發布日期：2022-05-11 點擊率：69
MAC 層協議
一、CSMA/CA（載波監聽多路訪問/沖突檢測）
? 在發送數據前對信道進行預約，以免照成信道碰撞問題。CSMA/CD提供兩種方式來對無線信道進行共享訪問，工作流程如下：
? 1.送出數據前監聽信道的使用情況，維持一段時間后，再隨機等待一段時間信道依舊空閑，送出數據，由于每個設備采用隨機時間不同，所以可減少沖突的機會。
? 2.送出數據前，先送出一小段小小的 RST 報文給目標端，等待目標端回應 CTS 報文后才開始傳送。利用RTS/CTS握手程序，確保RTS/CTS握手程序。
二、PAN的建立和維護
? 再一個設備上電時，如果設備不是協調器，他將通過掃描發現已有的網絡，然后選擇一個已建立的網絡進行關聯。如果設備是一個協調器設備，則掃描已有網絡，選擇空余的信道與合法的PANID，然后建立一個新的網絡。當一個設備在通信過程中與其關聯的協調器失去同步，也需要通過掃描通知協調器。為了實現這個功能。定義了四種掃描： ED掃描（ED SCAN ），主動信道掃描，被動信道掃描、孤立信道掃描。
關聯和關聯解除
? 關聯即一個設備加入網絡，解除關聯即設備從這個網絡中退出。一般的設備在啟動完成掃描后，已經得到附近各個網絡的參數，下一步就是選擇一個合適的網絡與協調器進行關聯。
信標幀的同步
? 在信標使用的網絡中，一般設備通過協調器的信標幀的同步來得知協調器里是否有發送給自己的數據；另一方面為減少損耗，設備需要知道信道何時進入不活躍時段，這樣設備就可以在不活躍時段減少射頻。這些操作需要精確的幀同步。
幀結構
? MAC幀，即MAC 協議數據單元。是一系列字段按照特定的順序結構排列而成的，設計目標是在保持低復雜度的前提下實現在噪聲信道上的可靠傳輸。
暴露終端和隱藏終端
? 隱藏終端： 隱藏終端的存在，節點檢測不到載波并不能意味著信道空閑可以發送數據
隱藏終端 圖中的 C 是指在接收節點 圖a 中的 B 的覆蓋范圍內而在發送節點圖a中的A覆蓋范圍外的節點.隱藏終端因偵聽不到發送節點的發送而可能向同樣的接收節點發送分組,造成接收節點處的分組碰撞。
? 暴露終端: 暴露終端的存在，節點檢測到載波也不意味著信道忙而不能發送數據
? 暴露終端指在發送節點的偵聽范圍之內,而在接收節點的干擾范圍之外的節點。如圖 在節點B 向節點A 發送報文,節點C (暴露終端) 偵聽到節點B 的發送,節點C不能同時向節點D發送報文,延遲發送而造成不必要的延遲,MAC 層協議應該在節點C向節點D發送報文時不影響節點B與節點A的通信。暴露終端的缺陷是報文發送過程中的不必要的延遲,信道的利用率下降。
S-MAC協議
? S-MAC協議是針對傳感器網絡節省能量的需求設計的，S-MAC包括 了從各種能量消耗方式中節省能耗的方法，比如：空閑偵聽、沖突、串音和控制開銷。
S-MAC協議采用的主要機制
周期性的偵聽和睡眠
? WSN的S-MAC采用周期性的偵聽和睡眠，網絡中所有的節點同步使用相同的睡眠和喚醒方式，所有的節點均已相同的占空比進行工作，使用同步幀發送機制，確保所有節點同時喚醒和同時睡眠，但所有節點都處于喚醒狀態時，才進行偵聽，以判斷是否要發送或者接受數據，當所有節點都處于睡眠狀態時，會自動關閉射頻收發器以節省能量。
? 注：每個節點使用SYNC消息通告自己的調度信息，同時維護一個調度表，保存所有節點的調度信息。
工作過程
? 當節點進入工作時：先偵聽一段固定時間：
? 1）如果在偵聽的這段時間，接收到其他節點的調度信息，則將自己的調度信息調整和其他相鄰節點一致，經過一段隨機的時間廣播自己的調度信息；
? 2）當節點在偵聽這段時間收到眾多的鄰居節點的調度信息都不一致時，可選擇將自己的調度信息調整為和第一個接收到的鄰居節點的調度信息一致，并記錄其他鄰居節點的調度信息。
? 3）如果在偵聽的這段時間沒有接收到任何節點發送來的調度信息，則自己產生一個調度信息，并進行廣播；
自適應監聽
? 傳感器網絡多采用多眺，周期性休眠會導致通信的延遲積累，為解決這種問題，采用了一種自適應監聽機制，基本思想就是在一次通信過程中。通信節點的鄰居節點在此次通信結束后喚醒喚醒并保持監聽一段時間。如果再此段時間接收到RTS幀，則可立即接收數據，不必等到下一周期。減少了數據傳輸延遲。
消息沖突與串音避免
? 采用RTS/CTS機制解決隱終端問題。為了避免串音，S-MAC協議使節點在接收到發往其他節點的RTS和CTS消息后進入休眠。
消息傳遞機制
