无线传感器网络的体系结构与设计应用.ppt

无线传感器节点的设计 硬件设计 通信模块：即信号收发模块，将二进制数据转化为无线电波发出，或将接收的电波转为二进制码。 电源装置：有专门电路负责电压转换，为不同模块供电。 移动装置：保证节点自主行动，功耗较大。 定位系统 辅助供电装置 * 无线传感器节点的设计 硬件设计 功耗：各模块工作、休眠、待机状态功耗都应合理分配，尽量降低不必要的消耗。 成本：大量布置必须考虑成本因素 处理性能：性能与功耗达到平衡 集成度：花小钱多办事儿 储存能力：满足运行需求即可 通信能力：根据需求选择 硬件设计的原则 * 无线传感器节点的设计 典型硬件 MicaZ系列节点特点 体积小 低功耗 传输速率有限 误差较小 存储量较小 价格较高 MicaZ节点实物 * 无线传感器节点的设计 典型硬件 Telos节点特点 体积小 低功耗 传输速率有限 集成度高 易于部署 存储量小 Telos节点实物 * 无线传感器节点的设计 操作系统 网络操作系统应包含下列因素 硬件管理：提供数据读取、时钟同步、定位、数据收发等功能 任务管理：提供任务管理机制保证上层应用的正常运行。 轻量级：操作系统在运行时应当尽量减少对资源的需求和占用。 能耗管理：能提供有效的能量管理机制，节省节点能量。 支持应用开发模式：支持便捷的开发过程，使设计过程简单易行，易于实现。 * 无线传感器网络设计的影响因素 硬件限制 受节点的体积、工作方式、工作环境等限制。 可设置节点在平时只进行信息搜集，当需要发送数据时再开启信号收发模块。 功耗因素 受节点的体积、目前硬件发展水平等因素限制。 计算存储能力 针对硬件开发的应用尽量简洁。 需进行针对性优化以提高性能 设计原则 * 无线传感器网络设计的影响因素 网络设计 拓扑结构 路由算法 可扩展性 容错性 上述因素并非孤立存在，而是彼此影响，相互制约。 设计原则 尽量简单 便于网络扩展、升级 维护代价小 * 无线传感器网络设计的影响因素 功耗 感知功耗 数据处理功耗 通信功耗 减少通信量 减少不必要的网络控制通信量 减少不必要的传输量 增加休眠时间 在空闲时让节点休眠 关闭不需要工作的硬件模块 缩短节点间通信距离 节点间通信距离与通信能耗成正相关 采用功率控制机制 保证通信质量等网络性能 降低模块功耗 * 无线传感器网络的跨层设计 分层设计方法 现有的Internet或者传统的无线网络(如蜂窝和无线局域网，传统无线传感器网以及移动自组织网络)中，大多数设计者都采用分层设计指导思想 。右图给出了一个采用分层设计方法实现的无线网络设计协议栈示意图，其中每个相邻层次之间可以实现一定的自适应调节，从而优化原有的网络系统。 * 无线传感器网络的跨层设计 跨层设计的必要性 无线信道的物理特性，包括信道传播的开放性和信道参量的时变性，使无线信道变成了一种不稳定的传输介质，从而影响了传输的可靠性。 无线信道的动态性 网络协议每一层的运行都会消耗能量，节点的能耗管理涉及到各个层次，分层结构只去优化特定的一层是远远不够的。 节点的能耗要求 分层模型将问题分成了一个个小部分，每个部分只根据自身情况优化，只是局部优化，很难达到全局优化。 分层模型的弊端 * 无线传感器网络的跨层设计 * 无线传感器网络的跨层设计 跨层设计定义：相对于特定的分层结构，不符合分层结构的协议设计就是跨层设计。 不符合分层结构的例子包括创建协议层间新的接口，重新定义协议层的边界，基于另外一个层设计的细节来设计一个协议层，以及联合调节跨层参数等。 破坏分层结构意味着不能独立设计各层，并对其他层的处理提出了要求，即各层的具体实现必须考虑其他层。 跨层设计是定义为一种协议设计的方法。采用这种方法设计的协议通常也被称为跨层设计。 * 无线传感器网络的跨层设计 为不相邻的层创建新的接口，协议层之间直接通信。 创建一个超级层，其中包含了分层结构中的多个相邻层。 根据特定层的实现细节来设计某一层，设计上层协议是就可以考虑如何利用低层已经提供的特性。 跨层垂直校准，通常在应用层，对应用相关的参数进行“校准”，即对与这些参数相关的机制进行联合优化，甚至重新设计。 通过共享信息或数据库来进行数据交互。 常见的跨层设计方法 * 无线传感器网络的跨层设计 无线传感器网络的理想跨层设计模型，即各个协议层之间相互依赖，彼此协作，目标就是尽系统所能，最大限度地满足用户应用的需求。可以看出，跨层设计除了包括各个协议层间的自适应问题，而且还包括了各个层之间相互协作和共享信息和资源，以便获取最佳性能准则，如最小的连接链路维护成本、更低的延迟和最长的系统寿命等。 在系统约束限制下的跨层交互和协作 * 无线传感器