无线传感器网络学习报告

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无线传感器网络学习 报告报告人: 报告人:王 娅 2006年 2006年4月

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无线传感器网络学习报告 无线网络的分类 无线传感器网络的特征与体系结构 无线传感器网络的工作原理 无线传感器网络的路由协议 提出我的研究思想

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无线网络的分类 为了满足人们的通信要求， 无线网络正越来越随深入 我们的生活。随着通信技 术、嵌入式计算技术、信 息处理技术和传感器技术 的飞速发展和日益成熟， 集数据采集、处理，数据 传输、通信等一体的无线 传感器网络引起了人们极 大的重视。 目前无线网络可分为两类: 其一为有基础设施网,需要 有线连接的固定基站来直 接对网络中每一节点进行 组织协调,无线局域网和传 统的蜂窝网都属于该类;另 一类为无基础设施网,即无 线Ad hoc网络,其中节点采 用分布式运行并具有相对 独立的路由维护功能 。

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无线网络的分类 无线Ad hoc网络源于七十年代美国军方分组无线网,随后IEEE在建立 802.11标准时,将分组无线网改称为Ad hoc网络,意为“仅为特定目的、 情况或场合的”,这类网络的突出特性是具备自组织能力。 根据网络中节点是否可移动,无线Ad hoc网络又可分为两类(如图1): 一类为移动Ad hoc网络(Mobile Ad hoc Network,简称MANET),1997 年IETF(网络工程任务组)成立了MANET工作组,旨在对该类型网络 的路由算法进行研究和开发; 另一类为无线传感器网络(Wireless Sensor Network,简称WSN) ,网络拓扑结构固定或变化缓慢,此类网 络试图通过在远控区域布撒大量传感器,然后由各传感器节点(简称节 点) 自行协调来迅速组建通讯网,在能量利用率优先考虑原则下进行 工作任务划分以获取监视区域信息。

无线网络

有基础设施网 移动ad hoc网络 (MANET) 无基础设施网 (无线ad hoc网) 无线传感器网络 (WSN) 图 1 4

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无线传感器网络的特征与体系结构与传统网络相比，传感器网络具有以下特征： 节点分布极其稠密且数目很大。 传感器网络中节点能量、存储空间及计算能力等资源非常 有限，且能量资源等无法补充。 在传感器网络中，传感节点在布置完毕后，除了少数节点 需要移动以外，大部分节点都是静止的。 多跳通信。由于低功率射频器件的信号传播范围有限， WSN 应该能支持多跳通信，图2示意了从节点A(source) 到BS(sink)的多跳传输过程。 高度自适应的自治能力。由于应用的特殊性(节点能量较 低或节点的移动、增加、消亡),WSN必须是能够自我 配置的，需要很强的自适应能力和健壮性。

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无线传感器网络的特征与体系结构 与其它网络一样，传感器网络

的协议栈包 括应用层、传输层、网络层、数据链路层 和物理层。研究热点主要集中在数据链路 层和网络层。

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无线传感器网络的特征与体系结构 物理层(Physical Layer) 无线通讯方式有射频(RF-radio frequency)和红外 (IR-infrared)两种。由于红外方式的方向性限制,使其应用 更多的局限在点对点直接通讯,故无线传感器网络倾向于 射频通讯。 在通迅频带使用上可参考免申请的ISM(Industrial Security Manual,工业安全手册)(工业、科学和医疗) 开放频段——2.4GHz(全球)、433MHz(欧洲)和 917MHz(美国)。当通讯网络工作在开放频带时也会受 到其它外部系统的影响，使用时必须采取抗干扰(微波炉、 802.11b和蓝牙等设备)措施。

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无线传感器网络的特征与体系结构 链路层(Data Link Layer) 链路层协议用于建立可靠的点到点或点到多点通信链路,主要由介 质访问控制(Medium Access Control ,简称MAC) 组成,MAC协议的 基本作用是避免点到点通讯时冲突的发生。 传感器网络的MAC协议必须满足两项基本要求:首先是组建网络 底层基础设施,实现多跳并具备自组织特性的节点无线通讯;其次是在 节点通讯过程中实现平等高效的资源共享。针对WSN的MAC提出了 以下三种解决方案:

