第02章、WSN體系結(jié)構(gòu)

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主講人：劉長(zhǎng)紅Email：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)第二章、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)u體系結(jié)構(gòu)概述體系結(jié)構(gòu)概述u無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理物理體系結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)u無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件軟件體系結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)u無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧協(xié)議棧u無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信通信體系結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)概述一個(gè)典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)架構(gòu)包括分布式無線傳感器節(jié)點(diǎn)（群）、接收發(fā)送器匯聚節(jié)點(diǎn)、互聯(lián)網(wǎng)或通信衛(wèi)星和任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)等，其中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括4類基本實(shí)體對(duì)象：目標(biāo)目標(biāo)、觀測(cè)節(jié)點(diǎn)觀測(cè)節(jié)點(diǎn)（匯聚節(jié)點(diǎn)）（匯聚節(jié)點(diǎn)）、傳感器節(jié)點(diǎn)傳感器節(jié)點(diǎn)和感知視場(chǎng)感知視

2、場(chǎng)，如下圖所示。大量傳感節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署，通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，協(xié)同形成對(duì)目標(biāo)的感知視場(chǎng)。傳感節(jié)點(diǎn)檢測(cè)的目標(biāo)信號(hào)經(jīng)本地簡(jiǎn)單處理 后通過鄰近傳感節(jié)點(diǎn)多跳傳輸?shù)接^測(cè)節(jié)點(diǎn)。用戶和遠(yuǎn)程任務(wù)管理單元通過外部網(wǎng)絡(luò)，比如衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)或Internet，與觀測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交互。觀測(cè)節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)布查詢請(qǐng)求和控制指令，接收傳感節(jié)點(diǎn)返回的目標(biāo)信息。體系結(jié)構(gòu)概述 傳感器節(jié)點(diǎn)具有原始數(shù)據(jù)采集原始數(shù)據(jù)采集、本地信息處理本地信息處理、無線數(shù)據(jù)傳輸無線數(shù)據(jù)傳輸及與其它節(jié)點(diǎn)協(xié)同工作的能力協(xié)同工作的能力，這些節(jié)點(diǎn)群隨機(jī)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)部或附近，能夠通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。體系結(jié)構(gòu)概述 目標(biāo)是網(wǎng)絡(luò)感興趣的對(duì)象及其屬性，有時(shí)特指某類信號(hào)源

3、。傳感節(jié)點(diǎn)通過目標(biāo)的熱、紅外、聲納、雷達(dá)或震動(dòng)等信號(hào)，獲取目標(biāo)溫度、光強(qiáng)度、噪聲、壓力、運(yùn)動(dòng)方向或速度等屬性。傳感節(jié)點(diǎn)對(duì)感興趣目標(biāo)的信息獲取傳感節(jié)點(diǎn)對(duì)感興趣目標(biāo)的信息獲取范圍范圍稱為該節(jié)點(diǎn)的感知視場(chǎng)該節(jié)點(diǎn)的感知視場(chǎng)，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)視場(chǎng)的集合網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)視場(chǎng)的集合稱為該網(wǎng)絡(luò)的感知視場(chǎng)。當(dāng)傳感節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到的目標(biāo)信息超過設(shè)定閥值，需提交給觀測(cè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，被稱為有效節(jié)點(diǎn)。體系結(jié)構(gòu)概述 觀測(cè)節(jié)點(diǎn)（匯聚節(jié)點(diǎn)）的各方面能力相對(duì)于上述節(jié)點(diǎn)群而言相對(duì)比較強(qiáng)，具有雙重身份雙重身份。它連接傳感器網(wǎng)絡(luò)、Internet等外部網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換。同時(shí)發(fā)布管理點(diǎn)的監(jiān)測(cè)任務(wù)，并把收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)上。

4、通常假設(shè)觀測(cè)節(jié)點(diǎn)能力較強(qiáng)，資源充分或可補(bǔ)充。觀測(cè)節(jié)點(diǎn)有被動(dòng)觸發(fā)和主動(dòng)查詢兩種工作模式，前者被動(dòng)地由傳感節(jié)點(diǎn)發(fā)出的感興趣事件或消息觸發(fā)，后者則周期掃描網(wǎng)絡(luò)和查詢傳感節(jié)點(diǎn)，較常用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理體系結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)傳感器節(jié)點(diǎn)(sensor node)、匯聚節(jié)匯聚節(jié)點(diǎn)點(diǎn)(sink node)和管理節(jié)點(diǎn)管理節(jié)點(diǎn)。大量傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域(sensor field)內(nèi)部或附近，具有無線通信與計(jì)算能力的微小傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過自組織的方式構(gòu)成的能夠根據(jù)環(huán)境自主完成指定任務(wù)的分布式智能化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并以協(xié)作的方式實(shí)現(xiàn)感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中的信息，通過多跳后路由到匯聚節(jié)

