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1、第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信共五十六頁3.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議結(jié)構(gòu)(jigu)3.1.1傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議OSI參考模型 開放式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)參考模型( OSI )共有7個層次,如圖3-1所示。從底向上依次是物理層、數(shù)據(jù)(shj)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會話層、表示層和應用層。除物理層和應用層外,其余每層都和相鄰上下兩層進行通信。共五十六頁3.1.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的分層結(jié)構(gòu)(jigu)從無線聯(lián)網(wǎng)的角度來看,傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)點的體系由分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)管理平臺和應用支撐(zh chng)平臺三個部分組成(如圖3-2所示)。共五十六頁1. 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議(xiy)類似于傳統(tǒng)Internet網(wǎng)絡(luò)中的TCP/
2、IP協(xié)議體系,它由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應用層組成(z chn),如圖3-3所示。MAC層和物理層協(xié)議采用的是國際電氣電子工程師協(xié)會(The Institute of Electrical and Electronics Engineers,IEEE)制定的IEEE 802.15.4協(xié)議。共五十六頁IEEE 802.15.4是針對低速無線個域網(wǎng)(Low-Rate Wireless Personal Area Network,LR-WPAN)制定的標準。該標準把低能量消耗、低速率傳輸、低成本作為重點目標,旨在為個人或家庭范圍內(nèi)不同設(shè)備(shbi)之間低速互連提供統(tǒng)一標準。IEEE
3、802.15.4的網(wǎng)絡(luò)特征與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)存在很多相似之處,所以許多研究機構(gòu)把它作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線通信平臺。1. 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議(xiy)共五十六頁2. 網(wǎng)絡(luò)管理平臺(pngti)網(wǎng)絡(luò)管理平臺主要是對傳感器結(jié)點自身的管理和用戶對傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理,包括拓撲控制、服務(wù)質(zhì)量管理、能量管理、安全管理、移動管理、網(wǎng)絡(luò)管理等。(1)拓撲控制。 一些傳感器結(jié)點為了節(jié)約能量會在某些時刻進入休眠狀態(tài),這導致網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)不斷變化,而需要通過拓撲控制技術(shù)管理各結(jié)點狀態(tài)的轉(zhuǎn)換,使網(wǎng)絡(luò)保持暢通,數(shù)據(jù)能夠有效傳輸。拓撲控制利用鏈路層、路由層完成拓撲生成,反過來又為它們提供基礎(chǔ)信息支持,優(yōu)化MAC協(xié)議(xiy)和路由
4、協(xié)議(xiy),降低能耗。共五十六頁(2)服務(wù)質(zhì)量管理。 服務(wù)質(zhì)量管埋在各協(xié)議層設(shè)計隊列管理、優(yōu)先級機制或者(huzh)帶寬預留等機制,并對特定應用的數(shù)據(jù)給予特別處理。它是網(wǎng)絡(luò)與用戶之間以及網(wǎng)絡(luò)上互相通信的用戶之間關(guān)于信息傳輸與共享的質(zhì)量約定。為了滿足用戶的要求,傳感器網(wǎng)絡(luò)必須能夠為用戶提供足夠的資源,以用戶可接受的性能指標工作。(3)能量管理。 在傳感器網(wǎng)絡(luò)中電源能量是各個結(jié)點最寶貴的資源。為了使傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用時間盡可能長,需要合理、有效地控制結(jié)點對能量的使用。每個協(xié)議層次中都要增加能量控制代碼,并提供給操作系統(tǒng)進行能量分配決策。2. 網(wǎng)絡(luò)管理平臺(pngti)共五十六頁(4)安全管理。
