無線網絡技術導論

主講教師：張亮老師

第六講無線網絡技術導論

無線傳感器網絡（wireless sensor network, WSN）系統是當前在國際上備受關注的、涉及多學科高度交叉、知識高度集成的前沿熱點研究領域。它綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、現代網絡及無線通信技術、分佈式信息處理技術等。

無線傳感器網絡（wireless sensor network, WSN）就是由部署在檢測區域內大量的廉價衛星傳感器節點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網絡系統，目的是協作地感知、採集和處理網絡覆蓋區域中感知的對象信息，併發送給觀察者。
構成WSN的三要素：傳感器、感知對象、觀察者。

1、WSN的影響力

美國商業週刊和MIT技術評論在預測未來技術發展報告中將無線傳感器網絡列爲21世紀最有影響的21項技術和改變世界的10大技術之一。
傳感器網絡被列爲未來3大高科技產業一。
美國的《技術評論》將無線傳感器網絡列爲第一項未來新興技術。
《商業週刊》預測的未來4大新技術中，無線傳感器網絡也列入其中等。

2、歷史以及發展現狀

國外：
起源於美國，根源可追溯到1978年由國防部高級研究計劃署（DARPA）在卡內基-梅隆大學發起的分佈式傳感器研討會。
具有代表性的項目包括：1993-1999年間由美國國防高級研究計劃署(DARPA)資助，加州大學洛杉磯分校(UCLA)承擔的WINS項目；
1999-2001年間由DAPRA資助UC Berkeley承擔的Smart Dust項目。
1998-2002年DARPA資助，加州大學伯克利分校等25個機構聯合承擔的SensIT計劃；
1999-2004年間海軍研究辦公室的SeaWeb計劃等。

國內：
中國的一些研究機構近年開始研究：中國科學技術大學、清華大學、中科院計算所、上海微系統所、瀋陽自動化所以及合肥智能所等研究單位。
之所以國內外都投入巨資研究機構紛紛開展無線傳感器網絡的研究，很大程度歸功於其廣闊的應用前景和對社會生活的巨大影響。傳感器網絡(sensor network)

由大量廣泛分佈的小型輕量無線節點組成，這些節點通過測量諸如溫度、壓力和相對溼度等物理參數來監控環境或系統。

3、傳感器節點組成

傳感子系統：感測環境
處理子系統：對感測數據進行本地處理
通信子系統：負責與鄰近節點交換消息無線傳感器系統
傳感器節點
匯聚節點
管理節點

4、無線傳感器網絡與MANET

傳感網絡的節點數目多、分佈密集
傳感節點更易失效和能量耗盡並且不能充電
傳感節點沒有全局ID：以數據爲中心，不需要往來特定節點的路由；傳感節點數目巨大所需的ID往往超過傳輸的數據；
傳感節點計算能力和存儲能力有限
傳感節點大多采用廣播路由
傳感網絡是以data-centric
傳感網絡的最大特性是數據聚合：傳感節點將本地信息聚合後再中繼

5、傳感器感測的事件

溫度、溼度、車輛的移動、光照條件、壓力、土壤結構、噪聲級別、某類物體的出現和消失、連接物體的機械應力級別、物體的當前特徵（速度、方向、大小等）

6、無線傳感器網絡與有線傳感器網絡

易於部署：隨機部署在感興趣的地方而無需事先規劃，降低安裝成本和增加部署靈活性
範圍擴展：許多分佈的小型無線傳感器覆蓋的範圍超過一個有線傳感器的覆蓋範圍
容錯能力：單個傳感節點的故障不會影響網絡的性能（臨近節點感測的數據類似）
移動性：節點可進行中心分佈以便分佈均勻（相對ad hoc節點的移動速度慢）

