无线传感器网络通信

1、无线传感器网络无线传感器网络- - 网络通信网络通信无线传感器网络无线传感器网络OSI参考模型参考模型开放式系统互联网络参考模型开放式系统互联网络参考模型( OSI )共有共有7个层次：物理层、数据个层次：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。和应用层外，其余每层都和相邻上下两层进行通信。无线传感器网络协议的分层结构无线传感器网络协议的分层结构网络通信协议网络通信协议类似于传统类似于传统Internet网络中的网络中的TCP/IP协议体系，它由物理层、数据链路层、

2、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网络层、传输层和应用层组成网络管理平台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、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。安全管理、移动管理、网络管理等。1. 拓扑控制：拓扑结构不断变化拓扑控制：拓扑结构不断变化2. 服务质量管理：设计队列管理、优先级机制或者带宽预留服务质量管理：设计队列管理、优先级机制或者带宽预留等机制；网络与用户之间以及网络上互相通信的用户之间等机

3、制；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。关于信息传输与共享的质量约定。3. 能量管理：合理、有效地控制结点对能量的使用，每个协能量管理：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。能量分配决策。网络管理平台网络管理平台4安全管理：接入认证安全管理：接入认证/鉴权、数字水印和数据加密等鉴权、数字水印和数据加密等技术。技术。5移动管理：监测和控制结点的移动，维护到汇聚结点移动管理：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

4、。的路由，还可以使传感器结点跟踪它的邻居。6 网络管理：对传感器网络上的设备和传输系统进行有网络管理：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。效监视、控制、诊断和测试所采用的技术和方法。应用支撑平台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，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。各种具体应用的支持。物理层物理层物理层的特点是负责在物

5、理链接上传输二进制比特流，并提供为建立、维护物理层的特点是负责在物理链接上传输二进制比特流，并提供为建立、维护和释放物理链接所需要的机械、电气、功能和规程的特性和释放物理链接所需要的机械、电气、功能和规程的特性物理层的主要功能如下：物理层的主要功能如下：(1)为数据终端设备提供传送数据的通路。为数据终端设备提供传送数据的通路。数据通路可以试一个物理介质，也可以是由多个物理介质连接而成的。数据通路可以试一个物理介质，也可以是由多个物理介质连接而成的。一次完整的数据传输包括激活物理链接、传送数据和终止物理链接。一次完整的数据传输包括激活物理链接、传送数据和终止物理链接。(2)传输数据。传输数据。保

6、证数据能在物理层正确通过，并提供足够的带宽，以减少信道的拥塞。保证数据能在物理层正确通过，并提供足够的带宽，以减少信道的拥塞。(3)其他管理工作。其他管理工作。如信道状态评估、能量检测等。如信道状态评估、能量检测等。物理接口的四个特性物理接口的四个特性 (1)机械特性机械特性 物理链接时使用的可接插连接器的形状和尺寸，连接器中的引脚数量和排物理链接时使用的可接插连接器的形状和尺寸，连接器中的引脚数量和排列情况等列情况等 (2)电气特性电气特性 物理链接上传输二进制比特流时，线路上的信号的电平高低、阻抗以及阻物理链接上传输二进制比特流时，线路上的信号的电平高低、阻抗以及阻抗匹配、传输速率与距离限

7、制抗匹配、传输速率与距离限制 (3)功能特性功能特性 物理接口上各条信号线的功能分配和确切定义。物理接口信号线一般分为物理接口上各条信号线的功能分配和确切定义。物理接口信号线一般分为数据线、控制线、定时线和地线数据线、控制线、定时线和地线 (4)规程特性规程特性 定义了信号线进行二进制比特流传输时的一组操作过程，包括各信号线的定义了信号线进行二进制比特流传输时的一组操作过程，包括各信号线的工作规则和时序工作规则和时序物理层的主要技术物理层的主要技术无线通信物理层的主要技术包括无线通信物理层的主要技术包括介质的选择、频段的选择、调制技术和扩频介质的选择、频段的选择、调制技术和扩频技术技术。 (1

8、) (1)介质和频段选择介质和频段选择 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，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、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、毫米波和光波等。微波、红外线、毫米波和光波等。无线电波：容易产生，传播远，穿过建筑物，全方向传播，发射方和接收方的无线电波：容易产生，传播远，穿过建筑物，全方向传播，发射方和接收方的装置在位置上不必要求很精确的对准，在无线网络中使用最广泛。装置在位置上不必要求很精确的对准，在无线网络中

