
知识3:WSN技术、协议和标准 一:无线传感网概述 1无线传感器网络介绍 无线传感器网络(Vireless Sensor Network,WSN)是由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例络,以协作地感知、采集、处理和传 输网络覆盖地里区域内被感知对象的信息,并最终把这些信息发送给网络所有 者, 特点: (1)大规模网络 (2)多跳路由 (3)动态特性 (4)可靠网络 (5)以数据为中心的网络 分布式:把一个需要非常巨大的计算能力才能解决的问题分成许多小的部 分,然后把这些部分分配给许多计算机进行处理,最后把这些计算结果综合起来 得到最终的结果。 自组织:如果一个系统靠外部指令而形成组织,就是他组织:如果不存在外 部指令,系统按服相互默契的某种规侧,各尽其责而又协调地自动地形成有序结 构,就是自组织, 多跳路由:在无线网铬中,任何无线设备节点都可以同时作为AP和路由器, 网络中的每个节点都可以发送和接收信号,每个节点都可以与一个或者多个对等 节点进行直接通信 约束:能源有限、通信能力有限、计算存储有限 无线传感器网铬所具有的众多类型的传感器,可探测包括地震、电磁、祖度、 醒度、噪声、光强度、压力、土菜成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环 境中多种多样的现象。滑在的应用领域以归纳:军事、航空、防爆,散灾、 环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领城。 2传感器网络体系结构 互钢和业是 及节点 务量理情点 刀 0 脑颜风减 传8落节点
知识 3:WSN 技术、协议和标准 一: 无线传感网概述 1 无线传感器网络介绍 无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)是由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,以协作地感知、采集、处理和传 输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息,并最终把这些信息发送给网络所有 者。 特点: (1) 大规模网络 (2) 多跳路由 (3) 动态特性 (4) 可靠网络 (5) 以数据为中心的网络 分布式:把一个需要非常巨大的计算能力才能解决的问题分成许多小的部 分,然后把这些部分分配给许多计算机进行处理,最后把这些计算结果综合起来 得到最终的结果。 自组织:如果一个系统靠外部指令而形成组织,就是他组织;如果不存在外 部指令,系统按照相互默契的某种规则,各尽其责而又协调地自动地形成有序结 构,就是自组织。 多跳路由:在无线网络中,任何无线设备节点都可以同时作为 AP 和路由器, 网络中的每个节点都可以发送和接收信号,每个节点都可以与一个或者多个对等 节点进行直接通信 约束:能源有限、通信能力有限、计算存储有限 无线传感器网络所具有的众多类型的传感器,可探测包括地震、电磁、温度、 湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环 境中多种多样的现象。潜在的应用领域可以归纳为: 军事、航空、防爆、救灾、 环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域。 2 传感器网络体系结构

3传感器网络的发展 二:无线传感网的技术体系 1自组网技术 自组网技术Ad-Hoc 特点: 阿络拓扑结构动态变化 在移动自组织网铬中,由于用户终端的随机移动、节点的随时开机和关机、 无线发信装置发送功率的变化,无线信道间的相互干扰以及地形等综合因素的影 响,移动终端间通过无线信道形成的网络拓扑结构随时可能发生变化,面且变化 的方式和速度都是不可预测的。 自组凯无中心网铬 移动自组织网络没有严格的控制中心,所有节点的地位是平等的,是一种对 等式阿铬。节点能够随时加入和离开网铬,任何节点的故障都不会影响整个网络 的运行,具有很强的抗毁性。 多殊网络 由于移动终端的发射功率和覆盖范围有限,当终端要与覆盖范围之外的终端 进行通信时,需要利用中间节点进行转发。 2节点定位技术 三边测量法 三角测量法 基于TOA的定位 基于RSSI的定位 时间同步技术 网路时到协议NTP RBS机制 3网络安全技术 1)机密性问圈 2)点到点的清息确认 3)完整性鉴别 4)新鲜性问盟 5)认证组播和广播问题 6)安企管理问题 三:无线传感网的通讯协议 路由协议负责将数据分组从源节点通过网铬转发到目的节点,它主要包括两 个方面的功能:寻找源节点和目的节点间的优化路径,将数据分组沿者优化路径 正确转发
