无线传感器网络（wireless sensor network, WSN）

•构成WSN的三要素：

          传感器、感知对象、观察者

•传感器网络(sensornetwork)

▫由大量广泛分布的小型轻量无线节点组成，这些节点通过测量诸如温度、压力和相对湿度等物理参数来监控环境或系统。

•传感器节点组成

▫传感子系统：感测环境

▫处理子系统：对感测数据进行本地处理

▫通信子系统：负责与邻近节点交换消息

•无线传感器系统（相邻节点有相近性）

▫传感器节点

▫汇聚节点

▫管理节点

无线传感器网络与MANET（每个节点有一个独立的自我）

•传感网络的节点数目多、分布密集

•传感节点更易失效和能量耗尽并且不能充电

•传感节点没有全局ID

▫以数据为中心，不需要往来特定节点的路由；

▫传感节点数目巨大所需的ID往往超过传输的数据；

•传感节点计算能力和存储能力有限

•传感节点大多采用广播路由（能力低）

•传感网络是以data-centric

•传感网络的最大特性是数据聚合（数据为中心）

▫传感节点将本地信息聚合后再中继

无线传感器网络与有线传感器网络

•易于部署

▫随机部署在感兴趣的地方而无需事先规划

▫降低安装成本和增加部署灵活性

•范围扩展

▫许多分布的小型无线传感器覆盖的范围超过一个有线传感器的覆盖范围

•容错能力（单个失效不影响整个网络）

▫单个传感节点的故障不会影响网络的性能（临近节点感测的数据类似）

•移动性

▫节点可进行中心分布以便分布均匀（相对ad hoc节点的移动速度慢）

无线传感网络的特性

•大规模网络（节点密度高）

▫信息量大、高精确度、高容错性、大覆盖区域

•自组织网络（无人为干扰）

•动态性网络（也可能是静态）

•可靠的网络（节点多）

•应用相关的网络（不用应用场合，传感器布网是不同的）

•以数据为中心的网络（关心区域，不关心节点）

•节点能力受限

•临近的传感节点拥有相似的数据

▫不需要每个节点发送数据

▫需要节点具备数据聚合的能力

•传感网络特定于应用

▫节点是否移动

▫数据是否基于固定属性

•位置感知

▫多数数据搜集是基于位置的

▫节点需要了解自己的位置

•节点应对环境的激烈变化作出立即反应

▫有效利用有限无线信道带宽和电池能量以最小延迟让端用户感知猛烈的异常情况

•具备查询控制能力

▫用户手持设备向基站或者附近的传感节点查询数据

▫必须有可靠的机制确保查询命令到达恰当的节点和节点逆向回答到手持设备用户

传感器网络的体系结构

•层次体系结构

•由一个强大的基站（BS）和围绕着它的一系列分层传感节点组成

•与BS跳计数相同的节点位于同一层次

•Clustered体系结构

▫将传感节点组成一个个cluster

▫每个cluster由一个head控制

▫每个节点与各自的head交换信息

▫Head与BS交换信息

▫BS与有线网络连接

传感器网络的协议栈

•应用层

▫使得底层硬件和软件对传感应用是透明的

▫Sensor

management protocol (SMP)

▫Task

assignment and data advertisement protocol (TADAP)

▫Sensor

query and data dissemination protocol (SQDDP)

•传输层

▫当传感系统需要被Internet或者其他外部网络访问时传输层至关重要

▫至今未有实质性的工作，所有传感器网络传输层相关问题的研究都在文献中表示

•网络层

▫节能总是最重要的考量

▫传感网络多数是以数据为中心的

▫数据聚合不能影响传感节点的协同

▫理想的传感器网络基于属性寻址并能感知位置

▫路由

•数据链路层

▫负责介质访问和差错控制

▫确保通信网络中的点-点和点-多点连接

•介质访问控制

▫创建网络架构

▫在传感节点之间公平有效地共享通信资源

•差错控制

▫前向纠错(FEC)

▫自动重发检错(ARQ)

