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无线传感网络课件.pdf

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：3.64M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    中科院孙利民_WSN概述p6v2011.pdf
    中科院孙利民WSN讲义-路由协议p6v2011
    中科院孙利民WSN讲义-MAC协议p6v2011
    中科院孙利民WSN讲义-拓扑控制p6v2011
    中科院孙利民WSN讲义-定位机制p6v2011
    中科院孙利民WSN讲义-时间同步p6v2011
    中国科学院软件研究所 Institute of Software,Chinese Academy of Sciences 中国科学院软件研究所 Institute of Software,Chinese Academy of Sciences 科技创新 & 物联网 无线传感器网络 WSN：Wireless Sensor Networks 中科院软件所 孙利民/朱红松  在党的十七大报告中指出，“提高自主创新能力，建设创 新型国家”是“国家发展战略的核心，是提高综合国力的 关键”，并将其放在促进国民经济又好又快发展的八个着 力点之首；  3月5日两会期间提出：要紧紧抓住新一轮世界科技革命带 来的战略机遇，坚定不移走中国特色自主创新道路，努力 突破更多核心关键技术，获得更多自主知识产权，为加快 经济发展方式转变和经济结构调整提供强有力的科技支撑。  8月7日,温家宝总理在考察中国科学院无锡高新微纳传感网 工程技术研发中心时，对该中心正在对继互联网、移动通信 之后的全新技术领域传感网进行攻关，立志开辟“感知中国 ”（又称“智慧中国”）的创新之举，做出高度评价。  温总理指出要大力发展传感网，掌握核心技术：一是把传感 系统和3G中的TD技术结合起来；二是在国家重大科技专项 中，加快推进传感网发展；三是尽快建立中国的传感信息中 心，或者叫“感知中国”中心。 2 温总理讲话 智慧地球 中国科学院软件研究所 Institute of Software,Chinese Academy of Sciences 中国科学院软件研究所 Institute of Software,Chinese Academy of Sciences  2009年9月23日，温总理专门就传感网发展听取了 院士专家汇报，并要求发改委等部门进一步落实“感 知中国”的有关建议  2009年11月3日，温总理在人民大会堂向首都科技 界发表了《让科技引领中国可持续发展》的讲话，指 出要着力突破传感网、物联网关键技术，及早部署后 IP时代相关技术研发，使信息网络产业成为推动产业 升级、 迈向信息社会的“发动机”。  2009年12月27日,接受新华社记者独家专访时说：“我记得有一次在无锡中 科院物联网研究所参观，我在那里遇到一批年轻有为的青年，他们许多是从 海外归来的 学子。他们给我介绍什么是物联网，物联网就是传感器加互联网 ，也就是说通过传感器可以将互联网运用到基础设施和服务产业，它有着广 阔的前景。为此他们起了 一个很生动的名字，叫做‘感知中国’为此，我回 到北京以后，连续召开三个座谈 会，有科技、经济和企业方面的人士参加， 来研究中国的战略性新兴产业。  2010年3月5日，十一届全国人大三次会议上，温总理在做政府工作报告时, 明确指出要“加 快物联网的研发应用，加大对战略性新兴产业的投入和政策 支持”，物联网上升为国家五大战略性新兴产业之一 3  2008年11月 6日，IBM总裁兼CEO 彭明盛在纽约市外交 关系委员会发表演讲《智慧地球：下一代的领导议程》  其核心是:将新一代信息技术融合到基础设施建设当中，把传感器 嵌入和装备到全球每一个角落的电网、铁路、桥梁、隧道、公路等 各种基础设施中，普遍连接形成“物联网”。  其目的是:利用新一代信息网络技术来改变政府、公司和人们相互 交互的方式，以便政府、企业和市民可以做出更明智的决策。  三个主要特征  第一，更透彻的感应和度量  利用任何可以随时随地感知、测量、捕获和传递信息的设备、系统或流程。  第二，更全面的互联互通  未来互联网将会变成物联网；先进的系统可按新的方式协同工作。  第三，更深入的智能洞察  利用先进技术获取更智能的洞察并付诸实践，进而创造新的价值。 WSN数据采集 Internet 或 通信卫星 中国科学院软件研究所 Institute of Software,Chinese Academy of Sciences 中国科学院软件研究所 Institute of Software,Chinese Academy of Sciences Sensor network WSN的概念解释  解释1 Sink Object User端 User端 Sensing Area • 传感器网络覆盖感知对象区域 • 每个传感器完成其临近感知对象的观测 • 多传感器协同完成感知区域的大观测任务 • 使用多跳路由算法向用户报告观测结果  无线传感器网络是由一组传感器以特定方式构成的无线 网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地 理区域中感知对象的信息，并发布給观察者。  三个基本要素：传感器、感知对象和观察者。  基本功能：协同地感知、处理和传输目标对象的信息。  解释2  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, 报 告给用户。 1 1