5、由于結(jié)點隨機部署、網(wǎng)絡(luò)拓撲的動態(tài)性和無線信道的不穩(wěn)定,傳統(tǒng)的安全機制無法在傳感器網(wǎng)絡(luò)中適用,因而需要設(shè)計新型的傳感器網(wǎng)絡(luò)安全機制,采用諸如擴頻通信、接入認證/鑒權(quán)、數(shù)字水印和數(shù)據(jù)加密等技術(shù)。(5)移動管理。 在某些傳感器網(wǎng)絡(luò)的應用環(huán)境中,結(jié)點可以移動,移動管理用來監(jiān)測和控制結(jié)點的移動,維護(wih)到匯聚結(jié)點的路由,還可以使傳感器結(jié)點跟蹤它的鄰居。2. 網(wǎng)絡(luò)管理平臺(pngti)共五十六頁(6)網(wǎng)絡(luò)管理。 網(wǎng)絡(luò)管理是對傳感器網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備和傳輸系統(tǒng)進行有效監(jiān)視、控制、診斷和測試所采用的技術(shù)和方法。它要求協(xié)議各層嵌入各種信息接口,并定時收集(shuj)協(xié)議運行狀態(tài)和流量信息,協(xié)調(diào)控制網(wǎng)絡(luò)中各個協(xié)議
6、組件的運行。2. 網(wǎng)絡(luò)管理平臺(pngti)共五十六頁3. 應用(yngyng)支撐平臺應用支撐平臺建立在網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)的基礎(chǔ)之上,包括一系列基于監(jiān)測(jin c)任務(wù)的應用層軟件,通過應用服務(wù)接口和網(wǎng)絡(luò)管理接口來為終端用戶提供各種具體應用的支持。共五十六頁3.2物理層3.2.1物理層的概述 1物理層的基本概念 在計算機網(wǎng)絡(luò)中物理層考慮的是怎樣才能在連接各種計算機的傳輸(chun sh)介質(zhì)上傳輸(chun sh)數(shù)據(jù)的比特流。國際標準化組織(International Organization for Standardization,ISO)對開放系統(tǒng)互聯(lián)(Open System
7、 Interconnection,OSI)參考模型中物理層的定義如下:物理層為建立、維護和釋放數(shù)據(jù)鏈路實體之間的二進制比特傳輸?shù)奈锢磉B接,提供機械的、電氣的、功能的和規(guī)程性的特性。從定義可以看出,物理層的特點是負責在物理鏈接上傳輸二進制比特流,并提供為建立、維護和釋放物理鏈接所需要的機械、電氣、功能和規(guī)程的特性。共五十六頁物理層的主要功能如下:(1)為數(shù)據(jù)終端設(shè)備(Data Terminal Equipment,DTE)提供(tgng)傳送數(shù)據(jù)的通路。 (2)傳輸數(shù)據(jù)。 (3)其他管理工作。1物理層的基本概念 共五十六頁通常物理接口標準對物理接口的四個特性進行了描述(mio sh),這四個特性
8、的內(nèi)容是指:(1)機械特性。(2)電氣特性。(3)功能特性。(4)規(guī)程特性。1物理層的基本概念 共五十六頁2. 無線通信物理層的主要(zhyo)技術(shù)無線通信物理層的主要技術(shù)包括介質(zhì)的選擇、頻段的選擇、調(diào)制技術(shù)和擴頻技術(shù)。(1)介質(zhì)和頻段選擇 無線通信的介質(zhì)包括電磁波和聲波。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)波長的不同,電磁波分為無線電波(wxin dinb)、微波、紅外線和光波等,其中無線電波(wxin dinb)在無線網(wǎng)絡(luò)中使用最廣泛。無線電波(wxin dinb)的傳播特性與頻率相關(guān)。共五十六頁 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。通常信號源的編碼信
9、息(即信源)含有直流分量和頻率較低的頻率分量,稱為基帶信號?;鶐盘柾荒茏鳛閭鬏?chun sh)信號,因而要將基帶信號轉(zhuǎn)換為相對基帶頻率而言頻率非常高的帶通信號,以便于進行信道傳輸(chun sh)。通常將帶通信號稱為已調(diào)信號,而基帶信號稱為調(diào)制信號。調(diào)制技術(shù)通過改變高頻載波的幅度、相位或頻率,使其隨著基帶信號幅度的變化而變化。解調(diào)是將基帶信號從載波中提取出來以便預定的接收者(信宿)處理和理解的過程。(2) 調(diào)制(tiozh)技術(shù) 共五十六頁根據(jù)原始信號所控制參量的不同,調(diào)制分為幅度調(diào)制(Amplitude Modulation,AM)、頻率調(diào)制(Frequency Modulation
10、,F(xiàn)M)和相位調(diào)制(Phase Modulation,PM)。當數(shù)字調(diào)制信號為二進制矩形全占空脈沖序列時,由于該序列只存在“有電”和“無電”兩種狀態(tài)(zhungti),因而可以采用電鍵控制,被稱為鍵控信號,所以上述數(shù)字信號的調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相分別又被稱為幅移鍵控(Amplitude Shift Keying,ASK)、頻移鍵控(Frequency Shift Keying,F(xiàn)SK)和相移鍵控(Phase Shift Keying,PSK)。(2) 調(diào)制(tiozh)技術(shù) 共五十六頁擴頻又稱為擴展頻譜,它的定義如下:擴頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式,其信號所占有的頻帶寬度遠大于所傳信息必需的最小帶寬
