WSN参考资料 1.docx
《WSN参考资料 1.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《WSN参考资料 1.docx（12页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
WSN参考资料1
一，绪论
无线传感器网络：
就是由部署在监测区域内，由大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统。
其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。
传感器、感知对象和观察者构成了传感器网络的三个要素
传感器节点：
包括普通节点，汇聚节点，路由节点。
传感器节点一般由传感模块、处理模块、无线通信模块和能量供应模块组成。
感知模块由传感器、A/D转换器组成，负责感知监控对象的信息；
⏹能源供给单元负责供给节点工作所消耗的能量，一般为小体积的电池；
⏹无线通信模块完成节点间的交互通信工作，一般为无线电收发装置；
⏹数据处理模块包括存储器和微处理器等部分，负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其它节点发来的数据
无线传感器网络的特点：
⏹大规模网络：
⏹自组织网络
⏹动态性网络
⏹可靠性网络
⏹应用性相关的网络
⏹以数据为中心的网络
传感器网络与移动自组网（Ad-hoc）的不同
⏹节点规模：
⏹移动自组网：
节点数量通常在几十或上百
⏹传感器网络：
节点数目往往高出好几个数量级
⏹节点密度：
⏹移动自组网：
小
⏹传感器网络：
大（冗余部署的结果）
⏹拓扑变化的原因：
⏹移动自组网：
节点运动
⏹传感器网络：
节点休眠调度、环境干扰或节点故障引起
⏹节点处理能力：
⏹移动自组网：
较强
⏹传感器网络：
十分有限
WSN的关键技术：
⏹网络拓扑控制
⏹网络协议
⏹网络安全
⏹时间同步
⏹定位技术
⏹数据融合
⏹数据管理
⏹无线通信技术
⏹嵌入式操作系统
⏹应用层技术
WSN面临的挑战：
⏹低能耗：
电池供电，不能及时补充能量，如何最大化工作周期？
⏹实时性：
及时反映监控区域事件的变化，如交通事故报告。
⏹低成本：
节点数量大，无法回收，易于隐藏等要求节点体积小，低成本。
⏹安全和抗干扰：
要求节点具有很好的抗干扰性能在各种复杂环境工作，节点数据不易被截获
⏹协作：
要求节点协作通信工作完成一项任务，网络协作和数据协作都是关键技术
二，ZigBee
IEEE802.15.4标准，针对低速无线个人区域网络（low-ratewirelesspersonalareanetwork，LR-WPAN）制定标准。
该标准把低能量消耗、低速率传输、低成本作为重点目标，旨在为个人或者家庭范围内不同设备之间低速互连提供统一标准。
LR-WPAN网络具有如下特点：
⏹
（1）在不同的载波频率下实现了20kbps、40kbps和250kbps三种不同的传输速率；
⏹
（2）支持星型和点对点两种网络拓扑结构；
⏹（3）有16位和64位两种地址格式，其中64位地址是全球惟一的扩展地址；
⏹（4）支持冲突避免的载波多路侦听技术（carriersensemultipleaccesswithcollisionavoidance，CSMA-CA）；
⏹（5）支持确认（ACK）机制，保证传输可靠性。
