无线传感器网络简明教程7-复习

1无线传感器网络21、无线网络的分类无线网络有基础设施网无基础设施网移动自组织网络AdHoc无线传感器网络WSN无线蜂窝网等无线局域网31、无线网络的分类WSNAdhoc无线宽带网（GSM、3G、WiFi、WiMax）动态拓朴分组传输准静态拓朴多对一模式网内数据处理宽带优化功耗优化42、无线传感器网络的定义大规模、无线、自组织、多对一、多跳、无分区、无基础设施支持的网络、其中的节点是同构的、成本较低、体积较小、大部分节点不移动、被随意撒布在工作区域，要求网络系统有尽可能长的工作时间。53、无线传感器网络的系统架构互联网、卫星移动通讯网络汇聚节点管理节点传感器节点用户待测区域63、无线传感器网络的系统架构三个节点任务管理节点汇聚节点传感器节点74、无线传感器节点的功能模块传感器模块传感器A/D处理器模块处理器/存储器无线通信模块收发器MAC嵌入式软件系统电源模块网络84、无线传感器节点的网络体系（2）无线传感器节点网络体系（三部分）网络层（路由）数据链路层（MAC）传输层（传输控制）物理层（声、光、电磁）能量管理平台网络管理接口时间同步、定位应用层移动管理平台任务管理平台网络通信协议网络管理平台应用支撑平台应用服务接口9网络层（路由）数据链路层（MAC）传输层（传输控制）物理层（声、光、电磁）网络通信协议组网通信4、无线传感器节点的网络体系105、物理层（1）物理层的定义●为建立、维护和释放数据链路实体之间的二进制比特传输的物理连接，提供机械的、电气的、功能的和规程性的特性●物理层协议是各种网络设备进行互联时必须遵守的底层协议●物理层对数据链路层屏蔽物理传输介质的特性，以便对高层协议有最大的透明性，但它定义了数据链路层所使用的访问方法115、物理层（2）物理层的主要功能●为数据终端设备（DTE）提供传输数据的通路●传输数据●其他管理工作：如信道状态评估、能量检测等125、物理层●介质的选择●调制技术●频段的选择（3）物理层的主要技术136、MAC协议（1）MAC协议(介质访问控制协议)决定了无线信道的使用方式,在无线传感器网络节点之间分配有限的无线通信资源,用来构建无线传感器网络系统的低层基础结构。146、MAC协议●基于竞争的MAC协议●基于分配型的MAC协议●基于混合型的MAC协议（2）MAC协议的分类156、MAC协议（3）基于竞争的MAC协议●所有节点公用一个信道●主要思想：当无线节点需要发送数据时，主动强占无线信道，当在其通信范围内其他无线节点需要发送数据时，也会发起对无线信道的抢占●需要通过相应的机制来保证任一时刻在通信区域内只能有一个无线节点获得信道的使用权166、MAC协议（3）基于竞争的MAC协议●CSMA/CA协议（IEEE802.11MAC层协议）●S-MAC协议176、MAC协议（4）RTS-CTS握手机制●发送节点在数据发送前与接收节点进行一次短控制消息的握手，接收节点以短消息的方式通知邻近节点它将进行接收，既RTS-CTS方式。●邻近节点在收到RTS帧和CTS帧后，在以后的一段时间内抑制自己的传输，从而避免对即将进行的数据传输造成碰撞。●尽管这种方式是以增加附加控制开销为代价的，但它是目前解决这个问题的主要趋势。RTSABCDCTSNAVNAV数据ACK186、MAC协议（4）RTS-CTS握手机制●在请求帧RTS与清除帧CTS中都有一个字段表示这次数据交换需要的时间长度，成为网络分配矢量（NAV），其他帧的MAC头也会捎带这一信息。RTSABCDCTSNAVNAV数据ACK●NAV可看作一个计数器，以均匀速率递减计数到零。当计数器为零时，虚拟载波侦听指示信道为空闲状态；否则，指示信道为忙状态。