9、使用最广泛。物理层的主要技术物理层的主要技术无线电波的通信限制较少，通常人们选择无线电波的通信限制较少，通常人们选择“工业、科学和医工业、科学和医疗疗”(Industrial(Industrial，Scientific and Medical, ISM)Scientific and Medical, ISM)频段。频段。ISMISM频段优点：自由频段，无须注册，可选频谱范围大，实现灵活。频段优点：自由频段，无须注册，可选频谱范围大，实现灵活。ISMISM频段缺点：功率受限，与现有多种无线通信应用存在相互干扰问题。频段缺点：功率受限，与现有多种无线通信应用存在相互干扰问题。无线电波的传播特性：无

10、线电波的传播特性：采用较低频率，则它能轻易地通过障碍物，但电波能量随着与信号源距离采用较低频率，则它能轻易地通过障碍物，但电波能量随着与信号源距离r r的增大而急剧减小，大致为的增大而急剧减小，大致为1/r1/r3 3。采用高频传输，则它趋于直线传播，且受障碍物阻挡的影响。无线电波易受采用高频传输，则它趋于直线传播，且受障碍物阻挡的影响。无线电波易受发动机和其它电子设备的干扰。发动机和其它电子设备的干扰。物理层的主要技术：红外通信物理层的主要技术：红外通信红外通信优点：无须注册，并且抗干扰能力强。红外通信优点：无须注册，并且抗干扰能力强。红外通信缺点：穿透能力差，要求发送者和接收者之间红外通信

11、缺点：穿透能力差，要求发送者和接收者之间存在视距关系。只能在一些特殊场合得到应用。存在视距关系。只能在一些特殊场合得到应用。物理层的主要技术物理层的主要技术(2)(2)调制技术调制技术 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。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

12、。通常将带通信号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。称为已调信号，而基带信号称为调制信号。模拟调制是用模拟基带信号对高频载波的某一参量进行控制，使高频模拟调制是用模拟基带信号对高频载波的某一参量进行控制，使高频载波随着模拟基带信号的变化而变化。载波随着模拟基带信号的变化而变化。数字调制是用数字基带信号对高频载波的某一参量进行控制，使高频数字调制是用数字基带信号对高频载波的某一参量进行控制，使高频载波随着数字基带信号的变化而变化。目前通信系统都在由模拟制式载波随着数字基带信号的变化而变化。目前通信系统都在由模拟制式向数字制式过渡，因

13、此数字调制已经成为了主流的调制技术。向数字制式过渡，因此数字调制已经成为了主流的调制技术。物理层的主要技术物理层的主要技术由于振幅键控信号的抗噪声性能不够理想，因而目前在无线通由于振幅键控信号的抗噪声性能不够理想，因而目前在无线通信中广泛应用的调制方法是信中广泛应用的调制方法是频率键控频率键控和和相位键控相位键控。物理层的主要技术物理层的主要技术（3 3）扩频技术）扩频技术 扩频又称为扩展频谱：是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大扩频又称为扩展频谱：是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编于所传信息必需的最小

14、带宽；频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现，与所传信息数据无关；在接收端用同样的码进行相关同码及调制的方法来实现，与所传信息数据无关；在接收端用同样的码进行相关同步接收、解扩和恢复所传信息数据。步接收、解扩和恢复所传信息数据。扩频通信与一般无线通信系统相比，主要是在发射端增加了扩频调制，而在接扩频通信与一般无线通信系统相比，主要是在发射端增加了扩频调制，而在接收端增加了扩频解调。收端增加了扩频解调。扩频技术的优点包括：易于重复使用频率，提高了无线频谱利用率扩频技术的优点包括：易于重复使用频率，提高了无线频谱利用率; ;抗干扰性抗干扰性强，误码率低强，误码率低; ;隐

15、蔽性好，对各种窄带通信系统的干扰很小隐蔽性好，对各种窄带通信系统的干扰很小; ;可以实现码分多址可以实现码分多址; ;抗多径干扰抗多径干扰; ;能精确地定时和测距能精确地定时和测距; ;适合数字话音和数据传输，以及开展多种通适合数字话音和数据传输，以及开展多种通信业务信业务; ;安装简便，易于维护。安装简便，易于维护。物理层的设计物理层的设计物理层主要负责数据的物理层主要负责数据的硬件加密、调制解调、发送与接收硬件加密、调制解调、发送与接收，是决定传感器网，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

16、可能少的能量消耗获得较大的链路容量。为了确保网络运行的平稳性能，该层一般需能量消耗获得较大的链路容量。为了确保网络运行的平稳性能，该层一般需要与要与MAC层进行密切交互。层进行密切交互。物理层需要考虑物理层需要考虑编码调制技术、通信速率和通信频段编码调制技术、通信速率和通信频段等问题：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。比较常见的编码调制技术包括幅移键控、频移键控、系列的技术参数。比较常见的编码调制技术包括幅移键控、频移键控、相移键控和各种扩频技术。相移键控和各种扩频技术。 (2

