1、第一章无线传感网技术概论无线传感网技术与设计无线传感网技术与设计目录 无线传感网体系结构 无线传感网主要特征 无线传感网关键技术 无线传感网的应用 无线传感网发展与现状2第一节无线传感网体系结构 1.无线传感网网络结构 2.无线传感器节点结构 3.无线传感器协议栈3第一节无线传感网体系结构 -无线传感网网络结构 无线传感网是由一组无线传感器节点以Ad Hoc（自组织）方式组成的无线网络，其目的是协作地感知、收集和处理传感网所覆盖的地理区域中感知对象的信息，并传递给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感网的三个要素4第一节无线传感网体系结构 -无线传感网网络结构 典型的无线传感网体系结构
2、由分布式传感器节点群组成5第一节无线传感网体系结构 -无线传感网网络结构 分布式的无线传感网多为分簇形式，将传感器节点分成多个簇，每个簇存在一个簇头节点，负责簇内节点的管理和数据融合，基于分簇结构的无线传感网的体系结构如图所示6第一节无线传感网体系结构 -无线传感器节点结构 无线传感器节点是一个微型化的嵌入式系统，它构成了无线传感网的基础层支持平台。典型的传感器节点由数据采集的感知单元、数据处理和存储单元、通信收发的传输单元和节点供电的能源供给单元四个部分组成7第一节无线传感网体系结构 -无线传感器节点结构 感知单元由传感器和A/D转换器组成，负责感知监控对象的信息；能源供给单元负责供给节点工
3、作所消耗的能量，一般为小体积的电池；传输单元完成节点间的信息交互通信工作，一般为无线电收发装置，有物理层收发器、MAC层协议、网络层路由协议组成；处理单元包括存储器、微处理器和应用部分，负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据8第一节无线传感网体系结构 -无线传感器协议栈 协议栈由应用层、传输层、网络层、数据链路层、物理层，功率管理平面、移动管理平面、任务管理平面组成9第二节无线传感网主要特征第二节无线传感网主要特征 1.不同于移动自组网 2.不同于现场总线网络 3.无线传感器节点的限制 4.无线传感网的特点 5.短距离无线通信技术 6.广域网无线通信技术1
4、0第二节无线传感网主要特征第二节无线传感网主要特征 -不同于移动自组网 移动自组网(Mobile Ad Hoc Networks)或移动Ad Hoc网络是一个由几十到上百个节点组成、采用无线通信方式、动态组网的多跳移动性对等网络。其目的是通过动态路由和移动管理技术传输具有服务质量要求的多媒体信息流，通常其节点具有持续的能量供给。11第二节无线传感网主要特征第二节无线传感网主要特征 -不同于移动自组网无线传感网无线自组织网络之间的主要区别有以下几点：在网络节点规模方面，无线传感网包含的节点数量比Ad Hoc网络高几个数量级；在网络节点分布密度方面，因节点冗余的要求和部署的原因，无线传感网节点的分
5、布密度很大；在网络节点处理能力方面，Ad Hoc网络的处理能力较强，而无线传感网节点固定，处理能力、存储能力和通信能力都有限；在网络拓扑结构方面，Ad Hoc网络是由于节点的移动而产生的，而无线传感器网是由于节点休眠、环境干扰或节点故障而产生的；在通信方式方面，无线传感网节点主要使用广播通信，而Ad Hoc网络节点采用点对点通信；由于无线传感网节点数量的原因，节点没有统一的标识；无线传感网以数据为中心。12第二节无线传感网主要特征第二节无线传感网主要特征 -不同于现场总线网络 现场总线是应用在生产现场和微机化测量控制设备之间，实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的
6、底层控制网络。现场总线可实现整个企业的信息集成，实现综合自动化，形成工厂底层网络，完成现场自动化设备之间的多点数字通信，实现底层现场设备之间和生产现场与外界的信息交换。目前市场上较为流行的现场总线有CAN（控制局域网络)、Lonworks(局部操作网络)、Profibus(过程现场总线)、HART(可寻址远程传感器数据通信)和FF(基金会现场总线)等。13第二节无线传感网主要特征第二节无线传感网主要特征 -不同于现场总线网络 由于严格的实时性要求，这些现场总线的网络构成通常是有线的。在开放式通信系统互联参考模型中，它利用的只有第一层物理层、第二层链路层和第七层应用层，避开了多跳通信和中间节点的
