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1、1 无线传感网络技术 2020 4 4 2 无线网络 有基础设施网 无基础设施网 移动Adhoc网络 无线传感器网络 一 什么是无线传感器网络 2020 4 4 3 无线传感器网络 WSN 是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络 目的是协作地采集 处理和传输网络覆盖地域内感知对象的监测信息 并报告给用户 无线传感器网络 术语的标准定义 2020 4 4 4 2020 4 4 5 传感器网络的协议分层 2020 4 4 6 通信能力有限节点通信覆盖范围只有几十到几百米 关键之一如何在有限的通信能力条件下 完成探测数据的传输 无线通信技术是第一项关键技术 四 传感器网络的关键
2、技术 2020 4 4 7 电源能量有限通常电池供电 工作环境恶劣 一次部署终生使用 更换电池困难 关键之二如何节省电源 最大化网络的使用寿命 低功耗设计问题是第二项关键技术 四 传感器网络的关键技术 2020 4 4 8 计算能力有限节点体积小 处理器和存储器性能有限 不允许进行复杂算法的运算 关键之三嵌入式操作系统设计是第三项关键技术 四 传感器网络的关键技术 2020 4 4 9 自组织的动态网络传感器网络没有基站节点失效 新节点加入 导致网络拓扑结构的动态性 需要自动愈合 关键之四多跳自组织的网络路由是第四项关键技术 四 传感器网络的关键技术 2020 4 4 10 传感器网络是以数据
3、为中心的网络用户感兴趣的是数据而不是网络和传感器硬件 关键之五如何建立以数据为中心的传感器网络 传感器网络的第五项关键技术是数据融合方法 四 传感器网络的关键技术 2020 4 4 11 网络攻击无处不在 关键之六安全性是传感网络设计的重要问题 如何保护机密数据和防御网络攻击是第六项关键技术 四 传感器网络的关键技术 2020 4 4 12 第3章 传感器网络的通信与组网技术 2020 4 4 13 3 1物理层 3 1 1物理层概述 1 物理层的基本概念 从定义可以看出 物理层的特点是负责在物理连接上传输二进制比特流 并提供为建立 维护和释放物理连接所需要的机械 电气 功能和规程的特性 20
4、20 4 4 14 目前无线传感器网络的通信传输介质主要是无线电波 红外线和光波三种类型 无线电波的通信限制较少 通常人们选择 工业 科学和医疗 Industrial ScientificandMedical ISM 频段 3 无线传感器网络物理层的特点 2020 4 4 15 2 物理层帧结构 物理帧的第一个字段是前导码 字节数一般取4 用于收发器进行码片或者符号的同步 第二个字段是帧头 长度通常为一个字节 表示同步结束 数据包开始传输 帧头与前导码构成了同步头 帧长度字段通常由一个字节的低7位表示 其值就是后续的物理层PHY负载的长度 因此它的后续PHY负载的长度不会超过127个字节 物理
5、帧PHY的负载长度可变 称为物理服务数据单元 PHYServiceDataUnite PSDU 携带PHY数据包的数据 PSDU域是物理层的载荷 3 1 2传感器网络物理层的设计 2020 4 4 16 3 2MAC协议 3 2 1MAC协议概述 介质访问控制 MediumAccessControl MAC 协议 所谓MAC协议就是通过一组规则和过程来有效 有序和公平地使用共享介质 2020 4 4 17 根据固定分配信道方式还是随机访问信道方式 将传感器网络的MAC协议分为以下三种 1 时分复用无竞争接入方式 无线信道时分复用 TimeDivisionMultipleAccess TDMA
