第5章--无线传感器网络传输层协议

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的原理与应用场景无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）是一种基于无线通信技术和传感器技术相结合的网络系统。

它由大量分布在被监测区域内的节点组成，这些节点能够感知环境中的各种参数，并通过无线通信相互交流。

本文将介绍无线传感器网络技术的基本原理以及其在各种应用场景中的具体应用。

一、无线传感器网络技术的原理1. 无线传感器节点无线传感器节点是无线传感器网络的基本组成单元，它由感知器、处理器、无线通信模块和能源供应组成。

感知器用于感知环境中的参数，如温度、湿度、压力等。

处理器用于处理收集到的数据，并根据需要做出相应的响应。

无线通信模块则实现了节点之间的通信功能。

能源供应通常采用电池等，因此节点的能耗是无线传感器网络中需要考虑的重要问题之一。

2. 网络拓扑结构无线传感器网络中常见的网络拓扑结构包括星形网络、网状网络和混合网络。

星形网络中，所有的节点都与一个中心节点相连接；网状网络中，各个节点之间可以相互连接；混合网络则是以上两种拓扑结构的结合。

不同的拓扑结构适用于不同的应用场景，选择合适的拓扑结构能够提高整个网络的性能。

3. 无线传感器网络通信协议无线传感器网络的通信协议对于整个网络的性能起着至关重要的作用。

常用的无线传感器网络协议包括数据链路层协议、网络层协议和传输层协议。

数据链路层协议负责节点之间的数据传输，如低功耗无线个人局域网（Low power Wireless Personal Area Network，LW-PAN）；网络层协议负责路由选择和数据转发，如自组网协议（Ad hoc Networking Protocol，ANP）；传输层协议则负责数据的可靠传输，如传感器传输控制协议（Sensor Transmission Control Protocol，STCP）。

二、无线传感器网络的应用场景无线传感器网络技术在各个领域中都有广泛的应用场景。

无线传感器网络中的数据传输协议一、引言随着物联网和智能化技术的快速发展，无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）因其低功耗、低成本、易部署等优点而得到广泛应用。

数据传输是WSN中的关键问题，其质量和效率直接影响整个网络的运行效果。

本文将从协议设计、数据传输过程和优化角度探讨无线传感器网络中的数据传输协议。

二、协议设计WSN中的数据传输协议主要分为以下几种：（一）传输层协议传输层协议是指在WSN中实现数据传输的基本协议，包括传输控制协议（TCP）和用户数据报协议（UDP）两种。

UDP协议的传输效率高，但可靠性不够，适用于需要快速传输数据且对数据完整性要求不高的场合；TCP协议则通常用于重要数据的传输，通过重传、校验等功能提高数据传输的可靠性，但传输效率略有降低。

（二）MAC层协议MAC层协议是指定义数据包发送和接收的规则和方式，以及控制无线传感器网络内节点之间的通信协议。

目前常见的MAC层协议有能量受限的媒体接入控制（Energy-Limited Media Access Control，ELMAC）和低能耗媒体访问控制（Low-Energy Media Access Control，LEMMA）两种，它们通过不同的方式控制节点的发送和接收规则，保证数据在传输过程中的准确性和实时性。

（三）路由协议路由协议是指无线传感器网络中节点之间传输数据的路径规划和选择协议，以保证数据可靠传输。

常见的路由协议有基于距离的路由协议、基于分层的路由协议和基于能量的路由协议。

其中基于能量的路由协议因其在保证数据可靠传输的同时，考虑了节点的能量消耗，具有较高的适用性和可靠性。

三、数据传输过程WSN中的数据传输过程需要经过以下几个阶段：（一）数据采集数据采集是指节点通过传感器采集到环境中的各种数据，如温度、湿度等信息，并将其存储在节点内部的缓存区中，待传输时一并打包发送。

（二）数据编码数据编码是指将数据通过特定的编码方式转换成能够在无线传感器网络中传输的格式，如决策树结构、压缩编码、嵌入式编码等。

南京邮电大学硕士研究生学位论文术语表术语表Adaptive Threshold sensitive Energy APTEEN 自适应敏感阀值节能型传感网络协议CDMA码分多址Code Division Multiple AccessCSMA 载波侦听多路访问Carrier Sense Multiple AccessDD 定向扩散Directed DiffusionGEAR 地理和能量感知路由Geographic and Energy Routing LEACH 低功耗自适应分簇协议介质访问控制Media Access ControlMCU 微控制单元Micro-Controller UnitPEGASIS Po-Efficient Gathering in SensorInformation System服务质量Quality of Service信息协商传感协议Sensor Protocol for Information viaNegotiationTCP 传输控制协议Transfer Control ProtocolTDMA 时分多址Time Division Multiple AccessTEEN 敏感阀值节能型传感网络协议Threshold sensitive Energy Efficient sensorNetwork protocol用户数据包协议User Datagram ProtocolWSN 无线传感器网络Wireless Sensor Network南京邮电大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

