物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)第8章-無線傳感網(wǎng)課件

1、第8章 無線傳感網(wǎng)無線傳感網(wǎng)結(jié)構(gòu)無線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議無線傳感網(wǎng)的技術(shù)無線傳感網(wǎng)的應(yīng)用第8章 無線傳感網(wǎng)無線傳感網(wǎng)結(jié)構(gòu)8.1 無線傳感網(wǎng)結(jié)構(gòu)無線傳感網(wǎng)是一種綜合信息采集、信息處理和信息傳輸功能于一體的智能網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)。 無線傳感網(wǎng)通常由大量密集部署在指定地理區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)以及一個(gè)或多個(gè)位于區(qū)域內(nèi)或區(qū)域附近的數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。匯聚節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)向監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送查詢消息或命令，傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)完成監(jiān)測(cè)任務(wù)，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)。 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要可以劃分為單跳網(wǎng)絡(luò)和多跳網(wǎng)絡(luò)兩大類。8.1 無線傳感網(wǎng)結(jié)構(gòu)無線傳感網(wǎng)是一種綜合信息采集、信息處理8.1.1 單跳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為了向匯聚節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)，各傳

2、感器節(jié)點(diǎn)可以采用單跳的方式將各自的數(shù)據(jù)直接發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)，采用這種方式所形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為單跳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 傳感器節(jié)點(diǎn)匯聚節(jié)點(diǎn)8.1.1 單跳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為了向匯聚節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)，各傳感器節(jié)點(diǎn)8.1.2 多跳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在多跳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，傳感器節(jié)點(diǎn)通過一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點(diǎn)將所采集到的數(shù)據(jù)傳送給匯聚節(jié)點(diǎn)，從而有效地降低通信所需的能耗 多跳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)又可以分為平面結(jié)構(gòu)和分層結(jié)構(gòu)兩種類型 8.1.2 多跳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在多跳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，傳感器節(jié)點(diǎn)通過一個(gè)平面結(jié)構(gòu)各傳感器節(jié)點(diǎn)在組網(wǎng)過程中所起的作用是相同的，所有傳感器節(jié)點(diǎn)的地位是同等的，具有完全一致的功能特性。 傳感器節(jié)點(diǎn)匯聚節(jié)點(diǎn)平面結(jié)構(gòu)各傳感器節(jié)點(diǎn)在組網(wǎng)過程中所起的作用是

3、相同的，所有傳感分層結(jié)構(gòu)傳感器節(jié)點(diǎn)被組織成一系列的簇，每個(gè)簇由多個(gè)成員節(jié)點(diǎn)和一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)組成，簇成員需要首先把其數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭，再由簇頭將數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)。 匯聚節(jié)點(diǎn)簇頭簇成員分層結(jié)構(gòu)傳感器節(jié)點(diǎn)被組織成一系列的簇，每個(gè)簇由多個(gè)成員節(jié)點(diǎn)和8.2 無線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議無線傳感網(wǎng)的協(xié)議棧由高到低依次為應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層 無線傳感網(wǎng)使用無線信道作為通信媒體，其頻譜資源十分有限，節(jié)點(diǎn)能量有限，必須采用有效MAC協(xié)議來協(xié)調(diào)多個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)共享信道的訪問，公平、高效地利用有限信道頻譜資源，提高網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能，同時(shí)考慮網(wǎng)絡(luò)的能量效率和可擴(kuò)展性無線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議可以分為競(jìng)爭(zhēng)型、非競(jìng)爭(zhēng)型和混

