无线网络：无线传感器网络
传感器
传感器指包含敏感元件和转换元件的检测设备，将检测和感知的信息变换成电信号，进一步转换成数字信息进行处理、存储和传输。微电子学领域的微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)对传感器技术起支撑作用，包含微型部件如机构、传感器、执行器、信号处理和控制电路、接口、通信、电源等。
传感器的主要特征有：
| 传感器的特征 | 说明 |
|---|---|
| 静态 | 如线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等 |
| 动态 | 如阶跃响应和频率响应等 |
| 线性度 | 用拟合直线近似表示实际特性曲线 |
| 灵敏度 | 稳态工作情况下输出量变化对输入量变化的比值 |
| 分辨率 | 传感器可感受到的被测量的最小变化的能力 |
无线传感器网络
WSN 的概念
无线传感器网络 WSN是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，节点数目庞大、分布密集。WSN 综合传感器、嵌入式计算、分布式信息处理、无线通信等技术，能协作地实时监测、感知、采集网络区域内的各种环境或被监测对象的信息并予以处理和传输，发送给所需要用户。可使人们在任何时间、任何地点和任何环境条件下获得大量详实可靠的物理世界的真实信息。
传统无线网络首要目标是提供高质量服务和高效带宽利用，其次才考虑节能。WSN 首要目标是能源高效利用，是其和传统网络的重要区别之一。
WSN 的特点
WSN 首先具有 Ad Hoc 网络的自组织性，此外还有如下特点：
| WSN 的特点 | 说明 |
|---|---|
| 网络规模大 | 监测区域通常会部署大量传感器，节点数量可达成百上千甚至更多 |
| 低速率 | WSN 的节点通常只需定期传输被测参数信息，信息量较小，采集数据频率较低 |
| 低功耗 | 一般传感器节点均利用电池供电且不便于替换电池，所以要求节点功耗尽量低 |
| 低成本 | 传感器一旦安装完毕较难更换，因而要求其成本低廉 |
| 短距离 | 为组网和传输数据方便，相邻节点的距离一般为几十至几百米 |
| 可靠性 | 如传感器本身不可靠，则其信息的传输和处理无任何意义 |
| 动态性 | 复杂环境下的组网会遇到多种干扰，要求 WSN 具有自组网、智能化和协同感知等功能 |
WSN 的技术挑战
无线传感器网络面临着以下技术挑战：
| WSN 的技术挑战 | 说明 |
|---|---|
| 通信能力有限 | 通信带宽很窄且经常变化，节点间的通信断接频繁，链路经常中断 |
| 需要节约能量 | 传感器节点的电池能量有限，节点由于能量耗尽而失效或被废弃 |
| 计算能力有限 | 嵌入式处理器和存储器的能力和容量有限，使传感器的计算能力有限 |
| 软硬件须具有高健壮性和高容错性 | WSN 中传感器节点密集，数量庞大，使得网络维护十分困难 |
| 网络动态性 | 可能常有新节点加入或旧节点失效，网络拓扑结构会经常变 |
| 大规模的分布式触发 | 很多传感器上具有回控装置和控制软件（一般称触发器） |
| 感知数据流大 | 每个传感器节点仅具有限的计算资源，难以处理较大的实时数据流 |
| 以数据为中心 | 应用往往只关心某个区域的某项观测指标值，而不关心具体某个节点的观测值 |
WSN 的体系结构
WSN 应用系统架构
WSN 涉及数据采集、处理和传输三种功能，对应现代信息技术中的传感器技术、计算机技术和通信技术。
协作式的感知、采集、处理和发布感知信息是 WSN 的基本功能，传感器、感知对象和用户是 WSN 三个基本要素。
| WSN 基本要素 | 说明 |
|---|---|
| 无线网络 | 传感器间、传感器与用户间通信路径。协作感知、采集、处理和发布信息是基本功能 |
| 传感器节点 | 协作完成感知任务，拓扑结构随节点移动不断动态变化，节点间自组织通信 |
| 用户 | 是感知信息的接收和使用者，如人/机/其它设备，可主动查询收集或被动接收 WSN 信息 |
| 感知对象 | 是用户感兴趣的检测目标，一般通过物理、化学或其它现象的数字量来表征，如温湿度等 |
WSN 的宏观系统架构通常包括传感器节点（sensor node）、汇聚节点（sink node）和管理节点（manager node），汇聚节点也称网关或信宿节点。传感器节点通过自组织方式构成网络，每个传感器节点都有信息采集和路由功能。
节点初步处理所感知到的信息后，以多跳中继的方式将其传送给汇聚节点，再通过卫星网、因特网或移动通信网等途径，传送到最终用户所在管理节点。终端用户可通过管理节点对所需信息进行相应处理和操作。
WSN 的节点组成
