第4章WSN通信与组网技术---01.ppt

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1、第4章,WSN通信与组网技术,学习目标,掌握WSN协议结构 了解传感器网络物理层的设计 了解数据链路层协议 了解网络层协议 了解传输层协议 了解MAC协议 了解路由协议,4.1无线传感器网络协议结构,4.1.1传统网络协议OSI参考模型 如图4-1所示开放式系统互联网络参考模型( OSI )共有7个层次,从底向上依次是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。除物理层和应用层外，其余每层都和相邻上下两层进行通信。,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)。,

2、1. 网络通信协议,类似于传统Internet网络中的TCP/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

3、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

4、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

5、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。,

6、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。 (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

7、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、

8、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

9、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,4.2.4 WSN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 M

10、Hz, 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

11、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433464MHz、902928MHz和

12、2.42.5GHz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

13、)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

14、。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

15、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

16、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,4.5 传输层协议,一般而言，传输层的主要目标是： 采用多路技术和分离技术作为应用层和网络层的桥梁； 根据应用层的特定可靠度需求在源节点和汇节点间提供带有误差控制机制的数据传递服务； 通过流动和拥塞机制调节注入网络的信息量。,无线传感节点的能量、处理能力和硬件的限制对设计传输层协议带来了更多的约束。 无线传感网络与其他常规网络模式不同，需要根据特定传感应用目标进行布置，应用范围十分广泛。无线传感网络这些特定

17、目标也影响了传输层协议的设计需要。例如，根据不同应用布置的无线传感网络可能需要不同的可靠度等级和常规控制方式。传输层协议的设计原理主要由无线传感节点的约束和特定应用决定。,4.5 传输层协议,4.5.1 Event-to-Sink传输,无线传感网络传输层的Event-to-Sink可靠度是必要的，包括了事件特征到Sink节点的可靠通信，而不是针对区域内各节点生成的单个传感报告/数据包进行基于数据包的可靠传递。图3-6说明了以收集事件到Sink节点数据流的识别符为基础的Event-to-Sink可靠传输概念。,为了在Sink节点提供可靠事件探测，传输层还需要解决前向路径上可能的拥塞。一旦事件被观

18、察对象覆盖区域(即事件半径范围)内一定数量的无线传感节点感知，这些节点将生成大量的数据，这很容易造成前向路径上的拥塞。过度的网络能力对Sink节点的有效输出是有害的，需要在传输层进行拥塞控制来确保在Sink节点处可靠的事件探测。尽管网络拥塞时数据包丢失(由相关数据流造成)情况可以体现Event-to-Sink可靠度，但在保证Sink节点所需精度等级的同时，合理的拥塞控制机制有助于节省能量。,3.5.1 Event-to-Sink传输,与常规End-to-End可靠度传输层协议不同，事件到中心节点可靠传输(ESRT，Event-to-Sink Reliable Transport)协议以Even

19、t-to-Sink可靠度概念为基础，提供了不需要任何中介存储的可靠事件探测。ESRT是一种新的数据解决方案，其目的是在无线传感网络中用最少的能量花费完成可靠事件探测。其中包括拥塞控制部分，可实现可靠和节能的双重目标。同时，ESRT不需要各个传感器的标识符，仅需要事件ID。十分重要的一点是，ESRT算法主要在Sink节点上运行，使资源有限的无线传感节点需要完成的工作量最小化。,4.5.1 Event-to-Sink传输,4.5.2 Sink-to-Sensors传输,可操作二进制码和特定应用查询与命令的Sink-to-Sensors传输需要更高的可靠度，这种要求包括了一定等级的重新传送和确认机制

20、。返回路径上的Sink-to-Sensors数据传输主要由Sink节点发起，因此具有足够能量和通信资源的Sink节点可使用大功率天线广播数据。这有助于减少多跳无线传感网络基础设施传送的数据量，从而节省节点能量。,4.6应用层协议,4.6.1传感器管理协议 系统管理通过采用传感器管理协议(SMP，Sensor Management Protocol)与无线传感网络进行交互。无线传感网络与其他很多网络不同，节点没有全局ID，而且一般缺少基础设施。因此，SMP需要采用基于属性的命名和基于位置的选址对节点进行访问。,SMP是提供软件操作的管理协议，这些软件操作是以下管理任务所必需的： 将与数据聚集、基

21、于属性的命名和聚类相关的规则引入无线传感节点； 交换与位置搜寻相关的数据； 无线传感节点的时钟同步； 移动无线传感节点； 打开和关闭无线传感节点； 查询无线传感网络设置和节点状态，重新设置无线传感网络； 认证、密码分配与数据通信安全。,4.6.1传感器管理协议,4.6.2任务分派与数据广播协议,无线传感网络的另一个重要操作是“兴趣”分发。用户向无线传感节点、节点的子集或整个网络发送其“兴趣”内容。此“兴趣”内容可与观察对象的某种属性相关，或者与一个触发事件相关。另一种方式是对可用数据进行广播。无线传感节点将可用数据广播给用户，而用户查询其感兴趣的数据。应用层协议为用户软件提供了“兴趣”分发的有

22、效接口的，对较低层操作(例如路由)十分有用。,4.6.3传感器查询与数据分发协议,传感器查询和数据分发协议(SQDDP，Sensor Query and Data Dissemination Protocol)为用户应用提供了问题查询、查询响应和搜集答复的接口。这些查询一般不向特定节点发送，而是采用了基于属性或位置的命名。 传感器查询和任务语言(SQTL，Sensor Query and Tasking Language)提供了更多服务种类。,SQTL支持3种事件，这些事件用关键词receive、every和expire定义。 关键词receive规定了收到一个消息时由无线传感节点生成的事件； 关键词every规定了采用计时器定时而周期性产生的事件； 关键词expire规定了计时器超时引发的事件。 若无线传感节点收到预期消息，而且消息包含一个脚本，则运行此脚本。虽然已经定义了SQTL，但可为各种应用开发不同类别的SQDDP。每种应用中，SQDDP都有特定的执行方式。,4.6.3传感器查询与数据分发协议,