无线传感器网络技术

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1、无线传感器网络技术之前一直想写一点读书的笔记，奈何不知道该如何下手，也不知道读书笔记的重要性。 直到昨天逛了一下飞比的zigbee论坛，才发现里面的大神写的读书笔记是多么的有用。这 东西就相当于对自己之前读过的书的一个回忆和总结，不仅是对自己，对以后的学弟学妹们 的学习也是能起到很大的作用的。由于是第一次写这种读书笔记，加上之前读过的技术方面 的书不算太多，也比较杂，就挑了最近度过的一本无线传感器网络技术来试试手。可能 开始写有很多不足之处，以后我会努力改进。废话不多说，直接进入主题吧。这本书讲的基本的无线传感网络的知识，主要概述了无 线传感网的体系结构，网络协议栈各层的协议，无线传感器网络相

2、关的技术和无线传感器网 络的协议标准等。我的读书笔记就从下面几个点来展开吧。1. 无线传感网络概述首先我先说一下无线传感网络和物联网之间的关系，我想大多数刚接触物联网的同学都 会犯这个迷糊。无线传感器网络是一种由大量的微型传感器节点组成的面向任务的无线自组 织网络系统。所谓的微型传感器节点就是我们不是指我们平常所说的传感器，而是由传感器， 处理器，通信模块和电源模块组成的一个整体。而我们平常所说的物联网则是一个广泛的概 念。无线传感器网络和物联网之间是包含于的关系。物联网的概念可以分成四层：感知层， 网络层，管理层和应用层。其中无线传感器网络就属于物联网中的感知层。另外在介绍一下 其他层的作用

3、：网络层就是我们现在使用的传统的无线网络，像公共的Wi-Fi，还有移动通 信网络2G，3G，4G等。管理层就是网络另一头的处理端，负责存储处理下层发来的海量 数据。应用层则是管理物联网的各种应用了。感知层采集到的数据汇聚到网关节点后，由它 将数据通过网络层的网络发送到管理层，由管理层的服务器负责存储和处理这些海量的数 据。然后将处理过后的数据用于实现应用。这就是物联网整个工作的流程。无线传感网络和传统的无线自组织网络有很多类似之处，像自组织特性，分布式控制和 拓补控制性。同时和传统无线自组织网络也有许多不同之处，比如网络规模较大，节电能力 受限，节点可靠性差，以数据为中心，多对一传输模式，冗余

4、度高和应用相关性。其中节点 的节点能力是限制当前无线传感器发展的一个最大的门槛。下面说一下无线传感器网络的体系结构。通常无线传感器的节点结构分为四个部分我们 前面已经说过了。网络结构的话分为单跳网络和多挑网络结构。单跳网络是指从传感器到网 络的汇聚节点数据的传输路径都只有一跳的距离，这种网络结构通常不适用于无线传感网 络，因为这对传感器节点的能量要求较高。而多跳网络结构分为平面结构和分层结构，平面 结构是一种简单的多跳网络结构，网络中个节点的作用是相同的，节点地位是平等的，这样 的网络比较容易实现，但会产生节点能量不均的问题，这在之后在讨论。分层结构可以说是 平面网络的基础上实现的。它的方法是

5、在网络中将节点组织成一系列的簇，每个簇中由多个 传感器节点和一个簇头节点组成。簇中的传感器节点将数据发到各自的簇头节点，簇头节点 将数据进行融合处理后在向上发送直到汇聚节点。同时簇头节点的选举也会按照一定的规则 改变以平衡簇中各节点的能量。这个方法解决了平面结构的问题，适用于无线传感器网络。 无线传感网络协议栈和TCP/IP协议栈类似，分为五层。但各层的协议实现与传统网络完全 不同。我们之后再讨论。2. 无线传感网络协议栈简析1）PHY 层物理层讲的不会很多，讲一下基本的东西吧。物理层的作用包括的传输媒体和频率的选 择，载波频率的产生，信号的调制、解调、检测和数据加密等。在传输媒体选择上，可以

