無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 能量：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)協(xié)議

MAC 層協(xié)議
一、CSMA/CA（載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測(cè)）
? 在發(fā)送數(shù)據(jù)前對(duì)信道進(jìn)行預(yù)約，以免照成信道碰撞問題。CSMA/CD提供兩種方式來對(duì)無線信道進(jìn)行共享訪問，工作流程如下：

? 1.送出數(shù)據(jù)前監(jiān)聽信道的使用情況，維持一段時(shí)間后，再隨機(jī)等待一段時(shí)間信道依舊空閑，送出數(shù)據(jù)，由于每個(gè)設(shè)備采用隨機(jī)時(shí)間不同，所以可減少?zèng)_突的機(jī)會(huì)。

? 2.送出數(shù)據(jù)前，先送出一小段小小的 RST 報(bào)文給目標(biāo)端，等待目標(biāo)端回應(yīng) CTS 報(bào)文后才開始傳送。利用RTS/CTS握手程序，確保RTS/CTS握手程序。

二、PAN的建立和維護(hù)
? 再一個(gè)設(shè)備上電時(shí)，如果設(shè)備不是協(xié)調(diào)器，他將通過掃描發(fā)現(xiàn)已有的網(wǎng)絡(luò)，然后選擇一個(gè)已建立的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。如果設(shè)備是一個(gè)協(xié)調(diào)器設(shè)備，則掃描已有網(wǎng)絡(luò)，選擇空余的信道與合法的PANID，然后建立一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)一個(gè)設(shè)備在通信過程中與其關(guān)聯(lián)的協(xié)調(diào)器失去同步，也需要通過掃描通知協(xié)調(diào)器。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。定義了四種掃描： ED掃描（ED SCAN ），主動(dòng)信道掃描，被動(dòng)信道掃描、孤立信道掃描。

關(guān)聯(lián)和關(guān)聯(lián)解除
? 關(guān)聯(lián)即一個(gè)設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)，解除關(guān)聯(lián)即設(shè)備從這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中退出。一般的設(shè)備在啟動(dòng)完成掃描后，已經(jīng)得到附近各個(gè)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，下一步就是選擇一個(gè)合適的網(wǎng)絡(luò)與協(xié)調(diào)器進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

信標(biāo)幀的同步
? 在信標(biāo)使用的網(wǎng)絡(luò)中，一般設(shè)備通過協(xié)調(diào)器的信標(biāo)幀的同步來得知協(xié)調(diào)器里是否有發(fā)送給自己的數(shù)據(jù)；另一方面為減少損耗，設(shè)備需要知道信道何時(shí)進(jìn)入不活躍時(shí)段，這樣設(shè)備就可以在不活躍時(shí)段減少射頻。這些操作需要精確的幀同步。

幀結(jié)構(gòu)
? MAC幀，即MAC 協(xié)議數(shù)據(jù)單元。是一系列字段按照特定的順序結(jié)構(gòu)排列而成的，設(shè)計(jì)目標(biāo)是在保持低復(fù)雜度的前提下實(shí)現(xiàn)在噪聲信道上的可靠傳輸。

暴露終端和隱藏終端
? 隱藏終端： 隱藏終端的存在，節(jié)點(diǎn)檢測(cè)不到載波并不能意味著信道空閑可以發(fā)送數(shù)據(jù)

隱藏終端 圖中的 C 是指在接收節(jié)點(diǎn) 圖a 中的 B 的覆蓋范圍內(nèi)而在發(fā)送節(jié)點(diǎn)圖a中的A覆蓋范圍外的節(jié)點(diǎn).隱藏終端因偵聽不到發(fā)送節(jié)點(diǎn)的發(fā)送而可能向同樣的接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送分組,造成接收節(jié)點(diǎn)處的分組碰撞。

? 暴露終端: 暴露終端的存在，節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到載波也不意味著信道忙而不能發(fā)送數(shù)據(jù)

? 暴露終端指在發(fā)送節(jié)點(diǎn)的偵聽范圍之內(nèi),而在接收節(jié)點(diǎn)的干擾范圍之外的節(jié)點(diǎn)。如圖 在節(jié)點(diǎn)B 向節(jié)點(diǎn)A 發(fā)送報(bào)文,節(jié)點(diǎn)C (暴露終端) 偵聽到節(jié)點(diǎn)B 的發(fā)送,節(jié)點(diǎn)C不能同時(shí)向節(jié)點(diǎn)D發(fā)送報(bào)文,延遲發(fā)送而造成不必要的延遲,MAC 層協(xié)議應(yīng)該在節(jié)點(diǎn)C向節(jié)點(diǎn)D發(fā)送報(bào)文時(shí)不影響節(jié)點(diǎn)B與節(jié)點(diǎn)A的通信。暴露終端的缺陷是報(bào)文發(fā)送過程中的不必要的延遲,信道的利用率下降。

S-MAC協(xié)議
? S-MAC協(xié)議是針對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)省能量的需求設(shè)計(jì)的，S-MAC包括 了從各種能量消耗方式中節(jié)省能耗的方法，比如：空閑偵聽、沖突、串音和控制開銷。

S-MAC協(xié)議采用的主要機(jī)制
周期性的偵聽和睡眠
? WSN的S-MAC采用周期性的偵聽和睡眠，網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)同步使用相同的睡眠和喚醒方式，所有的節(jié)點(diǎn)均已相同的占空比進(jìn)行工作，使用同步幀發(fā)送機(jī)制，確保所有節(jié)點(diǎn)同時(shí)喚醒和同時(shí)睡眠，但所有節(jié)點(diǎn)都處于喚醒狀態(tài)時(shí)，才進(jìn)行偵聽，以判斷是否要發(fā)送或者接受數(shù)據(jù)，當(dāng)所有節(jié)點(diǎn)都處于睡眠狀態(tài)時(shí)，會(huì)自動(dòng)關(guān)閉射頻收發(fā)器以節(jié)省能量。

? 注：每個(gè)節(jié)點(diǎn)使用SYNC消息通告自己的調(diào)度信息，同時(shí)維護(hù)一個(gè)調(diào)度表，保存所有節(jié)點(diǎn)的調(diào)度信息。

工作過程
? 當(dāng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入工作時(shí)：先偵聽一段固定時(shí)間：

? 1）如果在偵聽的這段時(shí)間，接收到其他節(jié)點(diǎn)的調(diào)度信息，則將自己的調(diào)度信息調(diào)整和其他相鄰節(jié)點(diǎn)一致，經(jīng)過一段隨機(jī)的時(shí)間廣播自己的調(diào)度信息；

? 2）當(dāng)節(jié)點(diǎn)在偵聽這段時(shí)間收到眾多的鄰居節(jié)點(diǎn)的調(diào)度信息都不一致時(shí)，可選擇將自己的調(diào)度信息調(diào)整為和第一個(gè)接收到的鄰居節(jié)點(diǎn)的調(diào)度信息一致，并記錄其他鄰居節(jié)點(diǎn)的調(diào)度信息。

? 3）如果在偵聽的這段時(shí)間沒有接收到任何節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的調(diào)度信息，則自己產(chǎn)生一個(gè)調(diào)度信息，并進(jìn)行廣播；

自適應(yīng)監(jiān)聽
? 傳感器網(wǎng)絡(luò)多采用多眺，周期性休眠會(huì)導(dǎo)致通信的延遲積累，為解決這種問題，采用了一種自適應(yīng)監(jiān)聽機(jī)制，基本思想就是在一次通信過程中。通信節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)在此次通信結(jié)束后喚醒喚醒并保持監(jiān)聽一段時(shí)間。如果再此段時(shí)間接收到RTS幀，則可立即接收數(shù)據(jù)，不必等到下一周期。減少了數(shù)據(jù)傳輸延遲。

