無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)

1、Theory And PracticeWaltenegus Dargie德Christian Poellabauer美傳感器連接到集中處理站（基站） 使用本地局域網(wǎng) 通過(guò)無(wú)線方式多個(gè)傳感器協(xié)同形成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 星型拓?fù)?網(wǎng)狀拓?fù)渎酚蓡?wèn)題：找到從傳感器到基站的多跳路徑(Ad Hoc)基站與互聯(lián)網(wǎng)相連 感知、板載處理、通信、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的采集，內(nèi)網(wǎng)分析、相關(guān)性分析、自身數(shù)據(jù)與其他節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的融合最大的制約因素：傳感器節(jié)點(diǎn)工作時(shí)有限的能量預(yù)算。節(jié)點(diǎn)架構(gòu) 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件操作系統(tǒng) 節(jié)點(diǎn)硬件與應(yīng)用程序之間的軟件層物理層 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線數(shù)字通信MAC層 協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)對(duì)共用通信介質(zhì)訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)層 尋找數(shù)據(jù)源到終端設(shè)備路徑（路

2、由問(wèn)題）節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)管理 能量管理、時(shí)間同步、定位、安全傳感器節(jié)點(diǎn)硬件節(jié)點(diǎn)有感知、數(shù)據(jù)處理、通信和電源子系統(tǒng)構(gòu)成傳感子系統(tǒng)：傳感器直接數(shù)據(jù)傳或者通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器接串行外圍接口給處理器子系統(tǒng)。處理器子系統(tǒng) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、程序存儲(chǔ)器、數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）、數(shù)據(jù)總線、地址總線。 專用集成電路（ASIC）和可編程門陣列（FPGA）通信接口：串行外圍接口（SPI）與內(nèi)部集成電路。原型機(jī)：imote節(jié)點(diǎn)、xyz節(jié)點(diǎn)與hogtrob節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)硬件與應(yīng)用程序之間的軟件層輕量級(jí)軟件層，邏輯上位于傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件和應(yīng)用程序之間，為應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)人員提供基本的編程環(huán)境。任務(wù) 應(yīng)用程序與硬件資源交互 為任務(wù)分配時(shí)序和優(yōu)先級(jí)

3、 在那些競(jìng)爭(zhēng)系統(tǒng)資源的應(yīng)用程序和服務(wù)之間進(jìn)行仲裁。特征 存儲(chǔ)管理、電源管理、文件管理、網(wǎng)絡(luò)連接 編程環(huán)境的工具 供用戶開(kāi)發(fā)調(diào)試執(zhí)行其子程序、為用戶提供進(jìn)入操作系統(tǒng)敏感資源的合法入口。功能 數(shù)據(jù)類型、調(diào)度、堆棧、系統(tǒng)調(diào)用、處理中斷、多線程、基于線程和基于事件的編程、內(nèi)存分配非功能 分離關(guān)注點(diǎn)、系統(tǒng)開(kāi)銷、可移植性、動(dòng)態(tài)重編程操作系統(tǒng)原型：tinyos、sos、contiki、liteos點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線數(shù)字通信點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線數(shù)字通信挑戰(zhàn) 有限帶寬和傳輸距離 由于干擾、信號(hào)衰減和多徑衍射導(dǎo)致較差數(shù)據(jù)包傳輸性能基本組成 發(fā)射機(jī)、傳輸信道、接收機(jī)物理層數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào)調(diào)制解調(diào)解碼信源編碼：ADC 采樣、量化、編碼

4、。 主要技術(shù)：脈沖編碼調(diào)制（PCM）和增量調(diào)制（DM）信道編碼 目的：產(chǎn)生一個(gè)對(duì)噪聲有很強(qiáng)魯棒性的數(shù)據(jù)序列 Shannon定理：信道無(wú)差錯(cuò)傳輸能力公式 兩種誤差源：超出信道容量、噪聲 失真過(guò)程（傳輸概率）模型化為一個(gè)隨機(jī)過(guò)程 信道矩陣表征調(diào)制：根據(jù)調(diào)制信號(hào)改變載波信號(hào)的特性 優(yōu)點(diǎn) 調(diào)制的信號(hào)不太受噪聲的影響 有效利用信道的頻譜、容易檢測(cè)信號(hào) 通過(guò)縮短波長(zhǎng)以減少天線的長(zhǎng)度。 數(shù)字調(diào)制：幅移鍵控、頻移鍵控、相移鍵控 正交幅度調(diào)制（QAM） 將兩個(gè)已經(jīng)調(diào)幅好的正交載波信號(hào)合并成一個(gè)復(fù)合信號(hào) 相位差是90獨(dú)立且正交不會(huì)相互影響。信號(hào)傳播：在ISM波段中應(yīng)用協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)對(duì)共用通信介質(zhì)訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)中大量節(jié)點(diǎn)共用一

