第5次课WSN通信与组网技术01

1、第第5 5次课次课 WSN WSN通信与组网技术通信与组网技术(1)(1)学习目标学习目标掌握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4 4.1.1无线传感器网络协议结构无线传感器网络协议结构4 4.1.1.1.1传统网络协议传统网络协议OSIOSI参考模型参考模型 如图如图4 4-1-1所示所示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 )( OSI )共有共有7 7个层次个层次, ,从底向上依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

2、和应用层物理层和应用层外，其余每层都和相邻上下两层进行通信。外，其余每层都和相邻上下两层进行通信。4 4.1.2.1.2无线传感器网络协议的无线传感器网络协议的分层结构分层结构从从无线联网无线联网的角度来看，传感器网络结点的体系由分层的的角度来看，传感器网络结点的体系由分层的网络通信协议网络通信协议、网网络管理平台络管理平台和和应用支撑平台应用支撑平台三个部分组成三个部分组成( (如图如图4 4-2-2所示所示) )。1. 1. 网络通信协议网络通信协议类似于传统类似于传统InternetInternet网络中的网络中的T TCP/IPCP/IP协议体系，它由协议体系，它由物理层物理层、数据链

3、路数据链路层、网络层、传输层层、网络层、传输层和和应用层应用层组成组成( (如图如图3-23-2所示所示););如图如图3-33-3所示。所示。MACMAC层和物理层协议采用的是国际电气电子工程师协会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(The Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE)IEEE)制定的制定的IEEE 802.15.4IEEE 802.15.4协议。协议。IEEE 802.15.4IEEE 802

4、.15.4是针对是针对低速无线个域网低速无线个域网(Low-Rate Wireless Personal (Low-Rate Wireless Personal Area NetworkArea Network，LR-WPANLR-WPAN) )制定的标准。制定的标准。该标准把低该标准把低能量消耗能量消耗、低速率传输低速率传输、低成本低成本作为重点目标，旨在为个人作为重点目标，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。或家庭范围内不同设备之间低速互连提供统一标准。IEEE IEEE 802.15.4802.15.4的网络特征与无线传感器网络存在很多相似之处，所以的网络特征与无线传

5、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。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. 1. 网络通信协议网络通信协议(1)(1)物理层。物理层。 传感器网络的物理层负责信号的传感器网络的物理层负责信号的调制调制和和数据的收发数据的收发，所采用的传输介质主要有所采用的传输介质主要有无线电、红外线、光波无线电、红外线、光波等。等。(2)(2)数据链路层。数据链路层。 传感器网络的数据链路层负责传感器网络的数据链路层负责数据成帧数据成帧、帧检、帧检测、测、介质访问介质访问和差错控制。介质访问协议保证可靠的和差错控制。介质访问协议保证可靠的点对点点对点

6、和和点点对对多点通信多点通信，差错控制差错控制保证源结点发出的信息可以完整无误地到保证源结点发出的信息可以完整无误地到达目标结点。达目标结点。1. 1. 网络通信协议网络通信协议(3)(3)网络层。网络层。 传感器网络的网络层负责传感器网络的网络层负责路由发现和维护路由发现和维护，通常大多数结，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。送至汇聚结点。(4)(4)传输层。传输层。 传感器网络的传输层传感器网络的传输层负责数据流的传输控制，负责数据流的传输控制，主要通过主要通过汇汇聚结点采集

7、传感器网络内的数据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，并使用卫星、移动通信网络、因特网或者其他的链路（或者其他的链路（RS232RS232）与外部网络通信，是保证通信服务质量的重要）与外部网络通信，是保证通信服务质量的重要部分。部分。1. 1. 网络通信协议网络通信协议2. 2. 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器网络的管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，包括理，包括拓扑控制拓扑控制、服务质量管理服务质量管理、能量管理能量管理、安全管理安全管理、移动管理移动管理、网络管理网络管理等。等。(1

8、)(1)拓扑控制拓扑控制。 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，这导致网络的态，这导致网络的拓扑结构不断变化，拓扑结构不断变化，而需要通过拓扑控制技术管理各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，优化化MACMAC协议和路由协议，降低能耗。协议和路由协议，降低能耗。(2)(2)服务质量管理。服务质量管

9、理。 服务质量管埋服务质量管埋在各协议层设计在各协议层设计队列管理、优先级机队列管理、优先级机制制或者或者带宽预留带宽预留等机制，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。源，以用户可接受的性能指标工作。(3)(3)能量管理。能量管理。 在传感器网络中电源能量是各个结点最宝