11、;頻帶的擴展是通過一個獨立的碼序列來完成,用編碼及調(diào)制的方法來實現(xiàn),與所傳信息數(shù)據(jù)無關(guān);在接收端用同樣的碼進行相關(guān)同步(tngb)接收、解擴和恢復所傳信息數(shù)據(jù)。擴頻技術(shù)按照工作方式的不同,可以分為以下四種:直接序列擴頻(Direct Sequence Spread Spectrum,DSSS)、跳頻(Frequency Hopping Spread Spectrum,F(xiàn)HSS)、跳時(Time Hopping Spread Spectrum,THSS)和寬帶線性調(diào)頻擴頻(chirp Spread Spectrum,chirp-SS,簡稱切普擴頻)。(3)擴頻技術(shù)(jsh) 共五十六頁無線傳感器
12、網(wǎng)絡(luò)的低能耗、低成本、微型化等特點,以及具體應用的特殊需求給物理層的設(shè)計(shj)提出了挑戰(zhàn),在設(shè)計(shj)時需要重點考慮以下問題:(1)調(diào)制機制。(2)與上層協(xié)議結(jié)合的跨層優(yōu)化設(shè)計。(3)硬件設(shè)計。3. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wnglu)物理層的特點共五十六頁3.2.2傳感器網(wǎng)絡(luò)(wnglu)物理層的設(shè)計1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、紅外線和光波等。在無線電頻率選擇方面,ISM 頻段是一個很好的選擇。因為ISM頻段在大多數(shù)國家屬于(shy)無需注冊的公用頻段。共五十六頁表3.1列出了ISM 應用中的可用頻段。其中一些頻率已經(jīng)用于無繩電話系統(tǒng)(xtng)和無線局域網(wǎng)。對
13、于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說,無線電接收機需要滿足體積小、成本低和功率小的要求。1傳輸(chun sh)介質(zhì)共五十六頁無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(ji din)之間通信的另一種手段是紅外技術(shù)。紅外通信的優(yōu)點是無須注冊,并且抗干擾能力強?;诩t外線的接收機成本更低,也很容易設(shè)計。目前很多便攜式電腦、PDA和移動電話都提供紅外數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉藴式涌?。紅外通信的主要缺點是穿透能力差,要求發(fā)送者和接收者之間存在視距關(guān)系。這導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合得到應用。1傳輸(chun sh)介質(zhì)共五十六頁 2物理層幀結(jié)構(gòu)(jigu) 表3-2描述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)點普遍使用的一種物理層幀結(jié)
14、構(gòu)。由于(yuy)目前還沒有形成標準化的物理層結(jié)構(gòu),所以在實際設(shè)計時都是在該物理層幀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進行改進。共五十六頁物理幀的第一個字段是前導碼,字節(jié)數(shù)一般取4,用于收發(fā)器進行碼片或者符號的同步。第二個字段是幀頭,長度通常為一個字節(jié),表示同步結(jié)束,數(shù)據(jù)包開始傳輸。幀頭與前導碼構(gòu)成(guchng)了同步頭。幀長度字段通常由一個字節(jié)的低7位表示,其值就是后續(xù)的物理層PHY負載的長度,因此它的后續(xù)PHY負載的長度不會超過127個字節(jié)。 物理幀PHY的負載長度可變,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。 2物理層
15、幀結(jié)構(gòu)(jigu) 共五十六頁3物理層設(shè)計(shj)技術(shù)物理層主要負責數(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)點的體積、成本和能耗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。物理層的設(shè)計(shj)目標是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)運行的平穩(wěn)性能,該層一般需要與MAC層進行密切交互。共五十六頁 物理層需要考慮編碼調(diào)制技術(shù)(jsh)、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、相移鍵控和各種擴頻技術(shù)。(2)提高數(shù)據(jù)傳輸速率可以減少數(shù)據(jù)收發(fā)的時間,對于節(jié)能具有意義,但需要同時考慮提高
16、網(wǎng)絡(luò)速度對誤碼的影響。一般用單個比特的收發(fā)能耗來定義數(shù)據(jù)傳輸對能量的效率,單比特能耗越小越好。3物理層設(shè)計(shj)技術(shù)共五十六頁3.3數(shù)據(jù)(shj)鏈路層協(xié)議無線傳感網(wǎng)絡(luò)除了需要傳輸層機制實現(xiàn)高等級誤差和擁塞控制外,還需要數(shù)據(jù)鏈路層功能??傮w而言,數(shù)據(jù)鏈路層主要負責多路數(shù)據(jù)流、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)探測、媒體訪問和誤差控制,從而確保通信網(wǎng)絡(luò)中可靠的Point-to-Point與Point-to-Multipoint連接。然而,無線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)作與面向應用的性質(zhì),以及無線傳感節(jié)點的物理約束(例如能量和處理能力約束)決定了完成(wn chng)這些功能的方式。共五十六頁多跳自組織無線傳感網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議需要實現(xiàn)