7、关联队列延迟 由于现场总线是通过报告传感数据从而控制物理环境的，所以从某种程度上说它与传感网非常相似，甚至可以将天线传感网看作是无线现场总线的实例。但是两者的区别是明显的。无线传感网关注的焦点不是数十毫秒范围内的实时性，而是具体的业务应用，这些应用能够容许较长时间的延迟和抖动。14第二节无线传感网主要特征第二节无线传感网主要特征 -无线传感器节点的限制 1、电源能量有限、电源能量有限 2、通信能力有限、通信能力有限 3、计算和存储能力有限、计算和存储能力有限15第二节无线传感网主要特征第二节无线传感网主要特征 -无线传感网的特点 1.无线传感网规模大，密度高无线传感网规模大，密度高 2.传感器
8、节点的能量、计算能力和存储容量有传感器节点的能量、计算能力和存储容量有限限 3.无线传感网的拓扑结构易变化，具有自组织无线传感网的拓扑结构易变化，具有自组织能力能力 4.网络的自动管理和高度协作性网络的自动管理和高度协作性 5.传感器节点具有数据融合能力传感器节点具有数据融合能力 6.以数据为中心的网络以数据为中心的网络 7.安全性问题严重安全性问题严重16第二节无线传感网主要特征第二节无线传感网主要特征 -短距离无线通信技术 1IrDA技术技术 2蓝牙技术蓝牙技术 3.Wi-Fi技术技术 4RFID技术技术 5UWB技术技术 6ZigBee技术技术17第二节无线传感网主要特征第二节无线传感网
9、主要特征 -广域网无线通信技术 1.GPRS和和EDGE 2.WiMAX 3.3G 4.LTE18第三节无线传感网关键技术第三节无线传感网关键技术 1.网络拓扑控制技术网络拓扑控制技术 2.网络通信协议网络通信协议 3.网络安全技术网络安全技术 4.时间同步技术时间同步技术 5.节点定位技术节点定位技术 6.数据融合技术数据融合技术 7.数据管理技术数据管理技术 8.无线通信技术无线通信技术 9.嵌入式操作系统嵌入式操作系统 10.应用层技术应用层技术19第四节无线传感网的应用第四节无线传感网的应用 1军事应用军事应用 2环境监测环境监测 3工业应用工业应用 4智能家居智能家居 5智能医疗智能
10、医疗 6建筑物和大型设备安全状态的监控建筑物和大型设备安全状态的监控 7应急援救应急援救 8其他方面的应用其他方面的应用20第五节无线传感网发展与现状第五节无线传感网发展与现状 无线传感网发展的三个阶段无线传感网发展的三个阶段 第一阶段：传统的传感器系统 第二阶段：传感网节点集成化 第三阶段：多跳自组网 无线传感网的发展趋势无线传感网的发展趋势 1无线多媒体传感网 2泛在传感网 3基于认知功能的传感网 4基于超宽带技术的无线传感网 5基于协作通信技术的无线传感网21第二章WSN关键技术无线传感网技术与设计无线传感网技术与设计目录 WSN定位技术 时间同步技术 安全技术 数据融合技术 WSN数据
11、管理技术 无线传感网MAC协议 无线传感网路由协议23第一节WSN定位技术（目录）1.1 定位技术概述 1.2 定位算法的分类 1.3 测距方法 1.4 节点定位计算方法 1.5 无需测距的定位算法24第一节WSN定位技术 -定位技术概述 WSN的定位问题一般指对于一组未知位置坐标的网络节点，依靠有限的位置已知的锚节点，通过测量未知节点至其余节点的距离或跳数，或者通过估计节点可能处于的区域范围，结合节点间交换的信息和锚节点的已知位置，来确定每个节点的位置。传感器节点分为信标节点（beacon node）或锚点（anchor）和未知节点（unknown node）。25第一节WSN定位技术 -定
12、位技术概述 WSN定位算法特点定位算法特点自组织性。传感器网络的节点随机分布，不能依靠全局的基础设施协助定位。健壮性。传感器节点的硬件配置低、能量少、可靠性差、测量距离时会产生误差，算法必须具有良好的容错性。能量高效。尽可能地减少算法中计算的复杂性，减少节点间的通信开销，以尽量延长网络的生存周期。通信开销是传感器网络的主要能量开销。分布式计算。每个节点尽量计算自身位置，不能将所有信息传送到某个节点进行集中计算。26第一节WSN定位技术 -定位技术概述 定位技术的基本术语定位技术的基本术语 邻居节点（Neighbor Nodes）跳数（Hop Count）跳段距离（Hop Distance）接收
