无线传感器网络结构
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)
无线传感器网络中的网络拓扑结构
无线传感器网络中的网络拓扑结构无线传感器网络是由大量的无线传感器节点组成的，这些节点可以相互通信并协同工作，以收集、处理和传输环境中的信息。
在无线传感器网络中，网络拓扑结构的设计和选择对于网络的性能和可靠性起着至关重要的作用。
一、星型拓扑结构星型拓扑结构是最简单和最常见的网络拓扑结构之一。
在星型拓扑结构中，所有的传感器节点都直接连接到一个中心节点。
中心节点负责收集和处理来自其他节点的数据，并将结果传输到其他节点。
星型拓扑结构具有简单、易于实现和维护的优点，但也存在单点故障的风险，如果中心节点发生故障，整个网络将无法正常运行。
二、树型拓扑结构树型拓扑结构是一种层次结构，其中一个节点作为根节点，其他节点按照层次结构连接到根节点。
树型拓扑结构具有良好的可扩展性和灵活性，可以根据实际需求进行扩展和调整。
此外，树型拓扑结构还具有较好的容错性，即使某些节点发生故障，网络的其他部分仍然可以正常工作。
然而，树型拓扑结构也存在一些缺点，如较长的传输延迟和较高的能耗。
三、网状拓扑结构网状拓扑结构是一种多对多的连接方式，其中每个节点都与其他节点直接相连。
网状拓扑结构具有高度的灵活性和可靠性，即使某些节点发生故障，网络仍然可以通过其他路径进行通信。
此外，网状拓扑结构还具有较低的传输延迟和较好的能耗控制。
然而，网状拓扑结构也存在一些问题，如较高的成本和复杂性。
由于每个节点都需要与其他节点直接通信，所以节点之间的通信距离较短，这限制了网络的覆盖范围。
四、混合拓扑结构混合拓扑结构是将多种拓扑结构组合在一起形成的。
通过灵活地组合不同的拓扑结构，可以充分发挥每种拓扑结构的优点，并弥补其缺点。
例如，可以将星型结构用于数据收集和处理，而将树型或网状结构用于数据传输。
混合拓扑结构可以根据实际需求进行灵活调整，以实现更好的性能和可靠性。
总结：无线传感器网络中的网络拓扑结构选择应根据具体应用需求和网络性能要求来确定。
不同的拓扑结构具有不同的特点和适用场景，需要综合考虑各种因素进行选择。
《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。
无线传感器网络
• 根据定位过程中实际测量节点间的距离和角度与否
通过测量节点间点到点的距离 或角度等信息进行位置估计； 基于测距的定位
无须测距技术的定位
无须距离和角度信息，仅根据 网络连通性等信息即可实现。
测距方法
• 基于距离的节点定位算法定位精度相对较高，但由于要实 际测量节点间的距离或角度，所以通常硬件要求也较高。 典型的距离测量技术包含利用 RSSI 测距、利用 TOA 或 TDOA 测距和利用 AOA 测距
• 第五，无线传感器网络具备有很强容错能力 • 第六，由于无线传感器网络节点的体积和所携带 能量有限的限制，这些限制决定了传感器节点只 能具备有限的计算和存储能力还有相对距离较短 的通信能力 • 第七，无线传感器网络节点无中心，无线传感器 网络中的传感器节点无严格的控制中心所有的节 点都是地位平等，加入和离开节点都是随意的没 有严格的限制条件
拓扑控制的研究方向
• WSN中拓扑控制可以分为两个研究方向：功率控制和层次 拓扑结构控制。 • 功率控制机制调整网络中每个节点的发射功率，保证网络 连通，在均衡节点中直接邻居数目(单跳可达邻居数目)的 同时，降低节点之间的通信干扰。 • 层次拓扑控制是利用分簇思想，使网络中的部分节点处于 激活状态，成为簇头节点。由这些簇头节点构建一个连通 的网络来处理和传输网络中的数据，并定期或不定期地重 新选择簇头节点，以均衡网络中节点的能量消耗。
传感器节点的限制
• 感知数据流无限
– 传感器网络每个传感器都产生无限 的流式数据，并具有实时性 – 每个传感器仅具有有限的存储器和 计算资源，难以处理巨大的实时数 据流
传感器节点的限制 • 以数据为中心
– 传感器网络不是通常的网络
• 用户感兴趣的是数据而不是网络和传感器硬件
