第3章WSN拓扑结构、覆盖技术

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无线传感器网络(WSN)

无线传感器网络(WSN)

二、软件结构
无线传感器网络中间件和平台软件构成无线传 感器网络业务应用的公共基础,提供了高度的 灵活性、模块性和可移植性。无线传感器网络 中间件和平台软件在无线传感器网络软件系统 架构中的位置如图5.2 所示。
二、软件结构
图5.2 无线传感器网络软件体系结构
二、软件结构
无线传感器网络应用支撑层、无线传感器网络 基础设施和基于无线传感器网络应用业务层的 一部分共性功能以及管理、信息安全等部分组 成了无线传感器网络中间件和平台软件。 无线传感器网络中间件和平台软件采用层次化 、模块化的体系结构,使其更加适应无线传感 器网络应用系统的要求,并用自身的复杂换取 应用开发的简单。
学习任务
5.1 无线传感器网络概述 5.2 无线传感器网络的系统结构 5.3 无线传感器网络的应用 5.4 无线传感器网络的研究方向
5.1 无线传感器网络概述
一、WSN对物联网的支撑作用 无线传感器网络技术是传统传感技术和 网络通讯技术的融合,通过将无线网络 节点附加采集各种物理量的传感器而成 为兼有感知能力和通讯能力的智能节点, 是物联网的核心支撑技术之一。 是物联网网络感知层和传输网络层的主 要实现技术。
图5.6 无线传感器网络Mesh网络结构
④ Mesh网络结构
特点: 网络对于单点或单个链路故障具有较 强的容错能力和鲁棒性。Mesh网络结构最 大的优点就是尽管所有节点都是对等的地 位,且具有相同的计算和通信传输功能。
五、协议结构
通信协议层可以划分为物理层、链路层、网络 层、传输层和应用层五层,而网络管理面则可 以划分为能耗管理面、移动性管理面以及任务 管理面。如图5.8(a)所示。
图5.4 无线传感器分级网络结构
② 分级网络结构

无线传感器网络中的网络拓扑结构分析与仿真

无线传感器网络中的网络拓扑结构分析与仿真

无线传感器网络中的网络拓扑结构分析与仿真无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,简称WSN)是由大量分布式无线传感器节点组成的自组织网络。

这些传感器节点可以感知环境中的各种物理量,并将采集到的数据通过网络传输到基站节点。

在WSN中,网络拓扑结构的设计和优化对于网络的性能具有重要影响。

本文将对WSN中的网络拓扑结构进行分析与仿真,并探讨其在不同应用场景下的优劣势。

一、星型拓扑结构星型拓扑结构是最简单直观的一种网络结构,所有传感器节点都直接连接到一个中心节点。

这种结构具有较低的延迟和能耗,易于部署和维护。

然而,由于所有数据都需要通过中心节点传输,当网络规模较大时,中心节点可能成为瓶颈,导致网络拥塞和性能下降。

为了解决星型拓扑结构的缺点,研究人员提出了一种改进的星型拓扑结构,称为多中心星型拓扑结构。

在多中心星型拓扑结构中,网络被划分为多个区域,每个区域都有一个中心节点。

传感器节点只与所在区域的中心节点直接通信,而中心节点之间通过无线链路进行通信。

这种结构能够提高网络的可扩展性和容错性,但会增加网络的能耗和部署复杂度。

二、树型拓扑结构树型拓扑结构是一种层次化的结构,其中一个节点作为根节点,其他节点通过无线链路连接到根节点或其他节点。

树型拓扑结构具有较低的能耗和延迟,能够有效减少数据传输的冗余。

此外,树型结构还具有较好的容错性,当某个节点故障时,只会影响到其子节点,而不会对整个网络产生影响。

然而,树型拓扑结构也存在一些问题。

首先,当根节点故障时,整个网络将无法正常工作。

其次,树型结构对网络规模有一定限制,当网络规模较大时,树的深度会增加,导致延迟增加和能耗增加。

此外,树型结构中的某些节点可能会成为瓶颈,限制了数据的传输速率。

三、网状拓扑结构网状拓扑结构是一种多跳通信的结构,其中每个节点都可以与其他节点直接通信。

这种结构具有较好的容错性和可扩展性,能够适应复杂环境和大规模网络的需求。

WSN拓扑控制与覆盖技术

WSN拓扑控制与覆盖技术

3.1.3 混合网络结构
如图3-3是混合网络结构: 特点是: 1,网络骨干节点之间及一般传感器节点之间都采用平面网络结构; 2,网络骨干节点和一般传感器节点之间采用分级网络结构。
3.1.4
Mesh网络结构
从结构来看,Mesh网络是规则分布的网络。其特点是: (1)通常只允许和节点最近的邻居通信, 般都是相同 如图2-5所示,网络内部的节点一
第3章WSN 拓扑控制与覆盖技术
◆掌握WSN拓扑结构的分类 ◆了解WSN拓扑控制 ◆了解WSN功率控制 ◆掌握层次性拓扑结构控制方法 ◆了解启发机制 ◆了解覆盖理论基础 ◆了解传感器网络的覆盖控制
3.1
网络拓扑结构
无线传感器网络的网络拓扑结构是组织无线传感器节点的组网技术, 有多种形态和组网方式。 按照其组网形态和方式分,有集中式、分布式和混合式。 无线传感器网络的集中式结构类似移动通信的蜂窝结构,集中管 理; 无线传感器网络的分布式结构,类似Ad Hoc网络结构,可自组织 网络接入连接,分布管理; 无线传感器网络的混合式结构包括集中式和分布式结构的组合。 按照节点功能及结构层次分,无线传感器网络通常可分为平面网 络结构、分级网络结构、混合网络结构,以及Mesh网络结构



3.5启发机制
(2)Mesh网络也称为对等网。 (3)Mesh网络结构最大的优点:是尽管所有节点都是对等的地位,且具有相同的 计算和通信传输功能。
3.1.4
Mesh网络结构
从技术上来看,基于Mesh网络结构的无线传感器具有以下特点。 (1)由无线节点构成网络:这种类型的网络节点是由一个传感器或执行器构成且
连接到一个双向无线收发器上;
(2)节点按照Mesh拓扑结构部署,网内每个节点至少可以和一个其它节点通信; (3)支持多跳路由: (4)功耗限制和移动性取决于节点类型及应用的特点。 (5)存在多种网络接入方式,可以通过星型、 Mesh等节点方式和其它网络集成。

第4次课WSN覆盖技术..