13、信号强度指示（Received Signal Strength Indicator，RSSI）到达时间（Time of Arrival，TOA）到达时间差（Time Difference of Arrival，TDOA）到达角度（Angle of Arrival，AOA）视线关系（Line of Sight，LOS）非视线关系（Non Line of Sight，NLOS）基础设施（Infrastructure）：27第一节WSN定位技术 -定位技术概述 定位性能的评价指标定位性能的评价指标定位精度覆盖范围刷新速度功耗代价节点密度容错性和自适应性28第一节WSN定位技术 -定位算法的分类 1基
14、于测距技术的定位和无需测距技术的定基于测距技术的定位和无需测距技术的定位位 2基于锚节点的定位算法和非基于锚节点的基于锚节点的定位算法和非基于锚节点的定位算法定位算法 3物理定位与符号定位物理定位与符号定位 4递增式定位算法和并发式定位算法递增式定位算法和并发式定位算法 5紧密耦合与松散耦合紧密耦合与松散耦合 6集中式计算与分布式计算集中式计算与分布式计算 7粗粒度与细粒度粗粒度与细粒度 8绝对定位与相对定位绝对定位与相对定位 9三角测量、场景分析和接近度定位三角测量、场景分析和接近度定位29第一节WSN定位技术 -测距方法（接收信号接收信号强度指示法强度指示法）接收信号强度(Receivcd
15、 Signal Strength Indicator，RSSI)指示法是接收机通过测量射频信号的能量来确定与发送机的距离。无线信号的发射功率和接收功率之间的关系为:Pr=Pt/rn 其中，Pr是无线信号的接收功率；Pt是无线信号的发射功率；r是收发节点之间的距离；n是传播因子，其数值取决于无线信号传播的环境。如果将功率转换为分贝(dBm)的表达形式，可以直接写成：Pr(dBm)=Pt(dBm)-10nlgr 30第一节WSN定位技术 -测距方法（到达时间法）到达时间法(Time of Arrival，TOA)，通过测量信号传输时间来估算两节点之间的距离，精度较好。缺点是无线信号的传输速度快，时
16、间测量上的很小误差可导致很大的距离误差值，另外要求传感器节点的计算能力较强。31第一节WSN定位技术 -测距方法（到达时间法）一种用来测量信号传输所用时间的方法是测量信号单向传播时间。另外一种方法是测量信号往返时间差，接收节点在收到信号后直接发回，发送节点测量收发的时间差，由于仅使用发送节点的时钟，因此避免节点间时间同步的要求。最近精确测量TOA时间的一个趋势是使用超宽带(UWB)。32第一节WSN定位技术 -测距方法（到达时间差法）到达时间差法(Time Difference of Arrival，TDOA)是测量不同的接收节点接收到同一个发射信号的时间差。33第一节WSN定位技术 -测距方
17、法（到达角法）到达角法(AngIe of Arrival，AOA)，通过配备天线阵列或多个接收器来估测其它节点发射的无线信号的到达角度。它的硬件要求较高，每个节点要安装昂贵的天线阵列和超声波接收器。34第一节WSN定位技术 -节点定位计算方法（三边定位法）三边定位法：已知A、B、C三个节点的坐标分别为(xa,ya)、(xb,yb)、(xc,yc)，以及它们到未知节点D的距离分别为da、db、dc，假设节点D的坐标为(x,y)。那么存在下列公式：35第一节WSN定位技术 -节点定位计算方法（三角定位法）三角定位法原理如图所示，已知A、B、C三个节点的坐标分别为(xa,ya)、(xb,yb)、(x
18、c,yc)，节点D相对于节点A、B、C的角度分别为ADB、ADC、BDC，假设节点D的坐标为(x,y)。36第一节WSN定位技术 -节点定位计算方法（三角定位法）对于节点A、C和角ADC，如果弧段AC在ABC内，那么能够唯一确定一个圆，设圆心为O1(xo1,yo1)，半径为r1，那么角=AO1C=2-2 ADC，并存在下列公式：37第一节WSN定位技术 -节点定位计算方法（极大似然估计法）极大似然估计法(maximum likelihood estimation，MLE)如图所示，己知1、2、3、等n个节点的坐标分别为(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)、(xn,yn)，它们到未知节
19、点的距离分别为d1、d2、d3、dn，假设未知节点的坐标为(x,y)，那么存在下列公式：38第一节WSN定位技术 -无需测距的定位算法 无需测距的定位技术不需要直接测量距离和角度信息。它不是通过测量节点之间的距离来定位的，而是仅根据网络的连通性确定网络中节点之间的跳数，同时根据已知位置的参考节点的坐标等信息估计出每一跳的大致距离，然后估计出节点在网络中的位置。目前主要有两类距离无关的定位方法：一类是先对未知节点和信标节点之间的距离进行估计，然后利用多边定位等方法完成对其他节点的定位；另一类是通过邻居节点和信标节点来确定包含未知节点的区域，然后将这个区域的质心作为未知节点的坐标。39第一节WSN
