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本文导读目录：
2、传感器网络
3、什么是传感器网络
大连理工大学《高级计算机网络》课程整理笔记。不考试的也能用来学习无线传感网的相关技术。 CSDN 博客指南。 《高级计算机网络》之移动自组网——大连理工大学研究生课程整理笔记（非常详细，通俗易懂) 《高级计算机网络》之无线传感网——大连理工大学研究生课程整理笔记（非常详细，通俗易懂） 《高级计算机网络》之物联网——大连理工大学研究生课程整理笔记（非常详细，通俗易懂） 无线传感网络WSN WSN : Wireless Sensor Networks 三个基本要素：传感器，感知对象，观察者 基本功能：感知，处理和传输 （了解）解释1：无线传感网络是由一组传感器以特定方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发布给观察者。 （了解）解释2：无线传感网络是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络。目的是协作地感知，采集，处理和传输 （挑自己容易理解的记住） WSN节点数量更为庞大多数节点为静止节点分布更为密集能量约束节点更容易出错拓扑结构变化频繁（节点休眠或者节点出错频繁） Ad Hoc几十至上百个节点局域网节点全移动结构变化（移动）能量可连续提供点到点通信 包括sensor field监测区域，sensor node 传感器节点， sink node 汇聚节点 在监测区域覆盖传感器节点，然后传输到汇聚节点，汇聚节点通过卫星等上传到网络。 sensor node 传感器节点 包括： （重要：可能需要你文字描述下图） 传感器模块， 处理模块， 无线通信模块和能量供应模块。 ADC是进行AD转换的，将模拟信号转为数字信号 物理层，数据链路层，网络层，传输层，应用层 以及每一层包括：能源管理平台，移动管理平台和任务管理平台。（重要） （大概知道一些即可）军事应用监视，侦察，定位，通信，计算，指挥 环境科学大气，土壤，森林，海洋，气候，动植物，自然灾害等 医疗健康病人监护，药物管理，远程医疗 空间探索借助航天器撒布传感网络进行星球探测 工业和交通管理生产过程监测，控制，仓库管理，车辆检测跟踪 商业应用智能居家环境，体育比赛裁判，交互式博物馆 CPS cyber physical system 是计算与物理过程的综合，实际上也可以叫物联网 信息物理融合系统 CPS的目标是突破传统嵌入式系统的框架，使物理系统具有计算，通信，精准控制，远程合作和自治能力。通过互联网组成各种响应自治控制系统和信息服务系统，实现被动数据——》主动信息——》可靠服务。 （了解） 互联网的环境特征全球统一的IP地址带宽大且稳定基础资源充足拓扑稳定数据由少数服务器流向众多的终端 无线传感网的特征不是通用的系统，面向应用设计部署的灵活性需求基础设施缺乏电池供电，有限能量低功耗，短距离传输，带宽有限自组织成网能力 无线通信不可靠以数据为中心，不以节点为访问目标数据从海量的终端节点流向后端的数据服务器 比较 传感器节点sensor node簇头节点cluster node网关节点 gateway汇聚节点 sink node注：网关节点是早期名词，和汇聚节点其实是一个意思。时间驱动周期性报告：例如周期性报告一个监测区域的情况能量，带宽，随即部署，自适应 事件驱动监测（突发事件监测，目标追踪）：例如监测森林防火，动物保护等能量，可靠性，延迟 现实系统往往是混合驱动 （非常重要：如下做了梳理） 最原始的一种数据传输方式 flooding（向所有邻居都转发） 减少开销的改进gossiping（找一个邻居转发） 先传广告 SPIN（源节点发广告，感兴趣的才发数据） sensor protocol for information negotiation 用户定向询问 DD定向路由协议（反过来，汇聚节点发查询，满足条件的源节点就发数据） directed difussion(扩散) 用户周期性查询耗费高 Rumor（双向奔赴，能否相遇全凭缘分） rumor谣言，传闻。 选一个代表来专门发信息 LEACH分簇路由协议 （选一个代表，方便管理）低功耗自适应分簇路由协议Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy 增加距离不如增多跳数 PEGSIS 形成一条链，链尾是簇头。 结合地理信息 GEAR：结合地理信息DD版本，汇聚节点只向特定区域发布查询。但是可能会导致空洞问题。 SPEED协议：考虑到了延迟，每一个节点都向传输速率最快的下一个节点进行转发。（适用于监测类型的无线传感网） GRAB健壮梯度广播协议：减少了ADV的洪泛，建立梯度过程每个节点都有一个最小代价，源节点设置了代价门限，随着数据的转发，门限会越来越低，若最小代价比门限高则不进行数据的转发。（这样就不是单一路径，而是多路径，好处是更具有鲁棒性，最后会形成一个纺锤体） Disjoint：不相交的多条路径（也可以理解为平行的） Braid：相互缠绕的多条路径，主路径和辅助路径。 flooding机制内爆:节点几乎同时从邻接点收到多份相同数据交叠：节点会转发同一区域内同一信息的多份拷贝能量低效，带宽利用率低，不考虑自身资源限制 gossiping机制随机选择一个邻接点来发送数据避免了内爆，但是增加了时延两种算法优点简单，不需要维护路由信息，也不需要任何算法缺点扩展性很差 sensor protocol for information via negotiation 基于信息协商的传感器协议 （所谓广告：可以理解为对即将要发送的数据的描述） 一句话描述：先发广告（ADV），接收到广告的节点如果感兴趣则回发请求（REQ），然后再给他发数据DATA。