无线传感器网络协议体系结构
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无线传感器网络技术概论课件：无线传感器网络体系结构
无线传感器网络体系结构
2．通信能力的约束 传感器节点的通信能力关系到传感器网络监测区域内节
点部署数量，而制约其通信能力主要有两个参数，即能量损 耗和通信距离，二者之间的关系为
E = kdn
(2-1)
式中，E为传感器节点的通信能量损耗；k为一个常数，
与传感器节点的系统构成有关；d为传感器节点的通信距离；
分别接入TD-SCDMA、GSM核心网、Internet主干网及无线 局域网络等多种类型异构网络，再通过各网络下的基站或主 控设备将传感器信息分发至各终端，以实现针对无线传感器 网络的多网远程监控与调度。同时，处于TD-SCDMA、 GSM、Internet等多类型网络终端的各种应用与业务实体也 将通过各自网络连接相应的无线传感器网络网关，并由此对 相应无线传感器网络节点开展数据查询、任务派发、业务扩 展等多种功能，最终实现无线传感器网络与以移动通信网络、 Internet网络为主的各类型网络的无缝的、泛在的交互。
(2) 汇聚节点：用于连接传感器节点与Internet 等外部网 络的网关，可实现两种协议间的转换；同时能向传感器节点 发布来自管理节点的监测任务，并把WSN收集到的数据转 发到外部网络上。与传感器节点相比，汇聚节点的处理能力、 存储能力和通信能力相对较强。
(3) 管理节点：用于动态地管理整个无线传感器网络， 直接面向用户。所有者通过管理节点访问无线传感器网络的 资源，配置和管理网络，发布监测任务以及收集监测数据。
锁相回路(PLL)、解调器和功率放大器组成，所有的这些组
件都会消耗能量。对于一对收发机来说，数据通信带来的功
耗PC的组成部分可简单地用模型描述为
PC = PO + PTX + PRX
(2-2)
《无线传感器网络》课件
能耗问题
总结词
无线传感器网络的能耗问题是制约其发展的 关键因素之一。
详细描述
由于无线传感器网络中的节点通常由电池供 电，而电池寿命有限，因此如何降低能耗， 延长节点寿命是亟待解决的问题。此外，在 某些应用场景中，频繁更换电池或充电会给
维护带来困难和成本增加。
标准化问题
总结词
无线传感器网络的标准化问题涉及到不同厂商和应用 的互操作性问题。
开发工具包括硬件开发工具和软件 开发工具，硬件开发工具用于开发 传感器节点硬件电路板，软件开发 工具用于编写、调试和测试应用程 序代码。
03
无线传感器网络的通信协议
MAC协议
信道分配
MAC协议负责无线信道的分配，确保节点 间的通信不会发生冲突。
能量效率
MAC协议应考虑能量效率，避免过多的空 闲监听和数据重传。
动态环境适应性
路由协议应能适应网络拓扑的变化和 节点的动态加入/离开。
能量感知协议
能量管理
能量感知协议旨在有效地管理节点的能量，延长网络的生命周期。
节能技术
采用诸如功率控制、休眠机制等节能技术来降低能耗。
负载均衡
通过均衡节点的负载来降低能耗，避免某些节点过早耗尽能量。
能量预测
利用历史数据预测节点的剩余能量，优化路由和任务分配。
06
无线传感器网络的挑战与展望
安全性问题
总结词
无线传感器网络面临多种安全威胁，如数据 窃取、恶意攻击、篡改等。
详细描述
由于无线传感器网络中的节点通常部署在无 人值守的环境中，因此容易受到攻击者的窃 听、干扰和恶意篡改。攻击者可能通过截获 节点间的通信数据，获取敏感信息，或者对 网络进行破坏，导致网络瘫痪或数据传输错 误。
第1章无线传感器网络概述
第1章 无线传感器网络概述
1.2.2 传感器节点的限制
传感器节点在实现各种网络协议和应用系统时，存在以 下一些实现的约束。 1．电源能量有限 传感器节点体积微小，通常只能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 何高效地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。
第1章 无线传感器网络概述
4．可靠性高
传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的 区域，传感器节点可能工作在露天环境中，遭受太阳的暴晒 或风吹雨淋，甚至遭到无关人员或动物的破坏。传感器节点 往往采取随机部署，如通过飞机撒播或发射炮弹到指定区域 进行部署。这些都要求传感器节点非常坚固，不易损坏，能 适应各种恶劣环境条件。由于监测区域环境的限制以及传感 器节点数目巨大，不可能人工“照顾”到每一个传感器节点， 因此网络的维护十分困难，甚至不可能。传感器网络的通信 保密性和安全性也十分重要，要防止监测数据被盗取和获取 伪造的监测信息。因此，传感器网络的软硬件必须具有鲁棒
