主动无线传感器网络体系结构设计_)

合集下载

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)

无线传感器网络综述

无线传感器网络综述

历史以及发展现状(续)
之所以国内外都投入巨资研究机构纷纷开展无线传感器网络的研究,很大程度归功于其广阔的应用前景和对社会生活的巨大影响。
WSN的体系结构
01
传感器网络结构
02
汇聚节点
WSN的体系结构(续)
传感器节点结构
传感器网络协议栈
WSN的体系结构(续)
WSN的特征
与无线网络的区别 传感器网络集成了监测、控制以及无线通信的网络系统,节点数目庞大(上千甚至上万),分布密集,因环境和能量的耗尽,容易出现故障,节点通常固定不动。能量、处理能力、存储能力、通信能力有限。不同于传统无线网络的高服务质量和高效的带宽的利用,节能是其设计的首要考虑因素。
WSN的应用(续)
WSN的应用(续)
智能家居
家电和家具中嵌入传感器节点,通过无线网络与Internet连在一起。为人提供人性化的家居环境。 例:Avaak 提供一个只有1立方英寸大小的自治产品。这个微型的无线视频平台包含有一节电池、无线电、摄像相机、(彩色成像器加镜头)、控制器、天线和温度传感器。(如图 )
WSN的应用(续)
WSN的应用(续)
建筑物状态监控
利用传感器网络监控建筑物的安全状态。 例:Microstrain在佛蒙特州的一座重载桥梁上安装了一套该公司研制的系统,将位移传感器安装在钢梁上用来测量静态和动态应力,并通过无线网络来采集数据。该无线系统可以保留在桥梁上用于长期监测桥梁是否处于正常受控状态 。 (如图 )
历史以及发展现状
国外:
起源于美国,根源可追溯到1978年由国防部高级研究计划署(DARPA)在卡内基-梅隆大学发起的分布式传感器研讨会。 具有代表性的项目包括:1993-1999年间由美国国防高级研究计划署(DARPA)资助,加州大学洛杉矶分校(UCLA)承担的WINS项目; 1999-2001年间由DAPRA资助UC Berkeley承担的Smart Dust项目。

无线传感器网络的理论及应用PPT教学课件

无线传感器网络的理论及应用PPT教学课件

2020/12/11
6
多跳路由
由于节点发射功率限制,节点的覆盖范围 有限,通常只能与它的邻居节点通信。
多跳路由是由普通网络节点协作完成,没 有专门的路由设备。每个节点既可以是信 息的发起者,也可以是转发者。
2020/12/11
7
安全性差
由于采用了无线信道、分布式控制等技术, 网络更容易受到被动窃听、主动入侵等攻 击。
2020/12/11
25
网络管理平台
拓扑控制:拓扑控制利用链路层、路由层完成拓扑生成,反过来又为 它们提供基础信息支持,优化MAC协议和路由协议,降低能耗。 服务质量管理:服务质量(QoS)管理在各个协议层设计队列管理、 优先级机制或者带宽预留等机制,并对特定应用的数据给予特别处理。 能量管理:每个协议层次中都要增加能量控制代码,并提供给操作系 统进行能量分配决策。 安全管理:传统安全机制无法使用。采用扩频通信、接入认证/鉴权、 数字水印和数据加密等技术。 移动管理:监测和控制节点的移动,维护到汇聚节点的路由,还可以 使传感器节点跟踪它的邻居。 网络管理:对无线传感器网络上的设备及传输系统进行有效监视、控 制、诊断和测试所采用的技术和方法。它要求协议各层嵌入各种信息 接口,并定时收集协议运行状态和流量信息,协调控制网络中各个协 议组件的运行。
2020/12/11
26
应用支撑平台
包括一系列基于监测任务的应用层软件, 通过应用服务接口和网络管理接口来为终 端用户提供各种具体应用的支持: 时间同步 定位 应用服务接口 网络管理接口
2020/12/11
27
无线传感器网络的研究进展
无线传感器网络的发展历程 无线传感器网络的关键技术 无线传感器网络所面临的挑战
29

《无线传感器网络》课件

《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

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

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

《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。

无线传感器网络体系结构PPT课件

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

Qos
路由
全 机

信道接入
拓扑生成
无线电
.
红外线












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

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。

无线传感器网络体系结构

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(WSN)

无线传感器网络(WSN)

