无线传感器网络PPT(西北大学尹小燕) (5)[31页]

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无线传感器网络PPT课件

• 数据链路层（MAC层协议）
信号的传输要靠信道，因此信道也就成为了一种宝贵的资源。怎样合理有效的分配信道，就是数据链路层中的MAC子层要解决的问题了
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网络层（路由）
• 网络层（路由）
两个基本功能：确定最佳路径和通过网络传输信息 1 泛洪式路由 2 SPIN（SPIN是一组基于协商并且具有能量自适应功能的协议） 3 LEACH（LEACH是一种分层网络协议，它以循环的方式随机选择簇首节
三、无线传感器网络关键技术
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3.1 无线传感器网络MAC协议
• 所谓的MAC协议，就是通过一组规则和过程来更有效、有序和公平地使用共享介质。它实现两大基本功能目标：在密集散布的传感器现场能够有助于建立起一个基本网络基础设施所需的数据通信链路；协调共享介质的访问
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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
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4、2无线传感器网络硬件平台
• 目前传感器节点种类繁多，很多科研机构都开放自己的硬件平台，但是这些硬件平台之间主要区别在于所采用的处理器、无线通信方式、传感器配置不同。下面具体介绍几家公司的硬件平台。
•
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图1 无线传感器网络体系结构图
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无线传感器通信协议系统结构
• 物理层技术为数据流传输所需的物理连接的建立、维护和释放提供的机械的、电气的、功能和规程性的模块就叫做
物理层在物理层面上，无线传感器网络遵从的主要是标准（Zigbee）
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数据链路层（MAC层协议）
• Intel 公司的intel mote2 • Chipcon 公司的cc2420ZDK • Ember公司的em250 Development kit • Freescale公司的 mc13191 • 中科院的minigains系列

第8章无线传感器网络newPPT课件

应用相关：由于应用环境区别很大，传感网路
由机制由应用确定
22
设计无线传感器网络路由机制的要求
(1) 能量高效 (2) 可扩展性 (3) 鲁棒性：路由机制有一定的容错能力。 (4) 快速收敛性：路由表更新，并将分组
发送到新的接口所用的时间。
23
路由协议分类
根据不同应用对传感器网络各种特性的敏感度不同，可以将路由协议分为四种类型：
(1)能量感知路由协议。早期传感网络路由协议仅考虑能量因素，如能量路由算法和能量多路径路由算法。
(2)基于查询的路由协议。实时监测应用中，以数据查询为主，通信流量主要是查询节点和传感器节点之间的命令和数据传输，同时传感器节点通常进行数据融合。
(3)地理位置路由协议。目标跟踪应用中，需要知道节点的地理位置，以此作为路由依据。
通常采用微型电池。
14
3.无线传感器网络的协议体系
❖ 图a是早期协议栈模型，与互联网五层协议栈对应
❖ 图b是细化后的协议栈模型
时间同步和定位子层既要依赖于数据传输通道进行协作定位和时间同步协商，又要为其他各层提供信息支持，如基于时分复用的MAC协议，基于地理位置的路由协议等。
b右边诸多机制一部分融入到协议中，另一部分
19
MAC协议分类标准:
❖ 缺乏统一的分类标准，采用以下几种：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
20
采用第三种标准的MAC协议分类:
(1) 采用无线信道的时分复用方式，给每个传感器节点分配固定的无线信道使用时段，从而避免节点之间的相互干扰。包括基于分簇网络的MAC协议、DEANA协议、基于周期性调度的协议、TRAMA协议、DMAC协议等。

