《無(wú)線傳感網(wǎng)》課程教學(xué)大綱

1、無(wú)線傳感網(wǎng)課程教學(xué)大綱課程編號(hào)：課程名稱：無(wú)線傳感網(wǎng)英文名稱：Wireless Sensor Network課程類型：專業(yè)課總 學(xué) 時(shí)：48 講課學(xué)時(shí)：32 實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：16學(xué)分：3適用對(duì)象：信息工程、通信工程或相關(guān)專業(yè)的本科生先修課程：高級(jí)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、微機(jī)原理及接口技術(shù)、計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)。一、課程性質(zhì)、目的和任務(wù)本課程是通信工程、信息工程或相關(guān)專業(yè)的專業(yè)課程。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是集傳感器技術(shù)、微電機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線通信技術(shù)于一體的綜合信息處理平臺(tái)，具有廣泛的應(yīng)用前景，是計(jì)算機(jī)信息領(lǐng)域最活躍的研究熱點(diǎn)之一。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生掌握無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)，著重掌握無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

2、的通信協(xié)議，了解無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)定位、目標(biāo)跟蹤和時(shí)間同步等幾大支撐技術(shù)，為在基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用中，深入利用關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)優(yōu)質(zhì)的應(yīng)用系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。二、教學(xué)基本要求本課程要求學(xué)習(xí)了解無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)，掌握無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的物理層協(xié)議、MAC協(xié)議、路由協(xié)議、拓?fù)淇刂茀f(xié)議以及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IEEE802.15.4等通信協(xié)議，了解無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)定位、目標(biāo)跟蹤和時(shí)間同步等幾大支撐技術(shù)，掌握基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能應(yīng)用的基本設(shè)計(jì)方法，掌握其軟硬件開發(fā)平臺(tái)和仿真環(huán)境的使用。希望通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，加深對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的理解，為進(jìn)一步研究和從事無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)和

3、工程實(shí)踐提供良好的基礎(chǔ)和參考。三、教學(xué)內(nèi)容及要求第一部分 課程概述1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)概述，主要內(nèi)容：環(huán)境智能的遠(yuǎn)景，WSN應(yīng)用實(shí)例，WSN應(yīng)用類型，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)，傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)。目的與要求：了解環(huán)境智能的遠(yuǎn)景和WSN應(yīng)用實(shí)例及WSN應(yīng)用類型，了解無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)，掌握傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，了解無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)。第二部分 體系結(jié)構(gòu)WSN的體系結(jié)構(gòu)，主要內(nèi)容：2 WSN節(jié)點(diǎn) (無(wú)線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，WSNode)架構(gòu)，含WSNode的硬件組件、WSNode的能量消耗、WSNode的操作系統(tǒng)和執(zhí)行環(huán)境、WSNode的一些實(shí)例；3 WSN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，含傳感

4、器網(wǎng)絡(luò)方案、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化的目標(biāo)和關(guān)鍵參數(shù)、WSN的設(shè)計(jì)原則、WSN的服務(wù)接口和WSN中的網(wǎng)關(guān)的概念。目的與要求：掌握WSNode架構(gòu)，包括WSNode的硬件組件、WSNode的能量消耗、WSNode的操作系統(tǒng)和執(zhí)行環(huán)境，了解WSNode的一些實(shí)例；掌握WSN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，包括傳感器網(wǎng)絡(luò)方案、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化的目標(biāo)和關(guān)鍵參數(shù)、WSN的設(shè)計(jì)原則，了解WSN的服務(wù)接口和WSN中的網(wǎng)關(guān)的概念。第三部分 物理層和鏈路層協(xié)議4 物理層，主要內(nèi)容：物理層協(xié)議簡(jiǎn)介，無(wú)線信道和通信基礎(chǔ)知識(shí)，WSN中物理層和收發(fā)器的設(shè)計(jì)考慮。目的與要求：掌握物理層協(xié)議的基本概念，掌握無(wú)線信道和通信的基礎(chǔ)知識(shí)，了解WSN中物理層和收發(fā)器的