1. 无线传感器网络（wireless sensor network, WSN ）就是由部署在检测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知的对象信息，并发送给观察者。

2. 构成WSN 的三要素：传感器、感知对象、观察者。

3. ADHOC 和WSN 的区别：(1)WSN(2)WSN (3)WSNAd hoc(4)WSN(5)WSN (6)WSN 以数据为中心。

4. WSN 的节点：传感模块、处理器模块、通信模块、电源模块 节点特点：电源能量有限、通信能力有限、计算和存储能力有限5. WSN 协议栈结构(1)能源管理平台：管理传感器节点如何使用能量；(2)移动管理平台：检测和注册传感器节点的移动，维护到汇聚点的路由，使得传感器节点能够跟踪它的邻居；(3)任务管理平台：在一个给定的区域内平衡和调度监测任务6. 传感器物理层作用：屏蔽物理设备和传输介质的差异目的：透明传输功能：提供传输通道；传输数据；其他特性：(1)机械特性(2)电气特性(3)功能特性(4)规程特性运用的技术：(1)介质和频段的选择(2)调制技术(3)扩频技术传输媒体：(1)建议采用ISM （工业、科学和医学）频段短距离的无线低功率通信最适合传感器网络(2)红外,不需要许可证，抗干扰要求收发双方在视线之内(3)光7.频率选择，载频发生，信号检测，调制，数据加密信号传播传播信号需要的最小发送功率和传输距离d的n次方成正比，2<= n < 4.为了减小传输距离，传感器网络采用多跳（multihop）通信方式8.MAC层协议：S-MAC协议、IEEE802.11 MAC协议9.MAC层有用功耗：(1)发送，接收数据(2)处理询问请求(3)转发询问和数据到邻居节点9.MAC层无用功耗：(1)信道的空闲侦听，“waiting for possible traffic”.(2)由于碰撞导致的重传，例如两个数据包同时到达同一节点(3)无意偷听：当节点接收到一个不属于他的数据包时(4)产生和处理控制数据包开销10.CSMA/CACSMA /CA载波侦听/冲突避免如何解决“隐匿终端问题11.S-MAC机制针对碰撞重传、串音、空闲侦听和控制消息等可能造成较多能耗的因素S-MAC 采用如下机制：(1)周期性侦听／睡眠的低占空比工作方式，控制结点尽可能处于睡眠状态来降低结点能量的消耗；(2)邻居结点通过协商的一致性睡眠调度机制形成虚拟簇，减少结点的空闲侦听时间；(3)通过流量自适应的侦听机制，减少消息在网络中的传输延迟；(4)采用带内信令来减少重传和避免侦听不必要的数据；通过消息分割和突发传递机制来减少控制消息的开销和消息的传递延迟。

第一章概述1.无线传感器的概念：一种由大量的微型传感器节点组成的面向任务的无线自组织网络系统。

2.与传统的无线自组织网络（特征）类似：自组织性、分布式控制、拓扑动态性；区别：网络规模大、节点能力受限、节点可靠性差、以数据为中心、多对一传输模式、冗余度高、面向任务。

3.开发用的硬件平台——嵌入式个人计算机：PDA；专用传感器节点：Berkeley Motes （广泛）、UCLA Medusa、MIT uAMP；片上系统节点：Smart Dust、BWRC PicoNode4.软件平台：TinyOS（最早）、nesC、TinyGALS、Mote等5.设计目标：体积小、成本低、功耗低、自组织、可扩展、自适应、可靠、安全、（带宽）资源利用率高、服务质量高。

第二章体系结构1.节点组成（4）：感知、处理、通信、电池模块2.汇聚节点的作用：（1）向传感器节点发送查询消息或命令（2）作为联接外部网络的网关3.多跳网络分为——平面结构：所有传感器节点地位相同、互为中继；分层结构：按簇组织，簇成员将数据发给簇头，簇头发给汇聚节点；好处：（1）降低通信能耗（2）平衡节点间的负载，并提高可拓展性（3）在簇头进行数据融合，减少数据发送量，提高能亮效率4.协议栈——应用层：负责提供各种无线传感器网络应用，包括查询发送、节点定位、时间同步、网络安全；传输层：负责节点间端到端的可靠、透明传输，包括拥塞控制和差错控制；网络层：为传感器节点向汇聚节点发数据提供路由；数据链路层：数据量的复用、数据帧的创建与检测、媒体接入、差错校验，提供点到点或多点的可靠传输，其中主要的是媒体访问控制（MAC）和差错控制（前向纠错FEC、自动重传请求ARQ）；物理层：将数据链路层形成的数据流转换成适合在传输媒体上传送的信号，并进行收发。