10、贵的资源。为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量的使用。每个协议层次中都要增加能量控制能量控制代码，并提供给操作系统代码，并提供给操作系统进行能量分配决策。进行能量分配决策。2. 2. 网络管理平台网络管理平台协议层结构(4)(4)安全管理。安全管理。 由于结点由于结点随机部署随机部署、网络拓扑的动态性网络拓扑的动态性和无线信道的不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稳定，传统的安全机制

11、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，采用诸如传感器网络安全机制，采用诸如扩频通信、接入认证扩频通信、接入认证/ /鉴权、数字水印和鉴权、数字水印和数据加密等数据加密等技术。技术。(5)(5)移动管理。移动管理。 在某些传感器网络的应用环境中，结点可以移动，在某些传感器网络的应用环境中，结点可以移动，移动移动管理用来管理用来监测和控制监测和控制结点结点的移动，维护到汇聚结点的的移动，维护到汇聚结点的路由路由，还可以使传，还可以使传感器结点跟踪它的邻居。感器结点跟踪它的邻居。2. 2. 网络管理平台网络管理平台(6)(6)网络管理。网络管理。 网络管理是对传感器网络上的网

12、络管理是对传感器网络上的设备和传输系统进设备和传输系统进行有效监视、控制、诊断和测试所行有效监视、控制、诊断和测试所采用的技术和方法。它要求协采用的技术和方法。它要求协议各层嵌入各种议各层嵌入各种信息接口信息接口，并定时收集协议运行状态和流量信息，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。协调控制网络中各个协议组件的运行。2. 2. 网络管理平台网络管理平台3. 3. 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基础之上，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，包括一系列基于包括一系列基于监测任务的应用层软件监测任务的应用层软

13、件，通过应用，通过应用服务接口服务接口和网和网络管理接口来为终端用户提供各种具体应用的支持。络管理接口来为终端用户提供各种具体应用的支持。4 4.2.2物理层物理层4 4.2.1.2.1物理层的概述物理层的概述 1 1物理层的基本概念物理层的基本概念 现有无线网络中的物理设备和传输介质的种类非常多，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。而通信手段也有许多不同的方式。物理层的作用物理层的作用正是要正是要尽可能地屏蔽掉这些差异。尽可能地屏蔽掉这些差异。物理层的主要功能如下：物理层的主要功能如下：(1)(1)为数据终端设备为数据终端设备(Data Termin

14、al Equipment(Data Terminal Equipment，DTE)DTE)提供传送数据提供传送数据的的通路通路；(2)(2)传输传输数据；数据；(3)(3)其他其他管理工作管理工作。物理层还负责其他一些管理工作，如信道状态评。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。估、能量检测等。1 1物理层的基本概念物理层的基本概念 1 1介质选择和频率分配介质选择和频率分配u 无线通信的介质包括无线通信的介质包括电磁波和声波电磁波和声波。电磁波是主要的。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。无线通信介质，而声波一般仅用于水下无线通信。u 按照波长进行分

15、类，电磁波可分为无线电波、微波、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。红外线、毫米波以及光波等。2 2通信信道分配通信信道分配u 通信信道通信信道是数据传输的通路，在计算机网络中信道分是数据传输的通路，在计算机网络中信道分为为物理信道物理信道和和逻辑信道逻辑信道。u 物理信道按传输数据类型的不同分为物理信道按传输数据类型的不同分为数字信道数字信道和和模拟模拟信道信道，还可根据传输介质的不同分为有线信道和无线，还可根据传输介质的不同分为有线信道和无线信道。信道。4.2.24.2.2通信信道分配通信信道分配 调制与解调技术调制与解调技术是无线通信系统的关键技术之一

16、。是无线通信系统的关键技术之一。u 调制调制是指将来自于信源的基带信号通过改变是指将来自于信源的基带信号通过改变高频载波高频载波的幅的幅度、相位或频率，随着基带信号幅度的变化而变化，使之度、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。适用于网络信道通信的已调信号或频带信号。u 解调解调则是将基带信号从载波中则是将基带信号从载波中提取提取出来以便接受处理和理出来以便接受处理和理解的过程。解的过程。4.2.3调制解调方式调制解调方式4 4.2.2.4 4WSNWSN物理层的设计物理层的设计1 1传输介质传输介质目前无线传感器网络采用的目前无线传感器网络采用

17、的主要传输介质主要传输介质包括包括无线电无线电、红外线和光波等红外线和光波等。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