无线传感器网络(WSN)摘要:无限传感器是一种以通信为中心无线网络。

通过使用无线传感器网络人们可以实现信息的快递、大范围、自动化的采集和传输。

它可以广泛的应用于国防军事、环境监测、物流领域、高效农业、智能交通、医疗保健、制造业等领域。

关键词:1.无线传感器网络的简介随着传感器技术、嵌入式计算技术、通信技术和半导体与微机电系统制造技术的飞速发展,具有感知、计算存储和通信能力的微型传感器应用于军事、工业、农业和宇航各领域。

无线网络传感器是集传感器执行器、控制器和通信装置于一体,集传感与驱动控制能力、计算能力、通信能力于一身的资源(计算、存储和能源)受限的嵌入式设备。

由这些微型传感器构成的无线传感器网络能够实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种监测对象信息,并对这些信息进行处理,传送给需要这些信息的用户。

无线传感器网络(WSN)是由大量的具有通信和计算能力的微笑传感器节点,以无线的方式连接构成的自治测控网络。

一种普遍被接受的无线传感器网络的定义为:大规模、无线、自组织、多跳、无分区、无基础设施支持的网络,其中节点是同构的,成本较低、体积较小,大部分节点不移动,被随意散布在工作区域,要求网络系统有尽可能长的工作时间。

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)、接受发送器汇聚节点、互联网或通信卫星和任务管理节点等。

无线传感器具有价格低廉、体积小、组网方便、灵活等特点。

从21世纪开始,无线传感器网络成为多学科交叉前沿研究热点,引起了世界各国的极大关注。

WSN由具有传感器模块、数据处理模块、交换路由模块和无线通信模块等大量传感器节点,通过交换传输组成多跳的自组织、自学习无线通信网络系统,把感知对象的信息发送给控制着。

WSN已成为一种全新的信息获取、处理、传输和控制系统,并在军事、工业、商业、医疗、灾害预报等领域有着广阔应用前景。

WSN经历了从智能传感器、无线智能传感器到无线传感器网络的3个发展阶段。

无线移动传感器网络自适应体系结构的设计

无线移动传感器网络自适应体系结构的设计

无线移动传感器网络自适应体系结构的设计【摘要】随着现代化信息技术的迅猛发展,无线网络技术对移动设备支持力度的不断提升,有关无线移动传感器网络的研究越来越多。

本文首先介绍了无线移动传感器网络自适应体系结构的设计方案,并对无线移动传感器网络自适应性展开论述。

【关键词】无线移动传感器网络;自适应体系;结构设计1.前言随着现代化信息技术的迅猛发展,无线网络技术对移动设备支持力度的不断提升,有关无线移动传感器网络的研究越来越多。

由于无线传感器自身较高的移动性,加之计算性能、通信能力以及能耗等相关因素的影响,无线传感器网络自适应体系结构的设计难度较大。

面向无线移动传感器网络的协议机体系结构必须具备自我配置能力、自适应能力,还要确保可靠性及可扩充性。

本文将主要对无线移动传感器网络自适应体系结构的设计方案及自适应的实现进行分析和探讨。

2.无线移动传感器网络自适应体系设计方案2.1设计目标随着现代化信息技术的迅猛发展,无线网络技术日益成熟,对移动设备支持力度相应提升,应用范围也极大扩展,对网络化无线移动传感器的需求越来越大,具备相当的可扩充性是无线移动传感器网络必须满足的首要条件。

然而,一般情况下应用于有限网络的单层平面体系结构的动态延伸无法满足无线移动网络需求,难以适应网络移动及拓扑变化,无法保障诸如带宽德旺网络动态延伸所消耗的网络资源,并且还容易造成恢复延迟,加剧路由震荡,这一切都表明单层平面式体系结构与无线移动传感器网络不匹配,有必要专门针对无线移动传感器实际需求设计多层体系结构,一方面,可以确保网络可扩充性,另一方面,可以满足网络节点移动机拓扑变化需求。