无线传感器网络的理论及应用PPT教学课件

2020/12/11
13
以数据为中心
在无线传感器网络中，人们通常只关心某个区域内某个观测指标的数值，而不会去具体关心单个节点的观测数据。用户使用传感器网络查询事件时，直接将所关心的事件通告给网络，而不是通告给某个确定编号的节点。网络在获得指定事件的信息后汇报给用户。
2020/12/11
网络的通信保密和安全性十分重要，信道加密、抗干扰、用户认证和其他安全措施都需要特别考虑。
2020/12/11
8
无线传感器网络的特征
深入研究表明，无线传感器网络有着与无线自组网络明显不同的技术要求和应用目标。无线自组网络以传输数据为目的，致力于在不依赖于任何基础设施的前提下为用户提供高质量的数据传输服务；而无线传感器网络以数据为中心，将能源的高效使用作为首要设计目标。
2020/12/11
22
无线传感器网络的体系结构概述
应用服务接口
网络管理接口
安
全
/
拓扑控
服务质量
移动
/ 能
2020/12/11
3
无线传感器网络的特征
作为Internet在无线和移动范畴的扩展和延伸，无线自组网络（Ad-hoc Network）由若干采用无线通信的节点动态地形成一个多跳的移动性对等网络，从而不依赖于任何基础措施。
无线传感器网络与无线自组网络的共同特点：
分布式自组织拓扑变化多跳路由安全性差
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。

《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》PPT课件

精选ppt
2
• 现代微型传感器
–感知能力＋计算能力＋通信能力 –体积小 –能耗小 –由六部分组成
精选ppt
3
传感器节点
• 传感器模块：信息采集、数据转换 • 处理器模块：控制、数据处理、网络协议 • 无线通讯模块：无线通信，交换控制信息和收发
采集数据 • 能量供应模块：提供能量
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4
传感器网络的三要素
– 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
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17
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
– 用户很少询问“A节点到B节点的连接是如何实现的？” – 用户经常询问“网络覆盖区域中那些地区出现毒气？”
– 传感器网络中传感器节点密集，数量巨大，可能达到几百、几千万，甚至更多
– 传感器网络可以分布在很大区域，也可以分布在险恶环境下
– 传感器数量大、分布广的特点使得网络的维护十分困难甚至不可维护
精选ppt
16
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
• 传感器传输1位信息需要的电能足以执行 3000条计算指令
精选ppt
14
传感器节点的限制
• 计算能力有限
– 传感器网络中传感器通常都具有嵌入式处理器和存储器，具有计算能力
– 但是，处理器性能、存储器容量和能源都很有限，导致传感器的计算能力十分有限
精传感器数量大、分布范围广
精选ppt
19
传感器节点的限制 • 需要多种多样的感知器

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

无线传感器网络综述(完整版)ppt资料

UC Berkeley承担的Smart Dust工程。
历史以及开展现状〔续〕
1998-2002年DARPA资助，加州大学伯克利分校等25个机构联合承担的SensIT方案；
1999-2004年间海军研究办公室的SeaWeb 方案等。国内：
中国的一些研究机构近年开始研究：中国科学技术大学、清华大学、中科院计算所、上海微系统所、沈阳自动化所以及合肥智能所等研究单位。
WSN的特征〔续〕
☆传感器网络的特点：
大规模网络自组织网络动态性网络可靠性网络应用性相关的网络以数据为中心的网络
WSN的应用
☆军事上的应用传感器网络具有可快速部署、可自组织、隐蔽性
强和高容错性的特点，因此非常适合军事上的应用。通过飞机或炮弹直接将传感器节点散播到敌方阵地内部，或者在公共隔离带部署传感网络，就能隐蔽而且近距离的准确收集战场信息。例:传感器网络已经成为美军事C4ISRT系统必不可少的一局部。
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平安状态。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。该无线系统可以保存在桥梁上用于长期监测桥梁是否处于正常受控状态。〔如图〕
传感器、感知对象、观察者。
WSN概述〔续〕
影响力 ☆美国商业周刊和MIT技术评论在预测未来
技术开展报告中将无线传感器网络列为21世纪最有影响的21项技术和改变世界的10大技术之一。 ☆传感器网络被列为未来3大高科技产业一。 ☆美国的?技术评论?将无线传感器网络列为第一项未来新兴技术。 ☆?商业周刊? 预测的未来4大新技术中，无线传感器网络也列入其中等。

