1.1传感器网络体系结构
1.1.1传感器网络结构
传感器网络系统包括:传感器节点,汇聚节点,管理节点 1.1.2传感器节点结构
黄安炀
由传感器模块(负责监测区域内信息的采集和数据转换),处理器模块(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他节点发来的数据),无线通信模块(负责 与其他传感器节点进行无线通信,交换控制消息和收发采集数据),能量供应模块(为传感器节点提供运行所需的能量,通常采用微型电池)组成.1.1.3传感器网络协议栈
包括物理层,数据链路层,网络层,传输层,应用层,还包括能量管理平台,移动管理平台和任务管理平台.
1.2传感器网络的特征
1.2.1与现有无线网络的区别
集成了监测\控制以及无线通信的网络系统,节点数目更庞大,节点分布更密集,由于环境和能量耗尽节点更容易出现故障,环境干扰和节点故障易造成网络拓扑结构的变化.
传统:目标是提供高服务质量和高效带宽利用
传感器网络:目标是能源的高效使用
1.2.2传感器节点的限制
电源能量有限,通信能量有限,计算和存储能力有限
1.2.3传感器网络的特点
大规模网络:具有更大的信噪比,分布式处理大量的采集信息能够提高监测的精确度,大量冗余节点使系统有很强的容错性能,大量节点能增大覆盖的监测区域,减少洞穴或者盲区.
自组织网络:自动进行配制和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统.
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
1.3传感器网络的应用
军事应用,环境观测和预报系统,医疗互利,智能家居,建筑物状态监控,其他
fortran编译器1.4传感器网络的研究进展
1.5传感器网络的关键技术
网络拓扑控制
网络协议:路由协议不仅关心单个节点的能量消耗,更关心整个网络能量的均衡消耗,以延长整个网络的生存期.以数据为中心;MAC协议首先考虑节省能源和可扩展性,其次考虑公平性,利用率和实时性等 网络安全:机密性,点到点的消息认证,完整性鉴别,新鲜性,认证广播和安全管理
时间同步:
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定位技术:满足自组织性,健壮性,能量高效,分布式计算
数据融合:
数据管理:以数据为中心的存储方式,传感器网络可视为一种分布式数据库.
无线通信技术:低功耗短距离,正是传感器网络所需要的:IEEE802.15.4标准
嵌入式操作系统：
应用层技术:主要研究各种传感器网络应用系统的开发和多任务之间的协调
第二章.路由协议
2.1 概述
与传统网络的路由协议相比,无线传感器的路由协议的特点：能量优先,基于局部拓扑信息,以数据为中心,应用相关.
传感器网络路由机制的要求:能量高效,可扩展性,鲁棒性,快速收敛性
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2.2 路由协议分类
能量感知路由协议,基于查询的路由协议,地理位置路由协议,可靠的路由协议
2.3 能量感知路由
2.3.1 能量路由
根据节点的可用能量或传输路径上的能量需求,选择数据的转发路径
2.3.2 能量多路径路由
该机制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量消耗以及节点的剩余能量情况,给每条路径赋予一定的选择概率,使得数据传输均衡消耗整个网络的能量,延长整个网络的生存期
2.4 基于查询的路由
2.4.1 定向扩散路由(DD)
一种经典的以数据为中心.
汇聚节点通过兴趣消息发出查询任务,采用洪泛方式传播兴趣消息到整个区域或部分区域内的所有传感器节点.
定向扩散路由机制分为:周期性的兴趣扩散阶段,数据传播阶段以及路径加强阶段.
2.4.2 谣传路由
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.
2.5 地理位置路由
假设节点知道自己的地理位置信息,以及目的节点或者目的区域的地理位置,利用这些地理位置信息作为路由选择的依据,节点按照一定策略转发数据到目的节点.
2.5.1 GEAR路由2011第六届中国作家富豪榜
查询消息传送到事件区域;查询消息在事件区域内传播
2.5.2 GEM路由
一种适用于数据中心存储方式的地理路由.
(传感器网络有三种存储监测数据的主要方式:本地存储,外部存储,数据中心存储.
本地存储:网络传输的数据都是汇聚节点感兴趣的数据,网络传输效率高,但是需要每个节点都具有相对较大的存储空间,数据融合只能在传输过程中进行,并且汇聚节点需要经过较长的延迟后才能获得查询数据.
外部存储:节点将采集数据及时传输给汇聚节点,可以提高传感器网络对突发事件的反映速度，但是监测数据不断发送给汇聚节点,一方面由于有些数据不是汇聚节点感兴趣的,造成
了网络能量的浪费,另一方面,容易使得汇聚节点附近形成网络热点,降低传感器网络的吞吐率.
数据中心存储:在网络中选择不同的负责节点实现不同事件监测数据的融合和存储,是介于本地存储和外部存储之间的一种方式,在查询延迟,能量消耗和存储空间等多项指标间进行折中,能够将网络通信流量,处理流量和存储流量在网络中均匀分摊,从而有效避免了网络热点的产生.)
GEM路由基本思想是建立一个虚拟极坐标系统,用来表示实际的网络拓扑结构,网络中的节点形成一个以汇聚节点为根的带环树,每个节点用到的树根的跳数距离和角度范围来表示,节点间的数据路由通过这个带环树实现.