196、MAC协议（4）RTS-CTS握手机制和退避机制●节点在进入退避状态时启动一个退避计数器，当计时完成时计数退避状态。在退避状态下，只有当检测到信道空闲时才进行计时，如果信道忙，退避计时器中止计时，直到检测到信道空闲。RTSABCDCTSNAVNAV数据ACK●当多个节点推迟且进入随机退避时，利用随机函数选择最小退避时间的节点作为竞争优胜者。RTS206、MAC协议（5）S-MAC协议是针对传感器网络的节省能量需求而提出的传感器MAC协议。●周期性侦听/睡眠的低占空比工作方式，尽可能处于睡眠状态●邻近节点通过协商的一致性睡眠调度机制形成虚拟簇，减少侦听时间●通过流量自适应的侦听机制，减少消息在网络中的传输延迟●采用带内信令来减少重传和避免侦听不必要的数据●通过消息分割和突发传递机制减少控制消息的开销和消息的传递延迟216、MAC协议（6）S-MAC协议---周期性侦听和睡眠机制侦听侦听睡眠睡眠●节点协同进行周期性侦听和睡眠的状态切换，确保节点能同步进行侦听和睡眠调度。●调度周期：周期性侦听和睡眠的时间之和为一个调度周期。226、MAC协议（6）S-MAC协议---流量自适应侦听机制RTSA数据1RTS数据2BCTSACK侦听睡眠侦听CTSACKBCTSACK侦听侦听CTSACKRTSA数据1RTS数据2侦听睡眠236、MAC协议（6）S-MAC协议---冲突与串音避免机制●在RTS/CTS帧中都带有目的地址和本次通信的持续时间信息，收到该帧后，如果发现目的地址不是本地地址，节点马上进入睡眠状态，并将此次通信的持续时间存储到本地的NAV中。●NAV会随着本地时钟的运行递减。●在NAV值非零期间节点都处于睡眠状态，避免了串扰数据包的接收，减少了能量损耗。246、MAC协议（6）S-MAC协议---消息传递机制●采用“消息传递”机制发送长信息。●将长的信息包分成若干个DATA，并将他们一次传递，但是只使用一个RTS/CTS控制分组作为交互。●节点为整个传输预留道，当一个分段没有收到ACK响应时，节点便自动将信道预留向后延长一个分段传输时间，并重发给分段，整个传输过程中DATA和ACK都带有通信剩余时间信息，邻近节点可以根据此时间信息避免串扰。257、路由协议（1）路由协议(路由算法）负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点（2）路由协议的功能确定最佳路径数据交换26（1）ADV扩散7、路由协议（3）SPIN路由算法BA（2）数据请求BA（3）数据传输BA（4）ADV扩散BA（5）数据请求BA（6）数据传输BA277、路由协议（3）SPIN路由算法●优点：ADV消息减轻了内爆问题；通过数据命名解决了交叠问题；节点根据自身资源和应用信息决定是否进行ADV通告，避免了资源利用盲目问题。●缺点：若邻近节点都不需要数据时，导致数据不能转发；在大规模网络中，内爆问题依然存在。287、路由协议（4）DD路由算法●基本思想：汇聚节点周期通过泛洪的方式广播“兴趣”的数据包，告诉其他节点需要收集什么样的数据；“兴趣”在网络扩散的过程中建立了路由路径；采集到“兴趣”相关数据的节点通过路由路径将数据传送到汇聚节点。297、路由协议（4）DD路由算法（定向扩散协议）Sink数据源兴趣扩散Sink数据源梯度建立Sink数据源路径加强30网络层（路由）数据链路层（MAC）传输层（传输控制）物理层（声、光、电磁）能量管理平台网络管理接口时间同步、定位、安全机制、数据融合应用层移动管理平台任务管理平台网络通信协议网络管理平台应用支撑平台应用服务接口31定位技术数据融合时间同步机制容错技术应用层基础技术安全机制328、时间同步机制（1）时间同步的定义●时间同步定义：为通过对本地时钟的某些操作，达到为分布式系统提供一个统