3 传感器网络的发展 二:无线传感网的技术体系 1 自组网技术 自组网技术 Ad-Hoc 特点: 网络拓扑结构动态变化 在移动自组织网络中,由于用户终端的随机移动、节点的随时开机和关机、 无线发信装置发送功率的变化、无线信道间的相互干扰以及地形等综合因素的影 响,移动终端间通过无线信道形成的网络拓扑结构随时可能发生变化,而且变化 的方式和速度都是不可预测的。 自组织无中心网络 移动自组织网络没有严格的控制中心,所有节点的地位是平等的,是一种对 等式网络。节点能够随时加入和离开网络,任何节点的故障都不会影响整个网络 的运行,具有很强的抗毁性。 多跳网络 由于移动终端的发射功率和覆盖范围有限,当终端要与覆盖范围之外的终端 进行通信时,需要利用中间节点进行转发。 2 节点定位技术 三边测量法 三角测量法 基于 TOA 的定位 基于 RSSI 的定位 时间同步技术 网络时间协议 NTP RBS 机制 3 网络安全技术 1)机密性问题 2)点到点的消息确认 3)完整性鉴别 4)新鲜性问题 5)认证组播和广播问题 6)安全管理问题 三:无线传感网的通讯协议 路由协议负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点,它主要包括两 个方面的功能:寻找源节点和目的节点间的优化路径,将数据分组沿着优化路径 正确转发

(1)路由协议 (2)交换 无线传感器树络的路由协议具有以下特点: (1)能量优先。 (2)基于局部拓扑信息。 (3)以数据为中心 (4)应用相关。 能量高效。传感器网络路由协议不仅要选择能量消耗小的消息传输路径,面 且要从整个网络的角度考虑,选择使整个网络能量均衡清耗的路由。传感器节点 的资源有限,传感器树络的路由机制要能够简单面且高效地实现信息传输。 可扩展性。在无线传感器网路中,检测区域范围或节点密度不同,造成网铬 规模大小不同;节点失败、新节点加入以及节点移动等,都会使得网铬拓扑结构 动态发生变化,这就要求路 鲁棒性。能量用尽或环境因素造成传感器节点的失败,周围环境影响无线链 路的通信质量以及无线链路本身的缺点等,这些无线传感器网络的不可常性要求 路由机制具有一定的容铅能力: 快速收敏性。传感器网络的拓扑结构动态变化,节点能量和通信带宽等资源 有限,因此要求路由机制能够快速收敛,以适应网络拓扑的动态变化,威减少通信 协议开销,提高消能量感知路由协议。由机制具有可扩展性,能够适应网络结构 的变化, 针对传感器网络路由机制的上述特点,在根据具体应用设计路由机制时,要 满足下面的传感器网路路由机制的要求: (1)能量高效。 (2)可扩展性。 (3)鲁棒性。 (4)快速收微性 能量感知路由协议:高效利用网络能量是传感器网络路由协议的一个显若特 征,期提出的一些传感器网络路由协议往往仅考忠了能量因素。为了强调高效利 用能量的重要性,在此将它们划分为能量感知路由协议。能量感知略由协议从数 据传输中的能量消耗出发,讨论最优能量消耗路径以及最长网络生存期等间题。 基于查询的路由协议,在诸如环境检测、战场评估等应用中,需要不断查询 传感深集的数据。在这类应用中,通信流量主要是查询节点和传感器节点之间的 命令和数据输,同时传感器节点的采样信息在传输路径通常要进行数据融合,通 过域少通信流量来省能量。 地理位置路由协议。在诸如目标蓝踪类应用中,往往需要唤醒距离跟踪目标 最祈传这器节点,以得到关于目标的更精确位置等相关信息。在这类应用中,通 常需要知道目节点的精确或者大致地理位置。1把节点的位置信息作为路由选择 的依据,不仅能够完成路由功能,还可以降低系统专门维护路由协议的能耗
