无线传感器网络的体系结构与设计PPT学习教案

1、会计学1 无线传感器网络的体系结构与设计无线传感器网络的体系结构与设计 传感器节点传感器节点 形态形态 一般是小型或微型嵌入式设备（MEMS） 特点特点 计算、存储、通信能力都较弱 作用作用 转发其他节点数据 与其他节点配合协同工作 功能功能 数据搜集、处理、传输 部署部署 随机方式 飞行器、火箭抛洒 人工埋置等 第1页/共46页 无线传感器网络体系结构概述 汇聚节点汇聚节点 形态形态 特殊传感器节点或计算终端 特点特点 计算、存储、通信能力都较强 双重身份控制内网沟通内外 被动触发被动触发 由一般传感器节点发出的事件或消息触发 功能功能 通信协议转换 布置任务 处理、融合数据 主动查询主动查

2、询 周期性扫描网络和查询各传感器节点 较常用的工作方式 第2页/共46页 目标目标 网络感兴趣的对象及其属性，有时特指某类信号源。传感节点通过目标的热、红外、声纳、雷达或震动等信号，获取目标温度、光强度、噪声、压力、运动方向或速度等属性。 感知视场感知视场 传感节点对感兴趣目标的信息获取范围称为该节点的感知视场，网络中所有节点视场的集合称为该网络的感知视场网络的感知视场。 有效节点有效节点 当传感节点检测到的目标信息超过设定阀值，需提交给观测节点时，被称为有效节点。 第3页/共46页 拓扑结构的基本形态 集中式集中式 星形拓星形拓扑的所有节点都与汇聚节点直接相连，通信范围小，适合于简单、小规模

3、、覆盖面积不大的应用场合。 分布式分布式 网状拓扑网状拓扑的所有节点处于相同的地位，有相同的计算和通信能力，数据可通过一条或多条路线传输，适合大范围部署，容错性和故障修复能力好。 第4页/共46页 无线传感器网络的拓扑结构 拓扑结构的复杂形态 Ad hocAd hoc网络网络 Ad hoc网络网络是网状网的一种特殊形态。 网状网网状网任意两个节点，在每一时刻都可以得到一条通信路径。Ad hoc网网传输路径无事先规划，根据当前节点状况选择下次转发路径。 两种结构对时延容忍度较高，可以容忍断路。 Ad hoc网络网络健壮度更好。 第5页/共46页 无线传感器网络的拓扑结构 拓扑结构的复杂形态 分层

4、网络结构分层网络结构 分层网络结构分层网络结构是星形结构星形结构和网状结构网状结构的结合，形成了立体结构体系。 分层网络的基本思想是分簇分簇，每个簇有簇头节点簇头节点，负责管理簇内其他节点，接收转发数据。簇内可采用不同或相同的结构。 克服了星形结构覆盖面小的缺陷。维护相对简单。 路由协议相对复杂，簇头性能制约网络性能。 第6页/共46页 无线传感器网络的体系结构 无线传感器网的协议栈 物理层物理层：通信信号的调制、传输和接收。 数据链路层数据链路层：通过错误处理、信道管理来确保可靠通信。 网络层网络层：解决数据的路由，减少相邻节点之间的冲突，确保通信质量。 传输层传输层：保持数据流或保证与In

5、ternet的连接。 应用层应用层：为不同应用提供相对统一的高层接口。 第7页/共46页 无线传感器网络的体系结构 无线传感器网的协议栈 能量管理平面能量管理平面：管理节点如何使用能量，尽量节省能量。 移动管理平面移动管理平面：控制节点的移动并记录相关信息，维护节点到汇聚节点的路由，使节点能够动态跟踪其邻居节点的位置。 任务管理平面任务管理平面：在一个给定的区域内（即指定的一群节点）分配、调度、平衡任务。 第8页/共46页 无线传感器网络的体系结构 无线传感器网的协议栈 定位平面定位平面：定位传感器节点及汇聚节点。 时间同步平面时间同步平面：保证节点间数据传输的同步性，减少时延对系统实时性的影

6、响。 拓扑管理平面拓扑管理平面：动态管理网络的拓扑结构，将拓扑结构的变化提供给其他管理层面。 第9页/共46页 物理层 定义定义 为建立、维护、释放硬件与数据链路之间数据传输的物理连接，提供机械的、电气的、功能的和规程性的特性。 功能功能 为终端设备提供传输数据的通路（如频率选择、载波频率生成、信号检测、调制和数据加密、频率生成等）。 传输数据。 其他管理工作（如信号检测、信道状态评估、能量检测等）。 第10页/共46页 数据链路层 数据链路层数据链路层负责数据流多路复用传输、数据帧检测、传输介质访问、错误控制（误差控制），从而确保通信网络中可靠的点对点或点对多点的连接。 MAC协议协议必须为