第4次课WSN覆盖技术..

3.5启发机制
• 在传感器网络的拓扑控制算法中,除了传统的功率控制和层次型拓扑控制两个方面 之外,也提出了启发式的节点唤醒和休眠机制。该机制能够使节点在没有事件发生 时设置通信模块为睡眠状态,而在有事件发生时及时自动醒来并唤醒邻居节点,形 成数据转发的拓扑结构。 1. STEM算法 STEM(sparse Topology and Energy Management)算法是一种低占空比的节点唤醒机制。 该算法采用双信道,即监听信道和数据通信信道。具体地讲,STEM算法又分为 STEM-B(STEM-BEACON)算法和STEM-T(STEM-TONE)算法。 在STEM-B算法中,当一个节点想给另外一个节点发送数据时,它作为主动节点先 发送一串唤醒包。目标节点在收到唤醒包后,发送应答信号并自动进入数据接收状 态。主动节点接收到应答信号后,进入数据发送阶段。 在STEM-T算法中,节点周期性地进入侦听阶段,探测是否有邻居节点要发送数据; 当一个节点想与某个邻居节点进行通信时,它就发送一连串的唤醒包,发送唤醒包 的时间长度必须大于侦听的时间间隔,可以确保邻居节点能够收到唤醒包,紧接着 节点就直接发送数据包。所以STEM-T比STEM-B更简单实用。 STEM算法适用于类似环境监测或者突发事件监测等应用,经实验证明,节点唤醒 速度可以满足应用的需要。但是在STEM算法中,节点的睡眠周期、部署密度以及 网络的传输延迟之间有着密切的关系,要针对具体的应用要求进行调整。
3.6 覆盖
3.6.1覆盖理论基础
覆盖问题是无线传感器网络配置首先面临的基本问题,因为传感器节 点可能任意分布在配置区域,它反映了一个无线传感器网络某区域被监测和
跟踪的状况。
在现有的研究成果当中,很多都是致力于解决传感器网络的部署和监 测及覆盖与连接的关系等方面问题。另外,也有一些研究致力于特定的应用 需求,但其核心思想都是与覆盖问题有关的。

无线传感器网络(WSN)综述

无线传感器网络(WSN)综述
历史以及发展现状(续)
之所以国内外都投入巨资研究机构纷纷开展无线传感器网络的研究,很大程度归功于其广阔的应用前景和对社会生活的巨大影响。
WSN的体系结构
传感器网络结构
数据采集、处理、通信能力
WSN的体系结构(续)
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ传感器节点结构
MAC主要负责控制与连接物理层的物理介质
传感器网络由物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层、能量管理平面、移动性管理平面和任务管理平面八个部分组成。
清除发送阶段
WSN的协议(续)
路由协议 和传统的路由协议相比,无线传感器的路由协议有以下特点: 能量优先 基于局部拓扑信息 以数据为中心 应用相关
WSN的协议(续)
基于查询的路由协议。
路由协议分类
能量感知路由协议。
地理位置的路由协议。
可靠的路由协议。
关键技术
网络拓扑控制
01
网络协议
02
网络安全
无线传感器网络(WSN)综述
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2010/5/6
主要内容:
CONTENTS
WSN概述
历史以及发展现状
WSN的体系结构
01
WSN的特征
WSN的应用
WSN的协议
02
03
04
05
06
WSN概述
无线传感器网络(wireless sensor network, 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。
WSN的应用(续)
WSN的应用(续)
智能家居
家电和家具中嵌入传感器节点,通过无线网络与Internet连在一起。为人提供人性化的家居环境。 例:Avaak 提供一个只有1立方英寸大小的自治产品。这个微型的无线视频平台包含有一节电池、无线电、摄像相机、(彩色成像器加镜头)、控制器、天线和温度传感器。(如图 )

第4次课WSN覆盖技术剖析

第4次课WSN覆盖技术剖析
所谓的非确定性是指,可用一定数量的运算去解决多项式时间内可解决的问题。NP 问题通俗来说是其解的正确性能够被“很容易检查”的问题,这里“很容易检查”指 的是存在一个多项式检查算法。相应的,若NP中所有问题到某一个问题是图灵可盖理论基础
另外一个与无线传感器网络覆盖相关的几何问题是圆覆盖问题,即在 一个平面上最多需要排列多少个相同大小的圆,才使其能够完全覆盖 整个平面。换个角度说,也就是给定了圆的数目,如何使得圆的半径 最小。A.Heppes和J.B.M.Melissen实现了矩形平面的圆最优 覆盖问题,分为最多用5个圆和7个圆来完成覆盖两种情况。如图2-8所 示给出了一个7个圆最优覆盖的一个例子。
第4次课 WSN 覆盖技术
◆了解启发机制 ◆了解覆盖理论基础 ◆了解传感器网络的覆盖控制
2. GAT算法
• GAT算法是一种依据节点的地理位置进行分簇,并对簇内的节点选择 性的进行休眠的路由算法。其核心思想是:在各数据源到数据目的地 之问存在有效通路的前提下,尽量减少参与数据传输的节点数,从而 减少用于数据包侦听和接收的能量开销。它将无线传感器网络划分成 若干个单元格(簇),各单元格内任意一个节点都可以被选为代表,代 替本单元格内所有其他节点完成数据包向相邻单元格的转发。被选中 的节点成为本单元格的簇头节点;其他节点都进行休眠,不发送、接 收和侦听数据包。 • GAT算法通常分为虚拟单元格的划分和虚拟单元格中簇头节点的选择 两个阶段。 • (1)虚拟单元格的划分。 • (2)虚拟单元格中的簇头节点的选择。(P75详解)
3600
3.6.1覆盖理论基础
问题优化要实现的目标就是所需相机的数目应该最小化,在这个问 题当中,艺术馆通常建模成一个二维平面的简单多边形。一个简单的解
决办法就是将多边形分成不重叠的三角形,每个三角形里面放置一个相

