第4章WSN通信与组网技术---01.ppt

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第第44章章WSNWSN通信与组网技术通信与组网技术学习目标学习目标掌握WSN协议结构了解传感器网络物理层的设计了解数据链路层协议了解网络层协议了解传输层协议了解MAC协议了解路由协议44.1.1无线传感器网络协议结构无线传感器网络协议结构44.1.1.1.1传统网络协议传统网络协议OSIOSI参考模型参考模型如图如图44-1-1所示开放式系统互联网络参考模型所示开放式系统互联网络参考模型（OSI）（OSI）共有共有77个层次个层次,从底向上依从底向上依次是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。

除次是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。

除物理层和应用层物理层和应用层外，其余每层都和相邻上下两层进行通信。

外，其余每层都和相邻上下两层进行通信。

44.1.2.1.2无线传感器网络协议的分层结构无线传感器网络协议的分层结构n从无线联网的角度来看，传感器网络结点的体系由分层的从无线联网的角度来看，传感器网络结点的体系由分层的网络通信协议网络通信协议、网络管理平台网络管理平台和和应用支撑平台应用支撑平台三个部分组成三个部分组成（如图如图44-2-2所示所示）。

1.1.网络通信协议网络通信协议n类似于传统类似于传统InternetInternet网络中的网络中的TTCP/IPCP/IP协议体系，它由协议体系，它由物理层物理层、数据链路数据链路层、网络层、传输层和应用层层、网络层、传输层和应用层组成组成（如图如图3-23-2所示所示）;）;n如图如图3-33-3所示。

所示。

MACMAC层和物理层协议采用的是国际电气电子工程师协会层和物理层协议采用的是国际电气电子工程师协会（TheInstituteofElectricalandElectronicsEngineers（TheInstituteofElectricalandElectronicsEngineers，IEEE）IEEE）制制定的定的IEEE802.15.4IEEE802.15.4协议。

协议。

nIEEE802.15.4IEEE802.15.4是针对是针对低速无线个域网低速无线个域网（Low-RateWirelessPersonal（Low-RateWirelessPersonalAreaNetworkAreaNetwork，LR-WPAN）LR-WPAN）制定的标准。

制定的标准。

n该标准把低该标准把低能量消耗能量消耗、低速率传输低速率传输、低成本低成本作为重点目标，旨在为个人作为重点目标，旨在为个人或家庭范围内不同设备之间低速互连提供统一标准。

或家庭范围内不同设备之间低速互连提供统一标准。

nIEEEIEEE802.15.4802.15.4的网络特征与无线传感器网络存在很多相似之处，所以许的网络特征与无线传感器网络存在很多相似之处，所以许多研究机构把它作为无线传感器网络的无线通信平台。

多研究机构把它作为无线传感器网络的无线通信平台。

1.1.网络通信协议网络通信协议n

（1）

（1）物理层。

物理层。

传感器网络的物理层负责信号的传感器网络的物理层负责信号的调制调制和和数据的收发数据的收发，所采用的传输介质主要有所采用的传输介质主要有无线电、红外线、光波无线电、红外线、光波等。

等。

n

（2）

（2）数据链路层。

数据链路层。

传感器网络的数据链路层负责数据成帧、帧检传感器网络的数据链路层负责数据成帧、帧检测、介质访问和差错控制。

介质访问协议保证可靠的测、介质访问和差错控制。

介质访问协议保证可靠的点对点和点点对点和点对对多点通信多点通信，差错控制差错控制保证源结点发出的信息可以完整无误地到保证源结点发出的信息可以完整无误地到达目标结点。

达目标结点。

1.1.网络通信协议网络通信协议n（3）（3）网络层。

网络层。

传感器网络的网络层负责传感器网络的网络层负责路由发现和维护路由发现和维护，通常大多数结，通常大多数结点无法直接与网络通信，需要通过中间结点以多跳路由的方式将数据传点无法直接与网络通信，需要通过中间结点以多跳路由的方式将数据传送至汇聚结点。