7、数据传输建立可靠的通信连接，并且需要考虑节点间信息资源共享的公平、有效，同时兼顾整个网络的节能需要。 错误控制（误差控制）错误控制（误差控制）是数据传输层的重要功能，具有低复杂度的编码与解码方式的相对简单的错误控制机制是无线传感器网络错误控制环节的最佳解决方案 第11页/共46页 网络层 降低能量的消耗。 以数据为中心。 理想的无线传感器网络采用基于属性的寻址和位置感知基于属性的寻址和位置感知方式。 数据聚集仅在不妨碍节点协作的情况下是有效的。 路由协议需要找到那些能够提供用户需求数据的节点。 路由协议易于与其他网络（如Internet）相结合。 网络层设计原则：网络层设计原则： 第12页/共

8、46页 传输层 采用多路技术或分离技术多路技术或分离技术作为应用层和网络层的连接。 根据应用层的特定可靠度需求在数据源节点数据源节点和汇聚节点汇聚节点之间提供带有错误控制机制的数据传递服务错误控制机制的数据传递服务。 通过流动和拥塞机制流动和拥塞机制调节进入网络的信息量。 得到汇聚节点汇聚节点感兴趣的事件信息（UDP式的不可靠快速传输不可靠快速传输协议比较适合这一应用场合），需注意的是汇聚节点感兴趣的是事件范围内节点的集体信息而不是个别数据汇聚节点感兴趣的是事件范围内节点的集体信息而不是个别数据。 传输层的主要目标：传输层的主要目标： 第13页/共46页 应用层 网络应用程序和管理功能 将数据

9、聚集、基于属性的命名和聚类等规则引入无线传感节点。 交换与位置搜寻相关的数据。 节点的时钟同步。 打开和关闭节点。 查询节点状态。 传感器管理协传感器管理协 议议 用户向节点或整个网络发送其“兴趣”内容。 “兴趣”内容与观察对象的某种属性相关。另一方式是进行广播广播。节点将可用数据广播给用户，用户查询其感兴趣的数据。 任务分派与数任务分派与数 据广播协议据广播协议 传感器查询和数据分发协议为用户应用提供了问题查询问题查询、查询响应查询响应和搜集答复的接口搜集答复的接口。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。 查询和数据分查询和数据分 发协议发协议 第14页/共46页 减

10、小部署开支 减小不必要的损失 尽可能覆盖目标区域 选择准确、快速、高效的部署方式 考虑网络设计目的、节点数量、部署区域情况等因素 部署前部署前 方式可选择抛洒部署、精确部署、飞机空投等 军事领域可用无人机、火箭、导弹等部署 工业领域可人工或机器精确部署 部署后“试运行”检查部署效果 初次部署初次部署 节点数量巨大，通常部署后无法维护 节点情况有可能发生变化 替换工作异常的节点，保证网络正常运行 部署新节点，扩大监视范围 二次部署二次部署 第15页/共46页 硬件设计 无线传感器节点硬件组成 第16页/共46页 硬件设计 感知单元感知单元：即传感器模块，负责信息的感知和数据的初步处理，由电源装置

11、提供能量，与处理单元发生数据交互。 传感器传感器：负责信息的采集。 数模转换器数模转换器：即A/D转换器，负责将采集到的信息转换为数字信号。 第17页/共46页 硬件设计 处理单元处理单元：是一部简单的嵌入式计算系统，由低功耗的CPU芯片、内存和容量不大的存储芯片组成。由电源装置提供能量，与感知单元发生信息交互，并通过无线通信装置收发数据。 功能功能：控制节点的行为，如信息采集工作、运行有关算法并和其他节点通信、协作。 第18页/共46页 硬件设计 通信模块通信模块：即信号收发模块，将二进制数据转化为无线电波发出，或将接收的电波转为二进制码。 电源装置电源装置：有专门电路负责电压转换，为不同模

12、块供电。 移动装置移动装置：保证节点自主行动，功耗较大。 定位系统定位系统 辅助供电装置辅助供电装置 第19页/共46页 硬件设计 功耗功耗：各模块工作、休眠、待机状态功耗都应合理分配，尽量降低不必要的消耗。 成本成本：大量布置必须考虑成本因素 处理性能处理性能：性能与功耗达到平衡 集成度集成度：花小钱多办事儿 储存能力储存能力：满足运行需求即可 通信能力通信能力：根据需求选择 硬件设计的原则硬件设计的原则 第20页/共46页 典型硬件 MicaZ系列节点特点系列节点特点 体积小体积小 低功耗低功耗 传输速率有限传输速率有限 误差较小误差较小 存储量较小存储量较小 价格较高价格较高 MicaZ