无线传感器网络

无线传感器网络

• 根据定位过程中实际测量节点间的距离和角度与否
通过测量节点间点到点的距离 或角度等信息进行位置估计; 基于测距的定位
无须测距技术的定位
无须距离和角度信息,仅根据 网络连通性等信息即可实现。
测距方法
• 基于距离的节点定位算法定位精度相对较高,但由于要实 际测量节点间的距离或角度,所以通常硬件要求也较高。 典型的距离测量技术包含利用 RSSI 测距、利用 TOA 或 TDOA 测距和利用 AOA 测距
• 第五,无线传感器网络具备有很强容错能力 • 第六,由于无线传感器网络节点的体积和所携带 能量有限的限制,这些限制决定了传感器节点只 能具备有限的计算和存储能力还有相对距离较短 的通信能力 • 第七,无线传感器网络节点无中心,无线传感器 网络中的传感器节点无严格的控制中心所有的节 点都是地位平等,加入和离开节点都是随意的没 有严格的限制条件
拓扑控制的研究方向
• WSN中拓扑控制可以分为两个研究方向:功率控制和层次 拓扑结构控制。 • 功率控制机制调整网络中每个节点的发射功率,保证网络 连通,在均衡节点中直接邻居数目(单跳可达邻居数目)的 同时,降低节点之间的通信干扰。 • 层次拓扑控制是利用分簇思想,使网络中的部分节点处于 激活状态,成为簇头节点。由这些簇头节点构建一个连通 的网络来处理和传输网络中的数据,并定期或不定期地重 新选择簇头节点,以均衡网络中节点的能量消耗。
传感器节点的限制
• 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
传感器节点的限制 • 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

掌握无线传感器网络的组网和数据处理

掌握无线传感器网络的组网和数据处理

掌握无线传感器网络的组网和数据处理无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)是一种由大量分布在空间中的传感器节点组成的网络系统,广泛应用于环境监测、农业、物流、智能交通等领域。

要想充分发挥无线传感器网络的作用,掌握组网和数据处理是至关重要的。

本文将详细介绍无线传感器网络的组网和数据处理的步骤和技术。

一、无线传感器网络的组网步骤:1. 确定网络拓扑结构:根据实际应用需求和场景特点,确定无线传感器网络的拓扑结构,如星型、网状、树状等。

其中,星型结构适用于中心控制的应用,网状结构适用于分散式控制的应用,而树状结构适用于级联传输的应用。

2. 节点选择与部署:根据实际应用需求,选择合适的传感器节点,并合理地部署在监测区域内。

节点的部署需要考虑到节点之间的通信距离、覆盖范围、电源供应等因素,以保证整个网络的覆盖效果和可靠性。

3. 网络连接与设置:通过适当的网络连接方式(如无线、有线等),将传感器节点连接到网络主节点或网关节点上。

在网络设置方面,需要为传感器节点分配合适的网络地址,并配置节点之间的通信协议,确保数据的可靠传输。

4. 网络通信协议的选择与配置:根据实际应用需求和拓扑结构,选择适用的网络通信协议,如IEEE 802.15.4、ZigBee等。

然后,根据协议的要求进行节点的配置,包括节点的数据传输速率、射频功率、射频通道等参数的设置。

5. 网络性能测试与调优:在完成网络搭建后,需要进行性能测试与调优,包括信号强度测试、传输距离测试、网络拓扑可靠性测试等。

通过测试结果,及时调整节点的位置、参数设置等,以提高网络的性能和可靠性。

二、无线传感器网络的数据处理步骤:1. 传感器数据采集:无线传感器网络通过传感器节点实时采集环境中的各种数据,如温度、湿度、光照等。

传感器节点将采集到的数据转化为数字信号,并通过网络传输到数据处理节点。

2. 数据预处理:在接收到传感器数据后,首先进行数据预处理,包括数据去噪、数据插补、数据滤波等操作。

无线传感器网络中的拓扑控制技术综述

无线传感器网络中的拓扑控制技术综述

无线传感器网络中的拓扑控制技术综述无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)是一种由大量分布式传感器节点组成的自组织网络,用于环境监测、数据采集和信息传输等任务。