18、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 2物理层帧结构物理层帧结构 表表3-23-2描述了无线传感器网络结点描述了无线传感器网络结点普遍普遍使用的一种使用的一种物理层帧结构物理层帧结构。3 3物理层设计技术物理层设计技术物理层主要负责数据的物理层主要负责数据的硬件加密硬件加密、调制解调调制解调、发送与接收发送与接收，是决定，是决定传感器网络结点的体积、成本和能耗的关键环节。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物理层的设计目标是以尽可能少的能量消耗尽可能少的能量消耗获得较大的链路容量。获得较大的链路容量。

19、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：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)(1)编码调制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。等一系列的技术参数。 (2)(2)提高数据传输速率提高数据传输速率可以减少数据收发的时间，可以减少数据收发的时间，在低速无线个域网在低速无线个域网(LR-PAN)(LR-PAN)的的802.15.4802.15.4标准中，定义的物理层是在标准中，定义的物理层是在868MHz868MHz、915MHz915MHz、2.4GHz2.4GHz三个载波频

20、段收发数据。在这三个频段都使三个载波频段收发数据。在这三个频段都使用了用了直接序列扩频方式直接序列扩频方式。IEEE 802.15.4IEEE 802.15.4标准非常适合无线传感器网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。目前基于该标准的基于该标准的射频芯片也相继射频芯片也相继推出，例如推出，例如ChipconChipcon公司的公司的CC2420CC2420无线无线通信芯片。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总的来看，针对无线传感器网络的特点，现有的物理层

21、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结构简单的调制方式，在频段选择上主要集中在433433464MHz464MHz、902902928MHz928MHz和和2.42.42.5GHz2.5GHz的的ISMISM波段。波段。3 3物理层设计技术物理层设计技术4 4.3.3数据链路层协议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多路数据流、数据、数据结构探测、结构探测、媒体访问媒体访问和

22、和误差控制误差控制，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-to-PointPoint与与Point-to-MultipointPoint-to-Multipoint连接。然而，无线传感网络协作与面向应连接。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例如能量和处理能力约束) )决决定了完成这些功能的方式。定了完成这些功能的方式。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：u （1)1)对于感知区域内密集布置节

23、点的多跳无线通信，需要建立数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。据通信链接以获得基本的网络基础设施。u （2)2)为了使无线传感节点为了使无线传感节点公平有效公平有效地共享通信资源，需要对共享地共享通信资源，需要对共享媒体的访问进行管理。媒体的访问进行管理。无线传感网络的无线传感网络的MACMAC协议必须具有固定协议必须具有固定能量保护能量保护、移动性管理移动性管理和和失效恢复策略。失效恢复策略。 考虑现有的考虑现有的MACMAC解决方案，主要包含以下几种访问方式：解决方案，主要包含以下几种访问方式：(1)(1)基于基于TDMATDMA的媒体

24、访问的媒体访问 (2)(2)基于混合基于混合TDMA/FDMATDMA/FDMA的媒体访问的媒体访问 (3)(3)基于基于CSMACSMA媒体访问媒体访问 1 1媒体访问控制媒体访问控制 一般而基于一般而基于ARQARQ的误差控制主要采用的误差控制主要采用重新传送重新传送恢复丢失的数据包恢复丢失的数据包/ /帧。虽帧。虽然其他无线网络的数据链路层利用了基于然其他无线网络的数据链路层利用了基于ARQARQ的误差控制方案，但由于无的误差控制方案，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线传感节点能量与处理资源的不足，无线传感网络应用中ARQARQ的有效性受的有效性受到了限制。另外

25、，到了限制。另外，FECFEC方案具有固有的解码复杂性，需要无线传感节点消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，具有耗大量处理资源。因此，具有低复杂度编码与解码低复杂度编码与解码方式的简单误差控制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。码可能是无线传感网络中误差控制的最佳解决方案。2 2误差控制误差控制4 4.4.4网络层协议网络层协议无线传感网络的网络层通常根据下列无线传感网络的网络层通常根据下列原则原则进行设计：进行设计： (1) (1) 能量有效性能量有效性是必须考虑的关键问题；是必须考虑的关键问题； (2) (2) 多数无线传感网络以多数无线传感网络以数据为中心数据为中心； (3) (3) 理想的无线传感网络采用理想的无线传感网络采用基于属性的寻址基于属性的寻址和位置感知方式；和位置感知方式； (4) (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) (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)Internel)相结合。相结合。为了与信息或数据紧密结合，需要根据为了与信息或数据紧密结合，需要根据数据中心数据中心技术设计路由技术设计路由协议协议。数据中心路由协议采用基于属性的命名，即根据观察对。数据中心路由