第1章 无线传感器网络概述
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 E = k· dn 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的影响也很大。考虑诸多因 素，通常n取3，即通信消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通信距离。一般而言，传感器节点的无 线通信半径在100 m以内比较合适。
第1章 无线传感器网络概述
《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。
无线传感器网络简介
传输层与应用层
混合网络结构
平面网络结构
01
分级网络结构
02
03
Mesh网络结构
04
2、1无线传感网络拓扑结构
2、2无线传感器网络覆盖问题
覆盖问题是无线传感器网络配置首先面临的基本问题，因为传感器节点可能任意分布在配置区域，它反映了一个无线传感网络某区域被鉴测和跟踪的状况
三、无线传感器网络关键技术
动态电压调度(dynamic voltage scheduling,简称DVS)
4无线传感器网络QOS保证技术
5无线传感器网络数据融合技术
6无线传感器网络安全机制
7无线传感器网络定位技术
8无线传感器网络同步管理机制
四、无线传感器网络硬件平台
传感器节点
01.
汇聚节点
01.
管理平台
01.
4、1硬件结构
泛洪协议
SPIN协议
主要完成两大功能：一是选择适合的优化路径，一是沿着选定的路径正确转发数据
3.2无线传感器网络路由协议
动态功率管理(dynamic power management,简称DPM)
01
动态电压调度(dynamic voltage scheduling,简称DVS)
02
3.3无线传感器能量管理机制
传感器节点
无线传感器网络微型节点由数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元和电源管理单元4部分组成
汇聚节点
当节点作为汇聚节点时，其主要功能就足连接传感器网络与外部网络(如Internet)，将传感器节点采集到的数据通过互联网或卫星发送给用户。
管理平台
管理平台对整个网络进行检测、管理，它通常为运行有网络管理软件的PC机或者手持终端设备
混合网络结构
平面网络结构
01
分级网络结构
02
03
Mesh网络结构
04
2、1无线传感网络拓扑结构
2、2无线传感器网络覆盖问题
覆盖问题是无线传感器网络配置首先面临的基本问题，因为传感器节点可能任意分布在配置区域，它反映了一个无线传感网络某区域被鉴测和跟踪的状况
三、无线传感器网络关键技术
动态电压调度(dynamic voltage scheduling,简称DVS)
4无线传感器网络QOS保证技术
5无线传感器网络数据融合技术
6无线传感器网络安全机制
7无线传感器网络定位技术
8无线传感器网络同步管理机制
四、无线传感器网络硬件平台
传感器节点
01.
汇聚节点
01.
管理平台
01.
4、1硬件结构
泛洪协议
SPIN协议
主要完成两大功能：一是选择适合的优化路径，一是沿着选定的路径正确转发数据
3.2无线传感器网络路由协议
动态功率管理(dynamic power management,简称DPM)
01
动态电压调度(dynamic voltage scheduling,简称DVS)
02
3.3无线传感器能量管理机制
传感器节点
无线传感器网络微型节点由数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元和电源管理单元4部分组成
汇聚节点
当节点作为汇聚节点时，其主要功能就足连接传感器网络与外部网络(如Internet)，将传感器节点采集到的数据通过互联网或卫星发送给用户。
管理平台
管理平台对整个网络进行检测、管理，它通常为运行有网络管理软件的PC机或者手持终端设备
无线传感器网络体系结构PPT课件
1.传感器节点 （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 2. 汇聚节点 3.管理节点
第2章 无线传感器网络体系结构
.
