无线传感器网络ppt课件
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《无线传感器网络简明教程(第二版)》,教学幻灯片PPT课件__第4章
4.2.2 基于测距的定位技术
2、多边定位
假设已知信标锚点A1，A2，A3，A4，…的坐标依次分别为（x1，y1）， （x2，y2），（x3，y3），（x4，y4），…，即各锚点位臵为 。如果
待定位节点的坐标为（x, y），并且已知它至各锚点的测距数值为 ，
可得如下图，其中(x，y)为待求的未知坐标。
[ xi - di , yi - di ][ xi di , yi di ]
4.2.2 基于测距的定位技术
在所有位臵点 [ xi di , yi di ] 中取最小值、所有
[max( xi di ), max( yi di )][min( xi di ), min( yi di )]
4.1.1 传感器网络的时间同步机制
1、传感器网络时间同步的意义
时间同步机制是分布式 系统基础框架的一个关键机 制。
4.1.1 传感器网络的时间同步机制
在分布式系统中，时间同步涉及“物理时间”和 “逻辑时间”两个不同的概念。
“物理时间”用来表示人类社 会使用的绝对时间；
“逻辑时间”体现了事件发生 的顺序关系，是一个相对概念。
用矩阵和向量表达为形式Ax=b，其中：
2( y1 yn ) 2( x1 xn ) A ... ... 2( xn 1 xn ) 2( yn 1 yn )
2 2 2 x12 xn y12 yn dn d12 b ... x2 x2 y2 y2 d 2 d 2 n 1 n n n 1 n 1 n
⑥(602,23) 房间602
11 (601,24)
26
房间601
4.4 能量管理
无线传感器网络技术概述课件
目前普遍以为这三个方面旳主要性依次递减
MAC协议旳能量挥霍原因（2）
空闲侦听：节点不懂得邻居节点何时向自己发 送数据，射频收发模块必须一直处于工作状态， 消耗大量能源，是无效能耗旳主要起源。
冲突：同步向同一节点发送多种数据帧，信号 相互干扰，接受方无法精确接受，重发造成能 量挥霍
串扰：接受和处剪发往其他节点旳数据属于无 效功耗。
传感器节点旳限制
电源能量有限 通信能力有限 计算和存储能力有限
传感器网络概述－与ad hoc旳不同
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 结点更轻易犯错 拓扑构造变化频繁
Ad hoc
几十至上百个节点 局域网 节点全移动 构造变化（移动） 能量可连续提供 点到点通信
通信 途节径点重间构通成信为旳突断出接问频题繁？，路造由成算通法信必失须败具. 有自 适经应常性受？到高山、建筑物、障碍物等地势地 怎样建貌立以网及络风随雨机雷连电通等性自旳然数环据境理旳论影，响为, 所通以信 途径重传构感和器自可适能应会路长由时算间法脱设离计网奠络定, 坚离实线理工论作 基础是我们面临旳第三个挑战问题？
美军将来战斗系统旳战场警戒示意图
传感器节点
通行车辆
枪声定位反恐系统
美国F-22猛禽战斗机
F-22猛禽战斗机
机外传感器网络
美军“沙地直线”项目
无线链路
目的探测、 分类和跟踪
传传感感器器节节点点
长（英尺）
宽（英尺）
节点封装示例（一）
特点： 表面光滑 能够滚动 自动调整姿态位置 万向节固定架设计
传感器网络数据管理系统旳理论和技术是 我们面临旳第九个挑战性问题！
需要多种多样旳感知 器
物理传感器
MAC协议旳能量挥霍原因（2）
空闲侦听：节点不懂得邻居节点何时向自己发 送数据，射频收发模块必须一直处于工作状态， 消耗大量能源，是无效能耗旳主要起源。
冲突：同步向同一节点发送多种数据帧，信号 相互干扰，接受方无法精确接受，重发造成能 量挥霍
串扰：接受和处剪发往其他节点旳数据属于无 效功耗。
传感器节点旳限制
电源能量有限 通信能力有限 计算和存储能力有限
传感器网络概述－与ad hoc旳不同
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 结点更轻易犯错 拓扑构造变化频繁
Ad hoc
几十至上百个节点 局域网 节点全移动 构造变化（移动） 能量可连续提供 点到点通信
通信 途节径点重间构通成信为旳突断出接问频题繁？，路造由成算通法信必失须败具. 有自 适经应常性受？到高山、建筑物、障碍物等地势地 怎样建貌立以网及络风随雨机雷连电通等性自旳然数环据境理旳论影，响为, 所通以信 途径重传构感和器自可适能应会路长由时算间法脱设离计网奠络定, 坚离实线理工论作 基础是我们面临旳第三个挑战问题？
美军将来战斗系统旳战场警戒示意图
传感器节点
通行车辆
枪声定位反恐系统
美国F-22猛禽战斗机
F-22猛禽战斗机
