無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)之前一直想寫一點讀書的筆記，奈何不知道該如何下手，也不知道讀書筆記的重要性。直到昨天逛了一下飛比的zigbee論壇，才發(fā)現(xiàn)里面的大神寫的讀書筆記是多么的有用。這東西就相當于對自己之前讀過的書的一個回憶和總結(jié)，不僅是對自己，對以后的學弟學妹們的學習也是能起到很大的作用的。由于是第一次寫這種讀書筆記，加上之前讀過的技術(shù)方面的書不算太多，也比較雜，就挑了最近度過的一本《無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)》來試試手。可能開始寫有很多不足之處，以后我會努力改進。廢話不多說，直接進入主題吧。這本書講的基本的無線傳感網(wǎng)絡的知識，主要概述了無線傳感網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡協(xié)議棧各層的協(xié)議，無線傳感器網(wǎng)絡相關(guān)的技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡的協(xié)議標準等。我的讀書筆記就從下面幾個點來展開吧。無線傳感網(wǎng)絡概述首先我先說一下無線傳感網(wǎng)絡和物聯(lián)網(wǎng)之間的關(guān)系，我想大多數(shù)剛接觸物聯(lián)網(wǎng)的同學都會犯這個迷糊。無線傳感器網(wǎng)絡是一種由大量的微型傳感器節(jié)點組成的面向任務的無線自組織網(wǎng)絡系統(tǒng)。所謂的微型傳感器節(jié)點就是我們不是指我們平常所說的傳感器，而是由傳感器，處理器，通信模塊和電源模塊組成的一個整體。而我們平常所說的物聯(lián)網(wǎng)則是一個廣泛的概念。無線傳感器網(wǎng)絡和物聯(lián)網(wǎng)之間是包含于的關(guān)系。物聯(lián)網(wǎng)的概念可以分成四層：感知層，網(wǎng)絡層，管理層和應用層。其中無線傳感器網(wǎng)絡就屬于物聯(lián)網(wǎng)中的感知層。另外在介紹一下其他層的作用：網(wǎng)絡層就是我們現(xiàn)在使用的傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡，像公共的Wi-Fi，還有移動通信網(wǎng)絡2G，3G，4G等。管理層就是網(wǎng)絡另一頭的處理端，負責存儲處理下層發(fā)來的海量數(shù)據(jù)。應用層則是管理物聯(lián)網(wǎng)的各種應用了。感知層采集到的數(shù)據(jù)匯聚到網(wǎng)關(guān)節(jié)點后，由它將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡層的網(wǎng)絡發(fā)送到管理層，由管理層的服務器負責存儲和處理這些海量的數(shù)據(jù)。然后將處理過后的數(shù)據(jù)用于實現(xiàn)應用。這就是物聯(lián)網(wǎng)整個工作的流程。無線傳感網(wǎng)絡和傳統(tǒng)的無線自組織網(wǎng)絡有很多類似之處，像自組織特性，分布式控制和拓補控制性。同時和傳統(tǒng)無線自組織網(wǎng)絡也有許多不同之處，比如網(wǎng)絡規(guī)模較大，節(jié)電能力受限，節(jié)點可靠性差，以數(shù)據(jù)為中心，多對一傳輸模式，冗余度高和應用相關(guān)性。其中節(jié)點的節(jié)點能力是限制當前無線傳感器發(fā)展的一個最大的門檻。下面說一下無線傳感器網(wǎng)絡的體系結(jié)構(gòu)。通常無線傳感器的節(jié)點結(jié)構(gòu)分為四個部分我們前面已經(jīng)說過了。網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的話分為單跳網(wǎng)絡和多挑網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。單跳網(wǎng)絡是指從傳感器到網(wǎng)絡的匯聚節(jié)點數(shù)據(jù)的傳輸路徑都只有一跳的距離，這種網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)通常不適用于無線傳感網(wǎng)絡，因為這對傳感器節(jié)點的能量要求較高。