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无线传感器网络的特征与体系结构 链路层(Data Link Layer) SMACS ( Self-Organizing Medium Access Control for Sensor Networks自组织传感器介质访问控制)和EAR ( Eavesdrop And Register窃听登记) :SMACS实现网络启动和链路层组织, EAR算法 完成移动节点和传感器网络的无缝连接。 SMACS是节点不需依靠主控中心而能够独立进行邻居节点发现、 建立并维护表单的自组织分布式网络底层基础协议,这种协议将邻居 发现与信道分配有机地结合起来。EAR是对SMACS引入了移动节点, 网络模型依然呈静态性，每个移动节点对临近的静态节点负责。这种 时隙分配机制的不足在于当节点属于不同子网时有可能无法建立连接。 组合TDMA/ FDMA:根据射频传输消耗的能量来优化选取信道的 数量,当用于发送消耗能量过多时趋于TDMA工作方式,而在以接收为 主要能量消耗时更趋向于FDMA工作方式;

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无线传感器网络的特征与体系结构 链路层(Data Link Layer) 基于CSMA (Carrier Sense Multiple Access载波侦听 多址接入) 法:任何CSMA框架由侦听机制和退避机制两 个主要部分组成。 注意：传统的CSMA是在随机分布传输假设基础上趋 向于独立的点对点数据流,针对传感器的MAC协议必须能 够提供数量可变的、高度相关的、定期占支配作用的数据 流。一种自适应传输速率控制(ARC, adaptive transmission rate control)的方法被提出来平衡源发

起与数 据流通的速率,这种计算特性相比消息握手机制更为能量 高效,而且试图通过不断调整传输速率和改变相位避免冲 突的重复发生。20102010-9-4 10

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无线传感器网络的特征与体系结构 网络层(Network Layer) 自治性在大量节点参与的网络中是必要的,为激活网络的连接节 点必须建立有效的机制来组网。 现有的Ad hoc路由协议可分为: 表驱动型(Proactive Protocols先验式协议)每个节点需不断维护 并更新路由表, 典型协议DSDV( Destination Sequenced Distance Vector,距离矢量目标序列). 按需驱动型(Reactive Protocols反应式协议)仅当需要时进行路 由,源节点发起路由探测过程,典型协议DSR ( Dynamic Source Routing,动态源路由) 、AODV (Ad hoc On Demand Distance Vector Routing ,Ad hoc按需距离矢量路由). 混合式的路由协议( Hybrid protocols)是上述两种类型的结合,如 ZRP ( Zone Routing Protocol ,区域性路由协议) 。

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无线传感器网络的特征与体系结构 网络层(Network Layer) Ad hoc网络路由协议设计通常是将QOS摆在 首位,一些网络协议对WSN的建立有一定指导意 义,但并不能完全适用于能量受限的WSN。WSN 路由协议设计要遵从如下原则: (1) 能量利用率优先考虑; (2) 数据为中心; (3) 不影响传感器节点探测精度条件下的数 据聚合; (4) 理想的节点定位和目标追踪。20102010-9-4 12

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无线传感器网络的特征与体系结构 传输层(Transport Layer) 当WSN需要接入Internet或其它外部网时该层才是特 别必需的,工作在ISM (工业安全手册)频段的设备可能 出现较高的数据包错误率,建立一套端到端的传输与阻塞 控制协议能够很好地满足WSN的系统需求。 在协议栈的高层采用确认与重传机制明显要比底层复 杂的错误处理控制码方式易于实现可靠的数据传输。 另外,由于大量传感器布局密度可能会高于需求,各传 感器节点通过在局部区域内结合信息进行冗余处理,减少 和压缩数据量可确保传输数据的高效性。 但据目前了解针对传输层还没有提出进一步规划和发 布相关的探讨。