20、定位技术 -无需测距的定位算法（质心算法）在算术几何学里，多边形的几何中心被称为质心，多边形顶点坐标的平均值就是质心节点的坐标。假设多边形顶点位置的坐标向量表示为Pi=(xi,yi)T，则这个多边形的质心坐标计算方法如下40第一节WSN定位技术 -无需测距的定位算法（DV-Hop算法）距离向量-跳数（distance vector-hop，DV-Hop）算法定位机制非常类似于传统网络中的距离向量路由机制。在距离向量定位机制中，未知节点首先计算与信标节点的最小跳数，然后估算平均跳数的距离，利用最小跳数乘以平均每跳距离，得到未知节点与信标节点之间的估计距离，再利用三边定位法或极大似然估计法计算未知
21、节点的坐标。DV-Hop算法的定位过程分为以下三个阶段：（1）计算未知节点与信标节点的最小跳数（2）计算未知节点与信标节点的实际跳数距离（3）利用三边定位法或极大似然估计法计算自身位置41第一节WSN定位技术 -无需测距的定位算法（DV-Distance算法）DV-Distance算法类似于DV-Hop算法，它们之间的区别就在于：DV-Hop算法是通过节点的平均每跳距离和跳数算出节点间的距离，而DV-Distance算法是通过节点间使用射频通信来测量出节点间的距离，即利用RSSI来测量节点间的距离，然后再应用三角定位法计算出节点的位置。42第一节WSN定位技术 -无需测距的定位算法（APIT算
22、法）近似三角形内点测试法（approximate point-in triangulation test，APIT），首先确定多个包含未知节点的三角形区域，这些三角形区域的交集是一个多边形，它确定了更小的包含未知节点的区域；然后计算这个多边形区域的质心，并将质心作为未知节点的位置。APIT定位具体步骤：收集信息：未知节点收集邻近信标节点的信息，如位置、标识号、接收到的信号强度等，邻居节点之间交换各自接收到的信标节点的信息。APIT测试：测试未知节点是否在不同的信标节点组合成的三角形内部。计算重叠区域：统计包含未知节点的三角形，计算所有三角形的重叠区域。计算未知节点位置：计算重叠区域的质心位置，
23、作为未知节点的位置。43第二节 时间同步技术（目录）2.1时间同步概述 2.2 RBS同步协议 2.3 Tiny-sync/Mini-sync算法 2.4 TPSN时间同步协议 2.5 LTS算法44第二节 时间同步技术 -时间同步概述 无线传感网的同步管理主要是指时间上的同步管理。无线传感网时间同步机制的意义和作用主要体现在如下两方面：首先，传感器节点通常需要彼此协作，去完成复杂的监测和感知任务。其次，传感网的一些节能方案是利用时间同步来实现的。45第二节 时间同步技术 -时间同步概述将消息在WSN节点间传递的过程分解成不同的阶段是对时间同步问题研究的关键，一条消息在WSN节点间的传递过程可
24、分解成以下六个部分。Send Time：发送节点构造一条消息所需要的时间，包括内核协议处理和缓冲时间等，它取决于系统调用开销和处理器当前负载。Access Time：消息等待传输信道空闲所需时间，即从等待信道空闲到消息发送开始时的延迟，它取决于网络当前负载状况。Transmission Time：发送节点按位(bit)发射消息需时间，该时间取决于消息长度和发射速率。Propagation Time：消息在两个节点之间传输介质中的传播时间，该时间主要取决于节点间的距离(电磁波在空气中的传播速率是一定的)。Reception Time：接收节点按位(bit)接收消息并传递给MAC层的时间，这个过程
25、和(3)相对应。Receive Time：接收节点重新组装消息并传递给上层应用所需的时间。46第二节 时间同步技术 -时间同步概述 WSN时间同步方案设计的目的是为网络中节点的本地时钟提供共同的时间戳。评价一个WSN时间同步算法的性能，一般包含网络能量效率、可扩展性、精确度、健壮性、寿命、有效范围、成本和尺寸、直接性等指标。目前几种成熟的传感网时间同步协议是：RBS（Reference Broadcast Synchronization，RBS)、Tiny-sync/Mini-Sync和TPSN(Timing sync Protocol for Sensor Networks，TPSN)。47