此时该节点也拥有了这个数据，则它也发广告给自己的邻居，以此类推。所以可能会导致信息中断的问题，即中间某节点不感兴趣，没有数据，也不会转发广告。定义三种类型的消息：ADV，REQ，DATA 信息通告，数据请求和数据先进行ADV的扩散，ADV描述了即将发布的信息是什么样子的。如果有节点对数据感兴趣则发送数据请求，紧接着将数据传送给该节点。同时该节点也可以将信息通告进行扩散。如果别的节点对信息感兴趣，它负责将数据转发。 解释这个图： （a）A 节点有数据准备发送到汇聚节点，先发广告给邻居节点（B） （b)邻居节点B对这个数据很感兴趣，于是发REQ（数据请求包）给A (c) A收到REQ，发数据DATA给B (d)此时B节点也有了这个数据，发广告给自己的邻居 (e)如果某位邻居对此数据感兴趣，也发REQ给B (f)B 对发送REQ的邻居都发一份这个数据给他们 优点先发广告，按需传送数据，减轻了内爆问题信息命名解决了交叠问题根据自身资源决定是否发布信息通告，避免了资源利用盲目问题 缺点当产生或收到数据的节点的所有邻接节点都不需要该数据时，导致数据不能传播虽然减轻了内爆，但是在较大规模网络中，广告消息依然存在内爆问题 参考：定向扩散路由协议——CSDN directed diffussion routing protocol of wireless sensor networks SPIN会广播所有信息，但并不是所有信息都需要进行广播和通告，很多事件是条件驱动的。 描述DD算法：该算法比较适合事件驱动类型的，例如现在我需要知道哪些地区的温度高于３０度，”高于３０度“即查询消息，汇聚节点（sink node)将这条消息洪泛出去。经过中间节点的数次转发之后就会到达那些温度高于30度的源节点。中间节点转发的过程会缓存这条查询是什么，它从哪里来的。然后源节点逆向返回数据就可以到达汇聚节点。完成了一次数据传输的过程。 过程：先查询，后应答，即兴趣扩散，建立梯度（路径），传输数据。（数据是从源节点（传感器）到汇聚节点（sink node），然后汇聚节点再通过什么方式传输到后端） 特征：以信息为核心进行数据传输，支持信息融合 网络元素：网关，汇聚节点（sink），源节点兴趣扩散：汇聚节点洪泛查询消息兴趣消息：比如任务性质，数据采集，时间戳等中间节点：记录（邻居节点和兴趣内容），转发兴趣给邻居节点，相当于扩散、洪泛兴趣消息。 梯度建立：从汇聚点到网络中的节点之间按照跳数距离建立梯度初始信息汇报节点沿着兴趣梯度定向洪泛数据中间节点对信息进行记录和转发汇聚点接受数据进行存储和融合 路劲增强汇聚节点根据需求从汇聚点再发起一次路劲增强的洪泛过程，延迟最小的一条路劲作为主路劲 优点以数据为中心，不管理节点数据传输更有目的性路径加强机制可显著提高数据传输质量反应式路由：能量的均衡消耗 缺点周期性的洪泛机制——能量和事件开销都比较大节点需要维护一个兴趣消息列表，存储代价较大 应用举例：例如需要查询温度大于30度的区域，即兴趣消息为“T>30",sink node汇聚节点将这个消息进行扩散，接收到消息的节点将消息进行缓存（消息，谁发来的），然后继续扩散，直到满足条件的源节点（可能不止一个）接收到该查询消息之后，将数据往回传送。 rumor 谣言，传闻 针对：DD路由开销大，需要维护路径，更新失效路径 特点：查询和事件汇报同时进行 基于原理：欧式平面图上任意两条曲线交叉几率大 基本过程事件区域中的传感器节点产生代理消息，代理消息沿随机路径向外扩散同时汇聚节点发送查询消息也随机扩散二者相遇就形成一条节点到事件区域的完整路径通过跳数控制范围，如果范围内不相交，改成flooding查询 查询消息（sink node)和代理消息（sensor node)都进行随机扩散，直到相遇，一拍即合，即确定了路径。 优点：能耗小，简单 缺点：如果事件非常多，维护事件表和收发代理信息开销会很大以及延迟无法保证 一句话总结：将节点分为功能节点和簇头节点，功能节点将信息定时发送给簇头节点，由簇头节点进行统一转发。 Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy 低功耗自适应分簇路由协议 将节点分为簇头节点和功能节点，功能节点只负责感知，定时将信息传送给簇头节点。 簇头节点一直工作，一方面收集功能节点数据，另一方面负责数据的转发。簇头选取相邻节点周期性动态自动形成簇并基于概率产生 信息收集和融合簇内节点发数据给簇头簇头进行数据融合后发给汇聚节点（sink gateway) 簇头切换和维护防止簇头耗能过多而死亡，需要更换簇头 优点：工作节点可以长期休眠，能耗极低簇头切换可以使节点能量消耗更加均衡更容易克服传感器节点移动带来的问题：只需要加入新的簇即可 缺点：簇头选取过程需要定期进行，增加额外开销 一句话总结： 形成汇聚链，终点是簇头，从起点开始，中间节点将信息融合然后转发到下一个节点，最终汇聚到簇头，簇头进行转发。问题和动机进一步优化簇内信息汇报的能量效率设计假设无线通信的功耗随着距离的增加呈现平方增长（即该假设认为距离的增加不如跳数的增加，因为长距离的功耗更大）通信距离越短，能耗越小加大通信距离，不如增加跳数 实际上不是严格意义上的簇。 Power-Efficient GAthering in Sensor Information Systems首先以距离为参数使用贪心算法在簇内形成一组汇聚链，每条链的终点是簇头每次数据汇报从链的起点开始，中间节点将信息融合后转发到下一个节点汇聚到簇头，再由簇头进行转发 DD结合地理信息：只向特定区域发布兴趣。传感网信息与地理位置有关，结合地理信息进行兴趣的发布，可以大大降低使用洪泛建立梯度的能耗。