无线传感网络

什么是无线传感网络（WSN：wireless sensor network）

由部署在检测区域大量的廉价卫星传感器节点组成。通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络系统。

目的是协作的感知采集和处理网路覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者

构成三要素：传感器、感知对象、观察者 

传感器节点组成

传感子系统：感测环境

处理子系统：对数据进行本地处理

通信子系统：负责和临近节点交换消息

无线传感器系统

传感器节点、汇聚节点、管理节点

无线传感网络与自组织网络的区别

传感网络的节点数目多、分布密集

传节点更易失效和能量耗尽并且不能充电

传感节点没有全局ID

传感节点计算能力和存储能力有限

大多数采用广播路由

传感网络以数据为中心

传感网络最大的特性是数据聚合

无线传感网络的特性：

1.大规模网络

2.自组织网络

3.动态性网络：关心的物理量不同，硬件和软件系统和通信系统的协议会有很大差异

4.可靠性网络：传感器节点非常坚固、不易损坏、适应极端的环境。为防止数据被盗和伪造，无线传感网络必须具有很好的鲁棒性和容错性

5.应用相关的网络

6.以数据为中心的网络：只会关心某个观测指标的数值，而不会关心某个单个节点的观测数据，同时使用传感器网络查询事件时，直接将事件通告全网络，而不是某个确实编号的节点。

7.节点能力受限：电源、计算能力、通信能力

临近的传感节点拥有相似的数据

传感网络与特定与应用

位置感知：节点需要了解自己的位置

节点对环境的激烈变化做出立即反应

具备查询控制能力

传感网络的查询分类

一次查询：获得网络的瞬间视图

持续查询：监控某一个时间内的一些物理参数

传感网络面临的问题和挑战

网络的建立和维持完全自治

传感节点最大的瓶颈是可用的能量

传感节点的硬件设计有限考虑能量效率

传感节点应能以完全分布式的方式与其他节点保持同步

影响传感器网络的因素

容错：当出现节点失效而无人干涉继续工作的能力

能耗：某些活动会带来能耗：感测事件、通信、数据处理

网络拓扑

节点位置：当传感节点移动时

可达性：节点之间的可达性保证网络联通的基本条件

制造成本

传输介质

传感器的环境

传感网路的设计目标：

可拓展性、只配置能力、资源感知、网络寿命长久、容错能力

性能度量：

网络寿命：指从开始到第一个节点死掉的这段时间

延迟：传感节点发送数据到基站收到的这段时间

传感网络的分类：

先应式网络：主动的，自己完成任务定期发送：节点定期打开传感器和发送器感测环境并将数据发送出去

反应式网络：被动的，根据操作员的命令查询给与相应根据某些属性的变化给与响应

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传感器网络的体系结构

1.层次体系结构：一个强大的基站（BS）和围绕他的一系列层次节点

根据跳数分层，相同跳数的位于一个层次

2.簇体系结构：传感节点组成一个簇，每个簇由一个簇头控制。

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传感网络的MAC协议

设计协议需要考虑的问题：节省能量、可扩展性、网络效率

浪费网络能量的原因:

节点间的数据碰撞导致重传

节点接收并处理不必要的数据 

节点无数据发送时侦听信道

控制消息过多

MAC协议分类：

S-MAC协议

T-MAC协议

sift协议

S-MAC协议

设计思想：

1.采用周期性休眠/侦听，解决空闲侦听的浪费

2.当节点收发数据时，于此无关的节点进入休眠

3.采用信息传递机制，减少控制信息带来的能量损耗

4.自适应侦听机制，减少穿输延迟

占空比问题的分析

什么是占空比：占空比是指在一个脉冲循环内，通电时间相对于总时间所占的比例。侦听时间占总时间的比

如果选择较小的占空比：大部分时间处于休眠，可以减少侦听所造成的的能量消耗。同时会产生问题，其他由邻居节点向定节点的通信量会集中在一个较小的时间窗口，会产生显著的竞争和负载。睡眠时间较长会产生一个显著的每跳等待时间。

周期性侦听和睡眠

每个节点都有一个确定的时间表

与邻居节点的调度周期保持一致

节点选定自己的调度表或者遵照别人的调度表

存在一个唤醒周期、侦听周期、睡眠时间

采用相同的占空比进行工作，使用同步桢发送机制，所有节点都处于唤醒状态时才进行侦听，来判断是否要进行发送或接受数据。

S-MAC的冲突避免

当多个节点想要和一个节点进行通信时，需要竞争媒体。S-MAC遵循802.11类似的流程，虚拟载波侦听和物理载波侦听，解决隐藏终端问题的RTS/CTS。

每个传输包中有一个持续时间域来标识该包的传输时间，如果其他节点收到就知道多长时间不能传送消息，节点以变量的形式记录该值，该值被称为网络分配矢量（NAV）。在传输之前检查NAV，不为零不能发送