传感器节点包含传感模块、计算模块、通信模块、存储模块、电源模块和嵌入式软件：
| WSN 节点组成 | 说明 |
|---|---|
| 传感模块 | 负责探测目标的物理特征和现象 |
| 计算模块 | 负责处理数据和系统管理 |
| 存储模块 | 负责存放程序和数据 |
| 通信模块 | 负责发送和接收网络管理和探测数据 |
| 电源模块 | 负责节点供电 |
| 嵌入式软件系统 | 运行网络的五层协议 |
节点还可包括移动系统、定位系统和自供电系统等其他单元。由于需进行较复杂的任务调度和管理，节点可包含功能较完善的微型化嵌入式操作系统和数据库。
WSN 的节点体系结构
WSN 节点体系结构由网络通信协议、网络管理平台和应用支撑组成，网络通信协议由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成。
网络管理平台主要负责对节点自身的管理以及用户对 WSN 的管理，有能量管理、拓扑控制、网络管理、QoS支持与安全机制等。
| 网络管理平台功能 | 说明 |
|---|---|
| 能量管理 | 控制节点对能量的使用 |
| 拓扑控制 | 负责网络连通和数据有效传输 |
| 网络管理 | 负责网络维护、诊断，并提供网络管理接口 |
| QoS 支持与安全机制 | 数据链路层、网络层和传输层等都可根据需求提供 QoS 支持 |
应用支撑平台包括一系列检测为主的应用层软件，并通过应用服务和网络管理接口提供支持。
| 应用支撑平台 | 说明 |
|---|---|
| 时间同步 | 时钟同步对 WSN 非常重要，如安全协议中的时间戳、数据融合中数据的时间标记、带有休眠机制的 MAC 层协议等 |
| 定位 | 节点采集的数据往往需与位置信息相结合，定位即对未知节点通过定位技术获获取其位置信息 |
WSN 的网络结构
由基站和大量节点组成，节点往往任意部署：飞行器播撒、人工埋置和火箭弹射等方式完成。WSN 的结构分为平面结构和分级结构。平面结构比较简单，所有节点的地位平等，所以又称为对等式结构。源节点和目标节点间一般存在多条路径，网络负荷由这些路径共同承担，一般情况下不存在瓶颈，网络健壮性较好。
分级结构中，一个 WSN 被划分为多个簇，每个簇由一个簇头和多个簇成员组成。簇头间可形成高一级网络，簇头负责簇间数据转发，簇成员只负责数据采集，这样就减少了路由控制信息的数量。一般中小网络采用平面结构，较大网络采用分级结构。
WSN 的协议分层功能
WSN 的通信协议栈包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台，帮助节点按能源高效的方式协同工作，并支持多任务和资源共享。
| 协议层次 | 功能 |
|---|---|
| 物理层 | 负责数据调制、发送与接收 |
| 数据链路层 | 负责数据帧封装、帧检测、介质访问和差错控制等 |
| 网络层 | 负责数据的路由转发、节点间通信、支持多传感器协作完成大型感知任务 |
| 传输层 | 负责维护数据流，保证通信质量 |
| 应用层 | 提供各种实际应用，解决各种安全问题 |
| 管理平台 | 包括能量、移动和任务管理，使节点以较低能耗协作完成任务 |
目前 WSN 的 MAC 协议研究主要集中在信道访问技术、调度算法、差错控制以及数据包大小等方面。传统网络的传输层协议不能直接用于 WSN，WSN 传输协议的研究侧重于拥塞控制和 QoS。前者包括流量控制、多路分流、数据聚合和虚拟网关等，后者包括数据重传、冗余发送等。
定向扩散路由协议
定向扩散(Directed Diffusion，DD)是以数据为中心、查询驱动的经典路由协议。汇聚节点业务查询时将兴趣注入到网络中，并在网络中扩散，计算数据通路的代价。扩散过程中建立了若干梯度，用来提取具体所关心的事件，结果数据根据已有梯度，沿不同路径返回到汇聚节点。节点根据一定标准，从若干返回路径中选出代价较低者进行数据传输。
协议工作过程
定向扩散路由协议的工作过程如下：
- 数据命名：为保证源节点数据能正确传输到查询节点，DD 协议采用基于兴趣和数据的命名模式，即属性/值对；
- 兴趣扩散：汇聚节点周期性向邻居节点广播兴趣消息；
- 梯度建立：在兴趣扩散时建立梯度，明确指定数据率和发送数据的方向，可靠传输数据；
- 路径加强：假定以数据传输时延作为路由加强的标准，汇聚节点就选择首先发来最新数据的邻节点作为加强路径的下一跳，并向邻节点发送路径加强信息。
中间节点收到兴趣后，会将兴趣转发邻节点。如果一个节点最近收到过此兴趣，则不再接收。当兴趣记录中梯度项有效期已过，将删除该梯度项。兴趣记录中梯度列表为空时，记录也将被删除。
协议的问题
| 问题 | 说明 |
|---|---|