直接利用地理信息发布兴趣和查询前提假设节点了解自身位置信息和剩余能量节点间无线链路是对称的 GEAR是在DD的基础上提出的但由于GEAR只考虑向某个特定区域发送兴趣而不是象DD那样发布到整个网络，因此GEAR相对DD更加节省能量。当节点收到数据包时，首先要检查是否有邻居节点比它更接近目标区域。如果有，就选择距离目标区域最近的节点作为数据传递的下一跳节点。如果相对该节点来说，所有邻居都比它更远离目标区域，这就意味着该节点存在洞现象。 考虑到了延迟，尽量降低延迟。问题和动机传感网的典型应用——报警要求事件汇报延迟不能超过阈值，因此必须考虑具有延迟保障的协议 基本思想估计信息到达sink节点的时间，结合事件发生时间和延迟阈值，作为发送队列调度和选路的依据 协议过程系统设定一个传输速率S，节点到每一个邻接节点i都有一个一跳传输延迟估计HopDelayi一跳的传输速率 = 一跳的距离/HopDelayi所有一跳传输速率大于阈值S的作为下一跳，速率越大选中的概率越高如果没有节点满足要求，按照一定的概率选择是丢弃还是转发分组 优点考虑端到端传输事件，具有一定的延迟保障能力考虑了节点能量因素，均衡了能量消耗 缺点仅支持一种速率的QoS控制，现实中报警级别的传输速率通常是不同的 有点类似贪心算法。 多路径的问题和动机单路劲路由依靠重传提高端到端的抵达率，但是一条质量不好的链路上反复重传会耗尽一个节点的所有能量 设计思想采用受限的洪泛机制进行数据转发，提高一次传输成功的概率 建立代价从sink节点洪泛一条ADV消息，并宣称到达sink的代价为0中间节点收到ADV之后，估计一跳的链路代价加上前一跳的到达sink的代价作为当前节点到达sink节点的代价如果节点收到多个ADV包，取最小代价的邻居节点进行广播，那么每一个节点都有一个最小代价 汇聚数据源节点设定总体的代价门限T，向sink洪泛中间节点收到消息后，将代价门限T减掉当前链路的代价，得到继续洪泛的代价门限，如果超过了第一阶段计算得到的最小代价，则该节点不再洪泛信息洪泛过程形成一个纺锤体 优点代价可以任意定义，可以用延迟，跳数，剩余能量等源节点可以通过一个参数控制梯度广播的范围，控制了信息传播的能耗 缺点是一种梯度广播协议，没有ACK机制，可以提高健壮性，但是不能提供端到端的可靠保障 也是多路径的 disjoint 关节脱离，不相交的 多路径路由协议采用多条不相交的路径同时传送数据 优点提高了一次传送的成功率，减小了延迟提高了网络的负载平衡 缺点难以确定最优的路径数量分离多路径几乎不能提高能量效率 多路径的变种 braid 辫子，麻花辫让路径以一种相互缠绕的方式，当一个节点发生随机故障，其他节点可以替代该节点完成数据转发优点：采用主路径发送，辅助路径仅在主路径故障时发送，提高效率，减少延迟缺点：不能应对区域性永久故障 是一个IP协议和LEACH（分簇路由协议）的混合缩减版 就是一个标准协议。 优点工业化协议，比较完备入网控制，安全性高标准化，兼容性好传感器能够以低功耗运行在网络内支持点到点的路由 缺点没有链路质量估计路由表驱动，协议栈复杂路由表更新代价比较高结构非对称，不适合野外随机部署应用 数据链路层分为逻辑链路层LLC和媒体访问控制层MAC 带有冲突检测的载波侦听多路访问 CSMA/CD carrier sense multiple access with collision detection 先听后发，边听边发 一旦冲突，立即停发 等待时机，然后再发 （1多点接入。即作用在总线型网络，许多计算机以多点接入的方法连接在一根总线上 (2.载波监听。即监听信道，检测总线上有没有其他计算机在传输数据，发送前后每个主机都 必须不停地检测信道 (3.碰撞检测。即边发送边监听，适配器边发送数据边检测信道上的信号电压变化情况，以此 判断是否有别人在发送数据。若没有检测到电压，即信道为“空闲”状态，可以 发送数据。若检测到极大或极小的电压，就说明有两个及以上主机的信号发生 了碰撞(电磁波相遇)，此时适配器就会立即停止发送。 负责对物理媒体的使用进行控制 主要功能将上层交下来的数据封装成帧进行发送实现和维护MAC协议，控制媒体的使用时间和方法，处理帧的控制信息差错检测寻址MAC寻址 逻辑链路层的功能建立和释放数据链路层的逻辑连接提供与高层的接口差错控制给帧加上序号 （理解之后随便写写）建立传感器网络的基础结构在不同节点之间合理使用带宽等网络资源错误控制，节能模式操作 设计考虑的因素有：节省能量，可扩展性，网络效率（三大考虑因素） 对于无线传感网来说，每个节点能量有限，所以需要优先考虑如何节省能量。 能量浪费因素碰撞重传串音 overhearing（消息重叠导致消息无效）空闲侦听控制消息（太多） 节能策略尽量让传感器节点处于睡眠状态减少接收到不需要接收的数据分组减少碰撞减少控制消息的开销 分类根据分布式还是集中式使用单一共享信道还是使用多个信道：基于单信道，基于双信道和基于多信道三类随机访问信道还是时分复用信道根据MAC协议分配信道方式分为为：按需分配，固定分配以及混合按网络类型：同步，异步两类协议 在无线传感网络中，MAC协议决定无线信道的使用方式，在传感器节点之间分配有限的无线通信资源，用来构建传感器网络系统的底层基础结构。是保证无线传感网高校通信的关键网络协议之一。 多点通信在局部范围内需要MAC协议协调无线信道分配，在整个网络范围内需要路由协议选择通信路径。 在设计无线传感网络MAC协议时，需要考虑： 1.节省能量 2.可扩展性 3.网络效率（包括网络的公平性，实时性，网络吞吐量以及带宽利用率等） MAC协议面临的问题： 1.空闲监听 因为不知道数据何时到来，需要始终保持自己的射频部分处于接受模式，形成空闲监听，造成能量损耗。 2.