? 短消息：利用RTS/CTS，DATA／ACK機制進行發送；
? 長消息：將一個長消息分割為幾個短消息在預約的時間內突發發送，短消息也是利用RTS/CTS，DATA／ACK，不同的是S-MAC中長消息分割的短消息的RTS/CTS，DATA／ACK幀中攜帶的是整個長消息傳遞剩余的時間。（剩余份數）
總結
優點：
（１）S-MAC很好的通過周期性的偵聽與睡眠機制解決了無線傳感網絡中的能量問題：
高負載：當信道處于高負載的時候，偵聽階段得意充分利用；
低負載：睡眠階段更好的節省了能量。
（２）使用CSMA協議中的RTS/CTS，DATA／ACK消息傳遞機制，有效避免了沖突；
缺點：
? S-MAC協議中的占空比是固定不變的，的信道中出現極端情況：（１）負載過高時，休眠時間太長，不利于數據的傳遞；（２）當負載過低時，偵聽時間長，還是不能有效利用有限的能量，浪費能量。
ZMAC協議（混合型MAC協議）
? 競爭型MAC協議由于沖突重傳、空閑監聽、串擾等引起能量損耗，存在效率不高等缺點。分配型MAC 將信道資源按需時隙、碼型或頻分等方式分為多個子信道，數據包在傳輸過程中不存在沖突，所以能量效率較高。但是分配型MAC不能靈活的適應網絡拓撲結構的變化，為此提出了混合型MAC協議。
? ZMAC協議概述 將競爭方式與分配方式進行了組合，采用CSMA機制作為基本的方法。在競爭加劇時使用TDMA機制；來解決信道沖突問題。
基本思想
? ZMAC引入了時間幀的概念，每個時間幀又分為若干個時隙。在ZMAC中，網絡部署時每個節點都執行時隙分配的DRAND算法。時隙分配結束后每個節點都會在時間幀中擁有一個時隙，分配時隙的節點稱為該時隙的所有者，時隙的所有者在對應的時隙發送數據的優先級更高。
? 在ZMAC中，節點可以選擇在任何時隙發送數據，節點在某個時隙發送數據需要先監聽信道狀態，但是該時隙的所有者擁有更高的發送優先級。發送優先級的設置通過設定退避時間窗口的大型來實現，時隙的所有者被賦予一個較小的時間窗口，所以能搶占信道。通過這種機制，時隙在被所有者閑置時被其它節點所使用，從而提高信道利用率。
關鍵技術 1.鄰居節點發現和時隙分配、2.本地時間幀交換、3.傳輸控制、4.局部同步
特點
? ZMAC協議是一種混合型MAC協議，可以根據網絡中的信道競爭情況來動態調整整個MAC協議所采用的機制，在CSMA 和 TDMA 之間切換。
? 在網絡數據量較小時，競爭者少，協議工作在CSMA機制下。在網絡數據量較大，競爭者較多，協議工作在TDMA機制下。使用拓撲信息和時鐘信息來改善協議性能。
? ZMAC協議結合了競爭型MAC與分配型MAC的特點很好的適應網絡拓撲的變化并提供均衡的網絡性能。
路由層協議
以數據為中心的路由
SPIN協議（協商的路由協議）
? 是一種以數據為中心的自適應路由協議，其目標是通過節點間的協商制度和資源自適應機制解決無線傳感器網絡中的數據冗余問題。
基本思想：
? 通過節點間相互協商的方式來減少網絡中數據傳輸的數據量，節點只廣播其它節點所沒有的數據以減少冗余，從而減少能量消耗。
三次握手與三種報文
? SPIN協議采用三次握手協議來實現數據的交互，協議運行過程中使用三種報文數據，分別為ADV,REQ和DATA。
? ADV 用于數據的廣播。
? REQ 用于請求發送數據。
? DATA 為原始感知數據包，裝載了原始感知數據。
? SPIN協議有兩種工作模式：SPIN1和SPIN2。
? SPIN協議特點： SPIN協議下，節點不需要維護鄰居節點的信息，一定程度上能適應節點移動移動的情況。在能耗方面，比傳統模式減少一半以上。**不適用于高密度節點分布的情況。**由于SPIN協議通過節點之間的協商，解決了內爆和重疊現象。SPIN協議不需要了解網絡拓撲結構，適合在節點可以移動的WSN中使用。
DD路由協議（定向擴散路由）：
? 定向擴散（DD，directed diffusion）路由協議是一種基于查詢的路由方法。
? 四個階段： 周期性的興趣擴散，梯度建立，數據傳播與路徑加強。
試題：簡述DD路由協議的工作過程
? 答：DD路由協議分為三個階段：興趣擴散（采用泛洪）；梯度建立（反向建立）；強化路徑（Sink節點會收到多條路徑，選最優路徑，進行加強，以后的數據按照加強路徑傳送）
（1）興趣擴散階段： Sink節點（匯聚節點）查詢興趣消息：興趣消息采用泛洪的方法傳播到網絡；有和興趣匹配數據的節點發送數據；興趣擴散階段建立節點到Sink（匯聚節點）的路徑.
