8 D4 b, D( E& _9 t. {3 E. P- |8 h1 z9 ?. V' _3 A. Z
①、平面网络结构:无线传感器网络中最简单的一种拓扑结构,所有节点为对等结构,具有完全一致的功能特性 / k: x: V; G3 p9 e% Z- Q . a/ _' j( c/ r8 G2 X J9 S. a分及网络结构:分级网络结构分为上层和下层两个部分:上层为中心骨干节点;下层为一般传感器节点。这种网络拓扑结构扩展性好,便于集中管理,可以降低系统建设成本,提高网络覆盖率和可靠性( a( F: O9 ^# L7 ^5 u& [' S
7 N+ n# A/ d) y' [
7 J. C1 |# n. O+ Y9 g # d! `$ I; n& e 0 Q( w m4 l/ c% D , L/ q7 d s. M" c. W + H- f- G4 R- Y: b* i) F+ t7 J$ \1 d+ ]2 |, h1 I. v5 M
* g) C* `" F1 s& U7 b: [
$ Y! {" H& A' e9 O( W
Mesh网络结构:Mesh网络结构是一种新型的无线传感器网络结构,该结构是规则分布的网络结构,该结构中通常只允许节点和节点最近的邻居通信" D! s" n3 @( e" J+ V& i( a0 p
m( x. R5 @( {. f6 ~+ I
+ I1 H) ^8 F6 h! _
9 Z4 K! T& N1 Z+ `# Q [ [' h: a! b$ X7 X; Y+ Y9 f; Y, I
无线传感器网络的系统结构———协议结构 # p5 X5 W; O; l+ |6 K- U 6 w& I" ~2 i& a$ z5 b ①、物理层:负责载波频率产生、信号的调制解调等工作,提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术。 1 b, l& Q8 W2 a2 `8 [' p* M9 w/ s! v7 b# _9 ~$ w
②、数据链路层:差错控制:媒体访问控制;主要负责网络结构的建立和为传感器节点有效合理的分配资源。差错控制;保证源节点发出的信息可以完整、无误地到达目标节点。 $ b3 p5 V. H% c. D4 x9 n $ \: j& T2 U5 d0 t ③、网络层:负责路由发现和维护,是无线传感器网络地重要因素。无线传感器网络中,大多数节点无法直接与网关通信,需要通过中间件进行多跳路由。(以数据为中心); m3 d1 Z- G& ^2 k+ f" g4 [& p
) a' G. t" |& |4 }9 X3 K" }④、传输层:负责将传感器网络的数据提供给外部网络,也就是负责网络中节点间和节点与外部网络之间的通信。 $ o; }' c: f' u' P D0 P7 v7 g% u+ @) Z& B4 c; V
⑤、应用层:主要由一系列应用软件构成,主要负责监测任务。这一层主要解决三个问题:传感器管理协议、任务分配和数据广播管理协议,以及传感器查询和数据传播管理协议。/ N s: x' C+ B2 O6 P
3 P1 j9 d$ e) I3 F8 f 常用调制方式:2 m, y4 @ a) ?; l2 ^$ m: A
8 J/ Z0 s( ], ` 模拟调制、数字调制、扩频通信、UWB通信技术8 q X* S0 K0 k
7 N3 d, c# z6 e: o, A
B-ary数字调制(二进制数字调制):* O( _* W X \: B7 Q0 y$ F
( A2 u& V8 b5 x/ ? n; {8 x' l 应用于启动时间较短、能量消耗大的的系统 ! Y8 s r0 [ F1 [ s5 _. r" x$ Q6 P M-ary数字调制(多进制数字调制)* Q2 {3 C$ h1 n7 x
5 Y# s: A4 |4 e: O; w, f* h( g/ Z
应用于WSN,启动能量消耗低的系统 B+ h, F. ?& ~5 y3 A* q# o( S8 S9 V( I1 b- a - O. J; T; O4 g% \5 s% ]7 s( f. Y2 T0 L; A4 s! ?" f* |2 k