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无线传感器网络的特征与体系结构 应用层(Application Layer) WSN主要应用于对事件的探测,然而事件的探测往往 需要一个或多个节点上多种传感器的协作。 例如在火灾探测上需结合烟雾、温度甚至更多种探 测现象加以综合评定。 这个多种不同信息结合的过程称为数据融合,它有四 个显著特点: (1) 冗余处理:同一个激励信号可被不同传感器捕获, 剔除重复不必要信息; (2) 补充信息:一种传感器捕获一种特征,多种特征 的结合将获得更全面信息; (3) 及时信息:多传感器的并行采集与处理; (4) 低成本信息:为获得准确信息而需单个功能强大 但高价的传感器可用

多种廉价的传感器共同实现。

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无线传感器网络的特征与体系结构 应用层(Application Layer) 数据融合在WSN的应用层实现,显然 传输已融合的信息要比未经处理的数据节 省能量。 传感器网络的突出特点是针对性太强 而限制了其适用范围,倘若WSN中节点能够 采用多种类别传感器,合理的对采集数据进 行融合不但可以改善信息获取的质量,更可 以扩大网络的应用领域。20102010-9-4 15

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无线传感器网络的工作原理 传感器节点分布于网络的各个部分，用于收集数据，并且 将数据路由至信息收集节点(Sink)(不同的路由协议其 路由方式各有不同，传输数据的最初的节点称为source节 点)。信息收集节点(基站node,移动或固定的节点)与 信息处理节点(处理中心)通过广域网络(如Internet 网 络或者卫星网络)进行通信，从而对收集到的数据进行处 理。

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无线传感器网络的工作原理 网络中的节点大致可分为三类:一般节点 (Sensor节点)采集测试信息；sink(数据 汇集)节点收集一般节点中的数据并进行存 储、处理、上传；网关节点实现sink节点与 处理中心或其它外部网络的连接。通常sink 节点兼有了网关节点功能。

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无线传感器网络的工作原理 作为网络底层硬件基础的测试节点模型如图所示,主要由 数据采集、处理、传输和电源四个部分组成。前端由传感 器进行监测区域内待测对象的信息采集;微控单元实现数 据的分析处理、存储等功能;无线传输模块负责短距离节 点间互连。

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无线传感器网络的路由协议 针对WSN的特点与通信需求,国内外科研人员设 计了多种面向WSN的路由协议。 在路由协议的设计过程中，主要考虑以下因素： 节能(Energy efficiency)、可扩展性 (Scalability)、健壮性(Haleness)、传输延 迟(Latency)、容错性(Fault-tolerance)、精 确度(Accuracy)和服务质量(QOS)。 现在将目前各类的路由算法作了以下四种分类： 泛洪方式(Flooding)、集群方式(Clustering)、 地理信息方式(Geographic)、基于服务质量方 式(QOS-awareness)。

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无线传感器网络的路由协议 泛洪方式泛洪方式(Flooding)中的路由算法主要从数据传输的角度考虑, 每个传感器节点既能搜集发生的事件产生数据,也能作为中继节点进 行数据转发,初始路由表通过使用泛洪法来建立。 根据路由表建立和维护过程是由sink节点发起还是由sensor节点 发起,我们又可将该类细分为以下三种模式： 传统模式,指最基本的泛洪法,sensor节点以广播的方式将收到的 分组传递给自己的邻居节点直至该分组到达sink节点; 事件驱动模式(e

vent-driven),以感知环境数据的sensor节点主 动广播分组为特征,该分组基于路由表选取适当路径到达sink 节点; 查询驱动模式(query-driven),以sink节点广播与应用相关的查 询请求(interest) ,通过其邻居节点泛洪到整个网络,满足该查询请求 的sensor则选取适当路径发送数据。

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无线传感器网络的路由协议 泛洪方式(Flooding) 传统模式 扩散法(Flooding)是一种传统的网络通信路由技术。网络 节点对接收到的消息以广播方式发给它的每一个邻居节点, 每一个邻居节点继续转发给临近节点(不包括前面已经参 与过转发的节点) ,直到将数据传输到目的节点。其优点 是实现简单可减小路由计算消耗能量,不足之处表现在信 息“爆炸”(Implosion) 和“重叠”(Overlap) ,造成资 源浪费与信道阻塞。 闲聊法(Gossiping)采用随机原则选取临近的一个节点进 行转发,虽然避免了信息“爆炸”但仍无法避免数据盲目 传输,增加了传输所需时间。

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