冲突碰撞 如果两个节点同时发送，产生干扰，则发送包被丢弃。 3.控制开销 为了保证可靠传输，协议将使用一些控制分组，如RTS、CTS 4.串扰，串音 无线信道为共享介质，节点可能接收到的不是到达自己的数据包，然后丢弃，这样会造成能量的浪费。 基于竞争的MAC协议有如下优点基于竞争的是按需分配信道，能更好地应对节点数量和网络负载的变化。能更好地适应网络拓扑结构地变化不需要复杂地时间同步或者集中控制调度算法 DCF就是基于竞争的，还有另外一个PCF（相当于VIP，走直达通道）。MAC协议部分内容太多了，改成问答总结的形式 从低到高： 物理层，数据链路层，网络层，传输层，会话层，应用层 其中数据链路层分为LLC和MAC子层，即逻辑链路层和媒体介质访问层medium access control LLC：逻辑链路层 logic link control MAC:medium access control 带有冲突访问的载波监听多路访问 carrier sensor multiple access with collection detection 工作流程：先监听到信道空闲，然后再发送数据，一旦检测到冲突，则立即停止发送，等待信道空闲之后再次发送。 无线网络MAC性能严重受物理层的影响：通信范围小，信号衰减，隐藏终端问题。 物理层，数据链路层，网络层，传输层和应用层(没有会话层) 以及能量管理平台，移动管理平台和任务管理平台 建立传感网络的基础结构在不同节点之间合理使用带宽等网络资源差错控制，节能模式等操作 能量供应：节省能量可扩展性网络效率 碰撞冲突之后重传串音 overhearing空闲侦听控制消息太多尽量让传感器处于睡眠状态减少接收到不必要的数据分组减少碰撞减少控制消息的开销 基于竞争的MAC协议时分复用的MAC协议混合的MAC协议 这几种MAC协议的参考博客： https://blog.csdn.net/weixin_46112690/article/details/121488659 基本思想：允许多个节点同时访问信道，发送时主动抢占信道，CSMA方式（载波侦听多路访问），按需分配 优点：网络流量和规模变化之后能够自适应，算法比较简单 典型协议：SMAC，TMAC 协议功能：可靠的数据传输；公平的数据发送； 数据保护 主要机制：CSMA/CA； 主动确认机制（接收到数据之后立即主动确认）；预留机制（实际上应该就是随机退让/随机退避random backoff，能够解决隐藏终端问题）；能量管理； CSMA：carrier sensing 载波侦听 监听到信道忙：不进行数据发送； 监听到信道空闲：可以进行数据发送； 但是对于无线网络来说：还需要RTS和CTS即request to send/ clear to send 请求发送，和清除发送 collision detection CD不适合无线网络，因为流量之间有很强的相关性，容易和邻居节点产生冲突，需要使用CA（collision avoiding）random backoff 随机退让，产生冲突之后进行随机退让priority ack protocol 优先确认机制：确认信息和发送信息发生冲突，先发确认信息。 过程：发送者：如果在DIFS时间内监听到信道空闲（DIFS distributed inter-frame spacing 分布式帧间间隙，最长的IFS，优先级最低，用于异步帧竞争访问的时延），发送RTS接收方：接收到TRS，发送CTS帧发送方：传输数据接收方：如果接收到，经过SIFS之后，发送ACK确认报文（Short inter-frame space 短帧间间隔，是最小的帧间间隔）之后还有一个 PIFS（点协调IFS）：中等长度的IFS，优先级居中，在PCF操作中使用。 另外一种信道忙的情况：发送方：在DIFS时间内侦听到信道空闲，则发送RTS如果信道忙，则如果在DIFS结束前没有监听到其他节点的发送，则计算一个随机退避时间，若退避时间接收后信道仍然空闲则开始发送数据。如果没有收到ACK，增加随机退让时间，重新等待。 PCF point coordinate function 点协调功能，是可选的方式。即分配固定的时间段使用。 DCF Distributed coordinate function 分布式协调功能，媒体介入的方法是CSMA/CA ，是基本的方式，通过竞争来使用媒体介质。 在802.11 MAC协议的基础上针对传感网的设计 假设：传感网络的数据传输量少节点协作完成共同的任务网内处理减少数据通信量网络能够容忍一定程度的通信延迟 主要机制周期性侦听、睡眠的工作方式一致性的睡眠调度机制（空闲侦听）流量自适应的侦听机制消息分割和突发传递（控制消息和消息延迟） 周期性侦听和睡眠：节省能量，一致性睡眠调度机制形成虚拟簇 节点调度表：形成和维护，边界节点 流量自适应侦听机制：在一次通信过程中，通信节点的邻居节点在通信结束后不立即进入睡眠状态，而是保持侦听一段时间，如果这段时间内接收到RTS则立刻接收数据 减少串音：采用虚拟和物理载波监听机制，以及RTS、CTS机制，当邻居节点处于通信过程中，节点进入睡眠状态。 即：减少冲突。他通信，我睡眠。邻居结束通信，我坚守岗位。 应用：事件驱动的网络应用 出发点：空间相关性，时间相关性，不是所有节点都需要报告事件 目标：N个节点同时监测到一个事件，希望在最短的事件内有R个节点无冲突发送事件消息 常规竞争的MAC协议：在1，CW时间长度窗口内等概率选择发送时槽。冲突就倍增CW sift MAC协议，不改变CW的大小：而是不等概率选择时槽，在不同食槽采用不同的选择概率 blue tooth使用的就是这种。在不属于自己的时间内休眠以节省能量。 TDMA没有因为竞争引起重传导致的开销。 