物联网导论(第4章)无线传感器网络

第4章无线传感器网络•本章主要掌握无线传感器网络的基本构成与特点，了解无线传感器网络的关键技术与应用难点。了解IEEE802.15.4标准及ZigBee协议规范，了解无线传感器网络的路由协议与拓扑控制、节点定位、时间同步的原a理与算法。学习目标•IEEE802.15.4标准、ZigBee协议规范•无线传感器网络的路由协议与拓扑控制•节点定位•无线传感器网络时间同步本章知识点•定义：无线传感器网络是物联网感知控制层的重要组成部分之一，它是由部署在感知区域内的大量传感器节点间相互通信而形成的一个多跳自组织网络系统。•传感器网络的研究起步于20世纪90年代末期。•2001年1月《MIT技术评论》将无线传感器列于十种改变未来世界新兴技术之首。•2004年《IEEESpectrum》杂志发表一起专集：传感器的国度，论述无线传感器网络的发展和可能的广泛应用。4.1概述•我国未来20年预见技术的调查报告中，信息领域157项技术课题有7项与传感器网络直接相关。•2006年初发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》为信息技术确定了三个前沿方向，其中两个与无线传感器的研究直接相关，即智能感知技术和自组织网络技术。•随着物联网的提出及进一步发展，无线传感器网络被赋予了新的内涵，它不只是简单意义上的监测、监视，而是具有了“感知”内涵，在物联网的框架内，它的发展和应用将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。4.1.1无线传感器网络的概念与特点•无线传感器网络：就是部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成的，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络的网络系统，其目的是协作感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。•三要素：传感器，感知对象和观察者。•基本功能：协作感知，采集和处理信息。•无线传感器的拓扑结构也会随着节点的移动而发生改变。•无线传感器网络节点之间以Adhoc方式进行通信，每个节点即可以作为终端来实现感知功能，又可作为路由器来执行动态搜索，定位和恢复连接的功能。1无线传感器网络的概念•构成：一般由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块四部分构成。2无线传感器网络的体系结构（1）无线传感器节点结构•无线传感器网络系统：通常由大量的传感器结点(sensornode)、汇聚结点(sinknode)和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域(sensorfield)，通过自组织的方式构成网络。（2）无线传感器网络系统结构（3）无线传感器网络协议体系结构•（1）电源供给有限•（2）通信能力有限•（3）计算能力有限•（4）网络规模大，分布广•（5）自组织、动态性网络•（6）以数据为中心的网络•（7）是与应用相关的网络3无线传感器网络的特点4.1.2无线传感器网络的关键技术与应用难点•通信协议：涉及物理层、数据链路层、网络层和传输层，以及各个不同层之间的相互配合和标准接口，这就要求形成一个完整的网络的通信协议体系以满足能量受限、拓扑结构易变的特点。•WSN的支撑技术：WSN支撑技术的应用可使各行各业的用户能够在各种不同的环境中建立起面向应用的信息服务。因此，WSN的支撑技术可以极大地降低应用的复杂度。•自组织管理技术：包括传感器节点管理、网络资源与任务管理、无线传感器网络中各个环节的数据管理、初始化和整个网络系统的运行维护管理等。1WSN的关键技术•承载通信网的异构与互联•异构终端间的通信与互联•大结构数据融合与异构下的数据融合•安全性问题2物联网中无线传感器网络应用的难点•ZigBee是一种基于IEEE802.15.4标准的高层技术，该技术的物理层和MAC(MediumAccessControl，MAC介质访问控制)直接引用IEEE802.15.4。