26、第二节 时间同步技术 -RBS同步协议 RBS(Reference Broadcast Synchronization)算法，是一个典型的接受者接受者模式的同步算法。它是利用无线链路层广播信道特点，一个节点发送广播消息，在同一广播域的其它节点同时接收广播消息，并记录该点的时间戳，之后接收节点通过消息交换它们的时间戳，通过比较和计算达到时间同步。48第二节 时间同步技术 -RBS同步协议 影响RBS机制性能的主要因素包括接收节点间的时钟偏差、接收节点的非确定性因素、接收节点的个数等等。为了提高时间同步的精度，RBS机制采用了统计技术，通过多次发送参考消息，获得接收节点之间时间差异的平均值。对于时
27、钟偏差问题，采用了最小平方的线性回归方法进行线性拟合，直线的斜率就是两个节点的时钟偏差，直线上的点就表示节点间的时间差。49第二节 时间同步技术 -Tiny-sync/Mini-sync算法 Tiny-Sync算法和Mini-Sync算法是由Sichitiu和Veerarit tip han 提出的两种用于WSN的时间同步算法。该算法假设每个时钟能够与固定频率的振荡器近似。Tiny-sync算法和Mini-sync算法采用传统的双向消息设计来估计节点时钟间的相对漂移和相对偏移。Mini-sync算法是为了克服Tiny-sync算法中丢失有用数据点的缺点而提出的，该算法建立约束条件来确保仅丢掉将
28、来不会有用的数据点，并且每次获取新的数据点后都更新约束条件：因为只要Aj满足m(Ai,Aj)m(Ai,Ak)(1ijk)这个条件，就表示这个数据点是以后有用的数据点，这里m(A,B)表示通过点A和B的直线斜率。50第二节 时间同步技术 -TPSN时间同步协议 TPSN(Timing-Sync Protocol for Sensor Networks)算法是Ganeriwal等人提出的适用于WSN整个网络范围内的时间同步算法。该算法分两步：分级和同步。第一步的目的是建立分级的拓扑网络，每个节点有个级别。只有一个节点定为零级，叫做根节点。在第二步，i级节点与i-1级节点同步，最后所有的节点都与根节
29、点同步，从而达到整个网络的时间同步。51分级分级 这个步骤在构建网络拓扑的时候运行一次。首先根节点被确认，并作为传感器网络的网关节点，在根节点上可以安装GPS接收器，网络中所有的节点就可以与外部时间（物理时间）同步。根节点被定为零级，通过发送包含发送者本身级别的广播分级数据包进行分级。根节点的相邻节点收到这个包后，把自己定为一级。然后每个一级节点继续广播分级数据包52同步 同步阶段最基本的一部分就是两个节点间双向的消息交换。假设在单个消息交换的很小一段时间内，两个节点的时钟漂移是不变的。同步是由根节点的time-Sync信息包引起的，一级节点收到这个包后进行信息交换，每个节点等待随机时间后继续
30、发送信息，从而把信道阻塞的可能性降到最低。一旦它们获得根节点的回应，它们就调整本地时钟与根节点同步。二级节点监听一级节点和根节点的通信，与一级节点产生双向消息交换，然后再一次等待随机时间以保证一级节点完全同步。这个过程最终使得所有节点与根节点同步。53第二节 时间同步技术 -LTS算法 LTS(Lightweight Tree-Based Synchronization)算法是Greunen和Rabaey提出的，与其他算法最大的区别是该算法的目的并不是提高精确度，而是减小时间同步的复杂度。该算法在具体应用所需要的时间同步精确度范围内，以最小的复杂度来满足需要的精确度。WSN的最大时间精确度相对
31、较低(在几分之一秒内)，所以能够利用这种相对简单的算法来进行时间同步。54第二节 时间同步技术 -LTS算法 Greunen和Rabaey提出了两种用于多跳网络同步的LTS算法：第一种算法是集中式算法，首先要构造树状图，然后沿着树的n-1个叶子边缘进行成对同步。第二种多跳LTS算法通过分布式方法实现全网范围内的同步。每个节点决定自己同步的时间，算法中没有利用树结构。55第三节 安全技术（目录）3.1 安全技术概述 3.2 WSN安全问题分析 3.3 WSN安全防护技术56第三节 安全技术 -安全技术概述 实现传感器网络安全的限制因素包括两个方面，一是传感器节点本身的限制，包括电池能量的限制，节