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
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
一、无线传感器网络体系结构介绍
无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是一类可实现智
能信息采集、处理和传输的无线网络，它以无线传感节点为基本构成部分，具有自组织、自传输、自自适应能力，可大大减少安装成本和维护成本。
无线传感器网络系统一般由一个中央管理单元、一些无线传感器节点、一
个或多个网关节点、一个或多个应用服务器以及网络管理和数据传输组织
构成。
1、中央管理单元
中央管理单元是无线传感器网络的最高级管理模块，负责系统中各模块、节点的组织、配置和管理，并通过与每个传感器节点的交互来监控系
统的状态。
2、无线传感器节点
3、网关节点
网关节点负责将无线传感器网络中传感器节点的采集到的信息传输到
应用服务器，以及把应用服务器发送到传感器节点的数据传输到传感器节点，它也可以起到路由的作用。
4、应用服务器。
无线传感器网络的技术和应用
无线传感器网络的技术和应用随着人们对信息化技术的越来越高的关注度，无线传感器网络的技术和应用也逐渐得到了广泛的关注。
无线传感器网络指的是一种由多个微型传感器节点组成的网络，这些节点可以搭载各种传感器，如温度传感器、湿度传感器、光线传感器等，通过无线通信方式进行数据的采集和传输。
这种网络可以广泛应用于环境监测、工业自动化、健康医疗等领域。
一、无线传感器网络的技术无线传感器网络的核心技术包括网络拓扑结构、数据采集和传输、能量管理等方面。
1.网络拓扑结构无线传感器网络的拓扑结构可以分为星型拓扑、树型拓扑和网格拓扑。
其中，星型拓扑结构是最简单的，节点直接连接到一个中心节点，数据传输只需要依靠中心节点转发即可。
而树型拓扑和网格拓扑更适用于大规模的节点部署，可以提高网络的可靠性和扩展性。
2.数据采集和传输无线传感器网络中的数据采集和传输是实现全局协同的基础。
传统的传感器网络使用的是区域协同方式，即每个节点只和周围节点通信，不能直接和其他地方节点通信。
而在无线传感器网络中，由于采用了全局协同的方式，节点之间可以直接进行数据的传输，从而大大提高了网络的效率和准确性。
3.能量管理无线传感器网络中的节点数量往往是非常庞大的，同时节点的电源也是一大瓶颈。
因此，如何进行有效的能量管理成为了无线传感器网络技术中的一大难点。
为了延长网络的寿命，需要对节点的能量进行合理的管理，例如采用能量平衡、低功耗通信等方式，从而实现节点能量的最大化利用。
二、无线传感器网络的应用无线传感器网路是一种用于数据采集、监测和控制的重要技术手段。
它可以应用于环境监测、交通、智能水利、智能农业等多个领域。
1.环境监测无线传感器网络可以应用于环境监测中，通过部署一定数量的传感器节点，可以实现对温度、湿度、气体等环境因素的实时监测，从而保证环境的安全和健康。
2.交通无线传感器网络可以应用于交通领域，通过部署一定数量的传感器节点，可以实现对路况、交通流量等数据的实时监测，从而为交通管理提供有力的支持。
无线传感器网络的拓扑结构与节点布局设计
无线传感器网络的拓扑结构与节点布局设计无线传感器网络是一种由大量分布在广泛范围内的无线传感器节点组成的网络系统。
这些节点可以自主地感知环境中的各种参数，并将数据传输给中心节点或其他节点。
在设计无线传感器网络时，拓扑结构和节点布局的选择至关重要，它们直接影响着网络的性能和可靠性。
一、无线传感器网络的拓扑结构无线传感器网络的拓扑结构是指节点之间的连接方式和组织形式。
常见的拓扑结构包括星型、网状和混合型。
1. 星型拓扑结构星型拓扑结构是最简单且最常见的一种结构。
在星型结构中，所有的传感器节点都直接连接到一个中心节点，而节点之间没有直接的连接。
这种结构简单易于实现，但中心节点成为了整个网络的瓶颈，当中心节点发生故障时，整个网络将无法正常运行。