在传感器节点中,拓扑结构的设计与控制技术是实现高效的数据传输和优化网络性能的重要方面。

本文将对无线传感器网络中的拓扑控制技术进行综述,包括拓扑结构的构建、维护和优化等方面的研究进展和方法。

一、拓扑结构的构建在无线传感器网络中,拓扑结构的构建是指将传感器节点连接起来形成一定的网络结构。

常用的拓扑结构包括星型、树型和网状结构。

星型结构是最简单的拓扑结构,所有的传感器节点都连接到一个中心节点。

树型结构是由多个星型结构组成的层次结构,中心节点连接到更多的子节点,形成树状拓扑结构。

网状结构是一种复杂的拓扑结构,传感器节点之间通过多跳的方式相互连接,形成一个相对自由的网络结构。

在构建拓扑结构时,一项重要的任务是选择合适的节点位置和连接方式。

节点位置的选择可以通过一些拓扑发现算法来实现,例如最大覆盖和最小重叠等算法。

连接方式的选择可以通过优化算法来实现,例如最短路径和最小生成树等算法。

此外,还可以利用地理信息系统(Geographical Information System, GIS)来辅助拓扑结构的构建,以提高网络的稳定性和传输效率。

二、拓扑结构的维护在无线传感器网络中,拓扑结构的维护是指在网络运行过程中对拓扑结构进行调整和修复,以应对节点故障、网络拓扑变化和通信质量等问题。

拓扑结构的维护包括节点位置的更新、链路状态的监测和动态路由的更新等方面。

对于节点位置的更新,可以通过节点定位算法和节点移动检测算法来实现。

节点定位算法利用传感器节点的距离、角度或信号强度等信息来确定节点的位置。

节点移动检测算法通过监测节点之间的距离变化和信号强度变化来检测节点的移动,并及时更新节点位置信息。

链路状态的监测是指对网络中的链路质量进行动态监测和评估。

《传感网技术及应用》最新课程标准

《传感网技术及应用》最新课程标准
了解蓝牙(Bluetooth);了解WIFI技术;了解 UWB容;了解红外线数据传输技术(IrDA);了解各种短距离无线通信技术特点。
7. 无线传感网络接入技术:理解接入WSN的方式;掌握无以太网接入WSN;理解无线局域接入WSN
理解移动通信网接入WSN;理解WSN接入体系结构;理解传感器网络接入Internet方法;理解WSN接入网关设计;I理解Internet WSN数据包转换;理解WSN Internet数据包转换;理解数据包转换表生;理解服务提供网络中间;理解网关接入外部基础设施网络的实现。
1、通过应用案例的设计,培养学生的自主学习能力。
2、通过代码编写与调试,培养学生的兴趣与严谨的学习态度。
3、通过项目协作,培养学生的合作意识与沟通能力。
课程目标:
主要介绍无线传感器网络的基本概念、无线传感器网络开发环境、无线传感器网络拓扑控制与覆盖技术、无线传感器网络通信与组网技术、无线传感器网络支撑技术、无线传感器网络协议的技术标准、无线传感器网络安全技术,无线传感器网络接入技术、无线传感器网络的应用、无线传感器网络与物联网等。
8.无线传感网络应用:掌握路面参数监测传感器选择;了解道路车流量监测的传感器;掌握交通参数监测技术;了解交通参数监测的实施方案。
9. 无线传感网络与物联网:了解物联网关键技术;了解RFID的定义;了解 RFID技术;了解RFID和WSN整合;了解RFID标签与传感器的整合;了解RFID标签与传感节点的整合;了解RFID和传感器的整合;了解RFID标签与传感节点的整合;了解物联网环境下的WSN。
了解无线传感器网络应用 了解传感器网络的研究历史。
2. 无线传感网络技术开发环境:掌握WSN平台硬件设计;理解WSN的操作系统;了解现代WSN典型实验平台;掌握ZigBee硬件平台。

计算机网络技术基础拓扑结构课件PPT

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2.总线型: 采用单根传输线作为传输介质。总线两端 在此处键入公式。加终接器。
一人发送时,其余人不能发。 优点:结构简单、扩展在容此易处键、入公可式。靠性高 缺点:故障诊断难,故障隔离难(传输介质)、 实时性不高(易冲突) 传输介质:同轴电缆(粗缆AUI、细缆BNC) 数据交换方式:广播方式
3.环型: 数据在一个方向上围绕着环进行,回到原点时终止 (单方向接力传输方式)
服务器
工作站
工作站
终接器
结构简单,便于 扩充;
双向传输,可靠Байду номын сангаас性较差
终接器
工作站
工作站
第三章 计算机网络技术基础
总线型拓扑结构的优点: (1)总线结构所需的电缆数量少;易于维护和布线 (2)总线结构简单,是无源工作,有较高可靠性; (3)易于扩充,增加或减少用户比较方便。
(4)费用开支少,便于广播式工作。
传输介质:在网络中传输信息的载体
网络拓扑结构的分类
星型拓扑结构

总线型拓扑结构

机 网
环型拓扑结构


树型拓扑结构



网状型拓扑结构
混合型拓扑
“星-环”式混合型拓扑 “星-总”式混合型拓扑
1.星型: 以中心节点为中心,又称集中式网络 优点:结构简单、建网容易 缺点:拓展困难,依赖于中心节点(全网可靠性 的瓶颈) 连接:使用集线器或交换机 传输介质:双绞线 数据交换方式: ·通过中心节点转发,采用电路交换和报文交换 ·广播方式(用集线器):物理上星型,逻辑上 总线型
局域网中常用的拓扑结构:星型、总线型、环型 独享链路:星型 共享链路:总线型、环型
拓扑结构 星型

无线传感器网络的网络拓扑控制技巧

无线传感器网络的网络拓扑控制技巧

无线传感器网络的网络拓扑控制技巧无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)是一种由大量分布式传感节点组成的网络系统,可以用于监测和采集环境信息。

在WSN中,节点之间的网络拓扑结构对于网络的性能和稳定性至关重要。

本文将介绍一些网络拓扑控制技巧,包括节点部署、链路调整和拓扑优化等方面的内容。

一、节点部署节点部署是构建无线传感器网络的基础步骤。

正确的节点部署可以提高网络的覆盖范围和传感性能。

在节点部署过程中,需要考虑以下几个方面:1.1 节点密度节点密度是指单位面积或者体积内节点的数量。

合理的节点密度能够平衡网络资源的使用和能耗。

在节点密度较高的区域,可以提高网络的覆盖范围和精度,但同时也会增加节点之间的干扰和冲突。

而在节点密度较低的区域,可以降低能耗,但可能导致网络覆盖范围不足。

因此,在节点部署时需要根据具体应用场景平衡节点密度。

1.2 节点分布节点分布的均匀性对网络的覆盖范围和性能有重要影响。

过于密集或者不均匀的节点分布会导致冗余覆盖或者盲区出现,影响网络的稳定性和可靠性。

因此,在节点部署时,需要根据具体的环境和要求,合理选择节点的位置,实现节点分布的均匀性。

二、链路调整链路调整是指根据网络拓扑结构优化网络链路的建立和维护方式,以提高网络的性能和可靠性。

在WSN中,链路调整主要涉及到以下几个方面:2.1 功率控制通过调整节点的发射功率可以改变节点之间的通信范围和链路质量。

较远距离的节点可以降低功率,以减少能耗和减小干扰。

而在距离较近的节点之间,可以适当增大功率,以提高链路质量和传输性能。

2.2 频谱分配在WSN中,频谱是有限的资源,多个节点之间的频谱分配会相互干扰。

因此,合理的频谱分配可以提高网络的吞吐量和抗干扰能力。

采用动态频谱分配的方法可以根据网络状态和需求进行频谱资源的优化分配。

三、拓扑优化拓扑优化是指通过调整网络节点之间的连接关系,优化网络的拓扑结构,以提高网络的性能和效率。

第二章 WSN的覆盖和拓扑结构.