32、点CPU、内存、存储容量方面的限制，以及缺乏足够的篡改保护等；另一个方面是无线网络本身的限制，包括通信带宽、延时、数据包的大小等方面的限制。57第三节 安全技术 -安全技术概述信道的脆弱性。不需要物理基础网络部件，恶意攻击者可以轻易地进行网络监听和发送伪造的数据报文。节点的脆弱性。传感器节点一般布置在敌对或者无人看管的区域，传感器节点的物理安全没有多大保证，攻击者很容易攻占节点，且节点没有防篡改的安全部件，易被攻击者利用。弱安全假设。一般情况下，传感器节点很可能被攻击者获取，而且传感器网络的防护机制很弱，可能会泄露存放在节点上的密钥。无固定结构。从安全角度来看，没有固定的结构使得一些传统的安全
33、技术难以应用。拓扑结构动态变化。网络拓扑的频繁的动态变化，需要比较复杂的路由协议。局限于对称密钥技术。由于节点功能的局限性，只能使用对称密钥技术，而不能采用公钥技术。性能因素。无线传感器网络，在考虑安全的同时，必须考虑一些其它的限制因素，性能是一个重要方面。节点的电源能量有限。58第三节 安全技术 -安全技术概述WSN安全可归纳为以下几个方面：(1)数据保密性。保密性是无线传感器网络军事应用中的重要目标。(2)数据认证。信息认证对WSN的许多应用都非常重要。(3)数据完整性。完整性是无线传感器网络安全最基本的需求和目标。(4)数据实时性。所有的传感器网络测量的数据都是与时间有关的。(5)密钥管
34、理。为了实现、满足上面的安全需求，需要对加密密钥进行管理。(6)真实性(7)扩展性(8)可用性(9)自组织性(10)鲁棒性59第三节 安全技术 -WSN安全问题分析 WSN协议栈由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成。物理层主要处理信号的调制，发射和接收；数据链路层主要负责数据流的多路传输、数据帧检测、媒介访问控制和错误控制；网络层主要考虑数据的路由；传输层用于维持给定的数据流；根据不同的应用，应用层上可使用不同的应用软件。60第三节 安全技术 -WSN安全问题分析 1.物理层的攻击与防御物理层的攻击与防御 物理层中安全的主要问题由无线通信的干扰和节点的沦陷引起的。无线通信的干扰所引
35、起的安全问题是:一个攻击者可以用K个节点去干扰并阻塞N个节点的服务(KPIFSSIFS。106第六节无线传感网第六节无线传感网MAC协议协议 -基于竞争的基于竞争的MAC协协议议随机退避时间按下面的公式计算：退避时间=Random()x aSlotime其中，Random()是在竞争窗口0,CW内均匀分布的伪随机整数，CW是整数随机数，其值处于标准规定的aCWmin和aCWmax之间；aSlotime是一个时间间隙，包括发射启动时间、媒体传播时延、检测信道的响应时间等。107第六节无线传感网第六节无线传感网MAC协议协议 -基于竞争的基于竞争的MAC协协议议 2.S-MAC协议协议 S-MAC
36、(Sensor MAC)协议是较早提出的一种基于竞争的无线传感器网络MAC协议，该协议继承了IEEE802.11MAC协议的基本思想，在此基础上加以改进，并以WSN的能量效率为主要设计目标，较好地解决了能量问题，同时兼顾了网络的可扩展性。108第六节无线传感网第六节无线传感网MAC协议协议 -基于竞争的基于竞争的MAC协协议议 S-MAC协议提出了适合于多跳无线传感器网络的竞争型MAC协议的节能方法：（1）采用周期性睡眠和监听方法减少空闲监听带来的能量损耗。对周期性睡眠和监听的调度进行同步，同步节点采用相同的调度，形成虚拟簇，同时进行周期性睡眠和监听，适合多跳网络。（2）当节点正在发送数据时，
37、根据数据帧特殊字段让每个与此次通信无关的邻居节点进入睡眠状态，以减少串扰带来的能量损耗。（3）采用消息传递机制，减少控制数据带来的能量损耗。109第六节无线传感网第六节无线传感网MAC协议协议 -基于竞争的基于竞争的MAC协协议议 S-MAC协议的关键技术体现在以下几个方面：（1）周期性监听和睡眠（2）自适应监听（3）减少碰撞和避免串音（4）消息传递（分片传输机制）110第六节无线传感网第六节无线传感网MAC协议协议 -基于竞争的基于竞争的MAC协协议议 3.T-MAC协议协议 T-MAC协议采用了一种自适应调整占空比的方法，通过动态调整调度周期中的活跃时间长度来改变占空比，可以更加有效的降低