5、設(shè)計(jì)考慮。5 MAC協(xié)議，主要內(nèi)容：無(wú)線MAC協(xié)議基礎(chǔ)知識(shí)，低占空比協(xié)議和喚醒概念，基于競(jìng)爭(zhēng)的協(xié)議，基于時(shí)刻表的協(xié)議，IEEE 802.15.4 MAC協(xié)議。目的與要求：掌握無(wú)線MAC協(xié)議基礎(chǔ)知識(shí)，掌握低占空比協(xié)議和喚醒概念，掌握基于競(jìng)爭(zhēng)的CSMA協(xié)議，掌握基于時(shí)刻表的協(xié)議的基本概念，了解LEACH 、SMACS 和TRAMA 協(xié)議，掌握IEEE 802.15.4 MAC協(xié)議。6 鏈路層協(xié)議，主要內(nèi)容：鏈路層的基礎(chǔ)知識(shí)，誤碼控制，封裝。鏈路管理。目的與要求：掌握鏈路層的基礎(chǔ)知識(shí)，包括任務(wù)和需求；掌握誤碼控制中的主要技術(shù)，如ARQ技術(shù)，F(xiàn)EC技術(shù)，混合技術(shù)和能量控制等；掌握鏈路層的封裝中的自適應(yīng)

6、方案、中級(jí)校驗(yàn)方案等；掌握鏈路管理中的鏈路質(zhì)量特點(diǎn)和質(zhì)量估計(jì)。第三部分 尋址、同步和定位協(xié)議7 命名和尋址，主要內(nèi)容：命名和尋址的基本概念，WSN中的地址和名稱管理，MAC地址的分配，局部唯一地址的分布式分配，基于內(nèi)容的和基于地理的尋址。目的與要求：掌握命名和尋址的基本概念，一般性了解WSN中的地址和名稱管理，MAC地址的分配，局部唯一地址的分布式分配，基于內(nèi)容的和基于地理的尋址。8 時(shí)間同步，主要內(nèi)容：時(shí)間同步的基本概念，基于收發(fā)同步的協(xié)議，基于收收同步的協(xié)議。目的與要求：了解時(shí)間同步的基本概念，基于收發(fā)同步的協(xié)議，基于收收同步的協(xié)議。9 定位和定點(diǎn)，主要內(nèi)容：定位和定點(diǎn)的概念，可能的途徑，

7、最小二乘法的數(shù)學(xué)知識(shí)單跳和多跳環(huán)境下的定位。目的與要求：掌握定位和定點(diǎn)的概念，了解定位的可能途徑，以及最小二乘法的數(shù)學(xué)知識(shí)單跳和多跳環(huán)境下的定位。第四部分 網(wǎng)絡(luò)層和路由協(xié)議10 WSN的拓?fù)淇刂疲饕獌?nèi)容：概念，實(shí)現(xiàn)方式，請(qǐng)求分頁(yè)方式，內(nèi)存分配策略。頁(yè)面置換算法：最佳置換算法，先進(jìn)先出置換算法，最近最久未使用置換算法，其他算法。目的與要求：掌握操作系統(tǒng)中虛擬存儲(chǔ)的實(shí)現(xiàn)，以及所涉及的主要算法。11 WSN的路由協(xié)議，主要內(nèi)容：Flooding協(xié)議和Gossiping協(xié)議；基于代理的單播轉(zhuǎn)發(fā)：SPIN協(xié)議，Directed Diffusion協(xié)議和Rumor協(xié)議；節(jié)能型單播：能量感知路由協(xié)議，LE

8、ACH協(xié)議和PEGASIS協(xié)議；廣播和多播協(xié)議：基于源的樹協(xié)議，共享的基于核的樹協(xié)議；基于網(wǎng)格的協(xié)議；地理路由協(xié)議：GPSR協(xié)議和TBF協(xié)議；路由協(xié)議中的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。目的與要求：掌握Flooding協(xié)議，Gossiping協(xié)議，基于代理的單播轉(zhuǎn)發(fā)；節(jié)能型單播。理解廣播和多播協(xié)議：基于源的樹協(xié)議，共享的基于核的樹協(xié)議，基于網(wǎng)格的協(xié)議；地理路由協(xié)議；掌握路由協(xié)議中的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的基本概念。第五部分 WSN的構(gòu)建和應(yīng)用實(shí)現(xiàn)12 以數(shù)據(jù)為中心的和基于內(nèi)容的WSN互聯(lián)，主要內(nèi)容：基本概念，數(shù)據(jù)為中心的路由，數(shù)據(jù)匯聚，以數(shù)據(jù)為中心的存儲(chǔ)。目的與要求：了解以數(shù)據(jù)為中心的和基于內(nèi)容的WSN互聯(lián)的基本概念，數(shù)據(jù)為中心