    WSN与Ad Hoc的比较 WSN的网络结构 中国科学院软件研究所 Institute of Software,Chinese Academy of Sciences 中国科学院软件研究所 Institute of Software,Chinese Academy of Sciences WSN  结点数量更为庞大  多数节点为静止  节点分布更为密集  能量约束  结点更容易出错  拓扑结构变化频繁 Ad hoc 几十至上百个节点局域网 节点全移动 结构变化（移动） 能量可连续提供 点到点通信  Sensor field 监测区域  Sensor node 传感器节点  节点功能：采集、处理、控制和通信等  网络功能：兼顾节点和路由器  资源受限：存储、计算、通信、能量  Sink node 汇聚节点  功能：连接  特点：连续供电、功能强、数量少等 传感器节点 WSN协议栈<1> 中国科学院软件研究所 Institute of Software,Chinese Academy of Sciences 中国科学院软件研究所 Institute of Software,Chinese Academy of Sciences  传感器模块：信息采集、数据转换  处理模块：控制、数据处理、网络协议  收发模块：无线通信  能量供应模块：提供能量 9 WSN体系结构 传感器网络的体系结构  能源管理平台： 管理传感器节点如何使用能 量；  移动管理平台： 检测和注册传感器节点的移 动，维护到汇聚点的路由， 使得传感器节点能够跟踪它 的邻居；  任务管理平台： 在一个给定的区域内平衡和 调度监测任务 中国科学院软件研究所 Institute of Software,Chinese Academy of Sciences 中国科学院软件研究所 Institute of Software,Chinese Academy of Sciences WSN应用  军事应用  监视 、侦察、定位、通信、计算、指挥  环境科学  大气、土壤、森林、海洋、气候、动植物、自然灾害  医疗健康  病人监护、药物管理、新药品试验、远程医疗  空间探索  借助航天器撒布传感器网络进行星球探测  工业和交通管理  生产过程监测、控制、仓库管理、交通管理、车辆监测跟踪  商业应用  智能家居环境、体育比赛裁判，交互式博物馆，交互式玩具 2 2
    中国科学院软件研究所 Institute of Software,Chinese Academy of Sciences 中国科学院软件研究所 Institute of Software,Chinese Academy of Sciences 商业<1> 公共安全  公共交通的安全  地铁、轻轨  公交汽车  机场  公共场所的安全  高层建筑的安全（应急、防火）  公共资源安全  水安全  取暖安全  液化气安全  危化品的运输安全  实时跟踪运输车辆 13 无线传感器网络实现无所不在的”感知” 无线传感器网络 中国科学院软件研究所 Institute of Software,Chinese Academy of Sciences 中国科学院软件研究所 Institute of Software,Chinese Academy of Sciences 智能家居 环境监测 国防军事 IPv4&v6网络 智能交通 汽车电子 工业监控 防灾减灾 医疗监护 中国科学院软件研究所 Institute of Software,Chinese Academy of Sciences 中国科学院软件研究所 Institute of Software,Chinese Academy of Sciences 传感器网络—国际标准 推动我国成为ISO/IEC JTC1 WG7主导国之一 2008年6月，首届 ISO/IEC JTC1 国际传感网标准化大会在上海召开  团队代表我国提交“传感器网络标准化体系框架”、“传感器网络系统架构” 、 “传感器网络协同架构”等核心方案，获得成员国代表的高度认可； 传感器网络的标准  三层网络架构 17 3 3
