第02章WSN体系结构

《无线传感器网络》主讲人：刘长红Email：[e-mail]《无线传感器网络》第二章、无线传感器网络体系结构无线传感器网络体系结构体系结构概述无线传感器网络物理体系结构无线传感器网络软件体系结构无线传感器网络的协议栈无线传感器网络通信体系结构体系结构概述一个典型的无线传感器网络的系统架构包括分布式无线传感器节点（群）、接收发送器汇聚节点、互联网或通信卫星和任务管理节点等，其中无线传感器网络包括4类基本实体对象：目标、观测节点（汇聚节点）、传感器节点和感知视场，如下图所示。大量传感节点随机部署，通过自组织方式构成网络，协同形成对目标的感知视场。传感节点检测的目标信号经本地简单处理后通过邻近传感节点多跳传输到观测节点。用户和远程任务管理单元通过外部网络，比如卫星通信网络或Internet，与观测节点进行交互。观测节点向网络发布查询请求和控制指令，接收传感节点返回的目标信息。外部网络（UAV、卫星通信网、互联网等）数据传输或信令交换远程任务管理用户目标感知现场传感器节点观测节点体系结构概述外部网络（UAV、卫星通信网、互联网等）数据传输或信令交换远程任务管理用户目标感知现场传感器节点观测节点传感器节点具有原始数据采集、本地信息处理、无线数据传输及与其它节点协同工作的能力，这些节点群随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。体系结构概述外部网络（UAV、卫星通信网、互联网等）数据传输或信令交换远程任务管理用户目标感知现场传感器节点观测节点目标是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。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。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。体系结构概述外部网络（UAV、卫星通信网、互联网等）数据传输或信令交换远程任务管理用户目标感知现场传感器节点观测节点观测节点（汇聚节点）的各方面能力相对于上述节点群而言相对比较强，具有双重身份。它连接传感器网络、Internet等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换。同时发布管理点的监测任务，并把收集的数据转发到外部网络上。通常假设观测节点能力较强，资源充分或可补充。观测节点有被动触发和主动查询两种工作模式，前者被动地由传感节点发出的感兴趣事件或消息触发，后者则周期扫描网络和查询传感节点，较常用。无线传感器网络物理体系结构无线传感器网络系统通常包括传感器节点(sensornode)、汇聚节点(sinknode)和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域(sensorfield)内部或附近，具有无线通信与计算能力的微小传感器网络节点通过自组织的方式构成的能够根据环境自主完成指定任务的分布式智能化网络系统，并以协作的方式实现感知、采集和处理网络覆盖区域中的信息，通过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或者卫星到达数据处理中心管理节点。用户通过管理节点沿着相反的方向对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。Internet、卫星或移动通信网络等汇聚节点监测区域传感器节点任务管理中心无线传感器网络物理体系结构传感器节点包括（1）数据采集模块（2）处理控制模块（3）无线通信模块（4）能量供应模块Internet、卫星或移动通信网络等汇聚节点监测区域传感器节点任务管理中心无线传感器网络物理体系结构汇聚节点连接传感器网络和Internet等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议的转换，同时发布管理节点的检测任务，并把收集的数据转发到外部网络上。汇聚节点即可是一个具有增强功能的传感器节点，也可是没有监测功能仅带无线通信接口的特殊网管设备。Internet、卫星或移动通信网络等汇聚节点监测区域传感器节点任务管理中心无线传感器网络物理体系结构管理节点即用户节点，用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。Internet、卫星或移动通信网络等汇聚节点监测区域传感器节点任务管理中心无线传感器网络软件体系结构无线传感器网络中间件和平台软件体系结构主要分为四个层次：网络适配层、基础软件层、应用开发层和应用业务适配层。其中，网络适配层和基础软件层组成无线传感器网络节点嵌入式软件(部署在无线传感器网络节点中)的体系结构，应用开发层和基础软件层组成无线传感器网络应用支撑结构(支持应用业务的开发与实现)。…管理信息安全基于无线传感器网络的应用程序无线传感器网络的应用支撑技术无线传感器网络的基础设施军事侦察环境监测健康商业无线传感器网络中间件与平台软件无线传感器网络通信体系结构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，如下图所示。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。OSI参考模型应用层会话层物理层数据链路层网络层表示层传输层开放式系统互联（OSI）协议参考模型无线传感器网络的协议栈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。应用服务接口网络管理接口时间同步节点定位传输控制路由MAC声、光、电、磁服务质量安全/移动/能量网络管理拓扑控制应用层传输层网络层数据链路层物理层网络通信协议网络管理平台应用支撑平台无线传感器网络节点的体系组成无线传感器网络的协议栈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，如下图所示。MAC层和物理层协议采用的是国际电气电子工程师协会(TheInstituteofElectricalandElectronicsEngineers，IEEE)制定的IEEE802.15.4协议。应用业务、安全性可靠性、流量控制、吞吐量应用层传输层连接/无连接、路由、可达性网络层介质访问、功率管理、帧格式信道编码、无线传输、调制解调数据链路层IEEE802.15.4物理层传感器网络通信协议的分层结构物理层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(InternationalOrganizationforStandardization，ISO)对开放系统互联(OpenSystemInterconnection，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。主要功能：为数据终端设备(DataTerminalEquipment，DTE)提供传送数据的通路。传输数据。其他管理工作（如：信道状态评估、能量检测等）。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：机械特性：规定了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。电气特性规定了在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、传输速率与距离限制。功能特性规定了在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。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，包括个信号线的工作规则和时序。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。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。2.无线通信物理层的主要技术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。根据原始信号所控制参量的不同，调制分为幅度调制(AmplitudeModulation，AM)、频率调制(FrequencyModulation，FM)和相位调制(PhaseModulation，PM)2.无线通信物理层的主要技术扩频技术•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(DirectSequenceSpreadSpectrum，DSSS)、跳频(FrequencyHoppingSpreadSpectrum，FHSS)、跳时(TimeHoppingSpreadSpectrum，THSS)和宽带线性调频扩频(chirpSpreadSpectrum，chirp-SS，简称切普扩频)。2.无线通信物理层的主要技术扩频技术•直接序列扩频：直接序列扩频通过利用高速率的扩频序列在发射端扩展信号的频谱，而在接收端用相同的扩频码序列进行解扩，把展开的扩频信号还原成原来的信号。•跳频：利用整个带宽（频谱）并将其分割为更小的子通道。发送方和接收方在每个通道上工作一段时间，然后转移到另一个通道。发送方将第一组数据放置在一个频率上，将第二组数据放置在另一个频率上，以此类推。•跳时：是使发射信号在时间轴上跳变。首先把时间轴分成许多时片。在一帧内哪个时片发射信号由扩频码序列去进行控制。可以把跳时理解为：用一定码序列进行选择的多时片的时移键控•宽带线性调频扩频：如果发射的射频脉冲信号在一个周期内，其载频的频率作线性变化，则称为线性调频3.无线传感器网络物理层的特点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。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。传感器网络物理层的设计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。传感器网络物理层的设计2．帧结构下表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。传感器网络物理层的设计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