ZigBee协议规范的基础是IEEE802.15.4，这两者之间有着非常密切的关系。4.2IEEE802.15.4标准及ZigBee协议规范4.2.1IEEE802.15.4标准•IEEE802.15.4标准是短距离无线通信的个域网标准，规定了个域网中设备间的无线通信协议和接口。•标准采用了CSMA/CA媒体访问控制方式，网络的拓扑结构可以是点对点或星形结构。•通信协议主要描述了物理层和MAC层标准，通信距离一般在数十米的范围之内。•MAC层的功能是进行处理所有对物理层的访问的，并负责完成信标的同步、支持个域网络关联和去关联、提供MAC实体问的可靠连接、执行信道接入等任务。1IEEE802.15.4主要性能•频段、数据传输速率及信道个数：在868MHz频段，传输为20kbit/s，信道数为1个；在915MHz频段，传输为40kbit/s，信道数为10个；在2.4GHz频段，传输为250kbit/s，信道数为16个。•通信范围：室内，通信距离为10m时，传输速率为250kbit/s；室外，当通信距离为30~75m时，传输速率为40kbit/s；当通信距离为300m时，传输速率为20kbit/s。•拓扑结构及寻址方式：支持点对点及星形网络拓扑结构；支持65536个网络结点；支持64bit的IEEE地址，8bit的网络地址。主要性能：•ZigBee是IEEE802.15.4协议的代名词。其协议栈体系结构由应用层、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。4.2.2ZigBee协议规范应用层应用汇聚层网络层数据链路层LLCMAC物理层•数据链路层，可分为LLC(LogicLinkcontrol,LLC，逻辑链路控制)和介质访问控制子层(MAC)。IEEE802.15.4的LLC子层功能为可靠的数据传输、数据包的分段与重组、数据包的顺序传输。•IEE802.15.4MAC子层功能为无线链路的建立、维护和拆除，确认帧传送与接收，信道接入控制、帧校验、预留时隙管理和广播信息管理。1数据链路层•ZigBee采用了IEEE802.15.4标准中的物理层和MAC层。ZigBee的工作频段为三种，即欧洲的868MHz频段、美国的915MHz频段和全球通用的2.4GHz频段。在868MHz频段上，分配了1个带宽为0.6MHz的信道；在915MHz的频段上，分配了10个带宽为2MHz的信道；在2.4GHz的频段上分配了16个带宽为5MHz的信道。这三种工作频段均采用了DSSS（直接序列扩频）技术，但他们的调制方式有所不同。868MHz和915MHz频段采用的是DPSK，2.4GHZ采用了Q-QPSK调制方式。2物理层和MAC层•网络拓扑结构：支持星形、树形和网状拓扑结构。•若采用星形拓扑结构组网，整个网络有一个ZigBee协调器设备来进行整个网络的控制。ZigBee协调器能够启动和维持网络正常工作，使网络内的终端设备实现通信。•若采用网状和树形拓扑结构组网，ZigBee协调器则负责启动网络以及选择关键的网络参数。•在树形网络中，路由器采用分级路由策略来传送数据和控制信息。网状网络中，设备之间使用完全对等的通信方式，在此网络结构中，ZigBee路由器不发送通信信标。3网络层——（1）网络拓扑结构•ZigBee网络层的功能为拓扑管理、MAC管理、路由管理和安全管理。网络层的主要功能是路由管理。其中，路由算法是网络层的核心。•网络层主要支持树状路由和网状网路由两种算法。•树路由算法：把整个网络看作是以协调器主干的一棵树，整个网络是在协调器的基础上建立。•网状网路由：非常适合于低成本的无线自组织网络的路由。当网络规模路较大时，传感器结点需要维护一个路由表，这样就需耗费了传感器节点的存储资源，但它能实现的路由效率高，且使用灵活。•邻居表路由算法：实质上是一个特殊的路由表，数据传输不是通过多跳，而只需要一跳就实现将数据向目的节点的传输发送。