1、第8章 无线传感网n无线传感网结构n无线传感网MAC协议n无线传感网的技术n无线传感网的应用8.1 无线传感网结构n无线传感网是一种综合信息采集、信息处理和信息传输功能于一体的智能网络信息系统。n无线传感网通常由大量密集部署在指定地理区域的传感器节点以及一个或多个位于区域内或区域附近的数据汇聚节点构成。n汇聚节点负责向监测区域内的传感器节点发送查询消息或命令，传感器节点负责完成监测任务，并将监测数据发送给汇聚节点。n网络结构主要可以划分为单跳网络和多跳网络两大类。8.1.1 单跳网络结构n为了向汇聚节点传送数据，各传感器节点可以采用单跳的方式将各自的数据直接发送给汇聚节点，采用这种方式所形成的
2、网络结构为单跳网络结构 传感器节点汇聚节点8.1.2 多跳网络结构n在多跳网络结构中，传感器节点通过一个或多个网络中间节点将所采集到的数据传送给汇聚节点，从而有效地降低通信所需的能耗 n多跳网络结构又可以分为平面结构和分层结构两种类型 平面结构n各传感器节点在组网过程中所起的作用是相同的，所有传感器节点的地位是同等的，具有完全一致的功能特性。传感器节点汇聚节点分层结构n传感器节点被组织成一系列的簇，每个簇由多个成员节点和一个簇头节点组成，簇成员需要首先把其数据发送给簇头，再由簇头将数据发送给汇聚节点。汇 聚 节点簇头簇成员8.2 无线传感网MAC协议n无线传感网的协议栈由高到低依次为应用层、传
3、输层、网络层、数据链路层和物理层 n无线传感网使用无线信道作为通信媒体，其频谱资源十分有限，节点能量有限，必须采用有效MAC协议来协调多个节点对共享信道的访问，公平、高效地利用有限信道频谱资源，提高网络的传输性能，同时考虑网络的能量效率和可扩展性n无线传感网MAC协议可以分为竞争型、非竞争型和混合型三类 8.2.1 竞争型MAC协议n竞争型MAC协议采用按需使用信道的方式，其基本思想是当节点需要发送数据时，通过竞争方式使用信道，如果发生冲突，节点按照事先设定的某种策略重传数据，直到数据发送成功或放弃。n典型的协议包括S-MAC、T-MAC、WiseMAC和Sift协议等 S-MACn周期性侦听
4、和休眠机制n每个节点周期性进入休眠状态。在该状态下，节点关闭其收发器等电路，以节省能量，并设置一个定时器，在一段时间后将其唤醒进入侦听状态。n在侦听阶段下，节点根据发送和接收的需求判断是否需要与其他节点通信，如果没有数据发送或接收，则进入休眠状态。S-MACn消息冲突与串音避免机制n为了避免冲突，S-MAC协议同时采用物理载波检测和虚拟载波检测，并采用RTS/CTS机制解决隐终端问题 n为了避免串音，S-MAC协议使节点在接收到发往其他节点的RTS和CTS消息后进入休眠状态，从而达到避免串音的目的 S-MACn长消息传递机制nS-MAC协议将长数据消息分割成多个短数据包进行发送 n只使用一个R
5、TS消息和一个CTS消息为所有短数据包预约信道，每个短数据包分开确认 T-MACn各节点周期性地被唤醒，进入活动期，并在活动期与相邻节点通信，然后进入休眠状态，直到下一帧到来。n在活动期，节点保持侦听，并尽可能地发送所需传送的数据，如果没有节点需要处理的“激活事件”则进入休眠状态。n激活事件有5种类型n周期帧定时器溢出；n信道上收到数据包；n检测到信道上有通信在进行；n节点数据包或确认消息发送完毕；n相邻节点数据包发送完毕。Sift协议nSift协议设计的目的是当共享信道的N个传感器节点同时监测到同一事件时，希望R个节点(RN)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)
6、个节点的消息发送 n当节点有消息发送时，首先假定当前有N个节点与其竞争发送。如果在第一个时隙内节点不发送消息，也无其他节点发送消息，则节点就减少假想的竞争发送节点的数目，并相应地增加选择在第二个时隙发送数据的概率；如果节点没有选择第二个时隙，且无其他节点在该时隙发送消息，则节点继续减少假想的竞争发送节点数目，并进一步增加选择第三个时隙发送数据的概率，依次类推。如果选择时隙过程中有其他节点发送消息，节点就进入重新开始竞争过程。WiseMAC协议n数据确认分组中携带了下一次信道监听时间，节点获得所有邻居节点的信道监听时间。在发送数据时可以将唤醒前导压缩到最短 n唤醒前导长度TP=min(4L,TW
