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无线网
无线网络分为两种:1)有基础设施网;2)无基础设施网:移动Ad Hoc网,无线传感网
移动Ad Hoc网络的终端是快速移动的,无线传感器是静止的,或者移动很慢;
Ad hoc网络是一种多跳的、无中心的、自组织无线网络，又称为多跳网、无基础设施网或自组织网
WSN定义
英文及缩写：是Wireless Sensor Network，简称WSN。
无线传感器网络的标准定义：无线传感器网络是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络；目的：是协作地探测、处理和传输网络覆盖区域内感知对象的监测信息，并报告给用户
无线传感器网络由分布在监测区域内的大量无线传感器节点、具有接收和发射功能的汇聚节点（又称基站、网关节点、 Sink节点、）、互联网或通信卫星和任务管理节点构成
WSN特点:1.自组织性,2.以数据为中心3.应用相关性4.动态性5.网络规模大6.可靠性
WSN关键性能指标:
1. 网络的工作寿命
2. 网络覆盖范围
3. 网络搭建成本和难易程度
4. 网络响应时间
传感器的组成:传感器一般由敏感元件、转换元件和基本转换电路组成
常见传感器类型介绍:1. 能量控制型传感器2. 能量转换型传感器3. 光敏传感器4. 气、湿敏传感器5. 集成与智能传感器
WSN拓扑控制与覆盖技术
- 平面网络:所有节点是对等的,拓扑结构简单,具有较好的健壮性,没有中心管理节点,组网算法复杂
- 分级网络(层次网络):网络分为上下两层,上层为中心骨干节点,下层为一般传感网节点
- 混合网络:网络骨干节点之间及一般传感器节点之间哦都采用平面网络结构,骨干节点和一般传感器节点之间采用分级网络
- Mesh网络:是规则分布的网络,通常只允许和节点最近的邻居进行 通信,网络内部节点一般都是相同的.又称为对等网,Mesh最大优点是 尽管所有节点都是对等的地位,且具有相同的计算和通信传输功能
拓扑控制
动态变化的拓扑结构是无线传感器网络的最大特点之一,因此拓扑控制策略在无线传感器网络中有着很重要的意义.为路由器协议,MAC协议,数据融合,时间同步和目标定位等奠定了基础.
拓扑控制的意义:减少网络通信负载,提高通信效率,辅助路由协议,数据融合策略的选择,节点冗余
拓扑控制的设计目标:1)覆盖;2)连通;3)网络生命周期;4)吞吐能力;5)干扰和竞争;6)网络延迟;7)拓扑性质
层次性拓扑结构控制算法
由簇头节点担负数据融合的任务，减少了数据通信量；分簇式的拓扑结构有利于分布式算法的应用，适合大规模部署的网络；由于大部分节点在相当长的时间内关闭通信模块，所以显著地延长整个网络的生存时间等。
LEACH算法:是一种低功率自适应分簇拓扑算法
基本思想:是网络周期地随机选择簇头，其它非簇头节点以就近原则加入相应簇头， 形成虚拟簇。簇内节点将感知到的消息直接发送给簇头，由簇头转发给汇聚节点，簇头节点可以将本簇内的数据进行融合处理以减少网络传输的数据量
覆盖:覆盖问题是无线传感器网络配置首先面临的基本问题， 因为传感器节点可能任意分布在配置区域， 它反映了一个无线传感器网络某区域被监测和跟踪的状况
1. 节点部署方式分类:按照无线传感网络节点的不同配置(即节点是否需要自身的位置信息),将WSN的覆盖算法分为确定性,随机性覆盖两大类
覆盖目标分类
2. 根据无线传感器网络不同的应用，覆盖需求通常不同。根据覆盖目标不同，目前覆盖算法可以分为面覆盖、 点覆盖及栅栏覆盖
3. 典型覆盖算法:1.基于网格的覆盖定位传感器配置算法;2.圆周覆盖;3.连通传感器覆盖;4.轮换活跃/休眠节点的Self-Scheduling覆盖协议;5.最坏与最佳情况覆盖;6.暴露穿越覆盖;
4. 覆盖评价指标:可靠度
1.基于虚拟势场力的传感器网络区域覆盖控制
2.基于市场竞争行为的无线传感器网络连接与覆盖算法
通信与组网技术
媒体访问控制
多跳自组织无线传感网络MAC层协议需要实现两个目标:
- 对于感知区域内密集布置节点的多跳无线通信，需要建立数据通信链接以获得基本的网络基础设施。
- 为了使无线传感节点公平有效地共享通信资源，需要对共享媒体的访问进行管理
访问方式:(1)基于TDMA的媒体访问(2)基于混合TDMA/FDMA的媒体访问(3)基于CSMA媒体访问
Event-to-Sink
无线传感网络传输层的Event-to-Sink可靠度是必要的，包括了事件特征到Sink节点的可靠通信，而不是针对区域内各节点生成的单个传感报告/数据包进行基于数据包的可靠传递。图3-6说明了以收集事件到Sink节点数据流的识别符为基础的Event-to-Sink可靠传输概念
Sink-to-Sensors传输