机外传感器网络
美军“沙地直线”项目
无线链路
目的探测、 分类和跟踪
传传感感器器节节点点
长（英尺）
宽（英尺）
节点封装示例（一）
特点： 表面光滑 能够滚动 自动调整姿态位置 万向节固定架设计
传感器网络数据管理系统旳理论和技术是 我们面临旳第九个挑战性问题！
需要多种多样旳感知 器
物理传感器
无线传感器网络的理论及应用PPT教学课件
2020/12/11
13
以数据为中心
在无线传感器网络中，人们通常只关心某 个区域内某个观测指标的数值，而不会去 具体关心单个节点的观测数据。 用户使用传感器网络查询事件时，直接将 所关心的事件通告给网络，而不是通告给 某个确定编号的节点。网络在获得指定事 件的信息后汇报给用户。
2020/12/11
网络的通信保密和安全性十分重要，信道 加密、抗干扰、用户认证和其他安全措施 都需要特别考虑。
2020/12/11
8
无线传感器网络的特征
深入研究表明，无线传感器网络有着与无 线自组网络明显不同的技术要求和应用目 标。无线自组网络以传输数据为目的，致 力于在不依赖于任何基础设施的前提下为 用户提供高质量的数据传输服务；而无线 传感器网络以数据为中心，将能源的高效 使用作为首要设计目标。
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22
无线传感器网络的体系结构概述
应用服务接口
网络管理接口
安
全
/
拓 扑 控
服 务 质 量
移 动
/ 能
2020/12/11
3
无线传感器网络的特征
作为Internet在无线和移动范畴的扩展和延伸，无线自组网络 （Ad-hoc Network）由若干采用无线通信的节点动态地形成一个 多跳的移动性对等网络，从而不依赖于任何基础措施。
无线传感器网络与 无线自组网络的共 同特点：
分布式 自组织 拓扑变化 多跳路由 安全性差
2020/12/11
6
多跳路由
由于节点发射功率限制，节点的覆盖范围 有限，通常只能与它的邻居节点通信。
多跳路由是由普通网络节点协作完成，没 有专门的路由设备。每个节点既可以是信 息的发起者，也可以是转发者。
《无线传感器网络与物联网通信技术》教学课件 第2章 无线传感器网络体系结构 2.5 传输层
2.5 传输层 2.5.1 传输层简介
目前，无线传感器网络传输层协议主要在能耗控制、拥塞控制和可靠性保证3个 方向开展研究与设计工作。其中，能耗控制协议又与拥塞控制协议、可靠性保证协 议紧密联系。
① 能耗控制方面。无线传感器网络的节点能量有限，网络的运行以节能控制为 首要考虑因素。
② 拥塞控制方面。在无线传感器网络中，事件发生区域中的节点监测到相关信 息后传输至汇聚节点，由于网络的分布特征，可能存在多个节点感知信息，都发往 一个汇聚节点，即形成“多对一”的传输模式。
无线传感器网络自身存在资源受限等特性，使得传统的TCP/IP协议不能直接应用 于无线传感器网络，而应根据无线传感器网络的具体应用需求、网络自身的特性与条 件来设计相应的协议，主要体现在以下几个方面。
① 无线传感器网络中节点的能量是有限的，过多的能耗会影响网络的生命周期。
② 无线传感器网络一般使用的是分布式、密集型的覆盖方式，无线传感器网络以 数据为中心，为减少数据量，节点具备一定的数据处理能力。
③ 无线传感器网络存在不稳定情况，网络拓扑结构的变化会影响TCP/IP协议的握 手机制。
④ 在无线传感器网络中，虽然传输层协议具备拥塞控制的能力，但通信质量、拓 扑结构变化等非拥塞情况也会造成丢包现象。
⑤ 无线传感器网络在大规模应用中，节点需要处理好自身与邻居节点之间的通信 即可。
无线传感器网络与物联网通信技术
针对不同的传输层协议设计与网络应用需求，一些简单的拥塞控制处理方式分为拥 塞信息反馈机制和传输路由切换机制。其中，拥塞信息反馈机制是接收节点检测到拥塞 之后，向它的发送节点发送一个包含拥塞控制信息的数据包，告知发送节点减缓甚至停 止发送数据包；传输路由切换机制是当前节点检测到拥塞之后，重新选择一条优化的路 径来传输数据，从而减少了当前节点的数据流，待拥塞缓解或消除之后，可再恢复先前 路径来继续传输数据。
无线传感器网络24页PPT
42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
45、自己的饭量自己知道。——苏联
无线传感器网络ห้องสมุดไป่ตู้
56、死去何所道，托体同山阿。 57、春秋多佳日，登高赋新诗。 58、种豆南山下，草盛豆苗稀。晨兴 理荒秽 ，带月 荷锄归 。道狭 草木长 ，夕露 沾我衣 。衣沾 不足惜 ，但使 愿无违 。 59、相见无杂言，但道桑麻长。 60、迢迢新秋夕，亭亭月将圆。
41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