无线传感器网络技术ppt课件

.
11
模拟调制和数字调制
数字调制是用数字基带信号对高频载波的某一参量进行控制，使高频载波随着数字基带信号的变化而变化。目前通信系统都在由模拟制式向数字制式过渡，因此数字调制已经成为了主流的调制技术。
.
12
数字调制
幅度
频率
相位
通过调节三个参数可以表达信息
.
13
幅度调制 Amplitude shift keying e.g. MICA TR1000
-110(2.4kBaud)
19.7 250k -25~0 -94(250kBaud1)9
物理层帧结构
4B
1B
1B
前导码
SFD 帧长度（7位）保留位
同步头
帧的长度，最大为128B
可变长度 PSDU
PHY负荷
前导码：第一个字段，其字节数一般取4，收发器在接收前导码期间会根据前导码序列的特征完成片同步和符号同步，当然字节数越多同步效果越好，但那需要更多的能量消耗。
.
15
直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS)
跳频(Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS)
跳时(Time Hopping Spread Spectrum, THSS)
宽带线性调频扩频(chirp Spread Spectrum, chirp-SS，简称切普扩频)。
提供传送数据的通路传输数据其他管理功能
.
PPDU数据
Bit to Symbol Symbol to Chip
Modulator RF信号
2
物理接口标准
通常物理接口标准对物理接口的四个特性进行了描述：

无线传感器网络技术原理及应用-ppt课件-第5章

贵的电能。如果MAC协议采用最直接的时分多路复用策略，
利用占空比的调节便可实现上述目标，但需要参与通信的受访首先实现时间同步，并且同步精度越高，防护频带越
小，相应的功耗也越低。因此高精度的时间定位是低功耗
MAC协议的基础。
31 3. 测距定位
定位功能是许多典型的无线传感器网络应用的必需条
件，也是当前的一项研究热点。如果网络中的节点保持时间同步，节点间传输的时间容易被确定。由于电磁波在一
其分为三类：排序、相对同步和绝对同步。
外同步和内同步。
全网同步和局部同步。 1. 排序、相对同步和绝对同步
一些研究者将时间同步的需求分为排序、相对同步和
绝对同步三个不同的层次。实现对事件的排序是最简单的时间同步需求，即实现对事件发生的先后顺序的判断，这是第一个层次。
9 相对同步是第二个层次，节点维持其本地时钟的独立运行，
定介质中的传输速递是确定的，因此传输时间信息很容易
转换为距离信息。所以测距的精度直接依赖于时间同步的精度。
32 4. 协作传输要求
由于无线传感器网络节点的传输功率有限，距离较远
的节点之间传输不能达到理想的效果，而协作传输的基本思想为：网络内多个节点同时发送相同的信息，基于电磁
波的能量累加效应，远方基站将会接收到一个瞬间功率很
点的方法既浪费了通信带宽和能量，又降低了信息的收集
效率。数据融合技术在一定程度上缓解了能量问题和信息收集效率。
34 5.2.1 概念
数据融合是将来自多个传感器和信息源的多份数据或
信息进行相关的处理，去除冗余数据，组合出更有效、更符合用户需求的数据的过程。对于无线传感器网络的应用，
数据融合技术主要用于处理同一类型传感器的数据。数据