6
2.2.2 无线传感器网络软件体系结构
第2章 无线传感器网络体系结构
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)。
第2章 无线传感器网络体系结构
2.1 体系结构概述
无线传感器网络包括4类基本实体对象：目标、观测节 点、传感节点和感知视场。另外，还需定义外部网络、远 程任务管理单元和用户来完成对整个系统的应用刻画，如 图2-1所示。
目标
外部网络 （UAV、卫星通信
网、互联网等）
远程任务管理
用户
数据传输或 信令交换
分布式网络服务接口
分布式网格 管理接口
应用层 传输层 网络层 数据链路层
安
Qos
路由
全 机
制
信道接入
拓扑生成
无线电
.
红外线
能
源
管
理
网
络
管
拓
理
扑
管
理
光波
9
无线传感网络结构
• 一、单跳网络
• 概念：为了向汇聚节点传送数据，各传感 器节点可以采用单跳方式将各自的数据直 接发送给汇聚节点，采用这种方式所形成 的网络结构 为单跳网络结构。
. 传感器节点
感知现场 1
无线传感器网络协议体系结构
无线传感器网络协议体系结构
无线传感器网络的通信协议为五层结构：物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层。
其中通信部分位于数据链路层和物理层，采用的标准是IEEE 802.15.4。
通信部分采用的通信技术可以是有线、无线、红外等，其中无线技术可以是ZigBee、蓝牙、超带宽（UWB）等。
组网技术主要在传输层和网络层。
支撑技术主要在应用层实现，包括时间同步技术、定位技术、数据融合技术、能量管理和安全机制等，主要作用是保证用户功能的正常运行。
物理层作用是为终端设备提供数据传输的通路。
主要任务是信号的调制、数据收发速率、通信频段的选择以及传输介质的选取。
数据链路层作用是建立可靠的点到点、点到多点的通信链路，保证源节点发出的信息可以正确的传输到目标节点。
主要任务是数据成帧、帧检测、介质访问、差错控制和功率控制。
网络层作用是将数据由传感器节点可靠的传输到汇聚节
点。
主要任务是路由的发现和维护，确保终端的连通/无连通情况，路由的可达性以及寻找传感器节点和汇聚节点之间最优路径（能量消耗最小、延时最小）。
传输层作用是进行数据流的传输控制进而保证网络通信质量
应用层要为传感器网络应用提供时间同步服务、节点定位机制、节点管理协议、任务协议和数据广播管理协议。
无线传感器网络体系结构
无线传感器网络体系结构Company Document number：WUUT-WUUY-WBBGB-BWYTT-1982GT无线传感器的网络体系结构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，如下图所示：无线传感器网络系统架构其中A—E则为分布式无线传感器节点群，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。
这些节点通常是一个微型的嵌入式系统，它们的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过携带有限能量的电池供电。
从功能上看这些节点，它们不仅要对本地收集的信息进行收集及处理，而且要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其他节点协作完成一些特定的任务。
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，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，同时发布管理节点的监测任务，并把收集的数据转发到外部网络上。
当我们设计无线传感器网络体系结构时要注重以下几个方面：1.节点资源的有效利用。
由于大量低成本微型节点的资源有限，怎样有效地管理和使用这些资源，并最大限度地延长网络寿命是WSN研究面临的一个关键技术挑战，需要在体系结构的层面上给予系统性的考虑。
可供着手的方面有:○1选择低功耗的硬件设备，设计低功耗的MAC协议和路由协议。
○2各功能模块间保持必要地同步，即同步休眠与唤醒。
○3从系统的角度设计能耗均衡的路由协议，而不是一味的追求低功耗的路由协议，这就需要体系结构提供跨层设计的便利。
○4由于节点上计算资源与存储资源有限，不适合进行复杂计算与大量数据的缓存，因此一些空间复杂度和时间复杂度高的协议与算法不适合于WSN的应用。
○5随着无线通信技术的进步，带宽不断增加，例如超宽带（UWB）技术支持近百兆的带宽。
WSN在不远的将来可以胜任视频音频传输，因此我们在体系结构上设计时需要考虑到这一趋势，不能仅仅停留在简单的数据应用上。
无线传感器网络的体系结构
无线传感器网络的体系结构李宁 104753071172（河南大学，河南大学计算机与信息工程学院 475004）摘要：在对无线传感器应用特征进行分析的基础上，总结了无线传感器体系结构设计的要素，讨论了无线传感器网络的软件体系结构和通信体系结构。
