无线传感网络35章

LOGO无线传感网络主讲人：彭圣杰第三章WSN设计影响因素：硬件约束基本组成1.传感单元：包含许多感应单元，具有从外界收集信息的能力，如：温度、湿度。感应单元又分为：传感器和模数转换器。2.处理单元：节点的控制器，其他部件均由他控制。可以包含一个内存储器。它控制传感器节点执行感知操作、运行相应的算法并控制与其它节点的无线通信的整个过程。3.收发单元：实现两个无线传感器节点之间的通信。4.能量单元：能源。5.定位系统：可由一个GPS模块或一个执行分布是定位算法可提供定位信息的软件模块组成。6.移动装置：移动装置需要与传感单元紧密协作来完成操作并且有处理器控制传感器节点的移动。7.功能装置：备用的功能装置，太阳能、热能。硬件约束最关注的问题：功耗问题。高能效是设计WSN最重要的因素。收发机单元是传感器节点的最重要的部件，他消耗了最多的能量也支持了WSN与其他网络之间的连通性。收发机可能是智能微尘中的被动或者主动的光学设备或者RF设备。RF大多数传感器节点原型的实际标准所采用。传感器的收发机可以在大多数时间内处于关闭状态而在任何需要发送数据包或接受数据包时开启。影响收发机设计的主要因素包括：低成本、高能效、低占空比的RF电路的设计。传感器节点在处理器和内存方面同样受到约束，WSN作为高效运行而设计的软件是轻量级的，并要求算法的计算复杂制度也很低。WSN最需要感知的信息就是定位信息，必须配置定位系统，最新的GPS模块可以精确到10m，但是贵，替代方案是：部分节点安装GPS用来定位，其他节点就可以借助于装有GPS的节点进行自定位。容错性硬件的限制导致传感器节点经常失效或者发生一段时间的拥塞。原因是：能量不足、物理层破坏、环境干扰、软件问题。一般将在不妨碍网络正常运行的情况下允许的故障程度定义为容错性。引起故障的原因：硬件和软件的性能。主要是有硬件造成的。部署节点的环境也可能影响传感器节点的工作。为WSN设计的协议和算法通过增加冗余度达到解决传感器节点故障频繁的问题。一个节点广播范围内的多个节点之间相互协作得到改善，即使一个传感器发生故障，广播范围内的其他节点也可以替补以保持网络的联通。容错性也依赖于为之建立的应用。如果部署传感器节点的环境干扰较少，它的协议要求可以比较宽松。可扩展性、生产成本设计良好的代码允许更多的功能在必要时可以被插入到适当的位置中。这样做的目的的是为了应对未来可能需要进行的修改，而造成代码被过度工程化地开发。传感器节点的密集部署造成了一定的数据冗余度，改善了网络的容错性，同时增加了可扩展性的挑战。WSN的拓扑结构预部署和部署阶段：1、降低安装成本2、消除对于任何与组织与预计划的需要3、增加部署的灵活性4、提高自组织能力和容错性后期部署阶段：网络协议应能很好地适应短期的、周期的或长期的拓扑结构变化。额外节点的重新部署阶段：额外的传感器节点因为任务的改变或者替代失效的节点可随时被重新部署传输介质无线电通信普遍使用ISM（工业科学医疗）频段。优点在于免许可的无线电频段、分配的宽频段和全球通用性。在这一频段内，为避免对其它系统产生干扰，主要使用低功率通信技术。红外线也可以作为节点间的一种通信方式，主要缺点是需要把接收机和发射机对准成一条线。在给定传输介质下，制定的编码和调制方案必须具有强鲁棒性（指计算机软件等在异常情况下的稳定性），而且这种方案必须高效地体现出有巨大差异的不同信道的特点。功耗每个传感器节点除了作为源数据的载体外，还负责转发其邻节点传输的信息。即传感器节点负责接收器临界点的数据，并且根据路由把这些数据传输到他的邻节点。节能和能量管理是WSN中任何完整通信协议的组成部分，因此，设计具有高功耗的WSN协议和算法至关重要。产生功耗的三个主要部分：感应（传感器）、通信（无线电广播）、数据处理(CPU).传感事件检测的复杂度对功耗起着至关重要的作用。ADC（模数变换）功耗主要取决于采样频率和分辨率，根据应用的需要和感知的现象，传感器将通过调整采样率减少功耗。