而多跳網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)分為平面結(jié)構(gòu)和分層結(jié)構(gòu)，平面結(jié)構(gòu)是一種簡單的多跳網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡中個節(jié)點的作用是相同的，節(jié)點地位是平等的，這樣的網(wǎng)絡比較容易實現(xiàn)，但會產(chǎn)生節(jié)點能量不均的問題，這在之后在討論。分層結(jié)構(gòu)可以說是平面網(wǎng)絡的基礎上實現(xiàn)的。它的方法是在網(wǎng)絡中將節(jié)點組織成一系列的簇，每個簇中由多個傳感器節(jié)點和一個簇頭節(jié)點組成。簇中的傳感器節(jié)點將數(shù)據(jù)發(fā)到各自的簇頭節(jié)點，簇頭節(jié)點將數(shù)據(jù)進行融合處理后在向上發(fā)送直到匯聚節(jié)點。同時簇頭節(jié)點的選舉也會按照一定的規(guī)則改變以平衡簇中各節(jié)點的能量。這個方法解決了平面結(jié)構(gòu)的問題，適用于無線傳感器網(wǎng)絡。無線傳感網(wǎng)絡協(xié)議棧和TCP/IP協(xié)議棧類似，分為五層。但各層的協(xié)議實現(xiàn)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡完全不同。我們之后再討論。無線傳感網(wǎng)絡協(xié)議棧簡析1） PHY層物理層講的不會很多，講一下基本的東西吧。物理層的作用包括的傳輸媒體和頻率的選擇，載波頻率的產(chǎn)生，信號的調(diào)制、解調(diào)、檢測和數(shù)據(jù)加密等。在傳輸媒體選擇上，可以選擇的有射頻，光和紅外線，另外UWB超寬帶也許會成為未來無線通信的主流技術(shù)。頻率上射頻使用的是ISM頻段，在中國一般使用2.4GHZ頻段，北美和歐洲使用916MHZ和433MHZ頻段。物理層我沒有過多研究，在此就這樣簡單介紹吧。2） MAC層無線傳感網(wǎng)絡中由于節(jié)點在能量，存儲和處理能力上的限制，使得傳統(tǒng)網(wǎng)絡上的MAC協(xié)議無法直接用于無線傳感網(wǎng)絡。因此必須設計適合無線傳感網(wǎng)絡的MAC層協(xié)議。在設計的過程中必須首先考慮網(wǎng)絡的能量效率，其次再考慮網(wǎng)絡的吞吐量，傳輸延遲，帶寬利用率，可擴展性等方面。無線傳感網(wǎng)絡MAC協(xié)議的特點，說到底還是與能量效率掛鉤的。其次就是傳輸延遲，效率和可擴展性方面的問題。MAC協(xié)議在分類方面可分為兩個大類：競爭型的MAC協(xié)議和非競爭型的。在兩者的基礎上還有一種混合型的。競爭型的MAC協(xié)議主要介紹載波監(jiān)聽多路訪問（CSMA）。載波監(jiān)聽技術(shù)又可分為非堅持型，1-堅持型和p-堅持型。非堅持型CSMA協(xié)議中，當節(jié)點一旦監(jiān)聽到信道繁忙便不再監(jiān)聽，而是按照一定的退避算法退避一段時間后再監(jiān)聽，其他兩種類型類似P指的是再次監(jiān)聽的概率）。在CSMA的基礎上可增加沖突檢測（CD）或沖突避免（CA）功能°CSMA/CD是我們熟知的傳統(tǒng)網(wǎng)絡上的MAC協(xié)議。然而該協(xié)議并不適用于無線網(wǎng)絡上，因為在無線網(wǎng)絡中沖突的檢測存在一定問題，檢測沖突要求節(jié)點能同時發(fā)送和接受信號，這會大大增加節(jié)點成本。那么由此誕生出了CSMA/CA協(xié)議。CSMA/CA協(xié)議中引入了一種握手機制，傳送數(shù)據(jù)前發(fā)送端先向接收端發(fā)送一個請求發(fā)送報文（RTS），等待接收端回應允許發(fā)送報文（CTS），再開始傳送。通過這樣一個握手能使首發(fā)雙方的相鄰節(jié)點了解到信道上即將進行的數(shù)據(jù)傳輸從而進行退避。非競爭的MAC協(xié)議中典型的協(xié)議有：時分多路接入（TDMA），頻分多路接入（FDMA）和碼分多路接入（CDMA）。各協(xié)議之間各有優(yōu)點和缺點，在這不再詳細介紹。還有各類的MAC協(xié)議有各自具體的實現(xiàn)協(xié)議，像競爭型MAC協(xié)議中有S-MAC，T-MAC，Sift，WiseMAC協(xié)議等，非競爭型MAC協(xié)議中有：DEANA，SMACS，DE-MAC，TRAMA協(xié)議等。