通过与传统Ad hoc网络的对比，归纳了无线传感器网络在各层各面设计的特点。
文章认为虽然传统的传感器的应用方向主要在军事领域，但在民用领域也存在着广阔的前景。
关键词：无线传感器网络；软件体系结构；通信体系结构；自组织网络0 引言目前在无线通信领域和电子领域的进步促进了低成本、低功耗、多功能无线传感器的发展。
这些无线传感器体积小，并具有感知、数据处理和短距离通信的能力。
与传统的传感器相比，现在的无线传感器网络具有明显的进步。
无线传感器网络由大量高密度分布的处于被观测对象内部或周围的传感器节点组成。
其节点不需要预先安装或预先决定位置，这样提高了动态随机部署于不可达或危险地域的可行性。
传感器网络具有广泛的应用前景，范围涵盖医疗、军事和家庭等很多领域。
例如，传感器网络快速部署、自组织和容错特性使其可以在军事指挥、控制、通信、计算、智能、监测、勘测方面起到不可替代的作用。
在医疗领域，传感器网络可以部署用来监测病人并辅助残障病人。
其他商业应用还包括跟踪产品质量、监测危险地域等。
无线传感器网络的实现需要自组织(Ad hoc)网络技术。
尽管已有许多Ad hoc网络的协议和算法，但并不能够满足传感器网络的需求。
具体来说，相对于一般意义上的自组织网络，传感器网络有以下一些特色，需要在体系结构的设计中特殊考虑。
(1) 无线传感器网络中的节点数目高出Ad hoc网络节点数目几个数量级，这就对传感器网络的可扩展性提出了要求。
由于传感器节点的数目多开销大，传感器网络通常不具备全球唯一的地址标识，这使得传感器网络的网络层和传输层相对于一般网络而言，有很大的简化。
此外，由于传感器网络节点众多，因此，单个节点的价格对于整个传感器网络的成本而言非常重要。
无线网络技术_第8章 无线传感器网络
❖ 有效范围小：有效覆盖范围10~75米，具体依据实 际发射功率大小和各种不同的应用模式而定
❖ 工作频段灵活：使用频段为2.4GHz、868MHz（欧 洲）和915MHz（美国），均为免执照（免费）的 频段
8.4 无线传感器网络的应用
❖ 最初源于军事上的需求 ❖ 后逐渐被被用于农业，医学等领域
安全/监控
闲侦听，以便接收可能传输给自己的数据。过度的 空闲侦听或者没必要的空闲侦听同样会造成节点能 量的浪费。 (4)在控制节点之间的信道分配时，如果控制消息过多， 也会消耗较多的网络能量。
MAC协议分类标准
❖ 采用分布式控制还是集中控制 ❖ 使用单一共享信道还是多个信道 ❖ 采用固定分配信道方式还是随机访问信道方式
❖ 网络层(Network Layer)
网络层协议主要负责路由发现和维护
路由协议可以划分为平面路由协议和分级路由协 议
WSN 路由协议设计要遵从如下原则
❖ 能量利用率优先考虑 ❖ 数据为中心 ❖ 不影响传感器节点探测精度条件下的数据聚合 ❖ 理想的节点定位和目标追踪
❖ 传输层(Transport Layer)
❖链路层（Data Link Layer）
链路层协议用于建立可靠的点到点或点到多点通信链路, 主要由介质访问控制(Medium Access Control ,简称MAC) 组成,MAC协议的基本作用是避免点到点通讯时冲突的发 生。
传感器网络的MAC协议必须满足两项基本要求:首先是组 建网络底层基础设施,实现多跳并具备自组织特性的节点 无线通讯;其次是在节点通讯过程中实现平等高效的资源 共享
❖ 确定事件发生的位置或获取消息的节点位置是传感 器网络最基本的功能之一，对无线传感器网络应用 的有效性起着关键的作用。
❖ 工作频段灵活：使用频段为2.4GHz、868MHz（欧 洲）和915MHz（美国），均为免执照（免费）的 频段
8.4 无线传感器网络的应用
❖ 最初源于军事上的需求 ❖ 后逐渐被被用于农业，医学等领域
安全/监控
闲侦听，以便接收可能传输给自己的数据。过度的 空闲侦听或者没必要的空闲侦听同样会造成节点能 量的浪费。 (4)在控制节点之间的信道分配时，如果控制消息过多， 也会消耗较多的网络能量。
MAC协议分类标准
❖ 采用分布式控制还是集中控制 ❖ 使用单一共享信道还是多个信道 ❖ 采用固定分配信道方式还是随机访问信道方式
❖ 网络层(Network Layer)
网络层协议主要负责路由发现和维护
路由协议可以划分为平面路由协议和分级路由协 议
WSN 路由协议设计要遵从如下原则
❖ 能量利用率优先考虑 ❖ 数据为中心 ❖ 不影响传感器节点探测精度条件下的数据聚合 ❖ 理想的节点定位和目标追踪
❖ 传输层(Transport Layer)
❖链路层（Data Link Layer）
链路层协议用于建立可靠的点到点或点到多点通信链路, 主要由介质访问控制(Medium Access Control ,简称MAC) 组成,MAC协议的基本作用是避免点到点通讯时冲突的发 生。
传感器网络的MAC协议必须满足两项基本要求:首先是组 建网络底层基础设施,实现多跳并具备自组织特性的节点 无线通讯;其次是在节点通讯过程中实现平等高效的资源 共享
❖ 确定事件发生的位置或获取消息的节点位置是传感 器网络最基本的功能之一，对无线传感器网络应用 的有效性起着关键的作用。