7、無線傳感網絡的特性

大規模網絡：信息量大、高精確度、高容錯性、大覆蓋區域
自組織網絡
動態性網絡
可靠的網絡
應用相關的網絡
以數據爲中心的網絡
節點能力受限
臨近的傳感節點擁有相似的數據：不需要每個節點發送數據，需要節點具備數據聚合的能力
傳感網絡特定於應用：節點是否移動，數據是否基於固定屬性
位置感知：多數數據蒐集是基於位置的，節點需要了解自己的位置
節點應對環境的激烈變化作出立即反應：有效利用有限無線信道帶寬和電池能量以最小延遲讓端用戶感知猛烈的異常情況
具備查詢控制能力
用戶手持設備向基站或者附近的傳感節點查詢數據：必須有可靠的機制確保查詢命令到達恰當的節點和節點逆向回答到手持設備用戶

8、傳感網絡的查詢分類

歷史查詢(historical query)：用來分析存在基站上的歷史數據
一次查詢(one-time query)：獲得網絡的瞬間視圖
持續查詢(persistent query)：監控某段時間內的一些物理參數

9、傳感網絡面臨的問題和挑戰

網絡的建立和維持完全自治：所有路由/維護算法都是分佈式，傳感節點是隨機分佈的，傳感網絡是無架構的
傳感節點的最大瓶頸是可用的能量：電池供電且往往無法充電，要求能量消耗均勻一次延長整個網絡的壽命
傳感節點的硬件設計有限考慮能量效率
傳感節點應能以完全分佈式的方式與其他節點保持同步
傳感網絡應能具有自適應網絡連接變化的能力
傳感網絡必須具備實時通信能力
傳感網絡應支持安全通信

10、影響傳感器網絡的因素

容錯（fault tolerance）：是傳感網絡在出現節點失效而無人干涉下繼續工作的能力，容錯能力的大小取決於傳感器網絡的應用
能耗，感測事件，通信，數據處理
網絡拓撲：先期部署和部署階段，後期部署階段，重新部署額外節點階段
節點位置：當傳感節點移動時
可達性：節點之間的可達性是保證網絡連通的基本條件
製造成本：單個節點的成本是衡量整個網絡成本的關鍵，如何以低於億美元的成本製造一定功能的傳感節點是很大的挑戰
傳輸介質（選擇的傳輸介質必須是全球可用的）：無線電，紅外，其他光波
傳感器的環境：忙碌的十字路口，大型機器的內部，海底，龍捲風時的海平面，生物/化學污染區域等等

11、傳感網絡的設計目標

設計目標
可擴展性
自配置能力
資源感知
網絡壽命長久：協議的設計必須均勻消耗節點能量
容錯能力

12、傳感網絡的性能度量

網絡壽命：網絡開始運行到第一個節點死掉這段時間
延遲：傳感節點開始發送數據到基站收到數據這段時間
每單位能量分發數據的質量和數量

13、傳感器網絡的分類

先應式網絡

連續操作模式
節點定期打開傳感器和發送器、感測環境並將感性需的數據發送出去
是用於需要定期監測數據的應用

反應式網絡

查詢-響應模式
節點根據操作員發來查詢命令給予立即響應
節點根據網絡某些屬性值發生的激烈變化立即予以響應

1.層次體系結構

由一個強大的基站（BS）和圍繞着它的一系列分層傳感節點組成
與BS跳計數相同的節點位於同一層次

2、Clustered體系結構

將傳感節點組成一個個cluster
每個cluster由一個head控制
每個節點與各自的head交換信息
Head與BS交換信息
BS與有線網絡連接

3、傳感器網絡的協議棧

應用層
使得底層硬件和軟件對傳感應用是透明的

Sensor management protocol (SMP)
Task assignment and data advertisement protocol (TADAP)
Sensor query and data dissemination protocol (SQDDP)

傳輸層
當傳感系統需要被Internet或者其他外部網絡訪問時傳輸層至關重要
至今未有實質性的工作，所有傳感器網絡傳輸層相關問題的研究都在文獻中表示

網絡層
節能總是最重要的考量
傳感網絡多數是以數據爲中心的
數據聚合不能影響傳感節點的協同
理想的傳感器網絡基於屬性尋址並能感知位置
路由

數據鏈路層
負責介質訪問和差錯控制
確保通信網絡中的點-點和點-多點連接

介質訪問控制
創建網絡架構
在傳感節點之間公平有效地共享通信資源

差錯控制
前向糾錯(FEC)
自動重發檢錯(ARQ)