像混合型協(xié)議有Z-MAC協(xié)議。3） 網(wǎng)絡層無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)絡層的協(xié)議和MAC層一樣，不能直接使用傳統(tǒng)網(wǎng)絡網(wǎng)絡層的協(xié)議。因此在設計網(wǎng)絡層協(xié)議的過程中必須優(yōu)先考慮節(jié)能的問題。無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議與應用相關(guān)，不同的應用對網(wǎng)絡的要求不同。則根據(jù)不同應用的要求，可將路由協(xié)議分成一下幾類：平面路由協(xié)議、分層路由協(xié)議、基于能量的路由協(xié)議、基于多路徑的路由協(xié)議、基于移動性的路由協(xié)議、基于位置的路由協(xié)議、基于機會的路由協(xié)議和以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議。之前忘了說，由于無線傳感器網(wǎng)絡的特殊性，在設計協(xié)議的過程中往往會碰到傳感器節(jié)點能量和協(xié)議性能相矛盾的問題，這在之前的MAC協(xié)議，現(xiàn)在講的路由協(xié)議和之后講的傳輸層協(xié)議的設計中都會碰到的問題，這是傳感器網(wǎng)絡協(xié)議設計中普遍的一個技術(shù)挑戰(zhàn)。在介紹路由協(xié)議中個我就不一一介紹了，只選擇基于能量的路由協(xié)議來詳細介紹一下吧。能量效率是無線傳感器網(wǎng)絡中最關(guān)心的問題，因此對傳感器能量效率敏感的應用可以選擇使用基于能量的路由協(xié)議。典型的路由協(xié)議有：最小功率路由、最大剩余能量路由，最小不情愿度路由和基于組合能量代價的優(yōu)化路由。其中我一一簡要介紹一下。最小功率路由是在連接兩個節(jié)點的所有路勁中選擇路徑總功率最小的一條路徑。設Pi和Pj分別表示節(jié)點i向節(jié)點j發(fā)送單位數(shù)據(jù)所需的最小功率和節(jié)點j接收單位數(shù)據(jù)所消耗的功率，則有：P=E+KxdaP=E其中，E表示發(fā)送電路或接受電路所消耗的能量；K是一個依賴于天線特性的常數(shù)，一般可忽略，即K=1；電指發(fā)送節(jié)點i和接收節(jié)點j之間的距離，a是一個與媒體傳播損耗特性相關(guān)的常數(shù)，稱為路徑損耗銀子，通常2<a<6o最小功率路由具有3個主要特性：第一，由上式可知，最小功率路由路徑選擇傾向于短鏈路，導致路徑的跳數(shù)多，傳輸延遲大；第二，如果節(jié)點靜止則節(jié)點之間的功率是固定的，這種情況下會導致流量集中到最小功率路徑上，導致能量分布不均，路徑上的節(jié)點能量先耗盡能量死亡；第三，如果節(jié)點之間的路徑功率都相同，那么最小功率路由就是最小跳數(shù)路由。最大剩余能量路由是在連接兩個節(jié)點的所有路徑中選擇路徑剩余能量最大的哪一條。若領(lǐng)Ex代表節(jié)點x的剩余能量，則對與源節(jié)點s和目的節(jié)點d的一條路徑P，剩余能量表示為：E=min{ExIxeV(P)}其中，V(P)代表路徑P上節(jié)點的集合。最大能量路由能平衡網(wǎng)絡中節(jié)點的能量剩余，但是并沒有考慮到端到端路徑的能量消耗。連接兩點的最大能量路由并非最小功率路由，反之亦然。最小不情愿度路由是一種尋找最小不情愿度路徑的方法。一個節(jié)點X充當一條路徑上中間轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的不情愿度的概念定義如下：f(x)=ExL-jX式中Ex表示節(jié)點x的剩余能量，且是一個歸一化的值，區(qū)間0,1］。則一條路徑P不情愿度定義為該路徑上所有中間節(jié)點的不情愿度之和，即：f(P)=Zf(x)xeV(P)連接一條路徑的源節(jié)點和目的節(jié)點的最小不情愿度路徑是所有路徑不情愿度f(P)中最小的那條。網(wǎng)絡層的內(nèi)容就先介紹到這了，要是想了解其他路由協(xié)議的話可以自行翻閱資料。3.傳輸層無線傳感器網(wǎng)絡的傳輸層協(xié)議的作用與傳統(tǒng)網(wǎng)絡類似，但復雜度遠遠達不到傳統(tǒng)網(wǎng)絡的水平。