1、无线传感网络总结11.1 无线传感网的体系结构与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、收集和处理无线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。这种无线传感网集中了传感器技术、嵌入式计算技术和无线通信技术，能协作地感知、监测和收集各种环境下所感知对象的信息，通过对这些信息的协作式信息处理，获得感知对象的准确信息，然后通过Ad hoc方式传送到需要这些信息的用户。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感网的三个要素。 如图1-1 所示为典型的无线传感网体系结构，它由分布式传感器节点群组成。这些节点通过自组织方式构成无线网络，
2、以协作的方式实时感知、采集和处理网络覆盖区域中的信息，并通过多跳方式将整个区域内的信息传送给基站（BS）或汇集节点，BS 再通过传输通信网络（由互联网、卫星网或移动通信网构成）将数据传到数据中心或发送给远处的用户。反之，用户可以通过传输通信网发送命令给BS，而BS 再将命令转发给各个传感器节点。无线传感网是以数据为中心的网络。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，分簇结构的无线传感网的体系结构如图1-2 所示。分簇方式的特点是簇群内的节点只能与本簇的簇头通信，簇头和簇头之间可以相互传递数据，可以通过多跳方式传送数据到数据中
3、心。1.1.2 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4 个部分组成，感知单元由传感器、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，由物理层收发器、MAC 层协议、网络层路由协议组成；处理单元包括存储器和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与其他节点发来的数据。典型的传感器节点体
4、积较小，可能小于1cm3次方，常被部署在无人照看或恶劣的环境中，无法更换电池，节点能量受限。实际上各平台最主要区别是采用了不同的处理器、无线通信协议以与与应用相关的不同的传感器。目前国内外出现了多种无线传感网节点的硬件平台。如：美国的CrossBow公司开发的Mote系列节点Mica2、MicaZ、Mica2Dot，Infineon公司开发的EYES传感器节点等等。常用的处理器有Intel StrongARM、Texas Instrument MSP430和Atmel Atmega，常用的无线通信协议有802.llb、802.15.4/ZigBee 和Bluetooth 等；与应用相关的传感器
5、有光传感器、热传感器、压力传感器以与湿度传感器等。1.2.4无线传感网的特点1. 无线传感网规模大，密度高2.传感器节点的能量、计算能力和存储容量有限3. 无线传感网的拓扑结构易变化，具有自组织能力4. 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6. 以数据为中心的网络7. 安全性问题严重1.3 无线传感网关键技术1. 网络拓扑控制技术2. 网络通信协议由于传感器节点的计算能力、存储能力、通信能力以与携带的能量都十分有限，每个节点只能获取局部网络的拓扑信息，其上运行的网络协议也不能太复杂。无线传感网协议负责使各个独立的节点形成一个多跳的数据传输网络，目前研究的重点是网络层协议和
6、数据链路层协议。 在无线传感网中，路由协议不仅关心单个节点的能量消耗，更关心整个网络能量的均衡消耗，这样才能延长整个网络的生存期。无线传感网是以数据为中心的。这在路由协议中表现得最为突出，每个节点没有必要采用全网统一的编址，选择路径可以不用根据节点的编址，更多的是根据感兴趣的数据建立数据源到汇聚节点之间的转发路径。无线传感网的MAC协议首先要考虑节省能源和可扩展性，其次才考虑公平性、利用率和实时性等。在MAC 层的能量浪费主要表现在空闲侦听、接收不必要数据和碰撞重传等。为了减少能量的消耗，MAC协议通常采用“侦听/睡眠”交替的无线信道侦听机制，传感器节点在需要收发数据时才侦听无线信道，没有数据