**（2）數據傳播階段：**當傳感器節點采集到與興趣匹配的數據時，把數據發送到梯度上的鄰居節點，并按照梯度上的數據傳輸速率設定傳感器模塊采集數據的速率。
**（3）路徑加強階段：**定向擴散路由機制通過正向加強機制來建立優化路徑，并根據網絡拓撲的變化修改數據轉發的梯度關系。興趣擴散階段是為了建立源節點到匯聚節點的數據傳輸路徑，數據源節點以較低的速率采集和發送數據，稱這個階段建立的梯度為探測梯度。匯聚節點在收到從源節點發來的數據后，啟動建立到源節點的加強路徑，后續數據將沿著加強路徑以較高的數據速率進行傳輸。加強后的梯度稱為數據梯度。
分層結構的路由協議
LEACH 協議（低功耗自適應集簇分層型協議）
? 該算法基本思想是：以循環的方式隨機選擇蔟首節點，將整個網絡的能量負載平均分配到每個傳感器節點中，從而達到降低網絡能源消耗、提高網絡整體生存時間的目的。
? 網絡隨機選擇簇頭，其他非簇頭節點以就近原則加入相應的簇頭。形成虛擬簇。簇內節點將將感知到的數據直接發給簇頭，簇頭將本簇內的數據進行融合處理以減少網絡傳輸量。
關鍵技術
? 簇頭節點的選擇依據網絡中所需簇頭的節點數和每一個節點已成為簇頭的次數來決定。
具體辦法：每個傳感器節點生成 [0,1] 之間的隨機數,如果大于閾值T,則選該節點為聚類首領T的計算方法如下：
? n∈G 當n不屬于G的時候 T = 0；
? N 為網絡中傳感器連接節點的個數，k為網絡中的簇頭的節點個數。r為已完成的周期數。G為網絡的生存周期。
LEACH協議主要分為兩個階段：
? 簇建立階段(setup phase)和穩定運行階段(ready phase)。簇建立階段和穩定運行階段所持續的時間總和為一輪(round)。為減少協議開銷，穩定運行階段的持續時間要長于簇建立階段。
? 在簇建立階段，傳感器節點隨機生成一個0，1之間的隨機數，并且與閾值T(n)做比較，如果小于該閾值，則該節點就會當選為簇頭。
地理位置信息路由協議
用途：
基于地理位置的路由協議：使用地理位置信息建立路由，節點直接根據地理位置信息制定數據轉發策略
使用地理環境信息作為其他路有算法的輔助：可以限制網絡中手說路由的范圍，減少路由控制分組的數量
基本思想：GOSR協議是使用地理位置信息實現路由的一種算法，它使用了貪婪算法建立路由。
模型：當源節點S向匯聚節點D轉發數據分組時S先選擇在他通信范圍內部距離匯聚節點D最近的節點作為下一跳的轉發節點，這個過程一直重復，直到數據分組轉發完成
關鍵技術；
GPSR協議中有兩個核心問題：最佳主機問題和邊界轉發策略問題、
最佳主機問題
最佳主機問題又稱為局部優化問題，如圖圓1是節點的發射和接收區域，圓2是節點B的接收和發射區域。源節點S和目的節點D進行通信，根據貪婪算法可以知道，到達中間節點B，鄰居節點A與中間節點B到達匯聚節點D的距離相比B更近，并且B在D的通信范圍之內，所以B選擇自己作為傳送的下一個節點，但是超過了B的發射區域所以B選擇鄰居節點A作為自己的下一跳節點，以此類推傳送的路徑為B到A到C到D到E到D；這就是由邊界轉發策略來解決最佳主機問題。
邊界轉發策略
基礎： 右手法則和平面圖的構造
右手法則是節點X接收節點Y 的數據，他的下一條路徑以節點X為原點，沿著（X,Y）逆時針方向上的第一條鏈路，就是如圖（X,Z）節點按照這個規矩以此轉發數據
平面圖構造
平面圖構造方法是刪除網絡拓撲圖中交叉的邊，假設每一跳通信范圍的半徑都是R，并且都處于同一平面，如果（X,Y）<r，那么可以認為x，y中間有一條邊xy。 按需理由協議="" aodv協議="" ?="" 基本思想="" 旨在多個移動節點之間建立和維護一個動態的、自啟動的、多跳的專屬網絡。aodv協議使得移動節點能快速獲得通向新的目的節點的路由，并且節點僅需要維護通向他的信號所及范圍內的節點的路由，更遠的節點的路由則不需要維護。="" 網絡中節點的連接斷開和移動會使網絡的拓撲結構發生變化，aodv協議使得移動節點能適應對這種變化做出響應。="" 網絡中每個節點維護路由緩存表，路由緩存表的內容使到達源節點已知得節點路由。="" 路由發現過程：="" 當一個節點需要給網絡中的其他節點傳送信息時，如果沒有到達目標節點的路由，則必須先以多播的形式發出rreq(路由請求)報文。rreq報文中記錄著發起節點和目標節點的網絡層地址，鄰近節點收到rreq，首先判斷目標節點是否為自己。