傳統(tǒng)網(wǎng)絡的TCP協(xié)議由于過于復雜并不適用于無線傳感網(wǎng)絡，而無線傳感網(wǎng)絡的傳輸協(xié)議也需要優(yōu)先考慮能量效率，同時協(xié)議不能過于復雜。這也是傳輸協(xié)議設計的一個技術(shù)難關(guān)。在這里我覺得應該減少一些詳細的介紹了，簡要的介紹即可，因為這只是一個讀書筆記，寫的是自己對書中內(nèi)容的理解，詳細的內(nèi)容還是得自己從書中去找，不然就變成重新將書抄一遍下來了。言歸正傳，無線傳感器網(wǎng)絡傳輸協(xié)議也是與應用的相關(guān)的，和路由協(xié)議一樣，不同的應用使用著不同的傳輸協(xié)議。另外由于無線傳感器網(wǎng)絡的特殊性，不同方向上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)對可靠性要求不同，例如，從節(jié)點往匯聚節(jié)點方向上的數(shù)據(jù)由于有一定的冗余，允許一定程度上的數(shù)據(jù)丟失，而匯聚節(jié)點往節(jié)點方向上的傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通常是一些查詢控制命令等，這要求數(shù)據(jù)的可靠性比較高。無線傳感器網(wǎng)絡傳輸協(xié)議可分為擁塞控制、可靠傳輸協(xié)議和擁塞控制和可靠傳輸混合協(xié)議三大類。用戶可根據(jù)應用選擇適用的協(xié)議。在擁塞控制協(xié)議中，又分為面向擁塞避免的協(xié)議和面向擁塞消除的協(xié)議。前者通過對節(jié)點的發(fā)送速率進行動態(tài)分配或控制節(jié)點是否傳輸數(shù)據(jù)來實現(xiàn)避免擁塞的目的，后者則通過對當前節(jié)點和網(wǎng)絡狀態(tài)以及接收數(shù)據(jù)的逼真度的進行擁塞檢測，對已發(fā)生的擁塞向相鄰節(jié)點發(fā)送通知信息和通過控制速率或流量的轉(zhuǎn)移調(diào)度（通常與多路徑路由相結(jié)合）或?qū)?shù)據(jù)融合進行擁塞緩解來解決擁塞發(fā)生后的消除問題?？煽總鬏攨f(xié)議中，主要的功能是避免下層傳輸中出現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失的問題，使數(shù)據(jù)能夠完整地在鏈路上傳輸。傳統(tǒng)的TCP協(xié)議中使用了重傳機制，這也適用于可靠傳輸協(xié)議中。可靠傳輸協(xié)議中的丟包恢復機制由丟包檢測反饋和重傳回復組成。丟包恢復機制和TCP協(xié)議類似，在數(shù)據(jù)發(fā)送過程中使用應答方式進行丟包檢測。重傳恢復機制分為端到端重傳和逐跳重傳，端到端重傳大家能夠理解，但它需要解決最大重傳次數(shù)的問題；逐跳重傳則需要中間節(jié)點存儲轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)。冗余傳輸機制則是用于無線傳感器網(wǎng)絡上的可靠傳輸協(xié)議，節(jié)點同時向一條路徑發(fā)送多個冗余數(shù)據(jù)包或向多條路徑發(fā)送相同的數(shù)據(jù)，這樣如果一個數(shù)據(jù)包丟失，其它數(shù)據(jù)照樣可以到達目標節(jié)點。一個節(jié)點應該發(fā)送多少個冗余數(shù)據(jù)包，應該向多少條路徑發(fā)送數(shù)據(jù)包，取決于應用的可靠性要求和網(wǎng)絡上的可用資源。無線傳感器網(wǎng)絡的典型傳輸協(xié)議有很多，這里就不一一進行介紹了。4.無線傳感器網(wǎng)絡的協(xié)議標準在這之前還有幾章介紹了無線傳感網(wǎng)絡的拓補控制技術(shù)、定位技術(shù)和數(shù)據(jù)融合技術(shù)，這幾章我也沒有細細的閱讀，因此在這里便不再寫了。這應該是我寫的最后一部分了，而且ZigBee是我目前傾向于的研究方向，因此今后可能會寫比較多這方面的文章。由于這本書上介紹的比較簡單，因此我也只是簡單的介紹即可。目前無線傳感器網(wǎng)絡使用的協(xié)議標準，主要有IEEE802.15.4和ZigBee標準。其中IEEE802.15.4定義了物理層和MAC層的規(guī)范，ZigBee定義了網(wǎng)絡層和應用層規(guī)范。兩者結(jié)合可以支持低速率、低功耗的短距離無線通信。I