无线传感器网络基础

1、Theory And PracticeWaltenegus Dargie德Christian Poellabauer美传感器连接到集中处理站（基站） 使用本地局域网 通过无线方式多个传感器协同形成无线传感器网络 星型拓扑 网状拓扑路由问题：找到从传感器到基站的多跳路径(Ad Hoc)基站与互联网相连 感知、板载处理、通信、存储数据的采集，内网分析、相关性分析、自身数据与其他节点数据的融合最大的制约因素：传感器节点工作时有限的能量预算。节点架构 传感器节点硬件操作系统 节点硬件与应用程序之间的软件层物理层 点对点无线数字通信MAC层 协调节点对共用通信介质访问网络层 寻找数据源到终端设备路径（路

2、由问题）节点和网络管理 能量管理、时间同步、定位、安全传感器节点硬件节点有感知、数据处理、通信和电源子系统构成传感子系统：传感器直接数据传或者通过数模转换器接串行外围接口给处理器子系统。处理器子系统 数据存储器、程序存储器、数字信号处理器（DSP）、数据总线、地址总线。 专用集成电路（ASIC）和可编程门阵列（FPGA）通信接口：串行外围接口（SPI）与内部集成电路。原型机：imote节点、xyz节点与hogtrob节点节点硬件与应用程序之间的软件层轻量级软件层，逻辑上位于传感器节点的硬件和应用程序之间，为应用程序开发人员提供基本的编程环境。任务 应用程序与硬件资源交互 为任务分配时序和优先级

3、 在那些竞争系统资源的应用程序和服务之间进行仲裁。特征 存储管理、电源管理、文件管理、网络连接 编程环境的工具 供用户开发调试执行其子程序、为用户提供进入操作系统敏感资源的合法入口。功能 数据类型、调度、堆栈、系统调用、处理中断、多线程、基于线程和基于事件的编程、内存分配非功能 分离关注点、系统开销、可移植性、动态重编程操作系统原型：tinyos、sos、contiki、liteos点对点无线数字通信点对点无线数字通信挑战 有限带宽和传输距离 由于干扰、信号衰减和多径衍射导致较差数据包传输性能基本组成 发射机、传输信道、接收机物理层数字信号模拟信号调制解调解码信源编码：ADC 采样、量化、编码

4、。 主要技术：脉冲编码调制（PCM）和增量调制（DM）信道编码 目的：产生一个对噪声有很强鲁棒性的数据序列 Shannon定理：信道无差错传输能力公式 两种误差源：超出信道容量、噪声 失真过程（传输概率）模型化为一个随机过程 信道矩阵表征调制：根据调制信号改变载波信号的特性 优点 调制的信号不太受噪声的影响 有效利用信道的频谱、容易检测信号 通过缩短波长以减少天线的长度。 数字调制：幅移键控、频移键控、相移键控 正交幅度调制（QAM） 将两个已经调幅好的正交载波信号合并成一个复合信号 相位差是90独立且正交不会相互影响。信号传播：在ISM波段中应用协调节点对共用通信介质访问网络中大量节点共用一

5、个通信介质传输数据包。介质访问控制（MAC）协议协调对共用介质的访问IEEE802参考模型中，数据链路层被进一步分为逻辑链路控制子层和介质访问控制层（MAC）主要功能 决定一个节点什么时候可以访问共享介质 解决可能发生在竞争节点的潜在冲突分类 无竞争协议 有竞争协议无竞争协议 固定分配 频分复用（FDMA）同时间分频带 时分复用（TDMA）同频带分帧 码分复用（CDMA）不同的编码形式，同频带上多路通信 动态分配 轮询 令牌传递竞争协议 ALOHA协议 ACK机制确认广播数据传送的成功 载波监听多路访问（CSMA） 先监听是否空闲，若空闲以一定概率发包 CSMA/CD（带冲突检测的） 隐藏终端

6、 A-B D-B 暴露终端 C-D A-B 以太网 CSMA/CA（带冲突避免的） 无线局域网 CSMA CSMA/CA 监听到空闲-等待一个DCF帧间距（DIFS）-等待一个随机退避时间-使用信道 带有碰撞避免机制的多路访问（MACA） 发送方发RTS和接收方反馈CTS控制报文 其他节点若监听到则退避等待使用该信道 握手方式 MACAW、MACA-BI IEEE 802.11: 无线局域网标准 “wireless fidelity”( Wi-Fi)确保符合该协议硬件设备之间兼容性 融合了CSMA/CA和MACAW中的概念。 可用在分布式协调功能（DCF）或点协调功能（PCF） DCF模式：设