5、個(gè)通信介質(zhì)傳輸數(shù)據(jù)包。介質(zhì)訪問(wèn)控制（MAC）協(xié)議協(xié)調(diào)對(duì)共用介質(zhì)的訪問(wèn)IEEE802參考模型中，數(shù)據(jù)鏈路層被進(jìn)一步分為邏輯鏈路控制子層和介質(zhì)訪問(wèn)控制層（MAC）主要功能 決定一個(gè)節(jié)點(diǎn)什么時(shí)候可以訪問(wèn)共享介質(zhì) 解決可能發(fā)生在競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)的潛在沖突分類 無(wú)競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議 有競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議無(wú)競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議 固定分配 頻分復(fù)用（FDMA）同時(shí)間分頻帶 時(shí)分復(fù)用（TDMA）同頻帶分幀 碼分復(fù)用（CDMA）不同的編碼形式，同頻帶上多路通信 動(dòng)態(tài)分配 輪詢 令牌傳遞競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議 ALOHA協(xié)議 ACK機(jī)制確認(rèn)廣播數(shù)據(jù)傳送的成功 載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)（CSMA） 先監(jiān)聽(tīng)是否空閑，若空閑以一定概率發(fā)包 CSMA/CD（帶沖突檢測(cè)的） 隱藏終端

6、 A-B D-B 暴露終端 C-D A-B 以太網(wǎng) CSMA/CA（帶沖突避免的） 無(wú)線局域網(wǎng) CSMA CSMA/CA 監(jiān)聽(tīng)到空閑-等待一個(gè)DCF幀間距（DIFS）-等待一個(gè)隨機(jī)退避時(shí)間-使用信道 帶有碰撞避免機(jī)制的多路訪問(wèn)（MACA） 發(fā)送方發(fā)RTS和接收方反饋CTS控制報(bào)文 其他節(jié)點(diǎn)若監(jiān)聽(tīng)到則退避等待使用該信道 握手方式 MACAW、MACA-BI IEEE 802.11: 無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn) “wireless fidelity”( Wi-Fi)確保符合該協(xié)議硬件設(shè)備之間兼容性 融合了CSMA/CA和MACAW中的概念。 可用在分布式協(xié)調(diào)功能（DCF）或點(diǎn)協(xié)調(diào)功能（PCF） DCF模式：設(shè)

7、備間通信直接是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（Ad Hoc模式） PCF模式：設(shè)備間通信需要通過(guò)接入點(diǎn)（AP）或基站的中央設(shè)備，AP協(xié)調(diào)信道的訪問(wèn)可以確保通信無(wú)碰撞。 IEEE 802.15.4與ZigBee 用于868MHz，915MHz和2.45GHz頻段低功率設(shè)備，支持20kbps、40kbps和250kbps的數(shù)據(jù)傳輸率 與11標(biāo)準(zhǔn)（11a高達(dá)54Mbps）相比數(shù)據(jù)傳輸率較小 適用于星型拓?fù)浜投藢?duì)端拓?fù)洹?星型拓?fù)涔ぷ鞣绞脚c藍(lán)牙相似，通信經(jīng)過(guò)個(gè)域網(wǎng)（PAN）協(xié)調(diào)器； 端對(duì)端拓?fù)淙我鈨蓚€(gè)設(shè)備直接通信前跟PAN協(xié)調(diào)器協(xié)商特點(diǎn) 不同于大多數(shù)MAC協(xié)議設(shè)計(jì)目標(biāo)基于公平 節(jié)點(diǎn)等量資源分配 等優(yōu)先級(jí)訪問(wèn)介質(zhì) WSN中由于

8、節(jié)點(diǎn)協(xié)同完成任務(wù)，更關(guān)心: 能量效率 可擴(kuò)展性 適應(yīng)性 網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)變化：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、節(jié)點(diǎn)分布密度和流量特性的變化做出動(dòng)態(tài)調(diào)整 低延遲和可預(yù)測(cè)性 可靠性無(wú)競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議 基于TDMA系列:流量自適應(yīng)介質(zhì)訪問(wèn)（TRAMA）、Y-MAC、DESYNC-TDMA、LEACH、LMAC、MLMAC基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議 PAMAS、S-MAC、T-MAC、Pattern MAC、路由增強(qiáng)MAC、數(shù)據(jù)匯聚MAC、前同步碼采樣和WiseMAC、接收端驅(qū)動(dòng)式MAC混合型MAC協(xié)議 Zebra MAC協(xié)議、MH-MAC協(xié)議。尋找數(shù)據(jù)源到終端設(shè)備路徑（路由問(wèn)題）網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)找到從數(shù)據(jù)源到終端設(shè)備（例如網(wǎng)

