1、苏大泛在网络期末复习无线通信与泛在网络（期末）第9章 无线随意网络省电协议1、概述1.省电电源管理(power management)：工作站藉由睡眠模式以节省电力不使用电力控制(power control)：工作站动态调整发送封包所需电力以达到省电省着用2、电源管理节省电池电力，无线随意网络的工作站会关闭收发器而进入省电(Power saving, PS)模式。1.醒着的/活动的(Active)工作站如何让网络保持链接：（1）单点跳跃(Single-hop)的无线随意网络802.11 ：工作站间必须达到同步化的时间 确认PS醒的时间才能联系（2）多点跳跃(Multi-hop)的无线随意网络：
2、同步化的时间不易达成非(non-)同步电源管理协定半(semi-)同步同步+异步电源管理协议2.电源管理机制(Single-hop)IBSS（独立基本服务集）单点跳跃(Single-hop)电源管理：睡眠(PS)模式的工作站定期醒来；醒着的(Active)工作站要帮睡眠(PS)模式的工作站暂存传送的数据。在IBSS的工作站使用ATIM通知某工作站部要进入(睡眠)省电模式。当睡眠(PS)模式的工作站定期醒来，保有其暂存讯框的工作站试着以ATIM 讯框通知；醒来的工作站必须检查是否有ATIM讯框ATIM讯框：一用来通知工作站的讯框。工作站只能在ATIM期间内传送ATIM。在ATIM期间所有工作站必
3、须是醒着的。被ATIM讯框点名的工作站必须回传(ACK)确认讯框收到并保持清醒即在那个Beacon期间，工作站不能进入睡眠模式准备接受资料在ATIM期间，所有工作站必须是醒着的-同步TSF 3.IBSS单点跳跃工作站间同步化IBSS(802.11)网络中每一工作站都有一个独立的内部定时器；这时间信息会经由Beacon讯框与其它工作站交换时间信息-同步化。IBSS的时间同步化功能(Timing Synchronization Function, TSF)运作如下：每一段Beacon间隔(BI)开始时，所有工作站会竞争发送Beacon讯框。竞争前都会产生一随机时间延迟值并开始倒数。倒数到0之前，若
4、收到其它工作站发出的Beacon讯框 取消传送Beacon讯框一Beacon间隔只发出一个Beacon讯框倒数到0并未收到任何工作站发出的Beacon讯框；发出讯框前，工作站将其内部的时间信息写入Beacon讯框中后才将其传出收到Beacon讯框的工作站以未来时间*做同步化(即比较Beacon讯框内的时间与工作站内部的时间，若Beacon讯框内的时间快则调工作站内部的时间)4.异步电源管理协议多点跳跃在多点跳跃(Multi-hop)随意网络，由于讯号干扰及工作站移动-封包延迟-工作站间不易同步。(Tseng et al., 2002)提出三种异步电源管理协议：1.大部分醒着(Dominatin
5、g-Awake-Interval)2.定期全醒(Periodical-Fully-Awake-Interval)3.定数为基础(Quorum-Based)三种协定共通原则：Beacon 区间(Beacon interval, BI)允许多个Beacon讯框(有别于先前所述：只有一个)：增加邻近工作站知道该工作站存在的机率一工作站借由邻近工作站连续发出的两个Beacon讯框之时间差估计该工作站的清醒模式 估计清醒期间时间分割成相等的BI；BI*包含Active(AW)、Beacon (BW)及MTIM (MW)这三个窗口；在这三个窗口外，只要该工作站没有暂存数据要送或接收时即可进入睡眠模式。三种
6、协议主要差别：清醒模式不同。（1）大部分醒着基本概念：工作站在Beacon区间(BI)醒的时间要过半AWBI / 2 + BW任两工作站清醒时间有交集虽然主机B发出的Beacon都落在主机A清醒期间； 但主机A发出的Beacon总是落在主机B的睡眠期间无法通讯。解决一工作站的Beacon总是落在接收站的睡眠期间将beacon 区间(interval)编号分成：奇数与偶数(每一期间都开始于Active window)工作站总会在奇数与偶数的其中一beacon区间收到邻近工作站的Beacon讯框大部分醒着协议(缺点)：工作站在BI醒的时间要过半未必省电（2）定期全醒定期全醒协定：定义两种beaco