7、需要收发时就尽量进入睡眠状态。3. 网络安全技术4. 时间同步技术RBS、TINY/MINI-SYNC 和TPSN 被认为是三个基本的同步机制。RBS 机制是基于接收者-接收者的时钟同步：一个节点广播时钟参考分组，广播域内的两个节点分别采用本地时钟记录参考分组的到达时间，通过交换记录时间来实现它们间的时钟同步。TINY/MINI-SYNC 是简单的轻量级的同步机制：假设节点的时钟漂移遵循线性变化，那么两个节点之间的时间偏移也是线性的，可通过交换时标分组来估计两个节点间的最优匹配偏移量。TPSN 采用层次结构实现整个网络节点的时间同步：所有节点按照层次结构进行逻辑分级，通过基于发送者-接收者的节
8、点对方式，每个节点能够与上一级的某个节点进行同步，从而实现所有节点都与根节点的时间同步。5. 节点定位技术确定事件发生的位置或采集数据的节点位置是无线传感网最基本的功能之一。 由于传感器节点存在资源有限、随机部署、通信易受环境干扰甚至节点失效等特点，定位机制必须满足自组织性、健壮性、能量高效、分布式计算等要求。根据节点位置是否确定，传感器节点分为信标节点和位置未知节点。信标节点的位置是已知的，位置未知节点需要根据少数信标节点，按照某种定位机制确定自身的位置。 在无线传感网定位过程中，通常会使用三边测量法、三角测量法或极大似然估计法确定节点位置。根据定位过程中是否实际测量节点间的距离或角度，把无
9、线传感网中的定位分类为基于测距的定位和无需测距的定位。6. 数据融合技术无线传感网是能量约束的网络，减少传输的数据量能够有效地节省能量，提高网络的生存期。数据融合技术在节省能量、提高信息准确度的同时，要以牺牲其他方面的性能为代价。首先是延迟的代价，在数据传送过程中寻找易于进行数据融合的路由、进行数据融合操作、为融合而等待其他数据的到来，这三个方面都可能增加网络的平均延迟。其次是鲁棒性的代价，无线传感网相对于传统网络有更高的节点失效率以与数据丢失率，数据融合可以大幅度降低数据的冗余性，但丢失相同的数据量可能损失更多的信息，因此相对而言也降低了网络的鲁棒性。数据融合技术可以与无线传感网的多个协议层
10、次进行结合。在应用层设计中，可以利用分布式数据库技术，对采集到的数据进行逐步筛选，达到融合的效果；在网络层中，很多路由协议均结合了数据融合机制，以期减少数据传输量。数据融合技术已经在目标跟踪、目标自动识别等领域得到了广泛的应用。7. 数据管理技术8. 无线通信技术9. 嵌入式操作系统10. 应用层技术第2章 物理层通信技术第3章 2.4 典型的物理层通信技术 无线传感网使用的典型物理层通信技术，包括近距离无线通信技术的ZigBee 技术、红外通信技术，蓝牙技术，以与WiFi、UWB 技术；广域网络通信技术的GPRS 和EDGE 技术、WiMax、3G 与LTE（4G）通信技术。 1. ZigB
11、ee ZigBee 技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以与典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。 ZigBee 协议是由ZigBee 联盟制定的无线通信标准，该联盟成立于2001 年8 月。ZigBee 联盟的目的是为了在全球统一标准上实现简单可靠、价格低廉、功耗低、无线连接的监测和控制产品进行合作，并于2004 年12 月发布了第一个ZigBee 正式标准。 ZigBee 标准以IEEE802.15.4 标准定义的物理层与MAC 层为基础，并对其进行了扩展，对网络层协议和
12、API 进行了标准化，定义了一个灵活、安全的网络层，支持多种拓扑结构，在动态的射频环境中提供高可靠性的无线传输。此外，ZigBee 联盟还开发了应用层、安全管理、应用接口等规范。 ZigBee 的通信速率要求低于蓝牙，由电他供电设备提供无线通信功能，并希望在不更换电池并且不充电的情况下能正常工作几个月甚至几年。ZigBee 支持mesh 型网络拓扑结构。网络规模可以比蓝牙设备大得多，一个网络可支持65000 个节点，在整个网络范围内，每一个ZigBee 网络数传模块之间可以相互通信。ZigBee 无线设备工作在免许可频段2.4GHz 频段和868/915MHz 频段，传输距离为1075m，具体
13、数值取决于射频环境以与特定应用条件下的传输功耗。ZigBee 物理层规范均基于直接序列扩频技术，对于不同频段的物理层，其码片的调制方式各不相同。ZigBee 的通信速率在2.4GHz 时为250kbps，在915MHz 时为40kbps，在868MH2 时为20kbps。第3章 无线传感网MAC协议3.2 基于争型MAC 协议 基于竞争的MAC 协议的基本思想是，当无线节点需要发送数据时，主动抢占无线信道，当在其通信范围内的其他无线节点需要发送数据时，也会发起对无线信道的抢占，这就需要相应的机制来保证任一时刻在通信区域内只能有一个无线节点获得信道使用权。如果发送的数据产生了碰撞，就按照某种策略