38、能量消耗。111第六节无线传感网第六节无线传感网MAC协议协议 -基于竞争的基于竞争的MAC协协议议 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。112第六节无线传感网第六节无线传感网MAC协议协议 -基于竞争的基于竞争的MAC协协议议 T-MAC协议的关键技术体现在以下几个方面：（1）周期性侦听的同步（2）RTS操作和TA的选择（3）避免串扰（4）早睡问题 第一种方法是预请求发送(Future request-to-
39、send，FRTS)机制。第二种方法是满缓冲区优先(Full-buffer Priority)机制。113第六节无线传感网第六节无线传感网MAC协议协议 -基于时分复用的MAC协议 基于时分复用的MAC协议通常将一个物理信道分为多个子信道，并将子信道静态或动态地分配给需要通信的节点，避免冲突。基于时分复用的无线传感器网络MAC协议有如下优点：没有竞争机制的碰撞重传问题；无隐藏终端问题；数据传输时不需要过多的控制信息；节点在空闲时隙能够及时进入睡眠状态，适合于低功耗网络。114第六节无线传感网第六节无线传感网MAC协议协议 -基于时分复用的MAC协议1.基于分簇网络的基于分簇网络的MAC协议协议
40、分簇结构的无线传感网采用基于TDMA机制的MAC协议。所有传感器节点固定划分或自动形成多个簇，每个簇内有一个簇头节点。簇头负责为簇内所有传感器节点分配时隙，收集和处理簇内传感器节点发来的数据，并将数据发送给汇聚节点。协议将时间帧分为周期性的四个阶段：（1）数据传输阶段。簇内传感器节点在各自分配的时隙内，发送采集数据给簇头。（2）刷新阶段。簇内传感器节点向簇头报告其当前状态。（3）刷新引起的重组阶段。紧跟在刷新阶段之后，簇头节点根据簇内节点得到当前状态，重新给簇内节点分配时隙。（4）时间触发的重组阶段。节点能量小于特定值、网络拓扑发生变化等事件发生时，簇头就要重新分配时隙。115第六节无线传感网
41、第六节无线传感网MAC协议协议 -基于时分复用的MAC协议 2.DEANA协议协议 分布式能量感知节点活动（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，116第六节无线传感网第六节无线传感网MAC协议协议 -基于时分复用的MAC协议 3.TRAMA协议协议 流量自适应介质访问（Traffic Adaptive Medium Acces，TRAMA）协议将时间划分为连续时隙，根据局部两跳内的邻居节点信息，采用分布式选举机制确定每个时隙的无冲突发送者。同时，通过避免把时隙分配给无流量的节点，并让非
42、发送节点和接收节点处于睡眠状态，以达到节省能量的目的。TRAMA协议采用了流量自适应的分布式选举算法，节点交换两跳内邻居信息，传输分配时指明在时间顺序上哪些节点是目的节点，然后选择在每个时隙上的发送节点和接收节点。TRAMA协议由三个部分组成：NP协议（Neighbor Protocol，NP)、分配交换协议（Schedule Exchange Protocol，SEP）和自适应选举算法（Adaptive Election Algorithm，AEA)。117第六节无线传感网第六节无线传感网MAC协议协议 -基于时分复用的MAC协议 4.DMAC协议协议 DMAC协议是基于S-MAC和T-MA
43、C协议的思想，采用预先分配的方法来避免睡眠延迟。DMAC协议分析了S-MAC协议中的监听睡眠调度机制的缺点，同步的睡眠会增加多跳传输的延迟，同步的监听和竞争信道会增加冲突的可能。DMAC协议引入了一种交错的监听睡眠调度机制，保证数据在多跳路径上的连续传输。118第六节无线传感网第六节无线传感网MAC协议协议 -基于时分复用的MAC协议（1）交错唤醒机制 在一些传感器网络应用中，数据从多个数据源汇聚到一个汇聚节点，数据传输的路径都包含在一个树状拓扑结构中，DMAC协议将其定义为数据采集树。针对这种树状结构，DMAC协议做出了如下假设：网络中的节点保持静止，且每一个路由节点有足够的存活时间，可以在
44、较长时间内保持网络路径不发生变化；数据由传感器节点向唯一的汇聚节点单向传输；各个节点之间保持时钟同步。基于以上假设，DMAC协议提出了交错唤醒机制，保证数据在树状结构上能持续传输，不被睡眠所中断。119第六节无线传感网第六节无线传感网MAC协议协议 -基于时分复用的MAC协议120第六节无线传感网第六节无线传感网MAC协议协议 -基于时分复用的MAC协议（2）自适应占空比机制 在DMAC协议中，如果节点在一个发送周期内有多个数据包要发送，就需要该节点和树状路径上的上层节点一起加大发送周期占空比。DMAC协议引入了一种更新机制，使占空比能自适应调整。通过在MAC层数据帧的帧头加入一个标记位，以较
