感器网络涉及：

传感器技术计算机网络技术无线传输技术嵌入式计算技术分布式信息处理技术微电子制造技术软件编程技术,计算机网络高级教程,32,计算机网络高级教程,33,无线传感器结点的限制,电源能量对结点寿命的影响环境对通信距离与信道质量的影响计算、存储能力对结点协同工作质量的影响,计算机网络高级教程,34,电源对无线传感器结点的限制,计算机网络高级教程,35,物理层,数据链路层,网络层,传输层,应用层,能量分配,移动管理,应用优化,计算机网络高级教程,36,通信能力有限节点带宽窄，而且经常变化节点通信覆盖范围只有几十到几百米，而且经常变化,挑战之一如何在如此有限通信能力的条件下,高质量地完成感知数据的查询、分析、挖掘与传输？

在传感器网络环境下，发现最小化算法通信复杂性的机理是我们面临的第一个挑战问题！

计算机网络高级教程,37,多源、多跳是主要通信方式多个传感器节点向一个目标传送信息一次多源信息传输需要多条由多个传感器节点组成的路径,挑战之二如何为多源信息传输选择优化通信路径？

在传感器网络环境下，建立选择优化或近似优化通信路径的理论是我们面临的第二个挑战问题！

计算机网络高级教程,38,通信能力有限节点通信覆盖范围只有几十到几百米,如何在有限的通信能力条件下,完成探测数据的传输？

无线通信技术是关键技术！

计算机网络高级教程,39,节点移动、断接频繁在移动网络中，节点移动频繁节点间通信的断接频繁，导致通信失败.经常受到高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响,因此传感器可能会长时间脱离网络,离线工作,挑战之三通信路径重构成为突出问题？

路由算法必须具有自适应性？

如何建立网络随机连通性的数据理论，为通信路径重构和自适应路由算法设计奠定坚实理论基础是我们面临的第三个挑战问题？

计算机网络高级教程,40,电源能量有限传感器的电源能量极其有限由于电源能量的原因经常失效或废弃电源能量约束是传感器网络应用的障碍现有电源部件不能满足传感器网络的需要传感器传输信息比执行计算更消耗电能传感器传输1位信息需要的电能足以执行3000条计算指令,挑战之四如何传感器网络在工作过程中节省能，实现能源均衡，最大化网络生命周期？

建立能源复杂性和能源均衡理论是我们面临的第四个挑战性问题！

计算机网络高级教程,41,电源能量有限通常电池供电，工作环境恶劣，一次部署终生使用，更换电池困难,如何节省电源、最大化网络的使用寿命？

低功耗设计问题是关键技术！

计算机网络高级教程,42,计算能力有限传感器网络中传感器通常都具有嵌入式处理器和存储器，具有计算能力但是，处理器性能、存储器容量和能源都很有限，导致传感器的计算能力十分有限,挑战之五如何使用大量具有有限计算能力的传感器设计能源有效的高性能分布式算法?

设计同时最小化能源、时间、空间和通信复杂性的分布式算法是我们面临的第五个挑战性问题！

计算机网络高级教程,43,计算能力有限节点体积小，处理器和存储器性能有限，不允许进行复杂算法的运算,嵌入式操作系统设计是关键技术！

计算机网络高级教程,44,传感器数量大、分布范围广传感器网络中传感器节点密集，数量巨大，可能达到几百、几千万，甚至更多传感器网络可以分布在很大区域，也可以分布在险恶环境下传感器数量大、分布广的特点使得网络的维护十分困难甚至不可维护,挑战之六如何使传感器网络软硬件具有高强壮性和容错性是我们面临的第六个挑战性问题！

计算机网络高级教程,45,大规模分布式触发器很多传感器网络需要对感知对象进行控制（如温度控制）传感器需要配备回控装置和控制软件我们称回控装置和控制软件为触发器,挑战之七如何管理成千上万分布式触发器是我们面临的第七个挑战性问题？

计算机网络高级教程,46,感知数据流无限传感器网络每个传感器都产生无限的流式数据，并具有实时性每个传感器仅具有有限的存储器和计算资源，难以处理巨大的实时数据流,挑战之八如何设计高效率、能源有效、实时的海量感知数据流的查询、分析和挖掘的分布式算法？

计算机网络高级教程,47,以数据为中心传感器网络不是通常的网络用户感兴趣的是数据而不是网络和传感器硬件用户很少询问“A节点到B节点的连接是如何实现的？

”用户经常询问“网络覆盖区域中那些地区出现毒气？

”传感器网络不是以地址为中心的用户不会询问“地址为27的传感器的温度是多少？

”用户感兴趣是“某个地理位置的温度是多少？

”数据传输以聚集方式进行,而不是地址到地址的路由,计算机网络高级教程,48,传感器网络是以数据为中心的网络把传感器视为感知数据流或感知数据源把传感器网络视为感知数据空间或数据库把数据管理和处理作为网络的应用目标,挑战之九如何建立以数据为中心的传感器网络？

以感知数据管理和处理为中心;把数据管理和处理技术与网络技术融为一体;为用户提供有效的感知数据空间或感知数据库;使用户如同使用通常的数据库系统和数据处理系统一样自如地使用感知数据.传感器网络数据管理系统的理论和技术是我们面临的第九个挑战性问题！

计算机网络高级教程,49,需要多种多样的感知器物理传感器生物传感器化学传感器,挑战之十如何建立新感知器概念、理论、技术和各种新型感知器是我们面临的第十个挑战性问题？

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