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Chapter 8: 传输层
Wireless Sensor Networks Akyildiz/Vuran
1
传统传输层协议概述
传输层功能 -位于应用层与网络层之间，为终端主机提供端到端的连接； -可靠性（由序列号和确认技术实现）、流量控制（由窗口机制实现）、支持全双工传输等。
Internet传输层协议有两种： -TCP和UDP。虽然TCP和UDP都使用相同的网络层协议IP,但是他们却为应用层提供完全不同的服务。
Wireless Sensor Networks Akyildiz/Vuran
7
传输层协议概览
Wireless Sensor Networks Akyildiz/Vuran
8
WSN传输协议概览--分类
按照数据流传输方向
-Sink-to-Sensor（下行）数据流从Sink传输到传感器节点 PSFQ协议和GARUDA协议
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WSN的传输协议分类
拥塞控制协议可靠传输协议多路复用协议
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6
8.1 WSN传输层面临的挑战
•端到端的通信方式 •应用相关性 •能量消耗 •非对称执行 •路由/寻址受限
-再次，TCP认为所有分段的丢失均由拥塞引起，且分段丢失将触发基于窗口的流量控制与拥塞控制；而在WSN中，比特错误或节点故障也会导致分组丢失，若采用TCP机制来降低传输速率，系统的吞吐量会大受影响。
-第四，TCP与UDP均为一对一的通信模式；而WSN采用多对一的通信模式；
-最后，TCP采用端到端的拥塞控制方法。当拥塞发生时，端到端的方法需要很长的响应时间，且导致大量分段的丢失。TCP采用端到端的ACK 和重传以保证可靠性。因此，发送方在每次数据传输后都需要等待ACK，故TCP将导致更低的吞吐量和更大的时延。
丢失检测由Ssink负责
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14
RMST无缓存模式下的差错恢复
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2
TCP协议-重传机制
-带重传功能的肯定确认（Positvie acknowledge with retransmission） -接收方正确收到数据后发ACK； -发送方备份每个发出分组，在送出分组的同时启动一个定时器，如果超时且没有收到ACK，重发分组；在发送下一分组前要收到ACK.
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4
WSN传输协议-新的协议
已有协议不适合？ Why？
-首先，TCP和UDP是基于IP地址的协议，而在无线传感网中无IP； -其次，TCP协议面向连接，在发送数据之前，必须先建立连接；而在 WSN中，数据分组很短，建立连接的过程会带来较大开销。UDP是无连接的协议，不提供可靠性保证。
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11
WSN可靠性传输协议
发送速率调整
-为了达到应用要求的保真度，Sink需要收到一定数目的分组。在满足应用保真度的情况下，可以容忍少量分组的丢失，而不需要每个分组都无丢失地传输。
-若当前保真度低于期望保真度时，通过提高节点发送速率可弥补少量数据的丢失，达到期望保真度，从而实现数据的可靠传输。
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12
8.2 RMST
WSN中最早运用的传输层协议之一，利用网络内的高速缓存并且为事件传输中产生的数据包提供端到端的可靠传输。
RMST同属于可靠传输协议与多路复用协议。
RMST依赖源节点与汇聚节点间特定路径的定向扩散路由机制。若节点失效，定向扩散会改变发送数据包的路由。
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10
WSN可靠性传输协议
丢失恢复
-丢失恢复过程：丢失检测与丢失重传丢失检测：常采用基于序列号的方法，当发现失序时，表明分组丢失丢失重传：常采用基于ACK和基于NACK两种策略。
-丢失恢复方式逐跳方式：在一跳范围内进行丢失恢复；端到端方式：在源节点与目的节点间进行丢失恢复。
采用跨层优化设计，综合考虑MAC层、传输层与应用层。
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13
RMST协议的工作模式
工作模式
-缓存模式对应于逐跳的可靠传输源节点到Sink的传输路径上的每个节点都需要维护缓存，并参与分
组丢失检测。
-非缓存模式对应于端到端的可靠传输只有源节点与Sink需要维护缓存，中间节点不需要维护缓存，分组的
Wireless Sensor Networks Akyildiz/Vuran
3
TCP协议-滑动窗口
-带重传的肯定确认机制的更复杂变形；
-它允许发送方在等待一个确认信息之前可以发送多个分组；
-滑动窗口协议在分组序列中放置一个固定长度的窗口，然后将窗口内的所有分组都发送出去；当发送方收到对窗口内第一个分组的确认信息时，它可以向后滑动并发送下一个分组；随着确认的不断到达，窗口也在不断地向后滑动。
9
WSN可靠性传输协议
可靠传输的含义
通常，每个消息均需进行可靠传输 WSN中，感知信息存在冗余，关注事件信息的可靠性
影响可靠传输的因素
传统有线网络：缓存溢出，处理能力限制等； WSN：节点间无线通信质量不稳定，导致高的分组丢失率，影响可靠传输。
WSN有两种基本的可靠传输机制
-丢失恢复 -发送速率调整。
-Sensor-to-Sink（上行）数据流从传感器节点传输到Sink RMST、ESRT、PORT、STCP、RBC协议
按照可靠性定义
-分组可靠性绝对可靠性要求数据在传输过程中不能丢失
PSFQ协议 -事件可靠性
相对可靠性则可以容忍一定程度上的数据丢失
ESRT、 PORT 和STCP协议
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