第二章 WSN的覆盖和拓扑结构.

MESH与完全连接相比优势?
1.在添加节点时,路由的负担
2.覆盖范围
2.2 无线传感器网络的覆盖问题研究
2.2 无线传感器网络覆盖
覆盖问题是无线传感器网络配置首先面临的基本问题,
因为传感器结点可能任意分布在配置区域,它反映了
一个无线传感器网络某区域被监测和跟踪的状况。 这节主要介绍二个内容: 1.无线传感器网络覆盖理论基础---掌握基本知识 2.无线传感器网络覆盖的计算 ---自学,了解
能力。Mesh结构最大优点是所有结点地位对等,具有
相同的计算和通信功能,当某结点指定为簇首结点, 可执行额外功能。一旦簇首结点失效,另外一个结点 可立刻补充并接管原簇首那些额外执行的功能。
分级网络结构技术的Mesh网络结构
Mesh网络结构特点
从技术角度,基于Mesh网络结构的WSN具有以下 特点: 1)由无线结点构成网络; 2)结点按照Mesh拓扑结构部署,有更好的连接 性; 3)支持多跳路由; 4)功耗限制和移动性取决于结点类型及应用的 特点 5)存在多种网络接入方式
无线传感器网络覆盖理论基础
着重讨论与WSN覆盖相关的两个计算几何问 题:
一.艺术馆问题
二.圆覆盖问题
艺术馆问题
1.问题的提出 设想艺术馆的业主想在馆内放置视频监测摄 像头,以便能够监测艺术馆。
2.如何解决问题
首先就是到底需要多少个摄像头;其次,这
些摄像头应当放置在哪些地方才能保证馆内每个
点至少被一个摄像头监视到。
第2 章无线传感器网络源自构、覆盖与连接本章知识点无线传感器网络拓扑结构-----重点
无线传感器网络覆盖问题 第2章 -----相对重点
无线传感器网络连接可靠性问题-----自学

物联网技术--WSN技术

物联网技术--WSN技术

◆7.数据管理 ◆8.无线通信技术 ◆9.嵌入式操作系统 ◆10.应用技术
5.WSN的应用现状
随着计算成本的下降以及微处理器体积越来越小,已 经为数不少的无线传感器网络开始投入使用。目前无 线传感器网络的应用主要集中在以下领域:
◆1. 环境的监测和保护
随着人们对于环境问题的关注程度越来越高,需要采集 的环境数据也越来越多,无线传感器网络的出现为随机 性的研究数据获取提供了便利,并且还可以避免传统数 据收集方式给环境带来的侵入式破坏。无线传感器网络 还可以跟踪候鸟和昆虫的迁移,研究环境变化对农作物 的影响,监测海洋、大气和土壤的成分等。此外,它也 可以应用在精细农业中,来监测农作物中的害虫、土壤 的酸碱度和施肥状况等。
3.WSN的网络体系结构:
◆网络结构
结构入上图所示,传感器网络系统通常包括传感器节点 (sensor node),汇聚节点(sink node),和管理节点。大量传 感器节点随机的部署在检测区域内部或附近,能够通过自组织方 式构成网络。传感其节点检测的数据沿着其它节点逐跳的进行传 输,其传输过程可能经过多个节点处理,经过多跳后到达汇集节 点,最后通过互联网和卫星达到管理节点,用户通过管理节点对 传感器网络进行配置和管理,发布检测任务以及收集检测数据。
◆4其他用途
无线传感器网络还被应用于其他一些领域。比如 一些危险的工业环境如井矿、核电厂等,工作人员可 以通过它来实施安全监测。也可以用在交通领域作为 车辆监控的有力工具。此外和还可以在工业自动化生 产线等诸多领域,英特尔正在对工厂中的一个无线网 络进行测试,该网络由40台机器上的210个传感器组 成,这样组成的监控系统将可以大大改善工厂的运作 条件。它可以大幅降低检查设备的成本,同时由于可 以提前发现问题,因此将能够缩短停机时间,提高效 率,并延长设备的使用时间。尽管无线传感器技术目 前仍处于初步应用阶段,但已经展示出了非凡的应用 价值,相信随着相关技术的发展和推进,一定会得到 更大的应用。

第二章 WSN的覆盖和拓扑结构.

第二章 WSN的覆盖和拓扑结构.