: J% d- c2 `5 S) s B-ary和M-ary的比较:M-ary传输的信息量是B-ary的log2M倍,节省了传输时间,但是实现复杂且抗干扰能力不如B-ary,M越大误码率越大,M-ary电路更加复杂,能耗大。 9 {0 K1 I1 \9 H; W & a3 h, N9 U2 O7 w4 k. O# i' V1 j1 e3 E* x |3 P
! t* _5 Y7 m; L. h; b5 S* G$ J* v
# i+ L, \/ A! z4 C f3 W1 o2 x3 ^. A8 \
第三章 无线传感器网络数据链路层设计 ) [ S% p7 u1 c7 i& I, a/ B* e5 D G
# b. v9 R$ s5 O6 c# d0 _% v. L T( D
2 B1 u1 z6 y/ ?) y3 Q- b3 d: O* m! K& ^+ z3 e
在MINA架构中,节点分为三种类型:0 }8 X# d, x6 p" v( W" Q, t
% }: m+ e% Y& C! m) e0 K大量静止的低容量(内存、CPU、能量)传感器节点; $ C* g q& l* ?, d% v + f+ j) c) i4 [7 k6 `少量手持移动节点; % \/ [1 U8 D) k* v9 m) `5 E* Q8 [$ r1 ~ C3 _3 r: l- N, I9 q
静止的大容量基站节点。 3 B E* M- V$ f: v- n( n; c9 b5 L( d : g2 Z/ l) M5 B: K3 n ; J# p/ e# }8 X1 d ] * C7 h3 l( m8 p# { 2 C6 s; k* g1 ^' d) i/ E' a/ B# Z: W8 Z6 _' e& `
; r8 u# R Y; Y4 |
# f3 N* V. j' D, }根据距离基站的跳数,每个节点的邻居也可以分为三类,即内部邻居、同等邻居、外部邻居。距离基站跳数比本地更小的邻居为内部邻居,跳数相同的邻居为同等邻居,跳数更大的邻居为外部邻居。( ^' j# b: D4 t$ p. D: p9 b
' z2 G" G; y. D. w u
, |+ }& m& u+ b. X! I- Q0 E ! g' T) a3 X! E - [! g; ~) H- G) Y0 L. p5 N# Y% R" t2 g
* w9 s( T! ~" V7 c
. u: J) X! m. m0 W/ N+ i
第四章 无线传感器网络的网络层% k% t% ^8 O3 T8 _
6 G- w+ |; {/ h6 d, R' i% C' t
% K$ ?* \3 G! y, R6 X1 O ' S& V% N: n5 ?& ^! t! a考点:* Q; E! V- }, r9 K. w
, q) d/ {6 I4 m( @: x4 E
什么是路由、路由维护、选择?(了解) 1 O) M I3 P2 D4 j! b8 v2 h% u3 y- m6 m& N0 ^8 H
区分WSN网络层路由协议(了解) $ {8 r; @5 u# |# d& ]; n R ' J6 b3 F9 d. |. D. p 5 q1 x5 d7 O! j3 T( t 7 Z) }1 N! n8 ]0 {8 Y# | : H/ g0 o/ b1 ~, I" ^ ( B5 C+ c( g% ^9 R4 T: K: {/ A' p一、无线传感器网络网络层概述 1 o- ~3 M' ^! D' ~& ~: O- O# z6 ]- | Y% O9 T! r: E( W
路由:路由是指分组从原到目的地时,决定端对端路径的网络范围的进程 / I8 V3 I1 C8 p; F& Y 9 ? o1 e- N, h, Q/ A# L& O WSN网络层概述:在WSN中,路由协议主要用于确定网络中的路由,实现节点间的通信。但是由于受节点能量和最大通信范围的限制,两个节点之间往往不能直接进行数据交换,而需要以多跳的形式进行数据的传输。无线传感器的网络层就主要负责多条路由的发现和维护,这一层的协议主要包括以下两个方面:6 \9 ^( N6 d; N p6 g