45、自己的饭量自己知道。——苏联
无线传感器网络ห้องสมุดไป่ตู้
56、死去何所道，托体同山阿。 57、春秋多佳日，登高赋新诗。 58、种豆南山下，草盛豆苗稀。晨兴 理荒秽 ，带月 荷锄归 。道狭 草木长 ，夕露 沾我衣 。衣沾 不足惜 ，但使 愿无违 。 59、相见无杂言，但道桑麻长。 60、迢迢新秋夕，亭亭月将圆。
41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
网络通信PPT课件
(2) 调制技术
调制和解调技术是无线通信系统的关键技术之一。通常信号源的编码信 息(即信源)含有直流分量和频率较低的频率分量，称为基带信号。基带 信号往往不能作为传输信号，因而要将基带信号转换为相对基带频率而 言频率非常高的带通信号，以便于进行信道传输。通常将带通信号称为 已调信号，而基带信号称为调制信号。
(3)能量管理。 在传感器网络中电源能量是各个结点最宝贵的资源。为了 使传感器网络的使用时间尽可能长，需要合理、有效地控制结点对能量 的使用。每个协议层次中都要增加能量控制代码，并提供给操作系统进 行能量分配决策。
2. 网络管理平台
(4)安全管理。 由于结点随机部署、网络拓扑的动态性和无线信道的不稳 定，传统的安全机制无法在传感器网络中适用，因而需要设计新型的传 感器网络安全机制，采用诸如扩频通信、接入认证/鉴权、数字水印和数 据加密等技术。
1．物理层的基本概念
物理层的主要功能如下： (1)为数据终端设备(Data Terminal Equipment，DTE)提供传送数据 的通路。
(2)传输数据。 (3)其他管理工作。
1．物理层的基本概念
通常物理接口标准对物理接口的四个特性进行了描述，这四个特性的内 容是指：
(1)机械特性。。 (2)电气特性。 (3)功能特性。 (4)规程特性。
2. 无线通信物理层的主要技术
无线通信物理层的主要技术包括介质的选择、频段的选择、调制技 术和扩频技术。
(1)介质和频段选择 无线通信的介质包括电磁波和声波。电磁波是最主要的无线通信
介质，而声波一般仅用于水下的无线通信。根据波长的不同，电磁 波分为无线电波、微波、红外线和光波等，其中无线电波在无线网 络中使用最广泛。无线电波的传播特性与频率相关。
第7章 无线传感器网络PPT课件
2
本章内容简介
☆无线传感器网络概述 ☆无线传感器网络的体系结构 ☆无线传感器网络的通信协议 ☆无线传感器网络的应用 ☆无线传感器网络的研究进展 ☆无线传感器网络的仿真
无线网络教学平台 /wireless
Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press
无线网络教学平台 /wireless
Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press
5
WSN与传统网络区别特性
无线传感器网络的特性 ☆WSN是集成了监测、控制以及无线通信的网络
系统，节点数目庞大、分布密集。
13
WSN宏观系统框架
无线传感器网络包含传感器节点(Sensor Node)、 汇聚节点(Sink Node)和管理节点(Manager Node)
第7章 无线传感器网络
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第一部分
整体概述
THE FIRST PART OF THE OVERALL OVERVIEW, PLEASE SUMMARIZE THE CONTENT
无线网络教学平台 /wireless
Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press
3
无线传感器网络概述
无线传感器网络的背景
☆通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞 速发展和日渐成熟 ☆各种具备感知、计算和通信能力的微型传感器 的出现 ☆由许多微型传感器共同构成的无线传感器网络 备受关注 ☆WSN可使人们在任何时间、任何地点和任何环 境条件下获得大量详实可靠的物理世界的真ss
第5章-WSN无线传感器网络安全PPT课件
据。
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5.1 无线传感器网络安全概述
A -> B: NA, {RQST}(Ke,C), {C||{RQST}(Ke,C)}Kmac
B -> A: {RPLY}(Ke,C’), {NA||C’||{RPLY}(Ke,C’)}Kmac
➢ SNEP中节点间的安全通信
A -> B: NA，A B -> S: NA，NB，A，B，{NA||NB||A||B}KBS
.