消息沖突與串音避免
? 采用RTS/CTS機(jī)制解決隱終端問題。為了避免串音，S-MAC協(xié)議使節(jié)點(diǎn)在接收到發(fā)往其他節(jié)點(diǎn)的RTS和CTS消息后進(jìn)入休眠。

消息傳遞機(jī)制
? 短消息：利用RTS/CTS，DATA／ACK機(jī)制進(jìn)行發(fā)送；

? 長(zhǎng)消息：將一個(gè)長(zhǎng)消息分割為幾個(gè)短消息在預(yù)約的時(shí)間內(nèi)突發(fā)發(fā)送，短消息也是利用RTS/CTS，DATA／ACK，不同的是S-MAC中長(zhǎng)消息分割的短消息的RTS/CTS，DATA／ACK幀中攜帶的是整個(gè)長(zhǎng)消息傳遞剩余的時(shí)間。（剩余份數(shù)）

總結(jié)
優(yōu)點(diǎn)：
（１）S-MAC很好的通過周期性的偵聽與睡眠機(jī)制解決了無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的能量問題：

高負(fù)載：當(dāng)信道處于高負(fù)載的時(shí)候，偵聽階段得意充分利用；

低負(fù)載：睡眠階段更好的節(jié)省了能量。

（２）使用CSMA協(xié)議中的RTS/CTS，DATA／ACK消息傳遞機(jī)制，有效避免了沖突；

缺點(diǎn)：
? S-MAC協(xié)議中的占空比是固定不變的，的信道中出現(xiàn)極端情況：（１）負(fù)載過高時(shí)，休眠時(shí)間太長(zhǎng)，不利于數(shù)據(jù)的傳遞；（２）當(dāng)負(fù)載過低時(shí)，偵聽時(shí)間長(zhǎng)，還是不能有效利用有限的能量，浪費(fèi)能量。

ZMAC協(xié)議（混合型MAC協(xié)議）
? 競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議由于沖突重傳、空閑監(jiān)聽、串?dāng)_等引起能量損耗，存在效率不高等缺點(diǎn)。分配型MAC 將信道資源按需時(shí)隙、碼型或頻分等方式分為多個(gè)子信道，數(shù)據(jù)包在傳輸過程中不存在沖突，所以能量效率較高。但是分配型MAC不能靈活的適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，為此提出了混合型MAC協(xié)議。

? ZMAC協(xié)議概述 將競(jìng)爭(zhēng)方式與分配方式進(jìn)行了組合，采用CSMA機(jī)制作為基本的方法。在競(jìng)爭(zhēng)加劇時(shí)使用TDMA機(jī)制；來解決信道沖突問題。

基本思想
? ZMAC引入了時(shí)間幀的概念，每個(gè)時(shí)間幀又分為若干個(gè)時(shí)隙。在ZMAC中，網(wǎng)絡(luò)部署時(shí)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都執(zhí)行時(shí)隙分配的DRAND算法。時(shí)隙分配結(jié)束后每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)在時(shí)間幀中擁有一個(gè)時(shí)隙，分配時(shí)隙的節(jié)點(diǎn)稱為該時(shí)隙的所有者，時(shí)隙的所有者在對(duì)應(yīng)的時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)更高。

? 在ZMAC中，節(jié)點(diǎn)可以選擇在任何時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)在某個(gè)時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)需要先監(jiān)聽信道狀態(tài)，但是該時(shí)隙的所有者擁有更高的發(fā)送優(yōu)先級(jí)。發(fā)送優(yōu)先級(jí)的設(shè)置通過設(shè)定退避時(shí)間窗口的大型來實(shí)現(xiàn)，時(shí)隙的所有者被賦予一個(gè)較小的時(shí)間窗口，所以能搶占信道。通過這種機(jī)制，時(shí)隙在被所有者閑置時(shí)被其它節(jié)點(diǎn)所使用，從而提高信道利用率。

關(guān)鍵技術(shù) 1.鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)和時(shí)隙分配、2.本地時(shí)間幀交換、3.傳輸控制、4.局部同步

特點(diǎn)
? ZMAC協(xié)議是一種混合型MAC協(xié)議，可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的信道競(jìng)爭(zhēng)情況來動(dòng)態(tài)調(diào)整整個(gè)MAC協(xié)議所采用的機(jī)制，在CSMA 和 TDMA 之間切換。

? 在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量較小時(shí)，競(jìng)爭(zhēng)者少，協(xié)議工作在CSMA機(jī)制下。在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量較大，競(jìng)爭(zhēng)者較多，協(xié)議工作在TDMA機(jī)制下。使用拓?fù)湫畔⒑蜁r(shí)鐘信息來改善協(xié)議性能。

? ZMAC協(xié)議結(jié)合了競(jìng)爭(zhēng)型MAC與分配型MAC的特點(diǎn)很好的適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓⑻峁┚獾木W(wǎng)絡(luò)性能。

路由層協(xié)議
以數(shù)據(jù)為中心的路由
SPIN協(xié)議（協(xié)商的路由協(xié)議）
? 是一種以數(shù)據(jù)為中心的自適應(yīng)路由協(xié)議，其目標(biāo)是通過節(jié)點(diǎn)間的協(xié)商制度和資源自適應(yīng)機(jī)制解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)冗余問題。

基本思想：
? 通過節(jié)點(diǎn)間相互協(xié)商的方式來減少網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，節(jié)點(diǎn)只廣播其它節(jié)點(diǎn)所沒有的數(shù)據(jù)以減少冗余，從而減少能量消耗。

三次握手與三種報(bào)文
? SPIN協(xié)議采用三次握手協(xié)議來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，協(xié)議運(yùn)行過程中使用三種報(bào)文數(shù)據(jù)，分別為ADV,REQ和DATA。

? ADV 用于數(shù)據(jù)的廣播。

? REQ 用于請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)。

? DATA 為原始感知數(shù)據(jù)包，裝載了原始感知數(shù)據(jù)。

? SPIN協(xié)議有兩種工作模式：SPIN1和SPIN2。

? SPIN協(xié)議特點(diǎn)： SPIN協(xié)議下，節(jié)點(diǎn)不需要維護(hù)鄰居節(jié)點(diǎn)的信息，一定程度上能適應(yīng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)移動(dòng)的情況。在能耗方面，比傳統(tǒng)模式減少一半以上。**不適用于高密度節(jié)點(diǎn)分布的情況。**由于SPIN協(xié)議通過節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)商，解決了內(nèi)爆和重疊現(xiàn)象。SPIN協(xié)議不需要了解網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，適合在節(jié)點(diǎn)可以移動(dòng)的WSN中使用。

DD路由協(xié)議（定向擴(kuò)散路由）：
? 定向擴(kuò)散（DD，directed diffusion）路由協(xié)議是一種基于查詢的路由方法。

? 四個(gè)階段： 周期性的興趣擴(kuò)散，梯度建立，數(shù)據(jù)傳播與路徑加強(qiáng)。

試題：簡(jiǎn)述DD路由協(xié)議的工作過程

? 答：DD路由協(xié)議分為三個(gè)階段：興趣擴(kuò)散（采用泛洪）；梯度建立（反向建立）；強(qiáng)化路徑（Sink節(jié)點(diǎn)會(huì)收到多條路徑，選最優(yōu)路徑，進(jìn)行加強(qiáng)，以后的數(shù)據(jù)按照加強(qiáng)路徑傳送）

（1）興趣擴(kuò)散階段： Sink節(jié)點(diǎn)（匯聚節(jié)點(diǎn)）查詢興趣消息：興趣消息采用泛洪的方法傳播到網(wǎng)絡(luò)；有和興趣匹配數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)；興趣擴(kuò)散階段建立節(jié)點(diǎn)到Sink（匯聚節(jié)點(diǎn)）的路徑.