    A Prototype Architecture of CPSs Cyber-Physical System（CPS） 中国科学院软件研究所 Institute of Software,Chinese Academy of Sciences 中国科学院软件研究所 Institute of Software,Chinese Academy of Sciences  Cyber Physical System（CPS）是计算与物理过程的综合  CPS的发展使得计算资源与物力资源间的紧密连结并完成现实社会与 虚拟空间的有机协调  CPS的目标是突破传统嵌入式系统的框架，使物理系统具有计算、通 信、精确控制、远程合作和自治能力、通过互联网组成各种相应自治 控制系统和信息服务系统，实现被动数据主动信息可靠服务 物联网强调连通：CPS 强调循环反馈，要求系 统能够在感知物理世界 之后，通过通信与计算 再对物理世界起到反馈 的控制作用。 CPS is the co- Joining of computation and communication with physical processes Vincenzo Liberatore, Networked Cyber‐Physical Systems: An Introduction, 2007 中国科学院软件研究所 Institute of Software,Chinese Academy of Sciences 报 告 人：孙利民 单 位：中国科学院软件研究所 联系方式：sunlimin@is.iscas.ac.cn 4 4
    2010/12/3 无线传感器网络路由协议 中科院软件所 孙利民/朱红松 sunlimin@is.iscas.ac.cn 提纲 • 1. 网络路由的基本概念 • 2. 经典传感网路由协议 • 3. 实用化（标准化）的传感网路由协议 • 4. 路由协议的分类和特征比较 • 5. 传感网路由协议新方向 • 6. 总结 1. 网络路由的基本概念 1.1 路由的困难 • “路由”者，“找路” 也 – 解决“由”哪条“路”走到目的地的问题 • 当系统变得复杂，状态信息不足，传输质 量有要求，负载带宽比较大的时候，我们 就会发现，选路并不是一件很容易的事情。 1.2 互联网路由机制 1.2.1 互联网路由问题 • 访问网站的路由过程 – 询问网站的IP地址 – 向服务器发送请求 • 在网络层添加服务器IP – 接入路由器（网关）转发 • 根据路由表转发到上一级 路由器 – 核心路由器转发 • 根据路由表转发到目标服 务器所在边界网络 – 到达服务器接入路由器 – 到达服务器 – 将数据返回请求终端 • 未知路径问题 – Routing exchange • 多路径选择问题 – Quality Metrics  • 路径变化问题 – Routing maintenance • 音视频实时传输问题 – TV online、H.264 • 多对多条件下的传输优化 问题 – Multicast、Anycast • 安全路由问题 – IPsec 1 5
    2010/12/3 1.2.2 互联网环境特征 1.3 传感网系统路由机制 • 全球统一的IP地址 – 与地理位置无关 • 带宽大且稳定 – 核心和接入网采用光纤或铜缆 • 基础资源充足 – 运行在稳定的专用环境 • 拓扑稳定 – 路由器IP不变 • 数据由少数服务器（信息源）流向众多的终端 – 对特定路径来说，上行和下行数据不对称（不考虑P2P 模式） • 海量与物理环境“亲密接触” 的众多嵌入式小设备的集合 • 不是通用系统，面向应用设 计，不以传输为设计目标 – 是“系统”，不是网络 • 部署的灵活性需求 – 基础设施缺乏 – 电池供电、有限能量 – 低功耗、短距离传输，带宽 有限 – 自组织成网能力 • 无线通信不可靠 • 以数据为中心 – 不以节点（节点编号、逻辑 地址）为访问目标，而是以 地理和传感特征为访问目标 • 数据从海量的终端节点流向 后端的数据服务器 1.3.1 传感网与互联网比较 1.3.2 传感网路由的设计模型 – 将能量作为寻路的重要指标 – 通常不考虑（绿色） 传感网 • 未知路径问题 – 自组织拓扑，寻路 • 能量高效问题 – 多路径支撑、主路径与备选 – 延迟控制，将单跳传输时间 • 可靠传输问题 路径 • 实时传输问题 作为寻路指标 • 路径失效问题 – 路由动态维护 • 安全路由问题 – 防止中间人、DoS攻击、女巫 攻击 – 证书、SSL、SSH、IPsec、IKE、 入侵检测、防火墙等 互联网 • 未知路径问题 – 路由交换 • 能量高效问题 • 可靠传输问题 – 不在网络层考虑 • 实时传输问题 – 对报警这种微量信息传输没 有支持，仅对多媒体流才考 虑（专线或者带宽预留） • 路径失效问题 • 安全路由问题 – 也存在，产生的原因不同 • 设计目标 – 将蕴含在网络中的信息传送到信息存储和处理 中心 • 设计约束 – 能量约束 – 带宽约束 – 自治能力的约束（自组织、自我管理、容错） – 地理信息约束（节点地理映射） – 应用需求约束（QoS、可靠性、延迟） 1.3.3 传感网路由分析常用概念 1.4 传感器网络的典型应用模式 • 传感器节点（sensor node） • 簇头节点（cluster head) • 网关节点（gateway） • 汇聚节点（sink node） 传感节点 • 时间驱动 – 周期性报告 – 能量，带宽，随机部署，自适应 汇聚/网关节点 簇头/汇聚节点 图1 周期报告 （森林中节点定 期报告环境参数）  事件驱动  监测（突发事件检测，目标追踪）  能量，可靠性，延迟 图2 目标跟踪 现实系统往往是混合驱动 2 6