传感器能源管理也应考虑休眠模式，避免频繁开关操作。数据处理数据处理时的功耗与感知时的差不多。处理数据功耗分为两个部分：晶体管开关造成的功耗、泄漏电流造成的能量损失。降低电压就会增加门时延，可以通过调节实验来减少微处理器的空闲时间。把供电电压降到最低供电压级别是一种不影响正常运行的前提下降低功率消耗的有效方法。就是微处理器电源的供应和时钟频率会被调整至与工作量相匹配。供电电压也会根据时钟频率而降低，这样看可以达到二次节省功耗的效果，同时也减少了泄漏点流量。当微处理器处理时变的计算任务时，在任务较少时简单的减少时钟频率只会影响泄漏电流造成的功耗。在意识到并不是每时每刻都需要达到峰值性能时，重要的是考虑如何更好地获得节能收益，处理器的工作电压和频率应该能够动态地适应瞬时处理需求。通过高能效的通信技术并结合具有自适应能力的计算技术，将有可能进一步节省能量。通信当传感器节点不需要发送或接收数据时，通过关闭处于空闲状态的发收机可以节省大量的能量。收发机从发送状态转换到接收状态时也会消耗能量。通信功耗有三部分组成：1.有具体收发机电路决定2.独立于通信距离，由数据包的尺寸和发射速率决定3.依赖于通信距离和数据包长度，并且这部分可以有高层协议控制然后讲述了简单和详细的能量模式，给出了一个周期内通信消耗的计算公式，简化版和详细版。通信功耗模型。由同步器、VCO(压控振荡器)的功耗，发射机的输出功率，接收机的功耗、发射机和接收机的工作时间、启动时间，单位时间内发射机和接收机的开关次数（取决于具体应用、传输、网络和MAC层的具体设计）共同决定。通信的功耗也依赖于收发机的数据传输速率。这是由应用的类型、传输协议、路由协议、MAC协议等许多因素决定的。第五章：介质访问控制除了无线网络MAC层的传统要求，传感器节点有限的传输能力、WSN的分布是部署和应用相关的数据流量特性都带来了更大的挑战。本节讨论三类MAC协议：基于竞争的MAC、预留的MAC以及混合的MAC。MAC层的挑战功耗：功耗主要来源于侦听、处理、无线传输。传输的功耗最大。在通信过程中功耗的主要来源可被划分为：空闲侦听：无线信号对信道进行监测但是吴有用数据传输的情形，应尽量避免。冲突：两个或者两个以上相邻的传感器节点同时向同一个接收机发送数据包时发生数据接收错误的情形，可能导致接收机无法正确接受任一数据包，MAC协议常采用冲突避免机制。协议开销：通信协议中控制帧的能量开销收发功耗对比：需要改进MAC层协议使其适应于发送和接收之间的功耗的关系MAC协议的主要目标是在广播无线信道中保证通信效率、避免冲突以及在可靠通信的同时尽可能减少能量消耗。结构（拓扑结构的设计）在WSN中，可以部署大量的传感器节点（高节点密度）：弊的一面是更高的网络密度会引发大量节点竞争无线信道，从而导致更高的冲突率。利的一面是由于平均每个节点都有大量的邻近节点，网络的连通性就可以在不断增加的传输功率的情况下得到改善。基于事件的网络WSN中，该系统感兴趣的是由传感器提供的融合信息，而不是每个节点的感知信息。因此，MAC层协议应该采取协作方式，利用融合的应用信息来提高性能。在基于事件的应用中，突发流量仅在事件中产生，一种流量自适应访问机制是很必要的。相关性节点分布密集的传感器网络，没有必要让每一个节点都发送信息；而较少的传感器感知数据就可能将事件概况传输到控制中心。可以采用限制采样率的方法减小相关性。CSMA机制CSMA是一个先侦听后发送的机制两种情况执行不同的操作：1：若信道在IFS（帧间隔）期间处于空闲状态，则节点立即传输信息2：若信道在IFS期间处于忙状态，则节点延迟传输，并继续监测信道，直到传输结束。退避机制：如果A在给B传输信息，C/D/E就不能传输。若C/D/E要同时向F传输信息，为了避免冲突，引入了退避机制：节点在一系列数值（竞争窗口）之中随机选择一个作为等待时隙的数目，节点进入退避周期后，第一个退出退避的节点在时钟计时结束时开始传输。