17、)提高数据传输速率可以减少数据收发的时间，对于节能具有意义，但提高数据传输速率可以减少数据收发的时间，对于节能具有意义，但需要同时考虑提高网络速度对误码的影响。一般用单个比特的收发能耗需要同时考虑提高网络速度对误码的影响。一般用单个比特的收发能耗来定义数据传输对能量的效率，单比特能耗越小越好。来定义数据传输对能量的效率，单比特能耗越小越好。数据链路层数据链路层数据链路层主要负责数据链路层主要负责多路数据流、数据结构探测、媒体访多路数据流、数据结构探测、媒体访问和误差控制问和误差控制，从而确保通信网络中可靠的，从而确保通信网络中可靠的Point-to-Point与与Point-to-Multip

18、oint连接。连接。 无线传感网络协作与面向应用的性质，以及无线传感节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点的物理约束(例如能量和处理能力约束例如能量和处理能力约束)决定了完成这些功决定了完成这些功能的方式。能的方式。数据链路层数据链路层媒体访问控制（媒体访问控制（MAC）多跳自组织无线传感网络多跳自组织无线传感网络MACMAC层协议需要实现两个目标：层协议需要实现两个目标： （1)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。链接以获得基本的网络基础设施。 （2)2

19、)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。访问进行管理。比较：比较：1.1. 对基于基础架构的系统，对基于基础架构的系统，MACMAC协议的主要目标是提高协议的主要目标是提高QoSQoS和有效带宽，因此和有效带宽，因此主要采用的是专用的的资源规划策略。主要采用的是专用的的资源规划策略。2.2. 而因为信息管理花费很大和存在链接建立延迟而不适合无线传感器网络。而因为信息管理花费很大和存在链接建立延迟而不适合无线传感器网络。基于竞争的通道访问需要一直对通道进行监测，这是一项消耗能量的任务。基于竞争的通道访问需

20、要一直对通道进行监测，这是一项消耗能量的任务。3.3. 无线传感网络的无线传感网络的MACMAC协议必须具有固定能量保护、移动性管理和失效恢复协议必须具有固定能量保护、移动性管理和失效恢复策略。策略。数据链路层数据链路层误差控制误差控制1. ARQ（Automatic Repeat-reQuest）的误差控制主要采用重新传送）的误差控制主要采用重新传送恢复丢失的数据包恢复丢失的数据包/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，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

21、络应用中无线传感网络应用中ARQ的有效性受到了限制。的有效性受到了限制。2. FEC（向前纠错）方案具有固有的解码复杂性，需要无线传感节点消（向前纠错）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。耗大量处理资源。3. 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。中误差控制的最佳解决方案。网络层网络层无线传感网络的网络层通常根据下列原则进行设计：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；能量有效性是必须考虑的关键问题； (2) 多数无

22、线传感网络以数据为中心；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；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；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路由协议易于与其它网络(例如例如Internel)相结合。相结合。多跳通信与远程无线通信相比，能更好得客服信号传播和多跳通信与远程无线通信相比，能更好得客服信号传播和衰减效应，并且传送信息时消耗的能量要小得多。衰减效应，并且传送信息时消耗的能量要小得多。网络层网络层“找出温度超过找出温

23、度超过70度的区域位置度的区域位置”-用户感兴趣的是无线传感器网络所用户感兴趣的是无线传感器网络所收集的观察对象数据，而不是个别节点收集的数据。用户使用观察对象的属收集的观察对象数据，而不是个别节点收集的数据。用户使用观察对象的属性查询无线传感器网络。性查询无线传感器网络。数据中心路由协议同样应利用数据聚集的设计原则来解决数据中心路由数据中心路由协议同样应利用数据聚集的设计原则来解决数据中心路由中的内爆和交迭问题。中的内爆和交迭问题。数据聚集可理解为一套自动化方法，将来自很多无线传感器节点的数据结合数据聚集可理解为一套自动化方法，将来自很多无线传感器节点的数据结合为一组有意义的信息。从这个角度

24、而言，数据聚集是一种数据融合。为一组有意义的信息。从这个角度而言，数据聚集是一种数据融合。网络层网络层网络层设计原则之一是易于网络层设计原则之一是易于与其他网络相结合，如图所与其他网络相结合，如图所示，示，Sink节点作为其他网络节点作为其他网络的网关，是通信中枢。用户的网关，是通信中枢。用户可根据查询目的或应用类型可根据查询目的或应用类型通过通过Internet或卫星网络查询或卫星网络查询无线传感网络。无线传感网络。网关(gateway)：在采用不同体系结构或协议的网络之间进行互通时，用于提供协议转换、路由选择、数据交换等网络兼容功能的设施网络层协议：路由协议传输层传输层一般而言，传输层的主