13、节点实物 第21页/共46页 典型硬件 Telos节点特点节点特点 体积小体积小 低功耗低功耗 传输速率有限传输速率有限 集成度高集成度高 易于部署易于部署 存储量小存储量小 Telos节点实物 第22页/共46页 操作系统 网络操作系统应包含下列因素网络操作系统应包含下列因素 硬件管理：提供数据读取、时钟同步、定位、数据收发等功能硬件管理：提供数据读取、时钟同步、定位、数据收发等功能 任务管理：提供任务管理机制保证上层应用的正常运行。任务管理：提供任务管理机制保证上层应用的正常运行。 轻量级：操作系统在运行时应当尽量减少对资源的需求和占用。轻量级：操作系统在运行时应当尽量减少对资源的需求和占

14、用。 能耗管理：能提供有效的能量管理机制，节省节点能量。能耗管理：能提供有效的能量管理机制，节省节点能量。 支持应用开发模式：支持便捷的开发过程，使设计过程简单易行，易于实现。支持应用开发模式：支持便捷的开发过程，使设计过程简单易行，易于实现。 第23页/共46页 硬件限制 受节点的体积、工作方式、工作环境等限制。 可设置节点在平时只进行信息搜集，当需要发送数据时再开启信号收发模块。 功耗因素功耗因素 受节点的体积、目前硬件发展水平等因素限制。 计算存储能力计算存储能力 针对硬件开发的应用尽量简洁。 需进行针对性优化以提高性能 设计原则设计原则 第24页/共46页 网络设计 拓扑结构路由算法可

15、扩展性容错性 上述因素并非孤立存在，而是彼此影响，相互制约。 设计原则设计原则 n尽量简单 n便于网络扩展、升级 n维护代价小 第25页/共46页 功耗 感知功耗数据处理功耗通信功耗 减少通信量减少通信量 n减少不必要的网络控制通信量 n减少不必要的传输量 增加休眠时间增加休眠时间 n在空闲时让节点休眠 n关闭不需要工作的硬件模块 缩短节点间通信距离缩短节点间通信距离 n节点间通信距离与通信能耗成正相关 采用功率控制机制采用功率控制机制 n保证通信质量等网络性能 n降低模块功耗 第26页/共46页 第27页/共46页 跨层设计的必要性 无线信道的物理特性，包括信道传播的开放性和信道参量的时变性

16、，使无线信道变成了一种不稳定的传输介质，从而影响了传输的可靠性。 无线信道的动态无线信道的动态 性性 网络协议每一层的运行都会消耗能量，节点的能耗管理涉及到各个层次，分层结构只去优化特定的一层是远远不够的。 节点的能耗要节点的能耗要 求求 分层模型将问题分成了一个个小部分，每个部分只根据自身情况优化，只是局部优化，很难达到全局优化。 分层模型的弊分层模型的弊 端端 第28页/共46页 第29页/共46页 跨层设计跨层设计定义：相对于特定的分层结构 ，不符合分层结构的协议设计不符合分层结构的协议设计就是跨层跨层 设计设计。 不符合分层结构不符合分层结构的例子包括创建协议层间新的接口，重新定义协议

17、层的边界，基于另外一个层设计的细节来设计一个协议层，以及联合调节跨层参数等。 破坏分层结构意味着不能独立设计各层，并对其他层的处理提出了要求对其他层的处理提出了要求，即各层的具体实现必须考虑其他层。 跨层设计是定义为一种协议设计的方法一种协议设计的方法。采用这种方法设计的协议通常也被称为跨层设计。 第30页/共46页 为不相邻的层创建新的接口建新的接口，协议层之间直接通信直接通信。 创建一个超级层超级层，其中包含了分层结构中的多个相邻层。 根据特定层的实现细节特定层的实现细节来设计某一层，设计上层协议是就可以考虑如何利用低层已经提供的特性。 跨层垂直校准跨层垂直校准，通常在应用层，对应用相关的

