无线传感网络第三章ppt课件.ppt

第3章,无线传感器网络通信,3.1无线传感器网络协议结构,3.1.1传统网络协议OSI参考模型 开放式系统互联网络参考模型( OSI )共有7个层次，如图3-1所示。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。,3.1.2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3-2所示)。,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3-3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,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。,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。,3.2物理层,3.2.1物理层的概述 1物理层的基本概念 在计算机网络中物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输介质上传输数据的比特流。国际标准化组织(International Organization for Standardization，ISO)对开放系统互联(Open System Interconnection，OSI)参考模型中物理层的定义如下：物理层为建立、维护和释放数据链路实体之间的二进制比特传输的物理连接，提供机械的、电气的、功能的和规程性的特性。从定义可以看出，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。,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。,1物理层的基本概念,通常物理接口标准对物理接口的四个特性进行了描述，这四个特性的内容是指：(1)机械特性。(2)电气特性。(3)功能特性。(4)规程特性。,1物理层的基本概念,2. 无线通信物理层的主要技术,无线通信物理层的主要技术包括介质的选择、频段的选择、调制技术和扩频技术。(1)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，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、红外线和光波等，其中无线电波在无线网络中使用最广泛。无线电波的传播特性与频率相关。,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。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。通常将带通信号称为已调信号，而基带信号称为调制信号。调制技术通过改变高频载波的幅度、相位或频率，使其随着基带信号幅度的变化而变化。解调是将基带信号从载波中提取出来以便预定的接收者(信宿)处理和理解的过程。,(2) 调制技术,根据原始信号所控制参量的不同，调制分为幅度调制(Amplitude Modulation，AM)、频率调制(Frequency Modulation，FM)和相位调制(Phase Modulation，PM)。当数字调制信号为二进制矩形全占空脉冲序列时，由于该序列只存在“有电”和“无电”两种状态，因而可以采用电键控制，被称为键控信号，所以上述数字信号的调幅、调频、调相分别又被称为幅移键控(Amplitude Shift Keying，ASK)、频移键控(Frequency Shift Keying，FSK)和相移键控(Phase Shift Keying，PSK)。,(2) 调制技术,扩频又称为扩展频谱，它的定义如下：扩频通信技术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。扩频技术按照工作方式的不同，可以分为以下四种：直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS)、跳频(Frequency Hopping Spread Spectrum，FHSS)、跳时(Time Hopping Spread Spectrum，THSS)和宽带线性调频扩频(chirp Spread Spectrum，chirp-SS，简称切普扩频)。,(3)扩频技术,无线传感器网络的低能耗、低成本、微型化等特点，以及具体应用的特殊需求给物理层的设计提出了挑战，在设计时需要重点考虑以下问题：(1)调制机制。(2)与上层协议结合的跨层优化设计。(3)硬件设计。,3. 无线传感器网络物理层的特点,3.2.2传感器网络物理层的设计,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。在无线电频率选择方面，ISM 频段是一个很好的选择。因为ISM频段在大多数国家属于无需注册的公用频段。,表3.1列出了ISM 应用中的可用频段。其中一些频率已经用于无绳电话系统和无线局域网。对于无线传感器网络来说，无线电接收机需要满足体积小、成本低和功率小的要求。,1传输介质,无线传感器网络结点之间通信的另一种手段是红外技术。红外通信的优点是无须注册，并且抗干扰能力强。基于红外线的接收机成本更低，也很容易设计。目前很多便携式电脑、PDA和移动电话都提供红外数据传输的标准接口。红外通信的主要缺点是穿透能力差，要求发送者和接收者之间存在视距关系。这导致了红外难以成为无线传感器网络的主流传输介质，而只能在一些特殊场合得到应用。,1传输介质,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。由于目前还没有形成标准化的物理层结构，所以在实际设计时都是在该物理层帧结构的基础上进行改进。,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。 物理帧PHY的负载长度可变，称为物理服务数据单元(PHY Service Data Unite，PSDU)，携带PHY数据包的数据，PSDU域是物理层的载荷。,2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。为了确保网络运行的平稳性能，该层一般需要与MAC层进行密切交互。,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、相移键控和各种扩频技术。(2)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来定义数据传输对能量的效率，单比特能耗越小越好。,3物理层设计技术,3.3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)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。