•物理层

▫负责频率选择、频率产生、信号检测、调制解调和数据加密

•设计无线传感网络MAC协议时需考虑：

▫节省能量

▫可扩展性

▫网络效率

MAC协议分类

•S-MAC协议

•主要思想：

▫1. 采用周期性的休眠/侦听方法减少空闲侦听带来的能量损耗；

▫2. 当有节点收发数据时，与此无关的邻居节点进入休眠减少冲突与串音带来的能量损耗；

▫3. 采用消息传递机制，减少控制消息带来的能量损耗；

▫4. 采用自适应的侦听机制，减少消息传输延迟

关键技术1

•周期性睡眠和侦听

关键技术2

冲突避免

关键技术3

•流量自适应侦听（Adaptive Listening）

关键技术4

•消息传递机制

•T-MAC协议

活跃时间的长度是固定的

•按照能够处理最高负载来设计

•如果网络中消息传递的速率很低的话，仍然有大量的能量浪费在idlelistening

关键技术1

▫动态调整调度周期中的活跃时间长度

▫在TA时间内没有发生激活事件则进入睡眠

•采用S-MAC的部分机制

▫固定调度周期

▫周期性广播SYNC帧

▫RTS/CTS控制报文

•在活跃状态下，节点可能保持监听，也可能发送数据。当在一个时间段内没有发生激活事件时，活跃状态结束，节点进入睡眠状态。激活事件的定义如下：

▫(1)定时器触发周期性调度唤醒事件。

▫(2)物理层从无线信道接收到数据包。

▫(3)物理层指示有的无线信道忙。

▫(4)节点的DATA帧或ACK帧发送完成。

▫(5)通过监听RTS；CTS帧，确认邻居的数据交换已经结束。

TA选择

•TA决定了每个周期的最短空闲侦听时间。

▫TA的取值约束:

▫TA > C+R+T

�C – 竞争信道的时间;

�R – 发送RTS包所需的时间;

�T – 从RTS发送结束到开始发送CTS的时间;

•TA = 1.5 * (C+R+T);

关键技术2

•早睡问题

解决早睡问题的两种方法

▫1）预请求发送机制

•当节点C收到B发给A的CTS后，立即向D发送一个FRTS。FRTS帧包含节点D接收数据前需要等待的时间长度，D在此时间内必须保持在监听状态。

•由于C发送的FRTS可能干扰A发送的数据，所以A需要将发送的数据延迟相应的时间。A在接收到CTS之后发送一个与FRTS长度相同的DS帧，该帧不包含有用信息，只是为了保持AB对信道的占用，在发送DS之后A立即向B发送数据信息

•由于采用了FRTS机制。增加一个CTS时间。FRTS方法可以提高吞吐量，减少延迟，但是增加了控制开销，会降低TMAC协议的能量效率。

▫2) 满缓冲区优先机制

•当节点的缓冲区接近占满时，对接收到的RTS帧不回复CTS，而是立即向缓冲区中数据包的目的节点发送RTS，以建立数据传输。如图3-12所示。B向C发送RTS，C因缓冲区快占满不发送CTS，而是发送RTS给D

•这个方法的优点是减少了早睡问题发生的可能性，在一定程度上能够控制网络的流量。缺点是在网络数据量较大时增加了冲突的可能。

•评价

▫优点

�提高了吞吐率、减少延时

▫缺点

�额外的通信开销

�降低能量效率

•评价

▫优点

�一定程度上控制了网络的流量

▫缺点

�数据量较大时，增加了冲突的可能

•Sift协议

•Sift协议是由K.Jamieson等提出的，是基于事件驱动的MAC协议

•充分考虑了WSN的三个特点

▫WSN是事件驱动的，存在事件检测的空间相关性和事件传递的相关性；

▫由于汇集节点的存在，不是所有节点都需要报告事件；

▫感知事件的节点密度随时间动态变化。

•设计目标是：当共享信道的N个节点同时检测到同一个事件时，希望R个节点（R<N)能够在最小时间内无冲突地成功地发送事件检测消息，抑制剩余N-R个节点的消息发送。

•Sift协议很好地利用了WSN流量具有突发性和局部相关性，通过在不同时隙采用不同的发送概率，使得在短时间内部分节点能够无冲突地广播事件，从而在节省能量的同时，节省了传输延时

Sift协议-基本思想

•基于事件驱动的无线传感器网络具有如下特点：

▫①网络中的数据传输由事件驱动，存在空间相关的竞争。

▫②不是所有节点都需要报告事件。

▫③节点的密度是时变的。

•当数据需要发送时，节点首先在发送窗口[1，CW]内的概率随机选择一个发送时隙，然后节点监听直接选择的发送时隙到来。如果监听期间没有其他节点使用信道，则节点立即发送数据。否则需要在信道空闲时重新选择发送时隙。