9、關(guān)）的路徑。當(dāng)節(jié)點(diǎn)被隨機(jī)分布到環(huán)境中 產(chǎn)生不均勻和不可預(yù)測(cè)的拓?fù)?需合作以確定自身位置、識(shí)別鄰節(jié)點(diǎn)以及發(fā)現(xiàn)到網(wǎng)關(guān)設(shè)備的路徑。多跳情況下傳感器節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)層的主要任務(wù) 找到源到匯聚節(jié)點(diǎn)一條路由。WSN下的特點(diǎn)： 資源不足 無(wú)線介質(zhì)不可靠 無(wú)法依靠有線網(wǎng)絡(luò)中全局尋址方案分類方式根據(jù)： 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或組織形式 路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程 該協(xié)議提供的操作 以節(jié)點(diǎn)為中心or以數(shù)據(jù)為中心的路由度量 最小跳數(shù) 能量 每個(gè)數(shù)據(jù)包最小能量消耗 最長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)分區(qū)時(shí)間 節(jié)點(diǎn)功率最小方差 最大能量容量 服務(wù)質(zhì)量 魯棒性洪泛和閑聊 洪泛 發(fā)送節(jié)點(diǎn)把數(shù)據(jù)包廣播到鄰節(jié)點(diǎn)，然后這些節(jié)點(diǎn)再重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)到各自的鄰節(jié)點(diǎn)，直到節(jié)點(diǎn)已經(jīng)收到數(shù)據(jù)包或數(shù)據(jù)包達(dá)到

10、最大限度的跳轉(zhuǎn) 面臨挑戰(zhàn)：內(nèi)爆、重疊、資源盲區(qū)。 閑聊 節(jié)點(diǎn)不一定要廣播數(shù)據(jù)，而是使用一個(gè)可能路徑以概率把數(shù)據(jù)傳遞給自己的鄰節(jié)點(diǎn)。 只解決了內(nèi)爆，沒(méi)有解決重疊和資源盲區(qū)問(wèn)題。數(shù)據(jù)中心式路由 SPIN SPIN-PP/SPIN-EC/SPIN-BC/SPIN-RL 定向擴(kuò)散路由 謠傳路由 基于梯度的路由(GBR)主動(dòng)式路由 DSDV路由協(xié)議 優(yōu)化的鏈路狀態(tài)路由。按需路由 自組網(wǎng)絡(luò)按需距離矢量 動(dòng)態(tài)源路由分層路由 地標(biāo)路由協(xié)議 LEACH協(xié)議 PEGA-SIS協(xié)議 safari架構(gòu)基于位置的路由 單播路由 貪婪周邊無(wú)狀態(tài)路由（GPSR）、NFP、MFR、指南針路由等 GAF協(xié)議，為具有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)

11、設(shè)計(jì)。 組播路由 基于位置的可擴(kuò)展組播（SPBM） 地理組播路由協(xié)議（GMR） 基于接收端組播協(xié)議RBMulticast。 地域群播 GEAR、GFPG。基于QoS的路由 旨在滿足一個(gè)或多個(gè)QoS度量 延遲、能量、帶寬、可靠性 限制 動(dòng)態(tài)拓?fù)洹①Y源稀缺、無(wú)線信道質(zhì)量變化、缺乏集中控制、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備異構(gòu)等。 SAR、SPEED、MMSPEED協(xié)議 一般是求解一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題。能量管理、時(shí)間同步、定位、安全能量管理：節(jié)點(diǎn)能量有限 解決途徑 開(kāi)發(fā)針對(duì)WSN能耗特殊性的高效節(jié)能通信協(xié)議 找出網(wǎng)絡(luò)中無(wú)用活動(dòng)以減少對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的影響（休眠） 局部能量管理 處理器子系統(tǒng) 通信子系統(tǒng) 總線頻率和內(nèi)存時(shí)序 主動(dòng)式存儲(chǔ)器

12、電源子系統(tǒng)時(shí)間同步 節(jié)點(diǎn)之間重復(fù)傳遞同步消息 單向信息交換 雙向信息交換 接收端之間同步 通信實(shí)驗(yàn)的不確定性 時(shí)間同步協(xié)議 基于全球時(shí)間源（GPS）的參考廣播 基于樹(shù)的輕量級(jí)同步（LTS） 傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步協(xié)議（TPSN） 洪泛時(shí)間同步協(xié)議（FTSP） 參考廣播同步（RBS） 時(shí)間擴(kuò)散同步（TDP）定位 衡量標(biāo)準(zhǔn)是準(zhǔn)確度和精度 全局位置（GPS）or 相對(duì)位置來(lái)度量 基于錨節(jié)點(diǎn)的定位技術(shù) or 基于測(cè)距的定位技術(shù) 測(cè)距技術(shù)：到達(dá)時(shí)間（ToA）、到達(dá)時(shí)間差（TDoA）、到達(dá)角（AoA）、接收信號(hào)強(qiáng)度（RSS） 基于距離：三角測(cè)量法、三邊測(cè)量法、迭代多邊算法和協(xié)作多邊算法、基于GPS定位 不需要測(cè)距的定位算法:Ad Hoc定位系統(tǒng)（APS）、三角形內(nèi)點(diǎn)近似估計(jì)法（APIT）、基于多維定標(biāo)的定位算法（MDS）安全：WSN中資源受限、工作環(huán)境惡劣特性使得把安全漏洞與節(jié)點(diǎn)失效、不斷變化的鏈路質(zhì)量和WSN中其他