18、参数进行“校准”，即对与这些参数相关的机制进行联合优化，甚至重新设计。 通过共享信息或数据库共享信息或数据库来进行数据交互。 常见的跨层设计方法常见的跨层设计方法 第31页/共46页 无线传感器网络的理想跨层设计无线传感器网络的理想跨层设计 模型，模型，即各个协议层之间相互依 赖，彼此协作，目标就是尽系统 所能，最大限度地满足用户应用 的需求。可以看出，跨层设计除 了包括各个协议层间的自适应问各个协议层间的自适应问 题题，而且还包括了各个层之间相各个层之间相 互协作和共享信息和资源互协作和共享信息和资源，以便 获取最佳性能准则，如最小的连 接链路维护成本、更低的延迟和更低的延迟和 最长的系统寿

19、命最长的系统寿命等。 在系统约束限制下的跨层交互和协作在系统约束限制下的跨层交互和协作 第32页/共46页 基于有效容量的方法 监测现场的无线终端或者无线传感器节点可以通过基站或者汇聚节点将采集的信息(如声音或视频等)实时传送到一个远程的用户，或者将远程的多媒体信息发送到现场的控制传感器。这些多媒体信息传输必须满足用户的QoS需求，如带宽、延迟和延迟抖动等。 第33页/共46页 基于反馈优化的方法 考虑各层间需要交换哪些信息、各层如何利用这些信息以及如何满足系统要求。 对每一层进行优化时，通过层间通信把其他层的参数也考虑进来 第34页/共46页 基于博弈论的方法 在多用户的无线传感器网络中，单

20、个节点并不了解其它节点的状态并不了解其它节点的状态，无法协同共享网络资源，只能以分布式方式从自身利益角度出发来竞争网络的有限资源竞争网络的有限资源。 通过博弈论中来协调各个传感器网络节点的行为，从而达到网络的最佳性能博弈论中来协调各个传感器网络节点的行为，从而达到网络的最佳性能。 基于链路自适应的方法 在多用户的无线传感器网络中，单个节点并不了解其它节点的状态并不了解其它节点的状态，无法协同共享网络资源，只能以分布式方式从自身利益角度出发来竞争网络的有限资源竞争网络的有限资源。 通过博弈论中来协调各个传感器网络节点的行为，从而达到网络的最佳性能博弈论中来协调各个传感器网络节点的行为，从而达到网

21、络的最佳性能。 通过自适应传输提高传输效率传输效率和能量利用率。能量利用率。 信道状态差时，自动降低传输效率提高纠错能力。 信道状态好时，提高传输能力以提高系统信道频带的利用率。 第35页/共46页 IEEE802系列标准的划分 在无线通信领域，有4个工作组在进行相关标准的研究工作。 无线个域网(WPAN)802.15 无线局域网(WLAN)802.11 无线城域网(WMAN)802.16 无线广域网(WBAN)802.20 四种技术标准覆盖范围由小到大，分别包括了多种具体的技术手段。 无线通信标准的划分 第36页/共46页 IEEE802.15.4标准 无线个域网(WPAN)由802.15系

22、列定义，是一种满足在人们自身附近几米范围内的通信需求的无线网络。 802.15.1 蓝牙技术底层标准 802.15.2 对802.15.1的修正，减轻与WiFi网络的干扰。 802.15.3 WiMedia技术标准 802.15.4 定义了低速率短距离无线个域网低速率短距离无线个域网，Zigbee技术技术的物理层和媒介访问控制层就是基于这一标准。 低速率短距离无线个域网低速率短距离无线个域网部署方便、数据传输可靠、覆盖范围小、功率极低、能维护一个简单且易扩展的协议栈。 低速率短距离无线个域网非常适用于无线传感器网络的通信传输。 第37页/共46页 低速率短距离无线个域网的技术特征 三种不同传输

23、速率 2450MHz频段：250Kbps 915MHz频段：40Kbps 868MHz频段：20Kbps 支持星形星形和点对点点对点两种拓扑结构支持16位和64位两种地址格式支持碰撞避免的载波多路侦听机制 支持ACK确认机制 第38页/共46页 IEEE802.15.4标准协议栈 PDSAP物理层数据服务接入点 PLMESAP物理层管理实体服务接入点 MLMESAPMAC层管理实体服务接入点 MLDESAPMAC层协议数据单元服务接入点 第39页/共46页 物理层功能 实现了MAC层和无线信道之间的接口 提供两种服务：物理层数据服务，物理层管理服务 MAC层功能 支持精简功能和全功能设备 全功能设备支持完整的MAC层功能，可用在网络协调器或终端设备 精简功能设备只能应用于终端设备，可和一个全功能设备交互 MAC层向上提供两种服务：MAC数据服务，MAC管理服务 第40页/共46页 Zigbee