7、n区间(BI)。低功率(Low-power) BI：开始为清醒期：AW(=BW+MTIM)，后进入睡眠模式；工作站发Beacon讯框让邻居发现其存在全醒(Fully-awake) BI为每T个BI出现一次：以BW开始, 接着MTIM后一直为清醒期；即AW=BI。接收Beacon讯框发现邻居工作站存在。全醒Beacon区间与任一Beacon期间(Beacon window. BW) 有交集。每T (= 3)个BI, 一省电工作站就能收到邻居的Beacon讯框。定期全醒协定缺点：需更久的时间才能发现邻近工作站的存在。（3）定数为基础前两个协定缺点：太过频繁发送Beacon讯框。Quorum (法定
8、额)：是一些辨识码(IDs)的集合。要从事一动作，必须得到法定(最低)门坎值(定数)辨识码的允许特性：任两个quorums必有非空集的交集。quorum 概念保证任两工作站可收到对方发出的Beacon讯框省电协定定数(Quorum)为基础的协定运作: 将m2个(所有工作站都知道m值)连续的Beacon 区间组成一群组。群组中Beacon区间(BI)秩序由小至大从左至右由上而下安排成m m的方阵中。每一工作站可从m m方阵中任选一列及一行；称选出的这2m-1个BI为它们的Quorum。每一Quorum中的BI始于BW接MW后保持清醒剩余的m2-2m+1 BI被称为non-Quorum；每一non
9、-Quorum中的BI始于MW后若无封包要接收或发送即可进入睡眠模式定数(Quorum)为基础的协议保证：无论内部时间差多少(异步)，每m2个BI内一工作站至少会有两个完整的BW和另一工作站的AW有交集定数(Quorum)为基础的协议之优点：工作站发Beacon 讯框较前两协定少定数(Quorum)为基础的协定之缺点：可能无法迅速发现邻近工作站的存在5.重迭特性异步：无论时钟如何偏移(drift)(彼此分开)一定有重迭6.半同步电源管理协议由于同步化的时间不易达成，因此同步电源管理协议适用于单点跳跃(Single-hop)的无线随意网络，而不适用于多点跳跃(Multi-hop)的无线随意网络。
10、非(non-)同步电源管理协定不需仰赖工作站间需达到时间同步。缺点：需要费较长的时间与电力才能发现邻近工作站的存在。半(semi-)同步同步+异步电源管理协议的概念是相邻的工作站会组成丛集(Cluster)。个别丛集内的工作站采同步式电源管理协议。不同丛集内的工作站采非(non-)同步电源管理协定，以期待发现其他群组的工作站。半同步(semi-asy)电源管理协议：丛集(cluster)内采同步电源管理；丛集(cluster)间采异步电源管理每一丛集有一看守者(watcher)，由成员轮流担任，负责实行异步电源管理。看守者指派机制：以噪声比为基准(SNR probability based)以
11、坐标位置为基准(Location-based)半同步电源管理协议下Beacon结构(如下图)：一Beacon区间有四个可能窗口/期间(windows)：(清醒)Active window：无线电收发器在开启状态(同步)Synchronous window ：让丛集首发BeaconBeacon window ：让非丛集首成员发它们的BeaconMTIM window丛集(cluster)内采同步电源管理的工作站，它们的Beacon间隔/区间被称为同步间隔(Synchronous interval, 如前图(c)；看守者(watcher)，负责执行异步电源管理协议。假如工作站采取的是periodi
12、cally-fully-awake-interval电源管理协议。则Beacon间隔会被分成全醒(fully-awake)间隔和低功率(low-power)间隔；ully-awake间隔将会每P个Beacon间隔出现一次其它间隔为low-power间隔半同步电源管理协议，工作站会采回合(round)方式调整自己的角色回合开始工作站自己决定角色每一回合有q个Beacon间隔(q为P的倍数)如果某工作站为看守者；该工作站在这回合采异步电源管理。反之，该工作站在这回合采同步电源管理每一回合每一丛集都须有看守者 迅速侦测到相邻丛集的存在7.看守者指派机制噪声比(SNR probability base