6、方式给每个传感器节点分配固定的无线信道使用时段 避免节点之间相互干扰 3 2 1MAC协议概述 2020 4 4 18 2 随机竞争接入方式 如果采用无线信道的随机竞争接入方式 节点在需要发送数据时随机使用无线信道 尽量减少节点间的干扰 典型的方法是采用载波侦听多路访问 CarrierSenseMultipleAccess CSMA 的MAC协议 3 2 1MAC协议概述 2020 4 4 19 3 竞争与固定分配相结合的接入方式 通过混合采用频分复用或者码分复用等方式 实现节点间无冲突的无线信道分配 3 2 1MAC协议概述 2020 4 4 20 典型的基于竞争的随机访问MAC协议是载波侦
7、听多路访问 CSMA 接入方式 在无线局域网IEEE802 11MAC协议的分布式协调工作模式中 就采用了带冲突避免的载波侦听多路访问 CSMAwithCollisionAvoidance CSMA CA 协议 它是基于竞争的无线网络MAC协议的典型代表 3 2 1MAC协议概述 2020 4 4 21 所谓的CSMA CA机制是指在信号传输之前 发射机先侦听介质中是否有同信道载波 若不存在 意味着信道空闲 将直接进入数据传输状态 若存在载波 则在随机退避一段时间后重新检测信道 这种介质访问控制层的方案简化了实现自组织网络应用的过程 3 2 1MAC协议概述 2020 4 4 22 3 2 2
8、IEEE802 11MAC协议 IEEE802 11MAC协议分为分布式协调功能 DCF 和点协调功能 PCF 两种访问控制方式 其中DCF方式是IEEE802 11协议的基本访问控制方式 PCF通过访问接入点来协调节点的数据收发 通过设置好的一定间隔时间查询当前哪些节点有数据发送的请求 PCF是基于优先级的无竞争访问 2020 4 4 23 在DCF工作方式下 载波侦听机制通过物理载波侦听和虚拟载波侦听来确定无线信道的状态 物理载波侦听由物理层提供 虚拟载波侦听由MAC层提供 3 2 2IEEE802 11MAC协议 2020 4 4 24 源节点在发出RTS帧或data帧后的一段时间内没有
9、收到CTS应答 则说明发送失败 节点立即重传未收到应答的RTS帧或data帧 如果3次发送仍未收到应答 节点放弃发送 转入睡眠 在下一个侦听周期醒来重新竞争信道 3 2 2IEEE802 11MAC协议 2020 4 4 25 3 2 3典型MAC协议 S MAC协议 S MAC协议 SensorMAC 是在802 1lMAC协议的基础上 针对传感器网络的节省能量需求而提出的 S MAC协议的适用条件是传感器网络的数据传输量不大 网络内部能够进行数据融合以减少数据通信量 网络能容忍一定程度的通信延迟 它的设计目标是提供良好的扩展性 减少节点能耗 2020 4 4 26 通常无线传感器网络的无效
10、能耗主要来源于如下四种原因 空闲监听 节点等待接收 数据冲突 相邻节点同时发送数据 串扰 接收和处理无关数据 控制开销 RTS CTS ACK 3 2 3典型MAC协议 S MAC协议 2020 4 4 27 1 周期性侦听和睡眠机制S MAC协议将时间分为帧 帧长度由应用程序决定 帧内分监听工作阶段和睡眠阶段 监听 睡眠阶段的持续时间要根据应用情况进行调整 当节点处于睡眠阶段时 关闭无线电波 以节省能量 相邻节点之间尽量保持各自的监听 睡眠时间表一致 时间同步 具有相同时间表的节点组成一个虚拟簇 3 2 3典型MAC协议 S MAC协议 通过广播SYNC包保持同步 某些节点可以同时属于两个或
11、多个虚拟簇 2020 4 4 28 2 流量自适应侦听机制 3 2 3典型MAC协议 S MAC协议 2020 4 4 29 3 冲突和串音避免机制为了减少冲突和避免串音 S MAC协议采用了与802 11MAC协议类似的虚拟和物理载波监听机制 以及RTS CTS握手交互机制 两者的区别在于当邻居节点处于通信过程时 执行S MAC协议的节点进入睡眠状态 3 2 3典型MAC协议 S MAC协议 2020 4 4 30 4 消息传递机制由于无线信道的传输差错与消息长度成正比 短消息传输成功的概率要大于长消息 将长消息分为若干个短消息 采用一次RTS CTS交互的握手机制预约这个长消息发送的时间
