物理层《无线传感器网络技术》
无线传感器网络技术内容
第一章物联网：通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。
无线传感器网络综合了计算技术、通信技术及传感器技术，其任务是利用传感器节点来监测节点周围的环境，收集相关数据，然后通过无线收发装置采用多跳路由的方式将数据发送给汇聚节点，再通过汇聚节点将数据传送到用户端，从而达到对目标区域的监测。
无线传感器网络通常包括传感器节点、汇聚节点和任务管理节点。
典型的无线传感器网络结构包括哪几部分？一般情况下由以下四个基本单元组成：数据采集单元、控制单元、无线通信单元以及能量供应单元。
无线传感器网络基本节点拓扑结构可分为基于簇的分层结构和基于平面的拓扑结构两种选择题：无线传感器网络可实现数据的采集量化，处理融合和传输应用，具有无线自组织网络的移动性、电源能力局限性，规模大、自组织性、动态性、可靠性、以数据为中心等等。
第2章无线传感器网络物理层的传输介质主要包括电磁波和声波。
无线电波、红外线、光波等负责使在两个网络主机之间透明传输二进制比特流数据成为可能，为在物理介质上传输比特流建立规则，以及在传输介质上收发数据时定义需要何种传送技术。
无线传感器网络物理层接口标准对物理接口具有的机械特性、电气特性、功能特性、规程特性进行了描述。
作为一种无线网络，无线传感器网络物理层协议涉及传输介质以及频段的选择、调制、扩频技术方式等，同时实现低能耗也是无线传感器网络物理层的一个主要研究目标。
IEEE 802.15.4 该标准把低能量消耗、低速率传输、低成本作为关键目标，旨在个人或者家庭范围内不同设备之间建立统一的低速互连标准。
有16个信道工作于2.4GHz ISM频段，2.4GHz频段提供的数据传输速率为250kb/s，对于高数据吞吐量、低延时或低作业周期的场合更加适用有1个信道工作于868MHz频段以及10个信道工作于915MHz频段。
无线传感器网络题
《无线传感器网络》一、填空题(每题4分，共计40分）1.传感器网络的三个基本要素：传感器、感知对象、用户(观察者)传感器网络的基本功能:协作式的感知、数据采集、数据处理、发布感知信息无线传感器节点的基本功能：采集数据、数据处理、控制、通信2.常见的同步机制:RBS(Reference Broadcast Synchronization)，Ting/Mini-Sync和TPSN（Timing—sync Protocol for Sensor Networks）3.无线通信物理层的主要技术包括：介质选择、频段选取、调制技术、扩频技术4.定向扩散路由机制可以分为三个阶段：兴趣扩散阶段、梯度建立阶段、数据传播阶段、路径加强阶段5.无线传感器网络特点：大规模网络、自组织网络、可靠的网络、以数据为中心的网络、应用相关的网络无线传感器网络的关键技术主要包括:网络拓扑控制、网络协议、时间同步、定位技术、数据融合及管理、网络安全、应用层技术6.IEEE 802。
15.4标准主要包括:物理层、介质访问控制层7.简述无线传感器网络后台管理软件结构与组成：后台管理软件通常由数据库、数据处理引擎、图形用户界面和后台组件四个部分组成8.数据融合的内容主要包括:多传感器的目标探测、数据关联、跟踪与识别、情况评估和预测9.无线传感器网络可以选择的频段有：868MHz 、915MHz、2。
4GHz、5GHz10.传感器网络的电源节能方法：休眠(技术)机制、数据融合11.传感器网络的安全问题：（1）机密性问题 (2) 点到点的消息认证问题 (3) 完整性鉴别问题12.基于竞争的MAC协议S-MAC协议 T—MAC协议 Sift协议13.传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成14.故障修复的方法基于连接的修复基于覆盖的修复15.基于查询的路由定向扩散路由谣传路由二、问答题（每题10分，共计60分）1.简述无线传感器网络系统工作过程，传感器节点的组成和功能.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。
无线传感器网络知识点归纳