缺点就是：难以调整帧的长度和时隙的分配。 一样的道理，簇头负责处理。 因为CSMA协议的一个假设是网络流量是随机产生的，但是传感网中的网络流量具有很大的相关性，使得多个相邻的节点竞争使用信道。 所以采用CSMA/CA 载波侦听多路访问，冲突避免 典型的802.11 wireless MAC协议 冲突避免：随机退让 random backoff优先确认机制 priority ack protocol 载波侦听多路访问： 规则：信道忙：不传输； 信道空闲：可以传输。 但是对无线网来说不一定适用，还需要RTS和CTS，即request to send 和 clear to send 典型的拓扑结构：总线型，树形，网状，层次，环形，星型。 无线通信的特点：共享介质，通信容易受到干扰 影响无线网络拓扑的因素：位置（确定性部署和随即部署，即静止的或者移动的），功率（功率决定发送距离上限），架构（有没有基础架构infrastructure），环境（建筑物，干扰物，野外）。 无线蜂窝网络：正六边形是使用最少的节点覆盖最大面积的结构，如果两个蜂窝距离足够远就可以使用相同频率进行通信。（距离远互不干扰） 自己想一想，随便说一说即可。无序的部署会很快耗尽节点的能量无序的部署会导致相互之间的干扰，传输失败率增加，冲突频繁，网络质量降低，降低网络的吞吐率。无序的部署会导致存在大量的边，从而导致网络拓扑信息量大，计算复杂，浪费宝贵的计算资源。 在满足网络覆盖度和连通度的前提下，通过功率控制和骨干网节点选择，形成一个数据转发的优化网络结构。 以延长网络生命周期，降低网络干扰，提高吞吐率。 主要机制：控制节点功率，睡眠调度（形成虚拟骨干网），层次性拓扑调度（簇），减少不必要的连读，减少活动节点的个数。控制节点功率：调节网络中节点的发射功率，将能量均衡睡眠调度：控制节点工作和睡眠的切换，形成一个虚拟的骨干网，骨干网的节点工作，非骨干休眠，节省网络能量。层次型拓扑结构：让一些节点成为控制节点/簇头节点。类似上面形成的骨干网。不重要的链路可以剔除，把通信限制在重要链路上可以减少活动节点的数目，比如周期性关闭剩余能量较少的节点（极限省电模式）明确角色和功能：骨干节点，普通节点。类似分簇路由协议中的功能节点和簇头节点。 CDS connected dominating set 连通支配集 节点度：节点单跳邻居节点的个数 通过动态调整节点的发送功率，使得节点的度在需求的上限和下限之间。 两种基于节点度的算法：本地平均算法和本地邻居平均算法 控制功率 local mean algorithm LMA 是基于节点度的算法 核心思想就是统计邻居节点的个数，然后调整功率大小来动态增加或者减少邻居数量。 给定邻居上下限min 和 max 算法流程（通俗理解）：先以相同的功率发送消息给所有的邻居能接收到这个消息的就是它的邻居，然后回复一条消息说我收到了这个节点根据受到的确认消息计数，知道该功率下发射周围有多少邻居能接收到如果这个数量小于min则加大功率，大于max则减小功率，直到数量在min和max之间。 控制功率 local mean of neighbors algorithm LMN 和LMA类似的，区别在于第二步，邻居节点收到消息后，回复的确认消息包含了自己的邻居个数。 最后这个节点将邻居的邻居进行平均作为自己的邻居个数，然后适当调整功率。 例如：一个节点A，有邻居B和C，B节点有邻居５，C节点有邻居３个。首先A节点以相同的功率发送一条消息LifeMsg邻居节点B和C都受到了，B和C回复LifeAckMsg,消息中包含了自己的邻居个数5和3节点A收到了两条确认消息，计算自己的邻居个数 = （5+3）/2 = 4判断4是否满足给定的上下限，动态调整下次发送功率的大小。功率大，传输距离远，可能的邻居就多。功率小，传输距离近，可能的邻居就少 支配集 dominate set DS 连通支配集 connected Dominate set CDS V的子集S是V的支配集：V中的节点要么在S中，要么是S中的节点的相邻节点。（有点类似通信子网和资源子网的概念） 即S中的节点是控制节点，不在S中的节点称为受控节点。 通俗的理解就是把网络中的节点，或者一个区域中的节点分为两部分：一部分是控制节点（领导），另一部分是受控节点（小兵）。 连通支配集：如果V的子集C是支配集，同时能从C导出连通的子图，则C是连通支配集。 如上图，方形黑色节点是控制节点，方形粉色节点是连接节点，黑点是普通节点。每一个圈表示一个连通支配集。每一个连通支配集中都有一个簇头。 首先要明确：三色算法是用来找网络中的虚拟主干网的。 也叫 top discovery algorithm 参考这个链接： https://zhuanlan.zhihu.com/p/386180624 用三种颜色来表示网络中节点的三种状态： 黑色——控制节点 灰色——普通节点 白色——未被发现的节点 算法流程： 刚开始都是白色，全部是未被发现的节点，初始化任选一个节点作为开始，标记为黑色。然后开始扩散：初始节点（黑色）发送消息给自己的邻居，邻居是白色节点，邻居收到黑色节点的消息之后变成灰色（意思是大哥叫你入伙，黑色是大哥）灰色节点等待一段时间（这段时间和它与黑色节点的距离成反比），然后也广播消息（自己也想找小弟）当白色节点收到灰色节点的查询消息，先等待一段时间（等待时间和它与灰色节点的距离成反比）如果这段时间有收到黑色节点的消息，则立即变成灰色（黑色是大哥），否则变成黑色（自己做大哥）。当节点已经是黑色（大哥）或者灰色（别人的小弟）的时候，就不再改变颜色（忠心耿耿）。 为什么等待时间和距离成反比？ 答：例如第二步中，灰色要等待一段时间再广播查询，距离黑色越近，等待时间越长，这说明这个灰色节点周围的节点实际上离黑色节点也很近，应该让他们也成为灰色节点（即黑色节点的小弟），兔子不吃窝边草，也不能抢大哥的小弟。 