S-MAC流量自适应侦听

周期性睡眠导致了通信延迟的增加

解决方案：通信节点的邻居节点在此次通信后唤醒，并保持侦听一段时间，如果邻居节点在这段时间内收到了RTS帧，可以立刻接受数据，而不需要等待下一个侦听周期

S-MAC的消息传递机制

什么是消息：具有密切联系的数据的集合，只有得到全部数据才可以对数据进行数据处理和聚合

将长消息分成若干个DATA信息段，使用一个RTS/CTS占用信道，每个DATA都有ACK保证收到，没有立刻重传

S-MAC优缺点

特点：

周期性的休眠/唤醒，降低侦听时间

冲突避免

自适应侦听

消息传递

缺点：

调度周期是固定的，不适应网路流量变化

簇边界能量节点消耗快

节点休眠带来的时延

T-MAC协议

设计思想：

动态调整调度周期中的活跃时间长度

在TA时间内没有发生激活时间则进入睡眠

数据仍然采用RTS/CTS /DATA/ACK四次握手机制

T-MAC协议与S-MAC的不同

在节点活动的时隙中插入一个TA（time active）时隙，如果TA时隙之间没有任何事件发生，则活动结束进入休眠。根据网络负载情况动态调整活动周期的长度

T-MAC的激活事件触发TA

1.定时器触发周期性调度唤醒事件。

2.物理层从无线信道接收到数据包。

3.物理层指示有的无线信道忙。

4.节点的DATA帧或ACK帧发送完成。

5.通过监听RTS；CTS帧，确认邻居的数据交换已经结束。

早睡问题

如果一个节点在邻居准备向其发送数据时进入睡眠状态，这种现象称为早睡

AB之间，BC之间，CD之间可以相互通信，且假设数据传输方向是ABCD。如果节点A通过竞争获得了与节点B通信的机会，节点A发送RTS给B，B回复CTS给A。那么当C收到B发出的CTS时，会触发一个新的监听时间段，使C保持监听状态。而D没有发现AB之间正在进行的通信，由于无法触发新的TA，D会进行睡眠。但AB之间通信结束时，C竞争获得信道，但由于D此时已经睡眠，所以必须等到D在下一次调度唤醒时才能进行RTS/CTS交互。 

解决早睡问题

T-MAC提出两种方法：

1.预请求发送机制

2.满缓冲区优先机制

预请求发送机制

当节点C收到B发给A的CTS后，立即向D发送一个FRTS。FRTS帧包含节点D接收数据前需要等待的时间长度，D在此时间内必须保持在监听状态。

由于C发送的FRTS可能干扰A发送的数据，所以A需要将发送的数据延迟相应的时间。A在接收到CTS之后发送一个与FRTS长度相同的DS帧，该帧不包含有用信息，只是为了保持AB对信道的占用，在发送DS之后A立即向B发送数据信息

满缓冲区优先

当节点的缓冲区接近占满时，对接收到的RTS帧不回复CTS，而是立即向缓冲区中数据包的目的节点发送RTS，以建立数据传输。

•这个方法的优点是减少了早睡问题发生的可能性，在一定程度上能够控制网络的流量。缺点是在网络数据量较大时增加了冲突的可能。 

sift协议

设计思想：共享信道的N个节点同时检测到同一个事件时，希望R个节点能够在最小时间内无冲突地发送事件检测消息，抑制N-R个节点消息的发送

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无线传感网路的路由协议-特点

能量优先

基于局部拓扑信息

以数据为中心

应用相关

与传统网络协议设计网络的区别

无线网络：

能量消耗影响网络生存周期

节点只有局部信息

以数据为中心

应用相关性

无线传感网络的传输模式

1.事件触发：节点采集信息后进行判断，超过某一个阈值，认为发生某种事件，进行上报

2.周期上报

3.基于查询：不主动上报采集的信息，等待用户查询

洪范路由

最简单、最健壮、最基本

特点：无需知道局部拓扑结构，地理信息等，无需维护路由

不足：

信息爆炸：一个节点可能得到一个数据的多个副本现象

重叠现象：同一观测环境下相邻数据可能是相同的

资源的盲目使用：不考虑节点可用能量、位置

适用范围：小规模、共享信道、健壮性

能量感知路由

根据节点的可用能量或者传输路径上的能量需求，选择数据的转发路径

节点上包含所剩能量，路径上为消耗能量