无线传感网络整理.doc

v 第一章l 1:无线传感网络特点：1．传感器节点数目大，密度高，采用空间位置寻址2．传感器节点的能量、计算能力和存储能力有限（能量、计算存储低、关键在有效简单的路由协议）3．无线传感网络的拓扑结构易变化，有自组织能力与传统的有不同的特点和技术要求：它根据需要可以在工作和休眠之间切换，因此网络的拓扑结构容易发生变化，传统的网络重在QoS和更大的宽带保证，并且是静止的无线传感器网络需要节省能量，保证连通性和延长运行寿命）4．传感器节点具有数据融合能力（与Mesh网络区别，数据小，移动，重能源 与无线Ad-hoc网络比数量多、密度大、易受损、拓扑结构频繁、广播式点对多通信、节点能量、计算能力受限l 2：WSN，Ad hoc和无线宽带网络关系及各自特点：相同点： 基本不需要人的干预，大部分工作是以自组织的方式完成的，二者统称为自组织网络（Self-Organization Networks）二者的研究都是追求低功耗的自组织网络设计不同点： （1）网络拓扑结构和工作模式各不相同 Ad hoc网络: 网络拓扑结构动态变化 WSN: 网络拓扑结构是（准）静态的。

（2）工作模式不同 WSN: 多对一(Many-to-One)通信，节点之间几乎不会发生消息交换以数据为中心（Data Centric），与组播正好相反 Ad Hoc网络 ：网络中任意两节点之间都有通信的可能l 3：传感器节点4个模块构成：传感器模块：信息采集、数据转换处理器模块：控制、数据处理、网络协议无线通讯模块：无线通信，交换控制信息和收发采集数据能量供应模块：提供能量l 4：拓扑结构：无线传感器网络的网络拓扑结构是组织无线传感器节点的组网技术，有多种形态和组网方式按照其组网形态和方式来看，有集中式、分布式和混合式集中式结构：类似移动通信的蜂窝结构，集中管理；分布式结构：类似Ad Hoc网络结构，可自组织网络接入连接，分布管理；混合式结构：包括集中式和分布式结构的组合无线传感器网络的网状式结构，类似Mesh 网络结构，网状分布连接和管理l 5：WSN协议栈的5层协议和3个管理平台：WSN协议栈多采用五层协议：应用层基于监测任务的应用层软件传输层负责数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要部分网络层负责路由生成与路由选择数据链路层负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术能源管理平台： 管理传感器节点如何使用能量； 移动管理平台： 检测和注册传感器节点的移动，维护到汇聚点的路由，使得传感器节点能够跟踪它的邻居； 任务管理平台： 在一个给定的区域内平衡和调度监测任务l 6：国际标准①IEEE 802.15.4与②Zigbee的关系：①IEEE 802.15.4, 属于物理层和MAC层标准，已成为WSN的事实标准。

②Zigbee, 在IEEE 802.15.4之上，重点制定网络层、安全层、应用层的标准规范v 第二章：WSN路由协议是一套将数据从源节点传输到目的节点的机制l 1：路由协议特点：考虑网络和节点能量优化节点能量限制，大部分能量用于通信，所以研究低功耗的通信协议，尤其是路由协议具有高可扩展性 网络规模，节点上千个，节点越多，路由收敛越慢、路由越不稳定，Ad Hoc的路由不能照搬 网络拓扑变化强节点移动、失效 & 无线信道 & 规模大，拓扑变化频繁，如何建立快速收敛、复杂度低的路由？）传感器网络路由中使用数据融合技术（数据为中心）传统网络以点对点通信，保证数据“完整无误”；WSN强调数据汇聚，为了降耗，每个节点都进行数据融合，减小通信量传感器网络中流量分布不对称 数据收集网络&多源单Sink，越接近Sink，流量越大其他：冗余设计、定位、覆盖性、QoS等l 2：其他网络协议不适用与wsn的原因：与传统网络不同： （传统网络（如GSM）放在QoS上；WSN重点在能耗上）l 3：四种路由协议：能量感知路由协议 节点根据可用能量（power available，PA）或传输路径上的能量需求，选择数据的转发路径。