MESH与完全连接相比优势?
1.在添加节点时,路由的负担
2.覆盖范围
2.2 无线传感器网络的覆盖问题研究
2.2 无线传感器网络覆盖
覆盖问题是无线传感器网络配置首先面临的基本问题,
因为传感器结点可能任意分布在配置区域,它反映了
一个无线传感器网络某区域被监测和跟踪的状况。 这节主要介绍二个内容: 1.无线传感器网络覆盖理论基础---掌握基本知识 2.无线传感器网络覆盖的计算 ---自学,了解
用7个圆实现最优覆盖的样例
无线传感器网络覆盖理论基础
计算几何研究的结果对理解传感器网络覆盖问题提供了一个理 论背景,但不能直接应用于无线传感器网络。主要原因是: 1.摄像头可以看到无穷远处,除非有障碍物。而传感器结点存 在传输覆盖范围。 2.无线传感器网络的拓扑可能随时变化,必须通过分布式方式 来完成。而大多数几何问题都是通过集中式来解决的。 在无线传感器网络应用中,放置或配置传感器结点有“确定性 配置”和“随机配置”两种方式: 1.确定性配置:定点部署和配置传感器结点 2.随机配置:用于不能定点部署,只能用“空投撒播”等方式 无论采用哪种方式,都希望部署的传感器集合能够彼此通信, 或间接通过多跳方式通信。
能力。Mesh结构最大优点是所有结点地位对等,具有
相同的计算和通信功能,当某结点指定为簇首结点, 可执行额外功能。一旦簇首结点失效,另外一个结点 可立刻补充并接管原簇首那些额外执行的功能。
分级网络结构技术的Mesh网络结构
Mesh网络结构特点
从技术角度,基于Mesh网络结构的WSN具有以下 特点: 1)由无线结点构成网络; 2)结点按照Mesh拓扑结构部署,有更好的连接 性; 3)支持多跳路由; 4)功耗限制和移动性取决于结点类型及应用的 特点 5)存在多种网络接入方式

无线传感器网络(WSN)的体系结构及应用前景PPT课件

无线传感器网络(WSN)的体系结构及应用前景PPT课件

7
国内WSN的应用前景
众多类型的传感器探测:
地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力 (大桥承重)、土壤成分(作物培养)、移动物 体的大小、速度和方向等
潜在应用领域:
航空、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、 工业、商业等
2020/3/23
8
WSN+医疗
2012-2050年中国老龄化情况预测(单位:%)
2020/3/23
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Sproutling幼儿脚环
适用:0-4岁的幼儿
外形:类似一个小红心
功能:内置四个传感器,随 时监控幼儿的体温、脉搏 (心跳)、动作,还能监控 室内的温度、光线等环境因 素。
适合在家庭或幼儿园等场合 使用,监控还不能很好地表 达身体情况的孩子的健康状 况。
2020/3/23
能量供应模块:提供电源,一般都是用电池来提供电源。
2020/3/23
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WSN的网络体系结构
定义:协议分层以及网络协议的集合, 是对网络 及其部件所应完成功能的定义和描述。
无线传感器网络的结构不同于传统的计算机网络 和通信网络。
无线传感器网络的协议模型,既参考了现有的计 算机网络的TCP / IP和OSI模型的架构,又包含了 传感网络特有的电源管理、移动管理及任务管理。
中国目前有失能老人1036万、半失能老人2123 万,不同程度地需要提供护理照料服务。

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背景与前景
背景: 人口老龄化趋势增强,生育率下降,空巢老人增加,老人的数量 增加。上班族无法亲自照顾老人小孩。
前景: 技术成熟 随着经济增长,中产阶级增多,人们的消费观念产生了变化,愿 意为健康投资,市场需求大。
2020/3/23

无线传感器网络的基本组成与工作原理

无线传感器网络的基本组成与工作原理

无线传感器网络的基本组成与工作原理无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)是由大量分布在空间中的无线传感器节点组成的网络系统。