如果是，則向發起節點發送rrep(路由回應);如果不是，則首先在路由表中查找是否有到達目標節點的路由，如果有，則向源節點單播rrep，否則繼續轉發rreq進行查找。="" 路由維護過程="" 如果發起路由請求的源節點移動了，它能夠再次發起一個路由發現過程，以找到到達目的節點的新路由。如果沿著某路由的某個節點移動了。在移動節點的="" “上游”="" 鄰居節點就會注意到此節點的移動，這時上游就會傳播一個鏈接斷開的信息給上游節點的每一個有效的上游節點，通知他們刪除路由表中對應的無效路由。這些節點依次轉發這個鏈路斷開的信息給上游節點，一直到達源節點。源節點將再次發起路由發現過程。="" 協議的功能="" 將數據從源節點傳輸到目的節點的機制。="" 無線傳感器網絡的路由協議具體有哪些特點 （傳統協議相比的特點）
能量優先
? 傳統路由協議在選擇最優路徑時，很少考慮節點的能量消耗問題。而無線傳感器網絡中節點的能量有限，延長整個網絡的生存期成為傳感器網絡 路由協議設計的重要目標，因此需要考慮節點的能量消耗以及網絡能量均衡使用的問題。
基于局部拓撲信息
? 無線傳感器網絡為了節省通信能量，通常采用多跳的通信模式，而節點有限的存儲資源和計算資源，使得節點不能存儲大量的路由信息，不能進行太復雜的路由計算。在節點只能獲取局部拓撲信息和資源有限的情況下，如何實現簡單高效的路由機制是無線傳感器網絡的一個基本問題。
以數據為中心
傳統的路由協議通常以地址作為節點的標識和路由的依據，而無線傳感器網絡中大量節點隨機部署，所關注的是監測區域的感知數據，而不是具體哪個節點獲取的信息，不依賴于全網唯一的標識。傳感器網絡通常包含多個傳感器節點到少數匯聚節點的數據流，按照對感知數據的需求、數據通信模式和流向等，以數據為中心形成消息的轉發路徑。
第一章
1.目前最常見的短距離無線通信技術有IrDA/紅外，藍牙、WIFI（802.11標準）和Zigbee技術
2.傳感器節點由五部分構成，即能量供應模塊、傳感器模址、處理器模塊、無線通信模塊和嵌入式軟件系統。
3.傳感器節點具有的處理能力、存儲能力、通信能力和電源能力都十分有限：所以傳感器節點在實現各種網絡協議和應用控制中存在以下約束條件：電源能量有限、通信能力有限、計算和存儲能力有限
4.無線通信模塊存在發送、接收、空閑和休眠四種狀態。
5.無線通信的能量消耗與通信距離的關系為 E=kdn
6.無線網絡可以分為兩種：一種是有基礎設施的網絡，此類網絡需要有固定的基站；另一種是無基礎設施的網絡，又稱無線自組織網絡（Ad Hoc Network）前一種網絡比較常見，如移動、聯通和電信網絡，需要高大的天線和大功率基站來支持，常見的有基礎設施的網絡為無線寬帶網，包括GSM、CDMA、3G、Beyond3G、4G、WLAN（WIFI）和WMAN（WiMax)等。
7.現有的操作系統：TinyOS操作系統、MANTIS 操作系統、SOS操作系統
8.Zigbee技術是基于IEEE802.15.4標準的無線技術，IEEE802.15.4只負責Zigbee的物理層和MAC層
應用層 Zigbee聯盟
網絡層/安全層
MAC層 IEE802.15.4
物理層
Zigbee技術適用于通信數據量不大、數據傳輸速率相對較低、成本較低的便攜或移動設備。 QoS是無線傳感器網絡提供給應用/用戶的服務性能的一種測量。
第二章
擴頻通信
擴頻通信是將待傳送的信息數據經偽隨機編碼擴頻處理后，再將頻譜擴展了的寬帶信號在信道上進行傳輸：接收端則采用相同的編碼序列進行解調及相關處理，恢復出原始信息數據。
擴頻通信的理論基礎是從信息論和抗干擾理論的基本公式中引申而來的，如信息論中的香農公式為 C=Blog2(1+S/N)
特點
擴頻通信相比于窄帶通信方式，主要特點包括以下兩點：
◆信息的頻譜在擴展后形成寬帶進行傳輸。
◆信息的頻譜經過相關處理后恢復成窄帶信息數據。
擴頻通信優點：抗干擾、抗噪聲、抗多徑干擾、保密性好、功率譜密度低、具有隱蔽性和低的截獲概率、可多址復用和任意選址以及易于高精度測量等。
分類
按照擴展頻譜的方式不同，現有的擴頻通信系統可以分為以下幾類：
直接序列擴頻工作方式，簡稱直擴(DS）方式。
跳變頻率工作方式，簡稱跳頻（FH)方式。
跳變時間工作方式，簡稱跳時（TH)方式。
寬帶線性訓斷工作方式，簡稱Chirp方式。
混合方式，即在幾種基本擴頻方式的基礎上組合起來，構成各種混合方式，如DS/FH、DS/TH、DS/FH/TH.