移动及通信失败是无线移动传感器网所无法避免的,所以,一方面,要充分考虑网络动态特性,确保网络信息传输功能,另一方面,保证合理性也极为关键。

特将绝对移动模型机相对稳定模型引入层次结构网络体系结构当中,同时借助分布式网络资源寻求方法,以有效防止由于单点所造成的网络故障情况的发生。

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

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。

无线传感器网络的体系结构

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

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。

《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

《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。

《物联网导论》第4章-无线传感网络

《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。
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
Abstract Wireless Sensor Network application system is generally based in some special application or some special environment, and there is no common application platform nowadays. The general architecture of Active Wireless Sensor Network is proposed, Active Wireless Sensor Network architecture adds the Execution Environment layer between application and Operation System, that is the general purpose middleware layer, to provide the abstract service, kinds of management function and execution environment, therefore supports kinds of Wireless Sensor Network application, and decreases the developing period of application. . MobCor is the solution of Active Wireless Sensor Network, which is a general purpose mobile- based agent model , by using it we can design sensor network application more flexible and rapidly.
2.2 应用软件体系结构和无线中间件
MobCor模型,如图2所示,是通用目的的中间件模型,支持主动传感器网络,支持移动代理。移动代理可以看成一段代码,能够自主运行或提供服务,并在一定条件下能在网络中自主移动到其它节点上去执行,完成某一特定功能。为了更好的适应传感器网络的事件驱动本质,采用了基于策略的移动代理控制方式。代理由行为、事件、条件、数据组成。预先定义好的行为只有在规定事件发生时,且满足预定义的条件后才执行。在MobCor 中,节点首先根据传感器网络分簇算法,选择节点作为簇头,形成层次型传感器网络。随后,由簇头负责管理簇内节点之间的通信,分配任务到各个节点,融合并转发簇内数据包或来自其它簇的数据包到基站或其它簇头节点。
移动代理被应用程序封装好后由代理管理器统一管理。代理管理器将移动代理存储在代理仓库中;代理引擎通过代理管理器提供的代理操作集来调度移动代理、执行任务。
3.3 移动代理的调度及执行
代理引擎周期地检查代理仓库、判断移动代理的条件是否满足、移动代理事件是否被触发、查看是否存在被挂起的代理;若条件符合,代理引擎将调度这个移动代理执行特定任务;否则,代理引擎将休眠;被调度执行的移动代理的执行时间是有限制的,最多允许执行8条指令。移动代理的生命周期被划分为四个状态:创建态、移动态、静止态和结束态。 处于"静止态"的移动代理还可细分为阻塞或就绪或运行态,如图5所示,是移动代理状态切换图。正在执行的代理处于运行态;而代理条件满足以及代理事件被触发但未投入运行的代理为就绪态;代理条件不满足或事件未被触发的代理处于阻塞态。
2.1网络模型
主动传感器网络模型,如图1所示,主动传感器网络协议栈和功能模块映射图,共分为三层,节点操作系统,执行环境和主动应用层。节点操作系统同其他操作系统一样,提供物理设备的抽象和高协调性的通用函数实现;执行环境层按功能可分为网络服务管理、数据管理和任务管理三大模块;网络服务管理为应用者提供一系列网络服务,如服务发现、时钟同步等等;数据管理提供数据保存、数据获取、数据融合等服务;任务管理层负责任务分配、任务协同、任务迁移、任务调度、执行环境等功能。主动应用层利用执行环境层提供的服务构建网主动传感器络应用。