17、兩個目標:(1)對于(duy)感知區(qū)域內(nèi)密集布置節(jié)點的多跳無線通信,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)點公平有效地共享通信資源,需要對共享媒體的訪問進行管理。1媒體訪問控制 共五十六頁無線傳感網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議必須具有固定能量保護、移動性管理和失效恢復策略。 考慮現(xiàn)有的MAC解決方案,主要包含以下幾種訪問方式:(1)基于(jy)TDMA的媒體訪問 (2)基于混合TDMA/FDMA的媒體訪問 (3)基于CSMA媒體訪問 1媒體訪問控制 共五十六頁一般而基于ARQ的誤差(wch)控制主要采用重新傳送恢復丟失的數(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
18、誤差控制方案,但由于無線傳感節(jié)點能量與處理資源的不足,無線傳感網(wǎng)絡(luò)應用中ARQ的有效性受到了限制。另外,F(xiàn)EC方案具有固有的解碼復雜性,需要無線傳感節(jié)點消耗大量處理資源。因此,具有低復雜度編碼與解碼方式的簡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。2誤差(wch)控制共五十六頁3.4網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議(xiy)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層通常根據(jù)下列原則進行設(shè)計(shj): (1) 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; (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方式; (4) 數(shù)據(jù)聚集僅在不妨礙無線傳感節(jié)點的協(xié)作效應時是有效的; (5) 路由協(xié)議易
19、于與其它網(wǎng)絡(luò)(例如Internel)相結(jié)合。共五十六頁網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計原則之一是易于與其他網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合,如圖3-5所示,Sink節(jié)點(ji din)作為其他網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān),是通信中樞。用戶可根據(jù)查詢目的或應用類型通過Internet或衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)查詢無線傳感網(wǎng)絡(luò)。3.4網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議(xiy)共五十六頁網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展水平見表3-3,表中列舉的方案采用了上述的一些設(shè)計原則。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(ji din)連通性的條件下使能耗最小化。另外,定向擴散協(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行數(shù)據(jù)的查詢和收集。3.4網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議(xiy)共五十六頁3.5
20、傳輸層協(xié)議(xiy)一般而言,傳輸層的主要目標是:采用多路技術(shù)和分離技術(shù)作為應用層和網(wǎng)絡(luò)層的橋梁;根據(jù)應用層的特定可靠度需求在源節(jié)點和匯節(jié)點間提供帶有誤差控制機制的數(shù)據(jù)傳遞服務(wù);通過流動和擁塞(yngs)機制調(diào)節(jié)注入網(wǎng)絡(luò)的信息量。共五十六頁3.5.1 Event-to-Sink傳輸(chun sh)無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸層的Event-to-Sink可靠(kko)度是必要的,包括了事件特征到Sink節(jié)點的可靠通信,而不是針對區(qū)域內(nèi)各節(jié)點生成的單個傳感報告/數(shù)據(jù)包進行基于數(shù)據(jù)包的可靠傳遞。圖3-6說明了以收集事件到Sink節(jié)點數(shù)據(jù)流的識別符為基礎(chǔ)的Event-to-Sink可靠傳輸概念。共五十六頁與常