ZigBee标准以IEEE802.15.4标准定义的物理层及MAC层为基础，并对其进行扩展，对网络层协议和API进行了标准化，定义了一个灵活、安全的网络层，多种拓扑结构，在动态的射频环境中提供高可靠性的无线传输。
ZigBee设备包括全功能设备和精简功能设备。
⏹FFD设备之间以及FFD设备与RFD设备之间都可以通信。
⏹RFD设备之间不能直接通信，只能与FFD设备通信，或者通过一个FFD设备向外转发数据。
⏹与RFD相关联的FFD设备称为该RFD的协调器（coordinator）
物理层的载波调制：
PHY层定义了三个载波频段用于手法数据，三个频段总共提供27个信道：
868MHz频段1个信道，915MHz频段10个信道，2450MHz频段16个信道
MAC子层提供两种服务：
MAC层数据服务和MAC层管理服务。
前者保证MAC协议数据服务中的正确收发，后者维护一个存储MAC子层协议状态相关信息的数据库。
在MAC子层中设备地址有两种格式：
16位（两个字节）的短地址和64位（8个字节）的扩展地址
16位短地址是设备与PAN网络协调器关联时，由协调器分配的唯一的网内局部地址，使用时需结合16位的PAN网络标识符才有意义。
64位扩展地址是全球唯一地址，在设备进入网络之前就分配好了。
MAC帧类型
⏹IEEE802.15.4中规定的MAC帧包括四种类型:
信标帧、数据帧、确认帧、命令帧。
⏹信标帧用于节点请求加入网络时，网络协调器对本PAN的信息发布，供节点选择是否加入本网络。
此外，信标帧在需要进行同步的PAN中又具有传送时隙分配信息及同步信息的功能。
⏹数据帧用于向对等的MAC层实体传送上层递交来的数据信息；
⏹确认帧仅当上次接收到的数据帧或命令帧需要进行接收确认时才发送；
⏹命令帧用于发送MAC层相关命令，包括关联请求、数据发送请求、协调者重分配请求、信标等。
WSN通信协议
三．物理层协议
物理层主要负责数据的调制、发送与接收，是决定WSN节点体积、成本以及能耗的关键环节
传感器节点消耗能量的模块包括传感器模块、处理器模块和无线通信模块。
（大部分能量消耗在无线通信模块）
⏹频率分配：
由于在6GHz以下频段的波形可以进行很好的整形处理，能较容易地滤除不期望的干扰信号，所以当前大多数射频系统都是采用这个范围的频段。
调制解调技术：
模拟调制
⏹调制方式为幅度调制（AM）、频率调制（FM）和相位调制（PM）
⏹目前模拟调制技术仍在上下变频处理中起着无可代替的作用
数字调制
窄带数字调制技术：
ASK、FSK和PSK
最大的特点是结构简单易于实现。
UWB调制
具有高传输速率、高的时间和空间分辨率、低功耗、保密性好、低成本及易于集成等特点，被认为是未来短距离高速通信最具潜力的技术
扩频调制
将待传送的信息数据被伪随机编码（扩频序列：
SpreadSequence）扩频处理后，再将频谱扩展了的宽带信号在信道上进行传输；接收端则采用相同的编码序列进行解调及相关处理后，恢复出原始信息数据，包括直接序列扩频（直扩方式），调频扩频（跳频方式），跳时扩频间（跳时方式），宽带线性调频（chip方式）和混合方式。
⏹IEEE802.15.4定义的物理层采用的就是直接序列扩频。
⏹蓝牙物理层协议中使用的则是跳频扩频
物理层面临的挑战：
1，功耗，2，成本
物理层设计考虑：
⏹
（1）低功耗问题。
⏹
（2）低发射功率和小传播范围。
⏹（3）低占空系数问题。
大多数硬件应用在大部分时间内不工作或工作于低功耗的待机状态。
⏹（4）相对较低的数据率。
一般来说每秒几十或几百kb。
⏹（5）较低的实现复杂度和较低的成本。
⏹（6）较小的移动程度。
⏹（7）对于全部节点来说，一个较小的形状系数