5、點(diǎn)多跳后路由到匯聚節(jié)點(diǎn)，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或者互聯(lián)網(wǎng)或者衛(wèi)星衛(wèi)星到達(dá)數(shù)據(jù)處理中心管理節(jié)點(diǎn)。用戶通過管理節(jié)點(diǎn)沿著相反的方向?qū)鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測(cè)任務(wù)以及收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理體系結(jié)構(gòu)u傳感器節(jié)點(diǎn)包括傳感器節(jié)點(diǎn)包括（1）數(shù)據(jù)采集模塊 （2）處理控制模塊 （3）無線通信模塊（4）能量供應(yīng)模塊 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理體系結(jié)構(gòu)u匯聚節(jié)點(diǎn)匯聚節(jié)點(diǎn)連接傳感器網(wǎng)絡(luò)和Internet等外部網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，同時(shí)發(fā)布管理節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)任務(wù)，并把收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)上。匯聚節(jié)點(diǎn)即可是一個(gè)具有增強(qiáng)功能的傳感器節(jié)點(diǎn)，也可是沒有監(jiān)測(cè)功能僅帶無線通信接口的特殊網(wǎng)管設(shè)備。 無線傳感器網(wǎng)

6、絡(luò)物理體系結(jié)構(gòu)u管理節(jié)點(diǎn)管理節(jié)點(diǎn)即用戶節(jié)點(diǎn)，用戶通過管理節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測(cè)任務(wù)以及收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件體系結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件和平臺(tái)軟件體系結(jié)構(gòu)主要分為四個(gè)層次：網(wǎng)絡(luò)適配層網(wǎng)絡(luò)適配層、基礎(chǔ)軟件層基礎(chǔ)軟件層、應(yīng)用開發(fā)層應(yīng)用開發(fā)層和應(yīng)用業(yè)務(wù)適配層應(yīng)用業(yè)務(wù)適配層。其中，網(wǎng)絡(luò)適配層和基礎(chǔ)軟件層組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)嵌入式軟件(部署在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中)的體系結(jié)構(gòu)，應(yīng)用開發(fā)層和基礎(chǔ)軟件層組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用支撐結(jié)構(gòu)(支持應(yīng)用業(yè)務(wù)的開發(fā)與實(shí)現(xiàn))。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信體系結(jié)構(gòu)u傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議OSIOSI參考模型參考模型 開放式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)參考模型( OSI

7、 )共有7個(gè)層次，如下圖所示。從底向上依次是物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會(huì)話層、表示層和應(yīng)用層。除物理層和應(yīng)用層外，其余每層都和相鄰上下兩層進(jìn)行通信。開放式系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）協(xié)議參考模型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧從無線聯(lián)網(wǎng)的角度來看，傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的體系由分層的網(wǎng)絡(luò)從無線聯(lián)網(wǎng)的角度來看，傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的體系由分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)和應(yīng)用支撐平臺(tái)三個(gè)部分組成。通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)和應(yīng)用支撐平臺(tái)三個(gè)部分組成。網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)應(yīng)用支撐平臺(tái)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的體系組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧u 類似于傳統(tǒng)類似于傳統(tǒng)InternetInternet網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)中的TCP/IPTCP

8、/IP協(xié)議體系，它由物理層、數(shù)據(jù)協(xié)議體系，它由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層組成，如下圖所示。鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層組成，如下圖所示。MACMAC層和物理層層和物理層協(xié)議采用的是國(guó)際電氣電子工程師協(xié)會(huì)協(xié)議采用的是國(guó)際電氣電子工程師協(xié)會(huì)(The Institute of Electrical (The Institute of Electrical and Electronics Engineersand Electronics Engineers，IEEE)IEEE)制定的制定的IEEE 802.15.4IEEE 802.15.4協(xié)議。協(xié)議。傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的分層結(jié)構(gòu)物理

9、層1 1物理層的基本概念物理層的基本概念 在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中物理層考慮的是怎樣才能在連接各種計(jì)算機(jī)的傳輸介質(zhì)上傳輸數(shù)據(jù)的比特流。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(International Organization for Standardization，ISO)對(duì)開放系統(tǒng)互聯(lián)(Open System Interconnection，OSI)參考模型中物理層的定義如下：物理層為建立、維護(hù)和釋放數(shù)據(jù)鏈路實(shí)體之間的二進(jìn)制比特傳輸?shù)奈锢磉B建立、維護(hù)和釋放數(shù)據(jù)鏈路實(shí)體之間的二進(jìn)制比特傳輸?shù)奈锢磉B接，提供機(jī)械的、電氣的、功能的和規(guī)程性的特性接，提供機(jī)械的、電氣的、功能的和規(guī)程性的特性。從定義可以看出，物理層的特點(diǎn)是負(fù)責(zé)在物理

