WSN、RFID与物联网解析课件.ppt
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1、无线传感网、RFID与物联网WSN、 RFID& Internet of Things,北京交通大学 谈振辉2010,无线传感网、RFID与物联网WSN、 RFID& Int,中国经济向低碳转型,2009年11月25日,中国国务院常务会议决定,到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放(即碳强度)比2005年下降40-45%,并作为约束性指标,将制定相应的统计、监测、考核办法。而美国承诺说,将在2005年的基础上,到2020年碳排放减少17%。 碳强度下降40-45%,意味着未来几年GDP增长率保持在8-9%左右。中国汽车一天消耗800万桶石油,美国是2000万桶石油。占世界人口21%的中国消耗
2、的石油为世界石油消耗总量1/10,美国占世界人口1/20,消耗石油占世界石油消耗总量1/4。 Cisco的640Gps路由器耗电1.8KW,1Pbps路由器耗电17.4MW,相当中型发电厂发电量。,中国经济向低碳转型 2009年,ICT已成第五大耗能产业,ICT对全球GDP贡献率达7%,为全球第五大耗能产业ICT设备CO2排放占全球排放2-2.5%,与全球航空运输业相当,等于汽车CO2排放量1/4。 2010年6月与去年相比,国际干线带宽增长33.5%;Google搜索达1万亿页;全球每天邮件2100亿件;手机短信3万亿条。2010年20户美国家庭所产生的流量,就超过1995年全球互联网总和。
3、德国流量是10年前100倍,日本则达1000倍。 大流量不仅使网络传送能力、路由器容量、路由器组网可扩展性出现问题,全球ICT能耗达156GW,占全球总电能耗8%,全球总能耗25%。努力方向,就是要把网络做得更节能。 英国ICT产业能源消耗占能源10%,相当于4个核反应堆。美国ICT产业能耗占到全美总能耗8%、电力总消耗15%。 2008年,中国电信耗电69.27亿度,中国联通耗电76亿,中国移动耗电93.3亿度,三个运营商总耗电241亿度。今后几年,我国ICT产业能耗每年还将增加5%。,ICT已成第五大耗能产业 ICT对全球,国际动态,美国:2009年1月7日,IBM等组织向奥巴马提出通过信
4、息通信技术投资在短期内创造就业机会。1月28日,奥巴马在首次美国工商业领袖圆桌会,IBM首席执行官建议政府投资新一代智能型基础设施,提出“智慧地球”方案,得到奥巴马总统回应,出台总额7870亿美元经济复苏和再投资法对上述战略建议加以落实。欧盟:2009年欧盟执委会发表 InternetofThings- AnactionplanforEurope物联网行动方案,描绘物联网技术应用前景,提出加强欧盟政府对物联网管理,消除物联网发展障碍。韩国:2009年韩国出台“物联网基础设施构建基本规划”,将物联网市场确定为新增长动力,2012年实现通过构建世界最先进的物联网基础实施,打造未来广播通信融合领域超
5、一流信息通信技术强国目标,确定构建物联网基础设施、发展物联网服务、研发物联网技术、营造物联网扩散环境等4大领域、12项详细课题。,国际动态美国:2009年1月7,物联网: Internet of Things “感知中国”,2009年8月7日,国务院总理温家宝考察无锡提出,加快传感网产业发展,在无锡建设“感知中国”中心。 物联网集成传感器、微机电系统(MEMS)和网络三大技术的网络,是一种全新信息获取和处理技术,目的是让物品与网络连接,能够感知、方便识别和管理 随着美国“智慧地球”计划提出,传感网已成综合国力较量重要因素。美国将传感网技术列为“在经济繁荣和国防安全两方面至关重要的技术”。加拿大
6、、英国、德国、芬兰、意大利、日本和韩国等加入传感网研究,欧盟将传感网技术作为优先发展的重点领域之一。 据Forrester权威机构预测:下一个万亿级的通信业务将是传感网产业,到2020年,物物互联业务与现有人人互联业务之比将达301。,物联网: Internet of Things,无线传感器网络现状,随着微电子机 系统(MEMS)、无线通信、信号处理这三个技术领域近年来的飞速发展,一个新的研究领域成为国内外关注的热点,这就是基于大量具有通信功能的微型无线传感器构造的无线传感器网络WSN(Wireless Sensor Networks)。 WSN具有极其广泛的应用,如感知战场状态(军事应用)