一、无线传感器网络的概述1、无线传感器网络定义，无线传感器网络三要素，无线传感器网络的任务，无线传感器网络的体系构造示意图，组成局部〔P1-2〕定义：无线传感器网络〔wireless sensor network, WSN〕是由部署在监测区域内大量的本钱很低、微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一种多跳自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖范围内感知对象的信息，并发送给观看者或者用户另一种定义：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、处理和传输网络掩盖地域内感知对象的监测信息，并报告给用户三要素：传感器，感知对象和观看者任务：利用传感器节点来监测节点四周的环境，收集相关的数据，然后通过无线收发装置承受多跳路由的方式将数据发送给会聚节点，再通过会聚节点将数据传送到用户端，从而到达对目标区域的监测体系构造示意图：组成局部：传感器节点、会聚节点、网关节点和基站2、无线传感器网络的特点〔P2-4〕（1）大规模性且具有自适应性（2）无中心和自组织（3）网络动态性强（4）以数据为中心的网络（5）应用相关性3、无线传感器网络节点的硬件组成构造〔P4-6〕无线传感器节点的硬件局部一般由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供给模块4 局部组成。
4、常见的无线传感器节点产品，几种Crossbow 公司的Mica 系列节点〔Mica2、Telosb〕的硬件组成〔P6〕5、无线传感器网络的协议栈体系构造〔P7〕1.各层协议的功能应用层：主要任务是猎取数据并进展初步处理，包括一系列基于监测任务的应用层软件传输层：负责数据流的传输掌握网络层：主要负责路由生成与路由选择数据链路层：负责数据成帧，帧检测，媒体访问和过失掌握物理层：实现信道的选择、无线信号的监测、信号的发送与接收等功能2.治理平台的功能（1）能量治理平台治理传感器节点如何使用能源。
无线传感器网络试题库附答案
无线传感器网络试题库附答案《无线传感器网络》一、填空题（每题4分，共计60分）1.传感器网络的三个基本要素：传感器、感知对象、用户(观察者)2.传感器网络的基本功能：协作式的感知、数据采集、数据处理、发布感知信息3、3.无线传感器节点的基本功能：采集数据、数据处理、控制、通信4.无线通信物理层的主要技术包括：介质选择、频段选取、调制技术、扩频技术5.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、跳频、跳时、宽带线性调频扩频6.定向扩散路由机制可以分为三个阶段：兴趣扩展阶段、梯度建立阶段、路径加强阶段7.无线传感器网络特点：大规模网络、自组织网络、可靠的网络、以数据为中心的网络、应用相关的网络8.无线传感器网络的关键技术主要包括：网络拓扑控制、网络协议、时间同步、定位技术、数据融合及管理、网络安全、应用层技术9.IEEE标准主要包括：物理层。
介质访问控制层10.简述无线传感器网络后台管理软件结构与组成：后台管理软件通常由数据库、数据处理引擎、图形用户界面和后台组件四个部分组成。
11.数据融合的内容主要包括：多传感器的目标探测、数据关联、跟踪与识别、情况评估和预测12.无线传感器网络可以选择的频段有：_800MHz___915M__、、___5GHz13.传感器网络的电源节能方法：_休眠（技术）机制、__数据融合14.传感器网络的安全问题：(1)机密性问题。
(2)点到点的消息认证问题。
(3)完整性鉴别问题。
15.规定三种帧间间隔：短帧间间隔SIFS，长度为28sa)、点协调功能帧间间隔PIFS长度是SIFS加一个时隙(slot)长度，即78sb)分布协调功能帧间间隔DIFS，DIFS长度=PIFS+1个时隙长度，DIFS的长度为128s16.任意相邻区域使用无频率交叉的频道是，如：1、6、11频道。
17.网络的基本元素SSID标示了一个无线服务，这个服务的内容包括了：接入速率、工作信道、认证加密方法、网络访问权限等18.传感器是将外界信号转换为电信号的装置，传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成19.传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成20.物联网是在计算机互联网的基础上，利用RFID、无线数据通信等技术，构造一个覆盖万物的网络。
第4章无线传感器网络技术-习题解答
第4章 无线传感器网络技术-习题解答4-1传感器节点在实现各种网络协议和应用系统时，存在哪些现实约束？答：传感器节点在实现各种网络协议和应用系统时，存在以下一些现实约束。
1.电源能量有限传感器节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池。
由于传感器节点个数多、成本要求低廉、分布区域广，而且部署区域环境复杂，有些区域甚至人员不能到达，所以传感器节点通过更换电池的方式来补充能源是不现实的。