14、重发数据，直到数据发送成功或放弃发送。基于竞争的MAC 协议有如下优点：（1）由于基于竞争的MAC 协议是根据需要分配信道，所以这种协议能较好地满足节点数量和网络负载的变化；（2）基于竞争的MAC 协议能较好地适应网络拓扑的变化；（3）基于竞争的MAC 协议不需要复杂的时间同步或集中控制调度算法。 通信过程中造成能量损耗主要体现在以下几方面：（1）空闲监听(idle listenning)：节点在不需要收发数据时仍保持对信道的空闲侦听。（2）冲突重传：数据冲突导致的重传和等待重传。（3）控制开销：为了保证可靠传输，协议将使用一些控制分组，如RTS/CTS，虽然没有数据在其中，但是我们必须消耗一
15、定的能量来发送它们；（4）串扰(overhearng)：节点因接收并处理并非传输给自己的分组造成的串音。3.2.2 S-MAC 协议2关键技术（1）周期性监听和睡眠（2）自适应监听（3）冲突和串音避免（4）消息传递（分片传输机制）4.3 ZigBee 协议4.3.1 ZigBee 协议框架 相对于常见的无线通信标准，ZigBee 协议比较紧凑、简单，从总体框架来看，可以分为三个基本层次：物理层/数据链路层、ZigBee 堆栈层和应用层，物理层/数据链路层位于最底层，应用层位于最高层，ZigBee 协议的架构如图4-4 所示。各层的基本功能如下：1. 物理层/数据链路层物理层与物理传输媒介(这里
16、主要指无线电波)相关，负责物理媒介与数据比特的相互转化，以与数据比特与上层数据链路层数据帧的相互转化。数据链路层负责寻址功能，发送数据时决定数据发送的目的地址，接收数据时判定数据的源地址。此外也负责数据包或数据帧的装配以与接收到的数据帧的解析。2. ZigBee 堆栈层 ZigBee 堆栈层由网络层与安全平台组成，提供应用层与IEEE802.15.4 物理层/数据链路层的连接，由与网络拓扑结构、路由、安全相关的几个堆栈层次组成。3. 应用层应用层包含在网络节点上运行的应用程序，赋予节点自己的功能。应用层的主要功能是将输入转化为数字数据，或者将数字数据转化为输出。 4.3.2 ZigBee 协议
17、主要特征（1）省电。ZigBee 网络节点设备工作周期较短、收发信息功率低，并且采用了休眠模式（当不传送数据时处于休眠状态，当需要接收数据时由ZigBee 网络中称作“协调器”的设备负责唤醒他们），所以ZigBee 技术特别省电，避免了频繁更换电池或充电，从而减轻了网络维护的负担。（2）可靠。由于采用了可碰撞避免机制并为需要固定宽带的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突，而且MAC 层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，因此从根本上保证了数据传输的可靠性。（3）廉价。由于ZigBee 协议栈设计简练，因此它的研发和生产成本相对较低。普通网络
18、节点硬件上只需8 位处理器(如80C51)，最小4KB，最大32KB 的ROM；软件实现上也较简单。随着产品产业化，ZigBee 通信模块价格预计能降到1.52.5 美元。（4）短时延。ZigBee 技术与蓝牙技术的时延指标都非常短。ZigBee 节点休眠和工作状态转换只需15ms，入网约30ms，而蓝牙为310s。（5）大网络容量。ZigBee 网络最多可以容纳254 个从设备和一个主设备，一个区域内最多可以同时存在100 个ZigBee 网络。（6）安全。ZigBee 技术提供了数据完整性检查和鉴别功能，加密算法采用AES-128，并且其应用可以灵活的确定其安全属性，使网络安全能够得到有效
19、的保障。4.3.3 ZigBee 网络层1.网络层功能 网络层在MAC 层与应用层之间提供合适的接口，通过激发MAC 层的动作执行寻址和路由功能。主要任务包括:发起一个网络并且分配网络地址(网络协调器)；向网络中添加设备或者从网络中移除设备；将消息路由到目的节点；对发送的数据进行加密；在网状网络中执行路由寻址并且储存路由表。2.网络层服务规范网络层包含网络层数据实体(NLDE)和网络层管理实体(NLME)，NLDE 通过网络层数据实体服务接入点(NLDE-SAP)提供数据传输服务，NLME 通过网络层管理实体服务接入点(NLME-SAP)提供管理服务。NLME 利用NLDE 完成一些管理任务和