2.5.3 边界定位的地理路由
只需要少数节点精确位置信息就可以以进行正确路由的地理路由机制.基本思想是:首先通过网络中知道自身位置信息的节点确定一个全局坐标系,然后确定其他节点在这个坐标系中的位置,最后根据节点在坐标系中的位置进行数据路由,知道自身位置信息的节点通常是网络中较为特殊的信标节点.当所以节点的坐标位置信息确定后,协议使用贪婪算法选择路由。
因此,协议的关键是利用信标节点确定全局坐标系以及确定其他节点在坐标系中的位置.
2.6 可靠路由协议
主要考虑:一是利用节点的冗余性提供多条路径以保证通信可靠性,二是建立对传输可靠性的估计机制,从而保证每跳传输的可靠性.另外，某些传感器网络应用需要节点间通信具有一定的实时性.
2.6.1 基于不相交路径的多路径路由机制
基本思想:首先建立从数据源节点到汇聚节点的主路径,然后再建立多条备用路径;数据通过主路径进行传输,同时利用备用路径低速传送数据来维护路径的有效性;当主路径失败时,从备用路径中选择次优路径作为新的主路径.
2.6.2 ReInForM路由
在传感器网络中，传感器节点是数据源,把监测数据发送给汇聚节点.此路由协议从数据源节点开始,考虑可靠性务求,信道质量和传感器节点的跳数,决定需要的传输路径数目,以及下一跳节点数目和相应的节点,实现满足可靠要求的数据传输.
2.6.3 SPEED协议
是一个实时路由协议,在一定程度上实现了端到端的传输速率保证,网络拥塞控制以及负载平衡机制.
2.7 路由协议自主切换
传感器网络中的路由协议和具体应用紧密相关.为了能够适用于多种任务，传感器网络需要根据应用环境和网络条件自主选择适用的路由协议,并在各个路由协议之间自主切换.
第三章.MAC协议
3.1 概述
介质访问控制(MAC)协议决定无线信道的使用方式,在设计MAC协议时,需要考虑:节省能量,可扩展性,网络效率.
丙烷在无线传感器网络中，可能造成网络能量浪费的主要原因包括:
1.若MAC采用竞争方式使用共享的无线信道,节点在发送数据的过程中可能引起多个节点之间发送的数据产生碰撞,则需要重传发送数据,从而消耗节点更多的能量.
2.节点接受并处理不必要的数据.
3.节点在不需要发送数据时一直保持对无线信道空闲侦听,以便接受可能传输给自己的数据.
4.在控制节点之间的信道分配时,如果控制消息过多，也会消耗较多的网络能量.
传感器节点无线通信模块的状态包括:发送状态,接收状态,侦听状态,睡眠状态.
3.2 基于竞争的MAC协议
典型的此类协议是:载波侦听多路访问(CSMA)
3.2.1 IEEE 802.11MAC层协议
它有分布式协调DCF方式和点协调PCF两种访问控制方式,其中DCF方式是IEEE.802.11协议的基本访问控制方式.
在DCF工作方式下，载波侦听机制通过物理载波侦听和虚拟载波侦听来确定无线信道的状态.
3.2.2 S-MAC协议
针对传感器网络的节省能量需求而提出的传感器网络MAC协议.
采用的主要机制:周期性侦听和睡眠,流量自适应侦听机制,串音避免(采用与802.11MAC协议类似的虚拟和物理载波侦听机制,以及RTS/CTS的通告机制),消息传递.
3.2.3 T-MAC协议
是在S-MAC的基础上建立起来的.S-MAC协议通过采用周期性侦听/睡眠工作方式来减少空闲侦听,周期长度是固定不变的,节点的侦听活动时间也是固定的.
T-MAC协议在保持周期长度不变的基础上，根据通信流量动态的调整活动时间,用突发方式发送信息，减少空闲侦听时间,减少了处于活动状态的时间.
3.2.4 Sift协议
是针对基于事件驱动的传感器网络提出的急于竞争的MAC协议.
它充分考虑了传感器网络的以下特征:
A传感器网络的空间相关性(同时监测到事件的邻居节点会形成事件检测的空间相关性)和时间相关性(邻近多个节点发送该消息会竞争共享的无线信道形成时间传递的时间相关性).
B并不是所有监测到事件发生的节点都需要发送消息.
C感知节点的密度随时间变化
Sift协议的核心思想是:CW值固定的窗口,节点不是从发送窗口选择发送时槽,而是在不同的时槽中选择发送数据的概率.
3.3 基于时分复用的MAC协议
就是为每个节点分配独立的用于数据发送或接收的时槽.
优点:TDMA机制没有竞争机制的碰撞重传问题;数据传输时不需要过多的控制信息;节点在空闲时槽能够及时进入睡眠状态.
缺点：很难调整是时间帧的长度和时槽的分配;对于传感器网络的节点移动,节点失效等动态拓扑结构适应性差;对于节点发送数据量的变化也不敏感.
TDMA机制需要节点之间比较严格的时间同步.
3.3.1 基于分簇网络的MAC协议
所以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.
3.3.2 DEANA(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.调度访问阶段由多个连续的数据传输时槽(每个时槽细分为控制时槽和数据传输时槽)组成,某个时槽分配给特定节点用来发送数据,其他时槽处于睡眠状态.随机访问阶段由多个连续的信令交换时槽组成,用于节点的添加\删除以及时间同步等.
