第7章 无线传感器网络

WSN技术与信息系统的对应关系
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WSN宏观系统框架

无线传感器网络包含传感器节点(Sensor Node)、 汇聚节点(Sink Node)和管理节点(Manager Node)
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无线传感器网络的节点体系结构
☆分层网络通信协议 由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用 层组成 ☆网络管理平台 能量管理、拓扑控制、网络管理、QoS支持与安 全机制 ☆应用支撑平台 应用层软件，通过应用服务和网络管理接口提供 支持 WSN节点体系结构见教材图7.6
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簇头节点出现问题，将破 坏网络的情况。
WSN分级结构示意图
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Baidu Nhomakorabea
无线传感器网络的网络结构
☆WSN的节点往往被任意部署，主要通过飞行器 播撒、人工埋置和火箭弹射等方式完成 ☆WSN的结构可分为平面结构和分级结构 ☆WSN中小规模网络采用平面结构，较大网络应 采用分级结构
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☆传感器节点通过自组织方式构成网络 ☆传感器节点初步处理所感知到的信息后，以多 跳中继的方式将其传送给汇聚节点，再通过卫星 网、因特网或移动通信网等途径，传送到最终用 户所在的管理节点 ☆终端用户即可通过管理节点对所需信息进行相 应处理和操作 ☆每个传感器节点都有信息采集和路由双重功能
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无线传感器网络的通信协议

无线传感器网络的协议栈
任 务 管 理 平 台
应用层 传输层 网络层 数据链路层 物理层
☆无线传感器节点的处理能力、存储能力、通信
能力和电池能量等都十分有限。
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WSN的特点 ☆网络规模大 ☆低速率 ☆低功耗 ☆低成本 ☆短距离 ☆高可靠 ☆动态性
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基站
节点
各节点平等，健壮性好， 某一个节点出现问题不影 响网络状况。
WSN的平面结构示意图
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基站
节点
簇头
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无线传感器网络的协议研究
介质访问控制
基于竞争
无竞争
混合协议
S-MAC,T-MAC, Siff… 周期性侦听/休眠 缓冲溢出带来抖动 时延为代价减小能耗
能 量 管 理 平 台
移 动 管 理 平 台
WSN协议栈
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☆物理层，负责数据调制、发送与接收 ☆数据链路层，负责数据帧封装、帧检测、介质 访问和差错控制等 ☆网络层，负责数据的路由转发、节点间通信、 支持多传感器协作完成大型感知任务 ☆传输层，负责维护数据流，保证通信质量 ☆应用层，提供各种实际应用，解决各种安全问 题
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无线传感器网络概述

无线传感器网络的背景
☆通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞 速发展和日渐成熟 ☆各种具备感知、计算和通信能力的微型传感器 的出现 ☆由许多微型传感器共同构成的无线传感器网络 备受关注 ☆WSN可使人们在任何时间、任何地点和任何环 境条件下获得大量详实可靠的物理世界的真实信 息。
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无线传感器网络的研究热点 ☆安全
使用无线信道传输信息，使WSN存在窃听、人 为干扰、恶意路由、消息篡改等安全威胁。由于 节点能量和处理存储能力有限，使得一些用于有 线网络和普通威远县网络中的算法无法执行。所 以WSN中的安全问题也是一个研究热点。
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☆WSN综合了传感器、嵌入式计算、分布式信息 处理、无线通信等技术，能协作地实时监测、感 知、采集网络区域内的各种环境或被监测对象的 信息，并处理信息，进一步获取更详尽准确的数 据，传送给需要这些数据信息的用户。
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应用程序
内存
传感器
AC/DC转换器
传感模块
处理器 计算与存储模块
网 络 层
M A C 通信模块
物 理 层
电源
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WSN面临的技术挑战
☆通信能力有限 ☆电源能量有限 ☆传感器计算能力有限 ☆传感器数量大、分布范围广 ☆网络动态性 ☆大规模的分布式触发器 ☆感知数据流巨大（实时性决定） ☆以数据为中心
WSN终端节点的组成
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传感模块 传感器 数模转换
计算模块
通信模块
电源模块
存储模块
嵌入式软件
WSN的节点功能模块组成
卫星 互联网 移动通信网络 汇聚节点
E D C B A
管理节点 终端用户 监测区域 传感器节点
WSN的宏观系统架构
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无线传感器网络的研究热点 ☆跨层设计
这几一个对不同应用均能保持最有性能的 WSN较困难。研究者在协议栈各层对能量约束、 不同应用要求、网络差异性等进行了相当长的研 究，但往往仅局限于网络的某一层，而忽略了隔 层之间的相互联系。因此，WSN中需要采用自 适应的跨层优化协议，参考Internet中的分层设 计思想。
单信道
多信道
TDMA MIMO技术 STE,EDD… 避免竞争冲突 同步要求严格
STEM, CMAC… 带宽利用率高，硬件 设施复杂，信道切换 带来延迟
CSMA/CA 和 CDMA 相 结 合 ， SMACS/EAR, CAME, CUMPE… 信道利用率低， CDMA 设 备复杂，以延时为代价减 小能耗
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现代信息技术 传感器技术 计算机技术 传感器技术 通信技术
信息系统
感官 大脑 传感器技术
神经
无线传感器网络
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典型的无线传感器节点
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WSN与传统网络区别特性

无线传感器网络的特性 ☆WSN是集成了监测、控制以及无线通信的网络
系统，节点数目庞大、分布密集。
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无线传感器网络的体系结构

无线传感器网络的应用系统架构
☆WSN涉及数据采集、处理和传输三种功能，对 应现代信息技术中的传感器技术、计算机技术和 通信技术 ☆传感器、感知对象和用户是WSN的三个基本要 素 ☆协作式的感知、采集、处理和发布感知信息是 WSN的基本功能 ☆无线网络是传感器之间、传感器与用户之间的 通信路径
无线传感器网络的MAC技术
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传输层协议
☆WSN传输协议的研究侧重于拥塞控制和QoS ☆前者包括流量控制、多路分流、数据聚合和虚 拟网关等 ☆后者包括数据重传、冗余发送等 ☆流量控制中，ERST、PORT和IFRC等协议侧重 报告速率调节，Fusion、CCF等协议侧重转发速 率调节，Buffer-based、PCCP、CODA等协议侧 重于综合速率调节 各种路由协议性能比较见教材表7.2
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无线传感器网络的研究热点 ☆能量
传感器节点由于电池供电，能量有限，节点生 存期受到较大限制。如果节点因能量耗尽而终止 工作，会改变网络拓扑，可能造成通信阻碍，如 何降低功耗、提高能量效率，是WSN应用中的 一个重要问题。（无线充电方式，太阳能等可以 在无线传感网络中应用）
第7章 无线传感器网络
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本章内容简介
☆无线传感器网络概述 ☆无线传感器网络的体系结构 ☆无线传感器网络的通信协议 ☆无线传感器网络的应用 ☆无线传感器网络的研究进展 ☆无线传感器网络的仿真
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无线传感器网络的节点组成
传感器节点包含传感模块、计算模块、通信模块、 存储模块、电源模块和嵌入式软件组成 ☆传感模块负责探测目标的物理特征和现象 ☆计算模块负责处理数据和系统管理 ☆存储模块负责存放程序和数据 ☆通信模块负责发送和接收网络管理和探测数据 ☆电源模块负责节点供电 ☆嵌入式软件系统运行网络的五层协议