第三步中，白色节点先收到灰色节点的查询消息，距离灰色节点越近，等待时间越长，说明它实际上离黑色节点也很近，它应该也成为黑色节点的小弟。但是如果等了很久还是没收到黑色节点的消息，那就只能自己做大哥了。 经过算法执行之后，网络中的所有节点实际上要么是黑色，要么是灰色，各自形成簇。（这个算法也可以应用在别的需要形成簇的地方） 如上图的例子：刚开始大家都是白色节点。现在初始化随机选一个节点a为黑色节点。 a开始广播查询消息给自己的邻居b和c，b 和c只收到黑色节点的消息，那么立即变成黑色。成为a的附庸。 等待一段时间之后，其中b等待的时间短，c等待的时间长。b和c也开始广播自己的消息给邻居。 也就是b广播消息给e和d，e和d收到一个灰色节点的消息，先不动，等待一段时间看是否会收到黑色节点的消息。 其中d等待的时间段，e等待的时间长。e等的时间长，距离又短，很快a的消息也传到了e，于是e 变成了灰色，成为a的附庸。 而d距离远，等待时间段，迟迟等不到黑色节点消息，于是自己成为了黑色节点。 三色算法特点：利用颜色标记里陆良你找到簇头节点，利用与传输距离成反比的延时，使得一个黑色节点的覆盖范围更大。 评价：可以使节点在密集部署的传感网中快速形成分簇，并建立树形关系。 缺点就是缺乏灵活性，执行算法开销过大，也没有考虑节点的剩余能量问题。 这是一个分簇算法，可以应用在路由协议中，也可以应用在拓扑网络中。 和前面类似，分为两个阶段建立阶段网络形成区域面积大小不同的簇 稳定阶段簇内节点发数据给簇头簇头负责整理融合，发送给基站。 建立阶段如何选举簇头？ 需要周期性更换簇头，以平衡能量，否则簇头节点能量很快就耗光了。如果一个节点在最近几个周期还没成为簇头，那么在新一个周期成为簇头的概率增大。如果已经当过簇头，那么再次当选的概率很低。具体操作为： 节点生成随机数来决定。 这是一个基于位置的分簇算法。算法很简单，即把整个网络区域划分为无数个子区域，然后在子区域里以某种方式选取簇头。 当节点在接收数据时发现丢包严重，就向数据源方向的邻居节点发出求助信息；节点探测到周围的通信节点丢包率很高或者收到邻居节点发出的帮助请求时，他醒来后主动成为活动节点，帮助邻居节点转发数据包。 三个主要阶段：触发阶段，建立阶段，稳定阶段； 节点的四种状态：睡眠，侦听，测试，活动。 节点能够根据网络情况动态改变自身状态，从而动态改变网络拓扑结构。 功率控制LMA LMN 层次性拓扑控制LEACHGFATopDIsc 启发机制的拓扑控制ASCENT算法 三边测量算法：已知三个点的坐标以及他们和未知点的距离，解方程可以得到未知点的坐标。三角测量算法：已知三个点的坐标以及他们和未知点的角度，可以转为三边测量算法求解，这个是在空间中。最大似然：已知道n（n>=3)个点和未知点距离 基于距离的定位：用实际距离来计算未知节点的未知距离无关的定位 ：用节点的估计距离（相对距离，例如跳数）来计算 递增式的定位：从已知节点逐渐扩散计算周围未知节点的未知并发式的定位：整个空间同时计算未知节点的未知（这需要均匀分布的大量的信标） 基于信标的定位：用信标的位置来计算无信标节点的定位：没有信标，网络中的未知节点之间只能知道相对位置。（该网络可以整体移动，一旦确定一个节点位置，则能确定所有位置） ToA：time of arrive到达时间 前提：需要知道信号的传播速度，根据到达时间来计算距离。同时也要非常高精度的时间同步机制。 即A发消息给B节点，已知道A节点的位置，计算B节点到A节点的距离： A发过去的信息中包含着发送起始时间，B节点只需要根据TOA和传播速度即可计算距离。 所以要求：精度高，节点间时间同步精确对传感器节点的硬件和功耗有较高的要求 D：difference 即time difference of arrive 到达时间的时间差分定位机制 同时发送两种不同传播速度的信号。根据到达时间的不同来计算距离。 AOA：angle of arrive 到达角度 根据到达角度，然后用三角测量方法来计算。 接收节点通过天线阵列或多个超声波接收机感知发射节点信号的到达方向，计算接收节点和发射节点之间的相对方位或者角度，再通过三角测量方法计算出节点的位置。基本思想信号传输会有损耗，根据损耗来计算距离。 基于距离的定位：凡是用到时间的都是，因为通过速度来计算距离。 即基于TOA的定位算法，基于TDOA的定位算法，基于AOA的定位算法。以及基于RSSI(即根据能量损耗来计算距离，较难实现) 距离无关的定位：一般是和跳数有关的 即质心算法，距离向量－跳定位算法，近似三角形内点测试定位算法（实际上也是质心算法）， 质心定位算法距离向量-跳段定位算法DV-hop自组织定位算法近似的点再三角形中定位算法 信标节点周期性的向临近节点广播信标分组，信标分组中包含信标节点的标识号和位置信息； 当未知节点接收到来自不同信标节点的信标分组数量超过一个门限K或者接收一段时间后，就确定自身位置为这些信标节点所组成的多边形的质心。 评价：简单，基于网络连通信；位置估计精度和信标节点的密度和分布有很大的关系； 首先：计算未知节点与信标节点的最小跳数 然后估计平均每跳的距离，利用最小跳数乘以平均每跳距离得到未知节点和信标节点的距离。 最后利用三边测量或者极大似然估计法计算未知节点的坐标。 distance vector hop algorithm 如何计算最小跳数？ 信标节点向邻居节点广播自身位置信息的分组，每个中间节点都记录了自己到信标的最小跳数。遇到小的就更新，大的就忽略，然后转发。 随着这个信息的扩散，每个节点都能计算出自己到信标节点的最小跳数。 