论文部分内容阅读
摘要:无线传感器网络是一门融合传感技术、计算机技术和无线通信技术的二十一世纪的通信网络,具有巨大的应用价值和重要的研究价值。无线传感器网络由大量集成传感器、数据处理单元和无线通信模块的节点通过自组织方式构成,可以将环境信息通过网络方式及时有效地传输到接收端。由于节点的供电单元能量有限且不易更换,能量消耗成为无线传感器网络的核心问题。可以从两个途径去解决该问题:一是提高电源的能量;二是通过低功耗设计技术提高网络的能量效率。然而,由于电源能量的提高存在瓶颈,提高网络的能量效率才是解决延长网络生存期问题的根本途径。
关键字:嵌入式;低功耗;网络协议;无线传感器网络
中图分类号:TP212文献标识码:A文章编号:1007-9599 (2010) 09-0000-02
Embedded Low-power Wireless Sensor Network
Yang Yuhong
(Heilongjiang Institute of Architectural Technology,Harbin150000,China)
Abstract:Wireless sensor network is an integration of sensor technology,computer technology and wireless communication technology of the twenty-first century communications network has great value and important research value.Wireless sensor network consists a large number of integrated sensors,data processing unit and the wireless communication module node through self-organization structure,environmental information can be timely and effective manner through the network to transmit to the receiver.As the energy of the node power supply unit with limited and difficult to change,the energy consumption of a wireless sensor network,the core of the problem.There are two ways to solve the problem:One is to increase the energy supply;second is through the low-power design techniques to improve the energy efficiency of the network.However,due to increased energy supply bottlenecks,improve the energy efficiency of the network to extend the network lifetime is the solution to the problem.
Keywords:Embedded;Low-power;Network protocol;Wireless sensor networks
一、研究意义
近年来随着通信技术、嵌入式计算技术、微机电系统技术和传感器技术的飞速发展,具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器开始出现,这些微型传感器通过组网构成传感器网络。这种传感器网络能够协同实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息,并对这些信息进行处理,获得详尽而准确的信息,传送给需要这些信息的用户。无线传感器网络在环境与军事监控,地震与气候预测、地下、深水以及外层空间探索等许多方面都具有广阔的应用前景。可以说无线传感器网络是信息感知和采集的一场革命,是21世纪最重要的技术之一。
无线传感器网络是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集中的前沿热点研究领域。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络以及无线通信技术、分布式信息处理技术等多种技术领域,通过各类集成化的微型传感器对目标信息进行实时监测,通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络系统,目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息,并发送给终端用户。人们可以通过传感器网络直接感知客观世界,从而极大地扩展了现有网络的功能和人类认识世界的能力
二、IEEE802.15.4/ZigBee标准概述
为了满足低功耗、低成本的无线网络的要求,任务就是开发一个低数据速率WPAN(LR-WPAN,Low Rate wireless Personal Area Network)标准。无线传感器网络的应用目标多种多样,这要求IEEE 802.15.4标准要非常灵活,应能够支持个人工作空间中无限多种可能的应用需求。
三、协议架构
ZigBee标准定义了一种网络协议,这种协议能够确保无线设备在低成本、低功耗和低数据速率网络中的互操作性。ZigBee协议栈构建在IEEE 802.15.4标准基础之上,IEEE 802.15.4标准定义了物理层(PHY)和媒体访问控制层(MAC),PHY和MAC层定义了射频以及相邻的网络设备之间的通讯标准;ZigBee联盟则定义了ZigBee协议的网络层(NWK)、应用层(APL)和安全服务层的标准。ZigBee协议栈的每层为其上层提供一套服务功能:数据实体提供数据传输服务,管理实体提供其他服务。每个服务实体和上层之间的接口称作“服务访问电(SAP)”,通过SAP交换一组服务原語为上层提供相关的服务功能。
物理层提供两类服务:物理层数据服务和物理层管理服务。PHY层功能包括无线收发信机的开启和关闭、能量检测(ED)、链路质量指示(LQI)、信道评估(CCA)和通过物理媒体收发数据包。
MAC层提供MAC层数据服务和MAC层管理服务,其主要功能包括采用CSMA/CA进行信道访问控制、信标帧发送、同步服务和提供MAC层可靠传输机制。
网络层提供设备加入/退出网络的机制、帧安全机制、路由发现以及维护机制。ZigBee协调器的网络层还负责新网络并为新关联的设备分配地址。
应用层包括应用支持子层(APS)、ZigBe设备对象(ZDO)以及设备商自定义的应用对象。APS子层负责维护绑定列表,根据设备的服务和需求对设备进行匹配,并在绑定的设备之间传递信息。ZDO负责发现网络中的设备并明确其提供的应用服务。
四、MAC层规范
介质访问控制(MAC)层是物理层上面的第一层,因此,MAC协议的性能受到物理层的强烈影响。MAC协议的主要任务是解决无线信道的合理共享,通常要保证某些特定的性能或应用相关的性能得到满足,这包括一些传统的性能准则,例如延迟、吞吐量和公平性等。而对于WSN网络来说,能量消耗问题更为重要。
(一)信道访问机制
1.信道的时段分配。
PAN中的协调器可选用超帧结构来对信道进行划分。超帧通过发送的信标帧来标定,并且一个超帧可分为活动区和非活动区两部分。超帧活动区间由三部分构成:信标、竞争访问机制(CAP)和无竞争周期(CFP)。协调器只在活动区间才和PAN交互信息,而在非活动区间则处于低功耗的睡眠模式。信标帧在时隙0开始时发送,不使用CSMA机制,信标之后就是CAP,如果存在CFP,则CFP紧跟在CAP之后直到活动区间结束。CFP由所分配的GTS构成。除了确认帧和紧跟在数据请求命令确认之后的数据帧外,在CAP内传输所有其他帧都需要采用时隙CSMA-CA机制来访问信道。在CAP内传输数据的设备必须保证其事务(包括接收确认帧)在CAP结束前一个帧间隔(IFS)完成,否则事务就需要推迟到下一个超帧的CAP中处理。MAC命令帧总是在CAP内发送的。
2.CSMA-CA算法。
除了紧随数据请求命令的确认之后能够马上发送的帧,在CAP内发送数据帧和MAC命令帧之前都需要使用CSMA-CA算法来访问信道。信标帧、确认帧和CFP内传输的数据帧不需要使用CSMA-CA算法。
在使用信标的PAN中,MAC层采用时隙型CSMA-CA算法在CAP内传输数据。相反,如果在不使用信标的PAN中,或在使用信标的PAN中无法定位信标,则MAC层采用非时隙CSMA-CA算法。两种形式的CSMA-CA算法的时间计算都以“退避周期”作为时间单位,可以理解位将整个CAP时段离散划分成多个退避周期,然后CSMA-CA里面的所有时间长度都以多少个退避周期来度量。
在时隙CSMA-CA算法中,PAN每个设备退避周期的边界都应该与PAN协调器超帧时隙的边界对齐,即每个设备的第一个退避周期的开始位置总是和信标的开始位置对齐的。使用时隙CSMA-CA算法时,MAC层应保证物理层的所有发送开始于退避周期的边界处;使用非时隙CSMA-CA算法时,PAN中一个设备的退避周期在时间上与任何其他设备的退避周期是不相关的。
为减少冲突以提高整个网络的吞吐量,有两种特殊情况是不采用CSMA-CA算法进行发送的,一是应答帧,另一个是紧接在数据请求帧之后的数据帧。它们可以直接发送。
(二)MAC层帧结构
MAC层帧结构的设计目标是在保持低复杂度的前提下实现在噪声信道上的可靠数据传输。所有的MAC帧由以下三部分组成:
帧头(MHR,MAC header)包括帧控制字段、帧序列号、地址信息域和附加安全头部。
MCPS-SAP支持在两个SSCS实体之间的数据传输。MAC子层的管理服务主要体现在:PAN的建立与维护、关联请求与取消、与协调器的同步、数据的间接传输、GTS的分配与管理、帧安全及安全套件和MAC子层PIB的维护方面。
五、网络层规范
ISO定义的开放式系统互连模型指出网络层:“通过网络连接在两个传输层实体之间提供函数化的和过程化的方法来实现网络服务数据单元的交换,使传输层实体不必考虑路由和交换问题”。网络层控制网络的运作,负责路由数据包,还完成流量控制功能。
(一)网络层帧格式
一个NWK帧(即NPDU)由两个基本部分组成:NWK头和NWK有效负载。NWK头部分包含帧控制、地址和序号信息;NWK有效负载部分包含的信息因帧类型的不同而不同,它是可变长度的。NWK头中的字段按固定的顺序排列,但不是每个NWK帧都包含完整的地址和序号信息字段。
(二)网络层功能实现
ZigBee标准确定了ZigBee网络中的三种设备:ZigBee协调器、ZigBee路由器和ZigBee终端设备。每个网络都必须包括一台ZigBee协调器,负责建立并启动一个网络,其中包括选择合适的射频信道、唯一的网络标识符等一系列操作。ZigBee路由器作为远程设备之间的中继器来进行通信,能够用来拓展网络的范围,负责搜寻网络路径在任意两個设备之间建立端到端的传输。ZigBee终端设备作为网络中的终端节点,负责数据采集。
六、应用层规范简介
ZigBee应用层有三个组成部分:应用支持(APS)子层、ZigBee设备对象(ZDO)和制造商定义的应用对象。APS子层只要负责以下方面:维护绑定表,从而实现两个匹配设备之间的需求和服务,以及在两个绑定的设备之间传输信息。ZDO的主要职能包括定义网络中设备的角色是ZigBee coordinator、ZigBee router还是End device,发现网络中的设备并且判定这些设备提供何种服务,初始化和相应绑定请求,并保证网络设备之间的通信安全。
APS通过ZDO和制造商定义的应用对象所使用的通用服务集在NWK层和APL之间提供了接口,其接口功能是通过ZDO和厂商定义的应用对象都可以使用的一组服务来实现的。该服务由两个实体实现:APS数据实体(APSDE,APS Data Entity)和APS管理实体(APSME,APS Management Entity)。APSDE提供在同一网络中两个和多个设备之间的数据传输服务。
七、小结
在无线传感器网络中,最关键的技术是实现节点间的通信。低成本、低功耗、应用简单的IEEE802.15.4/ZigBee协议的诞生为无线传感器网络及大量基于微控制器的应用提供了互联互通的国际标准,也为这些应用及相关产业的发展提供了一个契机。
参考文献:
[1]史永彬,叶湘滨,刘培亮.无线传感器网络研究现状[J].国外电子测量技术,2005
[2]崔莉,鞠海玲,苗勇.无线传感器网络研究进展[J].计算机研究与发展,2005
[3]陈英,舒坚,陈宇斌.无线传感器网络技术研究[J].传感器与微系统,2007
[4]田亚.基于ZigBee无线传感器网络系统设计与实现[D].上海:同济大学,2007
[5]徐超农,赵磊,徐勇军.无线传感器网络时间同步的改进策略[J].计算机学报
关键字:嵌入式;低功耗;网络协议;无线传感器网络
中图分类号:TP212文献标识码:A文章编号:1007-9599 (2010) 09-0000-02
Embedded Low-power Wireless Sensor Network
Yang Yuhong
(Heilongjiang Institute of Architectural Technology,Harbin150000,China)
Abstract:Wireless sensor network is an integration of sensor technology,computer technology and wireless communication technology of the twenty-first century communications network has great value and important research value.Wireless sensor network consists a large number of integrated sensors,data processing unit and the wireless communication module node through self-organization structure,environmental information can be timely and effective manner through the network to transmit to the receiver.As the energy of the node power supply unit with limited and difficult to change,the energy consumption of a wireless sensor network,the core of the problem.There are two ways to solve the problem:One is to increase the energy supply;second is through the low-power design techniques to improve the energy efficiency of the network.However,due to increased energy supply bottlenecks,improve the energy efficiency of the network to extend the network lifetime is the solution to the problem.
Keywords:Embedded;Low-power;Network protocol;Wireless sensor networks
一、研究意义
近年来随着通信技术、嵌入式计算技术、微机电系统技术和传感器技术的飞速发展,具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器开始出现,这些微型传感器通过组网构成传感器网络。这种传感器网络能够协同实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息,并对这些信息进行处理,获得详尽而准确的信息,传送给需要这些信息的用户。无线传感器网络在环境与军事监控,地震与气候预测、地下、深水以及外层空间探索等许多方面都具有广阔的应用前景。可以说无线传感器网络是信息感知和采集的一场革命,是21世纪最重要的技术之一。
无线传感器网络是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集中的前沿热点研究领域。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络以及无线通信技术、分布式信息处理技术等多种技术领域,通过各类集成化的微型传感器对目标信息进行实时监测,通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络系统,目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息,并发送给终端用户。人们可以通过传感器网络直接感知客观世界,从而极大地扩展了现有网络的功能和人类认识世界的能力
二、IEEE802.15.4/ZigBee标准概述
为了满足低功耗、低成本的无线网络的要求,任务就是开发一个低数据速率WPAN(LR-WPAN,Low Rate wireless Personal Area Network)标准。无线传感器网络的应用目标多种多样,这要求IEEE 802.15.4标准要非常灵活,应能够支持个人工作空间中无限多种可能的应用需求。
三、协议架构
ZigBee标准定义了一种网络协议,这种协议能够确保无线设备在低成本、低功耗和低数据速率网络中的互操作性。ZigBee协议栈构建在IEEE 802.15.4标准基础之上,IEEE 802.15.4标准定义了物理层(PHY)和媒体访问控制层(MAC),PHY和MAC层定义了射频以及相邻的网络设备之间的通讯标准;ZigBee联盟则定义了ZigBee协议的网络层(NWK)、应用层(APL)和安全服务层的标准。ZigBee协议栈的每层为其上层提供一套服务功能:数据实体提供数据传输服务,管理实体提供其他服务。每个服务实体和上层之间的接口称作“服务访问电(SAP)”,通过SAP交换一组服务原語为上层提供相关的服务功能。
物理层提供两类服务:物理层数据服务和物理层管理服务。PHY层功能包括无线收发信机的开启和关闭、能量检测(ED)、链路质量指示(LQI)、信道评估(CCA)和通过物理媒体收发数据包。
MAC层提供MAC层数据服务和MAC层管理服务,其主要功能包括采用CSMA/CA进行信道访问控制、信标帧发送、同步服务和提供MAC层可靠传输机制。
网络层提供设备加入/退出网络的机制、帧安全机制、路由发现以及维护机制。ZigBee协调器的网络层还负责新网络并为新关联的设备分配地址。
应用层包括应用支持子层(APS)、ZigBe设备对象(ZDO)以及设备商自定义的应用对象。APS子层负责维护绑定列表,根据设备的服务和需求对设备进行匹配,并在绑定的设备之间传递信息。ZDO负责发现网络中的设备并明确其提供的应用服务。
四、MAC层规范
介质访问控制(MAC)层是物理层上面的第一层,因此,MAC协议的性能受到物理层的强烈影响。MAC协议的主要任务是解决无线信道的合理共享,通常要保证某些特定的性能或应用相关的性能得到满足,这包括一些传统的性能准则,例如延迟、吞吐量和公平性等。而对于WSN网络来说,能量消耗问题更为重要。
(一)信道访问机制
1.信道的时段分配。
PAN中的协调器可选用超帧结构来对信道进行划分。超帧通过发送的信标帧来标定,并且一个超帧可分为活动区和非活动区两部分。超帧活动区间由三部分构成:信标、竞争访问机制(CAP)和无竞争周期(CFP)。协调器只在活动区间才和PAN交互信息,而在非活动区间则处于低功耗的睡眠模式。信标帧在时隙0开始时发送,不使用CSMA机制,信标之后就是CAP,如果存在CFP,则CFP紧跟在CAP之后直到活动区间结束。CFP由所分配的GTS构成。除了确认帧和紧跟在数据请求命令确认之后的数据帧外,在CAP内传输所有其他帧都需要采用时隙CSMA-CA机制来访问信道。在CAP内传输数据的设备必须保证其事务(包括接收确认帧)在CAP结束前一个帧间隔(IFS)完成,否则事务就需要推迟到下一个超帧的CAP中处理。MAC命令帧总是在CAP内发送的。
2.CSMA-CA算法。
除了紧随数据请求命令的确认之后能够马上发送的帧,在CAP内发送数据帧和MAC命令帧之前都需要使用CSMA-CA算法来访问信道。信标帧、确认帧和CFP内传输的数据帧不需要使用CSMA-CA算法。
在使用信标的PAN中,MAC层采用时隙型CSMA-CA算法在CAP内传输数据。相反,如果在不使用信标的PAN中,或在使用信标的PAN中无法定位信标,则MAC层采用非时隙CSMA-CA算法。两种形式的CSMA-CA算法的时间计算都以“退避周期”作为时间单位,可以理解位将整个CAP时段离散划分成多个退避周期,然后CSMA-CA里面的所有时间长度都以多少个退避周期来度量。
在时隙CSMA-CA算法中,PAN每个设备退避周期的边界都应该与PAN协调器超帧时隙的边界对齐,即每个设备的第一个退避周期的开始位置总是和信标的开始位置对齐的。使用时隙CSMA-CA算法时,MAC层应保证物理层的所有发送开始于退避周期的边界处;使用非时隙CSMA-CA算法时,PAN中一个设备的退避周期在时间上与任何其他设备的退避周期是不相关的。
为减少冲突以提高整个网络的吞吐量,有两种特殊情况是不采用CSMA-CA算法进行发送的,一是应答帧,另一个是紧接在数据请求帧之后的数据帧。它们可以直接发送。
(二)MAC层帧结构
MAC层帧结构的设计目标是在保持低复杂度的前提下实现在噪声信道上的可靠数据传输。所有的MAC帧由以下三部分组成:
帧头(MHR,MAC header)包括帧控制字段、帧序列号、地址信息域和附加安全头部。
MCPS-SAP支持在两个SSCS实体之间的数据传输。MAC子层的管理服务主要体现在:PAN的建立与维护、关联请求与取消、与协调器的同步、数据的间接传输、GTS的分配与管理、帧安全及安全套件和MAC子层PIB的维护方面。
五、网络层规范
ISO定义的开放式系统互连模型指出网络层:“通过网络连接在两个传输层实体之间提供函数化的和过程化的方法来实现网络服务数据单元的交换,使传输层实体不必考虑路由和交换问题”。网络层控制网络的运作,负责路由数据包,还完成流量控制功能。
(一)网络层帧格式
一个NWK帧(即NPDU)由两个基本部分组成:NWK头和NWK有效负载。NWK头部分包含帧控制、地址和序号信息;NWK有效负载部分包含的信息因帧类型的不同而不同,它是可变长度的。NWK头中的字段按固定的顺序排列,但不是每个NWK帧都包含完整的地址和序号信息字段。
(二)网络层功能实现
ZigBee标准确定了ZigBee网络中的三种设备:ZigBee协调器、ZigBee路由器和ZigBee终端设备。每个网络都必须包括一台ZigBee协调器,负责建立并启动一个网络,其中包括选择合适的射频信道、唯一的网络标识符等一系列操作。ZigBee路由器作为远程设备之间的中继器来进行通信,能够用来拓展网络的范围,负责搜寻网络路径在任意两個设备之间建立端到端的传输。ZigBee终端设备作为网络中的终端节点,负责数据采集。
六、应用层规范简介
ZigBee应用层有三个组成部分:应用支持(APS)子层、ZigBee设备对象(ZDO)和制造商定义的应用对象。APS子层只要负责以下方面:维护绑定表,从而实现两个匹配设备之间的需求和服务,以及在两个绑定的设备之间传输信息。ZDO的主要职能包括定义网络中设备的角色是ZigBee coordinator、ZigBee router还是End device,发现网络中的设备并且判定这些设备提供何种服务,初始化和相应绑定请求,并保证网络设备之间的通信安全。
APS通过ZDO和制造商定义的应用对象所使用的通用服务集在NWK层和APL之间提供了接口,其接口功能是通过ZDO和厂商定义的应用对象都可以使用的一组服务来实现的。该服务由两个实体实现:APS数据实体(APSDE,APS Data Entity)和APS管理实体(APSME,APS Management Entity)。APSDE提供在同一网络中两个和多个设备之间的数据传输服务。
七、小结
在无线传感器网络中,最关键的技术是实现节点间的通信。低成本、低功耗、应用简单的IEEE802.15.4/ZigBee协议的诞生为无线传感器网络及大量基于微控制器的应用提供了互联互通的国际标准,也为这些应用及相关产业的发展提供了一个契机。
参考文献:
[1]史永彬,叶湘滨,刘培亮.无线传感器网络研究现状[J].国外电子测量技术,2005
[2]崔莉,鞠海玲,苗勇.无线传感器网络研究进展[J].计算机研究与发展,2005
[3]陈英,舒坚,陈宇斌.无线传感器网络技术研究[J].传感器与微系统,2007
[4]田亚.基于ZigBee无线传感器网络系统设计与实现[D].上海:同济大学,2007
[5]徐超农,赵磊,徐勇军.无线传感器网络时间同步的改进策略[J].计算机学报