4、合型三類 8.2 無線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議無線傳感網(wǎng)的協(xié)議棧由高到低依次為8.2.1 競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議采用按需使用信道的方式，其基本思想是當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，通過競(jìng)爭(zhēng)方式使用信道，如果發(fā)生沖突，節(jié)點(diǎn)按照事先設(shè)定的某種策略重傳數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)發(fā)送成功或放棄。 典型的協(xié)議包括S-MAC、T-MAC、WiseMAC和Sift協(xié)議等 8.2.1 競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議采用按需使用信道S-MAC周期性偵聽和休眠機(jī)制每個(gè)節(jié)點(diǎn)周期性進(jìn)入休眠狀態(tài)。在該狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)關(guān)閉其收發(fā)器等電路，以節(jié)省能量，并設(shè)置一個(gè)定時(shí)器，在一段時(shí)間后將其喚醒進(jìn)入偵聽狀態(tài)。在偵聽階段下，節(jié)點(diǎn)根據(jù)發(fā)送和接收的需求判斷

5、是否需要與其他節(jié)點(diǎn)通信，如果沒有數(shù)據(jù)發(fā)送或接收，則進(jìn)入休眠狀態(tài)。S-MAC周期性偵聽和休眠機(jī)制S-MAC消息沖突與串音避免機(jī)制為了避免沖突，S-MAC協(xié)議同時(shí)采用物理載波檢測(cè)和虛擬載波檢測(cè)，并采用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)入休眠狀態(tài)，從而達(dá)到避免串音的目的 S-MAC消息沖突與串音避免機(jī)制S-MAC長消息傳遞機(jī)制S-MAC協(xié)議將長數(shù)據(jù)消息分割成多個(gè)短數(shù)據(jù)包進(jìn)行發(fā)送 只使用一個(gè)RTS消息和一個(gè)CTS消息為所有短數(shù)據(jù)包預(yù)約信道，每個(gè)短數(shù)據(jù)包分開確認(rèn) S-MAC長消息傳遞機(jī)制T-MAC各節(jié)點(diǎn)周期性地被喚醒，進(jìn)入活動(dòng)

6、期，并在活動(dòng)期與相鄰節(jié)點(diǎn)通信，然后進(jìn)入休眠狀態(tài)，直到下一幀到來。在活動(dòng)期，節(jié)點(diǎn)保持偵聽，并盡可能地發(fā)送所需傳送的數(shù)據(jù)，如果沒有節(jié)點(diǎn)需要處理的“激活事件”則進(jìn)入休眠狀態(tài)。激活事件有5種類型周期幀定時(shí)器溢出；信道上收到數(shù)據(jù)包；檢測(cè)到信道上有通信在進(jìn)行；節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包或確認(rèn)消息發(fā)送完畢；相鄰節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包發(fā)送完畢。 T-MAC各節(jié)點(diǎn)周期性地被喚醒，進(jìn)入活動(dòng)期，并在活動(dòng)期與相鄰Sift協(xié)議Sift協(xié)議設(shè)計(jì)的目的是當(dāng)共享信道的N個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)同時(shí)監(jiān)測(cè)到同一事件時(shí)，希望R個(gè)節(jié)點(diǎn)(RN)能夠在最小時(shí)間內(nèi)無沖突地成功地發(fā)送事件檢測(cè)消息，抑制剩余(N-R)個(gè)節(jié)點(diǎn)的消息發(fā)送 當(dāng)節(jié)點(diǎn)有消息發(fā)送時(shí)，首先假定當(dāng)前有N個(gè)節(jié)點(diǎn)與其競(jìng)

7、爭(zhēng)發(fā)送。如果在第一個(gè)時(shí)隙內(nèi)節(jié)點(diǎn)不發(fā)送消息，也無其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息，則節(jié)點(diǎn)就減少假想的競(jìng)爭(zhēng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，并相應(yīng)地增加選擇在第二個(gè)時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)的概率；如果節(jié)點(diǎn)沒有選擇第二個(gè)時(shí)隙，且無其他節(jié)點(diǎn)在該時(shí)隙發(fā)送消息，則節(jié)點(diǎn)繼續(xù)減少假想的競(jìng)爭(zhēng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)數(shù)目，并進(jìn)一步增加選擇第三個(gè)時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)的概率，依次類推。如果選擇時(shí)隙過程中有其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息，節(jié)點(diǎn)就進(jìn)入重新開始競(jìng)爭(zhēng)過程。 Sift協(xié)議Sift協(xié)議設(shè)計(jì)的目的是當(dāng)共享信道的N個(gè)傳感器節(jié)WiseMAC協(xié)議數(shù)據(jù)確認(rèn)分組中攜帶了下一次信道監(jiān)聽時(shí)間，節(jié)點(diǎn)獲得所有鄰居節(jié)點(diǎn)的信道監(jiān)聽時(shí)間。在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)可以將喚醒前導(dǎo)壓縮到最短 喚醒前導(dǎo)長度TP=min(4L,TW)。其中，

