第5次课WSN通信与组网技术01分解讲课教案.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第5次课WSN通信与组网技术01分解,4,.1.2,无线传感器网络协议的,分层结构,从,无线联网,的角度来看，传感器网络结点的体系由分层的,网络通信协议,、,网络管理平台,和,应用支撑平台,三个部分组成,(,如图4,-2,所示,),。,1.,网络通信协议,类似于传统,Internet,网络中的,T,CP/IP,协议体系，它由,物理层,、,数据链路层、网络层、传输层,和,应用层,组成,(,如图,3-2,所示,);,如图,3-3,所示。,MAC,层和物理层协议采用的是国际电气电子工程师协会,(The Institute of Electrical and Electronics Engineers,，,IEEE),制定的,IEEE 802.15.4,协议。,IEEE 802.15.4,是针对,低速无线个域网,(Low-Rate Wireless Personal Area Network,，,LR-WPAN,),制定的标准。,该标准把低,能量消耗,、,低速率传输,、,低成本,作为重点目标，旨在为个人或家庭范围内不同设备之间低速互连提供统一标准。,IEEE,802.15.4,的网络特征与无线传感器网络存在很多相似之处，所以许多研究机构把它作为无线传感器网络的无线通信平台。,1.,网络通信协议,(1),物理层。传感器网络的物理层负责信号的,调制,和,数据的收发,，所采用的传输介质主要有,无线电、红外线、光波,等。,(2),数据链路层。传感器网络的数据链路层负责,数据成帧,、帧检测、,介质访问,和差错控制。介质访问协议保证可靠的,点对点,和,点,对,多点通信,，,差错控制,保证源结点发出的信息可以完整无误地到达目标结点。,1.,网络通信协议,(3),网络层。传感器网络的网络层负责,路由发现和维护,，通常大多数结点无法直接与网络通信，需要通过中间结点以多跳路由的方式将数据传送至汇聚结点。,(4),传输层。传感器网络的传输层,负责数据流的传输控制，,主要通过,汇聚结点采集传感器网络内的数据,，并使用卫星、移动通信网络、因特网或者其他的链路（,RS232,）与外部网络通信，是保证通信服务质量的重要部分。,1.,网络通信协议,2.,网络管理平台,网络管理平台主要是对传感器结点自身的管理和用户对传感器网络的管理，包括,拓扑控制,、,服务质量管理,、,能量管理,、,安全管理,、,移动管理,、,网络管理,等。,(1),拓扑控制,。一些传感器结点为了节约能量会在某些时刻进入休眠状态，这导致网络的,拓扑结构不断变化，,而需要通过拓扑控制技术管理各结点状态的转换，使网络保持畅通，数据能够有效传输。拓扑控制利用链路层、路由层完成拓扑生成，反过来又为它们提供基础信息支持，优化,MAC,协议和路由协议，降低能耗。,(2),服务质量管理。,服务质量管埋,在各协议层设计,队列管理、优先级机制,或者,带宽预留,等机制，并对特定应用的数据给予特别处理。它是网络与用户之间以及网络上互相通信的用户之间关于信息传输与共享的,质量,约定。为了满足用户的要求，传感器网络必须能够为用户提供足够的资源，以用户可接受的性能指标工作。,(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,协议层结构,(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。,(5),移动管理。在某些传感器网络的应用环境中，结点可以移动，,移动管理用来,监测和控制,结点,的移动，维护到汇聚结点的,路由,，还可以使传感器结点跟踪它的邻居。,2.,网络管理平台,(6),网络管理。网络管理是对传感器网络上的,设备和传输系统进行有效监视、控制、诊断和测试所,采用的技术和方法。它要求协议各层嵌入各种,信息接口,，并定时收集协议运行状态和流量信息，协调控制网络中各个协议组件的运行。,2.,网络管理平台,3.,应用支撑平台,应用支撑平台建立在网络通信协议和网络管理技术的基础之上，包括一系列基于,监测任务的应用层软件,，通过应用,服务接口,和网络管理接口来为终端用户提供各种具体应用的支持。,4,.2,物理层,4,.2.1,物理层的概述,1,物理层的基本概念,现有无线网络中的物理设备和传输介质的种类非常多，而通信手段也有许多不同的方式。,物理层的作用,正是要尽可能地屏蔽掉这些差异。,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,。物理层还负责其他一些管理工作，如信道状态评估、能量检测等。,1,物理层的基本概念,1介质选择和频率分配,无线通信的介质包括,电磁波和声波,。电磁波是主要的无线通信介质，而声波一般仅用于水下无线通信。,按照波长进行分类，电磁波可分为无线电波、微波、红外线、毫米波以及光波等。,2通信信道分配,通信信道,是数据传输的通路，在计算机网络中信道分为,物理信道,和,逻辑信道,。,物理信道按传输数据类型的不同分为,数字信道,和,模拟信道,，还可根据传输介质的不同分为有线信道和无线信道。,4.2.2通信信道分配,调制与解调技术,是无线通信系统的关键技术之一。,调制,是指将来自于信源的基带信号通过改变,高频载波,的幅度、相位或频率，随着基带信号幅度的变化而变化，使之适用于网络信道通信的已调信号或频带信号。,解调,则是将基带信号从载波中,提取,出来以便接受处理和理解的过程。