无线传感器网络

5．1、传输介质

目前无线传感器网络采用的主要传输介质包括无线电、红外线和光波等。

在无线电频率选择方面，ISM频段是一个很好的选择。因为ISM频段在大多数国家属于无须注册的公用频段。

5.2、物理层帧结构

物理帧的第一个字段是前导码，字节数一般取4，用于收发器进行码片或者符号的同步。第二个字段是帧头，长度通常为一个字节，表示同步结束，数据包开始传输。帧头与前导码构成了同步头。

帧长度字段通常由一个字节的低7位表示，其值就是后续的物理层PHY负载的长度，因此它的后续PHY负载的长度不会超过127个字节。

物理帧PHY的负载长度可变，称为物理服务数据单元(PHY Service Data Unite, PSDU)，携带PHY数据包的数据，PSDU域是物理层的载荷 。

4字节 1字节 1字节 可变长度 前导码 帧头 帧长度(7比特) 保留位 PSDU 同步头 帧的长度，最大为128字节 PHY负载

5.3、物理层设计技术

物理层需要考虑编码调制技术、通信速率和通信频段等问题： ① 编码调制技术影响占用频率带宽、通信速率、收发机结构和功率等一系列的技术参数。比较常见的编码调制技术包括幅移键控、频移键控、相移键控和各种扩频技术。

② 提高数据传输速率可以减少数据收发的时间，对于节能具有意义，但需要同时考虑提高网络速度对误码的影响。一般用单个比特的收发能耗来定义数据传输对能量的效率，单比特能耗越小越好。

目前无线传感器网络MAC协议可以按照下列条件进行分类： (1) 采用分布式控制还是集中控制； (2) 使用单一共享信道还是多个信道；

(3) 采用固定分配信道方式还是随机访问信道方式。 6、MAC协议

6.1、传感器网络的MAC协议分为以下三种：

(1) 时分复用无竞争接入方式。无线信道时分复用(Time Division Multiple Access，TDMA)方式给每个传感器节点分配固定的无线信道使用时段，避免节点之间相互干扰。

(2) 随机竞争接入方式。如果采用无线信道的随机竞争接入方式，节点在需要发送数据时随机使用无线信道，尽量减少节点间的干扰。典型的方法是采用载波侦听多路访问(Carrier Sense Multiple Access，CSMA)的MAC协议。

(3) 竞争与固定分配相结合的接入方式。通过混合采用频分复用或者码分复用等方式，实现节点间无冲突的无线信道分配。

6.2、CSMA/CA机制的定义

所谓的CSMA/CA机制是指在信号传输之前，发射机先侦听介质中是否有同信道载波，若不存在，意味着信道空闲，将直接进入数据传输状态；若存在载波，则在随机退避一段时间后重新检测信道。这种介质访问控制层的方案简化了实现自组织网络应用的过程。

6.3

在DCF工作方式下，载波侦听机制通过物理载波侦听和虚拟载波侦听来确定无线信道的状态。物理载波侦听由物理层提供，虚拟载波侦听由MAC层提供。

5

ABCDRTSCTS数据ACKNAVNAV

6.4

根据CSMA/CA协议，当节点要传输一个分组时，它首先侦听信道状态。如果信道空闲，而且经过一个帧间间隔时间DIFS后，信道仍然空闲，则站点立即开始发送信息。如果信道忙，则站点始终侦听信道，直到信道的空闲时间超过DIFS。当信道最终空闲下来的时候，节点进一步使用二进制退避算法，进入退避状态来避免发生碰撞。

当信道空闲时间大于DIF时使用信道DIFS信道忙推迟发送时间槽DIFS竞争窗口PIFSSIFS退避窗口下一帧时间

6.5

网络节点在进入退避状态时，启动一个退避计时器，当计时达到退避时间后结束退避状态。在退避状态下，只有当检测到信道空闲时才进行计时。如果信道忙，退避计时器中止计时，直到检测到信道空闲时间大于DIFS后才继续计时。当多个节点推迟且进入随机退避时，利用随机函数选择最小退避时间的节点作为竞争优胜者。

DIFS节点A竞争窗口帧推迟节点B帧推迟竞争窗口帧节点C推迟节点D竞争窗口帧推迟竞争窗口帧剩余退避时间节点E退避时间6.6

802.11 MAC协议通过立即主动确认机制和预留机制业提高性能。在主动确认机制中，当目标节点收到一个发送给它的有效数据帧(DATA)时，必须向源节点发送一个应答帧(ACK)，确认数据已被正确接收到。为了保证目标节点在发送ACK过程中不与其它节点发生冲突，目标节点使用SIFS帧间隔。主动确认机制只能用于有明确目标地址的帧，不能用于组播和广播报文传输。

