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第4章WSN通信与组网技术01介绍演示教学

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无线传感器网络通信与组网技术网络层课件 (一)

无线传感器网络通信与组网技术网络层课件 (一)

无线传感器网络通信与组网技术网络层课件(一)无线传感器网络通信与组网技术网络层课件是一门专业课程，它主要涉及无线传感器网络的通信和组网技术。

这门课程分为三个部分，分别是无线传感器网络体系结构、路由协议以及组网技术。

本文将从这三个方面进行介绍。

无线传感器网络体系结构是无线传感器网络中重要的组成部分。

它包括感知层、传输层、网络层和应用层。

感知层主要是通过传感器感知环境信息，并将这些信息数字化;传输层是用来处理网络中的数据传输问题;网络层则是用来进行网络的管理和组织;应用层则是对网络数据进行分析、处理和应用。

路由协议是无线传感器网络的另一个重要组成部分。

路由协议有多种类型，比较常见的包括平面路由协议、分层路由协议和集成路由协议。

平面路由协议是一种经典的路由协议，其主要特点是每个节点都有一个唯一的地址，并且只能向相邻节点发送数据包;分层路由协议则是通过分层来简化路由，通过将网络划分成多个子网络，来减少通信负载;集成路由协议则是将多个路由协议集成为一个整体，来解决路由问题。

组网技术是无线传感器网络的一个重要发展方向。

组网技术可以将不同的无线传感器网络组织起来，形成一个更大的无线传感器网络。

组网技术有多种类型，比较常见的包括自组织网络、集成网络和异构网络。

自组织网络是指由无线传感器网络自发形成的网络，它不需要任何中心节点进行管理和控制;集成网络则是将不同的无线传感器网络通过路由互连起来，形成一个整体;异构网络则是将多个不同的无线传感器网络组织起来，形成一个更加强大的网络。

综上所述，无线传感器网络通信与组网技术网络层课件是一门非常重要的专业课程，它涉及到无线传感器网络的通信、路由和组网等多个方面。

对于从事无线传感器网络相关研究和开发工作的人员来说，学习这门课程可以帮助他们更加深入地了解无线传感器网络的各种技术，并能够应用到实际工作中。

第4章WSN通信与组网技术01介绍演示教学

第4章WSN通信与组网技术01介绍演示教学
第4章WSN通信与组网技术01 介绍
4.1无线传感器网络协议结构
4.1.1传统网络协议OSI参考模型
如图4-1所示开放式系统互联网络参考模型( OSI )共有7个层次,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。除物 理层和应用层外，其余每层都和相邻上下两层进行通信。
4.1.2无线传感器网络协议的分层结构
从无线联网的角度来看，传感器网络节点的体系由分层的网络通信协议、 网络管理平台和应用支撑平台三个部分组成(如图4-2所示)。
1. 网络通信协议
类似于传统Internet网络中的TCP/IP协议体系，它由物理层、数据链路 层、网络层、传输层和应用层组成(如图3-2所示);
失效恢复策略。 考虑现有的MAC解决方案，主要包含以下几种访问方式：
(1)基于TDMA的媒体访问 (2)基于混合TDMA/FDMA的媒体访问 (3)基于CSMA媒体访问
2．误差控制
一般而基于ARQ的误差控制主要采用重新传送恢复丢失的数据包/帧。 虽然其他无线网络的数据链路层利用了基于ARQ的误差控制方案，但由 于无线传感节点能量与处理资源的不足，无线传感网络应用中ARQ的有 效性受到了限制。另外，FEC方案具有固有的解码复杂性，需要无线传 感节点消耗大量处理资源。因此，具有低复杂度编码与解码方式的简单 误差控制码可能是无线传感网络中误差控制的最佳解决方案。
(1)拓扑控制。 一些传感器节点为了节约能量会在某些时刻进入休眠状态 ，这导致网络的拓扑结构不断变化，而需要通过拓扑控制技术管理各节 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，优化 MAC协议和路由协议，降低能耗。

WSN网络

WSN网络

定义1：

一个节点是参与节点，如果它是一个参考节点， 或者是一个至少有3个参与邻居的未知节点。 一个参与节点对是一对连通的参考节点-未知节 点或未知节点-未知节点，其中所有未知节点均 为参与节点。