如何高效使用能量来最大化网络生命周期是传感器网络面临的首要挑战。
如何让网络通信更有效率，减少不必要的转发和接收，不需要通信时尽快进入睡眠状态，是传感器网络协议设计需要重点考虑的问题。
2.通信能力有限无线通信的能量消耗与通信距离的关系为：其中，参数n 满足关系2<n <4。
n 的取值与很多因素有关，例如传感器节点部署贴近地面时，障碍物多干扰大，n 的取值就大；天线质量对信号发射质量的影响也很大。
考虑诸多因素，通常取n 为3，即通信能耗与距离的三次方成正比。
随着通信距离的增加，能耗将急剧增加。
因此，在满足通信连通度的前提下应尽量减少单跳通信距离。
由于节点能量的变化，受高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响，无线通信性能可能经常变化，频繁出现通信中断。
在这样的通信环境和节点有限通信能力的情况下，如何设计网络通信机制以满足传感器网络的通信需求是传感器网络面临的挑战之一。
3.计算和存储能力有限传感器节点是一种微型嵌入式设备，要求它价格低功耗小，这些限制必然导致其携带的处理器能力比较弱，存储器容量比较小。
为了完成各种任务，传感器节点需要完成监测数据的采集和转换、数据的管理和处理、应答汇聚节点的任务请求和节点控制等多种工作。
如何利用有限的计算和存储资源完成诸多协同任务成为传感器网络设计的挑战。
4-2举例说明无线传感器网络的应用领域。
答：传感器网络的应用前景非常广阔，能够广泛应用于军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物状态监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管n E kd理，以及机场、大型工业园区的安全监测等领域。
无线传感器网络技术原理及应用-ppt课件-第2章
11 尽管频段的选择由很多因素决定，但对于无线传感器
网络来说，必须根据实际应用场合来选择。因为频率的选
择决定了无线传感器网络节点的天线尺寸、电感的集成度 以及节点功耗。
12
2.3 通信信道
信道是信号传输的媒质。通信信道包括有线信道和无
线信道。有线信道包括同轴电缆、光纤等。无线信道是无 线通信发送端和接收端之间通路的形象说法，它以电磁波
S (t ) A(t )sin[2πf (t ) (t )]
(2-11)
34 式中，正弦波S(t)为载波，基于正弦波的调制技术即对其参
数幅度A(t)、频率f (t)和相位进行相应的调整，分别对应调
制方式的幅度调制(AM)、频率调制(FM)和相位调制(PM)。 由于模拟调制自身的功耗较大且抗干扰能力及2。
1 m d 10 m 20lg d d 20 30lg 10 m d 20 m 10 L Lfs d 29 60lg 20 m d 40 m 20 47 120lg d d 40 m 40
无线传感器网络技术
2.3
2.4
无线传感器网络操作系统
无线传感器网络的关键技术 无线传感器网络中间件软件 面向多类型网络的无线传感器网络接入技术
2.5 2.6
2.2.1 无线传感器网络硬件设备概述
在无线传感器网络中，传感器节点既要实现数据采集和处 理转化，又要实现数据的融合和路由，并对本身采集的数据和 收到的其他节点发送的数据进行综合，转发回监控终端。
• 低能耗； • 实时性；
• 低成本；
• 安全和抗干扰； • 协作。
2.1.7 无线传感器网络的主要应用领域
生活习性监测 地震监测
战场评估
医疗状况监控
无线传感器网络
精细农业 深海监控
目标跟踪和检测
森林火灾监控
小区安全监控
第二章 无线传感器网络技术
2.1 无线传感器网络的基本概念 2.2 无线传感器网络硬件基础
移 动 管 理 平 台
拓 扑
网 络 管 理
（a）
（b）
图2-2无线传感器网络协议栈
2.1.3 无线传感器网络基本特点 传统的无线网络和 MANET网络
无线传感器网络
以传输数据，完成通信为目 的，中间节点仅负责分组数据 的转发，通常节点具有持续的 能量供给。他们注重在高度移 动的环境中通过优化路由和资 源管理策略，最大化带宽利用 率，同时提供高性能的服务质 量QoS(Quality of Service)。
2.2.5 无线传感器网络硬件开发套件
• 图像音频传感器的核心处理器为 Mega128，可以采用 JTAG ICE仿真 器进行仿真。 • 图像传感器的辅处理器为Tiny12，可 以采用stk500与之通信。 • 视频传感器的核心处理器为 i.MX27 ，开发板的flash中已经配臵好嵌入式 Linux。
《无线传感器网络》试题.