,1媒体访问控制,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。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,3.4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。,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。,3.4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。,3.4网络层协议,3.5 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。,3.5.1 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。,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Event-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。,3.5.1 Event-to-Sink传输,3.6应用层协议,3.6.1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。,3.6.1传感器管理协议,3.6.2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”分发的有效接口的，对较低层操作(例如路由)十分有用。,3.6.3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。,3.6.3传感器查询与数据分发协议,3.7无线传感器网络跨层设计,3.7.1.分层设计方法有线因特网或者是传统的无线网络(如蜂窝和无线局域网，以及移动自组织网络)中，大多数设计者都采用分层设计指导思想 。图3-7给出了一个采用分层设计方法实现的无线网络设计协议栈示意图，其中每个相邻层次之间可以实现一定的自适应调节，从而优化原有的网络系统。,所谓跨层设计的定义，是针对特定的分层结构而言的，一切不符合参考分层通信结构的协议设计称为跨层设计。对于跨层设计的概念，再给出了三种补充解释。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。分层结构的破坏也意味着放弃在不同层独立设计协议的奢望。跨层设计的协议提供了其他层处理的一些条件。跨层设计是定义为一种协议设计的方法。然而，采用这种方法设计的协议大家通常称为跨层设计。,3.7.2跨层设计方法,通常，实现无线网络的跨层设计的信息交互主要有以下三个途径。协议层之间直接进行通信；通过共享信息或数据库来进行信息交互；采用全新的数据抽象结构，如采用与分层协议栈结构完全不同的堆结构来组织协议。,3.7.2跨层设计方法,图3-8给出了一个无线传感器网络的理想跨层设计模型。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题，而且还包括了各个层之间相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、更低的延迟和最长的系统寿命等。,3.7.2跨层设计方法,B.Raman等人提出了几种不同的跨层设计组合解决方案，并且证实了对于特定的应用，如蓝牙无线传感器网络，相比传统的分层设计方法，跨层优化确实带来了更好的系统性能。它们采用的跨层设计成功的关键就是把握了四个要素：采用按需操作；对高层需求的感知；缓存了业务的描述以及采用了相同范围内的操作。图3-9就是跨层设计和组合优化前后的协议栈对比图。,3.7.2跨层设计方法,3.7.3跨层设计的必要性,1无线信道的动态性2无线传感器网络节点的能量受限3传统通信系统分层参考模型的弊端,图3-10给出了一个采用分层和跨层设计的无线传感器网络协议体系结构对比。,3.7.3跨层设计的必要性,3.7.4无线传感器网络跨层设计主要技术,根据优化参数选取的不同和系统优化的目标和应用的不同，常见的跨层设计技术主要理论方法分为以下几种。分析法：通过拉格朗日乘子法、凸优化等把问题近似简化，得到快速收敛算法和分析结果。最优控制法：通过最优控制，可以将无线通信系统的跨层优化转化为约束优化类问题。,博弈论法：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，因而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。可以通过博弈论中的纳氏均衡理论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。动态规划法：由于无线通信环境的动态时变性，可通过动态规划法实时选择最优策略，如无线传感器网络的动态路由的跨层设计。,3.7.4无线传感器网络跨层设计主要技术,基于最优代理的跨层设计和优化技术的核心思想就是利用最优代理提供不同协议层间的信息交换和控制，从而改善无线传感器网络的性能。Weilian Su和Tat L.Lim定义了跨层设计的概念为不同协议层之间的信息共享，从而达到自适应和层间交互的目的。而自适应是指网络协议和应用对信道变化状况的观察和响应能力。基于这种概念，它们提出了一种跨层设计和优化的协议体系架构，如图3-11所示，并利用最优代理技术极大地改善了网络的性能。最优代理可以和网络每个协议层进行信息共享和交换，通过自上而下的应用需求，最优代理反馈信息给底层网络，最优代理包括了协议层间交互和层内信息的交互。,1.基于最优代理的跨层设计,1.基于最优代理的跨层设计,图3-12给出了一个简单的跨层设计路由协议的样例，物理层给网络层提供了反馈信道状况条件(这里采用了信噪比SNR)的信息给路由代理，从而实现了最优的路由选择和决策，从而改善了网络的平均分组延迟和网络的吞吐率。,1.基于最优代理的跨层设计,2.基于能效管理的跨层设计,基于能效的无线传感器网络的协议栈设计必须首先考虑网络的应用特点，并结合对容错性、抗干扰性、节能指标等关键指标的具体要求来展开。也可以借鉴现代网络及无线通信、信息处理等领域的先进技术和研究方法。,对传感器网络按应用进行分类，并针对不同类别的特点，设计和优化网络实现机制。主要分类依据包括以下几点。移动性：数据传输模型：实时性：节点部署和配置方式。,2.基于能效管理的跨层设计,3.基于QoS保证的跨层设计,Oian Zhang等针对在无线因特网中传输多媒体业务的需求下，提出了一种支持QoS的跨层设计一般结构。如图3-13所示，监测现场的无线终端(Mobile Host)或者无线传感器节点可以通过基站(Base Staion)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。,