节点可用能量就是节点当前的剩余能量基于查询的路由协议 泛洪（Flooding）算法的主要思想是由源节点发起数据广播，然后任意一个收到广播的节点都无条件将该数据副本广播出去，每一节点都重复这样的过程直到数据遍历全网或者达到规定的最大跳数算法不用维护网络拓扑结构和路由计算，实现简单但是最主要的是内爆和重叠以及资源盲点等内爆现象重叠现象Gossiping协议是对Flooding协议的改进当节点收到数据包时，只将数据包随机转发给与其相邻的节点的某一个节点或几个，而不是所有节点当相邻节点收到数据包时，也采用同样的办法转发给与其相邻某一个节点优点：就降低了数据转发重叠的可能性，避免了信息内爆现象的产生; 缺点：点到点的时延较大由于随机转发某一个节点的方向并不一定在距离目的节点更近的方向上，因此容易造成数据到达目的节点时间过长或者跳数己达到最大，而数据还没有到达目的节点，造成递送失败刚开始的很短的时间内发送速率很大，但是随着数据的发送，速度会明显降低，而且它并不能很好解决重叠的问题SPIN考虑到WSN的数据冗余，临近节点所感知的数据具有相似性，通过节点间协商方式减少数据传输量，只广播其他节点没有的数据优点SPIN利用三步握制 （解决内爆）SPIN利用数据融合（DC），部分解决了重叠问题不需要进行路由维护对网络拓扑变化不敏感，可用于移动WSN缺点当产生或收到数据的节点的所有邻节点都不需要该数据时，将导致数据不能继续转发本质上SPIN还是向全网扩散新消息，开销比较大当多个节点向同一个节点同时发送REQ时，需要退避算法 虽然减轻了数据内爆，但在较大规模网络中，ADV内爆仍然存在。

集群结构路由协议 地理位置路由协议l 4：集群结构的两个阶段（集群与交互）：集群结构路由协议实际是分层结构路由协议，网络划分为多个簇，每个簇由一个簇头和簇成员组成，这些簇头形成高一级网络，在高一级网络中，可以再一次分簇，形成更高一级网络簇头管理簇内节点，收集和融合簇内信息和簇间数据的转发优点：扩展性好，适宜大规模网络l 5：LEACH：最早的一种分层路由算法，主要考虑簇内节点能耗簇头作为一定区域所有节点的代理，负责和Sink的通信；非簇头节点可以使用小功率和簇头节点通信；簇头节点可以对所辖区域节点数据进行融合，减少网络中传输的数据；簇头选举算法的设计，要求保证公平性；簇内节点与簇头距离近，功耗小；簇头进行数据融合，减少通信量；簇头消耗大量能量，所以定期选举簇头；LEACH算法工作阶段：网络按照周期工作，每个周期分为两个阶段：簇头建立阶段：节点运行算法，确定本次自己是否成为簇头（选簇）；簇头节点广播自己成为簇头的事实；其他非簇头节点按照信号强弱选择应该加入的簇头，并通知该簇头节点；簇头节点按照TDMA的调度，给依附于他的节点分配时间片；数据传输阶段：节点在分配给他的时间片上发送数据；优点优化了传输数据所需能量；优化了网络中的数据量（簇头数据融合）；缺点节点硬件需要支持射频功率自适应调整；无法保证簇头节点能遍及整个网络；分簇与簇头选举 要公平l 6：三步握手协议：节点A有新数据，通过ADV发布新数据信息，使用元数据B节点收到ADV后，发现自己没有该数据，通过REQ向A请求新数据A节点向B节点传送源数据B节点融合新数据，并通过ADV发布新数据消息如果节点ADV中描述的数据的副本就忽略该消息v 第三章l 1:隐藏终端：隐藏终端是指在接收接点的覆盖范围内而在发送节点的覆盖范围外的节点。