8、是節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘漂移速度，L是從上次確認(rèn)分組到現(xiàn)在的時(shí)間，TW是所有節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽信道的時(shí)間間隔 WiseMAC協(xié)議數(shù)據(jù)確認(rèn)分組中攜帶了下一次信道監(jiān)聽時(shí)間，節(jié)8.2.2非競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議非競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議采用固定使用信道的方式，將共享信道根據(jù)時(shí)間、頻率或偽噪聲碼劃分成一組子信道，并分配給各節(jié)點(diǎn)，使得每個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有一個(gè)專用的子信道用于發(fā)送數(shù)據(jù)。 典型的無線傳感網(wǎng)非競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議包括DEANA、SMACS、DE-MAC和TRAMA協(xié)議等 8.2.2非競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議非競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議采用固定使用信DEANA協(xié)議分布式能量感知節(jié)點(diǎn)激活（distributed energy-aware node activat

9、ion ,DEANA）協(xié)議將時(shí)間幀分為周期性的調(diào)度訪問階段和隨機(jī)訪問階段。調(diào)度訪問階段由多個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)槽組成，某個(gè)時(shí)槽分配給特定節(jié)點(diǎn)用來發(fā)送數(shù)據(jù)。除相應(yīng)的接收節(jié)點(diǎn)外，其他節(jié)點(diǎn)在此時(shí)槽處于睡眠狀態(tài)。隨機(jī)訪問階段由多個(gè)連續(xù)的信令交換時(shí)槽組成，用于處理節(jié)點(diǎn)的添加、刪除以及時(shí)間同步等 DEANA協(xié)議分布式能量感知節(jié)點(diǎn)激活（distributedDEANA協(xié)議為了進(jìn)一步節(jié)省能量，在調(diào)度訪問部分中，每個(gè)時(shí)槽又細(xì)分為控制時(shí)槽和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)槽?？刂茣r(shí)槽相對(duì)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)槽而言長度很短。如果節(jié)點(diǎn)在其分配的時(shí)槽內(nèi)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，則在控制時(shí)槽發(fā)出控制消息，指出接收數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)，然后在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)槽發(fā)送數(shù)據(jù)。在控制時(shí)槽內(nèi)

10、，所有節(jié)點(diǎn)都處于接收狀態(tài)。如果發(fā)現(xiàn)自己不是數(shù)據(jù)的接受者，節(jié)點(diǎn)就進(jìn)入睡眠狀態(tài)，只有數(shù)據(jù)的接受者才在整個(gè)時(shí)槽內(nèi)保持在接收狀態(tài) DEANA協(xié)議為了進(jìn)一步節(jié)省能量，在調(diào)度訪問部分中，每個(gè)時(shí)槽SMACS協(xié)議SMACS(Self-OrganizingMediumAccessControlforSensorNetworks)協(xié)議是分布式的協(xié)議，無需任何全局或局部主節(jié)點(diǎn)，就能發(fā)現(xiàn)鄰節(jié)點(diǎn)并建立傳輸/接收調(diào)度表。鏈路由隨機(jī)選擇的時(shí)隙和固定的頻率組成 在鏈接階段使用一個(gè)隨機(jī)喚醒機(jī)制，在空閑時(shí)關(guān)掉無線收發(fā)裝置，來達(dá)到節(jié)能的目的 SMACS協(xié)議SMACS(Self-OrganizingMDE-MAC協(xié)議DE-MAC(D