20、维护网络信息库(NIB)，网络层的结构与接口如图4-5 所示。（1）网络层数据实体(NLDE)（2）网络层管理理实体(NIME)4.3.5 ZigBee 应用层 ZigBee 协议的应用层由应用支持子层(Application Support Soblayer ， APS) 、应用框架(AppliCation Framework，AF)、ZigBee 设备对象(ZigBee Device Object，ZDO)以与ZigBee 设备对象管理平台组成。应用层的详细结构如图4-6 所示。APS 子层的作用包括：维护绑定表（绑定表作用是基于两个设备的服务和需要把它们绑定在一起）；在绑定的设备之间来传
21、输信息。ZDO 的作用包括：在网络中定义一个设备的作用（如定义设备为协调器、路由器或终端设备）；发现网络中的设备并确定它们能提供何种应用的服务；起始或回应绑定需求以与在网络设备中建立一个安全的连接。 图461.应用支持子层(APS)应用支持子层在网络层和应用层之间，通过ZDO 和应用设备共同使用的一套通用的服务机制提供两层间的接口。应用支持子层包含两个实体：APS 数据实体(APSDE)和APS 管理实体(APSME)。APSDE通过APS 数据实体服务接入点(APSDE-SAP)在同一网络的两个或多个设备之间提供数据传输服务；APSME 通过APS 管理实体服务接入点(APSME-SAP)提
22、供服务机制，以发现和绑定设备，并维护一个管理对象的数据库，称为APS 信息库(AIB)。2.应用框架(AF) ZigBee 应用层框架是应用设备和ZigBee 设备连接的环境。在应用层框架中，应用对象(Application Object)发送和接收数据通过APSDE-SAP 实现，而对应用对象的控制和管理则通过ZDO公用接口来实现。APSDE-SAP 提供的数据服务包括请求、确认、响应以与数据传输的指示信息。用户可以定义多达240 个不同的应用对象，每个应用对象由端口(End point)1 到端口240 来标识，端口241-254 保留作将来使用，此外，还有两个附加的端口：端口0 用于ZD
23、O 的数据接口，端口255 用于所有应用对象的广播数据的数据接口。使用APSDE 一SAP 提供的服务，应用层框架提供了应用对象的两种数据服务类型：键值对(Key value Pair，KVP)服务和通用信息(Generic Message，MSG)服务。两者传输机制一样，不同的是：KVP 较为严格，是专门为传输一组特征量而设计的；MSG 结构上则比较自由，不采用应用支持子层数据帧的内容，留给用户自己定义。3.ZigBee 设备对象(ZDO) ZigBee 设备对象(ZDO)，描述了一个基本的功能函数类，在应用对象、配置文件(Profile)和应用支持子层之间提供了一个接口。ZDO 位于应用框
24、架和应用支持子层之间。它满足了ZigBee 协议栈所有应用操作的一般要求。ZDO 还有以下作用:初始化应用支持子层、网络层、安全服务文档。从终端应用中集合配置信息来确定和执行发现、安全管理、网络管理、以与绑定管理。ZDO 描述了应用框架层的应用对象的公用接口以控制设备和应用对象的网络功能。ZDO 提供了与协议栈中低一层相连的接口，数据信息通过APSDE-SAP 相连，控制信息通过APSME-SAP 相连。在ZigBee协议栈的应用框架中，ZDO 公用接口提供设备发现、绑定以与安全等功能的地址管理。4.ZigBee 设备对象管理平台ZigBee 设备对象管理平台管理网路层和应用支持子层，在Zig
25、Bee 设备对象执行内部工作时允许其与网络层和应用支持子层通信。此外，管理平台也负责ZigBee 设备对象处理应用请求接入网络与使用ZigBee 设备文件信息的安全功能。思考题（4） ZigBee 协议主要特征有哪些？（5）ZigBee 网络中，设备类型有几种？在Zigbee网络中，一共有3种设备类型：协调器、路由、终端。（6）简述Zigbee 协议体系结构。第5章无线传感网路由协议5.1.2 路由协议的分类1按源节点获取路径策略划分（1）主动路由协议。（2）按需路由协议。（3）混合路由协议：2按通信的逻辑结构划分（1）平面路由协议：（2）层次路由协议：3按路由的发现过程划分（1）以位置信息为