物理層
負責頻率選擇、頻率產生、信號檢測、調製解調和數據加密

1、設計無線傳感網絡MAC協議時需考慮

節省能量
可擴展性
網絡效率

浪費網絡能量的原因

節點間的數據碰撞導致重傳
節點接收並處理不必要的數據
節點無數據發送時偵聽信道
控制消息過多

2、MAC協議分類

S-MAC協議
T-MAC協議
Shift協議

3、S-MAC概述

假設

單信道
平均數據率很低
網絡能夠容忍一定程度的通信延遲

設計目標

節能、擴展性：Idle時間最長，衝突、串音…，控制消息交換

主要思想：

採用週期性的休眠/偵聽方法減少空閒偵聽帶來的能量損耗；
當有節點收發數據時，與此無關的鄰居節點進入休眠減少衝突與串音帶來的能量損耗；
採用消息傳遞機制，減少控制消息帶來的能量損耗；
採用自適應的偵聽機制，減少消息傳輸延遲

4、S-MAC協議-關鍵技術1—週期性睡眠和偵聽

週期性喚醒方法（Periodic Wakeup）
每一個節點都有一個預先確定的時間表
喚醒週期（Wakeup Period），也稱調度週期
偵聽時段（Active Period），也稱活躍時段
睡眠時段（Sleep Period）
佔空比（Duty Cycle）=Ta/Tw

佔空比分析

如果選擇較小的佔空比，則收發機大部分時間處於休眠狀態，可以避免idle listening所造成的能量消耗；
選擇較小的佔空比，則由鄰居節點流向給定節點的通信量會集中在一個較小的時間窗口內，從而可能會引發顯著的競爭和較重的負載；
如果選擇較長的休眠時段，則會出現一個顯著的每跳等待時間。在多跳的情況下，這個等待時間的累積可能會產生較大的端到端的延遲。

S-MAC: 週期性偵聽和睡眠

與鄰居節點的調度週期保持一致
節點選定自己的調度表或者遵照別人的調度表
如圖表示節點啓動時的處理流程

相鄰的節點同步形成虛擬的簇clusters
也稱“時間表同步的島嶼”邊界節點記錄兩個或者多個調度
邊界節點睡眠時間短

5、S-MAC協議-關鍵技術2—流量自適應偵聽（Adaptive Listening）

問題描述：
週期性睡眠導致了通信延遲的累加

流量自適應偵聽的解決方案

6、S-MAC協議-關鍵技術3—消息傳遞機制

消息傳遞機制：什麼是“消息(Message)”?是具有密切的內部聯繫的數據的集合，只有得到完整的數據纔可以在網絡內部進行數據處理、聚合
將長的信息包分成若干個短的信息段DATA；
使用一個RTS／CTS控制分組佔用信道；
每個DATA都有ACK保障傳輸成功；
任一DATA未收到應答，則立刻重傳

7、S-MAC優缺點分析

優點

週期性的休眠/喚醒，降低idle時間
衝突避免
自適應偵聽
消息傳遞

缺點

調度週期是固定的，不適應網絡流量變化
簇邊界節點能量消耗快
節點休眠帶來的時延

8、T-MAC協議概述

活躍時間的長度是固定的
按照能夠處理最高負載來設計
如果網絡中消息傳遞的速率很低的話，仍然有大量的能量浪費在idlelistening

9、T-MAC協議——關鍵技術1

採用S-MAC的部分機制
固定調度週期
週期性廣播SYNC幀
RTS/CTS控制報文

在活躍狀態下，節點可能保持監聽，也可能發送數據。當在一個時間段內沒有發生激活事件時，活躍狀態結束，節點進入睡眠狀態。激活事件的定義如下：
(1)定時器觸發週期性調度喚醒事件。
(2)物理層從無線信道接收到數據包。
(3)物理層指示有的無線信道忙。
(4)節點的DATA幀或ACK幀發送完成。
(5)通過監聽RTS；CTS幀，確認鄰居的數據交換已經結束。