《无线传感器网络》试题一、填空题（每题4分，共计60分）1、传感器网络的三个基本要素：传感器，感知对象，观察者2、传感器网络的基本功能：协作地感知、采集、处理和发布感知信息3、无线传感器节点的基本功能：采集、处理、控制和通信等4、传感器网络常见的时间同步机制有：5、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6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、跳频、跳时、宽带线性调频扩频7、定向扩散路由机制可以分为三个阶段：周期性的兴趣扩散、梯度建立和路径加强8、无线传感器网络特点：大规模网络、自组织网络、可靠的网络、以数据为中心的网络、应用相关的网络9、无线传感器网络的关键技术主要包括：网络拓扑控制、网络协议、时间同步、定位技术、数据融合及管理、网络安全、应用层技术等10、IEEE 802.15.4标准主要包括：物理层和MAC层的标准11、简述无线传感器网络后台管理软件结构与组成：后台管理软件通常由数据库、数据处理引擎、图形用户界面和后台组件四个部分组成。
12、数据融合的内容主要包括：多传感器的目标探测、数据关联、跟踪与识别、情况评估和预测13、无线传感器网络可以选择的频段有：868MHZ、915MHZ、2.4GHZ 5GHZ14、传感器网络的电源节能方法：休眠机制、数据融合等，15、传感器网络的安全问题：(1) 机密性问题。
(2) 点到点的消息认证问题。
(3) 完整性鉴别问题。
16、802.11规定三种帧间间隔：短帧间间隔SIFS，长度为 28 μs、点协调功能帧间间隔PIFS长度是 SIFS 加一个时隙(slot)长度，即78 μs 分布协调功能帧间间隔DIFS ，DIFS长度=PIFS +1个时隙长度，DIFS 的长度为128 μs17、任意相邻区域使用无频率交叉的频道是，如：1、6、11频道。
18、802.11网络的基本元素SSID标示了一个无线服务，这个服务的内容包括了：接入速率、工作信道、认证加密方法、网络访问权限等19、传感器是将外界信号转换为电信号的装置，传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成20、传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成二、基本概念解释（每题5分，共40分）1.简述无线网络介质访问控制方法CSMA/CA的工作原理CSMA/CA机制:当某个站点（源站点）有数据帧要发送时，检测信道。
《无线传感器网络与物联网通信技术》教学课件 第2章 无线传感器网络体系结构 2.5 传输层
2.5 传输层 2.5.1 传输层简介
目前，无线传感器网络传输层协议主要在能耗控制、拥塞控制和可靠性保证3个 方向开展研究与设计工作。其中，能耗控制协议又与拥塞控制协议、可靠性保证协 议紧密联系。
① 能耗控制方面。无线传感器网络的节点能量有限，网络的运行以节能控制为 首要考虑因素。
② 拥塞控制方面。在无线传感器网络中，事件发生区域中的节点监测到相关信 息后传输至汇聚节点，由于网络的分布特征，可能存在多个节点感知信息，都发往 一个汇聚节点，即形成“多对一”的传输模式。
无线传感器网络自身存在资源受限等特性，使得传统的TCP/IP协议不能直接应用 于无线传感器网络，而应根据无线传感器网络的具体应用需求、网络自身的特性与条 件来设计相应的协议，主要体现在以下几个方面。
① 无线传感器网络中节点的能量是有限的，过多的能耗会影响网络的生命周期。
② 无线传感器网络一般使用的是分布式、密集型的覆盖方式，无线传感器网络以 数据为中心，为减少数据量，节点具备一定的数据处理能力。
③ 无线传感器网络存在不稳定情况，网络拓扑结构的变化会影响TCP/IP协议的握 手机制。
④ 在无线传感器网络中，虽然传输层协议具备拥塞控制的能力，但通信质量、拓 扑结构变化等非拥塞情况也会造成丢包现象。
⑤ 无线传感器网络在大规模应用中，节点需要处理好自身与邻居节点之间的通信 即可。
无线传感器网络与物联网通信技术
针对不同的传输层协议设计与网络应用需求，一些简单的拥塞控制处理方式分为拥 塞信息反馈机制和传输路由切换机制。其中，拥塞信息反馈机制是接收节点检测到拥塞 之后，向它的发送节点发送一个包含拥塞控制信息的数据包，告知发送节点减缓甚至停 止发送数据包；传输路由切换机制是当前节点检测到拥塞之后，重新选择一条优化的路 径来传输数据，从而减少了当前节点的数据流，待拥塞缓解或消除之后，可再恢复先前 路径来继续传输数据。
无线传感器网络技术概述-2019年精选文档