定义2：

2.4 不基于测距的（rang-free）定位算法

不基于测距的算法不需要知道待定位节点到 参考节点的距离，或者不需要直接测量此距 离，成本和功耗较低。

在有噪声的环境下（位置或测距有误差），以上方程可能没有 解（N个圆不交于一点），可采用最小均方估计来获得最佳的 位置估计值：
线性化求解

将等式（2-1）的两边分别相加：

将等式（2-1）减去等式（2-3），得到N个线性方程：

以上方程组可以写为y=bX，其中b为 (x0,y0)T ，X为系数矩阵，y 为常数矢量，则b=(XTX)-1XTy。
2.2 距离（角度）融合

距离（角度）融合常用的方法是：

三边测量法（tri-lateration）：通过计算3个 圆的交点来定位节点。 三角测量法（triangulation）：使用三角函数 来计算节点位置。


最大似然估计法（Maximum Likelihood estimation）：通过最小化测量距离和估计距 离之间的差异来估计节点位置

估计两个节点间距离最常用的方法是：


基于时间的方法（ToA、TDoA）：根据信号到达时间或 两种信号的到达时间差估算距离。
到达角度AoA：估计信号的到达角度，用几何关系计算节 点位置。

RSSI（Received Signal Strength Indicator）

第4章WSN通信与组网技术---03教材

第4章WSN通信与组网技术---03教材

汇聚节点是数据发送的目标节点。大写字母表示节点，如节点A， 节点右侧括号内的数字表示节点的可用能量。图中的双向线表示节点之 间的通信链路，链路上的数字表示在该链路上发送数据消耗的能量。在 图中，从源节点到汇聚节点的可能路径有4条。
最小开销前行算法MCFA协议(Minimum Cost For warding Algorithm for Large Sensor Networks)充分利用了传感器网 络中的数据传输不对称的特点，即大多的数据流都是从传感器节 点向Sink节点的方向传输。
该算法根据能量和路径情况来灵活地测出节点的开销情况， 但是它存在着如下一些问题：首先它不得不考虑延迟、信道错误 和节点失败等问题，这就增大了算法的复杂度；其次，Sink节点 的数目不能太多，否则节点要存储大量到Sink节点的开销信息， 会增大存储负担；再次，开销域的建立时间取决于网络的大小， 如果网络太大的话，建立整个开销域的时间会让人无法忍受；最 后，网络负载不是很平衡，那些距离Sink节点较近的开销较小的 节点容易很快耗尽能量。
保证QoS的路由协议是指在路由建立时，考虑时延、丢包率 等QoS参数，从多条可行的路由中选择一条最适合QoS应用要求 的路由；或者根据业务类型，保证满足不同业务需求的QoS路由 协议。
4.8.2 平面路由协议
1. Flooding and Grossing协议
1） 洪泛路由协议
洪泛路由协议(Flooding Protocol)是一种最早的路由协议， 接收到消息的节点以广播的彤式转发报文给所有的邻居节点。
①网络由一个基站和一个由传感器节点构成的网络组成，并且传 感器节点都拥有相同的初始能量值；
②基站拥有持续的能量补充，可以方便的向节点传送指令和数据。
TEEN利用LEACH的策略形成簇群，在每次簇群重组的时候， 群头节点除了广播数据属性以外，还要广播硬门限和软门限。其工 作过程为：节点连续地感应周围的情况(此时发射机处于关闭或者休 眠状态)，当节点收集到的数据首次大于硬门限值时，节点就打开发 射机向群头节点报告信息。感应到的数据保存在节点内部的一个状 态变量(State Viable，SV)。当最新感应到的数据值大于硬门限并 且这个值和SV的差值大于或等于软门限时，节点才进行数据发送。

