传感网与无线自组织网络

Ad hoc 网络的特点(7)
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◇安全性差
☉无线链路使其容易受到链路层的攻击 ☉节点漫游时缺乏物理保护 ☉移动性使得节点之间的信任关系经常 变化
◇网络的生存时间短
与传统蜂窝移动通信网络比较
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无线自组织网络的研究热点
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传感器网络结构
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Internet、卫星或移
动通信网络等
汇聚节点 传感器节点
监测区域
任务管理中心
传感器节点结构
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• 传感器节点结构
传感器模块：负责监测区域内信息的采集和数 据转换 处理器模块：负责控制整个传感器节点的操作 ，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发 来的数据 无线通信模块：负责与其他传感器节点进行无 线通信， 交换控制消息和收发采集数据 能量供应模块：传感器节点提供运行所需的能 量，通常采用微型电池
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Ad Hoc网络的定义
由一组带有无线通信收发装置的(移动)终端 节点组成的一个多跳临时性自治系统 每个(移动)终端同时具有路由器和主机两种 功能：作为主机，终端需要运行面向用户的 应用程序；作为路由器，终端需要运行相应 的路由协议 节点间路由通常由多跳(Hop)组成 不需要网络基础设施，可以在任何地方、任 何地点快速构建
传感器节点结构
• 传感器节点结构
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WSN的特征
• • • • • • •
硬件资源有限 电源容量有限 无中心 自组织 多跳路由 动态拓扑 节点数量众多，分布密集
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传感网与无线自组织网络
WSN Ad hoc network
袁莎莎 张峰
传感网
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无线传感器网络的定义 无线传感器网络的结构 传感器节点结构 无线传感网的应用
无线传感器网络
• 不需要网络通信基础设施支持
• 不依赖基站进行通信
• 分组交换机制
• 数据通信业务为主 • 拓扑结构动态变化
与传统固定网络比较
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• 固定网络中主机位置基本不变
• 固定网络结构一般比较复杂
• ad hoc网络规模相对较小
• ad hoc网络的拓扑结构比较简单 • ad hoc网络拓扑结构快速变化
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ad-hoc的应用
2.救灾 在灾难中通信基 站设备往往都被 破坏。传统的通 信手段往往无法 使用。但是靠adhoc却能很快地建 立通信。
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Ad hoc的应用
其他一些需 要临时建立 网络的场合 。如临时会 议，家庭组 网等
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Ad hoc 网络的特点(5)
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◇有限的无线传输带宽
☉无线信道能提供的网络带宽比有线信道要 低很多 ☉竞争共享无线信道产生的碰撞 ☉信号衰落、噪声干扰以及信道之间干扰等
◇存在单向的无线信道
WSN的特征
无线传感器网络是一个典型的分布式系 统，正是由于其以上特点，使得无线传 感器网络的设计过程中要尽量的使用分 布式算法，并且对于一个分布式系统需 要考虑的问题，比如容错、安全、可靠 通信等都需要考虑。
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WSN的应用
• • • • • •
不想使用网络设施
自 组 织 网 络
网络基础设施范围外
无线自组织网络
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“Ad Hoc”一词来源于拉丁语，意思是：”专 用的、特定的” Ad-Hoc网络是一种没有有线基础设施支持 的移动网络，网络中的节点均由移动主机 构成。只要通信设备彼此在对方的通信覆 盖范围之内， Ad-Hoc网络就能建立起来， 而且网络中的所有通信设备既是接收器又 是发射器，即相当于基站。只要有设备， 信息就能一直传下去。
◇1972年开始分组无线网(PRNET)
☉战场环境下的数据通信
◇1983年的抗毁自适应网络(SURAN)
☉支持大规模网络 ☉适应战场快速变化环境需要的自适应网络协议
◇1994年的全球移动信息系统(GloMo)
☉满足军事应用需要、可快速展开、高抗毁性的 移动信息系统
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移动无线网络
1.对有线网络通信基础设施的 依赖性大。 2.运行成本高。 3.低抗毁性 4.网络建立需要的时间长
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自组织网络的应用需求
无网络基础设施可用
• 临时会议/紧急情况 • 科学考察/探险/军事战 场 • 接入网络服务商所需的 时间和成本 • 现有服务和架构的性能 或者能力 • 远离网络基础设施而希 望保持与网络的连接
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Ad Hoc网络的起源
移动自组网的前身是分组无线PRNET
美国国防部高级研究计划署
DARPA (Defense Advanced Research Project Agency)
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信息与控制学院仪器系
无线自组织网络
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无线自组织网的提出 无线自组织网的定义 无线自组织网的起源 无线自组织网的特点 无线自组织网与传统网络的比较 无线自组织网的应用 无线自组织网研究热点 无线自组织网国内网研究现状
传感器网络结构