无线传感器网络技术概述-2019年精选文档-标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII无线传感器网络技术概述无线传感器网络被普遍认为是二十一世纪最重要的技术之一，是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，是由传感器、数据处理单元和通信模块的微小节点通过自组织的方式构成的网络。
在无线传感器网络中各传感器节点能够相互协作完成感知、采集网络覆盖区域内的各种环境或监测对象的信息，对这些信息进行处理，以获得详实而准确的信息，并通过无线多跳方式传送给需要这些信息的用户[2]。
可以说由计算机技术、传感器技术、无线通信技术相结合产生的无线传感器网络实现了物理世界、信息世界与人类社会三元世界的连通，将会对人类社会的生产和生活产生深远而积极的影响。
一、无线传感网络的体系结构（一）传感器节点结构。
无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点以无线多跳通信方式形成的自组织网络系统，其中的传感器节点能够协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给用户。
无线传感器网络中最基本的组成要素是传感器节点，它由数据采集单元、处理器单元、数据传输单元和能量供应单元四部分组成[2]。
如图1所示。
数据采集单元负责监测区域内信息的采集和数据转换，借助形式多样的传感部件，传感器节点能够感知温度、湿度、噪声、移动物体的大小、速度和方向等信息。
处理单元负责控制整个传感器节点的操作、存储和处理数据信息。
数据传输单元负责与其他传感器节点交换控制信息和传输采集到的数据信息。
能量供应单元为传感器节点各部件提供运行所需的能量，通常采用微型电池。
（二）网络体系结构。
无线传感器网络的体系结构如图2所示，通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点[1]。
大量传感器节点随即部署在监测区域内部或附近，以自组织的方式构成网络。
传感器节点产生的数据以不同的路由方式沿着其他传感器节点逐跳传输，在传输的过程中，可能被多个节点处理，然后传输到汇聚节点。
《无线传感器网络与物联网通信技术》教学课件 第2章 无线传感器网络体系结构 2.2 物理层
基带窄脉冲形式利用宽度在纳秒、亚纳秒级的基带窄脉冲序列进行通信。一般通过 脉冲位置调制（Pulse Position Modulation，PPM）、脉冲幅度调制（Pulse Amplitude Modulation， PAM）等调制方式携带信息。窄脉冲可以采用多种波形，如 高斯波形、升余弦波形等。因为脉冲宽度很窄，占空比较小，所以具有很好的多径信道 分辨能力。因为不需要调制载波，所以收发系统结构简单，成本较低且功耗也很低。基 于以上特点，目前采用基带窄脉冲的UWB技术已广泛应用于雷达探测、透视、成像等 领域。
无线传感器网络与物联网通信技术
2.2 物理层
扩频技术
与常规的窄带通信方式相比，DSSS具有较好的通信性能优势，主要体现在以下3 个方面。
① 抗干扰能力强。输入信息在频谱扩展后形成宽带信号传输，再在接收端通过解扩 恢复成窄带信号，由于干扰信号与扩频码不相关，在进行扩频处理后，通过窄带滤波器 使得干扰信号进入有用频带内的干扰功率得以降低，从而具有更好的抗干扰、抗噪声、 抗多径干扰能力。
无线传感器网络与物联网通信技术
2.2 物理层 调制技术
为了满足无线传感器组网最大化数据传输速率和最小化符号率的指标 要求，多进制（M-ary）调制机制应用于无线传感器网络。与二进制数字 调制不同的是，M-ary调制利用多进制数字基带信号调制载波信号的幅度、 频率或相位，可形成相应的多进制幅度调制、多进制频率调制和多进制相 位调制。其中，多进制幅度调制可看成开关键控（On-Off Keying，OOK） 方式的推广，可获得较高的传输速率，但抗噪声能力和抗衰落能力较差， 一般适合恒参或接近恒参的信道；多进制频率调制可看成二进制频率键控 方式的推广，其需要占据较宽的频带，信道频率利用率不高，一般适合调 制速率较低的应用场所；多进制相位调制利用载波的多种不同相位或相位 差来表示数字信息。
无线传感器网络技术与应用课件
1、基于距离的定位
基于距离的定位机制（range-based）是通过测量相邻节点 间的实际距离或方位进行定位的。分为三个阶段
1）测距阶段。首先未知节点通过测量接收到信标节点发出 信号的某些参数，如强度、到达时间、达到角度等，计算 出未知节点到信标节点之间的距离，这个测量出来的距离 可能是未知节点到信标节点的直线距离，也可能是二者之 间的近似直线距离。
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2、入侵检测技术 入侵检测可以被定义为识别出正在发生的入侵 企图或已经发生的入侵活动过程 分类 基于误用的检测 基于异常的检测 基于规范的检测