approximate point in triangulation test 首先确定多个包含未知节点的三角形区域 多个三角形相交是一个多边形 多边形的质心就是未知节点的未知 传感器网络是计算机科学技术的一个新的研究领域，集成了传感器、微机电系统和网络二大技术形成的传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术。近几年，在传感器网络管理、查询和数据分发等方面的研究都得到了相当大的发展。而传感器网络要真正投入使用，则不能完全孤立存在，需要通过网关设备接入外部网络，如Internet、局域网或企业内部互联网，提供用户对无线传感器网络的远程访问和监测。 1．系统总体设计 随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟，具有感知、计算和通信能力的微型传感器开始出现。由大量成本低廉的这类传感器节点通过无线方式组成了传感器网络。传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术等，是多学科高度交叉的新兴前沿研究热点领域之一，它具有远程监控、实时监测、能在恶劣或特殊环境工作。 1.1系统硬件平台设计 系统硬件平台设计主要包括微处理器的选择和外围设各的选择，本文选择ARM处理器作为核心器件，外围设各包括SDRAM，FLASH，串口、以太网接口等。嵌入式网关设备由核心板和底板组成，核心板上集成AtmelAT91RM9200处理器，64MSDRAM以及16M的 FLASHoAT91ARM9200微处理器芯片是工业级200MIPSARM920T内核，具有16K字节的指令和16K字节的数据高速缓存的处理器。 网关设备底板上提供以下外设接口：两个RS-232串口和一个lOM/100M自适应以太网接口。外围硬件接口的选择将决定整个系统通过何种方式接入网络。目前最常见的既廉价性能又高的接入方法是采用最成熟的以太网络接口，能够满足局域网接入和绝大多数宽带网络接入的要求。因此木文设计的传感器网络网关设备通过以太网接口接入Internet，实现远程用户对无线传感器网络数据的管理。 1.2软件平台设计 软件平台设计主要涉及到两大方而：一是与硬件相关的软件部分：二是应用软件部分。与硬件相关的软件包括基于ARM的Linux内核移植、引导程序移植等。应用软件主要包括两大部分：一为WebServe：和TCP/IP协议栈；二为传感器网络数据采集、融合及存储等部分，该部分包括远程管理模块、查询指令分析处理模块、数据存储模块、数据分析与融合模块及数据采集模块。 2、硬件电路设计 本系统硬件平台设计成两大部分，一是核心板部分，集成了AtmelAT91RM9200处理器，64MSDRAM以及16M的FLASH存储器：二是底板部分，由两个四线RS-232串口和一个10M/100M自适应以太网接口等组成。 2.1SDRAM存储器 SDRAM（SynchronousDynamicRAM）同步动态存储器，使用SDRAM小但能提高系统表现，还能简化设计、提供高速的数据传输。在功能上，已类似常规的DRAM，但是也需要时钟进行刷新。在系统运行时，所有的程序和数据都是在RAM（主要是在SDRAM）中与CPU和外围设各交互，所以SDRAM的速度对于整个系统的运行速度有着至关重要的影响。 本文采用了两片Hynix公司的HY57V281620BTSDRAM芯片，16MX16位数据宽度，共64MSDRAM。AT91RM9200内置有SDRAM控制器（SDRAMC），具有SDRAM控制接口，为简化电路设计提供了很大的方便 图1SDRAM存储器电路2。2RS232串行通信口目前RS-232是PC机与通信土业中应用最广泛的一种串行接口。RS-232被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。RS-232采取小平衡传输方式，即所谓单端通讯。AT91RM9200输出的串行信号是TTL电平，必须经过电平转换输出符合EIA/TIA-232电平 2.3 100M以太网 AT91RM9200集成有以太网控制器EMAC（EthernetMAC）使这款芯片具有了更为广泛的应用价值。从硬件的角度看，以太网接口电路主要由MAC控制器和物理层接口两大部分构成。该设计中，使用LXT972作为以太网的物理层接口。LXT972是一款低功耗、高性能芯片，支持lOM和 100M的以太网传输，它起编码、译码输入和输出数据的作用。由于LXT972和AT91RM9200具有的EMAC都支持MII接口功能，根据信号的定义相连接即可。信号的发送和接收端通过网络隔离变压器和RJ45接口接入传输媒体。 3、嵌入式WebServer软件分析与实现 作为传感器网络管理系统，本文设计的初衷就是希望监测端可以在任何有Internet的地方，客户通过Internet访问系统，系统检查客户的权限，权限通过即能取得对系统的监测权。 如果使用客户端/服务器模式把系统设计成一个服务器，客户端就可以通过某种建立在TCP/IP协议（如FTP，TELNET，HTTP等协议）之上的应用层协议来访问服务器。CGI（CommonGatewayInterface）即公用网关接口，它是程序和应用软件用来与网络服务器软件连接的通用标准，CGI提供网络浏览器和数据信息之间的传送业务。CGI是一段程序，它运行在Web服务器上，提供同客户端HTML页面的接口。CGI脚本程序启动后，服务器将客户端的信息传给此程序，该程序对客户的信息处理后，将运行结果交给服务器，由服务器负责再向客户端传递。CGI主要运用于处理搜索引擎和一般表单。 本系统选用Sqlite作为系统的数据库，并将Sqlite移植到arm板上，然后建立自己的数据库sensor。 