13、d)：适合松散*(loosely-coupled)丛集； 每一回合每一工作站主动计算担任看守者角色的机率，P n = 该工作站侦测到属于同丛集的相邻工作站个数k = 该工作站移动速度因子d = 该工作站与丛集首的距离(可由SNR强度估计) r = 该工作站的通讯范围(sensing range) (loosely-coupled)丛集：丛集首不会特别地去维护整个丛集架构。(tightly-coupled)丛集：丛集首会掌握每一个丛集成员的所在位置信息。坐标位置基础(Location-based)：适合紧密(tightly-coupled)丛集；丛集首知道每一丛集成员的位置信息。一种Greedy
14、算法：丛集首邻近丛集成员的集合=CH；每一回合丛集首从中指派k个成员担任看守者第一个被指派的看守者为CH中离丛集首最远者；新CH=CH该看守者下一个看守者为CH中能覆盖最多未被前看守者们覆盖的范围；新CH=CH该看守者直到新CH为空集合 CH更新为原先的CH。(loosely-coupled)丛集：丛集首不会特别地去维护整个丛集架构。(tightly-coupled)丛集：丛集首会掌握每一个丛集成员的所在位置信息。3、电力控制1.电力控制：调整发送讯号所需的电力;可以省电，减低讯号间干扰，提高无线频道使用率。2.电力控制基本协议电力控制基本协议：利用MAC RTS/CTS/DATA/ACK中讯
15、息传输的电力大大小小工作站(S) ，欲传资料封包给工作站(R)。首先S以最大传输电力(Pmax)，发出RST讯框；当R收到RTS后，会以最大传输电力(Pmax)，回传CST讯框。S收到CTS后，会根据收到的电力(Pr )，计算要传DATA给R的最小传输电力(Pdesired)；Pdesired=Pmax/Pr Prmin c, Prmin是Rx Sensitivity，c是一常数。收到DATA后，R也会根据收到的RTS电力，计算要回传ACK给S的最小传输电力例：Pmax= 1W；Pr= 0.7W；Prmin(Rx Sensitivity) = 0.3WC = 1.1 Pdesired=Pmax
16、/Pr Prmin c= 1/0.7*0.3*1.1 = 0.47 WRx Sensitivity：灵敏度。是在规定的信号下面解调出这个信号的正确率超过95%的时候信号的最小强度3.定期脉冲调整的电力控制协议(Jung & Vidya, 2002) 指出“基本协定”网络封包传输率下降及消耗更多电力(传输方)传输范围(transmission range)：在范围内可收到传输方传送的讯号且能解读(decode)收到的讯号载波(carrier)侦测范围(sensing range)：在范围内可侦测到传输方发出的讯框讯号，但未必能解读(decode)讯框的内容一般而言，侦测范围传输范围(2倍)；其大
17、小和传输方传输电力大小有关载波(carrier )侦测区域(sensing zone) =扣除传输范围所含盖的地区4.网络配置向量(802.11 MAC)判断媒介是否处于可用状态网络配置向量(NAV)：媒介会被使用的时间(或欲使用媒介必须等待的时间)如果工作站间进行RTS-CTS-DATA-ACK 交换程序时：其它位于交换程序对应的传输范围内的工作站：可由收到的RTS与CTS解读讯框携带的信息来更新NAV。其它位于交换程序对应的侦测区域内的工作站：因无法解读讯框内容故只能依IEEE 802.11将NAV设为一个延长讯框间隔(EIFS)*的大小避免与回传的ACK碰撞* EIFS=SIFS+DIF
18、S+ACK传送的时间.5.基本协议导致封包碰撞-例子解决基本电力控制(power control)协定“ACK”碰撞(collision)的问题新协定新协定(PCM)除下列外：所有的运作都和基本电力控制协议相同。资料讯框会周期*地调整传输电力*在Pdesired和Pmax之间* 约每隔EIFS调整一次电力* 最大电力Pmax应尽可能短，但要维持到物理载波能够被接收器侦测到的时间6.利用忙碌音调*的电力控制协议协定结合： RTS-CTS交换机制得知距离可调整发送讯号减低讯号间干扰电力控制省电忙碌音调(*busy tone)频道使用避免封包碰撞这协定将通道(channel)分为两子通道(数据、控制