10、鏈接上傳輸二進(jìn)制比特流在物理鏈接上傳輸二進(jìn)制比特流，并提供為建立、維護(hù)和釋放物理鏈接所需要的機(jī)械、電氣、功能和規(guī)程的特性。u主要功能：主要功能： 為數(shù)據(jù)終端設(shè)備(Data Terminal Equipment，DTE)提供傳送數(shù)據(jù)的通路。 傳輸數(shù)據(jù)。 其他管理工作（如：信道狀態(tài)評(píng)估、能量檢測(cè)等）。1.物理層的基本概念u通常物理接口標(biāo)準(zhǔn)對(duì)物理接口的四個(gè)特性進(jìn)行了描述，這四個(gè)特性的內(nèi)容是指： 機(jī)械特性：機(jī)械特性：規(guī)定了物理鏈接時(shí)使用的可接插連接器的形狀和尺寸，連接器中的引腳數(shù)量和排列情況等。 電氣特性電氣特性規(guī)定了在物理鏈接上傳輸二進(jìn)制比特流時(shí)，線路上的信號(hào)的電平高低、阻抗以及阻抗匹配、傳輸速率與

11、距離限制。 功能特性功能特性規(guī)定了在物理接口上各條信號(hào)線的功能分配和確切定義。物理接口信號(hào)線一般分為數(shù)據(jù)線、控制線、定時(shí)線和地線。 規(guī)程特性。規(guī)程特性。定義了信號(hào)線進(jìn)行二進(jìn)制比特流傳輸時(shí)的一組操作過程，包括個(gè)信號(hào)線的工作規(guī)則和時(shí)序。2. 無線通信物理層的主要技術(shù)無線通信物理層的主要技術(shù)包括介質(zhì)的選擇介質(zhì)的選擇、頻段的頻段的選擇選擇、調(diào)制技術(shù)調(diào)制技術(shù)和擴(kuò)頻技術(shù)擴(kuò)頻技術(shù)。u介質(zhì)和頻段選擇介質(zhì)和頻段選擇 無線通信的介質(zhì)包括電磁波電磁波和聲波聲波。電磁波是最主要的無線通信介質(zhì)，而聲波一般僅用于水下的無線通信。根據(jù)波長(zhǎng)的不同，電磁波分為無線電波、微波、紅外線和光波等，其中無線電波在無線網(wǎng)絡(luò)中使無線電波在

12、無線網(wǎng)絡(luò)中使用最廣泛用最廣泛。無線電波的傳播特性與頻率相關(guān)。2. 無線通信物理層的主要技術(shù)u調(diào)制技術(shù)調(diào)制技術(shù) 調(diào)制和解調(diào)技術(shù)是無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。通常信號(hào)源的編碼信號(hào)源的編碼信息信息( (即信源即信源) )含有直流分量和頻率較低的頻率分量含有直流分量和頻率較低的頻率分量，稱為基帶信號(hào)基帶信號(hào)?；鶐盘?hào)往往不能作為傳輸信號(hào)，因而要將基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為相對(duì)基帶頻率而言頻率非常高的帶通信號(hào)，以便于進(jìn)行信道傳輸。通常將帶通信號(hào)稱為已調(diào)信號(hào)，而基帶信號(hào)基帶信號(hào)稱為調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào)。 調(diào)制調(diào)制技術(shù)通過改變高頻載波的幅度、相位或頻率，使其隨著基帶信號(hào)幅度的變化而變化。解調(diào)解調(diào)是將基帶信號(hào)從載波中提取出來

13、以便預(yù)定的接收者(信宿)處理和理解的過程。 根據(jù)原始信號(hào)所控制參量的不同，調(diào)制分為幅度調(diào)制幅度調(diào)制(Amplitude Modulation，AM)、頻率調(diào)制頻率調(diào)制(Frequency Modulation，F(xiàn)M)和相位調(diào)相位調(diào)制制(Phase Modulation，PM)2. 無線通信物理層的主要技術(shù)u擴(kuò)頻技術(shù)擴(kuò)頻技術(shù)擴(kuò)頻又稱為擴(kuò)展頻譜，它的定義如下：擴(kuò)頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式，擴(kuò)頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式，其信號(hào)所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必需的最小帶寬；頻帶的擴(kuò)展是通其信號(hào)所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必需的最小帶寬；頻帶的擴(kuò)展是通過一個(gè)獨(dú)立的碼序列來完成，用編碼及調(diào)制的方法來

14、實(shí)現(xiàn)，與所傳信息數(shù)據(jù)過一個(gè)獨(dú)立的碼序列來完成，用編碼及調(diào)制的方法來實(shí)現(xiàn)，與所傳信息數(shù)據(jù)無關(guān)；在接收端用同樣的碼進(jìn)行相關(guān)同步接收、解擴(kuò)和恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)無關(guān)；在接收端用同樣的碼進(jìn)行相關(guān)同步接收、解擴(kuò)和恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)。擴(kuò)頻技術(shù)按照工作方式的不同，可以分為以下四種：直接序列擴(kuò)頻直接序列擴(kuò)頻(Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS)、跳頻跳頻(Frequency Hopping Spread Spectrum，F(xiàn)HSS)、跳時(shí)跳時(shí)(Time Hopping Spread Spectrum，THSS)和寬帶線性寬帶線性調(diào)頻擴(kuò)頻調(diào)頻擴(kuò)頻(chirp Spread Spe