送至汇聚结点。

n（4）（4）传输层。

传输层。

传感器网络的传输层传感器网络的传输层负责数据流的传输控制，负责数据流的传输控制，主要通过主要通过汇汇聚结点采集传感器网络内的数据，并聚结点采集传感器网络内的数据，并使用卫星、移动通信网络、因特网使用卫星、移动通信网络、因特网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。

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。

1.1.网络通信协议网络通信协议2.2.网络管理平台网络管理平台n网络管理平台主要是对传感器结点自身的管理和用户对传感器网络的管网络管理平台主要是对传感器结点自身的管理和用户对传感器网络的管理，包括理，包括拓扑控制拓扑控制、服务质量管理服务质量管理、能量管理能量管理、安全管理安全管理、移动管理移动管理、网络管理网络管理等。

等。

n

（1）

（1）拓扑控制拓扑控制。

一些传感器结点为了节约能量会在某些时刻进入休眠状一些传感器结点为了节约能量会在某些时刻进入休眠状态，这导致网络的态，这导致网络的拓扑结构不断变化，拓扑结构不断变化，而需要通过拓扑控制技术管理各而需要通过拓扑控制技术管理各结点状态的转换，使网络保持畅通，数据能够有效传输。

拓扑控制利用结点状态的转换，使网络保持畅通，数据能够有效传输。

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，优化化MACMAC协议和路由协议，降低能耗。

协议和路由协议，降低能耗。

n

（2）

（2）服务质量管理。

服务质量管理。

服务质量管埋服务质量管埋在各协议层设计在各协议层设计队列管理、优先级机队列管理、优先级机制或者带宽预留等机制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。

它是网络，并对特定应用的数据给予特别处理。

它是网络与用户之间以及网络上互相通信的用户之间关于信息传输与共享的质量与用户之间以及网络上互相通信的用户之间关于信息传输与共享的质量约定。

为了满足用户的要求，传感器网络必须能够为用户提供足够的资约定。

为了满足用户的要求，传感器网络必须能够为用户提供足够的资源，以用户可接受的性能指标工作。

源，以用户可接受的性能指标工作。

n（3）（3）能量管理。

能量管理。

在传感器网络中电源能量是各个结点最宝贵的资源。

为在传感器网络中电源能量是各个结点最宝贵的资源。

为了使传感器网络的使用时间尽可能长，需要合理、有效地控制结点对能了使传感器网络的使用时间尽可能长，需要合理、有效地控制结点对能量的使用。

每个协议层次中都要增加量的使用。

每个协议层次中都要增加能量控制能量控制代码，并提供给操作系统代码，并提供给操作系统进行能量分配决策。

进行能量分配决策。

2.2.网络管理平台网络管理平台n（4）（4）安全管理。

安全管理。

由于结点由于结点随机部署随机部署、网络拓扑的动态性网络拓扑的动态性和无线信道的不和无线信道的不稳定，传统的安全机制无法在传感器网络中适用，因而需要设计新型的稳定，传统的安全机制无法在传感器网络中适用，因而需要设计新型的传感器网络安全机制，采用诸如传感器网络安全机制，采用诸如扩频通信、接入认证扩频通信、接入认证/鉴权、数字水印和鉴权、数字水印和数据加密等数据加密等技术。

技术。

n（5）（5）移动管理。

移动管理。

在某些传感器网络的应用环境中，结点可以移动，在某些传感器网络的应用环境中，结点可以移动，移动移动管理用来监测和控制结点管理用来监测和控制结点的移动，维护到汇聚结点的路由，还可以使传的移动，维护到汇聚结点的路由，还可以使传感器结点跟踪它的邻居。

感器结点跟踪它的邻居。

2.2.网络管理平台网络管理平台n（6）（6）网络管理。

网络管理。

网络管理是对传感器网络上的网络管理是对传感器网络上的设备和传输系统进设备和传输系统进行有效监视、控制、诊断和测试所行有效监视、控制、诊断和测试所采用的技术和方法。