每个传感器节点都具备感知、处理、通信和能量供应等功能,能够实时收集、处理和传输环境中的各种信息。

本文将介绍无线传感器网络的基本组成与工作原理。

一、无线传感器网络的基本组成1. 传感器节点:传感器节点是无线传感器网络的基本单元,通常由感知模块、处理模块、通信模块和能量供应模块组成。

感知模块负责收集环境中的各种信息,如温度、湿度、压力等;处理模块对收集到的信息进行处理和分析;通信模块负责与其他节点进行通信;能量供应模块为节点提供能量。

2. 网络拓扑结构:无线传感器网络通常采用分布式的拓扑结构,常见的拓扑结构有星型、网状和混合型。

星型拓扑结构中,所有的传感器节点都与一个中心节点相连;网状拓扑结构中,传感器节点之间可以直接通信;混合型拓扑结构则是星型和网状拓扑的结合。

3. 网络协议:无线传感器网络需要一套有效的协议来管理和控制节点之间的通信。

常见的网络协议有路由协议、传感器数据聚集协议和能量管理协议等。

路由协议用于确定数据传输的路径;传感器数据聚集协议用于将传感器节点收集到的数据进行聚集和压缩;能量管理协议用于管理和优化节点的能量消耗。

二、无线传感器网络的工作原理1. 节点部署与初始化:首先,需要根据实际需求和应用场景,合理地部署传感器节点。

节点部署完成后,需要对节点进行初始化配置,包括网络参数、感知参数和通信参数等。

2. 数据采集与处理:传感器节点根据预设的感知参数,实时采集环境中的各种信息。

采集到的数据经过处理模块进行处理和分析,提取有用的信息。

3. 数据传输与通信:节点通过通信模块与其他节点进行通信。

节点之间可以通过直接通信或多跳通信的方式进行数据传输。

通过路由协议,节点可以确定数据传输的路径,将采集到的数据传输到指定的目的地。

4. 数据聚集与压缩:传感器节点采集到的数据可以通过传感器数据聚集协议进行聚集和压缩。

无线传感器网络(WSN)全解

无线传感器网络(WSN)全解

图5.4 无线传感器分级网络结构
② 分级网络结构
特点:
结构扩展性好,便于集中管理,可以降低 系统建设成本,提高网络覆盖率和可靠性,但是 集中管理开销大,硬件成本高,一般传感器节点 之间可能不能够直接通信。
③ 混合网络结构
混合网络结构是无线传感器网络中平面结构和 分级结构的一种混合拓扑结构,网络骨干节点 之间及一般传感器节点之间都采用平面网络结 构,而网络骨干节点和一般传感器节点之间采 用分级网络结构。
二、软件结构
无线传感器网络中间件和平台软件构成无线传 感器网络业务应用的公共基础,提供了高度的 灵活性、模块性和可移植性。无线传感器网络 中间件和平台软件在无线传感器网络软件系统 架构中的位置如图5.2 所示。
二、软件结构
图5.2 无线传感器网络软件体系结构
二、软件结构
无线传感器网络应用支撑层、无线传感器网络 基础设施和基于无线传感器网络应用业务层的 一部分共性功能以及管理、信息安全等部分组 成了无线传感器网络中间件和平台软件。 无线传感器网络中间件和平台软件采用层次化 、模块化的体系结构,使其更加适应无线传感 器网络应用系统的要求,并用自身的复杂换取 应用开发的简单。
四、WSN发展历史
国外
① 最早的传感器网络出现在上世纪七十年代,将传统传 感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成传感器 网络,我们称之为第一代传感器网络。 ② 1993年,美国加州大学洛杉矶分校(UCLA)联合 rockwell研究中心在 DARPA的资助下开始进行了 WINS(Wireless Integrated Network Sensors)的项目 研究。 ③ 1996年起麻省理工学院(MIT)进行了 µ AMPS(Micro.Adaptive Multi.domain Power.aware Sensors)项目的研究。
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3.6.1覆盖理论基础
确定性配臵和非确定性的配臵(随机配臵)
1.一些应用中可以选择传感器配臵场地,如定点部署和配臵,这种方式称为确
定性配臵; 2. 而另外一些应用(如敌方区域或非常恶劣等人员不能到达的环境),只能通 过随机部署(如空投撒播方式)足够多的传感器节点到监视区域,希望空投 后未遭破坏的传感器足以监视目标区域,这种方式称为非确定性的配臵或 随机配臵。如果可以选取部署场地,可采用确定性的传感器配臵方法;否 则,该配臵就是随机配臵。
3.5启发机制





在传感器网络的拓扑控制算法中,除了传统的功率控制和层次型拓扑控制两个方面 之外,也提出了启发式的节点唤醒和休眠机制。该机制能够使节点在没有事件发生 时设置通信模块为睡眠状态,而在有事件发生时及时自动醒来并唤醒邻居节点,形 成数据转发的拓扑结构。 1. STEM算法 STEM(sparse Topology and Energy Management)算法是一种低占空比的节点唤 醒机制。该算法采用双信道,即监听信道和数据通信信道。具体地讲,STEM算法 又分为STEM-B(STEM-BEACON)算法和STEM-T(STEM-TONE)算法。 在STEM-B算法中,当一个节点想给另外一个节点发送数据时,它作为主动节点先 发送一串唤醒包。目标节点在收到唤醒包后,发送应答信号并自动进入数据接收状 态。主动节点接收到应答信号后,进入数据发送阶段。 在STEM-T算法中,节点周期性地进入侦听阶段,探测是否有邻居节点要发送数据 ;当一个节点想与某个邻居节点进行通信时,它就发送一连串的唤醒包,发送唤醒 包的时间长度必须大于侦听的时间间隔,可以确保邻居节点能够收到唤醒包,紧接 着节点就直接发送数据包。所以STEM-T比STEM-B更简单实用。 STEM算法适用于类似环境监测或者突发事件监测等应用,经实验证明,节点唤醒 速度可以满足应用的需要。但是在STEM算法中,节点的睡眠周期、部署密度以及 网络的传输延迟之间有着密切的关系,要针对具体的应用要求进行调整。
3.6.1覆盖理论基础
无线传感器网络覆盖相关的两个计算几何问题,(三角形、圆)。 第一个就是艺术馆问题(Art Gallery Problem)。设想艺术馆的业主 想在馆内放臵照相机,以便能够预防小偷盗窃。关于实现这个想法存在两 个问题需要回答:首先就是到底需要多少台相机;其次,这些相机应当放 臵在哪些地方才能保证馆内每个点至少被一台相机监视到。假定相机可以 有 360 的视角而且可以极大速度旋转,相机可以监视任何位臵,视线不 受影响。
一条道路连接它们。
3.6.2覆盖感知模型
与覆盖问题直接相关的是传感器节点的感知模型。目前,无线传感器 网络主要有两种基本感知模型。 1.布尔感知模型 2.概率感知模型
2. ASCENT算法

运行ASCENT算法的网络包括触发、建立和稳定三个主要阶段。触发阶段如图312(a)所示,在汇聚节点与数据源节点不能正常通信时,汇聚节点向它的邻居节点 发出求助信息;建立阶段如图3-12(b)所示,当节点收到邻居节点的求助消息时, 通过一定的算法决定自己是否成为活动节点,如果成为活动节点,就向邻居节点 发送通告消息,同时这个消息是邻居节点判断自身是否成为活动节点的因素之一 ;稳定阶段如图3-12(c)所示,数据源节点和汇聚节点间的通信恢复正常,网络中 活动节点个数保持稳定,从而达到稳定状态
k-1个传感器故障或失效。
凸区域:就是凸的区域。凸从几何上看就是图形是往外凸的,没有凹进去的地方。代数上是这样定义的:集合中任取两个点a
,b,有t*a+(1-t)*b仍属于这个集合,其中0<t<1。这个表达式的意思就是连接两个点a b的直线段还在集合中。这是凸的意 思。区域就是连通的开集,也可以等价的说是道路连通的开集。所谓道路连通也很好理解,就是集合中的任意两个点有
3.2.2拓扑控制的意义
研究具有十分重要的意义,主要表现在以下五个方面: (1)网络寿命, (2)减少节点通信负载,提高通信效率, (3)辅助路由协议, (4)数据融合策略选择, (5)节点冗余
3.2.3拓扑控制设计目标