**（2）數(shù)據(jù)傳播階段：**當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)采集到與興趣匹配的數(shù)據(jù)時(shí)，把數(shù)據(jù)發(fā)送到梯度上的鄰居節(jié)點(diǎn)，并按照梯度上的數(shù)據(jù)傳輸速率設(shè)定傳感器模塊采集數(shù)據(jù)的速率。

**（3）路徑加強(qiáng)階段：**定向擴(kuò)散路由機(jī)制通過正向加強(qiáng)機(jī)制來建立優(yōu)化路徑，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓薷臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的梯度關(guān)系。興趣擴(kuò)散階段是為了建立源節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸路徑，數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)以較低的速率采集和發(fā)送數(shù)據(jù)，稱這個(gè)階段建立的梯度為探測(cè)梯度。匯聚節(jié)點(diǎn)在收到從源節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)后，啟動(dòng)建立到源節(jié)點(diǎn)的加強(qiáng)路徑，后續(xù)數(shù)據(jù)將沿著加強(qiáng)路徑以較高的數(shù)據(jù)速率進(jìn)行傳輸。加強(qiáng)后的梯度稱為數(shù)據(jù)梯度。

分層結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議
LEACH 協(xié)議（低功耗自適應(yīng)集簇分層型協(xié)議）
? 該算法基本思想是：以循環(huán)的方式隨機(jī)選擇蔟首節(jié)點(diǎn)，將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量負(fù)載平均分配到每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)中，從而達(dá)到降低網(wǎng)絡(luò)能源消耗、提高網(wǎng)絡(luò)整體生存時(shí)間的目的。

? 網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)選擇簇頭，其他非簇頭節(jié)點(diǎn)以就近原則加入相應(yīng)的簇頭。形成虛擬簇。簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)將將感知到的數(shù)據(jù)直接發(fā)給簇頭，簇頭將本簇內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理以減少網(wǎng)絡(luò)傳輸量。

關(guān)鍵技術(shù)
? 簇頭節(jié)點(diǎn)的選擇依據(jù)網(wǎng)絡(luò)中所需簇頭的節(jié)點(diǎn)數(shù)和每一個(gè)節(jié)點(diǎn)已成為簇頭的次數(shù)來決定。

具體辦法：每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)生成 [0,1] 之間的隨機(jī)數(shù),如果大于閾值T,則選該節(jié)點(diǎn)為聚類首領(lǐng)T的計(jì)算方法如下：

? n∈G 當(dāng)n不屬于G的時(shí)候 T = 0；

? N 為網(wǎng)絡(luò)中傳感器連接節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，k為網(wǎng)絡(luò)中的簇頭的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。r為已完成的周期數(shù)。G為網(wǎng)絡(luò)的生存周期。

LEACH協(xié)議主要分為兩個(gè)階段：
? 簇建立階段(setup phase)和穩(wěn)定運(yùn)行階段(ready phase)。簇建立階段和穩(wěn)定運(yùn)行階段所持續(xù)的時(shí)間總和為一輪(round)。為減少協(xié)議開銷，穩(wěn)定運(yùn)行階段的持續(xù)時(shí)間要長(zhǎng)于簇建立階段。

? 在簇建立階段，傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)生成一個(gè)0，1之間的隨機(jī)數(shù)，并且與閾值T(n)做比較，如果小于該閾值，則該節(jié)點(diǎn)就會(huì)當(dāng)選為簇頭。

地理位置信息路由協(xié)議
用途：

基于地理位置的路由協(xié)議：使用地理位置信息建立路由，節(jié)點(diǎn)直接根據(jù)地理位置信息制定數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)策略

使用地理環(huán)境信息作為其他路有算法的輔助：可以限制網(wǎng)絡(luò)中手說路由的范圍，減少路由控制分組的數(shù)量

基本思想：GOSR協(xié)議是使用地理位置信息實(shí)現(xiàn)路由的一種算法，它使用了貪婪算法建立路由。

模型：當(dāng)源節(jié)點(diǎn)S向匯聚節(jié)點(diǎn)D轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組時(shí)S先選擇在他通信范圍內(nèi)部距離匯聚節(jié)點(diǎn)D最近的節(jié)點(diǎn)作為下一跳的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，這個(gè)過程一直重復(fù)，直到數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)完成
關(guān)鍵技術(shù)；

GPSR協(xié)議中有兩個(gè)核心問題：最佳主機(jī)問題和邊界轉(zhuǎn)發(fā)策略問題、

最佳主機(jī)問題

最佳主機(jī)問題又稱為局部?jī)?yōu)化問題，如圖圓1是節(jié)點(diǎn)的發(fā)射和接收區(qū)域，圓2是節(jié)點(diǎn)B的接收和發(fā)射區(qū)域。源節(jié)點(diǎn)S和目的節(jié)點(diǎn)D進(jìn)行通信，根據(jù)貪婪算法可以知道，到達(dá)中間節(jié)點(diǎn)B，鄰居節(jié)點(diǎn)A與中間節(jié)點(diǎn)B到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)D的距離相比B更近，并且B在D的通信范圍之內(nèi)，所以B選擇自己作為傳送的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，但是超過了B的發(fā)射區(qū)域所以B選擇鄰居節(jié)點(diǎn)A作為自己的下一跳節(jié)點(diǎn)，以此類推傳送的路徑為B到A到C到D到E到D；這就是由邊界轉(zhuǎn)發(fā)策略來解決最佳主機(jī)問題。

邊界轉(zhuǎn)發(fā)策略

基礎(chǔ)： 右手法則和平面圖的構(gòu)造

右手法則是節(jié)點(diǎn)X接收節(jié)點(diǎn)Y 的數(shù)據(jù)，他的下一條路徑以節(jié)點(diǎn)X為原點(diǎn)，沿著（X,Y）逆時(shí)針方向上的第一條鏈路，就是如圖（X,Z）節(jié)點(diǎn)按照這個(gè)規(guī)矩以此轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)

平面圖構(gòu)造

平面圖構(gòu)造方法是刪除網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D中交叉的邊，假設(shè)每一跳通信范圍的半徑都是R，并且都處于同一平面，如果（X,Y）<r，那么可以認(rèn)為x，y中間有一條邊xy。 按需理由協(xié)議="" aodv協(xié)議="" ?="" 基本思想="" 旨在多個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間建立和維護(hù)一個(gè)動(dòng)態(tài)的、自啟動(dòng)的、多跳的專屬網(wǎng)絡(luò)。aodv協(xié)議使得移動(dòng)節(jié)點(diǎn)能快速獲得通向新的目的節(jié)點(diǎn)的路由，并且節(jié)點(diǎn)僅需要維護(hù)通向他的信號(hào)所及范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)的路由，更遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)的路由則不需要維護(hù)。="" 網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的連接斷開和移動(dòng)會(huì)使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化，aodv協(xié)議使得移動(dòng)節(jié)點(diǎn)能適應(yīng)對(duì)這種變化做出響應(yīng)。="" 網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)路由緩存表，路由緩存表的內(nèi)容使到達(dá)源節(jié)點(diǎn)已知得節(jié)點(diǎn)路由。="" 路由發(fā)現(xiàn)過程：="" 當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)需要給網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)傳送信息時(shí)，如果沒有到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路由，則必須先以多播的形式發(fā)出rreq(路由請(qǐng)求)報(bào)文。rreq報(bào)文中記錄著發(fā)起節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)層地址，鄰近節(jié)點(diǎn)收到rreq，首先判斷目標(biāo)節(jié)點(diǎn)是否為自己。如果是，則向發(fā)起節(jié)點(diǎn)發(fā)送rrep(路由回應(yīng));如果不是，則首先在路由表中查找是否有到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路由，如果有，則向源節(jié)點(diǎn)單播rrep，否則繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)rreq進(jìn)行查找。="" 路由維護(hù)過程="" 如果發(fā)起路由請(qǐng)求的源節(jié)點(diǎn)移動(dòng)了，它能夠再次發(fā)起一個(gè)路由發(fā)現(xiàn)過程，以找到到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的新路由。如果沿著某路由的某個(gè)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)了。在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的="" “上游”="" 鄰居節(jié)點(diǎn)就會(huì)注意到此節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，這時(shí)上游就會(huì)傳播一個(gè)鏈接斷開的信息給上游節(jié)點(diǎn)的每一個(gè)有效的上游節(jié)點(diǎn)，通知他們刪除路由表中對(duì)應(yīng)的無效路由。這些節(jié)點(diǎn)依次轉(zhuǎn)發(fā)這個(gè)鏈路斷開的信息給上游節(jié)點(diǎn)，一直到達(dá)源節(jié)點(diǎn)。源節(jié)點(diǎn)將再次發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)過程。="" 協(xié)議的功能="" 將數(shù)據(jù)從源節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)的機(jī)制。="" 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議具體有哪些特點(diǎn) （傳統(tǒng)協(xié)議相比的特點(diǎn)）
能量?jī)?yōu)先