,4.2.3调制解调方式,4,.2.,4WSN物理层的设计,1,传输介质,目前无线传感器网络采用的,主要传输介质,包括,无线电,、,红外线和光波等,。,表,3.1,列出了,ISM,应用中的可用频段。,ISM,(Industrial Scientific Medical)Band,，此频段,(2.42.4835GHz),主要是开放给工业，科学、医学，三个主要机构使用，该频段是依据美国联邦通讯委员会,(FCC),所定义出来，属于,Free License,，并没有所谓使用授权的限制。,ISM,频段在各国的规定并不统一。如在美国有三个频段,902-928 MHz,2400-2483.5 MHz und 5725-5850 MHz,，而在欧洲,900MHz,的频段则有部份用于,GSM,通信。,2.4GHz,为各国共同的,ISM,频段。,因此无线局域网，蓝牙，,ZigBee,等无线网络，均可工作在,2.4GHz,频段上,。,2,物理层帧结构,表,3-2,描述了无线传感器网络结点,普遍,使用的一种,物理层帧结构,。,3,物理层设计技术,物理层主要负责数据的,硬件加密,、,调制解调,、,发送与接收,，是决定传感器网络结点的体积、成本和能耗的关键环节。,物理层的设计目标是以,尽可能少的能量消耗,获得较大的链路容量。,物理层需要考虑编码调制技术、通信速率和通信频段等问题：,(1),编码调制,技术影响占用频率带宽、通信速率、收发机结构和功率等一系列的技术参数。,(2),提高数据传输速率,可以减少数据收发的时间，,在低速无线个域网,(LR-PAN),的,802.15.4,标准中，定义的物理层是在,868MHz,、,915MHz,、,2.4GHz,三个载波频段收发数据。在这三个频段都使用了,直接序列扩频方式,。,IEEE 802.15.4,标准非常适合无线传感器网络的特点。是传感器网络物理层协议标准的最有力竞争者之一。目前基于该标准的,射频芯片也相继,推出，例如,Chipcon,公司的,CC2420,无线通信芯片。,总的来看，针对无线传感器网络的特点，现有的物理层设计基本采用结构简单的调制方式，在频段选择上主要集中在,433,464MHz,、,902,928MHz,和,2.4,2.5GHz,的,ISM,波段。,3,物理层设计技术,4,.3,数据链路层协议,无线传感网络除了需要传输层机制实现高等级误差和拥塞控制外，还需要数据链路层功能。总体而言，数据链路层主要负责,多路数据流,、数据结构探测、,媒体访问,和,误差控制,，从而确保通信网络中可靠的,Point-to-Point,与,Point-to-Multipoint,连接。然而，无线传感网络协作与面向应用的性质，以及无线传感节点的物理约束,(,例如能量和处理能力约束,),决定了完成这些功能的方式。,多跳自组织无线传感网络,MAC,层协议需要实现两个目标：,（,1),对于感知区域内密集布置节点的多跳无线通信，需要建立数据通信链接以获得基本的网络基础设施。,（,2),为了使无线传感节点,公平有效,地共享通信资源，需要对共享媒体的访问进行管理。,无线传感网络的,MAC,协议必须具有固定,能量保护,、,移动性管理,和失效恢复策略。,考虑现有的,MAC,解决方案，主要包含以下几种访问方式：,(1),基于,TDMA,的媒体访问,(2),基于混合,TDMA/FDMA,的媒体访问,(3),基于,CSMA,媒体访问,1,媒体访问控制,一般而基于,ARQ,的误差控制主要采用,重新传送,恢复丢失的数据包,/,帧。虽然其他无线网络的数据链路层利用了基于,ARQ,的误差控制方案，但由于无线传感节点能量与处理资源的不足，无线传感网络应用中,ARQ,的有效性受到了限制。另外，,FEC,方案具有固有的解码复杂性，需要无线传感节点消耗大量处理资源。因此，具有,低复杂度编码与解码,方式的简单误差控制码可能是无线传感网络中误差控制的最佳解决方案。,2,误差控制,4,.4,网络层协议,无线传感网络的网络层通常根据下列,原则,进行设计：,(1),能量有效性,是必须考虑的关键问题；,(2),多数无线传感网络以,数据为中心,；,(3),理想的无线传感网络采用,基于属性的寻址,和位置感知方式；,(4),数据聚集仅在不妨碍无线传感节点的协作效应时是有效的；,(5),路由协议易于与其它网络,(,例如,Internel),相结合。,为了与信息或数据紧密结合，需要根据,数据中心,技术设计路由协议,。数据中心路由协议采用基于属性的命名，即根据观察对象的属性进行查询。利用数据聚集的设计原则,解决数据中心路由中的,内爆和交迭,问题。如图,3-4,所示，,Sink,节点查询无线传感网络来观测对象的周围环境。收集信息的无线传感网络可理解为一个颠倒的多点传送树，对象区域内的节点向,Sink,节点发送收集到的数据。,图,3-4,中无线传感节点,E,聚集无线传感节点,A,和,B,的数据，而无线传感节点,F,聚集无线传感节点,C,和,D,的数据。,3.4,网络层协议,网络层设计原则之一是易于与其他网络相结合,，如图,3-5,所示，,Sink,节,点作为其他网络的网关，是,通信中枢,。用户可根据查询目的或应用类型通过,Internet,或卫星网络查询无线传感网络。,4,.4,网络层协议,网络技术领域的发展水平见表,3-3,，表中列举的方案采用了上述的一些设计原则。,SMECN,生成了无线传感网络能量有效的分网图，目的是在保持网络节点连通性的条件下使能耗最小化。另外，定向扩散协议是一种数据中心的分发协议，采用基于属性的命名方案进行数据的查询和收集。,4,.4,网络层协议（后续课程详解）,此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢,