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1、无线传感网课程教学大纲课程编号：课程名称：无线传感网英文名称：Wireless Sensor Network课程类型：专业课总 学 时：48 讲课学时：32 实验学时：16学分：3适用对象：信息工程、通信工程或相关专业的本科生先修课程：高级语言程序设计、微机原理及接口技术、计算机通信网。一、课程性质、目的和任务本课程是通信工程、信息工程或相关专业的专业课程。无线传感器网络是集传感器技术、微电机技术、现代网络和无线通信技术于一体的综合信息处理平台，具有广泛的应用前景，是计算机信息领域最活跃的研究热点之一。通过本课程的学习，要求学生掌握无线传感器网络的体系结构和网络管理技术，着重掌握无线传感器网络
2、的通信协议，了解无线传感器网络的节点定位、目标跟踪和时间同步等几大支撑技术，为在基于无线传感器网络的系统开发和应用中，深入利用关键技术，设计优质的应用系统打下基础。二、教学基本要求本课程要求学习了解无线传感器网络的体系结构和网络管理技术，掌握无线传感器网络中的物理层协议、MAC协议、路由协议、拓扑控制协议以及无线网络协议IEEE802.15.4等通信协议，了解无线传感器网络的节点定位、目标跟踪和时间同步等几大支撑技术，掌握基于无线传感器网络的智能应用的基本设计方法，掌握其软硬件开发平台和仿真环境的使用。希望通过本课程的学习，加深对无线传感器网络的理解，为进一步研究和从事无线传感器网络应用开发和
3、工程实践提供良好的基础和参考。三、教学内容及要求第一部分 课程概述1 无线传感器网络(WSN)概述，主要内容：环境智能的远景，WSN应用实例，WSN应用类型，无线传感器网络的挑战，传感器网络的特点，无线传感器网络的关键技术。目的与要求：了解环境智能的远景和WSN应用实例及WSN应用类型，了解无线传感器网络的挑战，掌握传感器网络的特点，了解无线传感器网络的关键技术。第二部分 体系结构WSN的体系结构，主要内容：2 WSN节点 (无线传感网节点，WSNode)架构，含WSNode的硬件组件、WSNode的能量消耗、WSNode的操作系统和执行环境、WSNode的一些实例；3 WSN网络架构，含传感
4、器网络方案、网络架构优化的目标和关键参数、WSN的设计原则、WSN的服务接口和WSN中的网关的概念。目的与要求：掌握WSNode架构，包括WSNode的硬件组件、WSNode的能量消耗、WSNode的操作系统和执行环境，了解WSNode的一些实例；掌握WSN网络架构，包括传感器网络方案、网络架构优化的目标和关键参数、WSN的设计原则，了解WSN的服务接口和WSN中的网关的概念。第三部分 物理层和链路层协议4 物理层，主要内容：物理层协议简介，无线信道和通信基础知识，WSN中物理层和收发器的设计考虑。目的与要求：掌握物理层协议的基本概念，掌握无线信道和通信的基础知识，了解WSN中物理层和收发器的
5、设计考虑。5 MAC协议，主要内容：无线MAC协议基础知识，低占空比协议和唤醒概念，基于竞争的协议，基于时刻表的协议，IEEE 802.15.4 MAC协议。目的与要求：掌握无线MAC协议基础知识，掌握低占空比协议和唤醒概念，掌握基于竞争的CSMA协议，掌握基于时刻表的协议的基本概念，了解LEACH 、SMACS 和TRAMA 协议，掌握IEEE 802.15.4 MAC协议。6 链路层协议，主要内容：链路层的基础知识，误码控制，封装。链路管理。目的与要求：掌握链路层的基础知识，包括任务和需求；掌握误码控制中的主要技术，如ARQ技术，FEC技术，混合技术和能量控制等；掌握链路层的封装中的自适应
6、方案、中级校验方案等；掌握链路管理中的链路质量特点和质量估计。第三部分 寻址、同步和定位协议7 命名和寻址，主要内容：命名和寻址的基本概念，WSN中的地址和名称管理，MAC地址的分配，局部唯一地址的分布式分配，基于内容的和基于地理的寻址。目的与要求：掌握命名和寻址的基本概念，一般性了解WSN中的地址和名称管理，MAC地址的分配，局部唯一地址的分布式分配，基于内容的和基于地理的寻址。8 时间同步，主要内容：时间同步的基本概念，基于收发同步的协议，基于收收同步的协议。目的与要求：了解时间同步的基本概念，基于收发同步的协议，基于收收同步的协议。9 定位和定点，主要内容：定位和定点的概念，可能的途径，
7、最小二乘法的数学知识单跳和多跳环境下的定位。目的与要求：掌握定位和定点的概念，了解定位的可能途径，以及最小二乘法的数学知识单跳和多跳环境下的定位。第四部分 网络层和路由协议10 WSN的拓扑控制，主要内容：概念，实现方式，请求分页方式，内存分配策略。页面置换算法：最佳置换算法，先进先出置换算法，最近最久未使用置换算法，其他算法。目的与要求：掌握操作系统中虚拟存储的实现，以及所涉及的主要算法。11 WSN的路由协议，主要内容：Flooding协议和Gossiping协议；基于代理的单播转发：SPIN协议，Directed Diffusion协议和Rumor协议；节能型单播：能量感知路由协议，LE
8、ACH协议和PEGASIS协议；广播和多播协议：基于源的树协议，共享的基于核的树协议；基于网格的协议；地理路由协议：GPSR协议和TBF协议；路由协议中的移动节点。目的与要求：掌握Flooding协议，Gossiping协议，基于代理的单播转发；节能型单播。理解广播和多播协议：基于源的树协议，共享的基于核的树协议，基于网格的协议；地理路由协议；掌握路由协议中的移动节点的基本概念。第五部分 WSN的构建和应用实现12 以数据为中心的和基于内容的WSN互联，主要内容：基本概念，数据为中心的路由，数据汇聚，以数据为中心的存储。目的与要求：了解以数据为中心的和基于内容的WSN互联的基本概念，数据为中心
9、的路由，数据汇聚，以数据为中心的存储。13 WSN传输层和QoS，主要内容：基本概念，覆盖和部署，可靠的数据传输，单个数据包的分发，基于块的分发，拥塞控制和码率控制。目的与要求：了解WSN传输层和QoS基本概念，以及WSN的覆盖和部署，了解WSN中可靠的数据传输，掌握单个数据包的分发中的单径、多径和多收三种方式，掌握基于块的分发中的RSPQ和RMST，掌握WSN中拥塞控制的机制和码率控制的协议以及CODA拥塞控制框架。14 高级的应用支持，主要内容：高级的内网处理，WSN中的安全问题，针对特定应用的支持。目的与要求：了解高级的内网处理，WSN中的安全问题，针对特定应用的支持。15 ZigBee
10、技术，主要内容：技术概述，技术特点，ZigBee协议栈，ZigBee协议的网络拓扑结构。目的与要求：掌握技术ZigBee的基本概念和技术特点，掌握ZigBee协议栈，掌握ZigBee协议的网络拓扑结构。16 WSN仿真平台和开发平台，主要内容：WSN仿真平台NS，JavaSim，OPNET，MATLAB等；WSN开发平台nesC语言和TinyOS操作系统。目的与要求：了解WSN仿真平台NS，JavaSim，OPNET，MATLAB等的使用；了解WSN开发平台nesC语言和TinyOS操作系统的使用。四、所含实践环节本课程含16学时课程实验。具体参见相应的实验教学大纲。五、课外习题及课程讨论为达