6、选 择的有射频，光和红外线，另外UWB超宽带也许会成为未来无线通信的主流技术。频率上 射频使用的是ISM频段，在中国一般使用2.4GHZ频段，北美和欧洲使用916MHZ和433MHZ 频段。物理层我没有过多研究，在此就这样简单介绍吧。2）MAC 层无线传感网络中由于节点在能量，存储和处理能力上的限制，使得传统网络上的MAC 协议无法直接用于无线传感网络。因此必须设计适合无线传感网络的MAC层协议。在设计 的过程中必须首先考虑网络的能量效率，其次再考虑网络的吞吐量，传输延迟，带宽利用率， 可扩展性等方面。无线传感网络MAC协议的特点，说到底还是与能量效率挂钩的。其次就是传输延迟， 效率和可扩展性

7、方面的问题。MAC协议在分类方面可分为两个大类：竞争型的MAC协议和非竞争型的。在两者的 基础上还有一种混合型的。竞争型的MAC协议主要介绍载波监听多路访问（CSMA）。载波监听技术又可分为非 坚持型，1-坚持型和p-坚持型。非坚持型CSMA协议中，当节点一旦监听到信道繁忙便不 再监听，而是按照一定的退避算法退避一段时间后再监听，其他两种类型类似P指的是再 次监听的概率）。在CSMA的基础上可增加冲突检测（CD）或冲突避免（CA）功能CSMA/CD 是我们熟知的传统网络上的MAC协议。然而该协议并不适用于无线网络上，因为在无线网 络中冲突的检测存在一定问题，检测冲突要求节点能同时发送和接受信号

8、，这会大大增加节 点成本。那么由此诞生出了 CSMA/CA协议。CSMA/CA协议中引入了一种握手机制，传 送数据前发送端先向接收端发送一个请求发送报文（RTS），等待接收端回应允许发送报文 （CTS），再开始传送。通过这样一个握手能使首发双方的相邻节点了解到信道上即将进行 的数据传输从而进行退避。非竞争的MAC协议中典型的协议有：时分多路接入（TDMA），频分多路接入（FDMA） 和码分多路接入（CDMA）。各协议之间各有优点和缺点，在这不再详细介绍。还有各类的MAC协议有各自具体的实现协议，像竞争型MAC协议中有S-MAC， T-MAC，Sift，WiseMAC 协议等，非竞争型MAC 协

9、议中有：DEANA，SMACS，DE-MAC， TRAMA协议等。像混合型协议有Z-MAC协议。3）网络层无线传感器网络网络层的协议和MAC层一样，不能直接使用传统网络网络层的协议。 因此在设计网络层协议的过程中必须优先考虑节能的问题。无线传感器网络路由协议与应用相关，不同的应用对网络的要求不同。则根据不同应用 的要求，可将路由协议分成一下几类：平面路由协议、分层路由协议、基于能量的路由协议、 基于多路径的路由协议、基于移动性的路由协议、基于位置的路由协议、基于机会的路由协 议和以数据为中心的路由协议。之前忘了说，由于无线传感器网络的特殊性，在设计协议的过程中往往会碰到传感器节 点能量和协议性

10、能相矛盾的问题，这在之前的MAC协议，现在讲的路由协议和之后讲的传 输层协议的设计中都会碰到的问题，这是传感器网络协议设计中普遍的一个技术挑战。在介绍路由协议中个我就不一一介绍了，只选择基于能量的路由协议来详细介绍一下 吧。能量效率是无线传感器网络中最关心的问题，因此对传感器能量效率敏感的应用可以选 择使用基于能量的路由协议。典型的路由协议有：最小功率路由、最大剩余能量路由，最小 不情愿度路由和基于组合能量代价的优化路由。其中我一一简要介绍一下。最小功率路由是在连接两个节点的所有路劲中选择路径总功率最小的一条路径。设Pi 和Pj分别表示节点i向节点j发送单位数据所需的最小功率和节点j接收单位数

11、据所消耗的 功率，则有：P = E + K x d aP = E其中，E表示发送电路或接受电路所消耗的能量；K是一个依赖于天线特性的常数，一般可 忽略，即K=1；电指发送节点i和接收节点j之间的距离，a是一个与媒体传播损耗特性相 关的常数，称为路径损耗银子，通常2a6o最小功率路由具有3个主要特性：第一，由上式可知，最小功率路由路径选择倾向于 短链路，导致路径的跳数多，传输延迟大；第二，如果节点静止则节点之间的功率是固定的， 这种情况下会导致流量集中到最小功率路径上，导致能量分布不均，路径上的节点能量先耗 尽能量死亡；第三，如果节点之间的路径功率都相同，那么最小功率路由就是最小跳数路由。最大剩