T-MAC: TA選擇

TA決定了每個週期的最短空閒偵聽時間。
TA的取值約束:
TA > C+R+T

C – 競爭信道的時間;
R – 發送RTS包所需的時間;
T – 從RTS發送結束到開始發送CTS的時間;

TA = 1.5 * (C+R+T);

10、T-MAC協議——關鍵技術2

早睡問題

採用週期性調度的MAC協議中，如果一個節點在鄰居準備向其發送數據時進入了睡眠狀態，這種現象稱爲早睡。

解決早睡問題的兩種方法 TMAC協議提出了兩種方法。下面對這兩種方法進行介紹。

預請求發送機制
滿緩衝區優先機制

1）預請求發送(Future request-to-send，FRTS)

當節點C收到B發給A的CTS後，立即向D發送一個FRTS。FRTS幀包含節點D接收數據前需要等待的時間長度，D在此時間內必須保持在監聽狀態。
由於C發送的FRTS可能干擾A發送的數據，所以A需要將發送的數據延遲相應的時間。A在接收到CTS之後發送一個與FRTS長度相同的DS幀，該幀不包含有用信息，只是爲了保持AB對信道的佔用，在發送DS之後A立即向B發送數據信息
由於採用了FRTS機制。增加一個CTS時間。FRTS方法可以提高吞吐量，減少延遲，但是增加了控制開銷，會降低TMAC協議的能量效率。

2）滿緩衝區優先(Full-buffer Briority )

當節點的緩衝區接近佔滿時，對接收到的RTS幀不回覆CTS，而是立即向緩衝區中數據包的目的節點發送RTS，以建立數據傳輸。
這個方法的優點是減少了早睡問題發生的可能性，在一定程度上能夠控制網絡的流量。缺點是在網絡數據量較大時增加了衝突的可能。

11、T-MAC優缺點分析

優點

提高了吞吐率、減少延時
一定程度上控制了網絡的流量

缺點

額外的通信開銷
降低能量效率
數據量較大時，增加了衝突的可能

12、Sift協議概述

Sift協議是由K.Jamieson等提出的，是基於事件驅動的MAC協議
充分考慮了WSN的三個特點

WSN是事件驅動的，存在事件檢測的空間相關性和事件傳遞的相關性；
由於彙集節點的存在，不是所有節點都需要報告事件；
感知事件的節點密度隨時間動態變化。

設計目標

當共享信道的N個節點同時檢測到同一個事件時，希望R個節點（R<N) 能夠在最小時間內無衝突地成功地發送事件檢測消息，抑制剩餘N-R個節點的消息發送。

Sift協議很好地利用了WSN流量具有突發性和局部相關性，通過在不同時隙採用不同的發送概率，使得在短時間內部分節點能夠無衝突地廣播事件，從而在節省能量的同時，節省了傳輸延時

Sift協議-基本思想

基於事件驅動的無線傳感器網絡具有如下特點：

網絡中的數據傳輸由事件驅動，存在空間相關的競爭。
不是所有節點都需要報告事件。
節點的密度是時變的。

當數據需要發送時，節點首先在發送窗口[1，CW]內的概率隨機選擇一個發送時隙，然後節點監聽直接選擇的發送時隙到來。如果監聽期間沒有其他節點使用信道，則節點立即發送數據。否則需要在信道空閒時重新選擇發送時隙。
衝突時就倍增時間窗口大小CW，並且在新窗口內重新選擇發送時隙，以增大無衝突發送的概率。

但是在WSN存在新的問題

當多個節點同時監控到一個事件，並同時發送數據時導致區域內節點同事忙，忙時競爭加劇，需要經過很長時間來調整CW值，以適應發送節點的數目
如果CW值很大，而同時監控同一事件的節點數目很小時就會導致事件延遲較大；此外，CW值是爲了保證所有活動節點都有機會發送數據。
WSN只需N個活動節點中有R個節點能夠無衝突地報告事件。