15、ctrum，chirp-SS，簡(jiǎn)稱切普擴(kuò)頻)。2. 無線通信物理層的主要技術(shù)u擴(kuò)頻技術(shù)擴(kuò)頻技術(shù)直接序列擴(kuò)頻：直接序列擴(kuò)頻：直接序列擴(kuò)頻通過利用高速率的擴(kuò)頻序列在發(fā)射端擴(kuò)展信號(hào)的頻譜，而在接收端用相同的擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行解擴(kuò)，把展開的擴(kuò)頻信號(hào)還原成原來的信號(hào)。跳頻：跳頻：利用整個(gè)帶寬（頻譜）并將其分割為更小的子通道。發(fā)送方和接收方在每個(gè)通道上工作一段時(shí)間，然后轉(zhuǎn)移到另一個(gè)通道。發(fā)送方將第一組數(shù)據(jù)放置在一個(gè)頻率上，將第二組數(shù)據(jù)放置在另一個(gè)頻率上，以此類推。跳時(shí)：跳時(shí)：是使發(fā)射信號(hào)在時(shí)間軸上跳變。首先把時(shí)間軸分成許多時(shí)片。在一幀內(nèi)哪個(gè)時(shí)片發(fā)射信號(hào)由擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行控制。可以把跳時(shí)理解為：用一定碼序列進(jìn)行

16、選擇的多時(shí)片的時(shí)移鍵控寬帶線性調(diào)頻擴(kuò)頻：寬帶線性調(diào)頻擴(kuò)頻：如果發(fā)射的射頻脈沖信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)，其載頻的頻率作線性變化，則稱為線性調(diào)頻3. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的特點(diǎn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的低能耗、低成本、微型化低能耗、低成本、微型化等特點(diǎn)，以及具體應(yīng)用的特殊需求給物理層的設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)，在設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮以下問題：(1)(1)調(diào)制機(jī)制。調(diào)制機(jī)制。(2)(2)與上層協(xié)議結(jié)合的跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)。與上層協(xié)議結(jié)合的跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)。(3)(3)硬件設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)。傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的設(shè)計(jì)1 1傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì) 目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用的主要傳輸介質(zhì)包括無線電無線電、紅外線紅外線和光波光波等。 在無線電頻率選擇方面，IS

17、M ISM 頻段頻段是一個(gè)很好的選擇。因?yàn)镮SM頻段在大多數(shù)國(guó)家屬于無需注冊(cè)的公用頻段。傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的設(shè)計(jì)1 1傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)之間通信的另一種手段是紅外技術(shù)紅外技術(shù)。紅外通信的優(yōu)點(diǎn)是無須注冊(cè)，并且抗干擾能力強(qiáng)無須注冊(cè)，并且抗干擾能力強(qiáng)。基于紅外線的接收機(jī)成本更低，也很容易設(shè)計(jì)。目前很多便攜式電腦、PDA和移動(dòng)電話都提供紅外數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)接口。紅外通信的主要缺點(diǎn)是穿透能穿透能力差力差，要求發(fā)送者和接收者之間存在視距關(guān)系。這導(dǎo)致了紅外難以成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主流傳輸介質(zhì)，而只能在一些特殊場(chǎng)合得到應(yīng)用。傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的設(shè)計(jì)2 2幀結(jié)構(gòu)幀結(jié)構(gòu) 下表描述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)普

18、遍使用的一種物理層幀結(jié)構(gòu)。由于目前還沒有形成標(biāo)準(zhǔn)化的物理層結(jié)構(gòu)，所以在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)都是在該物理層幀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的設(shè)計(jì) 物理幀的第一個(gè)字段是前導(dǎo)碼，字節(jié)數(shù)一般取4，用于收發(fā)器進(jìn)行碼片或者符號(hào)的同步。第二個(gè)字段是幀頭，長(zhǎng)度通常為一個(gè)字節(jié)，表示同步結(jié)束，數(shù)據(jù)包開始傳輸。幀頭與前導(dǎo)碼構(gòu)成了同步頭。 幀長(zhǎng)度字段通常由一個(gè)字節(jié)的低7位表示，其值就是后續(xù)的物理層PHY負(fù)載的長(zhǎng)度，因此它的后續(xù)PHY負(fù)載的長(zhǎng)度不會(huì)超過127個(gè)字節(jié)。 物理幀PHY的負(fù)載長(zhǎng)度可變，稱為物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元(PHY Service Data Unite，PSDU)，攜帶PHY數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)，PSDU域是物理層的載荷