21、規(guī)End-to-End可靠度傳輸層協(xié)議不同,事件到中心節(jié)點可靠傳輸(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的可靠事件探測。ESRT是一種新的數(shù)據(jù)解決方案,其目的是在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中用最少的能量花費完成可靠事件探測。其中包括擁塞控制部分,可實現(xiàn)可靠和節(jié)能的雙重目標。同時,ESRT不需要各個傳感器的標識符,僅需要事件ID。十分重要的一點是,ESRT算法主要在Sink節(jié)點上運行(ynxng),使資源有限的無線傳感節(jié)點需要完成的工作量最小化。3.5.1 Event-to-Sink傳輸(chun
22、 sh)共五十六頁3.6應用層協(xié)議(xiy)3.6.1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)點沒有全局(qunj)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和基于位置的選址對節(jié)點進行訪問。共五十六頁SMP是提供軟件操作的管理協(xié)議,這些(zhxi)軟件操作是以下管理任務(wù)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;交換與位置搜尋相關(guān)的數(shù)據(jù);無線傳感節(jié)點的時鐘同步;移動無線傳感節(jié)點;打開和關(guān)閉無線傳感節(jié)點;查詢無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)置
23、和節(jié)點狀態(tài),重新設(shè)置無線傳感網(wǎng)絡(luò);認證、密碼分配與數(shù)據(jù)通信安全。3.6.1傳感器管理(gunl)協(xié)議共五十六頁3.6.2任務(wù)分派(fnpi)與數(shù)據(jù)廣播協(xié)議無線傳感網(wǎng)絡(luò)的另一個重要操作是“興趣”分發(fā)。用戶向無線傳感節(jié)點、節(jié)點的子集或整個網(wǎng)絡(luò)發(fā)送其“興趣”內(nèi)容。此“興趣”內(nèi)容可與觀察對象的某種屬性相關(guān),或者與一個觸發(fā)(chf)事件相關(guān)。另一種方式是對可用數(shù)據(jù)進行廣播。無線傳感節(jié)點將可用數(shù)據(jù)廣播給用戶,而用戶查詢其感興趣的數(shù)據(jù)。應用層協(xié)議為用戶軟件提供了“興趣”分發(fā)的有效接口的,對較低層操作(例如路由)十分有用。共五十六頁3.6.3傳感器查詢與數(shù)據(jù)分發(fā)(fnf)協(xié)議傳感器查詢和數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議(SQDD
24、P,Sensor Query and Data Dissemination Protocol)為用戶應用提供了問題查詢、查詢響應和搜集答復(d f)的接口。這些查詢一般不向特定節(jié)點發(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。 共五十六頁SQTL支持3種事件,這些事件用關(guān)鍵詞receive、every和expire定義。關(guān)鍵詞receive規(guī)定了收到一個消息時由無線傳感節(jié)點生成的事件;關(guān)鍵詞every規(guī)定了采用計時器定時而周期性產(chǎn)生的事件;關(guān)鍵詞expire規(guī)定了計時器超時引發(fā)的事
25、件。若無線傳感節(jié)點收到預期(yq)消息,而且消息包含一個腳本,則運行此腳本。雖然已經(jīng)定義了SQTL,但可為各種應用開發(fā)不同類別的SQDDP。每種應用中,SQDDP都有特定的執(zhí)行方式。3.6.3傳感器查詢(chxn)與數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議共五十六頁3.7無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wnglu)跨層設(shè)計3.7.1.分層設(shè)計方法有線因特網(wǎng)或者是傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)(如蜂窩和無線局域網(wǎng),以及移動自組織網(wǎng)絡(luò))中,大多數(shù)設(shè)計者都采用分層設(shè)計指導思想 。圖3-7給出了一個采用分層設(shè)計方法實現(xiàn)的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計協(xié)議棧示意圖,其中(qzhng)每個相鄰層次之間可以實現(xiàn)一定的自適應調(diào)節(jié),從而優(yōu)化原有的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 共五十六頁所謂跨層設(shè)計的定義,