25、要目标是：一般而言，传输层的主要目标是：1. 采用多路技术和分离技术作为应用层和网络层的桥采用多路技术和分离技术作为应用层和网络层的桥梁；梁；2. 根据应用层的特定可靠度需求在源节点和汇节点间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；提供带有误差控制机制的数据传递服务；3. 通过流动和拥塞机制调节注入网络的信息量。通过流动和拥塞机制调节注入网络的信息量。Event-to-Sink传输传输无线传感网络传输层的无线传感网络传输层的Event-to-Sink可靠度是必要的，包括了事可靠度是必要的，包括了事件特征到件特征到Sink节点的可靠通信，而不是针对区域内各

26、节点生成的单节点的可靠通信，而不是针对区域内各节点生成的单个传感报告个传感报告/数据包进行基于数据包的可靠传递。图数据包进行基于数据包的可靠传递。图3-6说明了以收说明了以收集事件到集事件到Sink节点数据流的识别符为基础的节点数据流的识别符为基础的Event-to-Sink可靠传可靠传输概念。输概念。Event-to-Sink传输传输为了在为了在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。一旦事件被观察对象覆盖区域，即事件半径范围内一可能的拥塞。一旦事件被观察对象覆盖区域，即事件半径范围内一定数量的无线传感器节点感知，这

27、些节点将产生大量的数据，很容定数量的无线传感器节点感知，这些节点将产生大量的数据，很容易造成前向路径上的拥塞。易造成前向路径上的拥塞。尽管网络拥塞时由相关数据流造成的数据包丢失的情况可以体现尽管网络拥塞时由相关数据流造成的数据包丢失的情况可以体现Eventto-Sink可靠度，但过度的网络能力对可靠度，但过度的网络能力对sink节点的有效输出是节点的有效输出是有害的，需要在传输层进行拥塞控制，来确保在有害的，需要在传输层进行拥塞控制，来确保在sink节点处能够进节点处能够进行可靠的事件探测。在保证行可靠的事件探测。在保证sink节点所需精度等级的同时，合理的节点所需精度等级的同时，合理的拥塞控

28、制机制有助于节省能量。拥塞控制机制有助于节省能量。虽然传输层解决方案适用于常规无线网络，但无法用于无线传感虽然传输层解决方案适用于常规无线网络，但无法用于无线传感器网络事件到中心节点的可靠传输。这些解决方案主要以按照器网络事件到中心节点的可靠传输。这些解决方案主要以按照End-to-End的的TCP语义的可靠数据传输为目标，用于解决无线语义的可靠数据传输为目标，用于解决无线链路误差和移动性造成的问题。链路误差和移动性造成的问题。End-to-End可靠的概念是基于确认和重传的，因而会消耗大量可靠的概念是基于确认和重传的，因而会消耗大量能量。能量。Event-to-Sink传输传输与常规与常规E

29、nd-to-End可靠度传输层协议不同，事件到中心节点可靠传输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)协议以协议以Event-to-Sink可可靠度概念为基础，提供了不需要任何中介存储的可靠事件探测。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

30、标。同时，目标。同时，ESRT不需要各个传感器的标识符，仅需要事件不需要各个传感器的标识符，仅需要事件ID。十分重。十分重要的一点是，要的一点是，ESRT算法主要在算法主要在Sink节点上运行，使资源有限的无线传感节点上运行，使资源有限的无线传感节点需要完成的工作量最小化。节点需要完成的工作量最小化。Sink-to-Sensors传输传输Sink到到Sensors的路径上包含了的路径上包含了Sink节点为实现可操作性节点为实现可操作性或特定应用而发送的数据，可能包括操作系统二进制码，或特定应用而发送的数据，可能包括操作系统二进制码，编程编程/重新分派设置文件，以及特定应用的队列与命令。这重新分

31、派设置文件，以及特定应用的队列与命令。这类数据的分发几乎需要类数据的分发几乎需要100%的可靠传递。的可靠传递。 为了不消耗稀缺的节点资源，可靠性机制应慎重结合到为了不消耗稀缺的节点资源，可靠性机制应慎重结合到传输层协议中。局部重传和否认方式将比传输层协议中。局部重传和否认方式将比End-to-End重重传和确认更可取，可用来保持最小的能量花费。传和确认更可取，可用来保持最小的能量花费。 此外，此外， Sink-to-Sensors的数据传输主要由的数据传输主要由sink节点发节点发起，因此具有足够能量和通信资源的起，因此具有足够能量和通信资源的Sink节点可使用大功节点可使用大功率无线广播数据。这有助于减少无线传感器节点的能耗。率无线广播数据。这有助于减少无线传感器节点的能耗。应用层应用层传感器管理协议传感器管理协议 系统管理通过采用传感器管理协议系统管理通过采用传感器管理协议(SMP，Sensor ManagementProtocol)与无线传感网络进行交互。无线传感