无线传感器网络技术(课件07.1.1)概要.ppt

无线传感器网络技术 一、概述 1．背景 获取现场环境信息的载具就是传感器。近年来，随着无线技术、MEMS技术的发展，传感器网络技术取得了巨大的进步。无线传感器网络由于其快速展开、抗毁性强、监测精度高、覆盖区域大等特点而产生了广阔的应用前景，由此成为当前信息领域的研究热点。  2．网络结构 无线传感器网络的体系结构如图1所示，整个传感器网络由传感器节点群、网关(sink节点)、互联网及移动通信网络、远程监控中心组成。分布在被检测区域的传感器节点以自组织方式构成网络，采集数据之后以多跳中继方式将数据传回sink节点，由sink节点将收集到的数据通过互联网或移动通信网络传送到远程监控中心进行处理。在这个过程中，传感器节点既充当感知节点，又充当转发数据的路由器。整个传感器网络是一个以数据为中心的网络，网关节点融合的数据相当于来自一个分布式的数据库。 3．节点 传感器网络的基本组成单位是节点，它一般由四个模块组成：传感模块、数据处理模块、通信模块及电源，如图2所示。节点都具有传感、信号处理和无线通信功能。节点的电源模块采用只能携带有限能量的电池来实现。同时，更换节点电池的成本比重新布放节点还要高，这就决定了无线传感器在使用过程中不太可能更换电池，因而节能成为无线传感器网络设计的核心，在进行节点设计时应尽量采用寿命较长的电池及低功耗器件。 二、无线传感器网络的特点 无线传感器网络是一种综合传感器技术、计算机技术、信息处理技术和通信技术为一体的网络，其特点及与传统网络的区别如下所述。 1．特点． 无线传感器网络的主要特点是： ·以数据为中心：无线传感器网络中节点数目巨大，而且由于网络拓扑的动态特性和节点放置的随机性，节点并不需要也不可能以全局唯一的IP地址来标识，只需使用局部可以区分的标号标识。用户对所需数据的收集，是以数据为中心进行，并不依靠节点的标号。 ·资源受限：无线传感器网络中，节点计算能力和对数据的处理能力受限。此外，节点只能携带有限的电池能量，且在应用过程中不可能更换电池．因此能量也相当受限。 ·部署方式：无线传感器网络具有可快速部署的特点。节点一旦被抛撒即以自组织方式构成网络，无需任何预设的网络设施。 ·维护：在通信过程中，节点会随时因为能源耗尽而离开网络，也可能因为某种需要而随时进入网络，从而引起网络拓扑的频繁变化，影响通信质量。无线传感器网络不仅可实现自动组网．还具有网络自动配置和自动维护功能，保证了网络的通信质量o ·多跳路由：网络中节点的电池能源非常有限，因此其通信覆盖范围一般只有几十米．即每个节点都只能与其邻居节点进行通信。若需要与通信覆盖范围外的节点通信，则需要通过中间节点进行多跳路由。 2．与现有网络的区别 无线传感器网络与其他网络如移动通信网、Ad hoc网络、因特网等相比有着如下区别： ·无线传感器网络中的节点数目更为巨大，密度更高，且节点不一定具有全球唯一的地址标识： ’ ·无线传感器网络中的节点一般不进行快速移动，但节点可能会随时加入或离开。因而网络的拓扑变化很快： ·无线传感器网络大都采用点对点通信方式： ·无线传感器网络中节点的电池能量、计算能力和存储能力相当有限。 三、传感器网络中的关键技术的研究现状 无线传感器网络因为上述的特点及其与现有网络的区别，导致已有网络中的许多技术并不能直接应用到无线传感器网络中，无线传感器网络的研究领域存在着许多新的挑战。其中。通信协议(主要包括MAC层技术和路由技术)、节点设计十分关键。 1．MAC层技术 MAC层是无线传感器网络协议堆栈中的一个重要层次，它实现网络的自组织和节能。节点被随机放置后，MAC层协议实现节点间链路的建立，保证所有的节点可以公平、有效地利用有限的带宽。另外，网络的节能也由MAC层实现MAC层设计的大致可以划分为两大类： (1)固定分配类 固定分配类MAC层协议主要有频分多址接人(FDMA)、时分多址接入(TDMA)、码分多址接 入(CDMA)三种；现在的MAC协议主要有SMACS、EAR、TRAMA、TDM—FDM、DE—MAC等。 (2)基于竞争类 “竞争”的含义是，连接到信道上的节点遵循某种规则竞争信道，得到使用权的节点可以进行通信。基于竞争类的MAC层协议有Sensor—MAC(S-MAC)、Timeout—MAC(T—MAC)、WiseMAC和B—MAC等。 2．路由技术 路由发现和维护是无线传感器网络中的另一项关键技术，由网络层负责。它的主要任务是在传感器节点和sink节点( 网关 )间建立路由，可靠地传递数据。无线传感器网络中资源严重受限．因此路由协议设计的首要原则是节省能量，延长网络