•冲突时就倍增时间窗口大小CW，并且在新窗口内重新选择发送时隙，以增大无冲突发送的概率。

无线传感网络的路由协议-特点

•能量优先

•基于局部拓扑信息

•以数据为中心

•应用相关

WSN基于应用的分类

•能量感知路由协议

▫从数据传输的能量消耗出发，讨论最优的能量消耗路径、最长的网络生存期等问题

•最早的路由机制之一

•主要思想：

▫根据节点的可用能量（power available, PA）或者传输路径上的能量需求，选择数据的转发路径

•例子

▫大写字母表示节点；

▫括号内表示可用能量                                            

▫双向线表示通信链路

▫链路上数字表示数据发送所需的能量消耗。

•基于查询的路由协议

▫环境检测应用，sink节点发出查询命令，传感器节点不断报告采集的数据

基于查询的路由-基于内容的访问

•基于IP地址的访问

▫“地址为13,

47, 2225,14592和14593的节点温度是多少？他们的平均温度是多少？”

▫根据IP地址找到相应的节点

▫提供点到点的报文转发以支持传输层端到端无失真信息传输

•基于内容的访问

▫“逸夫教学楼11阶的平均温度是多少？”

▫根据用户的兴趣属性找到相应的节点

▫属性：数据特征

▫数据在网络协议的操作中有意义

基于查询的路由-相关概念

•兴趣（Interest）

▫Sink 下达的感知任务

▫需要的数据类型、目标区域、数据发送速率、时间戳等

•举例：

▫类型＝温度

▫阈值＝20

▫时间间隔＝50ms

▫持续时间＝10s

▫区域＝[0，0，20，20]

•兴趣的描述

▫Attribute-Value-Operation

▫Attribute:

�数据类型

�如温度、压力、流量等

▫Value：

�数值

▫Operation:

�操作符

�等于、不等于、大于、小于、大于等于、小于等于……

基于查询的路由-定向扩散Directed Diffusion

•主要思想：

▫Sink节点（汇聚节点）周期地通过洪泛方式广播一种被称为兴趣(Interests)的消息，告诉网络中的节点需要搜集何种信息。兴趣在网络中扩散的同时建立从源节点到汇聚节点的路由路径(梯度Gradients)。通过兴趣扩散阶段建立的路径，源节点将数据消息传送到汇聚节点。汇聚节点选择一条最优的路径进行强化(Reinforcement)，后续的数据沿着这条路径传输。

•特点

▫1. 数据为中心，可以定义多任务与多区域

▫2. 多路径，健壮性好

▫3. 不需要全局的地址机制

▫4. 节点不需要维护网络的拓扑结构

▫5. 每个节点都可以进行数据融合，通信量减少，节能

▫6.汇聚点根据实际情况周期性的调整路由，能量的消耗均衡、高效。

•劣势

▫1. Gradient的建立依靠洪泛传播，时间和能量开销大

▫2. 维护兴趣消息列表在多应用支持下代价也很大

▫3. 数据融合过程需要用到时间同步技术，会带来较大的开销和时延。

基于查询的路由-谣传路由（rumor routing）

•提出背景

▫在某些应用中，只有少量的数据需要从源节点传递到Sink节点。在这种情况下，没有必要向整个网络以洪泛的方式广播兴趣。

•事件洪泛VS 兴趣洪泛

▫从网络节能的角度

▫当WSN中的事件（对应着数据的传递）数量很少，而查询（对应着兴趣的传递）数量很多时，可以采用事件洪泛的方法

▫相反，当WSN中的事件数据数量很多，而查询消息数量很少的时候，可以采用兴趣洪泛的方法。

▫谣传路由介于两者之间

事件洪泛

•当一个节点发现网络中某种事件的发生的时候，它把事件洪泛发送到整个网络，其他的节点就可以形成一个指向事件源节点的梯度表

▫假设网络中的节点数量是N

▫事件的数量是E

▫通过事件洪泛，需要消耗的网络的能量为E *N

▫该能量消耗与关心该事件的节点的数量无关

▫如果事件报告的数量相对于查询的数量而言很少，则该策略有效。

兴趣洪泛

•当Sink节点对网络中某种事件的发生感兴趣的时候，它把兴趣消息洪泛的发送到整个网络，其他的节点就可以形成一个指向sink节点的梯度表

▫对于N节点的网络，每次查询会执行N次传输

▫执行Q次查询，需要进行的传输数量是N *Q

▫能量消耗与网络跟踪的事件的数量无关

▫当事件的数量相对于查询的数量非常高时，本策略可以节省很多能量

•地理位置路由协议

▫跟踪应用，已知节点的位置，并作为路由选择的依据

•可靠的路由协议

▫对通信的服务质量要求较高的应用