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• 传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节 点和管理节点。 大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附 近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节 点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行 传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点 处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过 互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节 点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任 务以及收集监测数据。
☉终端之间的路由通常通过多个中间节点的 转发来完成
Ad hoc 网络的特点(2)
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◇网络拓扑动态变化
☉用户终端随意移动 ☉节点的开机/关机 ☉无线电发送功率变化 ☉无线信道间互相干扰 ☉地形等综合因素影响
移动终端之间通 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。
Ad hoc 网络的特点(3)
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◇无中心的自组性网络
☉无控制中心 ☉每个节点地位平等 ☉节点可以随时加入/离开网络 ☉任何节点故障不会影响整个网络 ☉具有更强鲁棒性和抗毁性
Ad hoc 网络的特点(4)
◇多跳组网方式
☉接收端和发送端可使用比两者直接通信小 得多的功率进行通信，因此大大节约电池 能量的消耗 ☉中间节点参与分组转发，能有效降低对无 线传输设备的设计难度和成本，同时扩大 了自组网络的覆盖范围
军事 环境观测和预报系统 医疗护理 智能家居 建筑物状态监控 其他
WSN的应用
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地震监测Βιβλιοθήκη 生活习性监测战场评估医疗状况监控
传感器网络
精细农业 深海监控
目标跟踪和检测
森林火灾监控
小区安全监控
WSN的应用
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得知病人病情后， 医生将通知值勤护 士或者急救人员前 往病房救助。
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信息与控制学院仪器系
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精细农业
种植
智能家居
厂房设备及
医院病房 电子巡检
环境监控
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信息与控制学院仪器系
无线传感器网络应用举例—精细农业种植
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大棚基地
备注：
传感器节点 农田 无线信道
大棚基地
仓库 仓库
大棚基地
大棚基地
大棚基地
公司总服务器
大棚基地
大棚基地
农场监控端 Internet
大棚基地
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信息与控制学院仪器系
无线传感器网络应用举例—精细农业种植
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农场监控中心实时监控农 场信息，耕作者及时了解 农场温度、光照度、土壤 酸碱度等，以便对农作物 的生长情况进行控制。
Ad hoc 网络的特点(1)
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◇具备移动通信网络和计算机网络的特点
☉移动通信和计算机网络相结合 ☉报文交换采用分组交换机制 ☉用户终端是配有无线收发设备的移动便携 式终端
• 作为主机要运行面向用户的应用程序 • 作为路由器要运行相应的路由协议
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• 无 线 传 感 器 网 络 （ wireless sensor network,WSN） 是由部署在监测区域内大 量微型传感器节点组成，通过无线通信方 式形成的一个多跳的自组织的网络系统， 其目的是协作地感知、采集和处理网络覆 盖区域中感知对象的信息，并发送给观察 者。传感器、感知对象和观察者构成了传 感器网络的三个要素。
◇无线终端发射功率的不同以及地形环境的 影响
Ad hoc 网络的特点(6)
◇移动终端的自主性
☉自组网络的移动终端之间存在某种协同工作 关系 ☉每个终端都将承担为其它终端进行分组转发 的义务
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◇网络的可扩展性不强
◇节点之间的相互干扰造成网络容量下降 ◇各节点吞吐量随网络节点总数的增加而下降
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信息与控制学院仪器系
无线传感器网络应用举例—医院病房电子巡检
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病房外的医生 携带PDA等通 讯设施。
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信息与控制学院仪器系
无线传感器网络应用举例—医院病房电子巡检
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精细农业 种植
智能家居
厂房设备及 环境监控
医院病房 电子巡检
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无线传感器网络应用举例—医院病房电子巡检
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无线传感器网络应用举例—医院病房电子巡检
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在病人身上安装带 有射频标签的微型 无线传感器，动态 感知病人信息。
• 1991年IEEE 802.11首次提出“Ad Hoc网络” – 自组织、对等式、多跳无线移动通信网络 • 1997年IETF成立MANET工作组 – 基于IP的无线多跳网络路由 • 2003年IRTF成立ANS研究组 • 其它研究机构
Ad Hoc：For the specific purpose only MANET：Mobile Ad-hoc Networks ANS：Ad Hoc Networks Scalability
Ad-hoc的应用
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1.战争
在战争中，通信系统很容易 受到敌方的攻击，战场很难 保证有可靠的有线通信设施 ，因此，通过通信节点自己 组合，组成一个通信系统是 非常有必要的。此外，机动 性是部队战斗力的重要部分 ，这要求通信系统能够根据 战事需求快速组建和拆除。