12、集中连续发送全部短消息 这样既可以减少控制报文的开销 又可以提高消息发送的成功率 3 2 3典型MAC协议 S MAC协议 2020 4 4 31 3 3路由协议 3 3 1路由协议概述 路由选择 routing 是指选择互连网络从源节点向目的节点传输信息的行为 并且信息至少通过一个中间节点 路由协议负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点 它包括两个功能 寻找源节点和目的节点间的优化路径 将数据分组沿着优化路径正确转发 2020 4 4 32 3 3 2典型路由协议 定向扩散路由 定向扩散 DirectedDiffusion DD 路由协议是一种基于查询的路由机制 扩散节点通过兴趣信息发
13、出查询任务 采用洪泛方式传播兴趣信息到整个区域或部分区域内的所有传感器节点 兴趣信息用来表示查询的任务 表达了网络用户对监测区域内感兴趣的具体内容 例如监测区域内的温度 湿度和光照等数据 2020 4 4 33 定向扩散路由机制可以分为周期性的兴趣扩散 梯度建立和路径加强三个阶段 3 3 2典型路由协议 定向扩散路由 2020 4 4 34 1 兴趣扩散阶段 3 3 2典型路由协议 定向扩散路由 2020 4 4 35 2 数据传播阶段 3 3 2典型路由协议 定向扩散路由 2020 4 4 36 3 路径加强阶段 3 3 2典型路由协议 定向扩散路由 2020 4 4 37 第4章 传感器网
14、络的支撑技术 2020 4 4 38 传感器网络的支撑技术主要包括 时间同步机制定位技术数据融合能量管理安全机制 第4章传感器网络的支撑技术 2020 4 4 39 4 1时间同步机制 4 1 1传感器网络的时间同步机制 1 传感器网络时间同步的意义 在分布式的无线传感器网络应用中 每个传感器节点都有自己的本地时钟 不同节点的晶体振荡器频率存在偏差 以及温度 湿度和电磁波的干扰等都会造成网络节点之间的运行时间偏差 无线传感器网络时间同步机制的意义和作用主要体现在如下两方面 1 传感器节点通常需要彼此协作 去完成复杂的监测和感知任务 数据融合是协作操作的典型例子 不同的节点采集的数据最终融合形成
15、了一个有意义的结果 2 传感器网络的一些节能方案是利用时间同步来实现的 2020 4 4 40 通信模型节点时间校正技术是WSN时间同步的核心和基础 目前主要的时间校正技术有单向报文传递 双向报文交换 广播参考报文等技术 单向报文传递如果知道d的上界和下界 则d dmax dmin 2这种时间校正技术的精度最低 因为它假设报文传递过程中只有传播延时 忽略了无线信道的许多不确定因素的影响 4 1 1传感器网络的时间同步机制 2020 4 4 41 双向报文交换设报文的往返时间为D Tib Tia 报文的传递时延d在0 D之间 如果知道d的上界dmax和下界dmin 节点j可以确定d在D dmax
16、到D dmin之间 4 1 1传感器网络的时间同步机制 2020 4 4 42 广播参考报文 4 1 1传感器网络的时间同步机制 2020 4 4 43 时钟同步的误差来源同步信息的时延包括协议发送时延接入时延发送时延传播时延接收时延接收处理时延 4 1 1传感器网络的时间同步机制 2020 4 4 44 RBS参考广播同步机制接收者 接收者同步机制基本思想是多个节点接收同一个同步信号 然后多个收到同步信号的节点之间进行同步 这种同步算法消除了同步信号发送一方的时间不确定性 这种同步协议的缺点是协议开销大 4 1 1传感器网络的时间同步机制 2020 4 4 45 4 1 2TPSN时间同步协议 TPSN协议采用层次型网络结构 首先将所有节点按照层次结构进行分级 然后每个节点与上一级的一个节点进行时间同步 最终所有节点都与根节点时间同步 节点对之间的时间同步是基于发送者 接收者的同步机制 2020 4 4 46 1 TPSN协议的操作过程TPSN协议包括两个阶段 第一个阶段生成层次结构 每个节点赋予一个级别 根节点赋予最高级别第0级 第i级的节点至少能够与一个第 i 1 级的节点通信