26、是針對特定的分層結(jié)構(gòu)而言的,一切不符合參考分層通信結(jié)構(gòu)的協(xié)議設(shè)計稱為跨層設(shè)計。對于跨層設(shè)計的概念,再給出了三種補充解釋。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(y )層設(shè)計的細節(jié)來設(shè)計一個(y )協(xié)議層,以及聯(lián)合調(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立設(shè)計協(xié)議的奢望??鐚釉O(shè)計的協(xié)議提供了其他層處理的一些條件??鐚釉O(shè)計是定義為一種協(xié)議設(shè)計的方法。然而,采用這種方法設(shè)計的協(xié)議大家通常稱為跨層設(shè)計。3.7.2跨層設(shè)計(shj)方法共五十六頁通常,實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的跨層設(shè)計的信息交互主要有以下三個途徑。協(xié)議(xiy)層之間直接進行通信;通過共享信息或
27、數(shù)據(jù)庫來進行信息交互;采用全新的數(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)來組織協(xié)議。3.7.2跨層設(shè)計(shj)方法共五十六頁圖3-8給出了一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的理想跨層設(shè)計模型。各個協(xié)議層之間相互依賴,彼此協(xié)作,目標就是盡系統(tǒng)所能,最大限度地滿足用戶應用的需求??梢钥闯觯鐚釉O(shè)計除了包括各個協(xié)議層間的自適應問題,而且還包括了各個層之間相互協(xié)作和共享信息和資源,以便獲取最佳性能準則,如最小的連接鏈路維護(wih)成本、更低的延遲和最長的系統(tǒng)壽命等。3.7.2跨層設(shè)計(shj)方法共五十六頁B.Raman等人提出了幾種不同的跨層設(shè)計組合解決方案,并且(bngqi)證實了對于特定的應用,
28、如藍牙無線傳感器網(wǎng)絡(luò),相比傳統(tǒng)的分層設(shè)計方法,跨層優(yōu)化確實帶來了更好的系統(tǒng)性能。它們采用的跨層設(shè)計成功的關(guān)鍵就是把握了四個要素:采用按需操作;對高層需求的感知;緩存了業(yè)務(wù)的描述以及采用了相同范圍內(nèi)的操作。圖3-9就是跨層設(shè)計和組合優(yōu)化前后的協(xié)議棧對比圖。3.7.2跨層設(shè)計(shj)方法共五十六頁3.7.3跨層設(shè)計(shj)的必要性1無線信道的動態(tài)性2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的能量(nngling)受限3傳統(tǒng)通信系統(tǒng)分層參考模型的弊端共五十六頁圖3-10給出了一個(y )采用分層和跨層設(shè)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)對比。3.7.3跨層設(shè)計(shj)的必要性共五十六頁3.7.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層設(shè)計(
29、shj)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)化的目標和應用的不同,常見的跨層設(shè)計技術(shù)主要理論方法分為以下幾種。分析法:通過拉格朗日乘子法、凸優(yōu)化等把問題近似簡化,得到快速收斂算法和分析結(jié)果。最優(yōu)控制法:通過最優(yōu)控制,可以(ky)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。共五十六頁博弈論法:在多用戶的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,單個節(jié)點并不了解其它節(jié)點的狀態(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(zshn)利益角度出發(fā)來競爭網(wǎng)絡(luò)的有限資源??梢酝ㄟ^博弈論中的納氏均衡理論來協(xié)調(diào)各個傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的行為,從而達到網(wǎng)絡(luò)的最佳性能。動態(tài)規(guī)劃法:由于無線通信環(huán)境的動態(tài)時變性,可通過動態(tài)規(guī)劃法實時選擇最優(yōu)策略,如無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)路由的跨層設(shè)計。3.7.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wnglu)跨層設(shè)計主要技術(shù)共五十六頁基于最優(yōu)代理的跨層設(shè)計和優(yōu)化技術(shù)的核心思想就是利用最優(yōu)代理提供不同協(xié)議層間的信息交換和控制,從而改善無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能。Weilian Su和Tat L.Lim定義了跨層設(shè)計的概念為不同協(xié)議層之間的信息共享,從而達到自適應和層間交互的目的。而自適應是指網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和應用對信道變化狀況的觀察和響應能力?;谶@種概念,它們提出了一種跨層設(shè)計和優(yōu)化的協(xié)議體系架構(gòu),如圖3-11所示,并利用最優(yōu)代理技術(shù)極大地改善了網(wǎng)絡(luò)的
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