db，然后按需要建立表，用山于测试需要，本文设计了两个来存储经过分析综合处理后的传感器数据信息。数据表和一个用户表，分别为light（光感强度表）、temperature（温度表）和user（用户表用来鉴定远程登录用户的合法性）。 由于CGI程序是用C语言编写的，经过编译生成可执行的二进制代码，所以它具有占用空间小，运行速度快，安全可靠等优点。该sql。cgi程序启动后首先查询用户表完成用户名和密码的鉴定，如果是合法用户则根据用户的查询条件查询数据库中的温度或光感强度数据表将查询结果显示在主页上，若为非法用户则给出登陆错误提示信息返回到主页。 4、结论 本文创新点：本文针对基于Web的传感器网络嵌入式网关系统开发的需求，通过对传感器网络的结构、嵌入式Web体系结构、嵌入式数据库模型、嵌入式操作系统模型、嵌入式网关设计模型等进行初步的研究与探索，并利用现有的开发平台和开发工具，对基十Linux的嵌入式系统开发模式、嵌入式Internet 技术进行实践。完成了基于Web的传感器网络嵌入式网关系统的硬件设计和软件平台设计。该网关可有效进行传感器网络数据管理与存储，实现用户对传感器网络数据的远程查询和监视功能。 传感器网络是由大量分布在空间中的传感器节点组成的一种网络系统，用于感知和收集环境中的各种信息，并将其传输给中心节点进行处理和分析。本文将从多个方面对传感器网络进行详细阐述，包括传感器网络的定义和特点、传感器节点的组成和功能、传感器网络的应用领域、传感器网络的优缺点、传感器网络的通信方式以及传感器网络的安全性等。 传感器网络的定义和特点 传感器网络是由大量分布在空间中的传感器节点组成的一种网络系统，每个节点都具有感知、处理和通信能力。传感器网络具有自组织、自适应、自愈合等特点，能够实现分布式感知和信息处理。 传感器网络的特点主要包括：节点数量庞大、节点资源有限、节点分布广泛、节点之间通信有限、网络拓扑结构动态变化等。这些特点决定了传感器网络需要具备高效的资源管理、自适应的路由协议和可靠的数据传输机制。 传感器网络的应用领域非常广泛，包括环境监测、农业领域、智能交通、物联网等。传感器网络在这些领域中发挥着重要的作用，为人们提供了大量的实时信息和决策支持。 传感器节点的组成和功能 传感器节点是传感器网络的基本构建单元，由传感器、处理器、存储器、通信模块和能量供应等组成。传感器节点的主要功能包括感知环境信息、处理感知数据、存储数据、与其他节点通信和管理能量等。 传感器节点通过感知环境中的物理量，如温度、湿度、光照等，将感知数据转化为数字信号，并进行处理和分析。处理后的数据可以存储在节点的存储器中，也可以通过通信模块传输给其他节点或中心节点。 传感器节点的能量供应是传感器网络中的一个重要问题，节点通常使用电池或能量收集装置作为能量源。为了延长节点的寿命，需要设计节能的传感器节点和能量管理机制。 传感器网络的应用领域 传感器网络在环境监测方面有着广泛的应用。通过部署大量的传感器节点，可以实时监测环境中的温度、湿度、气体浓度等参数，为环境保护和灾害预警提供数据支持。 在农业领域，传感器网络可以用于土壤湿度监测、气象监测、作物生长监测等。通过实时监测和分析数据，可以实现精确的农业管理和决策。 传感器网络在智能交通领域也有着重要的应用。通过部署传感器节点，可以实时监测道路交通状况、车辆密度等信息，并提供实时的交通流量预测和路况指导。 传感器网络还广泛应用于物联网、智能家居、健康监测等领域，为人们的生活提供了便利和安全保障。 传感器网络的优缺点 传感器网络的优点主要包括：覆盖范围广、实时性强、成本低、易于部署和维护等。传感器网络可以覆盖大范围的区域，实时感知和收集环境信息，成本相对较低，部署和维护相对简单。 传感器网络的缺点主要包括：能量限制、通信受限、数据处理能力有限等。传感器节点的能量有限，需要设计节能的传感器节点和能量管理机制。传感器网络的通信受限，节点之间的通信距离有限，通信带宽有限。传感器节点的数据处理能力有限，对于大规模、高频率的数据处理存在挑战。 传感器网络的通信方式 传感器网络的通信方式主要包括无线通信和有线通信。无线通信是传感器网络中最常用的通信方式，可以通过无线电波、红外线等进行数据传输。有线通信主要用于传感器网络中的特殊场景，如地下、水下等环境。 传感器网络的通信协议有很多种，包括无线传感器网络协议（WSN）、低功耗蓝牙（BLE）、ZigBee等。这些协议具有不同的特点和适用场景，可以根据具体的应用需求选择合适的通信协议。 传感器网络的安全性 传感器网络的安全性是传感器网络设计中的一个重要问题。传感器网络面临着多种安全威胁，如数据安全、节点身份认证、网络攻击等。 为了保障传感器网络的安全性，需要采取一系列的安全措施，包括数据加密、节点认证、密钥管理等。还可以通过网络拓扑结构设计、路由协议设计等方式提高传感器网络的安全性。 传感器网络是由大量分布在空间中的传感器节点组成的一种网络系统，用于感知和收集环境中的各种信息，并将其传输给中心节点进行处理和分析。传感器网络具有自组织、自适应、自愈合等特点，广泛应用于环境监测、农业领域、智能交通、物联网等领域。传感器网络也面临着能量限制、通信受限、数据处理能力有限等挑战。为了保障传感器网络的安全性，需要采取一系列的安全措施。 传感器网络的发展将为人们的生活带来更多的便利和安全保障，同时也需要解决一系列的技术和应用问题，以推动传感器网络的进一步发展和应用。 上一篇：什么是传感器的指标 下一篇：什么是光栅传感器高级计算机网络——无线传感网的介绍就聊到这里吧，感谢你花时间阅读本站内容，更多关于高级计算机网络——无线传感网、高级计算机网络——无线传感网的信息别忘了在本站进行查找喔。
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