? 傳統(tǒng)路由協(xié)議在選擇最優(yōu)路徑時(shí)，很少考慮節(jié)點(diǎn)的能量消耗問題。而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量有限，延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存期成為傳感器網(wǎng)絡(luò) 路由協(xié)議設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)，因此需要考慮節(jié)點(diǎn)的能量消耗以及網(wǎng)絡(luò)能量均衡使用的問題。

基于局部拓?fù)湫畔?/p>

? 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為了節(jié)省通信能量，通常采用多跳的通信模式，而節(jié)點(diǎn)有限的存儲(chǔ)資源和計(jì)算資源，使得節(jié)點(diǎn)不能存儲(chǔ)大量的路由信息，不能進(jìn)行太復(fù)雜的路由計(jì)算。在節(jié)點(diǎn)只能獲取局部拓?fù)湫畔⒑唾Y源有限的情況下，如何實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單高效的路由機(jī)制是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)基本問題。
以數(shù)據(jù)為中心
傳統(tǒng)的路由協(xié)議通常以地址作為節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)和路由的依據(jù)，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中大量節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署，所關(guān)注的是監(jiān)測(cè)區(qū)域的感知數(shù)據(jù)，而不是具體哪個(gè)節(jié)點(diǎn)獲取的信息，不依賴于全網(wǎng)唯一的標(biāo)識(shí)。傳感器網(wǎng)絡(luò)通常包含多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)到少數(shù)匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)流，按照對(duì)感知數(shù)據(jù)的需求、數(shù)據(jù)通信模式和流向等，以數(shù)據(jù)為中心形成消息的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 能量：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)知識(shí)點(diǎn)