其他终端监测到新的传输并暂停他们的退避计时器直到当前传输完成，在下一个竞争周期中重新开始计时。如果网络部署密度较大，以防节点选择相同的退避时期，冲突节点将把他们的竞争窗口加倍（32~64）并选择一个新的退避时机，确认机制：为了使节点获知数据包的传输情况，在CSMA引入了确认机制。汇聚节点会等待一段比IFS短的时间（SIFS）后接收发送节点的发送请求消息，并反馈一个应答（ACK）消息，当发送节点接收到ACK消息，及被告之数据包已被正确接收。如果发送节点没有接收到ACK消息则表示传输出错。CSMA机制CSMA机制的主要缺点：隐终端冲突过于敏感。隐终端冲突：当A向节点B发送数据包时，虽然节点G、H、I能够侦听到B但是侦听不到节点A，如果节点G、H、I中任意一个节点开始发送数据包，那么该数据包可能会与节点A发送的数据包产生冲突，对于节点B而言，这种现象称为隐终端问题。解决：引入CSMA/CA机制，通过发送节点发送RTS分组，当汇聚节点收到RTS分组后，就反馈一个CTS分组，授予发送节点发送数据包的权利，每个节点在发送数据包之前的四次握手中，要等待一个SIFS（优先级高于IFS）的持续时间，CTS分组被传输之后，节点B的邻节点被告知在进行传输。但是RTS分组之间的冲突仍然存在。这种冲突可以通过二进制指数退避机制减少。虚拟载波侦听技术：要求节点在局部缓存中存储一张信道占用调度表，当节点发送RTS分组时，会捎带待发送数据包的持续传输时间NAV（网络分配向量），汇聚节点在收到RTS分组后就反馈一个CTS分组，CTS分组中也捎带了待发送时数据包的持续传输时间，无论节点是在侦听RTS分组还是CTS分组，都能控制四次握手的持续时间，这样就可以避免传输过程中连续的信道监测。物理检测只有在NAV终止时才执行。CSMA/CA机制最主要的一个问题就是需要对信道进行连续检测，NAV使节点在数据传输中保持休眠直到NAV终止，以此来减少信道检测的能量消耗，NAV是WSN的MAC协议的中最实用的一种机制。基于竞争的介质访问在传输前由于节点为了竞争信道而需要侦听信道CSMA/CA，在能量效率方面很差。随着网络节点密度的增加，由于隐终端数量的增加，冲突避免机制会变的无效。下面介绍一些MAC协议，这些MAC协议为了提高能量效率对现有的CSMA/CA机制进行了改进。S-MAC周期性侦听和休眠机制：S-MAC协议的基本思想是构建可以同时休眠和唤醒的虚拟节点簇。如果一个节点在选择他自己的时间调度表之前，接收到了一个来自邻节点的事件调度表，它就遵循这个邻节点的时间调度表。如果一个节点在选择他自己的时间调度表之后可能有收到了邻节点的时间调度表，那么在两个时间调度表的侦听阶段都会被唤醒。一个节点遵循多个时间调度表的情况是很少的。串音避免：时间调度表一旦建立，数据包将在侦听间隔内的数据时隙进行传输，节点要发送数据包时，将在数据时隙内通过RTS/CTS分组来竞争无线信道，RTS/CTS分组交换后，发送节点就开始传输他的数据包，虚拟簇中的其他节点切换到休眠状态直到帧结束。这样就避免了空闲侦听时的能量浪费。捎带传输信息的数据包可以在休眠间隔后继续传输，并且只有两个进行数据交换和ACK消息传输的节点保持唤醒状态。多跳感知：基本的CSMA/CA机制起初是为单跳无线局域网开发的，所以基本的CSMA/CA机制必须经过改进才能适用于多跳的WSN。当节点B成功接收到来自节点A的数据包时，将试着寻找到达目得地的节点D的中继节点C。然而节点C处于休眠状态，节点B不得不等待能使节点C唤醒的侦听时隙的到来，并使节点C接收RTS分组。因此，数据包在一帧内只能进行单跳传输，这就导致了和路径长度成正比的平均时延，从而大大增加了多跳网络的数据包发送时延。解决这个方案被称为自适应侦听。S-MAC自适应侦听：节点C设置了一个定时器，这样节点C会在节点A和节点B传输数据包结束时刻被唤醒一段时间，这就使节点B可以立即发送RTS分组找到下一跳节点。由于C是处于唤醒状态的，可以反馈CTS分组并且数据包在一帧内可