19、)及两个(BTt、BTr)在不同频带极窄的忙碌音调频道：数据信道(data channel) -DATA走数据信道与控制通道(control channel) -RTS/CTS 走控制通道；忙碌音调(busy tone)频道为两距离足够开(故不干扰)的极窄频道。给两忙碌音调：传输忙碌音调, BTt; 与接收忙碌音调, BTr双忙碌音调多任务存取(DBTMA)协定: 忙碌音调频道打开(turned on)：告知邻近工作站，数据信道在使用为传输或接收数据。故要发送资料的工作站(即发送RTS者)必须打开BTt忙碌音调频道；而回复CTS的工作站必须打开BTr忙碌音调频道当一工作站想发送RTS时，必须确
20、定周遭没有接收忙碌音调，BTr。当听到BTr，就不该有传送要求。当一工作站想回复CTS时，必须确定周遭没有传输忙碌音调，BTt。当听到BTt，就不该同意对方传送。利用忙碌音调(BTt, BTr)：图(a)未使用电力控制A与B正在进行封包传递D 听到A 的BTt，因此C与D的封包传递会被抑制的同样，E 听到B 的BTr，因此E与F的封包传递会被抑制的利用忙碌音调(BTt, BTr)加上“电力控制”：利用忙碌音调(BTt, BTr)加上“电力控制”协议运作分成三大部分：1.调控电力发送：DATA讯框和BTt2.将使用最大的电力发送：CTS讯框和BTr。3.传送RTS讯框所需的电力将根据所侦测到的B
21、Tr的强度做适当的调整。第10章 无线传感器网络1、简介1.概念无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSNs)是由许多自主(自动化)的装置(autonomous devices) 一般又称传感器节点(Sensor node) 所组成。每一装置备有：感测器(sensors)：感测之用、无线电收发机(transceivers)：通讯传输之用、处理器(processor)：计算之用、内存(storage resources)与执行器/促动器(actuators/actors)：如警报、洒水等。无线通讯、电池技术及嵌入式微处理器(embedded microproces
22、sor)技术的进步与整合带动了 WSNs 的发展。2.主要概念感测范围(Sensing range)：节点传感器能够侦测到环境的变如：温、光、湿及磁场等 的范围。传输范围(Communication rage)：资由节点透过无线通信方式传输的范围。节点把收集到的信息，透过无线通信方式沟通，并且使用多点跳跃(multi-hop)的方式回报给资收集端(Sink or Data collector)。资收集端透过资网络将收集到的资传至后端服务器(server)给网络管理者分析与应用。2、资传输协议在WSN中，大部份资传输为传送至单一目的地：即资收集端(Sink or Data collector)。
23、适用于无线传感器网络的资传输协议，大致上可以分为三大：资中心/导向(Data-centric)协定、阶层式(Hierarchical)协定及位置基础/导向(Location-based)协定。（一）1.资中心协议在无线传感器网络中，其资传输的传感器本身的地址并重要。重要的是：资内容以及收集到的资被感测到的位置。此协定的例子：泛滥法与随机选择法(Flooding, Gossiping) (1), SPIN(2),直接扩散(DD)(3)1泛滥法与随机选择法泛滥法(flooding)优点：可靠性(reliability)缺点：一节点收到多个相同封包传输方向可能背离目的地侦测收到的重复封包，消耗必要的
24、电力无止尽传送TTL(传感器网络里数据包能被转发的最大跳数)随机选择法(gossiping)：randomly choose some nodes to forward优点：改善节点收到多个相同封包的缺点。缺点：传输延迟可能会增加， 可能有些节点没收到封包。2SPINSPIN协议的三个讯息ADV：节点有(感测到的)资要分享时，即广告ADV讯息包含Meta-Data* 描述感测到的资。REQ：节点想要某资时，即传包含Meta-Data描述的REQ讯息例，收到ADV讯息的节点想要其Meta-Data所描述的资时，回应REQ讯息。DATA：包含真正的资。收到DATA封包的节点继续向邻居发送ADV讯息
25、。3直接扩散(DD)直接扩散(Directed Diffusion, DD)属于查询启动的一种被动资传输协议协定的一些主要组件：命名(Naming)感兴趣的事物(Interests) 及一段走道坡(gradients)资传输(Data propagation)(负) 强化(negative) reinforcement -sink2.资命名资系统(scheme) 每一笔资以”属性-值”配对(AttributeValue pair) 属性= 值命名任务描述(Task description)由一系列的(属性、值)配对命名描述任务；每一查询都使用属性= 值命名；这样查询的被称为感兴趣的(inter