第一章
1.目前最常見的短距離無線通信技術(shù)有IrDA/紅外，藍(lán)牙、WIFI（802.11標(biāo)準(zhǔn)）和Zigbee技術(shù)
2.傳感器節(jié)點(diǎn)由五部分構(gòu)成，即能量供應(yīng)模塊、傳感器模址、處理器模塊、無線通信模塊和嵌入式軟件系統(tǒng)。
3.傳感器節(jié)點(diǎn)具有的處理能力、存儲(chǔ)能力、通信能力和電源能力都十分有限：所以傳感器節(jié)點(diǎn)在實(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和應(yīng)用控制中存在以下約束條件：電源能量有限、通信能力有限、計(jì)算和存儲(chǔ)能力有限
4.無線通信模塊存在發(fā)送、接收、空閑和休眠四種狀態(tài)。
5.無線通信的能量消耗與通信距離的關(guān)系為 E=kdn
6.無線網(wǎng)絡(luò)可以分為兩種：一種是有基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)，此類網(wǎng)絡(luò)需要有固定的基站；另一種是無基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)，又稱無線自組織網(wǎng)絡(luò)（Ad Hoc Network）前一種網(wǎng)絡(luò)比較常見，如移動(dòng)、聯(lián)通和電信網(wǎng)絡(luò)，需要高大的天線和大功率基站來支持，常見的有基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)為無線寬帶網(wǎng)，包括GSM、CDMA、3G、Beyond3G、4G、WLAN（WIFI）和WMAN（WiMax)等。
7.現(xiàn)有的操作系統(tǒng)：TinyOS操作系統(tǒng)、MANTIS 操作系統(tǒng)、SOS操作系統(tǒng)
8.Zigbee技術(shù)是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線技術(shù)，IEEE802.15.4只負(fù)責(zé)Zigbee的物理層和MAC層
應(yīng)用層 Zigbee聯(lián)盟
網(wǎng)絡(luò)層/安全層
MAC層 IEE802.15.4
物理層
Zigbee技術(shù)適用于通信數(shù)據(jù)量不大、數(shù)據(jù)傳輸速率相對(duì)較低、成本較低的便攜或移動(dòng)設(shè)備。 QoS是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供給應(yīng)用/用戶的服務(wù)性能的一種測(cè)量。
第二章
擴(kuò)頻通信
擴(kuò)頻通信是將待傳送的信息數(shù)據(jù)經(jīng)偽隨機(jī)編碼擴(kuò)頻處理后，再將頻譜擴(kuò)展了的寬帶信號(hào)在信道上進(jìn)行傳輸：接收端則采用相同的編碼序列進(jìn)行解調(diào)及相關(guān)處理，恢復(fù)出原始信息數(shù)據(jù)。
擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ)是從信息論和抗干擾理論的基本公式中引申而來的，如信息論中的香農(nóng)公式為 C=Blog2(1+S/N)
特點(diǎn)
擴(kuò)頻通信相比于窄帶通信方式，主要特點(diǎn)包括以下兩點(diǎn)：
◆信息的頻譜在擴(kuò)展后形成寬帶進(jìn)行傳輸。
◆信息的頻譜經(jīng)過相關(guān)處理后恢復(fù)成窄帶信息數(shù)據(jù)。
擴(kuò)頻通信優(yōu)點(diǎn)：抗干擾、抗噪聲、抗多徑干擾、保密性好、功率譜密度低、具有隱蔽性和低的截獲概率、可多址復(fù)用和任意選址以及易于高精度測(cè)量等。
分類
按照擴(kuò)展頻譜的方式不同，現(xiàn)有的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)可以分為以下幾類：
直接序列擴(kuò)頻工作方式，簡(jiǎn)稱直擴(kuò)(DS）方式。
跳變頻率工作方式，簡(jiǎn)稱跳頻（FH)方式。
跳變時(shí)間工作方式，簡(jiǎn)稱跳時(shí)（TH)方式。
寬帶線性訓(xùn)斷工作方式，簡(jiǎn)稱Chirp方式。
混合方式，即在幾種基本擴(kuò)頻方式的基礎(chǔ)上組合起來，構(gòu)成各種混合方式，如DS/FH、DS/TH、DS/FH/TH.
物理層數(shù)據(jù)幀稱為物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)目前還沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，目前最廣泛使用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的物理層和MAC層協(xié)議為IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，其物理層數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖所示，由同步以物理幀頭和PHY負(fù)載構(gòu)成。
4字節(jié) 1字節(jié) 1字節(jié) 變長(zhǎng)
前導(dǎo)碼 SFD 幀長(zhǎng)度（7位） 保留位（1位） PSDU
同步頭 物理幀頭 PHY負(fù)載
同步頭包括前導(dǎo)碼和幀起始分隔符，物理幀頭包括幀長(zhǎng)度和保留位，PHY負(fù)載包括物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元。 ◆前導(dǎo)碼由4個(gè)字節(jié)的0組成，用于收發(fā)器進(jìn)行碼片或者符號(hào)的同步。 ◆幀起始分隔符（SFD）域由1個(gè)字節(jié)組成，表示同步結(jié)束時(shí)，數(shù)據(jù)包開始傳輸。 ◆幀長(zhǎng)度由7位組成，表示物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元的字節(jié)數(shù)。 ◆PSDU域是變長(zhǎng)的，攜帶PHY數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)，包含介質(zhì)訪問控制協(xié)議（MAC)數(shù)據(jù)單元。PSDU域是物理層的載荷。
物理層功能（判斷是哪種功能）
1.數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收
數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收是通過PD-SAP提供的PD-DATA原語來實(shí)現(xiàn)物理層與MAC子層的MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元傳輸
2.物理能量信道的檢測(cè)
協(xié)調(diào)器在構(gòu)建一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)時(shí)，需要掃描所有信道，然后為網(wǎng)絡(luò)選擇一個(gè)空閑的信道
3.射頻收發(fā)器的激活與關(guān)閉
為了滿足低功耗要求，在不需要無線數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)，可以選擇關(guān)閉底層射頻收發(fā)器。
4.空閑信道評(píng)估
由于802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的MAC子層采用的是CSMA/CA機(jī)制訪問信道
5.鏈路質(zhì)量指示
高層的協(xié)議往往需要依據(jù)底層的鏈路質(zhì)量來選擇路由，物理層在接受一個(gè)報(bào)文的時(shí)候，可以順帶返回當(dāng)前的LQI值
6.物理層屬性參數(shù)的獲取與設(shè)置
在協(xié)議棧里面，每一層協(xié)議都維護(hù)著一個(gè)信息庫，用于管理該層，里面具體存放著與該層相關(guān)的一些屬性參數(shù)。
非理想特性
來源：對(duì)于實(shí)際的無線傳感器節(jié)點(diǎn)平臺(tái)，物理層非理想特性具體表現(xiàn)為無線信號(hào)傳輸?shù)牟灰?guī)則性、較長(zhǎng)的電路轉(zhuǎn)換時(shí)間以及較低的性能。
無線傳輸?shù)牟灰?guī)律性
DOl模型分為如下三種情況；
◆接收點(diǎn)與發(fā)送點(diǎn)的距離大于上邊界，此時(shí)所有節(jié)點(diǎn)都不在通信范圍之內(nèi)，接收方將接收不到數(shù)據(jù)，此時(shí)沒有通信。
◆接收點(diǎn)與發(fā)送點(diǎn)的距離小于下邊界，此時(shí)所有節(jié)點(diǎn)都在傳輸范圍之內(nèi)，接收方將會(huì)接收到可靠的數(shù)據(jù)。此時(shí)傳輸鏈路可以認(rèn)為是對(duì)稱傳輸（雙向傳輸)的。
◆接收點(diǎn)與發(fā)送點(diǎn)的距離位于上、下邊界之間，接收性能將取決于不同方向的實(shí)際信號(hào)強(qiáng)度，有可能是對(duì)稱鏈路也有可能是非對(duì)稱鏈路(即有可能是單向傳輸）。此時(shí)傳輸鏈路是不規(guī)則傳輸。
在這里插入圖片描述
當(dāng)DOI=0時(shí)，傳輸鏈路是對(duì)稱的，此時(shí)傳輸是規(guī)則的：
當(dāng)DOl=0.02時(shí)，傳輸鏈路明顯顯示出不規(guī)則形狀。
影響
1.對(duì)MAC層的影響
無線傳輸?shù)牟灰?guī)則性增大了載波偵聽協(xié)議中數(shù)據(jù)收發(fā)沖突的概率
2.對(duì)路由層的影響
物理層非理想特性對(duì)路由層的影響表現(xiàn)在反向路徑和鄰居發(fā)現(xiàn)。由于無線傳輸?shù)牟灰?guī)則性，使得反向路徑技術(shù)的路由協(xié)議在反向鏈路可能會(huì)出現(xiàn)斷鏈問題。
第三章
IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義MAC子層具有以下幾項(xiàng)功能：
◆采用CSMA/CA機(jī)制來訪問信道。
◆PAN(Personal Area Network,個(gè)域網(wǎng)）的建立和維護(hù)。
◆支持PAN網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)（加入網(wǎng)絡(luò)）和解除關(guān)聯(lián)（退出網(wǎng)絡(luò)）。
◆協(xié)調(diào)器產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)幀，普通設(shè)備根據(jù)信標(biāo)幀與協(xié)調(diào)器同步。
◆處理和維護(hù)保證GTS(Guaranteed Time Slot，同步時(shí)隙）。
◆在兩個(gè)對(duì)等MAC實(shí)體間提供可靠鏈路。
幀結(jié)構(gòu)
MAC幀的一般格式：（MAC幀頭（MHR) 、MAC有效載荷、MAC幀尾）
幀控制 幀序號(hào) 目的PAN標(biāo)識(shí)碼 目的地址 源PAN標(biāo)識(shí)碼 源地址 幀有效載荷 FCS
地址信息
MAC幀頭（MHR) MAC有效載荷 MAC幀尾 （MFR)
MAC幀的特定格式：（信標(biāo)幀（MAC幀頭、有效載荷和幀尾）、數(shù)據(jù)幀、確認(rèn)幀、命令幀）
幀控制 序號(hào) 地址信息 超幀 GTS 待處理地址 信標(biāo)幀有效載荷 FCS
MAC幀頭（MHR) MAC有效載荷 MAC制尾 （MFR)
SMAC協(xié)議
基本思想：當(dāng)節(jié)點(diǎn)不需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，盡可能地讓它處于功耗較低的睡眠狀態(tài)。SMAC協(xié)議提出了“適合于多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議的節(jié)能方法。
關(guān)鍵技術(shù)：周期性監(jiān)聽與睡眠、自適應(yīng)監(jiān)聽、串?dāng)_避免、消息傳遞
TMAC協(xié)議
基本思想：TMAC協(xié)議在周期長(zhǎng)度不變的基礎(chǔ)上，根據(jù)通信流量動(dòng)態(tài)地調(diào)整活動(dòng)時(shí)間，用突發(fā)的方式發(fā)送消息，減少空閑監(jiān)聽時(shí)間。
關(guān)鍵技術(shù)：周期性監(jiān)聽同步、RTS操作和TA的選擇
特點(diǎn)：TMAC協(xié)議能較好的適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)流量的變化、TMAC協(xié)議在經(jīng)常變化的網(wǎng)絡(luò)中有更高的能量效率。
PMAC協(xié)議
基本思想：在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量很小的情況下，節(jié)點(diǎn)最主要的能量損耗是空閑監(jiān)聽，采用周期性調(diào)度方式的MAC協(xié)議都采取措施盡可能地減少這種能量損耗。
關(guān)鍵技術(shù)：引入模式信息——“睡眠—喚醒”信息二進(jìn)制串
特點(diǎn)：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量較大時(shí)，PMAC協(xié)議具有更小的時(shí)延，可提高系統(tǒng)的吞吐量。PMAC協(xié)議可以根據(jù)節(jié)點(diǎn)自身的數(shù)據(jù)流量和其鄰居節(jié)點(diǎn)的流量模式自適應(yīng)地調(diào)整周期性調(diào)度方式的占空比，從而提高能量效率。
SMACS協(xié)議
基本思想：為每一對(duì)鄰居節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)特有頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，不同節(jié)點(diǎn)之間的頻率互不干擾，從而避免節(jié)點(diǎn)同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)之間產(chǎn)生的碰撞。
關(guān)鍵技術(shù)：SMACS協(xié)議節(jié)點(diǎn)鏈路建立主要用于靜止節(jié)點(diǎn)之間的無線鏈路。
特點(diǎn)：SMACS協(xié)議是一種TDMA和FDMA結(jié)合的信道分配機(jī)制，該協(xié)議可以建立一種平面結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。通過為每對(duì)時(shí)隙分配隨機(jī)的載波頻率，SMACS減少了全局時(shí)間同步，也減少了復(fù)雜性。
TRAMA協(xié)議
基本思想：TRAMA協(xié)議將一個(gè)物理信道分成多個(gè)時(shí)隙，通過對(duì)這些時(shí)隙的復(fù)用為數(shù)據(jù)和控制信息提供信道。核心思想是采用交錯(cuò)調(diào)復(fù)機(jī)制
關(guān)鍵技術(shù)：NP協(xié)議、SEP分配交換協(xié)議
特點(diǎn)：TRAMA協(xié)議是一種分配型MAC協(xié)議，節(jié)點(diǎn)通過NP協(xié)議獲得鄰居信息，通過SEP協(xié)議建立和維護(hù)分配信息，通過AEA算法分配時(shí)隙給發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)。TRAMA協(xié)議在沖突避免、延時(shí)、帶寬利用率等方面都具有較好的性能，但協(xié)議需要較大的存儲(chǔ)空間來存儲(chǔ)多跳鄰居信息和分配信息。
DMAC協(xié)議
基本思想：采用交錯(cuò)調(diào)度機(jī)制。
關(guān)鍵技術(shù)：自適應(yīng)占空比機(jī)制、數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)機(jī)制
特點(diǎn)：DMAC協(xié)議是一種針對(duì)樹狀數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)提出的能量高效、低延遲的MAC協(xié)議。DMAC協(xié)議根據(jù)節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)采集樹上的深度為節(jié)點(diǎn)分配交錯(cuò)的活動(dòng)/睡眠周期，在空比方式下避免了數(shù)據(jù)多跳傳輸中的睡眠延遲。通過引入自適應(yīng)占空比機(jī)制，DMAC協(xié)議能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量動(dòng)態(tài)地調(diào)整占空比。
ZMAC協(xié)議