《WSN支撑技术》课件

《WSN支撑技术》课件

能量管理
01
能量管理是无线传感器网络中实现节点能量有效利用的重要支 撑技术之一。
02
能量管理的主要目标是优化节点的能量消耗，延长网络的生命
周期，提高网络的稳定性和可靠性。
常见的能量管理技术包括功率控制、休眠调度、动态电压调节
03
等。
拓扑控制
拓扑控制是无线传感器网络中优化网络拓扑结构、降低能耗和提高网络性能的重要 支撑技术之一。
拓扑控制的主要目标是通过对节点进行合理的唤醒和休眠调度，以及优化节点间的 通信关系，降低网络的能耗和提高信息传输的效率。
常见的拓扑控制算法包括基于节点度的算法、基于分层结构的算法、基于社区发现 的算法等。
03 WSN硬件平台
传感器节点
传感器节点是无线传感器网络 的基本单元，负责采集环境信 息，如温度、湿度、压力等。
可靠性
WSN中的传感器节点具有冗余 性，通过多路径传输和数据融 合等技术提高感知数据的可靠 性和准确性。
低功耗
WSN中的传感器节点通常采用 低功耗设计，以延长网络寿命
和降低维护成本。
WSN应用领域
环境监测
用于监测空气质量、水质、土壤成分等环境 参数。
农业信息化
用于监测农作物生长环境、病虫害情况等， 提高农业生产效率。
《WSN支撑技术》 PPT课件
目录
CONTENTS
• WSN概述 • WSN关键技术 • WSN硬件平台 • WSN软件平台 • WSN应用案例
01 WSN概述
WSN定义
01 02
WSN定义
WSN（无线传感器网络）是一种由大量低功耗、微型、低成本的传感 器节点组成的无线通信网络，通过无线通信方式完成对环境和物体的感 知、监测和控制任务。

局域网组网技术ppt精选课件

局域网组网技术ppt精选课件

子网掩码计算方法和实例演示
子网1
192.168.1.0 - 192.168.1.63
子网2
192.168.1.64 - 192.168.1.127
子网3
192.168.1.128 - 192.168.1.191
子网4
192.168.1.192 - 192.168.1.255
CIDR表示法及其应用场景
05
CATALOGUE
路由协议原理及其在局域网中应用探讨
静态路由配置步骤和注意事项
在路由器上配置静态路由 条目
确定目标网络和下一跳地 址或出口接口
配置步骤
01
03 02
静态路由配置步骤和注意事项
测试和验证路由配置 注意事项 确保网络拓扑清晰，避免路由环路
静态路由配置步骤和注意事项
合理规划子网掩码和下一跳地址 考虑网络的可扩展性和维护性
IP地址分类及私有地址范围
IP地址分类
A、B、C、D、E五类，其中A、 B、C类为常用IP地址，D类为组
播地址，E类为保留地址。
A类
10.0.0.0 - 10.255.255.255
B类
172.16.0.0 - 172.31.255.255
C类
192.168.0.0 192.168.255.255
发展历程
从早期的以太网（Ethernet）到现在的 高速局域网技术，如千兆以太网 （Gigabit Ethernet）和万兆以太网 （10 Gigabit Ethernet）。
局域网拓扑结构类型
星型拓扑
以中央节点为中心，其他节点通过点到点链路与中央节点相 连。优点是易于扩展和管理，缺点是中央节点故障会导致整 个网络瘫痪。

组网技术课程2013组网技术第01课

《组网技术》 第01课密38-91．教学目的使学生了解并逐步掌握计算机网络的基础知识，包括：网络的传输介质、网络的连接设备、TCP/IP协议，IP地址、网关、子网掩码（划分子网），公共IP地址，私有IP地址。

使学生学会双绞线的制作。

使学生掌握Windows 对等网络设置。

2．教学内容1）计算机网络的概念、计算机网络的分类、局域网、计算机网络的拓扑结构2）通信协议(TCP/IP协议)与网关、IP 协议(与IP地址)、通信协议的安装、设置和测试3）网络互联设备概述、网线制作3．内容难点：IP 协议(与IP地址)与网关网线制作4．学习要求：掌握网络ID与主机ID，分类IP地址、私有IP地址。

掌握双绞线制作中直通线与交叉线的理线顺序。

5．教学纲要一、基础知识①计算机网络的概念计算机网络：将多个具有独立工作能力的计算机系统通过通信设备和线路由功能完善的网络软件实现资源共享和数据通信的系统。

从定义中看出计算机网络涉及到三个方面的问题：(1)至少两台计算机互联。

(2)通信设备与线路介质。

(3)网络软件，通信协议和NOS（网络操作系统）。

②计算机网络的分类1、局域网（LAN）2、都市网（城域网MAN）3、广域网（WAN）4、互联网（INTERNET）③局域网局域网的特征局域网分布范围小，投资少，配置简单等，具有如下特征：1、传输速率高：一般为10Mbps--100Mbps，光纤高速网可达1000Mbps。