26、中心的路由协议：。（2）以数据为中心的路由协议：5.3.1 Flooding 和Gosipping 协议1洪泛路由协议 洪泛路由协议（Flooding protocol） 内爆现象：重叠现象：2. 闲聊法 闲聊法（Gossiping）引入了随机发送数据的方法5.5 基于查询的路由协议5.5.1 定向扩散路由 定向扩散（directed diffusion，DD)路由协议是一种基于查询的路由方法定向扩散路由机制包括周期性的兴趣扩散、梯度建立、数据传播与路径加强等阶段。5.5.2 谣传路由第6章 定位技术6.1 节点定位技术基本概念1定位的含义 无线传感网定位问题是指网络通过特定方法提供节点的位置
27、信息。其定位方式可分为节点自身定位和目标定位。节点自身定位是确定网络节点的坐标位置的过程，目标定位是确定网络覆盖区域内一个事件或者一个目标的坐标位置。节点自身定位是网络自身属性的确定过程，可以通过人工标定或者各种节点的自定位算法完成。目标定位是以位置已知的网络节点作为参考，确定事件或者目标在网络覆盖范围内所在的位置。2基本术语（名词解释）（1）信标节点：指通过其他方式预先获得位置坐标的节点，有时也被称作锚点。网络中相应的其余节点被称为非锚点。（2）测距：指两个相互通信的节点通过测量的方式来估计出彼此之间的距离或角度。（3）连接度：包括节点连接度和网络连接度两种含义。节点连接度是指节点可探测发现
28、的邻居节点个数。网络连接度是所有节点的邻居节点数目的平均值，它反映了传感网节点配置的密集程度。（4）邻居节点：传感网节点通信半径范围以内的所有其他节点，被称为该节点的邻居节点。（5）接收信号强度指示（received signal strength indicator，RSSI）：节点接收到无线信号的强度大小，被称为接收信号的强度指示。（6）到达角度（angle of arrival，AoA）：节点接收到的信号相对于自身轴线的角度，被称为信号相对接收节点的到达角度。（7）视线关系（line of sight，LoS）:如果传感网的两个节点之间没有障碍物，能够实现直接通信，则称这两个节点间存在视
29、线关系。（8）非视线关系（none line of sight，NLoS）：传感网两个节点之间存在障碍物，影响了它们直接的无线通信。3定位性能的评价指标（1）定位精度：（2）覆盖范围：（3）刷新速度：（4）功耗：（5）代价：时间代价空间代价.资金代价6.2.1 测距方法1接收信号强度指示（RSSI）2到达时间（ToA）3到达时间差（TDoA）4到达角（AoA）6.2.2 节点定位计算方法（1）三边测量法三边测量法（trilateration），已知 A、B、C 三个节点的坐标，以与它们到未知节点 D 的距离,求 D 的坐标（2）三角测量法 三角测量法(triangulation),已知A、B、
30、C三个节点的坐标，节点D相对于节点A、B、C的角度，求D的坐标 对于节点 A、C 和角ADC，如果弧段 AC 在ABC 内，那么能够惟一确定一个圆，确定圆心O1 点的坐标和半径。同理对 A、B、ADB和B、C 、BDC分别确定相应的圆心、半径。最后利用三边测量法，由三个圆心点与其半径确定D 点坐标。（3）极大似然估计法 极大似然估计法(maximum likelihood estimation，MLE)，己知1、2、3 等n 个节点的坐标，它们到未知节点D的距离，求未知节点的坐标使用标准的最小均方差估计方法可得到节点的坐标为：6.3 无需测距的定位算法无须测距的定位技术是根据网络的连通性确定网
31、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。1质心算法2DV-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，再利用三边测量法或极大似然估计法计算未知节点的坐标。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信标节点向邻居节点广播自身的位置信息的分组，其
32、中包括跳数字段，初始化为0。接收节点记录具有到每个信标节点的最小跳数，忽略来自同一个信标节点的最大跳数的分组。然后将跳数值加1，并转发给邻居节点。通过这种方法，网络中的所有节点能够记录下到每个信标节点的最小跳数。如图6-7 所示，信标节点A 广播的分组以近似于同心圆的方式在网络中逐次传播，图中的数字代表距离信标节点A 的跳数。（2）计算未知节点与信标节点的实际跳数距离 每个信标节点根据第一个阶段记录的其他信标节点的位置信息和相距跳数，利用式（6-8）估算平均跳数的实际平均距离值。然后，信标节点将计算的每跳平均距离用带有生存期字段的分组广播到网络中，未知节点仅记录接收到的每一跳平均距离，并转发给邻居节点。这个策略确保了绝大多数节点从最近的信标节点接收每跳平均距离