物理層數據幀稱為物理層協議數據單元。無線傳感器網絡物理層數據幀結構目前還沒有一個統一的標準，目前最廣泛使用的無線傳感器網絡的物理層和MAC層協議為IEEE802.15.4標準協議，其物理層數據幀結構如圖所示，由同步以物理幀頭和PHY負載構成。
4字節 1字節 1字節 變長
前導碼 SFD 幀長度（7位） 保留位（1位） PSDU
同步頭 物理幀頭 PHY負載
同步頭包括前導碼和幀起始分隔符，物理幀頭包括幀長度和保留位，PHY負載包括物理服務數據單元。 ◆前導碼由4個字節的0組成，用于收發器進行碼片或者符號的同步。 ◆幀起始分隔符（SFD）域由1個字節組成，表示同步結束時，數據包開始傳輸。 ◆幀長度由7位組成，表示物理服務數據單元的字節數。 ◆PSDU域是變長的，攜帶PHY數據包的數據，包含介質訪問控制協議（MAC)數據單元。PSDU域是物理層的載荷。
物理層功能（判斷是哪種功能）
1.數據的發送與接收
數據的發送和接收是通過PD-SAP提供的PD-DATA原語來實現物理層與MAC子層的MAC協議數據單元傳輸
2.物理能量信道的檢測
協調器在構建一個新的網絡時，需要掃描所有信道，然后為網絡選擇一個空閑的信道
3.射頻收發器的激活與關閉
為了滿足低功耗要求，在不需要無線數據收發時，可以選擇關閉底層射頻收發器。
4.空閑信道評估
由于802.15.4標準的MAC子層采用的是CSMA/CA機制訪問信道
5.鏈路質量指示
高層的協議往往需要依據底層的鏈路質量來選擇路由，物理層在接受一個報文的時候，可以順帶返回當前的LQI值
6.物理層屬性參數的獲取與設置
在協議棧里面，每一層協議都維護著一個信息庫，用于管理該層，里面具體存放著與該層相關的一些屬性參數。
非理想特性
來源：對于實際的無線傳感器節點平臺，物理層非理想特性具體表現為無線信號傳輸的不規則性、較長的電路轉換時間以及較低的性能。
無線傳輸的不規律性
DOl模型分為如下三種情況；
◆接收點與發送點的距離大于上邊界，此時所有節點都不在通信范圍之內，接收方將接收不到數據，此時沒有通信。
◆接收點與發送點的距離小于下邊界，此時所有節點都在傳輸范圍之內，接收方將會接收到可靠的數據。此時傳輸鏈路可以認為是對稱傳輸（雙向傳輸)的。
◆接收點與發送點的距離位于上、下邊界之間，接收性能將取決于不同方向的實際信號強度，有可能是對稱鏈路也有可能是非對稱鏈路(即有可能是單向傳輸）。此時傳輸鏈路是不規則傳輸。
在這里插入圖片描述
當DOI=0時，傳輸鏈路是對稱的，此時傳輸是規則的：
當DOl=0.02時，傳輸鏈路明顯顯示出不規則形狀。
影響
1.對MAC層的影響
無線傳輸的不規則性增大了載波偵聽協議中數據收發沖突的概率
2.對路由層的影響
物理層非理想特性對路由層的影響表現在反向路徑和鄰居發現。由于無線傳輸的不規則性，使得反向路徑技術的路由協議在反向鏈路可能會出現斷鏈問題。
第三章
IEEE802.15.4標準定義MAC子層具有以下幾項功能：
◆采用CSMA/CA機制來訪問信道。
◆PAN(Personal Area Network,個域網）的建立和維護。
◆支持PAN網絡的關聯（加入網絡）和解除關聯（退出網絡）。
◆協調器產生網絡信標幀，普通設備根據信標幀與協調器同步。
◆處理和維護保證GTS(Guaranteed Time Slot，同步時隙）。
◆在兩個對等MAC實體間提供可靠鏈路。
幀結構
MAC幀的一般格式：（MAC幀頭（MHR) 、MAC有效載荷、MAC幀尾）
幀控制 幀序號 目的PAN標識碼 目的地址 源PAN標識碼 源地址 幀有效載荷 FCS
地址信息
MAC幀頭（MHR) MAC有效載荷 MAC幀尾 （MFR)
MAC幀的特定格式：（信標幀（MAC幀頭、有效載荷和幀尾）、數據幀、確認幀、命令幀）
幀控制 序號 地址信息 超幀 GTS 待處理地址 信標幀有效載荷 FCS
MAC幀頭（MHR) MAC有效載荷 MAC制尾 （MFR)
SMAC協議
基本思想：當節點不需要發送數據時，盡可能地讓它處于功耗較低的睡眠狀態。SMAC協議提出了“適合于多跳無線傳感器網絡的競爭型MAC協議的節能方法。
關鍵技術：周期性監聽與睡眠、自適應監聽、串擾避免、消息傳遞
TMAC協議
基本思想：TMAC協議在周期長度不變的基礎上，根據通信流量動態地調整活動時間，用突發的方式發送消息，減少空閑監聽時間。
關鍵技術：周期性監聽同步、RTS操作和TA的選擇
特點：TMAC協議能較好的適應網絡流量的變化、TMAC協議在經常變化的網絡中有更高的能量效率。
PMAC協議
基本思想：在網絡數據流量很小的情況下，節點最主要的能量損耗是空閑監聽，采用周期性調度方式的MAC協議都采取措施盡可能地減少這種能量損耗。
關鍵技術：引入模式信息——“睡眠—喚醒”信息二進制串
特點：當網絡數據流量較大時，PMAC協議具有更小的時延，可提高系統的吞吐量。PMAC協議可以根據節點自身的數據流量和其鄰居節點的流量模式自適應地調整周期性調度方式的占空比，從而提高能量效率。