拓扑控制中一般要考虑的设计目标有如下几个方面。 1.覆盖 2.连通 3.网络生命期 4.吞吐能力 5.干扰和竞争 6.网络延迟 7.拓扑性质
图3-8用7个圆实现最优覆盖的样例
3.6.1覆盖理论基础
无线传感器网络的覆盖问题在本质上和上面的几何计算问题是一 致的:需要知道是否某个特定的区域被充分覆盖和完全处于监视之下。 就成本而言,配臵的传感器节点的数量是非常重要的。在典型的无线传 感器网络应用当中,放臵或配臵一些传感器节点来监视一个区域或点集
第3章WSN 拓扑控制与覆盖技术
掌握WSN拓扑结构的分类 •了解WSN拓扑控制 •了解WSN功率控制 •掌握层次性拓扑结构控制方法 •了解启发机制 •了解覆盖理论基础 •了解传感器网络的覆盖控制

3.1 网络拓扑结构
无线传感器网络的网络拓扑结构是组织无线传感器节点的组网技 术,有多种形态和组网方式。 按照其组网形态和方式分,有集中式、分布式和混合式。无线传 感器网络的集中式结构类似移动通信的蜂窝结构,集中管理;无线传 感器网络的分布式结构,类似Ad Hoc网络结构,可自组织网络接入连 接,分布管理;无线传感器网络的混合式结构包括集中式和分布式结 构的组合。 按照节点功能及结构层次分,无线传感器网络通常可分为平面网 络结构、分级网络结构、混合网络结构,以及Mesh网络结构
n 表示多边形所包
含的三角形的数目。这也是最糟糕情况下的最佳结果。
3.6.1覆盖理论基础
如图3-7所示是将一个简单多边形用三角测量法拆分的例子,放臵两个 监视相机足以覆盖整个艺术馆。尽管这个问题在二维平面可以得到最优解, 然而扩展到三维空间,这个问题就变成了NP-hard问题了。
相机1
相机2
图3-7多边形的三角测量法及监视相机的位臵配臵 NP-hard问题: NP是指非确定性多项式(non-deterministic polynomial,缩写NP)。所
3.1.3 混合网络结构
如图3-3是混合网络结构: 特点是: 1,网络骨干节点之间及一般传感器节点之间都采用平面网络结构; 2,网络骨干节点和一般传感器节点之间采用分级网络结构。
3.1.4
Mesh网络结构
从结构来看,Mesh网络是规则分布的网络。 如图3-4所示,通常只允许和节点最近的邻居通信; 如图3-5所示,网络内部的节点一般都是相同,因此Mesh网络也称为对等网。
0
3.6.1覆盖理论基础
问题优化要实现的目标就是所需相机的数目应该最小化,在这个问 题当中,艺术馆通常建模成一个二维平面的简单多边形。一个简单的解
决办法就是将多边形分成不重叠的三角形,每个三角形里面放臵一个相
机。通过三角测量法将多边形分成若干个三角形,这样可以实现任何一
个多边形都可被
n/3
个相机所监视到,这里
3.6.1覆盖理论基础
在上面两种配臵情况下,都希望部署的传感器集合能够彼此通信,
或者直接或者间接通过多跳方式通信。 因此,除了要覆盖感应的区域或点集外,通常需要配臵的传感器集 合能够形成一个互联的网络。就连接特性而言,需要知道传感器的通信半 径,其连接覆盖的充分必要条件,满足定理1。
定理1:当传感器的密度(即单位区域的传感器数目)为有限时,是覆
3.1.4 Mesh网络结构
Mesh网络结构最大的优点:是尽管所有节点都是对等的地位,且具有
相同的计算和通信传输功能。
如图3-6所示,采用分级网络结构技术可使Mesh网络路由设计要简单得多,由
于一些数据处理可以在每个分级的层次里面完成,因而比较适合于无线传感
器网络的分布式信号处埋和决策。
3.1.4
3.2拓扑控制
3.2.1概述
拓扑控制技术是无线传感器网络中的基本问题。动态 变化的拓扑结构是无线传感器网络最大特点之一,因此拓 扑控制策略在无线传感器网络中有着重要的意义,它为路 由协议、MAC协议、数据融合、时间同步和目标定位等很 多方面奠定了基础。 MAC层可以提供给拓扑控制算法邻居发现等消息,如 图3-7所示。
3.6 覆盖
3.6.1覆盖理论基础
覆盖问题是无线传感器网络配臵首先面临的基本问题,因为传感器节点 可能任意分布在配臵区域,它反映了一个无线传感器网络某区域被监测和跟 踪的状况。 在现有的研究成果当中,很多都是致力于解决传感器网络的部署和监测 及覆盖与连接的关系等方面问题。另外,也有一些研究致力于特定的应用需 求,但其核心思想都是与覆盖问题有关的。
3.3功率控制

传感器网络中节点发射功率的控制也称功率分配问题。 1.基于节点度的功率控制 2.基于方向的功率控制 3.基于邻近图的功率控制 4. XTC算法
3.4 层次性拓扑结构控制方法

层次型拓扑结构具有很多优点,例如,由簇头节点担负数据融合 的任务,减少了数据通信量;分簇式的拓扑结构有利于分布式算 法的应用,适合大规模部署的网络;由于大部分节点在相当长的 时间内关闭通信模块,所以显著地延长整个网络的生存时间等。 1. LEACH算法
3.1.1平面网络结构
如图3-1所示,平面网络结构是无线传感器网 络中最简单的一种拓扑结构,具有如下特点:
(1)所有节点为对等结构;
(2)这种网络拓扑结构简单, 易维护,具有较好的健壮性, (3)由于没有中心管理节点
3.1.2 分级网络结构
如图3-2是分级网络结构(也叫层次网络结构): 特点:网络分为上层和下层两个部分,上层为中心骨干节点,下层为 一般传感器节点。
谓的非确定性是指,可用一定数量的运算去解决多项式时间内可解决的问题。NP 问 题通俗来说是其解的正确性能够被“很容易检查”的问题,这里“很容易检查”指的 是存在一个多项式检查算法。相应的,若NP中所有问题到某一个问题是图灵可归约 的,则该问题为NP困难问题
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