（2）网络层及路由算法•产生网络层协议数据单元(NPDU)，网络层数据实体通过增加一个适当的协议头从应用支持层协议数据单元中生成网络层的协议数据单元；•指定传输拓扑路由，网络层数据实体能够发送一个网络层的协议数据单元到一个数据传输的目标终端设备，目标终端设备也可以是通信链路中的一个中间通信设备。•网络层管理实体提供如下服务：•配置新的设备。为保证设备正常工作的需要，设备应具有足够的堆栈，以满足配置的需要。配置选项包括对一个ZigBee协调器和连接一个现有网络设备的初始化操作；•加入或离开网络。具有连接或者断开一个网络的能力，以及为建立一个ZigBee协调器或者ZigBee路由器，具有要求设备同网络断开的能力；•ZigBee协调器和ZigBee路由器具有为新加入网络的设备分配地址能力；•具有发现、记录和汇报相关的一跳邻居设备信息的能力；•具有发现和记录有效地传送信息的网络路由的能力；•具有控制设备接收机接收状态的能力，即控制接收机什么时间接收、接收时间的长短，以保证MAC层的同步或者正常接收等。（3）数据接口及网络层服务•应用层包括APS(ApplicationSupportLayer，应用支持子层)和ZDO(ZigBeeDeviceObject，ZigBee设备对象)等部分，主要规定了端点(Endpoint)，绑定(B1nding)、服务发现和设备发现等一些和应用相关的功能。•绑定指的是根据两个设备所提供的服务和它们的需求而将两个设备关联起来，APS子层的任务包括了维护绑定表和绑定设备问消息传输。4应用规范4.3无线传感器网络的路由协议与拓扑控制•路由：将信息从源结点以某种路径通过网络传递到目的地结点的行为。•路由技术：由路径的选择和数据传递两个功能组成，路由是实现通信的基础保证。•路由器：网络系统中选择路径的设备，路由器在大规模网络中起到了关键的作用。•无线传感器网络中每结点既可以承担信息采集的感知任务，同时又能承担路由器的功能。4.3.1WSN路由协议•WSN中的路由是与其结点有关的，WSN中的各结点间构成了复杂网络拓扑，而每个结点携带的能量是有限的，各结点能量的消耗的比例中，通信占用较大的比重，这就意味着，要使整个网络获得较长的生命周期，应合理地应用各结点的中继功能。•采用合理、科学的路由技术是整个WSN通信的关键，而依据某种指标所制订的路由算法则是整个通信的核心。路由协议就是合理选择路由的策略及算法。•在WSN中，各结点的能量是有限的。一旦结点的能量消耗完，该结点一般无法补充，结点随之死亡。WSN的路由议需要考虑结点的能量消耗问题，使结点能量的消耗尽量要小。•WSN中的结点数量往往很大，各结点一般无法获得整个网络拓扑结构的信息，节点只能得到局部拓扑结构信息，因此，WSN的路由协议要能在有限获得的局部网络拓扑信息的基础上选择合适的数据传输路径。•WSN具有很强的应用相关性。不同应用，所采用的路由协议可能差别很大，无法采用一个通用的路由协议来满足其应用相关性的要求。•WSN中的结点在通信时还需进行数据融合，以此减少通信负荷，节省传输能量。与一般传统无线网络的路由协议相比，WSN的路由协议具有以下特点：1WSN路由协议的特点•由于WSN中的结点能量有限，且一般无法补充。当WSN中的某些结点由于能量的耗尽而死亡时，可能导致整个网络无法运行，一致死亡。因此，尽量减小结点能量的消耗，使整个WSN中所有结点尽可能地均衡地消耗能量（也就是尽量减少某些结点能量消耗过快，而其他结点的能量消耗过慢的问题），从而延长整个网络的生存期，是WSN路由协议设计的重要目标。（1）结点的能量消耗小且均衡•WSN为了节省通信时结点的能量，通常采用多跳的通信模式。另外，由于WSN的结点是低成本的，不可能具有较高的存储能力和计算能力，因此无法存储太多的包括拓扑结构在内的网络信息，结点所存储的拓扑信息必然是局部的。因此，结点无法进行太复杂的计算，得到全局优化路由。为此，如何实现简单有效的路由机制是WSN的基本问题。（2）网络拓扑信息有限、计算资源有限•WSN中的结点采集数据后，向汇聚结点传输数据，转发结点所转发的数据很可能是采集的同一个信息，因此会出现数据的冗余的现象，因此需要在转发结点进行数据融合，以降低数据的冗余率，减少转发的数据量，从而降低能耗。•WSN的网络规模较大，WSN的