7、、环境监控(如气候、地理、污染变化的监控)、物理安全(如建筑和结构的)监控、城市道路交通监控、安全场所的视频监控。,无线传感器网络现状 随着,无线传感器网络现状,WSN应用例子:安全监控(如矿井结构、瓦斯),无线传感器网络现状 WSN应用例子:安全监,无线传感器网络现状,国际学术界对WSN的关注专刊IEEE Journal on Selected Areas in Communications: 2004,22 (6),2005,23(4),2006,24(2); Proceedings of The IEEE: 2003,91(8); IEEE Wireless Communications
8、: 2004,Dec.; IEEE Signal Processing Magazine: 2006,23(4 ); WSN相关的国际会议Wireless Communications and Networking Conference Wireless Communications, Networking and Mobile Computing ISCIT ICASSP ISSCS,无线传感器网络现状 国际学术界对WSN的关注专刊,无线传感器网络现状,2002年Berkeley大学启动 NEST计划,开发NEST (Network Embedded Systems Technology)
9、开放式软、硬件实验平台,加速发展面向应用多样化的算法、服务和体系构架 。 美国国防高级研究计划局DARPA (Defence Advanced Research Project Agency)意识到传感器网络的巨大应用价值。10年前启动了分布式传感器网络计划 DSN(Distributed Sensor Networks program),2001年启动传感器信息技术计划 SensIT(Sensor Information Technology program)。 2004年在美国国家自然科学基金NSF、国家健康协会NHA资助下,哈佛大学启动CodeBule平台研究计划,把无线传感器网络技术应
10、用于医疗事业领域,包括医疗救急、灾害事故的快速反应、病人康复护理等方面。 2003年Intel和Berkeley Univer.研究中心启动WSN异构传感器网络研究嵌入式处理在异构网络中的应用。其中,MOTE计划开发下一代自组织WSN节点,设计出更强处理能力、更大存储容量、更高带宽和可靠射频能力的节点。TASK计划研发 Tiny Application Sensor Kit(TASK),为用户快速开发和部署WSN应用,提供简单实用的开发套件。,无线传感器网络现状 2002年Berkel,无线传感器网络现状,欧洲2002年启动EYES研究计划,EYES研究计划的体系结构,无线传感器网络现状 欧洲
11、2002年启动EYES研究计划,无线传感器网络的发展现状,欧洲EYES计划构造的传感器网络节点平台,无线传感器网络的发展现状欧洲EYES计划构造的传感器网络节点,WSN标准化工作,WSN标准化工作,无线传感器网络研究现状,2004年国家自然科学基金委员会将无线传感器网络列为重点研究项目; 2005年开始传感网标准化研究工作; 国家中长期科学和技术发展规划纲要2006-2020在支持的重点领域及其优先主题“ 信息产业及现代服务业”中列入了“传感器网络及智能信息处理” , 在前沿技术中重点支持“ 自组织传感器网络技术” 2008年9月启动16个重大专项中03专项,设立7个方向,WSN为第6个“短距
12、离无线互联与传感器网络研发”,无线传感器网络研究现状 2004年国家自然科学基金,WSN特点和结构,无线传感器节点结构模块,WSN特点和结构 无线传感器节点结构模块,WSN特点和结构,WSN两种组网结构:,WSN通信体系平面结构,1,平面拓扑结构:所有的网络节点处于相同的平等地位,不存在任何的等级和层次差异,所以也被称为对等式结构。,WSN特点和结构 WSN两种组网结构: WSN通信,WSN特点和结构,WSN的逻辑分层结构,2,逻辑分层结构:网络节点按照某种规则(如地理位置、应用需求)分成各个簇,每个簇由簇头和成员节点构成。,WSN特点和结构 WSN的逻辑分层结构 2,逻辑分层结构:,WSN技
