《物联网工程导论》项目四 无线传感器网络 教学课件.pptVIP

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03知识链接平面网络结构包括星状网、网状网及混合网。1.星状网拓扑结构基本的星状网拓扑结构是一个单跳(single-hop)系统,网络中所有无线传感器节点都与基站和网关进行双向通信(图3(a))。基站可以是一台PC、PDA、嵌入式网络服务器,或其它与高数据率设备通信的网关,除了向各节点传输数据和命令外,基站还与因特网等更高层系统之间传输数据。各节点将基站作为一个中间点,相互之间并不传输数据或命令。在各种无线传感器网络中,星状网整体功耗最低,但节点与基站间的传输距离有限,一般只有几十米。2.网状拓扑结构网状拓扑结构是多跳(multi-hop)系统,所有节点为对等结构,具有完全一致的功能,而且直接互相通信(图3(b)),事实上就是一种AdHoc网络结构形式。网状网的每个传感器节点都有多条路径到达网关或其它节点,因此它的容故障能力较强,简单易维护。这种多跳系统比星状网的传输距离远得多,但功耗也更大,因为节点必须一直“监听”网络中某些路径上的信息和变化。由于没有中心管理节点,故采用自组织协同算法形成网络,其组网算法比较复杂。3.混合网混合网力求兼具星状网的简洁和低功耗以及网状网的长传输距离和自愈性等优点(图3(c))。在混合网中,路由器和中继器组成网状结构,而传感器节点则在它们周围呈星状分布。中继器扩展了网络传输距离,同时提供了容故障能力。当某个中继器发生故障或某条无线链路出现干扰时,网络可在其它路由器周围进行自组。03知识链接分级网络结构(也称层次网络结构)是平面网络结构的一种扩展拓扑结构,网络分为上层和下层两个部分:上层为中心骨干节点;下层为一般传感器节点。结构扩展性好,便于集中管理,可以降低系统建设成本,提高网络覆盖率和可靠性,但是集中管理开销大,硬件成本高,一般传感器节点之间可能不能够直接通信。03知识链接混合网络结构是无线传感器网络中平面结构和分级结构的一种混合拓扑结构,网络骨干节点之间及一般传感器节点之间都采用平面网络结构,而网络骨干节点和一般传感器节点之间采用分级网络结构。拓扑结构和分级网络结构不同的是一般传感器节点之间可以直接通信,可不需要通过汇聚骨干节点来转发数据。这种结构同分级网络结构相比较,支持的功能更加强大,但所需硬件成本更高。03知识链接网络协议结构是网络的协议分层以及网络协议的集合,是对网络及其部件所应完成功能的定义和描述。开放式系统互联网络参考模型(OSI)共有7个层次,如图4-11所示。从底向上依次是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。除物理层和应用层外,其余每层都和相邻上下两层进行通信。传统的分层体系结构OSI2以及TCP/IP3的好处是模块化,可以把来源于不同层次的协议组合起来构成网络,或者扩展某一层的功能而不影响其他层。03知识链接由于运行环境、组网方式以及应用的特殊性,无线传感器网络的协议结构不同于传统的计算机网络和通信网络。相对已有的有线网络协议栈和自组织网络协议栈,需要更为精巧和灵活的结构,用于支持节点的低功耗,高密度,提高网络的自组织能力、自动配置能力、可扩展能力和传感器数据的实时性保证。图4-12是无线传感器网络的典型协议模型,网络体系结构由分层的网络通信协议、传感器网络管理以及应用支撑技术三部分组成。分层的网络通信协议结构类似于TCP/IP协议体系结构;传感器网络管理技术主要是对传感器节点自身的管理以及用户对传感器网络的管理;在分层协议和网络管理技术的基础上,支持了传感器网络的应用支撑技术。03知识链接无线传感器网络的通信协议层可以划分为物理层、链路层、网络层、传输层和应用层五层。①物理层物理层为系统提供一个简单、稳定的调制、传输和接收系统。无线传感器网络的传输介质可以是无线、红外或者光介质。②数据链路层数据链路层负责数据流的多路复用、数据帧检测、媒体接入和差错控制,尽量减少相邻节点广播时的冲突。数据链路层保证了传感器网络内点到点和点到多点的连接。对数据链路层的研究集中在媒体访问控制子层(MAC)。MAC协议的两个主要的目标是自组网络和共享信道接入。③网络层网络层主要负责数据的路由转发,尽量减少相邻节点之间的冲突,保证通信服务质量。传感器网络节点高密度地分布于待测环境内或周围,在传感器网络节点和接收器节点之间需要特殊的多跳无线路由协议。无线传感网络的通信模型和数据传输需求与传统的有线或无线网络相比有很大不同,具体体现在以数据为中心、面向特定的应用。无线传感器网络的路由算法在设计时需要特别考虑能耗的问题,传感器网络的网络层设计的设计特色体现在以数据为中心。①协议简单、节能;②以数据为中心,具有数据融合能力;③具有可扩展性和健壮性传输层协议。④传输层传输层负责数

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