| 负加强 | 当一条路径未被明显加强时，就终止相应梯度除非这些链路被显式加强 |
| 环路消除 | 有时一些环路不能被消除，DD 协议可使用负加强机制来消除环路 |
| 多源和多接收节点 | 假定所有梯度都是低数据率，接收点会试图从两个邻居得到高质量数据 |
| 路径修复 | 有助于失败或降级路径的局部修复，通过一定的加强机制，能改善路径故障或降级 |
协议的特点
| 特点 | 说明 |
|---|---|
| 以数据为中心 | 无论发出兴趣消息还是目标节点返回消息，都基于一定格式 |
| 数据传输是相邻节点间扩散 | 网络中无固定路由，数据扩散过程中动态寻找合适路径 |
| 算法中节点遵循本地交互原则 | 只需知道局部节点的情况，无需了解整个网络拓扑，也不需特定节点计算路由 |
| 梯度使整个网络适应性比较强 | 可根据不同应用需要选择路由配置方式 |
Sensor MAC协议
Sensor MAC（S-MAC）是基于竞争的 MAC 层协议，利用多跳、短距离通信以节省能量，通信产生在对等节点间，无基站类节点。它以 802.11 为基础，但又不像 802.11 那样复杂，采用RTS/CTS/DATA/ACK 作为基本传输机制。
适于节点空闲时间较长、可容忍较大时延场合。重点是有效节能、适应网络规模、节点密度及拓扑结构变化，其它如平等性、吞吐量、带宽利用率等作次要考虑。
S-MAC 协议的机制
周期性监听和休眠
节点空闲时自动转入休眠模式来减少侦听，依据下列步骤建立调度表：
- 节点先侦听一段时间，如未听到其它节点调度，随机选择一个时间休眠，并立即广播其调度；
- 如果一个节点选择自己调度前，从一个邻居节点收到调度，就遵循该邻节点调度，将自身调度设置为与之相同的追随节点，等待一个随机延迟(冲突避免)并广播其调度；
- 如果一个节点选择自身调度后，收到邻节点调度，就采用这两种调度，在休眠前广播自己调度。
虚拟簇机制
每个节点用 SYNC 消息通告自身调度，同时维护一张调度表，保存所有邻节点的调度信息，拥有相同调度信息的节点形成了一个虚拟簇。
冲突减少和串音避免机制
- 多个节点同时向一个接收节点发送信息时，则需争用介质来减少冲突
- RTS/CTS 机制
- 考虑到数据分组常比控制分组长很多，则让干扰节点收到 RTS/CTS 分组后进入休眠来避免串音
消息传递机制
较长消息分为多分片，使用 RTS/CTS 机制预约介质传输所有分片。RTS/CTS 控制消息和数据消息携带时间是整个长消息传输剩余时间。其它节点只要接收一个消息，就知道整个长消息剩余时间，然后休眠直至消息发完。
S-MAC 协议的不足
| 不足 | 说明 |
|---|---|
| 节点活动时间无法适应负载的动态变化 | 节点活动时间须适应最高通信负载，但处于活动态的时间长度不能根据网络业务量变化动态调整 |
| 节点休眠带来的时延 | 休眠态节点如果监测到事件，须等到活动周期才能响应，节点休眠导致的时延会随路径上跳数增加而递增 |
| 边界节点能量消耗过快 | 边界节点位置特殊，工作负担较重，其活动时间过长，休眠时间过少，有可能会过早耗尽能量而失效 |
S-MAC 的特点
- S-MAC 协议扩展性良好，不要求严格时间同步；
- 一般仅考虑发送节点的问题，较少顾及接收节点；
- 节点发送数据时争用信道，并通知接收节点及时处于接收态；
- 节点处于休眠态会造成通信暂时中断，加大传输时延，所以节能和减少传输时延二者需要折中；
- 如果目标节点与自身在同一虚拟簇内，则在统一调度活动期间转发数据。如目标在邻节点虚拟簇内，节点在邻节点调度活动期内唤醒自身发送数据。
WSN 的的应用
| 应用 | 说明 |
|---|---|
| 军事领域 | 协助监视敌军状况、实时监视战场、定位目标、评估战场、监测核攻击和生化攻击、搜索等功能 |
| 农业领域 | 监测灌溉、土壤空气、畜禽环境、地表变化等 |
| 环境监测 | 广泛应用于生态环境监测、生物种群研究、气象和地理研究、洪水、火灾检测等 |
| 建筑领域 | 帮助有效获取这些建筑物的状态信息，优化管理，及时维修保养 |
| 医疗监护 | 检测人体生理数据、老人健康状况、医院药品管理及远程医疗等方面可发挥作用 |
| 工业领域 | 危险工作环境的员工可得到随时监控，还可等进行监测、采集样本、分析和测定流量 |
| 智能家居 | 将住宅内的各种家居设备联系起来，使之能自动运行、相互协作，为住户提供尽可能多的便利和舒适 |
| 电网管理 | 可实现输变电线路的检测和监控、变电站(配电箱)的线路和设备状态监控、智能电表和用电管理等 |
| 空间和海洋探索 | 借助航天器布撒的传感器节点可实现对星球表面大范围、长时期、近距离的监测和探索 |
参考资料
《无线网络技术教程(第3版)——原理、应用与实验》，金光、江先亮编著，清华大学出版社