SMACS協議
基本思想：為每一對鄰居節點分配一個特有頻率進行數據傳輸，不同節點之間的頻率互不干擾，從而避免節點同時傳輸數據之間產生的碰撞。
關鍵技術：SMACS協議節點鏈路建立主要用于靜止節點之間的無線鏈路。
特點：SMACS協議是一種TDMA和FDMA結合的信道分配機制，該協議可以建立一種平面結構網絡。通過為每對時隙分配隨機的載波頻率，SMACS減少了全局時間同步，也減少了復雜性。
TRAMA協議
基本思想：TRAMA協議將一個物理信道分成多個時隙，通過對這些時隙的復用為數據和控制信息提供信道。核心思想是采用交錯調復機制
關鍵技術：NP協議、SEP分配交換協議
特點：TRAMA協議是一種分配型MAC協議，節點通過NP協議獲得鄰居信息，通過SEP協議建立和維護分配信息，通過AEA算法分配時隙給發送節點和接收節點。TRAMA協議在沖突避免、延時、帶寬利用率等方面都具有較好的性能，但協議需要較大的存儲空間來存儲多跳鄰居信息和分配信息。
DMAC協議
基本思想：采用交錯調度機制。
關鍵技術：自適應占空比機制、數據預測機制
特點：DMAC協議是一種針對樹狀數據采集網絡提出的能量高效、低延遲的MAC協議。DMAC協議根據節點在數據采集樹上的深度為節點分配交錯的活動/睡眠周期，在空比方式下避免了數據多跳傳輸中的睡眠延遲。通過引入自適應占空比機制，DMAC協議能根據網絡數據流量動態地調整占空比。
ZMAC協議
基本思想：ZMAC引入了時間幀的概念，每個時間幀又分為若干個時隙。在ZMAC中，網絡部署時每個節點都執行時隙分配的DRAND算法。
關鍵技術：鄰居節點發現和時隙分配、本地時間幀交換、傳輸控制、局部同步
特點：ZMAC協議是一種混合型MAC協議，可以根據網絡中的信道競爭情況來動態調
整MAC協議所采用的機制，在CSMA和TDMA機制間進行切換、在網絡數據量較小時，競爭者較少，協議工作在CSMA機制下：在網絡數據量較大時，競爭者較多，ZMAC協議工作在TDMA機制下，使用拓撲信息和時鐘信息來改善協議性能、ZMAC協議結合了竟爭型MAC協議和分配型MAC協議的特點，能很好地適能網絡拓撲的變化并提供均衡的網絡性能。
第四章
路由協議分類：
以數據為中心的路由協議。
分層結構的路由協議。
地理位置信息的路由協議。
可靠的路由協議
按需路由協議。
以數據為中心的路由協議
SPIN協議、DD協議
SPIN協議
基本思想：SPIN路由協議通過節點間協商的方式來減少網絡中數據的傳輸數據量，節點只廣播其他節點所沒有的數據以減少冗余數據，從而有效減少能量消耗。
關鍵技術：SPIN 協議通過節點之間的協商，解決了Flooding（泛洪協議）和Gossiping（語傳協漢）的內爆和重疊現象。
”泛洪協議”是一種原始的無線通信路由協議。該協議規定，每個節點接收來自止他
節點的信息，并以廣播的形式發送給鄰居節點。如此繼續下去，最后數據的傳約到目的節點。但是容易引起信息的“內爆”和“重疊”，造成資源的浪費。
特點：
DD協議
基本思想：DD 路由協議中引入了幾個基本概念：興趣、梯度和路徑加強。整個過程可以分為興趣擴散、梯度建立和路徑加強三個階段。路徑的建立過程由匯聚節點發起，匯聚節點周期性地廣播一種稱為“興趣”的數據包，告訴網絡中的節點它需要收集什么樣的信息。
**關鍵技術：**興趣擴散階段、數據傳播階段、路徑加強階段
特點：
分層結構的路由協議
LEACH協議、PEGASIS 協議、TTDD協議、TEEN與APTEEN協議.
LEACH協議
基本思想：網絡周期性地隨機選擇簇頭，其他的非簇頭節點以就近原則加入相應的簇頭，形成虛擬簇。簇內節點將感知到的數據直接發送給族頭，由簇頭轉發給匯聚節點，簇頭節點可以將本族內的數據進行融合處理以減少網絡傳輸的數據量。
關鍵技術：LEACH中每個節點都可以和匯聚節點通信，但是由于節點距離太大，導致與匯聚節點直接通信的能量消耗增大，或者有些節點不在匯聚節點通信范圍之內，不能與匯聚節點直接通信。
特點： LEACH協議從傳輸數據的能量和數量上進行了優化，提高了網絡的生存時間。
PEGASIS 協議
基本思想：PEGASIS協議中的節點在進行數據傳輸之前先發送測試信號，通過檢測應答來確定離自己最近的相鄰節點并作為自己的下一節點，在整個網絡中的所有節點按照這種方式最終形成一條鏈。
關鍵技術：成鏈階段、數據傳輸階段
特點：
TEEN與APTEEN協議
基本思想：TEEN采用與LEACH相同的多簇結構和運行方式。不同的是，在族的建立過程中，隨著簇首節點的選定，族首除了通過TDMA方法實現對節點的調度外，還向簇內成員廣播有
關數據的硬閥值和軟閥值兩個參數。
關鍵技術：APTEEN簇頭的建立采用集中式控制的思想，由匯聚節點決定簇頭節點的個數并且指定簇頭節點。
特點：
地理位置信息路由協議
GPSR協議、GAF協議、LAR協議、GEAR協議
GPSR協議