常用的通信技术：
1，红外，激光；可视传输
2，WLAN；功耗大，速率高
3，蓝牙；功率大，
4，ZigBee；见前面。
5，UWB；超宽带技术
四．MAC层协议
介质访问控制（mediumaccesscontrol，MAC）协议决定无线信道的使用方式，在传感器节点之间分配有限的无线通信资源，用来构建传感器网络系统的底层基础结构。
设计无线传感器网络的MAC协议时，需要着重考虑以下几个方面：
（1）节省能量。
（2）可扩展性。
（3）网络效率。
（4）算法复杂度。
（5）与其他层协议的协同。
MAC层设计面临的问题：
∙①空闲监听：
因为节点不知道邻居节点的数据何时到来，所以必须始终保持自己的射频部分处于接收模式，形成空闲监听，造成了不必要的能量损耗；
∙②冲突（碰撞）：
如果两个节点同时发送，并相互产生干扰，则它们的传输都将失败，发送包被丢弃。
此时用于发送这些数据包所消耗的能量就浪费掉
∙③控制开销：
为了保证可靠传输，协议将使用一些控制分组，如RTS/CTS，虽然没有数据在其中，但是我们必须消耗一定的能量来发送它们；
∙④串扰（串音）：
出于无线信道为共享介质，因此，节点也可以接收到不是到达自己的数据包，然后再将其丢弃，此时，也会造成能量的耗费。
注：
隐藏终端和暴露终端问题
隐藏终端：
由于A和C不在传输范围以内，而他们同时可以向B发送数据，导致数据冲突。
暴露终端：
B向A发送数据，C向D发送数据，C检测到B正处于发送状态，C终止发送，导致信道利用率下降。
基于竞争的MAC协议的类型：
∙802.11MAC协议：
有分布式协调DCF和点协调（pointcoordinationfunction，PCF）两种访问控制方式
在DCF工作方式下，节点在侦听到无线信道忙之后，采用CSMA/CA机制和随机退避时间，实现无线信道的共享。
另外，所有定向通信都采用立即的主动确认（ACK帧）机制：
如果没有收到ACK帧，则发送方会重传数据
PCF工作方式是基于优先级的无竞争访问，是一种可选的控制方式
∙SMAC协议（周期长度固定，节点的侦听活动时间也是固定的）
（1）采用周期性睡眠和监听方法（自适应监听）减少空闲监听带来的能量损耗。
（2）当节点正在发送数据时，根据数据帧特殊字段让每个与此次通信无关的邻居节点进入睡眠状态，减少串扰带来的能量损耗
（3）采用消息传递机制（分片传输机制），减少控制数据带来的能量损耗。
∙TMAC协议（保持周期长度不变，根据通信流量动态的调整活动时间，用途发方式发送信息，减少空闲侦听时间）
提出了一种自适应调整占空比的方法：
通过动态调整调度周期中的活跃时间长度来改变占空比
解决早睡问题的两种方法
1）预请求发送机制
2）满缓冲区优先机制
∙Sift协议是基于事件驱动的MAC协议，其特点：
①网络中的数据传输由事件驱动，存在空间相关的竞争。
②不是所有节点都需要报告事件。
③节点的密度是时变的。
基于竞争的MAC协议有如下优点：
∙①由于基于竞争的MAC协议是根据需要分配信道，所以这种协议能较好地满足节点数量和网络负载的变化；
∙②基于竞争的MAC协议能较好地适应网络拓扑的变化；
∙③基于竞争的MAC协议不需要复杂的时间同步或集中控制调度算法
基于调度（分配）的MAC协议（通常以TDMA协议为主,也可采用FDMA或CDMA的信道访问方式）
采用某种调度算法将时槽/频率/正交码映射为节点,这种映射导致一个调度决定一个节点只能使用其特定的时槽/频率/正交码（1个或多个）无冲突访问信道.因此,调度协议也可称作无冲突MAC协议或无竞争MAC协议.