13、术热点,1,网络拓扑控制技术内容:满足网络覆盖度和连通度的前提下,通过功率控制和节点选择,生成高效的数据转发的网络拓扑结构。目的:网络拓扑控制能够提高路由协议和MAC协议效率,有利于节省节点的能量以延长网络生存期。 热点:通过激活选定的节点集合,以能量有效的方式进行网络拓扑控制。GAF(从等效路由的角度选择工作节点)、SPAN(从维护WSN骨干传输网的角度选择工作节点)等算法,WSN技术热点 1,网络拓扑控制技术,WSN技术热点,2,节点的连接和覆盖技术 定义两种连接:纯连接(任意两个节点都能通信,包括直接和多跳,这是物理基础)、路由连接(节点间通过某种路由算法连接,主要考虑能够快速传递数据、
14、能耗最小,即考虑优化);建立的连接模型主要涉及节点密度、通信距离、跳数、连接度覆盖问题指为了保证整个区域都在监测范围内,需要按照一定规则或者密度在目标区域布置传感器,通常认为传感器传感范围是以节点为中心的园,基本要求是相邻传感器覆盖范围连通,同时考虑到通信要求。,WSN技术热点 2,节点的连接和覆盖技术,WSN技术热点,3,问题节点的探测和隔离技术 对传感器网络中问题节点(包括已经失效和性能降低)的探测及其隔离,研究安全路由策略,规避问题节点,如SEAD、SPINS、SNEP、SAR、改进AODV等; 路由空洞问题(路由空洞节点指那些所有的邻居节点,距离sink的距离都比自己远的节点),这样如
15、果采用贪婪(GF)算法,数据就无法传送到控制节点。,WSN技术热点 3,问题节点的探测和隔离技术,WSN技术热点,4,路由技术 WSN路由技术分类:Table Driven ProtocolOn Demand Routing (Route Discovery, Route Maintenance)以数据为中心的路由协议,如SPIN、Rumor Routing等路由算法; 分层路由协议 ,如LEACH、TEEN等路由算法; 基于节点位置的路由协议 ,如MECN、GAF等路由算法; 基于QoS路由协议,考虑数据传输的时延、可靠性等QoS指标,如MLER、SPEED等路由算法;基于节能的路由;,WS
16、N技术热点4,路由技术,WSN技术热点,5,媒质接入控制技术 指标:能耗、带宽需求、冲突避免和维持网络连接 分类:基于调度算法(Scheduling based)MAC协议,如SMACS、DE-MAC等协议算法; 非碰撞(Collision free)MAC协议,如IP-MAC、TRAMA等协议算法; 基于竞争(Contention-based)MAC协议,如S-MAC、T-MAC等协议算法; 混合(Hybrid scheme)MAC协议 ,如混合TDMA-FDMA等协议算法;,WSN技术热点 5,媒质接入控制技术,WSN技术热点,6,媒质接入控制标准 1998年3月,IEEE标准化协会成立8
17、02.15工作组,制定WPAN覆盖数m到10mMAC和PHY标准。 下设4个任务组: IEEE 802.15.1即蓝牙,是中速率,近距离WPAN,用于手机、PDA等近距离通信; IEEE 802.15.2研究802.15.1与WLAN(802.11)共存问题; IEEE 802.15.3研究高速WPAN; IEEE 802.15.4(Zigbee)研究低能耗、低速率(20、40、250kbps)、低成本WPAN。,WSN技术热点 6,媒质接入控制标准,WSN技术热点,7,定位技术 特点WSN节点一般都是随机放置在需要探测的区域,不预先知道自己的位置; 没有位置信息的监测信息通常是没有实际意义的
18、,定位技术是WSN中一项关键技术;方案节点分为信标节点和位置未知节点;信标节点可以根据GPS技术或者其他方式获知自己的位置,其他节点通常会采用传统的三边测量法、三角测量法或极大似然估计法确定自己的位置。,WSN技术热点 7,定位技术,WSN技术热点,8,节能技术 特点:WSN中节点一般使用电池供电,布设以后很难更换,因此能量有效性成了首要问题,直接关系到网络的使用寿命;分类:节点级(node level)节能:网络内节点的软硬件节能设计及系统的节能架构; 节点间(inter node level)节能:节点间协同工作及节点间能量的协调控制;网络级(network level)节能:延长网络寿命
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