5.设计准则：可扩展、可互通、抗毁、可靠、安全、能量高效性。

第三章 MAC协议（数据链路层）1.作用：决定局部范围内无线信道的使用方式，用来在传感器节点之间分配信道频谱资源，建立数据传输所需的基础通信链路2.特点：尽量节省节点能量、可扩展性、公平性（均衡节点能量消耗）、传输效率高。

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。

第一章测试1【判断题】(20分)传感器的线性度是线性的。

（）A.错B.对2【判断题】(20分)温度会影响传感器的灵敏度。

（）A.错B.对3【判断题】(20分)无线通信模块存在发送、接收、空闲三种状态（）A.错B.对4【判断题】(20分)无线传感器网络的发展趋势呈现出以低功耗、异构互联、泛在协同为基本特征的全新形态。

随着时间的推移，它可在更多更新的领域得到应用。

A.对B.错5【单选题】(20分)压电式传感器主要用于测量（）A.电流B.电感C.压力D.电压第二章测试1【单选题】(20分)一个典型的无线传感器网络系统中负责数据采集的部件是（）A.网关B.路由节点C.计算机D.传感器节点2【单选题】(20分)存储速度较快，但断电后会丢失数据的存储器类型是（）A.FlashMemoryB.EPROMC.RAMD.PROM3【单选题】(10分)不属于无线低速网络的通信标准为（）A.IrLANB.BluetoothC.ZigBeeD.Wi-Fi4【判断题】(10分)在无线射频电路设计中，主要考虑天线设计、阻抗匹配、电磁兼容等因素。

（）A.对B.错5【判断题】(10分)IAR嵌入式集成开发环境内嵌编辑器、编译器、汇编器、调试器、连接器等工具，可完成程序编辑、编译、连接、调试等功能。

A.对B.错6【判断题】(10分)无线传感器网络系统中的网关就是路由节点。

A.错B.对7【判断题】(10分)IAR开发环境可适用于cc2530芯片应用开发。

A.对B.错8【判断题】(10分)CC2530芯片在家庭、楼宇数字化、照明系统、工业控制和监控、消费型电子产品、智能医疗设备等领域有广泛应用。

（）A.错B.对第三章测试1【单选题】(10分)无线传感器网络中结构简单、易维护的拓扑结构是（）A.分级网络结构B.Mesh网络结构C.平面网络结构D.混合网络结构2【单选题】(10分)分级网络结构中骨干节点的功能不包括（）。

A.数据汇聚B.节点管理C.节点路由D.数据处理3【单选题】(10分)LEACH算法的优点不包括（）A.网络可扩展性强B.降低数据冗余量C.路由算法简单D.减少节点平均负载能量消耗4【多选题】(20分)无线传感器网络拓扑控制的意义包括（）A.延长网络寿命B.减少节点通信负载C.节点冗余D.数据融合策略5【判断题】(10分)Mesh网络中簇首节点一旦失效，其它节点可以立即补充并发挥作用。

无线传感器网络传输协议研究进展摘要本文介绍了无线传感器网络协议栈,并说明标准tcp协议不能直接用于无线传感器网络的原因。

在指出无线传感器网络传输协议设计约束的基础上,对其研究现状进行综述。

关键字无线传感器网络(wsn);协议栈;传输协议研究;综述中图分类号 tp393 文献标识码 a 文章编号1674-6708(2010)18-0135-020 引言无线传感器网络(wsn,wireless sensor networks) 被认为是本世纪最重要的技术之一,已经成为国内外的研究热点。

wsn综合了通信、传感器、分布式信息处理、嵌入式等技术,通常由传感器节点、汇聚节点和管理节点组成,能够协作地实时监测、感知目标区域内被监测对象的信息,广泛应用于国防、智能建筑、公共安全、环境监测、医疗卫生、家庭等方面[1-3]。

无线传感器网络节点是资源(特别是能量)受限的,无法长时间维持大量信息传输。

从网络协议的角度来研究能量的有效性或如何节省能量以便延长网络寿命,是人们关注的重点之一。

以往,无线传感器网络协议的研究热点主要集中在物理层、数据链路层和网络层。

关于传输层协议的研究较少且不成熟。

近来,这方面的研究有逐渐增加的趋势。

本文首先介绍了无线传感器网络协议栈,其次分析了标准tcp协议直接用于无线传感器网络的不足之处,最后指出无线传感器网络传输协议的设计约束条件。

并以此为基础,对目前国内关注仍不多的无线传感器网络传输层协议研究进行综述。

1 wsn协议栈无线传感器网络协议栈由物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层5部分组成,和互联网协议栈的五层协议相对应[4]。

如图1所示。

物理层:数据收集、采样、发送、接收,以及信号的调制解调。

数据链路层:媒体接入控制,网络节点间可靠通信链路的建立,为邻居节点提供可靠的通信通道。

网络层:发现和维护路由。

应用层:提供安全支持,实现密钥管理和安全组播。

传输层:为端到端的连接提供可靠的传输、流量控制、差错控制、qos等服务。