19、。傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的設(shè)計(jì)3 3物理層設(shè)計(jì)技術(shù)物理層設(shè)計(jì)技術(shù) 物理層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的硬件加密、調(diào)制解調(diào)、發(fā)送與接收，是決定傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的體積、成本和能耗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。物理層的設(shè)物理層的設(shè)計(jì)目標(biāo)計(jì)目標(biāo)是以盡可能少的能量消耗獲得較大的鏈路容量以盡可能少的能量消耗獲得較大的鏈路容量。為了確保網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的平穩(wěn)性能，該層一般需要與MAC層進(jìn)行密切交互。 物理層需要考慮編碼調(diào)制技術(shù)、通信速率和通信頻段編碼調(diào)制技術(shù)、通信速率和通信頻段等問題： (1)編碼調(diào)制技術(shù)影響占用頻率帶寬、通信速率、收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)和功率等一系列的技術(shù)參數(shù)。比較常見的編碼調(diào)制技術(shù)包括幅移鍵控、頻移鍵控、相移鍵控和各種擴(kuò)頻技術(shù)。 (2)提高數(shù)據(jù)傳輸

20、速率可以減少數(shù)據(jù)收發(fā)的時(shí)間，對(duì)于節(jié)能具有意義，但需要同時(shí)考慮提高網(wǎng)絡(luò)速度對(duì)誤碼的影響。一般用單個(gè)比特的收發(fā)能耗來定義數(shù)據(jù)傳輸對(duì)能量的效率，單比特能耗越小越好。數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層主要負(fù)責(zé)多路數(shù)據(jù)流、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)探測(cè)、媒體多路數(shù)據(jù)流、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)探測(cè)、媒體訪問和誤差控制，從而確保通信網(wǎng)絡(luò)中可靠的訪問和誤差控制，從而確保通信網(wǎng)絡(luò)中可靠的Point-to-Point-to-PointPoint與與Point-to-MultipointPoint-to-Multipoint連接連接。然而，無線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)作與面向應(yīng)用的性質(zhì)，以及無線傳感節(jié)點(diǎn)的物理約束(例如能量和處理能力約束)決定了完成這些功能的方式。1 1

21、媒體訪問控制媒體訪問控制多跳自組織無線傳感網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議需要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目標(biāo)： （1)對(duì)于感知區(qū)域內(nèi)密集布置節(jié)點(diǎn)的多跳無線通信，需要建立數(shù)據(jù)通信鏈接以獲得基本的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。 （2)為了使無線傳感節(jié)點(diǎn)公平有效地共享通信資源，需要對(duì)共享媒體的訪問進(jìn)行管理。數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議1 1媒體訪問控制媒體訪問控制 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議必須具有固定能量保護(hù)、移動(dòng)性管理和失效恢復(fù)策略。 考慮現(xiàn)有的MAC解決方案，主要包含以下幾種訪問方式：(1)(1)基于基于TDMATDMA的媒體訪問的媒體訪問 (2)(2)基于混合基于混合TDMA/FDMATDMA/FDMA的媒體訪問的媒體訪問 (3)(3)基于基于CSMACS

22、MA媒體訪問媒體訪問 數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議2 2誤差控制誤差控制一般基于ARQ(自動(dòng)重發(fā)請(qǐng)求)的誤差控制主要采用重新傳送恢復(fù)丟失的數(shù)據(jù)包/幀。雖然其他無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)鏈路層利用了基于ARQ的誤差控制方案，但由于無線傳感節(jié)點(diǎn)能量與處理資源的不足，無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中ARQ的有效性受到了限制。另外，F(xiàn)EC(前向糾錯(cuò))方案具有固有的解碼復(fù)雜性，需要無線傳感節(jié)點(diǎn)消耗大量處理資源。因此，具有低復(fù)雜度編碼與解碼方式的簡(jiǎn)單誤差控制碼低復(fù)雜度編碼與解碼方式的簡(jiǎn)單誤差控制碼可能是無線傳感網(wǎng)絡(luò)中誤差控制的最佳解決方案。網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議無線傳感網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層通常根據(jù)下列原則進(jìn)行設(shè)計(jì)： (1) 能量有效性能量有效性是必須考慮的關(guān)鍵問題

23、； (2) 多數(shù)無線傳感網(wǎng)絡(luò)以數(shù)據(jù)為中心以數(shù)據(jù)為中心； (3) 理想的無線傳感網(wǎng)絡(luò)采用基于屬性的尋址和位置感知基于屬性的尋址和位置感知方式； (4) 數(shù)據(jù)聚集僅在不妨礙無線傳感節(jié)點(diǎn)的協(xié)作效應(yīng)時(shí)是有效的； (5) 路由協(xié)議易于與其它網(wǎng)絡(luò)(例如Internel)相結(jié)合。網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議無線傳感網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層通常根據(jù)下列原則進(jìn)行設(shè)計(jì)： (1) 能量有效性能量有效性是必須考慮的關(guān)鍵問題； (2) 多數(shù)無線傳感網(wǎng)絡(luò)以數(shù)據(jù)為中心以數(shù)據(jù)為中心； (3) 理想的無線傳感網(wǎng)絡(luò)采用基于屬性的尋址和位置感知基于屬性的尋址和位置感知方式； (4) 數(shù)據(jù)聚集僅在不妨礙無線傳感節(jié)點(diǎn)的協(xié)作效應(yīng)時(shí)是有效的； (5) 路由協(xié)議易于與其