基本思想：ZMAC引入了時(shí)間幀的概念，每個(gè)時(shí)間幀又分為若干個(gè)時(shí)隙。在ZMAC中，網(wǎng)絡(luò)部署時(shí)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都執(zhí)行時(shí)隙分配的DRAND算法。
關(guān)鍵技術(shù)：鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)和時(shí)隙分配、本地時(shí)間幀交換、傳輸控制、局部同步
特點(diǎn)：ZMAC協(xié)議是一種混合型MAC協(xié)議，可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的信道競(jìng)爭(zhēng)情況來動(dòng)態(tài)調(diào)
整MAC協(xié)議所采用的機(jī)制，在CSMA和TDMA機(jī)制間進(jìn)行切換、在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量較小時(shí)，競(jìng)爭(zhēng)者較少，協(xié)議工作在CSMA機(jī)制下：在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量較大時(shí)，競(jìng)爭(zhēng)者較多，ZMAC協(xié)議工作在TDMA機(jī)制下，使用拓?fù)湫畔⒑蜁r(shí)鐘信息來改善協(xié)議性能、ZMAC協(xié)議結(jié)合了竟?fàn)幮蚆AC協(xié)議和分配型MAC協(xié)議的特點(diǎn)，能很好地適能網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓⑻峁┚獾木W(wǎng)絡(luò)性能。
第四章
路由協(xié)議分類：
以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議。
分層結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議。
地理位置信息的路由協(xié)議。
可靠的路由協(xié)議
按需路由協(xié)議。
以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議
SPIN協(xié)議、DD協(xié)議
SPIN協(xié)議
基本思想：SPIN路由協(xié)議通過節(jié)點(diǎn)間協(xié)商的方式來減少網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的傳輸數(shù)據(jù)量，節(jié)點(diǎn)只廣播其他節(jié)點(diǎn)所沒有的數(shù)據(jù)以減少冗余數(shù)據(jù)，從而有效減少能量消耗。
關(guān)鍵技術(shù)：SPIN 協(xié)議通過節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)商，解決了Flooding（泛洪協(xié)議）和Gossiping（語傳協(xié)漢）的內(nèi)爆和重疊現(xiàn)象。
　”泛洪協(xié)議”是一種原始的無線通信路由協(xié)議。該協(xié)議規(guī)定，每個(gè)節(jié)點(diǎn)接收來自止他
節(jié)點(diǎn)的信息，并以廣播的形式發(fā)送給鄰居節(jié)點(diǎn)。如此繼續(xù)下去，最后數(shù)據(jù)的傳約到目的節(jié)點(diǎn)。但是容易引起信息的“內(nèi)爆”和“重疊”，造成資源的浪費(fèi)。
特點(diǎn)：
DD協(xié)議
基本思想：DD 路由協(xié)議中引入了幾個(gè)基本概念：興趣、梯度和路徑加強(qiáng)。整個(gè)過程可以分為興趣擴(kuò)散、梯度建立和路徑加強(qiáng)三個(gè)階段。路徑的建立過程由匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)起，匯聚節(jié)點(diǎn)周期性地廣播一種稱為“興趣”的數(shù)據(jù)包，告訴網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)它需要收集什么樣的信息。
**關(guān)鍵技術(shù)：**興趣擴(kuò)散階段、數(shù)據(jù)傳播階段、路徑加強(qiáng)階段
特點(diǎn)：
分層結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議
LEACH協(xié)議、PEGASIS 協(xié)議、TTDD協(xié)議、TEEN與APTEEN協(xié)議.
LEACH協(xié)議
基本思想：網(wǎng)絡(luò)周期性地隨機(jī)選擇簇頭，其他的非簇頭節(jié)點(diǎn)以就近原則加入相應(yīng)的簇頭，形成虛擬簇。簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)將感知到的數(shù)據(jù)直接發(fā)送給族頭，由簇頭轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)，簇頭節(jié)點(diǎn)可以將本族內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理以減少網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。
關(guān)鍵技術(shù)：LEACH中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以和匯聚節(jié)點(diǎn)通信，但是由于節(jié)點(diǎn)距離太大，導(dǎo)致與匯聚節(jié)點(diǎn)直接通信的能量消耗增大，或者有些節(jié)點(diǎn)不在匯聚節(jié)點(diǎn)通信范圍之內(nèi)，不能與匯聚節(jié)點(diǎn)直接通信。
特點(diǎn)： LEACH協(xié)議從傳輸數(shù)據(jù)的能量和數(shù)量上進(jìn)行了優(yōu)化，提高了網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。
PEGASIS 協(xié)議
基本思想：PEGASIS協(xié)議中的節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸之前先發(fā)送測(cè)試信號(hào)，通過檢測(cè)應(yīng)答來確定離自己最近的相鄰節(jié)點(diǎn)并作為自己的下一節(jié)點(diǎn)，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)按照這種方式最終形成一條鏈。
關(guān)鍵技術(shù)：成鏈階段、數(shù)據(jù)傳輸階段
特點(diǎn)：
TEEN與APTEEN協(xié)議
基本思想：TEEN采用與LEACH相同的多簇結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式。不同的是，在族的建立過程中，隨著簇首節(jié)點(diǎn)的選定，族首除了通過TDMA方法實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)的調(diào)度外，還向簇內(nèi)成員廣播有
關(guān)數(shù)據(jù)的硬閥值和軟閥值兩個(gè)參數(shù)。
關(guān)鍵技術(shù)：APTEEN簇頭的建立采用集中式控制的思想，由匯聚節(jié)點(diǎn)決定簇頭節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)并且指定簇頭節(jié)點(diǎn)。
特點(diǎn)：
地理位置信息路由協(xié)議
GPSR協(xié)議、GAF協(xié)議、LAR協(xié)議、GEAR協(xié)議
GPSR協(xié)議
基本思想：GPSR協(xié)議算法是使用地理位置信息實(shí)現(xiàn)路由的一種算法，它使用貪婪算法來建立路由。
關(guān)鍵技術(shù)：最佳主機(jī)問題、邊界轉(zhuǎn)發(fā)策略、
特點(diǎn)：GPSR協(xié)議是一種直接使用地理位置信息建立路由路徑的算法。
GAF協(xié)議
基本思想：GAF協(xié)議算法通過讓節(jié)點(diǎn)盡量處于休眠狀態(tài)來節(jié)省能量。
關(guān)鍵技術(shù)：等價(jià)節(jié)點(diǎn)的確定、分布式協(xié)商算法、對(duì)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的自適應(yīng)
特點(diǎn)：此協(xié)議是一種使用地理位置信息作為輔助的路由協(xié)議，地理信息除了用于選擇優(yōu)化路徑外，還用于確定等價(jià)節(jié)點(diǎn)。
LAR協(xié)議
基本思想：使用地理位置信息來改進(jìn)基于“泛洪協(xié)議”的路由。
關(guān)鍵技術(shù)：期望域、尋找域、
特點(diǎn)：地理位置主要用于優(yōu)化路徑
GEAR協(xié)議
基本思想：GEAR協(xié)議算法借鑒DD算法的思想，采用查詢的方法來建立從匯聚節(jié)點(diǎn)到事件區(qū)域的路由。
關(guān)鍵技術(shù)：GEAR協(xié)議是一種依據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)地理位置來選擇下一跳的路由協(xié)議，然而目前基于地理位置信息的路由協(xié)議都是基于局部最優(yōu)的角度在鄰居節(jié)點(diǎn)中選擇下一跳。
特點(diǎn)：SPEED協(xié)議是一個(gè)實(shí)時(shí)路由協(xié)議，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了端到端的傳輸速率保證，網(wǎng)絡(luò)擁塞控制以及負(fù)載平衡機(jī)制。
可靠的路由協(xié)議
SPEED
基本思想：SPEED協(xié)議首先交換節(jié)點(diǎn)的傳輸延遲，以得到網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況；然后節(jié)點(diǎn)利用局部地理信息和傳輸速率信息作出路由決定，同時(shí)通過鄰居反饋機(jī)制保證網(wǎng)絡(luò)傳輸速率在一個(gè)全局定義的傳輸速率閥值之上。節(jié)點(diǎn)還通過反向壓力路由變更機(jī)制避開延遲太大的鏈路和路由空洞。
關(guān)鍵技術(shù)：延遲估計(jì)、SNGF算法、反饋機(jī)制、路由變更
特點(diǎn)：
按需路由協(xié)議
DSDV協(xié)議、DSR協(xié)議、AODV協(xié)議
DSDV協(xié)議
基本思想：在DSDV協(xié)議中，每個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)都需要維護(hù)一個(gè)路由表。
關(guān)鍵技術(shù)：MAC層檢測(cè)到某條鏈路中斷時(shí)，向路由層報(bào)告、通過時(shí)間推斷，即節(jié)點(diǎn)在過了一段時(shí)間后仍沒有收到某個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的分組，自動(dòng)認(rèn)為本節(jié)點(diǎn)到該節(jié)點(diǎn)的鏈路中斷，將相應(yīng)的路由條目設(shè)置為無窮大來描述斷開的鏈路。
DSR協(xié)議
基本思想：DSR協(xié)議是一種基于源路由方式的按需路由協(xié)議。
關(guān)鍵技術(shù)：路由發(fā)現(xiàn)、路由維護(hù)
AODV協(xié)議
基本思想：AODV 協(xié)議旨在多個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)中建立和維護(hù)一個(gè)動(dòng)態(tài)的、自啟動(dòng)的、多跳路由的專屬網(wǎng)絡(luò)。
關(guān)鍵技術(shù)：路由發(fā)現(xiàn)過程、路由維護(hù)過程
第五章
時(shí)間同步技術(shù)
典型的時(shí)間同步協(xié)議：DMTS協(xié)議、RBS協(xié)議、TPSN協(xié)議
數(shù)據(jù)融合技術(shù)
概念：數(shù)據(jù)融合是將來自多個(gè)傳感器和信息源的多份數(shù)據(jù)或信息進(jìn)行相關(guān)的處理，去除冗余數(shù)據(jù)，組合出更有效、更符合用戶需求的數(shù)據(jù)的過程。對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，數(shù)據(jù)融合技術(shù)主要用于處理同一類型傳感器的數(shù)據(jù)。
作用：節(jié)省整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量、增強(qiáng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和提高收集數(shù)據(jù)的效率
安全協(xié)議
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全隱私協(xié)議族是最早的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全框架之一，包含了安全網(wǎng)絡(luò)加密協(xié)議和微型容忍丟失的流認(rèn)證協(xié)議兩個(gè)安全協(xié)議。
密鑰分配管理
密碼系統(tǒng)的兩個(gè)基本要素是密碼體制和密鑰管理。
容錯(cuò)設(shè)計(jì)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)設(shè)計(jì)需要考慮三個(gè)方面：故障模型、故障檢測(cè)和故障修復(fù)
故障類型及描述
故障級(jí)別 故障表征 故障檢測(cè) 修復(fù)機(jī)制
部件故障 故障節(jié)點(diǎn)能夠正常通信，但是測(cè)量數(shù)據(jù)是錯(cuò)誤的 檢測(cè)出錯(cuò)誤的測(cè)量數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)舍棄或校正出錯(cuò)的測(cè)量數(shù)據(jù)
節(jié)點(diǎn)故障 故障節(jié)點(diǎn)不能與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信 通過詢問或重新路由等方法檢測(cè)故障節(jié)點(diǎn) 通過移動(dòng)冗余節(jié)點(diǎn)彌補(bǔ)形成的連接覆蓋問題
分布式故障檢測(cè)
隱藏終端、網(wǎng)絡(luò)擁塞、非對(duì)稱鏈路是幾種常見的節(jié)點(diǎn)通信故障。
故障修復(fù)
k連通網(wǎng)絡(luò)是基于連接修復(fù)的一種方法，它是指任意k-1個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)網(wǎng)絡(luò)仍能保持連通
抖動(dòng)，漂移
高頻率的時(shí)延變化稱為抖動(dòng)，而低頻率的時(shí)延變化稱為漂移。
QoS
QoS是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供給應(yīng)用/用戶的服務(wù)性能的一種測(cè)量
網(wǎng)絡(luò)生存周期（服務(wù)時(shí)間）
已有的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)的死亡時(shí)間、最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)的死亡時(shí)間和一半節(jié)點(diǎn)的死亡時(shí)間作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)壽命的度量標(biāo)準(zhǔn)。
感知精度(服務(wù)準(zhǔn)確性)
感知精度定義為在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)區(qū)域檢測(cè)的數(shù)據(jù)和真實(shí)事件的符合程度，包括時(shí)間精確度和空間精確度，比如在目標(biāo)追蹤中節(jié)點(diǎn)定位信息的延遲和位置誤差。
吞吐率
吞吐率用于衡量每單位時(shí)間目的節(jié)點(diǎn)從發(fā)送源節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)包數(shù)量，是對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)處理傳輸數(shù)據(jù)請(qǐng)求能力的總體評(píng)價(jià)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 能量：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量