基于时分复用的MAC协议
时分复用是实现信道分配的简单成熟的机制，比如蓝牙网络
TDMA机制，就是为每个节点分配独立的用于数据发送和接收的时槽，而节点在其他空闲时槽内转入睡眠状态
TDMA机制的一些特点非常适合无线传感器网络节省能量的需求：
1，TDMA机制没有竞争机制的碰撞重传问题；,
2，数据传输时不需要过多的控制信息；
3，节点在空闲时槽能够及时进入睡眠状态。
TDMA机制需要节点之间比较严格的时间同步：
时间同步是传感网的基本要求：
多数无线传感器网络都使用了侦听/睡眠的能量唤醒机制，利用时间同步来实现节点状态的自动转化；节点之间为了完成任务需要协同工作，这同样不可避免的需要时间的同步。
TDMA机制在网络扩展性方面存在不足：
很难调整时间帧的长度和时槽的分配；
对于无线传感器网络的节点移动，节点失效等动态拓扑结构适应性较差；
对于节点发送数据量的变化也不敏感。
基于分簇网络的MAC协议
对于分簇结构的无线传感器网络，采用基于TDMA机制的MAC协议。
所有传感器节点固定划分或自动形成多个簇，每个簇内有一个簇头节点。
簇头负责为簇内所有传感器节点分配时槽，收集和处理簇内传感器节点发来的数据，并将数据发送给汇聚节点。
DEANA（DistributedEnergy-AwareNodeActivation）协议：
分布式能量感知节点活动协议将时间帧分为周期性的调度访问阶段和随机访问阶段。
其中，在调度访问部分，每个时槽又分为控制时槽和数据传输时槽，
注：
与传统TDMA协议相比，DEANA协议在数据时槽前加入了一个控制时槽，使节点在得知不需要接收数据时进入睡眠状态，从而能够部分解决串音问题。
但是该协议对节点的时间同步精度要求较高
DMAC协议就是针对数据采集树结构提出的，目标是减少网络的能量消耗和减少数据的传输延迟。
1，采用交错调度机制。
2，接收时间和发送时间相等，均为发送一个数据分组的时间。
3，每个节点的调度具有不同的偏移，下层节点的发送时间对应上层节点的接收时间。
这样，数据就能够连续的从数据源节点传送到汇聚节点，减少在网络中的传输延迟。
混合MAC协议：
ZMAC
采用CSMA机制作为基本方法，在竞争加剧时使用TDMA机制来解决信道冲突问题
五，网络层（路由协议）
路由协议负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点，它主要包括两个方面的功能：
寻找源节点和目的节点间的优化路径，将数据分组沿着优化路径正确转发。
路由协议：
静态路由：
不适合无线传感网络
动态路由：
主动式：
即时性好，
被动式（按需式）：
有时延，
1，能量感知路由协议：
节点根据可用能量（poweravailable，PA）或传输路径上的能量需求，选择数据的转发路径。
节点可用能量就是节点当前的剩余能量
2，平面结构路由协议（以数据为中心）
平面结构是指网络中各节点在路由功能上地位相同，没有引入分层管理机制。
优点：
网络中没有特殊节点，网络流量均匀地分散在网络中，路由算法易于实现。
缺点：
可扩张性小，在一定程度上限制了网络的规模。
典型路由：
Flooding,Gossiping,SPIN,DD，Rumor
（1），洪泛算法
Flooding协议：
由槽节点发起数据广播，然后任意一个收到广播的节点都无条件将该数据副本广播出去，每一节点都重复这样的过程直到数据遍历全网或者达到规定的最大跳数。
优点：
不用维护网络拓扑结构和路由计算，实现简单。
缺点：
内爆，重叠，资源盲点。
Gossiping协议（Flooding协议的改进）：
当节点收到数据包时，只将数据包随机转发给与其相邻的节点的某一个节点或几个，而不是所有节点。
优点：
就降低了数据转发重叠的可能性，避免了信息内爆现象的产生
缺点：
点到点的时延较大
（2），SPIN（是对Flooding协议的改进）：
考虑到WSN的数据冗余，临近节点所感知的数据具有相似性，通过节点间协商方式减少数据传输量，只广播其他节点没有的数据
SPIN利用三步握手机制（解决内爆）
SPIN利用数据融合（DC），部分解决了重叠问题
优点：
1，解决了内爆问题和部分解决了重叠问题
2，不需要进行路由维护
3，对网络拓扑变化不敏感，可用于移动WSN
缺点：