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入侵检测框架
50
国内和国际有多项标准与无线传感器网络具有关联 性，其中明确提出其研究对象为无线传感器网络标 准的组织包括国内WGSN标准工作组和国际ISO/IEC JTC1 WG7工作组
39
3、查询处理技术 动态数据查询：数据仅在一个小的时间窗内有效 历史数据查询：对检测到的历史数据进行检测、 分析走势等，此类查询通常认为每个数据都是同 等重要的，是不可缺少的
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四、目标跟踪技术 目标跟踪是指为了维持对目标当前状态的估计， 同时也是对传感器接收的量测进行处理的过程 基本原理：当有目标进入监测区域时，由于目标 的辐射特性（通常是红外辐射特征）、声传播特 征和目标运动过程中产生的地面震动特征，传感 器会探测到相应的信号
3
二、无线传感器网络的应用领域 军事 农业 医疗 建筑工程与建筑物 智能建筑与市政建设管理
4
三、无线传感器网络的特点 体积小、电源能力有限 计算和存储能力有限 分布式、多跳自组织 通信半径小、带宽低 动态性强 以数据为中心
5
四、无线传感器网络的关键技术 网络拓扑控制 网络协议 时间同步 定位技术 数据管理 网络安全
物联网技术--WSN技术
◆7.数据管理 ◆8.无线通信技术 ◆9.嵌入式操作系统 ◆10.应用技术
5.WSN的应用现状
随着计算成本的下降以及微处理器体积越来越小，已 经为数不少的无线传感器网络开始投入使用。目前无 线传感器网络的应用主要集中在以下领域：
◆1. 环境的监测和保护
随着人们对于环境问题的关注程度越来越高，需要采集 的环境数据也越来越多，无线传感器网络的出现为随机 性的研究数据获取提供了便利，并且还可以避免传统数 据收集方式给环境带来的侵入式破坏。无线传感器网络 还可以跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物 的影响，监测海洋、大气和土壤的成分等。此外，它也 可以应用在精细农业中，来监测农作物中的害虫、土壤 的酸碱度和施肥状况等。
3.WSN的网络体系结构：
◆网络结构
结构入上图所示，传感器网络系统通常包括传感器节点 （sensor node），汇聚节点（sink node），和管理节点。大量传 感器节点随机的部署在检测区域内部或附近，能够通过自组织方 式构成网络。传感其节点检测的数据沿着其它节点逐跳的进行传 输，其传输过程可能经过多个节点处理，经过多跳后到达汇集节 点，最后通过互联网和卫星达到管理节点，用户通过管理节点对 传感器网络进行配置和管理，发布检测任务以及收集检测数据。
◆4其他用途
无线传感器网络还被应用于其他一些领域。比如 一些危险的工业环境如井矿、核电厂等，工作人员可 以通过它来实施安全监测。也可以用在交通领域作为 车辆监控的有力工具。此外和还可以在工业自动化生 产线等诸多领域，英特尔正在对工厂中的一个无线网 络进行测试，该网络由40台机器上的210个传感器组 成，这样组成的监控系统将可以大大改善工厂的运作 条件。它可以大幅降低检查设备的成本，同时由于可 以提前发现问题，因此将能够缩短停机时间，提高效 率，并延长设备的使用时间。尽管无线传感器技术目 前仍处于初步应用阶段，但已经展示出了非凡的应用 价值，相信随着相关技术的发展和推进，一定会得到 更大的应用。
《无线传感器网络与物联网通信技术》教学课件 第2章 无线传感器网络体系结构 2.4 网络层
2.4 网络层 按路由发现过程分类
根据路由发现 方式及其过程的不 同，可将路由协议 分为以位置为中心 的路由协议和以数 据为中心的路由协 议。
以位置为中心的 路由协议即地理位置 路由协议，将节点位 置信息作为路由选择 的依据，在某个需求 区域间进行数据传输， 可实现缩减传输范围， 降低路由的能耗，延 长网络的生命周期。
1．能量消耗 2．能量感知路由 3．能量多路径路由
无线传感器网络与物联网通信技术
2.4 网络层 能量消耗
在无线传感器网络中，能量的消耗主要体现在节点及系统的运行上。 分析无线传感器网络的运行过程，其能耗主要包含计算相关和通信相关 两大因素。
（1）计算相关因素的能耗 （2）通信相关因素的能耗
无线传感器网络与物联网通信技术
在层次路由协议中，网络被划分为多个簇，每个簇包含簇头 节点和簇内节点，簇内节点获取信息并传输给簇头节点，最后传 输至终端节点。层次路由协议的优势是扩展性好，适合大规模的 无线传感器网络，但簇头节点的维护开销远大于其他节点，所以 一般采用符合网络条件的节点来轮流担任簇头节点，以均衡簇头 节点能耗，降低簇头节点因能耗而失效的可能性。