    2010/12/3 提纲 2. 经典传感网路由协议 • 1. 网络路由的基本概念 • 2. 经典传感网路由协议 • 3. 实用化（标准化）的传感网路由协议 • 4. 路由协议的分类和特征比较 • 5. 传感网路由协议新方向 • 6. 总结 • Flooding、Gossiping – 最简单的信息交换协议 • PEGASIS – 低能耗线性分簇协议 – 数据中心，发布与获取 – 地理信息路由 – 兴趣与信息获取 – 延迟（QoS）保障协议 – 低能耗兴趣与信息获取 – 分簇低能耗层次型路由 – 基于Cost的多路径路由 • Disjoint and braid  Multipath – 多路径路由 • SPIN • DD • Rumor • LEACH • GEAR • SPEED • GRAB 2.1 Flooding和Gossiping 2.2 SPIN：Sensor Protocol for  Information via Negotiation • 洪泛（Flooding）机制 – 节点产生或收到数据后向所有邻节点广播，直到信息过期或 到达目的地才停止传播； • 缺点 – 内爆：节点几乎同时从邻节点收到多份相同数据 – 交叠：节点会转发同一区域内同一信息的多份拷贝 – 能量低效、带宽利用率极低：不考虑自身资源限制 • 闲聊（Gossiping）机制 – 随机选择一个邻结点来发送数据 – 避免了内爆,但增加了时延。网络大后，概率趋于0 – 简单，不需要维护路由信息,也不需要任何算法 • 两种算法的优点 • 两种算法的缺点 – 扩展性很差 • 问题和动机 • SPIN路由过程 – Flooding进行信息发布的内爆、重叠等问题 – 引入信息广告过程，保证只有对广告信息有兴趣的 节点请求数据 – 定义三种类型的消息：ADV、REQ、DATA – 协议过程如下图 B B B B B B 2.2.1 SPIN协议优缺点 2.3 DD(Directed Diffussion) 优点 缺点 • 先发广告（ADV），按需传送 • 当产生或收到数据的节点的 数据，减轻了内爆问题; 所有邻节点都不需要该数据 • 信息命名解决了交叠问题； • 根据自身资源决定是否发布 时,将导致数据不能传播； • 虽然减轻了数据内爆,但在较 信息通告（ADV）,避免了资 大规模网络中,广告消息ADV 源利用盲目问题； 仍然存在内爆问题； • 问题和动机 – SPIN会广播所有信息，但并 不是所有信息都需要进行广 播和通告，很多事件是条件 驱动的。 • 过程：先查询 ，后应答 • 特征：以信息为核心进行 数据传输，支持信息融合 • 网络元素： – 网关（Gateway） – 汇聚节点（Sink)，融合代理 – 源节点（传感节点） 查询：温度〉30度的区域 3 7
    2010/12/3 2.3.1 DD‐查询和信息汇报过程 2.3.1 DD‐查询和信息汇报过程 • 兴趣扩散:汇聚节点洪泛 查询消息 – 兴趣消息：任务性质、数 据采集/发送数率、时间 戳等 – 中间节点： • 记录（邻居节点和兴趣内 容why?） 数据发送的节 点→梯度 • 转发兴趣给邻居节点 • 梯度建立：从汇聚点到 网络中的节点之间按照 跳数距离建立梯度 • 初始信息汇报: – 节点沿着兴趣梯度定向洪 泛数据； – 中间节点对信息进行记录 和转发 – 汇聚点接收数据进行存储 和融合 • 路径增强 – 汇聚节点根据需求（如延 时）从汇聚点再发起一次 路径增强的洪泛过程，延 迟最小的一条路径作主路 径承担后续的传输任务 2.3.2 DD‐优缺点 2.4 Rumor协议 优点 • 数据为中心，不管理节点， 缺点 • 周期性的洪泛机制‐‐‐能量 • 数据传输更有目的性； 和时间开销都比较大；如 • 路径加强机制可显著提高 果网络结构变化不大，周 数据传输质量； • 反应式路由：能量的均衡 消耗； 期可以很长。 • 节点需要维护一个兴趣消 息列表，存储代价较大； • 针对问题：DD路由开销大，需要维护路径、 更新失效路径。 • 特点：查询和事件汇报同时进行 2.4.1 Rumor协议过程和优缺点 • 基本过程 • 优点 – 能耗较小，协议简单 • 缺点 – 如果事件非常多,维护事件表 和收发Agent带来的开销会 很大 – 汇报延迟无法保证 – 事件区域中的传感器节点产 生代理（agent）消息，代 理消息沿随机路径向外扩散 – 同时汇聚节点发送查询消息 也沿随机路径在网络中传送 – 当二者相遇时就形成一条节 点到事件区域的完整路径。 – 通过跳数控制范围，如在范 围内查询和代理消息不交 叉,sink点可采用flooding查询 请求。 • 设计原理：欧氏平面图上 任意两条曲线交叉几率大 2.5 LEACH分簇路由协议 • 问题和动机：网络中大部分的节点只是感 知信息，并不需要转发数据，如果一直处 于工作状态，会浪费能量。（Flat协议） • 解决思路：将节点分为簇头节点和功能节 点，功能节点只负责感知，定时启动将信 息传送给簇头；簇头节点一直工作，一方 面收集功能节点数据，另一方面负责数据 的转发 4 8
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