无线传感网络

一、无线传感器网络（WSN）概述
1、组成
由部署在检测区域内大量的廉价卫星传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统。
2、目的
协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知的对象信息，并发送给观察者。
3、构成WSN的三要素
传感器、感知对象、观察者。
4、特性
大规模网络（信息量大、高精确度、高容错性、大覆盖区域）、自组织网络、动态性网络、可靠的网络、应用相关的网络、以数据为中心的网络、节点能力受限、临近的传感节点拥有相似的数据、传感网络特定于应用、位置感知、节点应对环境的激烈变化作出立即反应、具备查询控制能力、
5、传感网络面临的问题和挑战
（1）网络的建立和维持完全自治
（2）传感节点的最大瓶颈是可用的能量
（3）传感节点的硬件设计有限考虑能量效率
（4）传感节点应能以完全分布式的方式与其他节点保持同步
（5）传感网络应能具有自适应网络连接变化的能力
（6）传感网络必须具备实时通信能力
（7）传感网络应支持安全通信
6、影响传感器网络的因素
容错、能耗、网络拓扑、节点位置、可达性、制造成本、传输介质、传感器的环境
7、传感器网络的分类
（1）先应式网络
连续操作模式，节点定期打开传感器和发送器、感测环境并将感性需的数据发送出去，是用于需要定期监测数据的应用。
（2）反应式网络
查询-响应模式，节点根据操作员发来查询命令给予立即响应，节点根据网络某些属性值发生的激烈变化立即予以响应。

二、传感器网络的体系结构
1、层次体系结构：由一个强大的基站（BS）和围绕着它的一系列分层传感节点组成
2、Clustered体系结构：将传感节点组成一个个cluster，每个cluster由一个head控制，每个节点与各自的head交换信息，Head与BS交换信息，BS与有线网络连接。
3、传感器网络的协议栈
（1）应用层：使得底层硬件和软件对传感应用是透明的
（2）传输层：当传感系统需要被Internet或者其他外部网络访问时传输层至关重要
（3）网络层：节能总是最重要的考量、传感网络多数是以数据为中心的
（4）数据链路层：负责介质访问和差错控制
（5）物理层：负责频率选择、频率产生、信号检测、调制解调和数据加密

三、无线传感网络的MAC协议
1、S-MAC协议
（1）设计理念
☆a、采用周期性的休眠/侦听方法减少空闲侦听带来的能量损耗；
b、当有节点收发数据时，与此无关的邻居节点进入休眠减少冲突与串音带来的能量损耗；
c、采用消息传递机制，减少控制消息带来的能量损耗；
d、采用自适应的侦听机制，减少消息传输延迟
（2）关键技术：期性休眠和侦听、冲突避免、流量自适应监听、消息传递机制
（3）优点
周期性的休眠/唤醒，降低idle时间、冲突避免、自适应侦听、消息传递
（4）缺点
调度周期是固定的，不适应网络流量变化、簇边界节点能量消耗快、节点休眠带来的时延
2、T-MAC协议
（1）设计理念
a、活跃时间的长度是固定的
b、按照能够处理最高负载来设计
c、如果网络中消息传递的速率很低的话，仍然有大量的能量浪费在idlelistening
（2）关键技术
采用S-MAC的部分机制（固定调度周期、周期性广播SYNC帧、RTS/CTS控制报文）、解决早睡问题（预请求发送机制、满缓冲区优先机制）
（3）优点：一定程度上控制了网络的流量
（4）缺点：数据量较大时，增加了冲突的可能
3、Shift协议（基于事件驱动的MAC协议）
（1）设计理念
a、基于事件驱动的无线传感器网络
b、当数据需要发送时，节点首先在发送窗口[1，CW]内的概率随机选择一个发送时隙，然后节点监听直接选择的发送时隙到来。如果监听期间没有其他节点使用信道，则节点立即发送数据。否则需要在信道空闲时重新选择发送时隙。
c、冲突时就倍增时间窗口大小CW，并且在新窗口内重新选择发送时隙，以增大无冲突发送的概率。

四、无线传感网络的路由协议
1、路由协议机制设计要求
能量高效、可扩展性、鲁棒性、快速收敛
2、基于应用的分类
（1）能量感知路由协议
能量多路径路由：在源节点和目的节点之间建立多条路径。根据路径上节点的通信能耗及剩余能量，依概率选路。
（2）基于查询的路由协议
定向扩散：汇聚节点周期地通过洪泛方式广播兴趣消息。兴趣在网络中扩散的同时建立从源节点到汇聚节点的路由路径 。通过兴趣扩散阶段建立的路径，源节点将数据消息传送到汇聚节点。汇聚节点选择一条最优的路径进行强化，后续的数据沿着这条路径传输。
谣传路由：源节点观察到时间发生以后，产生一个事件代理消息，代理消息沿随机路径向外传播。汇聚节点发送时间查询消息沿随机路径在网络中传播。当查询消息到达一个保存有事件代理的节点时，就会形成一条从汇聚节点到源节点的路径。
（3）地理位置路由协议
（4）可靠的路由协议