11、到本课程的教学基本要求，应有适量的习题（包括课内讨论）。六、教学方法与手段本课程采用传统授课方式为主。七、各教学环节学时分配章节（或内容）讲课习题课讨论课实验合计WSN概述22WSN节点架构22WSN网络架构22WSN物理层246WSN的MAC协议22WSN链路层协议246命名与寻址22时间同步22定位与定点22WSN拓扑控制22WSN路由协议246数据为中心和基于内容的互联22WSN传输层和QoS22高级应用支持22ZigBee协议242WSN仿真平台和开发平台22合计321648学时分配仅供参考，具体教学时可稍作调整，其中7、8、9、12、14、16作为选修内容。八、课程成绩评定办法 可采
12、用闭卷笔试、开卷笔试和论文方式。课程总评成绩由平时成绩（占50%）和期末考试成绩（占50%）两部分构成，其中平时成绩中实验成绩占60%。九、推荐教材和教学参考书教 材：自编讲义，来源于Protocol and Architecture of Wireless Sensor Network，Holger Karl, AndreasWillig编著，John Wiley & Sons，Ltd. 2005.参考书：无线传感器网络原理与应用，李善仓等主编，机械工业出版社，2008.十、说明 大纲制订人：焦良葆大纲审定人：李小平制订日期：2009年 5 月无线传感网实验教学大纲一、实验教学目标与基本要求
13、无线传感网是一门实践性很强的技术课程，开设本实验课程的目的在于培养学生的实践能力，促进理论与实践的结合。本实验课程通过相应的实验箱平台，依据相应的演示实验了解WSN中的一些基本概念，并通过相应的编程接口在设计实验中，学会设计简单的WSN系统应用，加强学生对无线传感器网络的理解，与此同时使学生在WSN网络搭建和应用设计方面也能够得到基本的训练。二、本实验课程的基本理论与实验技术知识本实验课程采用Linux或者WinCE作为操作界面，Linux是各种类型计算机上的主流操作系统之一，而且是开放源代码的自由软件，学生可以很方便地得到Linux操作系统全部源代码，学生可以在互联网上得到更多的支持和帮助。
14、学校实验室一般配置Linux操作系统。WinCE为实验箱所带操作系统，使用类似于Windows操作系统。三、实验方法、特点与基本要求1、演示性实验基于相应的WSN实验箱平台所提供的演示实验，根据实验手册的指示，进行操作，完成WSN基础知识的复习和感性认识。2、设计性实验基于相应的WSN实验箱平台所提供的操作系统和编程平台，根据实验手册的指示，进行编程，完成WSN基础知识的复习和进一步认识。四、实验主要仪器设备一般需要WSN实验箱和WSN开发平台，配置Linux操作系统或WinCE系统。五、实验项目的设置与内容提要序号实验项目内 容 提 要实验学时实验类型每组人数实验要求1WSN物理层实验了解物
15、理信号的采集、转换过程，了解WSN物理层传输的基本原理和基本过程。4验证2必做2WSN网络搭建实验掌握WSN节点架构和网络架构，了解WSN网络拓扑控制和路由协议。4设计2必做3节点间通信实验掌握实现WSN节点间通信的基本原理和过程，掌握点到点通信和点到多点通信。4设计2必做4ZigBee协议实验掌握ZigBee协议的基本概念和网络架构，掌握ZigBee协议的协议栈。4设计2必做六、实验报告要求每次实验提交实验报告。实验报告由实验目的、实验步骤、实验总结等项记录构成。七、考核方式与成绩评定标准实验成绩：预习10%、操作40%、报告40%、工作笔记10%八、教材及主要参考资料教材：实验箱平台和开发平台所带指导手册。参考书：自编讲义，来源于Protocol and Architecture of Wireless Sensor Network，Holger Karl, AndreasWillig编著，John Wiley & Sons，Ltd. 2005.无线传感器网络原理与应用，李善仓等主编，机械工业出版社，2008.九、其他说明大纲制订人：焦良葆大纲审定人：李小平 制订日期： 2009年 5月