《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 2.2 物理层
根据基带信号类型不同，可将调制分为模拟调制和数字调制。 模拟调制可分为幅度调制（Amplitude Modulation，AM）、频率调制 （Frequency Modulation，FM）和相位调制（Phase Modulation，PM）。 数字调制可分为幅移键控（Amplitude Shift Keying，ASK）、频移键控 （Frequency Shift Keying，FSK）和相移键控（Phase Shift Keying，PSK）。
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。
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。
《物联网导论》第4章-无线传感网络
传感器网络网关是感知数据向网络外 部传递的有效设备，通过网络适配和转 换连接至传输层，再通过传输层连接至 传感器网络服务层。
4.2 无线传感器网络的体系结构
重庆邮电大学
传感节点、路由节点和传感器网络 网关构成的感知层存在多种拓扑结构， 如星型、树型、网状拓扑等，如图中 (a)、(b)、(c)。也可以根据网络规模 大小定义层次性的拓扑结构，如图中(d) 所示的分层结构。
第五章 无线传感网络
重庆邮电大学
学习要求：
ZigBee 技术
1
2
6LoWPAN 技术
1
2
蓝牙及蓝牙 4.x 技术1来自234
体域网技术
1
2
面向视频通信的无线传感网技术 1 2
掌握 ZigBee 网络的构成 掌握 ZigBee 协议体系
掌握 6LoWPAN 网络拓扑 掌握 6LoWPAN 标准协议栈架构
4.3 中高速无线网络规范概述
重庆邮电大学
4.3.1 IEEE 802.11X系列无线局域网标准
目前，无线局域网已经形成了IEEE802.11系列标准，包 括IEEE 802.11、IEEE 802.11a/b/c/d/e/f/g/h/i/n/ah等标准。 199 0年IEEE802标准化委员会成立IEEE802.11WLAN标准工作组。
硬件层
……
设备管理
安全管理 跨 层 管 网络管理 理
标识
4.2 无线传感器网络的体系结构
重庆邮电大学
应用层： 位于整个技术架构的顶层，由应用子集和协同信息处理这两个模块组成。
服务子层： 包含具有共性的服务与管理中间件，典型的如数据管理单元、数据存储
单元、定位服务单元、安全服务单元等共性单元。
4.2 无线传感器网络的体系结构
重庆邮电大学
传感节点、路由节点和传感器网络 网关构成的感知层存在多种拓扑结构， 如星型、树型、网状拓扑等，如图中 (a)、(b)、(c)。也可以根据网络规模 大小定义层次性的拓扑结构，如图中(d) 所示的分层结构。
第五章 无线传感网络
重庆邮电大学
学习要求：
ZigBee 技术
1
2
6LoWPAN 技术
1
2
蓝牙及蓝牙 4.x 技术1来自234
体域网技术
1
2
面向视频通信的无线传感网技术 1 2
掌握 ZigBee 网络的构成 掌握 ZigBee 协议体系
掌握 6LoWPAN 网络拓扑 掌握 6LoWPAN 标准协议栈架构
4.3 中高速无线网络规范概述
重庆邮电大学
4.3.1 IEEE 802.11X系列无线局域网标准
目前，无线局域网已经形成了IEEE802.11系列标准，包 括IEEE 802.11、IEEE 802.11a/b/c/d/e/f/g/h/i/n/ah等标准。 199 0年IEEE802标准化委员会成立IEEE802.11WLAN标准工作组。
硬件层
……
设备管理
安全管理 跨 层 管 网络管理 理
标识
4.2 无线传感器网络的体系结构
重庆邮电大学
应用层： 位于整个技术架构的顶层，由应用子集和协同信息处理这两个模块组成。
服务子层： 包含具有共性的服务与管理中间件，典型的如数据管理单元、数据存储
单元、定位服务单元、安全服务单元等共性单元。
《物联网传输技术》PPT课件
ppt课件
蓝牙的四种连接状态
ppt课件
纠错方式 对于蓝牙的基带控制共有三种纠错方式：1/3速 率前向纠错码；2/3速率前向纠错码；对数据的 自动重复申请ARQ。
ppt课件
蓝牙安全
蓝牙安全问题是由蓝牙技术的移动性和开放性引 来的，尽管蓝牙调频技术本身有一定的安全系数， 但链路层和应用层的安全管理依旧十分重要。链 路层中的安全措施是为每一个用户提供一个个人 标识码（PIN），蓝牙系统将其翻译成128位的 链路密钥并进行但单双向认证，蓝牙安全机制提 供了大量的认证方案。认证完毕后，链路使用不 同长度的密码将其加密，加密方案机动灵活到允 许协商密码的长度。蓝牙系统有能力为连入微微 网中的各蓝牙设备选择较小的最大容许加密长度。
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无线传感器网络体系架构
1 无线传感器网络系统架构