2、支持传输介质种类多。

3、通信处理一般由网卡完成。

4、传输质量好，误码率低。

5、有规则的拓扑结构。

局域网的组成局域网一般由服务器，用户工作站，网卡和传输介质四部分组成。

1、服务器2、工作站3、网卡4、传输介质常用的传输介质有同轴电缆，双绞线，光纤等。

④计算机网络的拓扑结构。

网络拓扑结构主要有星型结构、总线结构、树型结构、网状结构、蜂窝状结构、分布式结构等二、通信协议组建网络时，必须选择一种网络通信协议，使得用户之间能够相互进行“交流”。

【精品】WSN第4章、路由协议解析教学课件

– 重叠现象是无线传感器网络特有的，如图节点A和B感知范围发生了
重叠，重叠区域的事件被相邻的两个节点探测到，那么同一事件被
传给它们共同的邻居节点C多次，这也浪费能量。
– 重叠现象是一个很复杂的问题，比内爆问题更难解决。
r
s
q
A
B
(q,r)
(s,r)
C
25
Gossiping路由协议
Gossiping协议是对Flooding协议的改进
议运行过程中使用三种报文数据，分别为ADV、
REQ和DATA。ADV用于数据的广播，当某一个节
点有数据可以共享时，可以用ADV数据包通知其邻
居节点；REQ用于请求发送数据，当某一个收到
ADV的节点希望接收DATA数据包时，发送REQ数
据包；DATA为原始感知数据包，里面装载了原始
感知数据。
SPIN协议还包括了4个协议：
耗上）
WSN特点
➢自组织的网络（随机部署）
➢数据的冗余性（多节点监测同一事件，需要数据融合）
➢基于局部拓扑信息（硬件限制）
➢网络功能：数据收集，多对一 （一个sink节点）
➢ WSN路由与应用相关，(不同的应用采用不同的路由，降低路由
复杂度)
➢以数据为中心
WSN路由协议要求
要求
➢能量高效（协议简单&节省能量&均衡消耗）
内容提要

WSN路由协议概述

WSN路由协议分类

能量感知路由协议

基于查询的路由协议

集群结构路由协议

地理位置路由协议
内容提要

WSN路由协议概述

WSN路由协议分类

物联网技术WSN技术课件


智慧城市物联网系统
总结词
智慧交通、智能公共安全、智能环保
详细描述
利用WSN技术，实现智慧城市中的智慧交 通、智能公共安全和智能环保等应用。例如，
通过WSN技术监测交通流量和路况信息， 及时调整交通信号灯的配时方案；同时还可 以实现智能安防监控和预警系统以及智能环
保监测和管理等应用。
智慧城市物联网系统
要点一
总结词
大规模部署、低成本、节能环保
要点二
详细描述
智慧城市需要大规模部署WSN节点设备，同时要求设备成 本低、节能环保等特点，以实现智慧城市的可持续发展。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
05
WSN技术的发展趋势与挑战
WSN技术的发展趋势
低功耗
由于WSN节点通常由电池供 电，因此低功耗设计是WSN 技术发展的一个重要趋势。
智能化
WSN技术面临的挑战与解决方案
硬件限制
由于WSN节点通常具有有限的计算和 存储能力，因此需要采用一些优化技 术来克服硬件限制。
01
02
网络拓扑
WSN网络的拓扑结构需要根据应用场 景进行选择和优化，以实现更好的网 络性能。
03
通信协议
WSN通信协议需要适应不同的应用场 景和硬件平台，以满足不同的需求。
工作原理
传感器节点通过无线通信技术（如Zigbee、WiFi、蓝牙等）实现自组织形成网络，能够自动分配地址、协商通 信协议和任务分工等。网关节点和管理节点则负责汇聚和处理数据，管理节点还可以对网络进行管理和控制。
WSN的应用场景与优势
应用场景
WSN被广泛应用于环境监测，如气象、水文、环境保护等领域的监测和数据采 集；医疗健康领域，如远程医疗、生命体征监测等；智能家居领域，如智能照明、 智能安防等；工业控制领域，如生产过程监控、质量控制等。

第4章WSN通信与组网技术---01

实体之间的数据传输的物理连接提供机械的、电气的、功能的和规程的特性。
物理层的主要功能如下：
(1)为数据终端设备(Data Terminal Equipment，DTE)提供传送数据的通路； (2)传输数据； (3)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。
4.2.2 通信信道分配
的不同分为有线信道和无线信道。