11、istributedEnergy-awareMAC)的中心內(nèi)容是讓節(jié)點(diǎn)交換能級(jí)信息。它執(zhí)行一個(gè)本地選舉程序來選擇能量最低的節(jié)點(diǎn)為“贏者”，使得這個(gè)“贏者”比其鄰節(jié)點(diǎn)具有更多的睡眠時(shí)間,以此在節(jié)點(diǎn)間的平衡能量,延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期 當(dāng)一節(jié)點(diǎn)比原來的“贏者”能量值低時(shí),它進(jìn)入選舉階段。處于選舉階段的節(jié)點(diǎn)向所有鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送它的當(dāng)前能量值,并收集它們的投票。如果鄰節(jié)點(diǎn)的能值都比此節(jié)點(diǎn)高,它將收到所有鄰節(jié)點(diǎn)的正選票。此節(jié)點(diǎn)占有當(dāng)前時(shí)隙,或者發(fā)送數(shù)據(jù),或者進(jìn)入睡眠。 DE-MAC協(xié)議DE-MAC(DistributedEneTRAMA用基于流量的傳輸調(diào)度表來避免可能在接收者發(fā)生的數(shù)據(jù)包沖突使節(jié)點(diǎn)在無接收要求時(shí)

12、進(jìn)入低能耗模式 TRAMA用基于流量的傳輸調(diào)度表來避免可能在接收者發(fā)生的數(shù)據(jù)8.2.3 混合型MAC協(xié)議混合型MAC協(xié)議通常針對(duì)無線傳感網(wǎng)的特征以及一些應(yīng)用的具體要求，將競(jìng)爭(zhēng)型和非競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議有效地進(jìn)行結(jié)合，以減少節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)沖突，同時(shí)改善網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能。典型的混合型MAC協(xié)議有Z-MAC協(xié)議和Funneling-MAC協(xié)議 8.2.3 混合型MAC協(xié)議混合型MAC協(xié)議通常針對(duì)無線傳感Z-MAC協(xié)議將信道劃分為時(shí)間幀的同時(shí)，使用CSMA作為基本機(jī)制，時(shí)隙的占有者只是有數(shù)據(jù)發(fā)送的優(yōu)先權(quán)，其他節(jié)點(diǎn)也可以在該時(shí)隙發(fā)送信息幀，當(dāng)節(jié)點(diǎn)之間產(chǎn)生碰撞之后，時(shí)隙占有者的回退時(shí)間短 使用競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)標(biāo)示來轉(zhuǎn)換MAC機(jī)制，節(jié)點(diǎn)在ACK重復(fù)丟失和碰撞回退頻繁的情況下，將由低競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)轉(zhuǎn)為高競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)，由CSMA機(jī)制轉(zhuǎn)為TDMA機(jī)制 Z-MAC協(xié)議將信道劃分為時(shí)間幀的同時(shí)，使用CSMA作為基本Funneling-MAC協(xié)議 漏斗現(xiàn)象是指無線傳感網(wǎng)觀測(cè)區(qū)域中所產(chǎn)生的觀測(cè)數(shù)據(jù)以多對(duì)一的模式逐跳向匯聚節(jié)點(diǎn)傳輸時(shí)所造成的現(xiàn)象。當(dāng)所傳送的觀測(cè)數(shù)據(jù)逐漸接近匯聚節(jié)點(diǎn)時(shí)，各中間節(jié)點(diǎn)所需轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)量會(huì)急劇增加，從而造成分組的擁塞、沖突、丟失、延遲和節(jié)點(diǎn)能量消耗的增加 匯聚節(jié)點(diǎn)附近幾跳范圍內(nèi)的區(qū)域被稱為漏斗區(qū)域 ，漏斗區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送的TDMA調(diào)度由匯聚節(jié)點(diǎn)完成 Funneling-MAC協(xié)議