它要求协采用的技术和方法。

它要求协议各层嵌入各种议各层嵌入各种信息接口信息接口，并定时收集协议运行状态和流量信息，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。

协调控制网络中各个协议组件的运行。

2.2.网络管理平台网络管理平台3.3.应用支撑平台应用支撑平台n应用支撑平台建立在网络通信协议和网络管理技术的基础之上，应用支撑平台建立在网络通信协议和网络管理技术的基础之上，包括一系列基于包括一系列基于监测任务的应用层软件监测任务的应用层软件，通过应用，通过应用服务接口服务接口和网和网络管理接口来为终端用户提供各种具体应用的支持。

络管理接口来为终端用户提供各种具体应用的支持。

44.2.2物理层物理层44.2.1.2.1物理层的概述物理层的概述11物理层的基本概念物理层的基本概念n现有无线网络中的物理设备和传输介质的种类非常多，现有无线网络中的物理设备和传输介质的种类非常多，而通信手段也有许多不同的方式。

而通信手段也有许多不同的方式。

物理层的作用物理层的作用正是要正是要尽可能地屏蔽掉这些差异。

尽可能地屏蔽掉这些差异。

n物理层的主要功能如下：

物理层的主要功能如下：

（1）

（1）为数据终端设备为数据终端设备（DataTerminalEquipment（DataTerminalEquipment，DTE）DTE）提供传送数据提供传送数据的通路；的通路；

（2）

（2）传输数据；传输数据；（3）（3）其他管理工作。

物理层还负责其他一些管理工作，如信道状态评其他管理工作。

物理层还负责其他一些管理工作，如信道状态评估、能量检测等。

估、能量检测等。

11物理层的基本概念物理层的基本概念n11介质选择和频率分配介质选择和频率分配n无线通信的介质包括电磁波和声波。

电磁波是主要的无线通信介质，而声波一般无线通信的介质包括电磁波和声波。

电磁波是主要的无线通信介质，而声波一般仅用于水下无线通信。

仅用于水下无线通信。

n按照波长进行分类，电磁波可分为无线电波、微波、红外线、毫米波以及光波等。

按照波长进行分类，电磁波可分为无线电波、微波、红外线、毫米波以及光波等。

n22通信信道分配通信信道分配n通信信道是数据传输的通路，在计算机网络中信道分为物理信道和逻辑信道。

通信信道是数据传输的通路，在计算机网络中信道分为物理信道和逻辑信道。

n物理信道按传输数据类型的不同分为数字信道和模拟信道，还可根据传输介质的物理信道按传输数据类型的不同分为数字信道和模拟信道，还可根据传输介质的不同分为有线信道和无线信道。

不同分为有线信道和无线信道。

4.2.24.2.2通信信道分配通信信道分配n调制与解调技术是无线通信系统的关键技术之一。

调制与解调技术是无线通信系统的关键技术之一。

n调制是指将来自于信源的基带信号通过改变高频载波的幅度、相位或频率，调制是指将来自于信源的基带信号通过改变高频载波的幅度、相位或频率，随着基带信号幅度的变化而变化，使之适用于网络信道通信的已调信号或频随着基带信号幅度的变化而变化，使之适用于网络信道通信的已调信号或频带信号。

带信号。

n解调则是将基带信号从载波中提取出来以便接受处理和理解的过程。

解调则是将基带信号从载波中提取出来以便接受处理和理解的过程。

4.2.3调制解调方式调制解调方式44.2.2.44WSNWSN物理层的设计物理层的设计11传输介质传输介质n目前无线传感器网络采用的目前无线传感器网络采用的主要传输介质主要传输介质包括包括无线电无线电、红外线和光波等红外线和光波等。

n表3.1列出了ISM应用中的可用频段。

nISM（IndustrialScientificMedical）Band，此频段（2.42.4835GHz）主要是开放给工业，科学、医学，三个主要机构使用，该频段是依据美国联邦通讯委员会（FCC）所定义出来，属于FreeLicense，并没有所谓使用授权的限制。

ISM频段在各国的规定并不统一。

如在美国有三个频段902-928MHz,2