无线传感器网络与物联网通信技术
2.4 网络层 能量感知路由
需 要 说 明 的 是 ， 上 述 4 种 策 略 是 基 于 节 点 对 于 整 个 网 络 的 全 局 PA 是 已 知 的 ， 否 则 ， 无法进行策略判断。但在实际应用中，由于受到资源等条件的约束，使得节点只能获 取无线传感器网络的局部信息，难以掌控全局信息，因此，上述能量感知路由策略属 于理想的路由协议方法。图2-22 能量感知路由示意图
② 在数据传输过程中，节点通过概率计算选择下一跳节点，并转发相应的数据分组。 节点选择的概率与通信代价成反比，代价很高的路径将被舍弃，不加入其路由表中，只 有那些具有较低路径代价的邻居节点才可以被加入当前节点的路由表中。
无线传感器网络技术讲义(PDF 50页)
Sync Header
Start of Preamble Packet
Delimiter
PHY Header Frame Reserve Length (1 bit) (7 bit)
4 Octets 1 Octets
1 Octets
PHY Payload PHY Service
Data Unit (PSDU)
UWB
Zigbee
IEEE 802.15.4标准
IEEE 802.15.4标准的主要特征：
• 实现20kbps、40kbps、100kbps、250kbps四种不同的传输 速率；
• 支持星型和点到点两种拓扑结构； • 在网络中采取两种地址方式：16位地址和64位地址。其中
16位地址是有协调器分配的，64位地址是全球唯一的扩展 地址； • 采用带冲突避免的载波侦听多路访问（Carrier sense multiple access with collision avoidance，CSMA-CA）的信 道访问机制； • 支持ACK机制以保证可靠传输； • 低功耗机制；
IEEE 802.15.4标准
• IEEE 802.15.4标准概述
• 网络组成及拓扑结构 • 协议栈架构 • 功能概述
• 物理层规范
• 信道分配及调制方式 • 物理层帧格式 • 物理层功能实现
• MAC子层规范
• MAC子层的信道访问方式 • MAC子层的帧格式 • MAC子层的功能实现
IEEE 802.15.4标准
IEEE 802.15.4标准
• 两种不同类型的设备 :
– 全功能设备(full function device ,FFD) – 精简功能设备(reduced function device,RFD)
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PPDU数据
Bit to Symbol
Symbol to Chip Modulator
RF信号
物理接口标准
• 通常物理接口标准对物理接口的四个特性进行了描述：
• • • • ①机械特性。它规定了物理连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。 ②电气特性。它规定了在物理连接上传输二进制比特流时，线路 上信号电平高低、阻抗以及阻抗匹配、传输速率与距离限制。 ③功能特性。它规定了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。 ④规程特性。它定义了信号线进行二进制比特流传输线的一组操 作过程，包括各信号线的工作规则和时序。
物理层
物理层概述 发送端：频带选择，调制／扩频，帧结构 信道：信号失真-无线信道 接收端：BER 收发器设计
物理层
• OSI模型规定：物理层为传输 数据所需要的物理链路创建、 维持、拆除，提供具有机械的， 电子的，功能的和规范的特性。 简单的说，物理层确保原始的 数据可在各种物理媒体上传输。
• 主要功能
多径信道模型
瑞利衰落 Rayleigh fading 莱斯衰落 Rician fading
不存在直射信号的情况。瑞利 衰落属于小尺度的衰落效应， 它总是叠加于如阴影、衰减 等大尺度衰落效应上
存在直射信号的情况
瑞利衰落 莱斯衰落
Coherence bandwidth is a statistical measurement of the range of frequencies over which the channel can be considered "flat", or in other words the approximate maximum bandwidth or frequency interval over which two frequencies of a signal are likely to experience comparable or correlated amplitude fading.