一时间标度的过程●WSN节点的本地时钟：晶振产生的时钟信号，频率会因电压、温度等漂移，造成失步338、时间同步机制（2）时间同步的分类●排序、相对同步与绝对同步●外同步和内同步●局部同步和全网同步348、时间同步机制（3）WSN的时间同步协议●DMTS●RBS●TPSN●FTSP经典同步协议侧重于同步精度和同步能耗的需求●萤火虫同步●协作同步新型同步协议侧重于同步可扩展性和健壮性358、时间同步机制（4）TPSN协议–操作过程●第一阶段：层次发现阶段●第二阶段：同步阶段368、时间同步机制（4）TPSN协议–操作过程–层次发现阶段●根节点发送分组包（包括发送节点的ID和级别0）●根节点临近节点收到分组包后，建立自己的发送分组包（包括发送节点的ID和级别1）●节点收到第i级节点的广播分组后，建立自己的发送分组包（包括发送节点的ID和级别i+1）●节点一旦建立自己的级别，就忽略任何其它级别的发送分组包，以防止网络产生洪泛拥塞378、时间同步机制（4）TPSN协议–操作过程–同步阶段●根节点通过广播时间同步分组启动同步阶段●第1级节点收到分组后，各自分别等待一段随机时间后与根节点交换消息同步到根节点●第2级节点收到第1级节点的交换消息后，后退和等待一段随机时间后与对应的第1级别节点交换消息进行同步●最后每个节点与层次结构中最靠近的上一级节点进行同步，从而所有节点同步于根节点384.1.3WSN的时间同步机制（3）TPSN协议–相邻级别节点间的同步机制DddT1T1,T2,T3T2T3RStRtS0T1T4SYNC_PKTACK_PKT21()TTd43()TTd398、时间同步机制（4）TPSN协议–相邻级别节点间的同步机制节点B节点AT1T4T2T3RequestReply同步点2)34()12(TTTT2)34()12(TTTTd408、定位技术（1）定位的定义●定位含义：确定位置，即确定自己在系统中的位置或目标在系统中的位置●WSN定位：网络通过特定方法提供节点位置信息，包括节点自身定位和目标定位●自身定位：确定网络节点的坐标位置的过程，通过人工标定或节点自定位算法完成●目标定位：确定网络覆盖范围内一个事件或一个目标的坐标位置，是通过参考节点确定事件或目标在网络中所处的位置418、定位技术（2）定位的分类●物理位置和符号位置●基于测距定位和无需测距定位●室内定位和室外定位●被动定位和主动定位428、定位技术（3）距离测量方法●信号强度（RSS）●信号传播时间/时间差往返时间（TOA/TDOA/RTOF）●接收信号相位差（PDOA）●近场电磁测距（NFER）438、定位技术（3）距离测量方法--信号传播时间/时间差往返时间T0T1发射机接收机发射机接收机T0T1T2T3T0T3发射机接收机T2T1TOATDOARTOFVTTd*)(012*)]()[(1203VTTTTdUSRFUSRFVVVVTTTTd**)]()[(0213448、定位技术（4）质心算法质心（Centroid）指多边形的几何中心，是多边形顶点坐标的平均值。设多边形定点位置的向量表示为pi=（xi,yi）T，则质心为：)1,1(),(11niiniiestestYnXnYX454.2.3无需测距的定位技术（2）DV-Hop算法测量确定分布在2个参考节点之间的待定节点构成的多跳网络的跳数，估算出每一跳的距离，从而确定每个节点的位置精度：网络平均连通度为10，参考节点比例为10%的各向同性网络中定位精度约为33%。缺点：仅仅在各向同性的密集网络中，校正值才能合理地估算平均每跳距离。L3AL1L2A平均每跳距离=(40+75）/（2+5）=16.42mL1=3×16.42L2=2×16.42L3=3×16.42然后使用多边测量法确定节点的位置