无线传感器网络体系结构剖析
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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
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》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
• 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
无线传感器网络的理论及应用
传感器节点的结构
传感器节点的结构
传感器节点由传感单元、处理单元、 传感器节点由传感单元、处理单元、无线收发单元和电源 单元等几部分组成。 单元等几部分组成。 传感单元用于感知、获取监测区域内的信息， 传感单元用于感知、获取监测区域内的信息，并将其转换 为数字信号。 为数字信号。 处理单元负责控制和协调节点各部分工作， 处理单元负责控制和协调节点各部分工作，存储和处理自 身采集的数据以及其他节点发来的数据。 身采集的数据以及其他节点发来的数据。 无线收发单元负责与其他传感器节点进行通信， 无线收发单元负责与其他传感器节点进行通信，交换控制 信息和收发采集数据。 信息和收发采集数据。 电源单元能够为传感器节点提供正常工作所必须的能源。 电源单元能够为传感器节点提供正常工作所必须的能源。 此外，传感器节点还可以包括其他辅助单元，如移动系统、 此外，传感器节点还可以包括其他辅助单元，如移动系统、 定位系统和自供电系统等。 定位系统和自供电系统等。
以数据为中心
在无线传感器网络中， 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， 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。 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， 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， 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。 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。 件的信息后汇报给用户。
分布式 自组织
无线传感器网络与 无线自组网络的共 同特点： 同特点：
拓扑变化 多跳路由 安全性差
分布式
网络没有严格的控制中心， 网络没有严格的控制中心，所有节点地位 平等， 平等，节点之间通过分布式的算法来协调 彼此行为，是一个对等网络。 彼此行为，是一个对等网络。 节点可以随时加入或离开网络，任何节点 节点可以随时加入或离开网络， 的故障不会影响整个网络的运行， 的故障不会影响整个网络的运行，具有很 强的抗毁性。 强的抗毁性。
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
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
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
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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
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传输控制 路由 MAC
声、光、电、磁
安
全
服
/ 移
网
拓 扑
务 质 量
动
/ 能
络 管
控
量
制
理
2.2.4 无线传感器网络通信体系结构 （1）物理层 （2）数据链路层 （3）网络层 （4）传输控制层 （5）应用层
第2章 无线传感器网络体系结构
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 物理层
无线传感器分类
• 1、静止网络和移动网络 • 2、确定性和非确定性网络 • 3、静止汇聚节点和移动汇聚节点网络 • 4、单汇聚节点和多汇聚节点网络 • 5、同构网络和异构网络
第2章 无线传感器网络体系结构
2.3 小结 传感器网络的体系结构受应用驱动。总的说来，灵活性、容错性、高密度 以及快速部署等传感器网络的特征为其带来了许多新的应用、在未来，有许 多广阔的应用领域可以使传感器网络成为人们生活中的一个不可缺少的组成 部分，实现这些和其他的传感器网络的应用需要自组织网络技术。然而，传 统Ad hoc网络的技术并不能够完全适应于传感器网络的应用。因此，充分认 识和研究传感器网络自组织方式及传感器网络的体系结构，为网络协议和算 法的标准化提供理论依据，为设备制造商的实现提供参考，成为当前无线传 感器网络研究领域中一项十分紧迫的任务。也只有从网络体系结构的研究入 手，带动传感器组织方式及通信技术的研究，才能更有力地推动这一具有战 略意义的新技术的研究和发展。
无线传感网络结构
• 2、分层结构 • 分簇结构——簇成员（较低能量）采集监
测数据发给较近距离的簇头（较高能量）， 簇头处理数据后，发送给汇聚节点。
• 特点：降低通信能耗、平衡节点负载、适 应网络拓扑变化。需周期分簇，以平衡节 点业务负载。经过多次数据融合，可降低 数据冗余，减少传输数据量，提高网络能 量效率。
• 另一方面，面向网外作为中继和网关完成传感 器网络与外部网络间信令和数据的转换，是连接 传感器网络与其它网络的桥梁。
• 通常假设观测节点能力较强，资源充分或可补充。 观测节点有被动触发和主动查询两种工作模式，前 者被动地由传感节点发出的感兴趣事件或消息触发， 后者则周期扫描网络和查询传感节点，较常用。
基于无线传感器网络的应用程序
信
管
息
安
理
无线传感器网络的应用支撑技术
全
无线传感器 网络中间件 与平台软件
无线传感器网络的基础设施
2.2.3 无线传感器网络的协议栈
第2章 无线传感器网络体系结构
无线传感器网络的协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，还包 括能量管理、移动管理和任务管理等平台。这些管理平台使得传感器节点能够按照能源 高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。
传感节点对感兴趣目标的信息获取范围 称为该节点的感知视场，网络中所有节点 视场的集合称为该网络的感知视场。当传 感节点检测到的目标信息超过设定阀值， 需提交给观测节点时，被称为有效节点。
• 观测节点具有双重身份。
• 一方面，在网内作为接收者和控制者，被授权 监听和处理网络的事件消息和数据，可向传感器 网络发布查询请求或派发任务；
• 缺点：长距离通信，能量消耗、硬件花费 高；能量不能得以均衡使用；随网络变大 传输碰撞引起传输延迟。
无线传感网络结构
• 二、多跳网络 • 概念：传感器节点通过一个或多个网络中
间节点将所采集到的数据传送给汇聚节点， 从而有效的降低通信所需的能耗。 • 1、平面结构 • 各传感器节点地位相同、汇聚节点泛洪发 消息，各可响应的节点通过多跳和与其他 节点中继方式与汇聚节点通信。
感知现场
• 大量传感节点随机部署，通过自组织方式 构成网络，协同形成对目标的感知视场。 传感节点检测的目标信号经本地简单处理
后通过邻近传感节点多跳传输到观测节点。 用户和远程任务管理单元通过外部网络， 比如卫星通信网络或Internet，与节点进行 交互。观测节点向网络发布查询请求和控 制指令，接收传感节点返回的目标信息。
第2章 无线传感器网络体系结构
传感节点具有原始数据采集、本地信 息处理、无线数据传输及与其它节点协同 工作的能力，依据应用需求，还可能携带 定位，能源补给或移动等模块。节点可采 用飞行器撒播、火箭弹射或人工埋置等方 式部署。
目标是网络感兴趣的对象及其属性， 有时特指某类信号源。传感节点通过目标 的热、红外、声纳、雷达或震动等信号， 获取目标温度、光强度、噪声、压力、运 动方向或速度等属性。
时间同步
节点定位
传输控制
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
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。
• 优点：网络结构简单
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)。
（1）网络适配层：
军事 侦察
环境 监测
健康 … 商业
（2）基础软件层：
1）网络中间件 2）配置中间件 3）功能中间件 4）管理中间件 5）安全中间件
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
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
图2-5所示为协议栈模型，定位和时间子层在协议栈中的位置比较特殊，它们既要依赖 于数据传输通道进行协作定位和时间同步协商，同时又要为各层网络协议提供信息支持， 如基于时分复用的MAC协议、基于地理位置的路由协议等都需要定位和同步信息。
应用服务接口
网络管理接口
应用层
时间同步
节点定位
传输层 网络层 数据链路层 物理层
2.1 体系结构概述
第2章 无线传感器网络体系结构
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
传感器节点