无线传感器网络——读书笔记

第一章：现状与发展

    一般认为短距离的无线低功率通信技术最适合传感器网络使用。

    目前普遍接受的WSN定义：大规模、无线、自组织、多跳、无分区、无基础设施支持的网络。其中的节点是同构的，成本较低、体积较小、大部分节点不移动、被随意撒布在工作区域，要求网络系统尽可能长的工作。

第二章：路由协议

    路由器提供了异构网互联的机制，实现将一个网络的数据包发送到另一个网络。路由就是指导IP数据包发送的路径信息。路由协议是在路由指导IP数据包发送过程中事先约定好的规定和标准。它工作在网络层。

2.2.以数据为中心的路由协议

2.2.1 SPIN算法：

基本思想：

        节点只广播其他节点没有的数据以减少冗余数据。

        元数据是原始数据的一个映射，用来描述原始感知数据，但所需的数据位小。——数据压缩

        SPIN协议采用三次握手协议。第一次握手：客户端发送syn包(syn=j)到服务器，并进入SYN_SEND状态，等待服务器确认；第二次握手：服务器收到syn包，必须确认客户的syn（ack=j+1），同时自己也发送一个SYN包（syn=k），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态；第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK包，向服务器发送确认包ACK(ack=k+1)，此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手。连接建立后，客户端和服务器就可以开始进行数据传输了。

        协议运行过程中使用三种报文数据：ADV、REQ、DATA。ADV用于数据的广播，当某一个节点有数据可以共享时，可以用ADV数据包通知其邻居节点。REQ用于请求发送数据，当某一个受到ADV的节点希望接收DATA数据包时，发送REQ数据包。DATA为原始感知数据包，里面装载了原始感知数据。

        SPIN协议有两种工作模式：SPIN 1 和 SPIN 2。

        SPIN 1：

        

SPIN 2：考虑了节点剩余能量值，当节点剩余能量低于阈值就不再参与任何报文的转发，仅能接收来自其他邻居节点的报文和发出REQ报文。

SPIN协议下，节点不需要维护邻居节点的信息，一定程度上能适应节点移动的情况。耗能比传统模式减少一半以上。不过，该算法不能确保数据一定能到达目标节点，尤其不适用于高密度节点分布的情况。

总结：

解决内爆和重叠现象。SPIN协议支持数据融合。数据融合操作可以在MAC层实现，也可以在路由器或者应用层中实现。本章讨论的数据融合操作都是指在路由层。SPIN协议是一种不需要了解网络拓扑结构的路由协议，因此该协议也适合在节点可以移动的WSN中使用。SPIN协议通过使用协商机制和能量自适应机制，节省了能量，解决了内爆的问题，且通过元数据进行数据压缩，减少数据的传输量。但是存在多个节点向同一个节点同时发送REQ的情况，有关的退避机制需要考虑。

2.2.2 DD算法：

基本思想：

是一种基于查询的路由协议。整个过程分为兴趣扩散、梯度建立、路径加强三个阶段。Sink节点采用泛洪的方式将“兴趣”信息（Sink需要收集什么样的信息）扩散到网络中的所有节点。在“兴趣”传播过程中，协议逐跳地在每个传感器节点上建立反向的从数据源到Sink节点的梯度场，梯度场的建立根据成本最小化和能量自适应原则。“兴趣”扩散完成后，梯度建立过程也完成了。传感器节点采集到相关的匹配数据后，向所有感兴趣的邻居节点转发这个数据，如果邻居节点不是Sink节点，采取同样的方法转发该数据。这样，Sink节点会受到从不同路径上传送过来的相同的数据，然后Sink节点选择一条最优的路径作为强化路径，后续的数据沿着这条路径传输。

关键问题：

        DD路由协议的核心问题是：解决兴趣扩散阶段的梯度建立过程、强化路径的选择和建立过程，路由的维护过程。

      兴趣扩散阶段：Sink节点周期性的向邻居节点广播兴趣消息。每个节点都有一个兴趣Cache。兴趣Cache中每个兴趣表项包括：时间字段、梯度字段、持续时间字段。当一个节点收到一个兴趣，按照下面三个原则处理：

    （1）Cache中没有相同兴趣表项，创建一个新的兴趣表项，包括梯度与数据传输率。

    （2）有相同兴趣表项，没有兴趣来源的梯度信息，增加梯度域，更新时间信息和持续时间字段。

    （3）有相同兴趣表项和兴趣来源梯度信息，更新时间信息和持续时间字段。

        一个兴趣表项可能有多个梯度域，梯度域对应一个和该兴趣有联系的邻居节点。如果一个节点收到的兴趣消息和刚才转发的一样，则丢弃该兴趣消息。兴趣扩散完成后，对于某个时间的梯度也在网络中建立起来了。

        当传感器节点采集到兴趣匹配数据是，将数据发送给对应梯度域中的邻居节点。节点受到数据后，如果Cache中没有匹配兴趣表项，则丢弃该数据。若有匹配表项，检查最近是否接受过相同数据，若没有接收则将数据加到数据Cache中，否则丢弃。

       节点的接收数据传输率小于等于梯度域中记录的传输率时，接收节点将自己收到的数据传给梯度域中对应的邻居节点。否则，按照梯度域的传输率发送数据。这种方法下，同一个数据包会经过多条路径到达Sink节点，Sink节点根据一定标准，选择最优路径强化。

        路径加强信息中，包含新设定的较高的发送速率值。收到信息的邻居节点，通过分析确定是一个已有的兴趣只是增加了发送速率，断定是一条路径强化消息，从而更新表项中的数据发送速率。然后按照同样规则选择强化路径的下一跳邻居节点。这个过程基于局部最优的贪婪算法。

    

        DD算法中数据融合采用的是抑制副本的方法。

扩展分析：

        不能用于大规模的网络，该算法主要用于大量查询而只有少量事件的应用场景，如果网络拓扑结构变化频繁，性能将大幅度下降。

2.3 集群结构路由协议

        一种分层结构的路由协议。每个簇由一个簇头和多个簇成员构成。可再次进行分簇，形成更高一级的网络。簇头负责簇内成员的管理，簇内信息的收集、融合，簇间数据的转发。优点是可扩展性好，可用于大规模的WSN。典型的分层路由协议有LEACH、PEGASIS、TEEN、APTEEN和基于虚拟网络的路由协议TTDD。

2.3.1 LEACH路由算法

        网络周期性的随机选择簇头结点，其他节点就近原则加入相应的簇头，簇头进行数据融合，转发给Sink节点。

关键问题：

        簇头结点选择书上有公式。

扩展分析：

        它需要网络协议和硬件频射功率的自适应和动态调整，其次，协议无法保证簇头结点能遍及整个网络，簇头结点可能集中于网络某一区域的现象。有许多改进协议，具体见书35页。

2.3.2 TEEN和APTEEN路由算法。