24、它網(wǎng)絡(luò)(例如Internel)相結(jié)合。網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議 網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)原則之一是易于與其他網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，如下圖所示，Sink節(jié)點(diǎn)作為其他網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，是通信中樞。用戶可根據(jù)查詢目的或應(yīng)用類型通過Internet或衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)查詢無線傳感網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展水平見下表，表中列舉的方案采用了上述的一些設(shè)計(jì)原則。SMECN生成了無線傳感網(wǎng)絡(luò)能量有效的分網(wǎng)圖，目的是在保持網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連通性的條件下使能耗最小化。另外，定向擴(kuò)散協(xié)議是一種數(shù)據(jù)中心的分發(fā)協(xié)議，采用基于屬性的命名方案進(jìn)行數(shù)據(jù)的查詢和收集。傳輸層協(xié)議傳輸層的主要目標(biāo)是：傳輸層的主要目標(biāo)是：采用多路技術(shù)和分離技術(shù)多路技術(shù)和分離技術(shù)作為應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層的橋

25、梁；根據(jù)應(yīng)用層的特定可靠度需求在源節(jié)點(diǎn)和匯節(jié)點(diǎn)間提供帶有誤差控制機(jī)制的數(shù)據(jù)傳遞服務(wù)誤差控制機(jī)制的數(shù)據(jù)傳遞服務(wù)；通過流動(dòng)和擁塞機(jī)制流動(dòng)和擁塞機(jī)制調(diào)節(jié)注入網(wǎng)絡(luò)的信息量。傳輸層協(xié)議Event-to-SinkEvent-to-Sink傳輸傳輸： 無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸層的傳輸層的Event-to-SinkEvent-to-Sink可靠度可靠度是必要的，包括了事件事件特征到特征到SinkSink節(jié)點(diǎn)的可靠通信，而不是針對(duì)區(qū)域內(nèi)各節(jié)點(diǎn)生成的單個(gè)傳節(jié)點(diǎn)的可靠通信，而不是針對(duì)區(qū)域內(nèi)各節(jié)點(diǎn)生成的單個(gè)傳感報(bào)告感報(bào)告/ /數(shù)據(jù)包進(jìn)行基于數(shù)據(jù)包的可靠傳遞數(shù)據(jù)包進(jìn)行基于數(shù)據(jù)包的可靠傳遞。下圖說明了以收集事件到Sink節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)

26、流的識(shí)別符為基礎(chǔ)的Event-to-Sink可靠傳輸概念。注：匯聚節(jié)點(diǎn)感興趣的是事件范圍內(nèi)無線傳感器節(jié)點(diǎn)的集體信息而不是個(gè)別數(shù)據(jù)。傳輸層協(xié)議 與常規(guī)End-to-End可靠度傳輸層協(xié)議不同，事件到中心節(jié)點(diǎn)可靠傳輸(ESRT，Event-to-Sink Reliable Transport)協(xié)議以Event-to-Sink可靠度概念為基礎(chǔ)，提供了不需要任何中介存儲(chǔ)的可靠事件探測(cè)。ESRT是一種新的數(shù)據(jù)解決方案，其目的在于用最少的能量花費(fèi)完成可靠事件探測(cè)。其中包括擁塞控制部分，可實(shí)現(xiàn)可靠和節(jié)能的雙重目標(biāo)實(shí)現(xiàn)可靠和節(jié)能的雙重目標(biāo)。同時(shí)，ESRT不需要各個(gè)傳感器的標(biāo)識(shí)符，僅需要事件ID。且ESRTES

27、RT算法主要在算法主要在SinkSink節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行，使資源有限的無線傳感節(jié)點(diǎn)需要完成的工作量最小化。注：匯聚節(jié)點(diǎn)感興趣的是事件范圍內(nèi)無線傳感器節(jié)點(diǎn)的集體信息而不是個(gè)別數(shù)據(jù)。應(yīng)用層協(xié)議u傳感器管理協(xié)議傳感器管理協(xié)議系統(tǒng)管理通過采用傳感器管理協(xié)議(SMP，Sensor Management Protocol)與無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互。無線傳感網(wǎng)絡(luò)與其他很多網(wǎng)絡(luò)不同，節(jié)點(diǎn)沒有全局ID，而且一般缺少基礎(chǔ)設(shè)施。因此，SMP需要采用基于屬性的命名基于屬性的命名和基于位置的選址基于位置的選址對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行訪問。SMPSMP是提供軟件操作的管理協(xié)議，這些軟件操作是以下管理任務(wù)是提供軟件操作的管理協(xié)議，這些