2. 网状拓扑结构网状拓扑结构是一种多对多的连接方式，每个节点都可以与其他节点直接通信。
这种结构具有较好的可靠性和冗余性，当某个节点发生故障时，其他节点仍然可以相互通信。
但网状结构的缺点是节点之间的通信距离较远，需要更多的能量和带宽。
3. 混合型拓扑结构混合型拓扑结构是星型和网状结构的组合，它综合了两种结构的优点。
在混合型结构中，节点可以通过中心节点进行通信，也可以直接与其他节点通信。
这种结构可以在保证可靠性的同时减少能量和带宽的消耗。
二、无线传感器网络的节点布局设计节点布局是指在感兴趣区域内合理地部署传感器节点，以实现对环境的有效监测和数据采集。
节点布局设计需要考虑以下几个方面：1. 覆盖范围节点的布局应该能够覆盖感兴趣区域的全部或部分范围。
覆盖范围的大小取决于具体应用需求，有些应用可能需要全覆盖，而有些应用只需要部分区域的覆盖。
2. 能量平衡节点的布局应该能够实现能量的平衡分配，避免某些节点能量过早耗尽而导致网络失效。
一种常见的策略是将能量消耗较大的节点与能量消耗较小的节点相互混合布置，以实现整个网络的能量均衡。
3. 通信距离节点的布局应该考虑节点之间的通信距离，以保证节点之间可以正常通信。
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。
无线网络技术_第8章 无线传感器网络
❖ 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
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WSN(1)
传感器发展历程
第一阶段:最早可以追溯至越战时期使用的传统的 传感器系统。当年美越双方在密林覆盖的“胡志 明小道”进行了一场血腥较量，“胡志明小道” 是胡志明部队向南方游击队输送物资的秘密通道， 美军对其进行了狂轰滥炸，但效果不大。后来， 美军投放了2万多个“热带树”传感器。“热带树” 实际上是由震动和声响传感器组成的系统，它由 飞机投放，落地后插入泥土中，只露出伪装成树 枝的无线电天线，因而被称为“热带树”。只要 对方车队经过，传感器探测出目标产生的震动和 声响信息，自动发送到指挥中心，美机立即展开 追杀，总共炸毁或炸坏4.6万辆卡车。
3、数据新鲜性 数据新鲜性问题是强调每次接收的数据都是发送 方最新发送的数据，以此杜绝接收重复的信息。 保证数据新鲜性的主要目的是防止重放(Replay) 攻击。 4、可用性 可用性要求传感器网络能够随时按预先设定的工 作方式向系统的合法用户提供信息访问服务，但 攻击者可以通过伪造和信号干扰等方式使传感器 网络处于部分或全部瘫痪状态，破坏系统的可用 性，如拒绝服务(Denial of Service, DoS)攻击。
5.鲁棒性 无线传感器网络具有很强的动态性和不确定性， 包括网络拓扑的变化、节点的消失或加入、面临 各种威胁等。 6.访问控制 访问控制要求能够对访问无线传感器网络的用户 身份进行确认，确保其合法性。
二、无线传感器网络的定义
无线传感器网络（Wireless Sensor Network）， 简称“WSN”,是一种新兴的科学网络技术。它是 由大量的具有特定功能的传感器节点通过自组织 的无线通信方式，相互传递信息，协同地完成特 定功能的智能专用网络!它综合了微机电系统、传 感器技术、嵌入式计算机技术、现代网络及无线 通信技术、分布式处理技术等，能够通过各类集 成化的微型传感器协作地实时监测感知和采集各 种环境或检测对象的信息。这些信息通过无线方 式被发送出去，并以自组织多跳的网络传送到用 户终端。从而实现物理世界、计算机世界和人类 社会三元世界的连通！
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无线传感器的网络结构
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。
2.支持网内数据处理。
传感器网络与传统网络有着不同的技术要求，前者以数