1本质上SPIN还是向全网扩散新消息，开销比较大
2，当多个节点向同一个节点同时发送REQ时，需要退避算法
（3），DD（定向扩散，基于查询方式）：
Sink节点周期性地广播一种称为“兴趣”的分组，告诉其他节点，我要收集什么兴趣。
兴趣在扩散的过程中也反向建立了路由路径，与“兴趣”匹配节点通过路径传送数据到Sink节点
三个阶段：
1，兴趣扩散（采用泛洪）；
2，梯度建立（反向建立）；
3，强化路径（Sink节点会收到多条路径，选最优路径，进行加强，以后的数据按照加强路径传送）
优点：
1，数据中心路由，定义不同任务类型/目标区域消息；
2，路径加强机制可显著提高数据传输的速率；
3，周期性路由：
能量的均衡消耗；
缺点：
1，周期性的洪泛机制---能量和时间开销都比较大；
2，Sink周期性广播，不适用于大规模网络
3，节点需要维护一个兴趣消息列表，代价较大
（4），rumor（谣传协议，基于事件+查询）：
谣传路由机制引入了查询消息的单播随机转发，克服了使用洪泛方式建立转发路径带来的开销过大问题
基本思想：
事件区域中的传感器节点产生代理（agent）消息，代理消息沿随机路径向外扩散传播。
同时汇聚节点发送的查询消息也沿随机路径在网络中传播。
当代理消息和查询消息的传输路径交叉在一起时，就会形成一条汇聚节点到事件区域的完整路径。
3，分层结构路由协议：
采用簇的概念对传感器节点进行层次划分。
若干个相邻节点构成一个簇，每一个簇有一个簇首。
簇与簇之间可以通过网关通信。
网关可以是簇首也可以是其它簇成员。
网关之间的连接构成上层骨干网，所有簇间通信都通过骨干网转发。
优点：
扩展性好，适宜大规模网络
缺点：
成簇过程会产生一定的能源消耗
LEACH（Low-EnergyAdaptiveClusteringHierarchy）低功耗自适应聚类算法
主要考虑簇内节点能耗
簇头作为一定区域所有节点的代理，负责和Sink的通信；
非簇头节点可以使用小功率和簇头节点通信；
簇头节点可以对所辖区域节点数据进行融合，减少网络中传输的数据；
特点：
簇内节点与簇头距离近，功耗小；簇头进行数据融合，减少通信量
簇头消耗大量能量，所以定期选举簇头
优点：
1，优化了传输数据所需能量；
2，优化了网络中的数据量（簇头数据融合）；
缺点：
1，节点硬件需要支持射频功率自适应调整；
2，无法保证簇头节点能遍及整个网络；
3，分簇与簇头选举要公平
拓展：
PEGASIS：
将网络中所有节点连成一条线；每次只有一个簇头节点负责和Sink的通信，簇头在链上移动；
4，基于位置信息的路由协议：
地理位置信息作为其它路由算法的辅助，直接用于路由的计算。
GPSR（GreedyPerimeterStatelessRouting）：
它使用贪婪算法来建立路由，网络节点都知道自身地理位置并被统一编址，各节点利用贪婪算法尽量沿直线转发数据。
注：
贪婪算法：
总是做出在当前看来是最好的选择。
也就是说，不从整体最优上加以考虑，他所做出的仅是在某种意义上的局部最优解。
其缺点是出现局部优化问题
优点：
1，采用局部最优的贪婪算法，不需要维护网络拓扑，路由开销小；
2，可适用于静态和移动的WSN网络；
缺点：
1，需要地理位置信息的支持；
2，需要维护邻居节点位置信息
GEAR（GeographicandEnergyAwareRouting）：
假设已知事件区域的位置信息，每个节点知道自己的位置信息和剩余能量信息，并通过一个简单的Hello消息交换机制知道所有邻居节点的位置信息和剩余能量信息。
节点间的无线路由链路是对称的。
分两个阶段：
1，查询消息到达目的区域的路径
2，查询消息在目标区域的传播
选路依据：
1，节点到查询区域通信能量能耗
2，节点本身的剩余能量
3，最小代价节点为转发节点
优点：
1，利用了位置信息，避免了查询消息的Flooding；
2，考虑了消耗的能量和节点剩余能量，均衡消息；
3，路径选择可达到局部最优；
4，迭代地理转发对洪泛机制的补充；
缺点：
1，可能出现路由空洞（局部信息）-两跳信息；
2，不适合在移动WSN使用
注：
路由空洞问题
邻居节点传输代价都比本地节点大；
选择邻居节点中代价最小的作为转发节点；
修改本地节点的转发代价；
升级会员 