26、est)事物Sink节点启动(initiates)感兴趣的(interest)事物查询从Sink的所有邻居广播此查询至整个网络3.感兴趣的事物感兴趣的事物(Interest)描述一须要感测网络(sensor-net)的任务。Sink*经由它的所有邻居注入(广播)感兴趣的事物(Interest)查询在此时Source*节点尚未知感兴趣的事物查询经由一节点到下一节点(hop-by-hop)扩散(diffuse)至整个网络在这阶段未对回(Loops)做检查感兴趣的事物(Interest)查询会被贮藏(cached)在查询经过节点的一暂存区* Sink：启动(initiates)感兴趣的(intere
27、st)事物查询的节点* Source：发现感兴趣的事物的节点。走道建立(丛集首Setup) 由Sink到Source的每一节点： 除贮藏(cached)感兴趣的事物(Interest)查询于一暂存区在感兴趣的事物(Interest)查询传送的反方向建立一段走道/坡(gradient) 走道/坡(gradient) 指向与感兴趣的事物(Interest)查询传送的邻居的走向(direction) 会给定一值选择径4.资传输感测到某事件发生之节点(source node)： 检查是否为事件暂存区中所感兴趣的事件计算每一资走道(gradients)要求的事件速率(event rate)并要求传感器按
28、最高速率取样event description = data message由各走道(gradients)传送收到data message的节点(Receiving node)： 若是事件暂存区中所感兴趣的事件 drop 检查资暂存区(data cache*) 看该data message是否已收到过已收过 drop 加入cache 计算每一资走道(gradients)要求的事件速率(event rate)；后继续将它送出5.强化资收集节点(Sink node): 得到超过一条以上的回传径。会从其中选一资频率最高的径， 对该径发出增强讯息。Sink node：资收集节点当一径中断(timeou
29、t)时， 会使用增强讯息重新找一新径。（二）1.阶层式协定阶层式(Hierarchical)协议采用的是网络丛集化(Clustering)的概念，以增加网络的延展性(scalability)，避免当网络区域变的很大，以及节点大量增加时，造成过多的通讯负担(overhead)、延迟、以及管理的复杂。此协定的例子：LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)：低功耗自适应集簇分层型协议TTDD (Two-Tier Data Dissemination)：两层的数据传播2.LEACH低功耗自适应集簇分层型协议(Low Energy Adaptive
30、 Clustering Hierarchy)该算法基本思想是：以循环的方式随机选择丛集首节点，将整个网络的能量负载平均分配到每个传感器节点中，从而达到降低网络能源消耗、提高网络整体生存时间的目的。仿真实验表明，与一般的平面多跳路由协议和静态分层算法相比，LEACH分簇协议可以将网络生命周期延长15%。属二阶层(two-tier)的传输协议；为一分布式协定(需知悉网络架构)算法包含回合(rounds) ；每一回合有四阶段(phases):群集建立(Cluster Set-up)广告(Advertisement) 排程表创立(Schedule Creation)资传输(Data transmission)群(丛)集建立(Cluster Set-up)：群(丛)集首选举-以乱决定；丛集首会定期更换。群(丛)集首以广告讯息(Advertisement, ADV)公告其身分。其他成员以收到群(丛)集首讯号强弱(RSSI Eb/N0)决定其所属群(丛)集广告(Advertisement)：群(丛)集首向外广播ADV (Advertisement)讯息排程表创立(Schedule Creation)：群(丛)