隐藏终端由于听不到发送节点的发送而可能向相同的接收节点发送分组，导致分组在接收节点处冲突冲突后发送节点要重传冲突的分组，这降低了信道的利用率隐发送终端可以通过握手报文解决，隐接收终端无法解决l 2:暴露终端：暴露终端是指在发送接点的覆盖范围内而在接收节点的覆盖范围外的节点暴露终端因听到发送节点的发送而可能延迟发送但是，它其实是在接收节点的通信范围之外，它的发送不会造成冲突这就引入了不必要的时延 暴露终端无法解决l 3:隐藏终端和暴露终端问题产生的原因由于网络具有动态变化的网络拓扑结构；在无线环境中，采用异步通信技术，各个移动节点共享同一个通信信道，存在信道分配和竞争问题；为了提高信道利用率，移动节点电台的频率和发射功率都比较低；信号受无线信道中的噪声、信道衰落和障碍物的影响；因此移动节点的通信距离受到限制，一个节点发出的 信号，网络中的其它节点不一定都能收到，从而会出现“隐藏终端”和“暴露终端”问题l 4:隐藏终端和暴露终端问题的解决方法 解决方法的思路：使接收节点周围的邻居节点都能了解到它正在进行接收；一种是接收节点在接收的同时发送 忙音来通知邻居节点，即BTMA（Busy-Tone Multiple Access ）系列；另一种方法是发送节点在数据发送前与接收节点进行一次短控制消息握手交换，以短消息的方式通知邻居节点它即将进行接收，即RTS/CTS方式。

对于隐藏发送终端问题，可以使用控制分组进行握手的方法加以解决在单信道条件下使用控制分组的方法只能解决隐发送终端，无法解决隐藏接收终端和暴露终端问题为此，必须采用双信道的方法即利用数据信道收发数据，利用控制信道收发控制信号；l 5：（竞争型）CSMA/CD与CSMA/CA运作方法：CSMA/CD：（载波监听多路访问/冲突检测方法）是一种分布式介质访问控制协议，网中的各个站（节点）都能独立地决定数据帧的发送与接收每个站在发送数据帧之前，首先要进行载波监听，只有介质空闲时，才允许发送帧这时，如果两个以上的站同时监听到介质空闲并发送帧，则会产生冲突现象，这使发送的帧都成为无效帧，发送随即宣告失败每个站必须有能力随时检测冲突是否发生，一旦发生冲突，则应停止发送，以免介质带宽因传送无效帧而被白白浪费，然后随机延时一段时间后，再重新争用介质，重发送帧CSMA/CD协议简单、可靠，其网络系统（如Ethernet）被广泛使用CSMA/CA：（载波侦听多点接入/避免冲撞）一方面，载波侦听----查看介质是否空闲；另一方面，避免冲撞----通过随机的时间等待，使信号冲突发生的概率减到最小，当介质被侦听到空闲时，优先发送。

还提供了带确认帧ACK的CSMA/CA在一旦遭受其他噪声干扰，或者由于侦听失败时，信号冲突就有可能发生，而这种工作于MAC层的ACK此时能够提供快速的恢复能力l 6：（竞争型）CSMA/CD与CSMA/CA的区别与联系：CSMA/CD带有冲突检测的载波监听多路访问，可以检测冲突，但无法“避免”：CSMA/CA带有冲突避免的载波侦听多路访问，发送包的同时不能检测到信道上有无冲突，只能尽量‘避免’；1.两者的传输介质不同，CSMA/CD用于总线式以太网，而CSMA/CA则用于无线局域网802.11a/b/g/n等等；2.检测方式不同，CSMA/CD通过电缆中电压的变化来检测，当数据发生碰撞。