2
无线传感器的节点构成
3 无线传感器网络的通信协议
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无线传感器网络系统架构
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无线传感器的节点构成
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无线传感器网络的通信协议
针对用户对网络的需求以及自身特点，无线传感器网络的 通信协议是一种二维结构，如图所示，纵向为传感器网络 的管理协议以及横向为分层的通信协议层。网络管理协议 存在于各个通信协议之中，管理协议包括了拓扑的控制、 能量的管理、服务质量管理、安全/移动管理、网络管理、 时间同步和定位等。管理协议承担的传感节点的管理责任， 另外，还负责用户对传感器网络运行的任务。与传统的 Internet 网络中的TCP/IP 协议比较，网络通信协议由下 向上被分为以下五层：物理、数据链路、网络、传输和应 用。
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蓝牙技术简介 技术特点：1.蓝牙工作在2.4GHz的ISM频段，工作 频段无须申请许可。2.使用1Mbit/s速率以达到最大 限制带宽。3.使用快速调频（1600跳/s）技术抗干 扰。4.在干扰下，使用短数据帧尽可能增大容量。5. 快速确认机制能在链路情况良好时实现较低的编码开 销。6.采用CVSD话音编码，可在高误码率下使用。 7.灵活帧方式支持广泛的应用领域。8.宽松链路配置 支持低价单芯片集成。9.严格设计的空中接口使功耗 最小。10.发射功率自适应，低干扰。
蓝牙的四种连接状态
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纠错方式 对于蓝牙的基带控制共有三种纠错方式：1/3速 率前向纠错码；2/3速率前向纠错码；对数据的 自动重复申请ARQ。
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蓝牙安全
蓝牙安全问题是由蓝牙技术的移动性和开放性引 来的，尽管蓝牙调频技术本身有一定的安全系数， 但链路层和应用层的安全管理依旧十分重要。链 路层中的安全措施是为每一个用户提供一个个人 标识码（PIN），蓝牙系统将其翻译成128位的 链路密钥并进行但单双向认证，蓝牙安全机制提 供了大量的认证方案。认证完毕后，链路使用不 同长度的密码将其加密，加密方案机动灵活到允 许协商密码的长度。蓝牙系统有能力为连入微微 网中的各蓝牙设备选择较小的最大容许加密长度。
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无线传感器网络体系架构
1 无线传感器网络系统架构
2
无线传感器的节点构成
3 无线传感器网络的通信协议
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无线传感器网络系统架构
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无线传感器的节点构成
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无线传感器网络的通信协议
针对用户对网络的需求以及自身特点，无线传感器网络的 通信协议是一种二维结构，如图所示，纵向为传感器网络 的管理协议以及横向为分层的通信协议层。网络管理协议 存在于各个通信协议之中，管理协议包括了拓扑的控制、 能量的管理、服务质量管理、安全/移动管理、网络管理、 时间同步和定位等。管理协议承担的传感节点的管理责任， 另外，还负责用户对传感器网络运行的任务。与传统的 Internet 网络中的TCP/IP 协议比较，网络通信协议由下 向上被分为以下五层：物理、数据链路、网络、传输和应 用。
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蓝牙技术简介 技术特点：1.蓝牙工作在2.4GHz的ISM频段，工作 频段无须申请许可。2.使用1Mbit/s速率以达到最大 限制带宽。3.使用快速调频（1600跳/s）技术抗干 扰。4.在干扰下，使用短数据帧尽可能增大容量。5. 快速确认机制能在链路情况良好时实现较低的编码开 销。6.采用CVSD话音编码，可在高误码率下使用。 7.灵活帧方式支持广泛的应用领域。8.宽松链路配置 支持低价单芯片集成。9.严格设计的空中接口使功耗 最小。10.发射功率自适应，低干扰。
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主要功能：
➢ 为数据终端设备(Data Terminal Equipment，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。
物理层
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。
物理层
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(Amplitude Modulation， AM)、频率调制(Frequency Modulation，FM)和相位调制(Phase Modulation， PM)
➢ (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。
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。
物理层的设计
物理层
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(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)。
目录
➢ 物理层 ➢ 数据链路层协议 ➢ 网络层协议 ➢ 传输层协议 ➢ 应用层协议
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(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。
➢ 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。
➢ 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。
物理层
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。
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。
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。
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。
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
物理层的设计
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：
➢ 为数据终端设备(Data Terminal Equipment，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。
物理层
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。
物理层
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(Amplitude Modulation， AM)、频率调制(Frequency Modulation，FM)和相位调制(Phase Modulation， PM)
➢ (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。
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。
物理层的设计
物理层
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(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)。
目录
➢ 物理层 ➢ 数据链路层协议 ➢ 网络层协议 ➢ 传输层协议 ➢ 应用层协议
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(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。
➢ 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。
➢ 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。
物理层
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。
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。
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。
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。
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
物理层的设计
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：