7、)。其中，是节点的时钟漂移速度，L是从上次确认分组到现在的时间，TW是所有节点监听信道的时间间隔 8.2.2非竞争型MAC协议n非竞争型MAC协议采用固定使用信道的方式，将共享信道根据时间、频率或伪噪声码划分成一组子信道，并分配给各节点，使得每个节点拥有一个专用的子信道用于发送数据。n典型的无线传感网非竞争型MAC协议包括DEANA、SMACS、DE-MAC和TRAMA协议等 DEANA协议n分布式能量感知节点激活（distributed energy-aware node activation,DEANA）协议将时间帧分为周期性的调度访问阶段和随机访问阶段。n调度访问阶段由多个连续的数据传输
8、时槽组成，某个时槽分配给特定节点用来发送数据。除相应的接收节点外，其他节点在此时槽处于睡眠状态。n随机访问阶段由多个连续的信令交换时槽组成，用于处理节点的添加、删除以及时间同步等 DEANA协议n为了进一步节省能量，在调度访问部分中，每个时槽又细分为控制时槽和数据传输时槽。控制时槽相对数据传输时槽而言长度很短。n如果节点在其分配的时槽内有数据需要发送，则在控制时槽发出控制消息，指出接收数据的节点，然后在数据传输时槽发送数据。n在控制时槽内，所有节点都处于接收状态。如果发现自己不是数据的接受者，节点就进入睡眠状态，只有数据的接受者才在整个时槽内保持在接收状态 SMACS协议nSMACS(Self
9、-Organizing Medium Access Control for Sensor Networks)协议是分布式的协议，无需任何全局或局部主节点，就能发现邻节点并建立传输/接收调度表。链路由随机选择的时隙和固定的频率组成 n在链接阶段使用一个随机唤醒机制，在空闲时关掉无线收发装置，来达到节能的目的 DE-MAC协议nDE-MAC(Distributed Energy-aware MAC)的中心内容是让节点交换能级信息。它执行一个本地选举程序来选择能量最低的节点为“赢者”，使得这个“赢者”比其邻节点具有更多的睡眠时间,以此在节点间的平衡能量,延长网络的生命周期 n当一节点比原来的“赢者”
10、能量值低时,它进入选举阶段。处于选举阶段的节点向所有邻节点发送它的当前能量值,并收集它们的投票。如果邻节点的能值都比此节点高,它将收到所有邻节点的正选票。此节点占有当前时隙,或者发送数据,或者进入睡眠。TRAMAn用基于流量的传输调度表来避免可能在接收者发生的数据包冲突n使节点在无接收要求时进入低能耗模式 8.2.3 混合型MAC协议n混合型MAC协议通常针对无线传感网的特征以及一些应用的具体要求，将竞争型和非竞争型MAC协议有效地进行结合，以减少节点间的数据冲突，同时改善网络的传输性能。n典型的混合型MAC协议有Z-MAC协议和Funneling-MAC协议 Z-MAC协议n将信道划分为时间
11、帧的同时，使用CSMA作为基本机制，时隙的占有者只是有数据发送的优先权，其他节点也可以在该时隙发送信息帧，当节点之间产生碰撞之后，时隙占有者的回退时间短 n使用竞争状态标示来转换MAC机制，节点在ACK重复丢失和碰撞回退频繁的情况下，将由低竞争状态转为高竞争状态，由CSMA机制转为TDMA机制 Funneling-MAC协议 n漏斗现象是指无线传感网观测区域中所产生的观测数据以多对一的模式逐跳向汇聚节点传输时所造成的现象。当所传送的观测数据逐渐接近汇聚节点时，各中间节点所需转发的数据量会急剧增加，从而造成分组的拥塞、冲突、丢失、延迟和节点能量消耗的增加 n汇聚节点附近几跳范围内的区域被称为漏斗区域，漏斗区域内节点数据发送的TDMA调度由汇聚节点完成 8.3 无线传感网的技术n时间同步 无线传感网是一个分布式系统，不同节点都有自己的本地时钟 n定位技术 无线传感网中的节点定位是指传感器节点根据网络中少数已知节点的位置信息，通过一定的定位技术确定自身或网络中其它节点的绝对位置或相对位置的过程。8.4 无线传感网的应用n军事领域 n环境科学 n农业领域 n工业领域及其他领域