9、的路由，數(shù)據(jù)匯聚，以數(shù)據(jù)為中心的存儲(chǔ)。13 WSN傳輸層和QoS，主要內(nèi)容：基本概念，覆蓋和部署，可靠的數(shù)據(jù)傳輸，單個(gè)數(shù)據(jù)包的分發(fā)，基于塊的分發(fā)，擁塞控制和碼率控制。目的與要求：了解WSN傳輸層和QoS基本概念，以及WSN的覆蓋和部署，了解WSN中可靠的數(shù)據(jù)傳輸，掌握單個(gè)數(shù)據(jù)包的分發(fā)中的單徑、多徑和多收三種方式，掌握基于塊的分發(fā)中的RSPQ和RMST，掌握WSN中擁塞控制的機(jī)制和碼率控制的協(xié)議以及CODA擁塞控制框架。14 高級(jí)的應(yīng)用支持，主要內(nèi)容：高級(jí)的內(nèi)網(wǎng)處理，WSN中的安全問(wèn)題，針對(duì)特定應(yīng)用的支持。目的與要求：了解高級(jí)的內(nèi)網(wǎng)處理，WSN中的安全問(wèn)題，針對(duì)特定應(yīng)用的支持。15 ZigBee

10、技術(shù)，主要內(nèi)容：技術(shù)概述，技術(shù)特點(diǎn)，ZigBee協(xié)議棧，ZigBee協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。目的與要求：掌握技術(shù)ZigBee的基本概念和技術(shù)特點(diǎn)，掌握Z(yǔ)igBee協(xié)議棧，掌握Z(yǔ)igBee協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。16 WSN仿真平臺(tái)和開發(fā)平臺(tái)，主要內(nèi)容：WSN仿真平臺(tái)NS，JavaSim，OPNET，MATLAB等；WSN開發(fā)平臺(tái)nesC語(yǔ)言和TinyOS操作系統(tǒng)。目的與要求：了解WSN仿真平臺(tái)NS，JavaSim，OPNET，MATLAB等的使用；了解WSN開發(fā)平臺(tái)nesC語(yǔ)言和TinyOS操作系統(tǒng)的使用。四、所含實(shí)踐環(huán)節(jié)本課程含16學(xué)時(shí)課程實(shí)驗(yàn)。具體參見相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱。五、課外習(xí)題及課程討論為達(dá)

11、到本課程的教學(xué)基本要求，應(yīng)有適量的習(xí)題（包括課內(nèi)討論）。六、教學(xué)方法與手段本課程采用傳統(tǒng)授課方式為主。七、各教學(xué)環(huán)節(jié)學(xué)時(shí)分配章節(jié)（或內(nèi)容）講課習(xí)題課討論課實(shí)驗(yàn)合計(jì)WSN概述22WSN節(jié)點(diǎn)架構(gòu)22WSN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)22WSN物理層246WSN的MAC協(xié)議22WSN鏈路層協(xié)議246命名與尋址22時(shí)間同步22定位與定點(diǎn)22WSN拓?fù)淇刂?2WSN路由協(xié)議246數(shù)據(jù)為中心和基于內(nèi)容的互聯(lián)22WSN傳輸層和QoS22高級(jí)應(yīng)用支持22ZigBee協(xié)議242WSN仿真平臺(tái)和開發(fā)平臺(tái)22合計(jì)321648學(xué)時(shí)分配僅供參考，具體教學(xué)時(shí)可稍作調(diào)整，其中7、8、9、12、14、16作為選修內(nèi)容。八、課程成績(jī)?cè)u(píng)定辦法 可采