k9 f6 v: A. l% [
路由的选择:即寻找一条从源节点到目的节点的最优路径; % x$ p( e: v. L! Z0 B2 ~9 ^& F# { 2 u3 l7 f0 P; L: @8 C$ V: O$ Y 路由的维护:保证数据能够沿着这条最优路径进行数据的转发。; F" Q& g( m+ R. \" ~# N8 h' r
, p+ `1 C0 A2 C. m% P* P* C6 y1 l; ^2 Z9 H% p6 e# x X
( R- V3 I/ u8 L
WSN网络层与传统网络的区别特征: 2 K2 [+ M2 N/ Q) o: h! M( N% g; G8 B ?" I
大规模分布式应用% b' e# u5 i) {6 M1 G# V; S
$ M8 v; L2 |# U1 W! ~8 M# x 以数据为中心9 [) W @/ I# n$ D# V" j
+ I9 ]3 {) w% ?' H5 E
基于局部拓扑信息 : |: j* V2 K* k. }2 ^" k. { O5 C) U7 ^
基于应用 G' {/ N3 B" n; O6 w- k
( I1 o0 i8 A3 O$ r3 {; \6 j 数据的融合 |& ~, n+ K9 ]% g1 {
- ]$ z d. P$ u5 u
, L3 c8 Z; Q2 r% }: s% t# u) L/ r8 C9 k! a5 D6 l2 W; \' H- s
WSN网络层发展: 6 d+ A9 g& m6 k9 ~5 V9 G) W |8 b - p4 x- F8 ?2 U- x* q) S! e 最优路径选择 * \/ l2 o( v7 h% E) p% B4 g8 [7 K3 M. m7 S; d. E( W1 `. J
安全性# U. W, k, H1 S' d
; Z! L1 k! j5 u# `
QoS保证! z2 e8 t9 J- }* Q* N2 M& t% l4 ^
" s/ P7 g o9 Z" l) Y
能量高效利用和均衡 7 ]5 l! f- t# ~/ [) t+ O ! O2 L8 J" X6 x9 i$ M! @9 I+ F- m" `7 a
) L+ q, b S2 w/ P% ]9 D WSN路由协议特点:& ?* d( l/ H) q. \0 n
1 b, j; s4 J6 a- I0 e @
电池不可替换,高效、均衡利用能量9 U. e8 ]: `5 E( U% a2 C
1 T2 U! r H/ X) s$ N( Q 协议应精简,无复杂算法,无大容量冗余数据需要存储,控制开销少# _4 }5 W2 T& X( O
' Y% e6 W5 Z7 b% A! h
网络互连通过SINK节点来完成,其余节点不提供网外通信 V1 n. b( B: w! r5 u' _ - Z, ^/ F$ u5 U8 @$ [8 M 网络无中心节点,多基于数据或位置的路由算法机制6 I$ y8 v. N0 Z4 v {; y) I
& T; u5 Z# l3 C; f/ z4 w' T$ k8 ~
由于节点的移动或失效,一般采用多路径备选 2 R! z A/ l8 ] 8 _, Z$ I3 S4 {- n" w$ f: u % V" ?$ c. s; O0 x$ B W2 n2 o4 _ ; B* M3 ?! T# n. _- R- T! L 挑战:+ \+ M, B3 l: ~$ v& V0 I
7 S7 ~- H" C% l 节能、高扩展性、容错性、数据融合技术、通信量分布不均匀 9 l3 e: s/ k7 G" |' T! c U6 Y- u. \. X3 q7 c" H. {4 }( D7 c$ s8 V Q( u9 ]5 B! U/ g/ n2 X0 R) _