目前涉及中间件的系统有Mate[3]、Cougar[4]、SINA[5]、TinyDB[6]、Agilla[7]等。Mate和Agilla主要提供分布式任务管理;Cougar、SINA、和TinyDB采用类似数据库查询的方式提供数据管理功能。这些中间件系统仅提供某项服务,而不是通用目的的传感器网络中间件系统。通用目的的传感器网络中间件应具备网络服务管理、数据管理、分布式任务管理三大功能[8]。
主动无线传感器网络体系结构设计*)
罗娟 吕磊 刘慧中 李仁发
(湖南大学计算机与通信学院,湖南 长沙 410082)
摘 要: 无线传感器网络应用系统一般都基于某类特定应用或环境,目前缺乏通用的平台。本文提出了主动无线传感器网络体系结构。主动传感器网络在应用程序和操作系统之间增加执行环境层,即通用目的的中间件层,提供抽象化服务、各类管理功能以及执行环境,从而支持传感器网络的各类应用,减少应用程序开发周期。本文给出了基于移动代理的MobCor主动传感器网络的解决方案,MobCor使用通用目的的中间件模型,利用它可以灵活、快速的构建传感器网络应用。
图3 MobCor结构
代理引擎是MobCor的核心,控制节点上所有移动代理的执行过程,解释其所有指令。由于当前绝大部分传感器网络操作系统,如Tinyos[2],不支持动态内存分配机制,而移动代理又需求动态内存分配机制,因此它还提供内存动态分配功能。另外,代理引擎还运行一个简单的时间片轮转(round-robin)调度器,控制每个移动代理最多可以运行的指令,将移动代理置于不同的状态,阻塞或就绪或运行态.代理引擎也负责代理的发送和接收工作。
图2 MobCor移动代理模型
MobCor 应用程序由许多不同类型的代理够成,它们分散在整个网络中。从所有者角度看,代理可分为两类:系统代理和用户代理。系统代理由系统预定义,用来提供具有一般性的系统服务,如数据融合。这类代理或者定时被代理引擎调度,或者被特定事件触发。MobCor 提供的部分系统代理如下:
元组空间是共享的内存池,如同装满了元组的容器,供节点上所有代理访问。元组空间通常被用来实现代理间的通信和异步操作,提供store, wit- hdraw,find等原语。
代理管理器、代理引擎和元组空间构成了移动代理的执行环境,应用程序只需封装其移动代理来执行任务;系统预定义的移动代理被用作提供一般性的系统服务。
(1)数据融合代理
(2)事件代理,负责监控特定事件是否发生。
(3)报告代理,负责将节点数据上传给簇头或基站。
(4)节点同步代理,解决时间同步问题。
(5)任务分配代理
功能上,数据融合代理、报告代理属于数据管理层;节点同步代理属于网络服务管理层;任务分配代理属于任务管理层;事件代理属于主动应用层。在主动传感器网络中,不同的服务根据其功能分别由不同层次提供。
3.2 移动代理封装
一个移动代理就是一个特定的任务,在主动传感器网络中绝大部分任务需要节点之间协作完成。移动代理封装是指将任务运行的条件、代码、数据等组装成特定实体。移动代理封装过程是任务定制的过程,移动过程则是任务的分发过程。移动代理由行为、事件、条件、数据组成,如图4。
图4 代理结构
3 MobCor设计
3.1 MobCor结构
MobCor结构,如图3所示,由代理管理器、代理引擎和元组空间构成。代理管理器由代理仓库、代理上下文、代理操作集组成。代理仓库保存了节点当前所有的移动代理,包括系统预定义移动代理和接收的移动代理;代理上下文保存了节点上各个移动代理的执行环境、
状态及其所需的数据;代理操作集是代理管理器与代理引擎之间的接口。
关键词:主动无线传感器网络,移动代理,中间件
Design of Active Wireless Sensor Network Architecture
Luo Juan Lv Lei Liu Huizhong Li Renfa
(School of Computer and Communication, Hunan University, 410082, China)
网络节点发出的包可以是数据包,也可以是包括用户定制的程序代码的计算包。网络节点将提供一种标准的执行环境,不仅能转发数据包,也能让符合条件的计算包无差别的运行。网络节点对流经它的包能自主的决定其发送方式,如是否转发该包、发给谁等。用户或应用程序可以通过注入计算包来完成某一特定任务。
在主动传感器网络中不仅存在传统网络中"存储-转发"的处理模式,还将存在"存储-计算-判断-转发"处理模式。在资源极端受限的传感器网络中,实现如此的平台是一件艰巨的任务,开发者必须尽量细化模块,谨慎地安排系统资源。
在MobCor中,不同类型的代理完成不同的任务;代理通过元组空间交换数据。大部分代理只在簇头和普通节点间移动,个别代理会在普通节点间移动。代理在移动到新节点并执行完任务后,将数据返回给原节点。图2中不同形状的代理代表不同类型的代理。
MobCor 模型提供给应用程序的不仅仅是系统服务或功能,还有执行环境,即允许网络中的计算包在不同节点上运行。MobCor是一种灵活的中间件模型,允许用户使用高层次的语言创造移动代理来简化编程;允许用户在任何时刻发送可以在网络中传播的代理来完成特定的任务;允许多个应用程序共享同一个网络。
Keywords Active Wireless Sensor Networ,Mobile agent ,Middleware
1.引言
无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)在环境监测、医疗监护、军事、 家庭娱乐、工业、教育领域等的应用研究非常广泛[1]。在这些多样化的应用中,由于缺乏统一的网络标准,各类应用系统或中间件系统都是针对某类特定应用和特定环境的,因此,开发传感器网络应用程序需要花费很长的周期。不确定的系统软件和应用软件边界给系统软件设计者带来了一定的困惑。系统软件究竟应以什么样的方式来提供什么样的服务,究竟哪一种机制更适合传感器网络[2] ?
相关文档
最新文档