可操作二进制码和特定应用查询与命令的Sink-to-Sensors传输需要更高的可靠度，这种要求包括了一定等级的重新传送和确认机制。返回路径上的Sink-to-Sensors数据传输主要由Sink节点发起，因此具有足够能量和通信资源的Sink节点可使用大功率天线广播数据。这有助于减少多跳无线传感网络基础设施传送的数据量，从而节省节点能量
任务分配与数据广播
WSN的MAC层分析
分类:
1. 信道数:单信道,双信道的MAC协议;
2. 信道分配方式–基于TDMA的时分复用固定式,基于CSMA的随机竞争式和混合式
3. 节点的工作方式–侦听,唤醒,调度;
4. 控制方式:分布式执行,和集中控制;
802.11
- 网络模式:Ad Hoc网络形式,基础结构网络,拓展服务集
- CSMA:载波监听多点接入:1-坚持CSMA,非坚持CSMA,P-坚持CSMA,CSMA/CD,CSMA/CA(802.11使用CSMA/CA方式,利用握手的方式来解决隐藏终端的问题)
802.11规定了两种不同的MAC层访问机制,1)分布式协调功能,用于传输异步数据支持PCF;2)访问机制称为点协调功能 - 分布式协调功能(DCF)
基本访问被视为STA(站点)用于决定是否可以发送核心机制,在一个STA满足小列条件时,可以发送一个mpdu- 该sta没有pc下按照dcf访问方式工作
- 该sta处于pcf访问的竞争期间
- 该sta确定当媒介的空闲时间大于等于一个DIFS
- 当sta上次收到一个没有正确fcs帧后,sta确定媒介空闲时间大于等于一个difs
- 在这些条件之外,当sta处于无竞争以外发起一系列的帧交换时,发现媒介处于忙状态,则sta随后将调用随机哦退避算法
- RTS/CTS访问机制
在无线局域网中，经常会出现隐蔽终端的问题，如图5-6所示。为了解决这种隐蔽终端问题， DCF可利用RTS和CTS两个控制帧来进行信道预约
mac协议中通过立即主动确认机制和预留机制来提高性能,在主动确认机制中,当目标节点收到一个发送给他的有效数据帧时,必须向源节点发送一个应答帧(ack),确认数据被收到
退避算法:当该sta通过物理或者虚拟载波机制发现媒质忙时,或者sta被指出发送没成功时,sta将调用退避算法,每次推迟时间都会减少,终将获得发送,然后推迟重新计算
基于竞争的MAC协议
S-MAC协议:在802.11 MAC协议基础上，针对传感器网络的节省能量需求而提出的传感器网络MAC协议
假设通常情况下传感器网络的数据传输量少，节点协作完成共同的任务，网络内部能够进行数据的处理和融合以减少数据通信量，网络能够容忍一定程度的通信延迟。它的主要设计目标是提供良好的扩展性，减少节点能量的消耗。
– 周期性侦听和睡眠
– 流量自适应侦听机制
– 串音避免
– 消息传递
WSN路由协议
按节点参与通信的方式:1)直接通信路由协议,2)平面路由协议,3)层次路由协议
- 平面路由:
- 洪泛路由协议:接收到消息的节点以广播的彤式转发报文给所有的邻居节点。洪泛法的优点和缺点都十分突出，其优点是实现简单，适用于健壮性要求高的场合；其缺点是存在信息爆炸问题、出现部分数据交迭的现象和盲目使用资源等
- Gossip(八卦闲聊算法):在某一个节点发送数据时，不再像洪泛法那样给它的每个邻居节点都发送数据副本，而是随机选择某个邻居节点，向它发送一份数据副本。接收到数据的节点采用相同的方法，随机选择下一个接收节点发送数据，
- SPIN协议:基于协商机制的传感器网络SPIN协议是一种以数据为中心的自适应通信方式,即ADV,REQ,DATA信息
在发送一个DATA数据包之前，一个传感器节点首先对外广播ADV数据包；如果某个邻居节点在收到ADV后有意愿接收该DATA数据包，那么它向该节点发送一个REQ数据包，然后节点向该邻居节点发送DATA数据包。类似地进行下去， DATA数据包可被传输到远方汇聚节点或基站
- 层次路由协议
- LEACH:通过随机循环地选择簇头节点将整个网络的能量负载平均分配到每个传感器节点中，从而降低网络能源消耗，提高网络整体生存时间。
- PENGASIS协议:EGASIS路由协议在网络中选择一个节点作为起始节点建立一条最优回路链，起始节点将数据融合后的数据信息发送给Sink节点。由于起始节点的负载较重， PEGASIS采用了全网节点轮流作为回路链起始节点的方式来进行均衡。
节点都知道其他节点的位置信息,每个节点都具有直接和基站通信的能力,传感器节点不具有移动性,其他模型假设和LEACH相同
具体差异为平面和层次的:移动性,能量使用,路由选择,可扩展性,开销
- 能量感知路由:根据节点的可用能量(Power Available，PA)或传输路径上链路的能量需求，选择数据的转发路径。节点可用能量就是节点当前的剩余能量。在如图7-6所示的网络中，源节点是一般功能的传感器节点，完成数据采集工作
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