(1)路由协议 (2)交换 无线传感器网络的路由协议具有以下特点: (1)能量优先。 (2)基于局部拓扑信息。 (3)以数据为中心。 (4)应用相关。 能量高效。传感器网络路由协议不仅要选择能量消耗小的消息传输路径,而 且要从整个网络的角度考虑,选择使整个网络能量均衡消耗的路由。传感器节点 的资源有限,传感器网络的路由机制要能够简单而且高效地实现信息传输。 可扩展性。在无线传感器网络中,检测区域范围或节点密度不同,造成网络 规模大小不同;节点失败、新节点加入以及节点移动等,都会使得网络拓扑结构 动态发生变化,这就要求路 鲁棒性。能量用尽或环境因素造成传感器节点的失败,周围环境影响无线链 路的通信质量以及无线链路本身的缺点等,这些无线传感器网络的不可靠性要求 路由机制具有一定的容错能力。 快速收敛性。传感器网络的拓扑结构动态变化,节点能量和通信带宽等资源 有限,因此要求路由机制能够快速收敛,以适应网络拓扑的动态变化,减少通信 协议开销,提高消能量感知路由协议。由机制具有可扩展性,能够适应网络结构 的变化。 针对传感器网络路由机制的上述特点,在根据具体应用设计路由机制时,要 满足下面的传感器网络路由机制的要求: (1)能量高效。 (2)可扩展性。 (3)鲁棒性。 (4)快速收敛性。 能量感知路由协议:高效利用网络能量是传感器网络路由协议的一个显著特 征,期提出的一些传感器网络路由协议往往仅考虑了能量因素。为了强调高效利 用能量的重要性,在此将它们划分为能量感知路由协议。能量感知路由协议从数 据传输中的能量消耗出发,讨论最优能量消耗路径以及最长网络生存期等问题。 基于查询的路由协议。在诸如环境检测、战场评估等应用中,需要不断查询 传感采集的数据。在这类应用中,通信流量主要是查询节点和传感器节点之间的 命令和数据输,同时传感器节点的采样信息在传输路径通常要进行数据融合,通 过减少通信流量来省能量。 地理位置路由协议。在诸如目标臨踪类应用中,往往需要唤醒距离跟踪目标 最沂传感器节点,以得到关于目标的更精确位置等相关信息。在这类应用中,通 常需要知道目节点的精确或者大致地理位置。l 把节点的位置信息作为路由选择 的依据,不仅能够完成路由功能,还可以降低系统专门维护路由协议的能耗

可靠的路由协议。无线传感器网铬的某此应用对通信的服务质量有较高受 求,靠性和实时性等,而在无线传感器网铬中,链路的稳定性维以保证,通信信 道质量比较低节省能量。 四:无线传感器的技术标准 E主8即215.4是一个低速率无线个人局城网标准。这种低速率无线个人局域 网的网络结构简单、成本低廉、具有有限的功率和灵活的谷吐量。低速率无线个 人局域网的主要目标是实现安装容易,数据传输可堂、短距离通信、极低的成本、 合理的电池寿命,并且拥有一个简单面且灵活的通信网络协议。 ZigBee的技术优势如下。 (1)低功耗。 (2)低成本, (3)低速率。 (4)近距离。 (5)短时延. (6)高容量. (7)高安全, (8)免执照频段。 五:多传感器网络的信息融合 数据融合技术是无线传感器网铬中实现节能的关键技术,通过去除冗余的数 据信息,减少网络通信量,提高能源的有效性。 数据融合具有如下4个显著特点: (1)信息的元余性 (2)信息的互补性 (3)信息处理的及时性 (4)信息处理的低成木性 根据多传感霉数据跟合模型定义方法和无线传感器网络自身特点,数据融合 可根据节点处理层次、融合前后的数据信息量、信息轴象层次的不同而刻分为不 同的形式
可靠的路由协议。无线传感器网络的某些应用对通信的服务质量有较高要 求,靠性和实时性等。而在无线传感器网络中,链路的稳定性难以保证,通信信 道质量比较低节省能量。 四:无线传感器的技术标准 IEEE802.15.4 是一个低速率无线个人局域网标准。这种低速率无线个人局域 网的网络结构简单、成本低廉、具有有限的功率和灵活的吞吐量。低速率无线个 人局域网的主要目标是实现安装容易、数据传输可靠、短距离通信、极低的成本、 合理的电池寿命,并且拥有一个简单而且灵活的通信网络协议。 ZigBee 的技术优势如下。 (1)低功耗。 (2)低成本。 (3)低速率。 (4)近距离。 (5)短时延。 (6)高容量。 (7)高安全。 (8)免执照频段。 五:多传感器网络的信息融合 数据融合技术是无线传感器网络中实现节能的关键技术,通过去除冗余的数 据信息,减少网络通信量,提高能源的有效性。 数据融合具有如下 4 个显著特点: (1)信息的冗余性 (2)信息的互补性 (3)信息处理的及时性 (4)信息处理的低成本性 根据多传感器数据融合模型定义方法和无线传感器网络自身特点,数据融合 可根据节点处理层次、融合前后的数据信息量、信息抽象层次的不同而划分为不 同的形式