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DIFSRTS源站点CTS目的站点DATASIFSACKDIFSNAV(RTS)NAV(CTS)竞争窗口下一帧其他站点

7、S-MAC协议的应用

7．1、S-MAC协议采用的主要机制 （1）周期性侦听和睡眠机制 （2）流量自适应侦听机制 （3）冲突和串音避免机制 （4）消息传递机制

8、 路由协议

8.1 路由协议概述（名）

路由选择(routing)是指选择互连网络从源节点向目的节点传输信息的行为，并且信息至少通过一个中间节点。路由协议负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点，它包括两个功能：①寻找源节点和目的节点间的优化路径；②将数据分组沿着优化路径正确转发。 8.2、与传统网络的路由协议相比，无线传感器网络的路由协议具有以下特点： （1）能量优先

（2）基于局部拓扑信息 （3）以数据为中心 （4）应用相关

8.3、在根据具体应用设计路由协议时，必须满足如下要求： （1）能量高效 （2）可扩展性 （3）稳健性

（4）快速收敛性

8.4、我们从各种应用的角度出发，将路由协议分为四类： （1）能量感知路由协议 （2）基于查询的路由协议 （3）地理位置路由协议 （4）可靠的路由协议

9、 典型路由协议：定向扩散路由

定向扩散（Directed Diffusion，DD）路由协议是一种基于查询的路由机制。 定向扩散路由机制可以分为周期性的兴趣扩散、梯度建立和路径加强三个阶段:

源汇聚节点源汇聚节点源汇聚节点（a)兴趣传播（b)梯度建立（c)加强路径

（1）兴趣扩散阶段

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在路由协议的兴趣扩散阶段，汇聚节点周期性地向邻居节点广播兴趣消息。兴趣消息中含有任务类型、目标区域、数据发送速率、时间戳等参数。 （2）数据传播阶段

当传感器探测节点采集到与兴趣匹配的数据时，把数据发送到梯度上的邻居节点，并按照梯度上的数据传输速率，设定传感器模块采集数据的速率。

由于可能从多个邻居节点收到兴趣消息，节点向多个邻居发送数据，汇聚节点可能收到经过多个路径的相同数据。

（3）路径加强阶段

定向扩散路由机制通过正向加强机制来建立优化路径，并根据网络拓扑的变化来修改数据转发的梯度关系。兴趣扩散阶段是为了建立源节点到汇聚节点的数据传输路径，数据源节点以较低速率来采集和发送数据，我们称这个阶段建立的梯度为探测梯度。

定向扩散路由在路由建立时需要一个兴趣扩散的洪泛传播，在能量和时间方面开销较大，尤其是当底层MAC协议采用休眠机制时，有时可能造成兴趣建立的不一致，因而在网络设计时需要注意避免这些问题。 第四章

1、传感器网络时间同步的意义

无线传感器网络的同步管理主要是指时间上的同步管理。在分布式的无线传感器网络应用中，每个传感器节点都有自己的本地时钟。不同节点的晶体振荡器频率存在偏差，以及湿度和电磁波的干扰等都会造成网络节点之间的运行时间偏差。有时传感器网络的单个节点的能力有限，或者某些应用的需要，使得整个系统所要实现的功能要求网络内所有节点相互配合来共同完成，分布式系统的协同工作需要节点间的时间同步，因此，时间同步机制是分布式系统基础框架的一个关键机制。

2、无线传感器网络时间同步机制的意义和作用主要体现在如下两方面：

首先，传感器节点通常需要彼此协作，去完成复杂的监测和感知任务。数据融合是协作操作的典型例子，不同的节点采集的数据最终融合形成了一个有意义的结果。 其次，传感器网络的一些节能方案是利用时间同步来实现的。

在分布式系统中，时间同步涉及“物理时间”和“逻辑时间”两个不同的概念。

目前已有几种成熟的传感器网络时间同步协议，其中RBS、TINY/MINI-SYNC和TPSN被认为是三种最基本的传感器网络时间同步机制。 3、TPSN协议包括两个阶段：

第一个阶段生成层次结构，每个节点赋予一个级别，根节点赋予最高级别第0级，第i级的节点至少能够与一个第（i－1）级的节点通信；

第二个阶段实现所有树节点的时间同步，第1级节点同步到根节点，第i级的节点同步到第（i－1）级的一个节点，最终所有节点都同步到根节点，实现整个网络的时间同步。 4、时间同步的应用实例（看）P68 5、定位的含义

无线传感器网络定位问题的含义是指自组织的网络通过特定方法提供节点的位置信息。 6、位置信息的分类

位置信息有物理位置和符号位置两大类。

7、基于测距的定位技术

测距：指两个相互通信的节点通过测量方式来估计出彼此之间的距离或角度。 7.1、测距方法

1)接收信号强度指示(RSSI)

2)到达时间/到达时间差(ToA/TDoA)

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