24
5.1 无线传感器网络安全概述
3. 网络层的攻击和防御
• 传感器网络的动态性,因此没有固定的基础结构,所以 每个节点都需要具有路由的功能，更易于受到攻击。
(1) 虚假路由信息
• 通过欺骗,更改和重发路由信息,攻击者可以创建路由 环,吸引或者拒绝网络信息流通量,延长或者缩短路由 路径,形成虚假的错误消息,分割网络,增加端到端的时 延。
（4）真实性。
点到点的消息认证使得在收到另一节点发送来 的消息时，能够确认这个消息确实是从该节点发送 过来的；广播认证主要解决单个节点向一组节点发 送统一通告时的认证安全问题。
.
10
5.1 无线传感器网络安全概述
（5）新鲜性。
WSN中由于网络多路径传输延时的不确定性和 恶意节点的重放攻击使得接收方可能收到延后的相 同数据包。新鲜性要求接收方收到的数据包都是最 新的、非重放的，即体现消息的时效性。
验证P1和P2的完整性，利用K2来验证P3的完整性。
.
20
5.1 无线传感器网络安全概述
• 基本的流认证协议
P1
P2
Pn
Pn+1
M1
M2
Mn
H(P n)
H(P1)
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5.1 无线传感器网络安全概述
A -> B: NA, {RQST}(Ke,C), {C||{RQST}(Ke,C)}Kmac
B -> A: {RPLY}(Ke,C’), {NA||C’||{RPLY}(Ke,C’)}Kmac
➢ SNEP中节点间的安全通信
A -> B: NA，A B -> S: NA，NB，A，B，{NA||NB||A||B}KBS
.
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5.1 无线传感器网络安全概述
3. 网络层的攻击和防御
• 传感器网络的动态性,因此没有固定的基础结构,所以 每个节点都需要具有路由的功能，更易于受到攻击。
(1) 虚假路由信息
• 通过欺骗,更改和重发路由信息,攻击者可以创建路由 环,吸引或者拒绝网络信息流通量,延长或者缩短路由 路径,形成虚假的错误消息,分割网络,增加端到端的时 延。
（4）真实性。
点到点的消息认证使得在收到另一节点发送来 的消息时，能够确认这个消息确实是从该节点发送 过来的；广播认证主要解决单个节点向一组节点发 送统一通告时的认证安全问题。
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5.1 无线传感器网络安全概述
（5）新鲜性。
WSN中由于网络多路径传输延时的不确定性和 恶意节点的重放攻击使得接收方可能收到延后的相 同数据包。新鲜性要求接收方收到的数据包都是最 新的、非重放的，即体现消息的时效性。
验证P1和P2的完整性，利用K2来验证P3的完整性。
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5.1 无线传感器网络安全概述
• 基本的流认证协议
P1
P2
Pn
Pn+1
M1
M2
Mn
H(P n)
H(P1)
无线传感器网络(完整课件)
第1章 无线传感器网络概述
与当前流行的短距离无线通信技术相比，UWB具有抗干扰能力强、传输速 率高、带宽极宽、发射功率小等优点，具有广阔的应用前景，在室内通信、 高速无线LAN、家庭网络等场合才能得到充分应用。
当然，UWB技术也存在自身的弱点。主要是占用的带宽过大，可能会干扰 其他无线通信系统，因此其频率许可问题一直在争论之中。另外，有学者认 为，尽管UWB系统发射的平均功率很低，但由于其脉冲持续时间很短，瞬时 功率峰值可能会很大，这甚至会影响到民航等许多系统的正常工作。但是学 术界的种种争论并不影响UWB的开发和使用，2002年2月美国通信协会(FCC) 批准了UWB用于短距离无线通信的申请。
第1章 无线传感器网络概述
短距离无线通信技术的范围很广，在一般意义上，它是指集信息采集、信 息传输、信息处理于一体的综合性智能信息系统，并且其传输距离限制在一 个较短的范围内（通常是几米以内）。通过各类集成化的微型传感器协作进 行实时感知、采集和监测各类感兴趣的研究和应用信息。
低成本、低功耗和对等通信，是短距离无线通信技术的三个重要特征和优 势。
第1章 无线传感器网络概述
1.2 无线传感器网络发展历程
早在20世纪70年代就出现了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雏形，人们把它归结为第一代传感器网络。随着相关学 科的不断发展，传感器网络同时还具有获取多种信息信号的综合能力，采用 串/并接口（如RS-232、RS-485）与传感控制器相连，构成了有信息综合和处 理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络。在20世纪90年代后期和21世 纪初，用具有智能获取多种信息信号的传感器，采用现场总线连接传感控制 器，构成局域网络，成为智能化传感器网络，这是第三代传感器网络。第四 代传感器网络正在研究开发，用大量的具有多功能、多信息信号获取能力的 传感器，采用自组织无线接入网络，与传感器网络控制器连接，构成无线传 感器网络。