基本思想：GPSR協議算法是使用地理位置信息實現路由的一種算法，它使用貪婪算法來建立路由。
關鍵技術：最佳主機問題、邊界轉發策略、
特點：GPSR協議是一種直接使用地理位置信息建立路由路徑的算法。
GAF協議
基本思想：GAF協議算法通過讓節點盡量處于休眠狀態來節省能量。
關鍵技術：等價節點的確定、分布式協商算法、對節點移動的自適應
特點：此協議是一種使用地理位置信息作為輔助的路由協議，地理信息除了用于選擇優化路徑外，還用于確定等價節點。
LAR協議
基本思想：使用地理位置信息來改進基于“泛洪協議”的路由。
關鍵技術：期望域、尋找域、
特點：地理位置主要用于優化路徑
GEAR協議
基本思想：GEAR協議算法借鑒DD算法的思想，采用查詢的方法來建立從匯聚節點到事件區域的路由。
關鍵技術：GEAR協議是一種依據鄰居節點地理位置來選擇下一跳的路由協議，然而目前基于地理位置信息的路由協議都是基于局部最優的角度在鄰居節點中選擇下一跳。
特點：SPEED協議是一個實時路由協議，在一定程度上實現了端到端的傳輸速率保證，網絡擁塞控制以及負載平衡機制。
可靠的路由協議
SPEED
基本思想：SPEED協議首先交換節點的傳輸延遲，以得到網絡負載情況；然后節點利用局部地理信息和傳輸速率信息作出路由決定，同時通過鄰居反饋機制保證網絡傳輸速率在一個全局定義的傳輸速率閥值之上。節點還通過反向壓力路由變更機制避開延遲太大的鏈路和路由空洞。
關鍵技術：延遲估計、SNGF算法、反饋機制、路由變更
特點：
按需路由協議
DSDV協議、DSR協議、AODV協議
DSDV協議
基本思想：在DSDV協議中，每個移動節點都需要維護一個路由表。
關鍵技術：MAC層檢測到某條鏈路中斷時，向路由層報告、通過時間推斷，即節點在過了一段時間后仍沒有收到某個節點發送的分組，自動認為本節點到該節點的鏈路中斷，將相應的路由條目設置為無窮大來描述斷開的鏈路。
DSR協議
基本思想：DSR協議是一種基于源路由方式的按需路由協議。
關鍵技術：路由發現、路由維護
AODV協議
基本思想：AODV 協議旨在多個移動節點中建立和維護一個動態的、自啟動的、多跳路由的專屬網絡。
關鍵技術：路由發現過程、路由維護過程
第五章
時間同步技術
典型的時間同步協議：DMTS協議、RBS協議、TPSN協議
數據融合技術
概念：數據融合是將來自多個傳感器和信息源的多份數據或信息進行相關的處理，去除冗余數據，組合出更有效、更符合用戶需求的數據的過程。對于無線傳感器網絡的應用，數據融合技術主要用于處理同一類型傳感器的數據。
作用：節省整個網絡的能量、增強數據的準確性和提高收集數據的效率
安全協議
無線傳感器網絡安全隱私協議族是最早的無線傳感器網絡的安全框架之一，包含了安全網絡加密協議和微型容忍丟失的流認證協議兩個安全協議。
密鑰分配管理
密碼系統的兩個基本要素是密碼體制和密鑰管理。
容錯設計
無線傳感器網絡容錯設計需要考慮三個方面：故障模型、故障檢測和故障修復
故障類型及描述
故障級別 故障表征 故障檢測 修復機制
部件故障 故障節點能夠正常通信，但是測量數據是錯誤的 檢測出錯誤的測量數據 數據舍棄或校正出錯的測量數據
節點故障 故障節點不能與其他節點進行通信 通過詢問或重新路由等方法檢測故障節點 通過移動冗余節點彌補形成的連接覆蓋問題
分布式故障檢測
隱藏終端、網絡擁塞、非對稱鏈路是幾種常見的節點通信故障。
故障修復
k連通網絡是基于連接修復的一種方法，它是指任意k-1個節點發生故障時網絡仍能保持連通
抖動，漂移
高頻率的時延變化稱為抖動，而低頻率的時延變化稱為漂移。
QoS
QoS是無線傳感器網絡提供給應用/用戶的服務性能的一種測量
網絡生存周期（服務時間）
已有的第一個節點的死亡時間、最后一個節點的死亡時間和一半節點的死亡時間作為整個網絡壽命的度量標準。
感知精度(服務準確性)
感知精度定義為在無線傳感器網絡目標區域檢測的數據和真實事件的符合程度，包括時間精確度和空間精確度，比如在目標追蹤中節點定位信息的延遲和位置誤差。
吞吐率
吞吐率用于衡量每單位時間目的節點從發送源節點接收到的數據包數量，是對無線傳感器網絡處理傳輸數據請求能力的總體評價。
本文在討論無線傳感器網絡各種路由協議的基礎上針對傳統洪泛路由算法進行了研究與改進，首先對無線傳感器網絡廣播中節點的轉播行為進行了分析，對一個節點轉播之后其鄰域內其它節點的轉播，即引發新轉播進行了討論，基于對引發新轉播的次數的分析得出了最佳新轉播次數為2的結論。接著，本文分析了一個節點的鄰域內所有節點到達鄰域邊界的平均最小距離的解析式。然后，基于對一次轉播引發轉播的分析得到的結論，提出了一種適用于無線傳感器網絡的低開銷的廣播算法EBP，利用上述得到的鄰域內節點距離鄰域邊界的平均最小距離去限制轉播冗余。EBP 算法不需要任何鄰節點信息，算法的控制開銷和存儲開銷大大降低。最后通過仿真證明EBP能有效的提高無線傳感器網絡的能量利用率，尤其是在大規模、高結點密度的網絡環境下。
1 引言