Friis free-space equation d：传输距离 λ ：波长 Gtx : 发送天线增益 Grx
接收天线增益
更为实际的信道模型
考虑信道可能有更强的损耗： 取γ>2
考虑阴影效应等影响：加入高斯变量
理想信道模型：假设发送功率、损耗是常值，噪声是不相关高斯 信号 ->固定的SNR
• 一些典型的信道 参数
多径信道模型
如果相干带宽Bc大于信号带宽Bs（Bc>Bs) ~ 平坦衰落
如果相干带宽Bc小于信号带宽Bs（Bc<Bs) ~频率选择性衰落
• WSN的特性
– 小传输范围~几十米 – 短传输延时~ns – 平坦衰落
噪声和干扰
• 噪声(Noise) ：受温度、天气等因素影响 典型模型为均值为0、加性方差的高斯函数
• 通过调节三个参数可以表达信息
幅度调制 Amplitude shift keying e.g. MICA TR1000 频率调制 Frequency shift keying e.g. MICA2 CC1000
相位调制 Phase shift keying e.g. MICAz CC2420
扩频技术
-25~0
-94(250kBaud)
物理层帧结构
4B 前导码 同步头 1B SFD 1B 帧长度（7位） 保留位 帧的长度，最大为128B 可变长度 PSDU PHY负荷
前导码：第一个字段，其字节数一般取4， 收发器在接收前导码期间会根据前导码序列 的特征完成片同步和符号同步，当然字节数 越多同步效果越好，但那需要更多的能量消 耗。 帧头(SFD，Start Frame Denotation)字段： 表示一个帧的开始。收发器接收完前导码后 只能做到数据的位同步，通过搜索SFD字段， 才能同步到帧接收。
•
光波
优点：无需注册 速度快 缺点：LoS传输 干扰 光感设备比较昂贵
•
红外线
优点：无须注册，并且抗干扰能力强。 缺点：穿透能力差， LoS传输 。性与频率相关。如果采用较低频率，则它能轻易地通过障碍物，但电波能量随着
与信号源距离r的增大而急剧减小。如果采用高频传输，则它趋于直线传播，且受障碍物阻挡的影响。
Mica2/GAINS
Micaz/Tmote/GAINZ
射频前端芯片
CC1000
CC2420
调制方式
工作频率/Hz 工作电压/V
ASK/OOK
916.5M 3
FSK
300M~1000M 2.1~3.6
O-QPSK(DS)
2.4G 1.8~3.6
发射模式消耗电流/mA
12
16.5(在868MHz，0dBm)
17.4（0dBm）
接收模式消耗电流/mA
3.8（115.2kb/s） 1.8(2.4kb/s) OOK 30k ASK 115.2k
9.6(868MHz)
19.7
传输速率/(b/s)
<76.8k
250k
发射功率/dBm
接收机灵敏度/dBm
0
-97(115.2kb/s)
-20~10
-110(2.4kBaud)
• BER - Bit error rate
e.g. 对于BPSK,
BER=
10-1
10-2
10-3
BER
10-4
10-5
10-6 10-7
10
SNR(dB)
20
30
40
QAM256 (8 Mbps) QAM16 (4 Mbps) BPSK (1 Mbps)
operating point
1. SNR decreases, BER increase as node moves away from base station 2. When BER becomes too high, switch to lower transmission rate but with lower BER
Diffraction Attenuation Scattering Doppler fading
Reflection
路径损耗 大尺度衰落 确定性的 只与距离有关
阴影衰落 大尺度衰落 随机性的 与地面空间障碍物有关
多径衰落 小尺度衰落 随机性的 是多条路径上信号的叠加
自由空间信道模型：
主要是针对远距离理想无线通信，对于无线传感器网络、蓝牙 (Bluetooth)等短距离通信。工程上往往来用改进的Friis方程来表示实际 接收到的信号强度
• 信号所占有的频带宽度远大于所传信息所 需要的最小带宽。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。
• 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) • 宽带线性调频扩频(chirp Spread Spectrum, chirp-SS，简称切普扩频)。
信号对高频载波的某一
参量进行控制，使高频
载波随着模拟基带信号
的变化而变化。
模拟调制和数字调制
• 数字调制是用数字基带信号对高频载波的 某一参量进行控制，使高频载波随着数字 基带信号的变化而变化。目前通信系统都 在由模拟制式向数字制式过渡，因此数字 调制已经成为了主流的调制技术。
数字调制
幅度
频率
相位
• Doppler spread • 时间：快衰落、慢衰落 • 空间：瑞利衰落、莱斯衰落 • 频率：平坦性衰落、选择性衰落
由多普洛扩展引起的衰落： Coherence time ~1/ Doppler spread
多径信道模型
如果符号周期大于相干时间 快衰落：信号幅度的瞬时变化，与多径传播有关，又被称为短期衰落、小尺度 衰落。慢衰落是快衰落的中值。 如果符号周期短于相干时间 慢衰落：是信号幅度的长期变化，是传播环境在较长时间、较大范围内发生变 化的结果，比如天气、季节、遮蔽等，因此又被称为长期衰落、大尺度衰落。
– γ 路径损耗指数 – 阴影效应方差σ2 – 参考距离d0=1m
接收信号≠发送信号
Diffraction
Attenuation
Scattering
Doppler fading
Reflection
多径衰落
• 延迟扩散(Delay Spread)：接收端可能会在一段时间内接收 到许多来自不同路径的相同信号，这段时间称为延迟扩散。 即多径信号最快和最慢的时间差 • 相干带宽(Coherence Bandwidth) ：延迟扩散的倒数. is a statistical measurement of the range of frequencies over which the channel can be considered "flat", or in other words the approximate maximum bandwidth or frequency interval over which two frequencies of a signal are likely to experience comparable or correlated amplitude fading. • 相干时间（Coherence time） is the time duration over which the channel impulse response is considered to be not varying