Sift協議採用的是CW值固定的窗口，節點不是從發送窗口選擇發送時隙，而是在不同時隙中選擇不同的發送數據的概率。

Sift 協議的工作過程

當節點發送消息時，首先假設當前N個節點與其競爭發送。如果第一個時隙內節點不發送消息，也沒有其他節點發送消息，則節點就減少假設的發送節點數目，並相應地增加選擇在第二個時隙發送數據的概率；如果節點沒有選擇第二個時隙，且沒有其他節點在該時隙發送消息，則節點繼續減少假設的發送節點數目，並進一步增加選擇在第三個時隙發送數據的概率；以此類推，在第r個時隙發送數據的概率爲

其中a(0,1) 爲分佈參數

ps：

Sift協議和SMAC，TMAC協議都是從發送數據節點考慮問題的，對接收節點的空閒狀態考慮較少，需要節點間保持同步，特別適合於WSN局部區域使用，如分簇網絡結構

1、無線傳感網絡的路由協議-特點

能量優先
基於局部拓撲信息
以數據爲中心
應用相關

2、無線傳感網絡的路由協議-設計原則的區別

傳統網絡

尋找延遲小的優化路徑
提高網絡利用率和公平性
避免通信擁塞和均衡網絡流量

無線傳感器網絡

能量消耗影響網絡生存期
節點只有局部信息
以數據爲中心
應用相關性

3、WSN中的信息傳輸模式

事件觸發：節點採集信息後判斷，若超過一定的閾值，則認爲發生了某種事件，立即上報sink。
週期上報：節點定期採集到的信息報告給sink。
基於查詢：node不主動向sink上報採集到的信息，而是等待用戶查詢，根據用戶需要反饋信息。
混合模式：前三種的綜合。

4、WSN路由協議機制設計要求

能量高效：路由機制簡單高效，消息傳輸路徑能量小、網絡能量消耗均勻
可擴展性：適應網絡規模不同，適應拓撲結構的變化
魯棒性：容錯機制（能量用盡/無線鏈路通信質量)
快速收斂：網絡拓撲動態變化下的通信協議開銷少

5、WSN基於應用的分類

能量感知路由協議：從數據傳輸的能量消耗出發，討論最優的能量消耗路徑、最長的網絡生存期等問題
基於查詢的路由協議：環境檢測應用，sink節點發出查詢命令，傳感器節點不斷報告採集的數據
地理位置路由協議：跟蹤應用，已知節點的位置，並作爲路由選擇的依據
可靠的路由協議：對通信的服務質量要求較高的應用

6、洪泛路由（Flooding）

最簡單、最基本、最健壯
基本思想

當網絡中的節點在任何時刻收到其它節點傳輸過來的數據時，它將向它的所有鄰居進行轉發。

特點

無需知道局部拓撲、地理信息等；無需維護路由

洪泛路由（Flooding）——不足

信息爆炸(Implosion)問題：一個節點可能得到一個數據的多個副本的現象；
重疊(Overlap)現象：處於同一觀測環境的兩個相鄰同類傳感器節點同時對一個事件作出反應，二者採集的數據性質相同，數值相近，這兩個節點的鄰居節點將收到雙份數據副本；
資源的盲目使用：不考慮節點可用能量、位置等

適用範圍

小規模、共享信道、健壯性
軍事應用

應用狀況

資源浪費嚴重，很少直接使用
作爲衡量標準評價其他算法

7、能量感知路由-能量多徑路由

最早的路由機制之一
主要思想：
根據節點的可用能量（power available, PA）或者傳輸路徑上的能量需求，選擇數據的轉發路徑

基本原理
在源節點和目的節點之間建立多條路徑
根據路徑上節點的通信能耗及剩餘能量，依概率選路

主要過程

路徑建立階段：建立從源節點到目的節點的多條路徑，並確定能量代價
數據傳播階段：根據上一階段建立的路由信息，實現數據分組從源節點到目的節點的傳送，中間節點按照與能量代價相關的轉發概率進行轉發
路由維護階段：目的節點發起源-目的洪泛查詢，以維持路徑暢通

8、基於查詢的路由-基於內容的訪問

基於IP地址的訪問
“地址爲13, 47, 2225,14592和14593的節點溫度是多少？他們的平均溫度是多少？”
根據IP地址找到相應的節點
提供點到點的報文轉發以支持傳輸層端到端無失真信息傳輸