微小的、資源非常有限的無線傳感器網絡節點是無傳感器網絡的基本功能單元，擔負著信息采集、數據處理、信息傳輸等重任。
隨著MEMS技術、微電子技術、網絡技術和計算機技術的進步，逐漸使得無線傳感器網絡成為現實。研究人員利用嵌入式技術開發出了小型化板級無線 傳感器網絡節點，而這在30年前還僅是一種構想;單片無線傳感器網絡節點也已經問世，但距離實用仍有相當一段路要走。為了研究無線傳感器網絡的組網技術和 能量管理技術我們采用基于ARM7核的SOC單片機LPC2138開發了一種傳感器網絡節點。
2 節點設計概述
相對于處理器運算速度和功耗提高的幅度而言，電池性能的提高則緩慢許多，使得能量管理成為了無線傳感器網絡最大的挑戰。為了節能無線傳感器網絡 要求節點具有動態電源管理（DPM）功能，在節點空閑時應進入低功耗狀態以節省能量。實現DPM功能需要微控制器的支持，由于ARM技術在無線通信領域有 著無可比擬的優勢，己有超過85%的無線通信設備采用了ARM技術。我們選擇了菲利浦公司生產的ARM基高性能、低功耗微控制器LPC2138構建處理單 元。
LPC2138提供了完善的DPM支持：具有休眠和掉電兩種低功耗狀態，可通過外部中斷將其喚醒;振蕩模式下支持1～30 MHz外部晶體，通過鎖相環可使CPU獲得高達60 MHz的工作頻率，為了節能采用8 MHz晶體;片內外設除了可通過外設功率控制寄存器開啟、關閉外，其工作頻率亦可通過分頻器調整為處理器時鐘頻率的1/2或1/4。另外，存儲加速功能可 極大地加快程序的運行速度，提高能量效率。這些使得LPC2138適合應用到具有相當處理能力的低功耗系統中。
為了使節點可用兩節AA電池供電，采用升壓型DC-DC MAX756構建供電單元。除了升壓外MAX756還具有電源監控的功能，當Vin（可通過R1和R3調整）低于1.25 V時，LBO引腳輸出低電平、灌電流（如圖2）。這雖不能準確給出電池荷電狀態（SOC）的多少，卻可讓傳感器節點了解其電池的荷電狀態下降到了某種程 度，節點不再適合擔任較繁重的工作了。由此改變節點的工作狀態、降低節點的功耗，達到延長節點使用時間的目的。
數據收發單元采用由Chipcon公司推出的符合ZigBee標準的射頻收發芯片構建;傳感單元由溫度傳感器DS1722和光亮度傳感器TSL2561組成。通過三級管放大MCU的GPIO驅動能力，實現對它們供電的動態管理。
3 能量管理
無線傳感器網絡的拓撲結構造成了節點之間能量使用的不平衡性，因此無線傳感器網絡需要知道各節點電量的使用情況，取得電池的荷電狀態并由此轉換 節點的角色，動態地改變網絡的拓撲結構以抵消這種不平衡。因此對于無線傳感器網絡而言，不考慮電池的狀態只是簡單地通過DPM技術使節點進入低功耗狀態不 能使網絡范圍內能量的使用達到最優，最大程度地延長網絡的使用壽命。
3.1 電池模型
電池的荷電狀態通常表示為其當前可用容量與額定容量的比，它并不是放電時間和放電電流的線性函數，受到電池固有屬性“額定容量效應”和“恢復效 應”的影響，為進行電池設計、系統評估、優化電池使用策略，研究人員分別從不同層面提出了多種電池模型。本文采用文獻［7］基于馬爾可夫過程的電池模型進 行研究，該模型通過引入最小可用電荷單元將電池的荷電狀態表示為一種離散的瞬態隨機過程（如圖3）。圖中圓圈中的N，N-1，…，1，0表示某一時刻電池 的名義容量;qi表示在某個時間段內消耗i個電荷單元的概率。如果起始時電池有N個電荷單元，在某段時間內消耗了3個電荷單元，那么將發生這個事件的概率 表示為q3，電池的剩余電荷單元為N-3。
為了描述電池的“恢復效應”該模型根據電池在放電間歇恢復能力的強弱，把電池的恢復能力分為f（f=0，1，…，fmax）個階段。一個時間步內，電池處于狀態j（j=1，2，…，N-1）和f階段時恢復一個電荷單元的概率。
gN和gC與電池的恢復能力有關，q0是電池處于閑置狀態的概率。給出了恢復概率后，電池在某閑置時間內處于f階段保持電荷狀態不變的概率，可表示為
這種模型相對于偏微分方程描述的電池模型而言，計算量大為減少并且結果也很準確，可快速評估嵌入式系統結構設計對電池狀態的影響。但將其用于實時評估無線傳感器網絡節點荷電狀態開銷仍過大，因此有必要進一步探索電池建模方面的問題。
3.2 節點功率
具體應用中節點工作電流是評估電池荷電狀態的外在依據。由于無傳感器節點是由若干離散器件組成，因此其功率可由這些離散器件有效功耗狀態的組合求得，結果見表1。
4 結 論
無線傳感器網絡有著十分廣闊的應用前景，是一種革命性的信息獲取技術。目前無線傳感器網絡仍有諸多技術難題沒有解決，其中尤以能量管理、大規模 組網等問題比較突出。無線傳感器網絡能量的重要性需要研究人員發現代價更小的方法去準確預測電池的荷電狀態以平衡網絡節點壽命，優化網絡內能量消耗，這是 亟待解決的重要課題。
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