45、小控制开销发送更新请求。（3）数据预测机制 在数据采集树中，越靠近上层的节点，汇聚的数据越多，所以对树的底层节点适合的占空比不一定适合中间节点。121第六节无线传感网第六节无线传感网MAC协议协议 -基于时分复用的MAC协议（4）MTS帧机制 虽然自适应占空比机制和数据预测机制考虑了冲突避免，数据采集树中不同分支的节点仍有冲突的可能。假设节点A和B在相互干扰的范围内，且A和B有不同的父节点。在发送周期内，如果A竞争到信道并发送数据，那么B和其父节点就会在发送周期结束后进入睡眠周期。B只能等待时间T以后进入发送周期再向父节点发送数据。这种情况下B的父节点没有接收到数据包，不会增加接收周期，而B在
46、发送周期也无法接收到串扰ACK，数据预测机制在此时失效。为此，DMAC协议引入了MTS(more to send)帧机制。122第六节无线传感网第六节无线传感网MAC协议协议 -混合型MAC协议混合型MAC协议，结合了竞争方式和分配方式的优点，实现了性能的整体提升。1.S-MACS/EAR协议协议S-MACS/EAR(Self-organizing medium access control for sensor networks/eavesdrop and register)协议是一种结合TDMA和FDMA的调度型MAC协议，可以完成网络的建立和通信链路的组织分配，是针对规模庞大、节点移动性
47、不强且能量有限的传感器网络应用设计的协议。S-MACS协议假设每个节点都能在多个载波频点上进行切换，协议将每个双向信道定义为两个时间段，类似于TDMA机制中分配的时隙。S-MACS协议是一种分布式协议，允许一个节点发现邻居并进行收发信道的分配，不需要全局节点来进行分配。为了实现这种机制，S-MACS协议将邻居发现和信道分配进行了组合。123第六节无线传感网第六节无线传感网MAC协议协议 -混合型MAC协议（1）链路建立S-MACS协议引入了超帧的概念，用一个固定参数Tframe表示。网络中所有节点的超帧都有相同的长度。节点在上电后先进行邻居发现，每发现一个邻居，这一对节点就形成一个双向信道，即
48、一个通信链路。在两个节点的超帧中为该链路分配一对时隙用于双向通信。（2）邻居发现和信道分配为了阐述S-MACS协议中的邻居发现机制，下面以图为例加以说明。124第六节无线传感网第六节无线传感网MAC协议协议 -混合型MAC协议 2.基于基于CDMA的的MAC协议协议 CDMA机制为每个用户分配特定的具有正交性的地址码，因而在频率、时间和空间上都可以重叠。在无线传感网中应用CDMA技术就是为每个传感器节点分配与其他节点正交的地址码，这样即使多个节点同时传输消息，也不会相互干扰，从而解决了信道冲突问题。CSMA/CA和CDMA相结合的MAC协议。采用一种CDMA的伪随机码分配算法，使每个传感器节点
49、与其两跳范围内所有其他节点的伪随机码都不相同，从而避免了节点间的通信干扰。为了实现这种编码分配，需要在网络中建立一个公用信道，所有节点通过公用信道获取其他节点的伪随机编码，调整和发布自己的随机编码。125第七节无线传感网路由协议（目第七节无线传感网路由协议（目录）录）7.1 路由协议概述 7.2 能量感知路由协议 7.3 平面路由协议 7.4 层次路由协议 7.5 基于查询的路由协议 7.6 基于地理位置的路由协议 7.7 基于QoS的路由协议126第七节无线传感网路由协议第七节无线传感网路由协议 -路由协议概述 无线传感网路由协议负责将分组从源节点通过网络转发到目的节点，它主要包括两个方面的
50、功能：寻找源节点和目的节点间的优化路径；将数据分组沿着优化路径正确转发。无线传感网节点能量有限（一般由电池供电），并且由于网络中节点数目往往过大，节点只能获取局部拓扑结构信息，因此要求路由协议不仅要高效的利用能量，还要在此基础上能够在只获取局部网络信息的情况下选择合适的路径。127第七节无线传感网路由协议第七节无线传感网路由协议 -路由协议概述 无线传感网路由协议具有以下的特点：（1）能量优先。（2）基于局部拓扑信息。（3）以数据为中心。（4）应用相关。128第七节无线传感网路由协议第七节无线传感网路由协议 -路由协议概述 针对不同应用环境中的各种路由协议，根据一些特定的标准对路由协议加以分类