12、余能量路由是在连接两个节点的所有路径中选择路径剩余能量最大的哪一条。若 领Ex代表节点x的剩余能量，则对与源节点s和目的节点d的一条路径P，剩余能量表示 为：E = min Ex I x e V (P)其中，V(P)代表路径P上节点的集合。最大能量路由能平衡网络中节点的能量剩余，但是并没有考虑到端到端路径的能量消 耗。连接两点的最大能量路由并非最小功率路由，反之亦然。最小不情愿度路由是一种寻找最小不情愿度路径的方法。一个节点X充当一条路径上中 间转发节点的不情愿度的概念定义如下：f (x) = ExL-jX式中Ex表示节点x的剩余能量，且是一个归一化的值，区间0,1。则一条路径P不情愿度 定义

13、为该路径上所有中间节点的不情愿度之和，即：f (P) = Z f (x)xeV (P)连接一条路径的源节点和目的节点的最小不情愿度路径是所有路径不情愿度f(P)中最小的 那条。网络层的内容就先介绍到这了，要是想了解其他路由协议的话可以自行翻阅资料。3.传输层无线传感器网络的传输层协议的作用与传统网络类似，但复杂度远远达不到传统网络的 水平。传统网络的TCP协议由于过于复杂并不适用于无线传感网络，而无线传感网络的传 输协议也需要优先考虑能量效率，同时协议不能过于复杂。这也是传输协议设计的一个技术 难关。在这里我觉得应该减少一些详细的介绍了，简要的介绍即可，因为这只是一个读书笔记， 写的是自己对书

14、中内容的理解，详细的内容还是得自己从书中去找，不然就变成重新将书抄 一遍下来了。言归正传，无线传感器网络传输协议也是与应用的相关的，和路由协议一样，不同的应 用使用着不同的传输协议。另外由于无线传感器网络的特殊性，不同方向上传输的数据对可 靠性要求不同，例如，从节点往汇聚节点方向上的数据由于有一定的冗余，允许一定程度上 的数据丢失，而汇聚节点往节点方向上的传输的数据通常是一些查询控制命令等，这要求数 据的可靠性比较高。无线传感器网络传输协议可分为拥塞控制、可靠传输协议和拥塞控制和可靠传输混合协 议三大类。用户可根据应用选择适用的协议。在拥塞控制协议中，又分为面向拥塞避免的协议和面向拥塞消除的协

15、议。前者通过对节 点的发送速率进行动态分配或控制节点是否传输数据来实现避免拥塞的目的，后者则通过对 当前节点和网络状态以及接收数据的逼真度的进行拥塞检测，对已发生的拥塞向相邻节点发 送通知信息和通过控制速率或流量的转移调度（通常与多路径路由相结合）或对数据融合进 行拥塞缓解来解决拥塞发生后的消除问题。可靠传输协议中，主要的功能是避免下层传输中出现数据包丢失的问题，使数据能够完 整地在链路上传输。传统的TCP协议中使用了重传机制，这也适用于可靠传输协议中。可 靠传输协议中的丢包恢复机制由丢包检测反馈和重传回复组成。丢包恢复机制和TCP协议 类似，在数据发送过程中使用应答方式进行丢包检测。重传恢复

16、机制分为端到端重传和逐跳 重传，端到端重传大家能够理解，但它需要解决最大重传次数的问题；逐跳重传则需要中间 节点存储转发的数据。冗余传输机制则是用于无线传感器网络上的可靠传输协议，节点同时 向一条路径发送多个冗余数据包或向多条路径发送相同的数据，这样如果一个数据包丢失， 其它数据照样可以到达目标节点。一个节点应该发送多少个冗余数据包，应该向多少条路径 发送数据包，取决于应用的可靠性要求和网络上的可用资源。无线传感器网络的典型传输协议有很多，这里就不一一进行介绍了。4.无线传感器网络的协议标准在这之前还有几章介绍了无线传感网络的拓补控制技术、定位技术和数据融合技术，这 几章我也没有细细的阅读，因此在这里便不再写了。这应该是我写的最后一部分了，而且 ZigBee是我目前倾向于的研究方向，因此今后可能会写比较多这方面的文章。由于这本书 上介绍的比较简单，因此我也只是简单的介绍即可。