+ V D% d( @9 l0 \1 k, A9 L% T% x* S. e
, Q) _$ I+ t3 F二、无线传感器网络网络层分类 1 D- r8 @- z8 D& w8 d( m( |+ R& F# }# X. \0 T6 k4 L5 ~# A
根据节点在路由过程中是否有层次结构,作用是否有差异,可以分为平面路由协议和层次路由协议 1 t" `( V4 o& t( v% J1 H9 U' [% D
根据路由建立时机与数据发送的关系,可分为主动路由协议、按需路由协议和混合路由协议。* `( w: M+ }9 A4 R% l# N; U
- |3 \3 Y( o- @# p; u/ l
根据传输过程中采用路径的多少,可分为单路径路由协议和多路径路由协议 2 R) k+ @/ ], _, l( b$ i4 V! ^8 p# J$ K9 J* o" u, j
根据节点是否编址、是否以地址表示目的地,可分为基于地址的路由协议和非基于地址的路由协议 4 s9 H6 S- q2 f }; F J 2 i% _( |! [/ S0 t) b3 s, w 根据数据在传输过程中是否进行数据融合处理,可分为数据融合的路由协议和非数据融合的路由协议5 u5 H; L% q1 {
/ |5 U( W' u9 K, p* g
根据是否以地理位置来表示目的地、路由计算中是否利用地理位置信息,可分为基于位置的路由协议和非基于位置的路由协议% V A' Q1 V3 T+ J# T, X
9 u, c, a/ R3 K5 m$ A
根据是否以节点的可用能量或传输路径上的能量需求作为选择路由的根据,可分为能量感知路由协议和非能量感知路由协议 9 q- B" y1 n2 [: [: [+ k) s2 h4 w, V, R: M% }8 ?7 Q/ ^
根据路由建立是否与查询相关,可分为查询驱动路由协议和非查询驱动路由协议' f) ^( w0 x. i1 B' ~. r0 m9 w4 e
7 P4 k% _1 m6 e }1 ] 9 s- C# }% n: v! q' n0 t# o # G( G# ]5 j [; i9 I8 A' Y M9 u三、无线传感器网络层路由协议 ]* ]. j* d- o7 W7 B8 Q. J2 [
% q, }2 w* Q, F6 n" j( F 较为常用的路由协议有:基于数据的路由协议、基于集群结构的路由协议、基于地理位置的路由协议。) K$ z' w# S; x
# R5 U; x% _. @: c3 P. ]1 z6 P9 |! @8 J
6 C! @9 F5 W( l. B
基于数据的路由协议0 h7 t4 m: o! k8 d. b
; X5 I* P! T6 I+ q
①、SPIN协议:; {$ P1 E" T# A0 o. r
9 P j+ C2 M3 s " E8 J2 \9 I6 b2 S; L% @与其他协议相比,萤火虫同步算法具有独特的优点:3 C. X" z! c9 Y ?2 N
; ?. S y. z1 I0 o
同步可直接在物理层而不需要以报文的方式实现; ( f3 |. H% j9 Z2 b) J0 ^2 ^6 ]* x8 ]3 z
由于对任何同步信号的处理方式均相同,与同步信号的来源无关,因此可扩展性以及适应网络动态变化的能力很强;. f5 ]3 o/ u2 `( p: O B' }0 T0 j
$ c8 _4 N1 C/ a% |基于空间相关的故障检测:% `. Z0 D z: c$ c( l: U' ^
: w* s* D4 S" _; x* o* Y- m" a
空间相关性:是指无线传感器网络中相邻节点的同类传感器之间所测量的值通常有很相近的特性。& T" |4 M6 X# |1 w
0 v7 j7 a5 K8 l3 o) } U
(1)需要地理位置信息。在地理位置信息已知的情况下,利用三个可信节点实现三角法检测感应器故障。& E- w- {" G# Y B
. \# v3 G4 ?, A (2)无须地理位置信息。这类检测通常是通过侦听邻居数据来判断自己测量值是否正确的,判断策略可分为多数投票策略、均值策略和中值策略。" R9 { r- N( ^# U& p; H; O: v