12、用閉卷筆試、開卷筆試和論文方式。課程總評(píng)成績(jī)由平時(shí)成績(jī)（占50%）和期末考試成績(jī)（占50%）兩部分構(gòu)成，其中平時(shí)成績(jī)中實(shí)驗(yàn)成績(jī)占60%。九、推薦教材和教學(xué)參考書教 材：自編講義，來(lái)源于Protocol and Architecture of Wireless Sensor Network，Holger Karl, AndreasWillig編著，John Wiley & Sons，Ltd. 2005.參考書：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用，李善倉(cāng)等主編，機(jī)械工業(yè)出版社，2008.十、說(shuō)明 大綱制訂人：焦良葆大綱審定人：李小平制訂日期：2009年 5 月無(wú)線傳感網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱一、實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)與基本要求

13、無(wú)線傳感網(wǎng)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的技術(shù)課程，開設(shè)本實(shí)驗(yàn)課程的目的在于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，促進(jìn)理論與實(shí)踐的結(jié)合。本實(shí)驗(yàn)課程通過(guò)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)箱平臺(tái)，依據(jù)相應(yīng)的演示實(shí)驗(yàn)了解WSN中的一些基本概念，并通過(guò)相應(yīng)的編程接口在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的WSN系統(tǒng)應(yīng)用，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的理解，與此同時(shí)使學(xué)生在WSN網(wǎng)絡(luò)搭建和應(yīng)用設(shè)計(jì)方面也能夠得到基本的訓(xùn)練。二、本實(shí)驗(yàn)課程的基本理論與實(shí)驗(yàn)技術(shù)知識(shí)本實(shí)驗(yàn)課程采用Linux或者WinCE作為操作界面，Linux是各種類型計(jì)算機(jī)上的主流操作系統(tǒng)之一，而且是開放源代碼的自由軟件，學(xué)生可以很方便地得到Linux操作系統(tǒng)全部源代碼，學(xué)生可以在互聯(lián)網(wǎng)上得到更多的支持和幫助。

14、學(xué)校實(shí)驗(yàn)室一般配置Linux操作系統(tǒng)。WinCE為實(shí)驗(yàn)箱所帶操作系統(tǒng)，使用類似于Windows操作系統(tǒng)。三、實(shí)驗(yàn)方法、特點(diǎn)與基本要求1、演示性實(shí)驗(yàn)基于相應(yīng)的WSN實(shí)驗(yàn)箱平臺(tái)所提供的演示實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)手冊(cè)的指示，進(jìn)行操作，完成WSN基礎(chǔ)知識(shí)的復(fù)習(xí)和感性認(rèn)識(shí)。2、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)基于相應(yīng)的WSN實(shí)驗(yàn)箱平臺(tái)所提供的操作系統(tǒng)和編程平臺(tái)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)手冊(cè)的指示，進(jìn)行編程，完成WSN基礎(chǔ)知識(shí)的復(fù)習(xí)和進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。四、實(shí)驗(yàn)主要儀器設(shè)備一般需要WSN實(shí)驗(yàn)箱和WSN開發(fā)平臺(tái)，配置Linux操作系統(tǒng)或WinCE系統(tǒng)。五、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置與內(nèi)容提要序號(hào)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi) 容 提 要實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)類型每組人數(shù)實(shí)驗(yàn)要求1WSN物理層實(shí)驗(yàn)了解物理信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)換過(guò)程，了解WSN物理層傳輸?shù)幕驹砗突具^(guò)程。4驗(yàn)證2必做2WSN網(wǎng)絡(luò)搭建實(shí)驗(yàn)掌握WSN節(jié)點(diǎn)架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，了解WSN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂坪吐酚蓞f(xié)議。4設(shè)計(jì)2必做3節(jié)點(diǎn)間通信實(shí)驗(yàn)掌握實(shí)現(xiàn)WSN節(jié)點(diǎn)間通信的基本原理和過(guò)程，掌握點(diǎn)到點(diǎn)通信和點(diǎn)到多點(diǎn)通信。4設(shè)計(jì)2必做4ZigBee協(xié)議實(shí)驗(yàn)掌握Z(yǔ)igBee協(xié)議的基本概念和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，掌握Z(yǔ)igBee協(xié)議的協(xié)議棧。4設(shè)計(jì)2必做六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求每次實(shí)驗(yàn)提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)報(bào)告由實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)總結(jié)等項(xiàng)記錄構(gòu)成。七、考核方式與成績(jī)?cè)u(píng)定標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)成績(jī)：預(yù)習(xí)10%、操作40%、報(bào)告4