本文在討論無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各種路由協(xié)議的基礎(chǔ)上針對(duì)傳統(tǒng)洪泛路由算法進(jìn)行了研究與改進(jìn)，首先對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣播中節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)播行為進(jìn)行了分析，對(duì)一個(gè)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)播之后其鄰域內(nèi)其它節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)播，即引發(fā)新轉(zhuǎn)播進(jìn)行了討論，基于對(duì)引發(fā)新轉(zhuǎn)播的次數(shù)的分析得出了最佳新轉(zhuǎn)播次數(shù)為2的結(jié)論。接著，本文分析了一個(gè)節(jié)點(diǎn)的鄰域內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)到達(dá)鄰域邊界的平均最小距離的解析式。然后，基于對(duì)一次轉(zhuǎn)播引發(fā)轉(zhuǎn)播的分析得到的結(jié)論，提出了一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的低開銷的廣播算法EBP，利用上述得到的鄰域內(nèi)節(jié)點(diǎn)距離鄰域邊界的平均最小距離去限制轉(zhuǎn)播冗余。EBP 算法不需要任何鄰節(jié)點(diǎn)信息，算法的控制開銷和存儲(chǔ)開銷大大降低。最后通過仿真證明EBP能有效的提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量利用率，尤其是在大規(guī)模、高結(jié)點(diǎn)密度的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 能量：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量管理