8 d# t6 k I3 S; o! Y1 `4 X
2 F3 ?0 v( c/ N0 L0 b% W 2 F+ T8 k+ p! |1 b 多数投票策略是通过与邻居节点测量值进行比较,得到与自己的测量值相同或差距在允许范围内的邻居测量值个数,如果个数超过邻居数目的一半,则判定自己的测量值为正确的,否则就是错误的。 4 e' z$ s, M( ^6 `$ l / h* P$ Y- m" L- C3 S; j) i" Z; [, X. y, o3 J0 V( x
& f( z Z( [) P+ J6 s
均值策略首先计算邻居测量值的平均值,然后比较这个均值和自己的测量值,如果它们差距在允许的范围内,则认为自己的测量值为正确的。 " Z" U7 a4 g/ k( j X2 ~ S$ x/ w2 R& U; a) I
5 A7 P4 e3 \- R1 P! C ]" X
6 ]/ g" p8 t) z6 b; u% M中值策略是利用邻居测量值的中值与自己的测量值比较,在很大程度上避免了错误的邻居节点测量值对测量精度的影响,在有很多邻居节点测量值错误的情况下,节点仍然能正确地判断出自己的测量值是否正确。 ; ]; _% K& K: a4 L5 a3 [! v) M! `5 M h$ Q+ S- _/ c! R" _( F1 u6 R" p/ W* a& y, D
' N& r& i/ J( C I 4 N" E' c/ ]. R2 h ) |5 a' I* _3 d5 u* h* w {+ ~7 s % e& a" v. Y0 R. S6 W$ J* }) @- |0 K + ^% \- K6 p' J" e基于贝叶斯信任网络:5 y9 x8 Y5 R% X4 P2 M5 S
: y1 {8 R( d8 t# e: l
* o: S+ G) [( K9 g. c
' G4 F+ b; e. [' V
( U7 v- L& H2 x1 q' W- ~& x
& Y: H0 o- i5 Z2 a" _" B1 Y/ T5 i- J5 l
" u: F! N' m9 W# H( w
! {' V! s5 M" j1 s1 {/ F
2 Y5 Q8 h: }# B7 N& E) [
/ N" b, t! O1 A. B$ h9 ]10、5 传输QOS保证 ( j# p a, X7 h# p6 R5 E6 J! y# C3 t$ u
在无线传感器网络中评价传输服务质量的关键指标如下。 9 N" {( m. X1 \% c) D. ^; ~* O& u4 {0 O
传输成功率。4 D- D1 q$ x) r6 |2 m' i
. B( `2 c" B. F
时延。9 ^4 {. h j5 s3 G8 g( D
% h$ _! P& T% ]7 ~2 u: m; v( B4 @9 ^1 Y
@' H% Z& u- g0 b M3 g8 i c传感数据包能否实现端到端的可靠传输是网络能否成功实施并应用的一个重要条件。在网络中,造成数据包丢失的原因主要有三个方面。 ?4 }* ^7 r& w+ S8 m- |0 Q0 U
! D P8 S3 s6 S9 ^
(1)无线传感器网络所使用的无线信道与有线链路相比有更大的不稳定性以及更高的误码率,很容易受到周围环境噪声的影响造成数据包的丢失。另外在无线传感器网络中,传感器节点的分布密度非常高,不同节点在发送数据时极易发生信道竞争冲突以及碰撞造成数据包丢失。 & ~: y0 F: j& h! e/ o) x 9 W/ C4 u# i$ K, Y; u, G s' Y(2)当无线传感器网络中发生拥塞时,拥塞节点缓存溢出造成数据包丢失。 3 o6 f# r3 p9 P. x4 b. |- x+ ?( m7 C5 U" k" ^- k! W- V, Y. U0 z" q
(3)接收节点因为数据包到达过快来不及处理造成数据包丢失。: o1 V5 Z) ?- C4 n