有线信道:使用有形的媒体作为传输介质的信道,包括双绞线、同轴电缆、光缆及
电话线等。

无线信道:以电磁波在空间传播的信道,包括无线电、微波、红外线和卫星通信信
道等。
4.2.4 WSN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。 表4.2列出了ISM应用中的可用频段。
ISM(Industrial Scientific Medical) Band，此频段( 2.4~2.4835GHz)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Free License，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902-928 MHz, 2400-2483.5 MHz und 5725-5850 MHz，而 在欧洲900MHz的频段则有部份用于GSM通信。 2.4GHz为各国共同的ISM频段。因此无线局域网，蓝牙，ZigBee等无线网络，均可工作在2.4GHz频段上。

服务质量管埋在各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。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
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4.1.2无线传感器网络协议的分层结构
从无线联网的角度来看，传感器网络节点的体系由分层的网络通信协议、 网络管理平台和应用支撑平台三个部分组成(如图4-2所示)。
1. 网络通信协议
类似于传统Internet网络中的TCP/IP协议体系，它由物理层、数据链路 层、网络层、传输层和应用层组成(如图3-2所示);
2. 网络管理平台
(6)网络管理。 网络管理是对传感器网络上的设备和传输系统进行 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。
3. 应用支撑平台
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。
4.2物理层
4.2.1物理层的概述
1．物理层的基本概念
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。物理层的作用正是要 尽可能地屏蔽掉这些差异。
1．物理层的基本概念
物理层的主要功能如下： (1)为数据终端设备(Data Terminal Equipment，DTE)提供传送数
该标准把低能量消耗、低速率传输、低成本作为重点目标，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。
IEEE 802.15.4的网络特征与无线传感器网络存在很多相似之处，所以许 多研究机构把它作1)物理层。 传感器网络的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。
(4)传输层。 传感器网络的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、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。
2. 网络管理平台
网络管理平台主要是对传感器节点自身的管理和用户对传感器网络的管 理，包括拓扑控制、服务质量管理、能量管理、安全管理、移动管理、 网络管理等。
第4章WSN通信与组网技术01 介绍
4.1无线传感器网络协议结构
4.1.1传统网络协议OSI参考模型
如图4-1所示开放式系统互联网络参考模型( OSI )共有7个层次,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。除物 理层和应用层外，其余每层都和相邻上下两层进行通信。
(2)服务质量管理。 服务质量管埋在各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。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。
(3)能量管理。 在传感器网络中电源能量是各个节点最宝贵的资源。为了 使传感器网络的使用时间尽可能长，需要合理、有效地控制节点对能量 的使用。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。
(2)数据链路层。 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点对点和点 对多点通信，差错控制保证源节点发出的信息可以完整无误地到 达目标节点。
1. 网络通信协议
(3)网络层。 传感器网络的网络层负责路由发现和维护，通常大多数节点 无法直接与网络通信，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。
2. 网络管理平台
(4)安全管理。 由于节点随机部署、网络拓扑的动态性和无线信道的不稳 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传 感器网络安全机制，采用诸如扩频通信、接入认证/鉴权、数字水印和数 据加密等技术。
(5)移动管理。 在某些传感器网络的应用环境中，节点可以移动，移动管 理用来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。
据的通路； (2)传输数据； (3)其他管理工作。物理层还负责其他一些管理工作，如信道状态评估
、能量检测等。
4.2.2 通信信道分配
1．介质选择和频率分配 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。 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
如图3-3所示。MAC层和物理层协议采用的是国际电气电子工程师协会 (The Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE)制定 的IEEE 802.15.4协议。
1. 网络通信协议
IEEE 802.15.4是针对低速无线个域网(Low-Rate Wireless Personal Area Network，LR-WPAN)制定的标准。
。 2．通信信道分配 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。 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。
4.2.3调制解调方式
调制与解调技术是无线通信系统的关键技术之一。 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，
(1)拓扑控制。 一些传感器节点为了节约能量会在某些时刻进入休眠状态 ，这导致网络的拓扑结构不断变化，而需要通过拓扑控制技术管理各节 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，优化 MAC协议和路由协议，降低能耗。
2. 网络管理平台
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。 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。
4.2.4 WSN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。 表3.1列出了ISM应用中的可用频段。