28、軟件操作是以下管理任務(wù)所必需的：所必需的： 將與數(shù)據(jù)聚集、基于屬性的命名和聚類相關(guān)的規(guī)則引入無線傳感節(jié)點(diǎn)； 交換與位置搜尋相關(guān)的數(shù)據(jù)； 無線傳感節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘同步； 移動(dòng)無線傳感節(jié)點(diǎn)； 打開和關(guān)閉無線傳感節(jié)點(diǎn)； 查詢無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)置和節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，重新設(shè)置無線傳感網(wǎng)絡(luò)； 認(rèn)證、密碼分配與數(shù)據(jù)通信安全。應(yīng)用層協(xié)議u任務(wù)分派與數(shù)據(jù)廣播協(xié)議任務(wù)分派與數(shù)據(jù)廣播協(xié)議無線傳感網(wǎng)絡(luò)的另一個(gè)重要操作是“興趣興趣”分發(fā)分發(fā)。用戶向無線傳感節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)的子集或整個(gè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送其“興趣”內(nèi)容。此“興趣”內(nèi)容可與觀察對(duì)象的某種屬性相關(guān)，或者與一個(gè)觸發(fā)事件相關(guān)。另一種方式是對(duì)可用數(shù)據(jù)進(jìn)行廣播廣播。無線傳感節(jié)點(diǎn)將可用數(shù)據(jù)廣播給用戶，而

29、用戶查詢其感興趣的數(shù)據(jù)。應(yīng)用層協(xié)議為用戶軟件提供了“興趣”分發(fā)的有效接口的，對(duì)較低層操作(例如路由)十分有用。應(yīng)用層協(xié)議u傳感器查詢與數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議傳感器查詢與數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議 傳感器查詢和數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議(SQDDP，Sensor Query and Data Dissemination Protocol)為用戶應(yīng)用提供了問題查詢、查詢響應(yīng)和搜集答復(fù)的接口。這些查詢一般不向特定節(jié)點(diǎn)發(fā)送，而是采用了基于屬性或位置的命名。 傳感器查詢和任務(wù)語言(SQTL，Sensor Query and Tasking Language)提供了更多服務(wù)種類。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層設(shè)計(jì)u 分層設(shè)計(jì)方法分層設(shè)計(jì)方法現(xiàn)有的因特網(wǎng)或

30、者是傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)(如蜂窩和無線局域網(wǎng)，以及移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò))中，大多數(shù)設(shè)計(jì)者都采用分層設(shè)計(jì)分層設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想 。右圖給出了一個(gè)采用分層設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)協(xié)議棧示意圖，其中每個(gè)相鄰層次之間可以實(shí)現(xiàn)一定的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，從而優(yōu)化原有的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 跨層設(shè)計(jì)方法跨層設(shè)計(jì)方法所謂跨層設(shè)計(jì)的定義跨層設(shè)計(jì)的定義：是針對(duì)特定的分層結(jié)構(gòu)而言的，一切一切不符合參考分層通信結(jié)構(gòu)的協(xié)議設(shè)計(jì)不符合參考分層通信結(jié)構(gòu)的協(xié)議設(shè)計(jì)稱為跨層設(shè)計(jì)跨層設(shè)計(jì)。對(duì)于跨層設(shè)計(jì)的概念，再給出了三種補(bǔ)充解釋。 不符合分層結(jié)構(gòu)不符合分層結(jié)構(gòu)的例子包括創(chuàng)建協(xié)議層間新的接口，重新定義協(xié)議層的邊界，基于另外一個(gè)層設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)來設(shè)計(jì)一個(gè)協(xié)議層，以及聯(lián)合

31、調(diào)節(jié)跨層參數(shù)等。 分層結(jié)構(gòu)的破壞也意味著放棄在不同層獨(dú)立設(shè)計(jì)協(xié)議的奢望。跨層設(shè)計(jì)的協(xié)議提供了其他層處理的一些條件。 跨層設(shè)計(jì)是定義為一種協(xié)議設(shè)計(jì)的方法一種協(xié)議設(shè)計(jì)的方法。然而，采用這種方法設(shè)計(jì)的協(xié)議大家通常稱為跨層設(shè)計(jì)。通常，實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的跨層設(shè)計(jì)的信息交互主要有以下三個(gè)途徑。協(xié)議層之間直接進(jìn)行通信直接進(jìn)行通信；通過共享信息或數(shù)據(jù)庫(kù)共享信息或數(shù)據(jù)庫(kù)來進(jìn)行信息交互；采用全新的數(shù)據(jù)抽象結(jié)構(gòu)全新的數(shù)據(jù)抽象結(jié)構(gòu)，如采用與分層協(xié)議棧結(jié)構(gòu)完全不同的堆結(jié)構(gòu)堆結(jié)構(gòu)來組織協(xié)議?？鐚釉O(shè)計(jì)方法跨層設(shè)計(jì)方法跨層設(shè)計(jì)方法跨層設(shè)計(jì)方法右圖給出了一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的理想跨層設(shè)計(jì)模型理想跨層設(shè)計(jì)模型。各個(gè)協(xié)議