7、备间通信直接是点对点（Ad Hoc模式） PCF模式：设备间通信需要通过接入点（AP）或基站的中央设备，AP协调信道的访问可以确保通信无碰撞。 IEEE 802.15.4与ZigBee 用于868MHz，915MHz和2.45GHz频段低功率设备，支持20kbps、40kbps和250kbps的数据传输率 与11标准（11a高达54Mbps）相比数据传输率较小 适用于星型拓扑和端对端拓扑。 星型拓扑工作方式与蓝牙相似，通信经过个域网（PAN）协调器； 端对端拓扑任意两个设备直接通信前跟PAN协调器协商特点 不同于大多数MAC协议设计目标基于公平 节点等量资源分配 等优先级访问介质 WSN中由于

8、节点协同完成任务，更关心: 能量效率 可扩展性 适应性 网络的动态变化：拓扑结构、网络规模、节点分布密度和流量特性的变化做出动态调整 低延迟和可预测性 可靠性无竞争的MAC协议 基于TDMA系列:流量自适应介质访问（TRAMA）、Y-MAC、DESYNC-TDMA、LEACH、LMAC、MLMAC基于竞争的MAC协议 PAMAS、S-MAC、T-MAC、Pattern MAC、路由增强MAC、数据汇聚MAC、前同步码采样和WiseMAC、接收端驱动式MAC混合型MAC协议 Zebra MAC协议、MH-MAC协议。寻找数据源到终端设备路径（路由问题）网络层主要负责找到从数据源到终端设备（例如网

9、关）的路径。当节点被随机分布到环境中 产生不均匀和不可预测的拓扑 需合作以确定自身位置、识别邻节点以及发现到网关设备的路径。多跳情况下传感器节点在网络层的主要任务 找到源到汇聚节点一条路由。WSN下的特点： 资源不足 无线介质不可靠 无法依靠有线网络中全局寻址方案分类方式根据： 网络结构或组织形式 路由发现过程 该协议提供的操作 以节点为中心or以数据为中心的路由度量 最小跳数 能量 每个数据包最小能量消耗 最长的网络分区时间 节点功率最小方差 最大能量容量 服务质量 鲁棒性洪泛和闲聊 洪泛 发送节点把数据包广播到邻节点，然后这些节点再重复转发到各自的邻节点，直到节点已经收到数据包或数据包达到

10、最大限度的跳转 面临挑战：内爆、重叠、资源盲区。 闲聊 节点不一定要广播数据，而是使用一个可能路径以概率把数据传递给自己的邻节点。 只解决了内爆，没有解决重叠和资源盲区问题。数据中心式路由 SPIN SPIN-PP/SPIN-EC/SPIN-BC/SPIN-RL 定向扩散路由 谣传路由 基于梯度的路由(GBR)主动式路由 DSDV路由协议 优化的链路状态路由。按需路由 自组网络按需距离矢量 动态源路由分层路由 地标路由协议 LEACH协议 PEGA-SIS协议 safari架构基于位置的路由 单播路由 贪婪周边无状态路由（GPSR）、NFP、MFR、指南针路由等 GAF协议，为具有移动节点网络

11、设计。 组播路由 基于位置的可扩展组播（SPBM） 地理组播路由协议（GMR） 基于接收端组播协议RBMulticast。 地域群播 GEAR、GFPG。基于QoS的路由 旨在满足一个或多个QoS度量 延迟、能量、带宽、可靠性 限制 动态拓扑、资源稀缺、无线信道质量变化、缺乏集中控制、网络设备异构等。 SAR、SPEED、MMSPEED协议 一般是求解一个优化问题。能量管理、时间同步、定位、安全能量管理：节点能量有限 解决途径 开发针对WSN能耗特殊性的高效节能通信协议 找出网络中无用活动以减少对整个网络的影响（休眠） 局部能量管理 处理器子系统 通信子系统 总线频率和内存时序 主动式存储器

12、电源子系统时间同步 节点之间重复传递同步消息 单向信息交换 双向信息交换 接收端之间同步 通信实验的不确定性 时间同步协议 基于全球时间源（GPS）的参考广播 基于树的轻量级同步（LTS） 传感器网络的时间同步协议（TPSN） 洪泛时间同步协议（FTSP） 参考广播同步（RBS） 时间扩散同步（TDP）定位 衡量标准是准确度和精度 全局位置（GPS）or 相对位置来度量 基于锚节点的定位技术 or 基于测距的定位技术 测距技术：到达时间（ToA）、到达时间差（TDoA）、到达角（AoA）、接收信号强度（RSS） 基于距离：三角测量法、三边测量法、迭代多边算法和协作多边算法、基于GPS定位 不需要测距的定位算法:Ad Hoc定位系统（APS）、三角形内点近似估计法（APIT）、基于多维定标的定位算法（MDS）安全：WSN中资源受限、工作环境恶劣特性使得把安全漏洞与节点失效、不断变化的链路质量和WSN中其他