1 引言
微小的、資源非常有限的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是無傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能單元，擔(dān)負(fù)著信息采集、數(shù)據(jù)處理、信息傳輸?shù)戎厝巍?/p>

隨著MEMS技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，逐漸使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)成為現(xiàn)實(shí)。研究人員利用嵌入式技術(shù)開發(fā)出了小型化板級(jí)無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，而這在30年前還僅是一種構(gòu)想;單片無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)也已經(jīng)問世，但距離實(shí)用仍有相當(dāng)一段路要走。為了研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)技術(shù)和 能量管理技術(shù)我們采用基于ARM7核的SOC單片機(jī)LPC2138開發(fā)了一種傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。
2 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)概述
相對(duì)于處理器運(yùn)算速度和功耗提高的幅度而言，電池性能的提高則緩慢許多，使得能量管理成為了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最大的挑戰(zhàn)。為了節(jié)能無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 要求節(jié)點(diǎn)具有動(dòng)態(tài)電源管理（DPM）功能，在節(jié)點(diǎn)空閑時(shí)應(yīng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)以節(jié)省能量。實(shí)現(xiàn)DPM功能需要微控制器的支持，由于ARM技術(shù)在無線通信領(lǐng)域有 著無可比擬的優(yōu)勢(shì)，己有超過85%的無線通信設(shè)備采用了ARM技術(shù)。我們選擇了菲利浦公司生產(chǎn)的ARM基高性能、低功耗微控制器LPC2138構(gòu)建處理單 元。
LPC2138提供了完善的DPM支持：具有休眠和掉電兩種低功耗狀態(tài)，可通過外部中斷將其喚醒;振蕩模式下支持1～30 MHz外部晶體，通過鎖相環(huán)可使CPU獲得高達(dá)60 MHz的工作頻率，為了節(jié)能采用8 MHz晶體;片內(nèi)外設(shè)除了可通過外設(shè)功率控制寄存器開啟、關(guān)閉外，其工作頻率亦可通過分頻器調(diào)整為處理器時(shí)鐘頻率的1/2或1/4。另外，存儲(chǔ)加速功能可 極大地加快程序的運(yùn)行速度，提高能量效率。這些使得LPC2138適合應(yīng)用到具有相當(dāng)處理能力的低功耗系統(tǒng)中。
為了使節(jié)點(diǎn)可用兩節(jié)AA電池供電，采用升壓型DC-DC MAX756構(gòu)建供電單元。除了升壓外MAX756還具有電源監(jiān)控的功能，當(dāng)Vin（可通過R1和R3調(diào)整）低于1.25 V時(shí)，LBO引腳輸出低電平、灌電流（如圖2）。這雖不能準(zhǔn)確給出電池荷電狀態(tài)（SOC）的多少，卻可讓傳感器節(jié)點(diǎn)了解其電池的荷電狀態(tài)下降到了某種程 度，節(jié)點(diǎn)不再適合擔(dān)任較繁重的工作了。由此改變節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)、降低節(jié)點(diǎn)的功耗，達(dá)到延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)使用時(shí)間的目的。
數(shù)據(jù)收發(fā)單元采用由Chipcon公司推出的符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)芯片構(gòu)建;傳感單元由溫度傳感器DS1722和光亮度傳感器TSL2561組成。通過三級(jí)管放大MCU的GPIO驅(qū)動(dòng)能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)它們供電的動(dòng)態(tài)管理。
3 能量管理
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)造成了節(jié)點(diǎn)之間能量使用的不平衡性，因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要知道各節(jié)點(diǎn)電量的使用情況，取得電池的荷電狀態(tài)并由此轉(zhuǎn)換 節(jié)點(diǎn)的角色，動(dòng)態(tài)地改變網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以抵消這種不平衡。因此對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，不考慮電池的狀態(tài)只是簡(jiǎn)單地通過DPM技術(shù)使節(jié)點(diǎn)進(jìn)入低功耗狀態(tài)不 能使網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)能量的使用達(dá)到最優(yōu)，最大程度地延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。
3.1 電池模型
電池的荷電狀態(tài)通常表示為其當(dāng)前可用容量與額定容量的比，它并不是放電時(shí)間和放電電流的線性函數(shù)，受到電池固有屬性“額定容量效應(yīng)”和“恢復(fù)效 應(yīng)”的影響，為進(jìn)行電池設(shè)計(jì)、系統(tǒng)評(píng)估、優(yōu)化電池使用策略，研究人員分別從不同層面提出了多種電池模型。本文采用文獻(xiàn)［7］基于馬爾可夫過程的電池模型進(jìn) 行研究，該模型通過引入最小可用電荷單元將電池的荷電狀態(tài)表示為一種離散的瞬態(tài)隨機(jī)過程（如圖3）。圖中圓圈中的N，N-1，…，1，0表示某一時(shí)刻電池 的名義容量;qi表示在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)消耗i個(gè)電荷單元的概率。如果起始時(shí)電池有N個(gè)電荷單元，在某段時(shí)間內(nèi)消耗了3個(gè)電荷單元，那么將發(fā)生這個(gè)事件的概率 表示為q3，電池的剩余電荷單元為N-3。
為了描述電池的“恢復(fù)效應(yīng)”該模型根據(jù)電池在放電間歇恢復(fù)能力的強(qiáng)弱，把電池的恢復(fù)能力分為f（f=0，1，…，fmax）個(gè)階段。一個(gè)時(shí)間步內(nèi)，電池處于狀態(tài)j（j=1，2，…，N-1）和f階段時(shí)恢復(fù)一個(gè)電荷單元的概率。
gN和gC與電池的恢復(fù)能力有關(guān)，q0是電池處于閑置狀態(tài)的概率。給出了恢復(fù)概率后，電池在某閑置時(shí)間內(nèi)處于f階段保持電荷狀態(tài)不變的概率，可表示為
這種模型相對(duì)于偏微分方程描述的電池模型而言，計(jì)算量大為減少并且結(jié)果也很準(zhǔn)確，可快速評(píng)估嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)電池狀態(tài)的影響。但將其用于實(shí)時(shí)評(píng)估無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)荷電狀態(tài)開銷仍過大，因此有必要進(jìn)一步探索電池建模方面的問題。
3.2 節(jié)點(diǎn)功率
具體應(yīng)用中節(jié)點(diǎn)工作電流是評(píng)估電池荷電狀態(tài)的外在依據(jù)。由于無傳感器節(jié)點(diǎn)是由若干離散器件組成，因此其功率可由這些離散器件有效功耗狀態(tài)的組合求得，結(jié)果見表1。
4 結(jié) 論
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著十分廣闊的應(yīng)用前景，是一種革命性的信息獲取技術(shù)。目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仍有諸多技術(shù)難題沒有解決，其中尤以能量管理、大規(guī)模 組網(wǎng)等問題比較突出。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量的重要性需要研究人員發(fā)現(xiàn)代價(jià)更小的方法去準(zhǔn)確預(yù)測(cè)電池的荷電狀態(tài)以平衡網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)壽命，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)內(nèi)能量消耗，這是 亟待解決的重要課題。