32、層之間相互依賴，彼此協(xié)作，目標(biāo)就是盡系統(tǒng)所能，最大限度地滿足用戶應(yīng)用的需求?？梢钥闯?，跨層設(shè)計(jì)除了包括各個(gè)協(xié)議層間的自適應(yīng)問各個(gè)協(xié)議層間的自適應(yīng)問題題，而且還包括了各個(gè)層之間相互各個(gè)層之間相互協(xié)作和共享信息和資源協(xié)作和共享信息和資源，以便獲取最佳性能準(zhǔn)則，如最小的連接鏈路維護(hù)成本、更低的延遲和最長(zhǎng)的系更低的延遲和最長(zhǎng)的系統(tǒng)壽命統(tǒng)壽命等。在系統(tǒng)約束限制下的跨層交互和協(xié)作在系統(tǒng)約束限制下的跨層交互和協(xié)作跨層設(shè)計(jì)方法跨層設(shè)計(jì)方法B.Raman等人提出了幾種不同的跨層設(shè)計(jì)組合解決方案，并且證實(shí)了對(duì)于特定的應(yīng)用，如藍(lán)牙無線傳感器網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，相比傳統(tǒng)的分層設(shè)計(jì)方法，跨層優(yōu)化確實(shí)帶來了更好的系統(tǒng)

33、性能。它們采用的跨層設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵就是把握了四個(gè)要素四個(gè)要素：采用按需操作采用按需操作；對(duì)高層需對(duì)高層需求的感知求的感知；緩存了業(yè)務(wù)的描述緩存了業(yè)務(wù)的描述以及采用了相同范圍內(nèi)的操作采用了相同范圍內(nèi)的操作。下圖就是跨層設(shè)計(jì)和組合優(yōu)化前后的協(xié)議棧對(duì)比圖。跨層設(shè)計(jì)的必要性跨層設(shè)計(jì)的必要性1 1無線信道的動(dòng)態(tài)性無線信道的動(dòng)態(tài)性2 2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量受限無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量受限3 3傳統(tǒng)通信系統(tǒng)分層參考模型的弊端傳統(tǒng)通信系統(tǒng)分層參考模型的弊端跨層設(shè)計(jì)的必要性跨層設(shè)計(jì)的必要性1 1無線信道的動(dòng)態(tài)性無線信道的動(dòng)態(tài)性指無線信道的物理特性，包括信道傳播的開放性和信道參量的時(shí)變性，使無線信道變成了一種

34、不穩(wěn)定的傳輸介質(zhì)，從而影響了傳輸?shù)目煽啃浴? 2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量受限無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量受限3 3傳統(tǒng)通信系統(tǒng)分層參考模型的弊端傳統(tǒng)通信系統(tǒng)分層參考模型的弊端傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)嚴(yán)格采用OSI參考分層的結(jié)構(gòu)模型，這種模塊化的設(shè)計(jì)方法減少了系統(tǒng)的復(fù)雜度，滿足了一定軟件的封裝隱蔽的要求，但無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸信道不確定，節(jié)點(diǎn)能量的最小化以及節(jié)點(diǎn)移動(dòng)帶來的拓?fù)渥兓纫蛩厥沟梅謱咏Y(jié)構(gòu)模型難以滿足用于應(yīng)用的需求?？鐚釉O(shè)計(jì)的必要性跨層設(shè)計(jì)的必要性 下圖給出了一個(gè)采用分層和跨層設(shè)計(jì)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)對(duì)比。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層設(shè)計(jì)主要技術(shù)根據(jù)優(yōu)化參數(shù)選取的不同和系統(tǒng)優(yōu)化的目標(biāo)和應(yīng)用的不同

35、，常見的跨層設(shè)計(jì)技術(shù)主要理論方法分為以下幾種常見的跨層設(shè)計(jì)技術(shù)主要理論方法分為以下幾種。分析法分析法：通過拉格朗日乘子法拉格朗日乘子法、凸優(yōu)化凸優(yōu)化等把問題近似簡(jiǎn)化，得到快速收斂算法和分析結(jié)果。最優(yōu)控制法最優(yōu)控制法：通過最優(yōu)控制，可以將無線通信系統(tǒng)的跨層優(yōu)化轉(zhuǎn)化為約束優(yōu)化類問題。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層設(shè)計(jì)主要技術(shù)博弈論法博弈論法：在多用戶的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，單個(gè)節(jié)點(diǎn)并不了解其它節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)并不了解其它節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，因而無法協(xié)同共享網(wǎng)絡(luò)資源，只能以分布式方式從自身利益角度出發(fā)來競(jìng)爭(zhēng)網(wǎng)絡(luò)的有競(jìng)爭(zhēng)網(wǎng)絡(luò)的有限資源限資源?？梢酝ㄟ^博弈論中的納氏均衡理論來協(xié)調(diào)各個(gè)博弈論中的納氏均衡理論來協(xié)調(diào)各個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的行為，從而達(dá)到網(wǎng)絡(luò)的最佳性能傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的行為，從而