基於內容的訪問
“逸夫教學樓11階的平均溫度是多少？”
根據用戶的興趣屬性找到相應的節點
屬性：數據特徵
數據在網絡協議的操作中有意義

興趣（Interest）
Sink 下達的感知任務
需要的數據類型、目標區域、數據發送速率、時間戳等
舉例：
類型＝溫度
閾值＝20
時間間隔＝50ms
持續時間＝10s
區域＝[0，0，20，20 ]

興趣的描述

Attribute-Value-Operation
Attribute:數據類型，如溫度、壓力、流量等
Value：數值
Operation:操作符，等於、不等於、大於、小於、大於等於、小於等於……

9、基於查詢的路由-定向擴散Directed Diffusion

主要思想：
Sink節點（匯聚節點）週期地通過洪泛方式廣播一種被稱爲興趣(Interests)的消息，告訴網絡中的節點需要蒐集何種信息。興趣在網絡中擴散的同時建立從源節點到匯聚節點的路由路徑(梯度Gradients) 。通過興趣擴散階段建立的路徑，源節點將數據消息傳送到匯聚節點。匯聚節點選擇一條最優的路徑進行強化(Reinforcement) ，後續的數據沿着這條路徑傳輸。

優缺點

優點

數據爲中心，可以定義多任務與多區域
多路徑，健壯性好
不需要全局的地址機制
節點不需要維護網絡的拓撲結構
每個節點都可以進行數據融合，通信量減少，節能
匯聚點根據實際情況週期性的調整路由，能量的消耗均衡、高效。

劣勢

Gradient的建立依靠洪泛傳播，時間和能量開銷大
維護興趣消息列表在多應用支持下代價也很大
數據融合過程需要用到時間同步技術，會帶來較大的開銷和時延。

10、基於查詢的路由-謠傳路由（rumor routing）

提出背景
在某些應用中，只有少量的數據需要從源節點傳遞到Sink節點。在這種情況下，沒有必要向整個網絡以洪泛的方式廣播興趣。
事件洪泛VS 興趣洪泛
從網絡節能的角度，當WSN中的事件（對應着數據的傳遞）數量很少，而查詢（對應着興趣的傳遞）數量很多時，可以採用事件洪泛的方法。相反，當WSN中的事件數據數量很多，而查詢消息數量很少的時候，可以採用興趣洪泛的方法。謠傳路由介於兩者之間

事件洪泛

當一個節點發現網絡中某種事件的發生的時候，它把事件洪泛發送到整個網絡，其他的節點就可以形成一個指向事件源節點的梯度表
假設網絡中的節點數量是N
事件的數量是E
通過事件洪泛，需要消耗的網絡的能量爲E * N
該能量消耗與關心該事件的節點的數量無關
如果事件報告的數量相對於查詢的數量而言很少，則該策略有效。

興趣洪泛

當Sink節點對網絡中某種事件的發生感興趣的時候，它把興趣消息洪泛的發送到整個網絡，其他的節點就可以形成一個指向sink節點的梯度表
對於N節點的網絡，每次查詢會執行N次傳輸
執行Q次查詢，需要進行的傳輸數量是N * Q
能量消耗與網絡跟蹤的事件的數量無關
當事件的數量相對於查詢的數量非常高時，本策略可以節省很多能量

11、地理位置路由協議

每個節點知道自己在網絡中的位置
確定節點位置的方法：GPS（Global Positioning System）
用途

作爲其他路由算法的輔助
直接用於路由計算

12、可靠的路由協議

某些WSN應用對數據傳輸的可靠性要求很高

數據傳輸的可靠性，即數據包抵達的概率

造成數據包丟失的可能方面

節點能量有限、失效
無線信道的不穩定性和更高的誤碼率
高密度部署造成信道競爭衝突
網絡擁塞發生時，擁塞節點緩衝區溢出
接收節點處理不及時

無線網絡技術導論筆記（第六講）

無線網絡技術導論

第六講 無線網絡技術導論