据为中心（遵循“端对端”的边缘论思想），后者以传输数据为目的。
传统网络中间节点不实现任何与分组内容相关的功能，只是简单的用存储/转发的模式为用户传送分组。
而WSN仅仅实现分组传输功能是不够的，有时特别需要“网内数据处理”的支持（在中间节点上进行一定的聚合、过滤或压缩）。
同时减少分组传输还能协助处理拥塞控制和流量控制。
3.支持协议跨层设计。
各个层次的研究人员为了同一性能优化目标（如节省能
耗、提高传输效率、降低误码率等）而进行的协作将非常普遍。
这种优化工作使得网络体系中各个层次之间的耦合更加紧密，上层协议需要了解下层协议（不局限于相邻的下层）所提供的服务质量，而下层协议需得到上层协议（不局限于相邻的上层）的建议和指导。
而作为对比，传统网络只是相邻层才可以进行消息交互的约定。
虽然这种协议的跨层设计会增加体系结构设计的复杂度，但实践证明它是提高系统整体性能的有效方法。
4.增强安全性。
由于WSN采用无线通信方式，信道缺少必要的屏蔽和保护，
更容易受到攻击和窃听。
因此要WSN要将安全方面的考虑提升到一个重要的位置，设计一定的安全机制，确保所提供服务的安全性和可靠性。
这些安全机制必须是自下而上地贯穿于体系结构的各个层次，除了类似于Ipsec这种网络层的安全隧道之外，还需对节点身份标识、物理地址、控制信息（路由表等）提供必要的认证和审计体质来加强对使用网络资源的管理。
5.支持多协议。
互联网依赖于同一的IP协议实现端对端的通信，而WSN的形
式与应用具有多样性，除了转发分组外，更重要的是负责“以任务为中心”
的数据处理，这就需要多协议来支持。
例如在子网内部工作时，采用广播或者组播的方式，当接入外部的互联网时又需要屏蔽内部协议实现无缝信息交互技术手段。
6.支持有效地资源发现机制。
在设计WSN时需要考虑提供定位WSN监测信息
的类型、覆盖地域的范围，并获得具体监测信息的访问接口。
传感器资源发现又包括网络自组织、网络编址和路由等。
由于拓扑网络的自动生成性，如果依据单一符号（IP地址或者ID节点）来编址效率不高。
因此可以考虑根据节点采集数据的多种属性来进行编址。
7.支持可靠的低延时通信。
在各种类型的传感器网络节点在工作于监测区域内，
物理环境的各种参数动态变化是很快的，需要网络协议的实时性。
8.支持容忍延时的非面向连接的通信。
由于传感器应用需求不一样，有些任务
对实时性要求不高（针对于第7点而言）例如：海洋勘测，生态环境监测等。
有些应用随时可能出现拓扑动态变化，移动性使得节点保持长期稳定的连通性较为困难。
因此引入非面向连接的通信，及时在连通性无法保持的状态下也能进行通信。
9.开放性。
近年来WSN衍生出来的水声传感器网络和无线地下传感器网络使
得WSN结构应该具备充分的开放性来包容这些已经出现或未来可能出现的新型同类网络。
现有的无线传感器网络体系由分层的网络通信协议、网络管理平台以及应用支撑平台这3部分组成，如下图所示：
无线传感器网络的体系结构
1.物理层：负责信号的调制和数据的收发，所采用的传输介质主要有无线电、
红外线、光波等。
WSN推荐使用免许可证频段（ISM）。
物理层的设计既有不利因素，例如传播损耗因子较大，也有有利的方面，例如高密度部署的无线传感器网络具有分集特性，可以用来克服阴影效应和路径损耗。
2.数据链路层：负责数据成帧、帧监测、媒体接入和差错控制。
其中，媒体接
入协议保证可靠的点对点和点对多点通信；差错控制则保证源节点发出的信息可以完整无误地到达目标节点。
3.网络层：负责路由的发现和维护，由于大多数节点无法直接与网关通信，因
此需要通过中间节点以多跳路由的方式将数据传送至汇聚节点。
而这就需要在WSN节点与接收器节点之间多跳的无线路由协议。
4.传输层：负责数据流的传输控制，主要通过汇聚节点采集传感器网络内的数
据，并使用卫星、移动通信网络、Internet或者其他的链路与外部网络通信，是保证通信服务质量的重要部分。
5.应用层：由各种面向应用的软件系统构成。
主要研究的是各种传感器网络应
用的具体系统的开发，例如：作战环境侦查与监控系统，情报获取系统，灾难预防系统等等。