无线传感器网络学习笔记（一）

虽然传统的有线网络传输数据稳定，但安装成本高，在许多地方安装不变，因此使用无线通信更加方便。（无线通信的主要缺点是其自身的干扰、可靠性等）

通过无线网络无线电波、红外或其他无线媒体连接设备和计算机。覆盖范围大的称为无线广域网，小的称为无线局域网（WLAN）。连接个人信息设备的无线网络称为无线个人局域网（WPAN）。低速无线个人局域网（LR-WPAN）低成本、低功耗、短距离无线通信。

WSN有无线通信基础设施的一组自主传感器和执行器组成旨在监控和控制不同位置的物理或环境条件，然后通过网络合作将数据传输到主位置或控制命令传输到预期执行器。

无线传感器网络有多个节点，具有以下一个或多个功能—-感知、数据中继、外部网络交换数据。
传感器节点：用于感知数据。路由器：中继数据。基站/汇聚节点：与其他网络交换数据。

• 分为两类：远程监测移动目标位置位置跟踪。

  • 位置跟踪：需要实时更新跟踪结果。
  • 远程监测：周期性测量指定的环境条件。
    • 周期性发送方式为预定义的时间间隔
    • 指定事件触发的方法，如测量值达到预设阈值
    • 响应用户询问的方式

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• 无线传感器网络应用的一个特点是容易部署大量无线传感器节点，但也带来了节能、互扰、安全、数据管理和大规模部署的挑战。
• 节能：优化路由算法等硬件和嵌入式软件设计。路由算法可以最大限度地降低能耗，从而提高无线传感器网络的效率
• 互扰：相近频段的工作和同一区域共存的其他无线系统引起，而互扰抑制机制对大规模无线传感器网络一般是无效的
• 安全：无线传输必须采用适当的机制来确保数据的安全。
• 数据管理：大量传感器数据发送到聚合节点的传输成本较高，因此通过数据压缩和集成技术有助于减少传输数据的数量。传感器网络采用鲁棒战略管理、查询和分析分布式数据流非常重要。
• 大规模部署：无限传感器网络通常由大量传感器节点组成，手动管理不现实。因此，有必要对无线传感器网络进行监控，配置网络参数，实现系统更新。

基于计算机的控制系统是典型的固线传感器和执行网络。传感器和执行器通过数据总线系统或其他网络连接到中央计算机或控制终端。

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• 根据不同的设计目的，wsn嵌入式软件设计需要分为公共标准和特殊标准

  1. 公共标准:设计难度大。为了保证最大的兼容性，开发周期长，需要考虑各种因素。
  2. 特殊标准：设计指定的应用程序，其他应用程序可能不适用，开发周期短。

• IEEE 802. 15. 4 标准（2003） 新的低速无线个人局域网（LR-WPAN） 设计标准。符合LR-WPAN目标是克服低数据吞吐量、低功耗、低计算能力的标准应用WI-FI蓝牙等现有标准存在一些相关问题。该标准仅定义物理层和MAC层。网络层定义不全面，值定义了最简单的网络拓扑-星形拓扑和点对点拓扑。

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• 在上图中，系统结构由物理层和两层组成MAC层
  1. 物理层主要包括无线收发器和相应的底层控制机制。
  2. MAC层为物理层的数据传输提供了定义
  3. 特定服务汇聚子层（ Service Specific Convergence Sublayer， SSCS） 和IEEE 802. 第一类逻辑链路控制子层为高层物理层MAC 层次服务定义了标准机制。
• 由于资源有限wsn应用程序通常需要使用尽可能简单的协议，以减少系统成本。

• FFD（Full-Function Device）全功能设备。实现了IEE 802.15.4 所有功能都可以用作个人局域网协调器(创建和管理整个网络)。但是，如果只用作协调器，除此之外，就不能创建网络PAN和协调器一样。
• RFD（Reduced-Function-Device）简化功能设备。协议栈的基本功能已经实现，即IEE 802.15.4 最小实现。RFD无法创建和管理网络，通常用于连接感器并定期的把传感器的数据发送给网络。
• 区别：
  1. FFD可以同其它FFD和RFD进行通信，高层库利用这一点通过路由协议来构建多跳网络。但是RFD只能与FFD进行通信（因为RFD没有网络管理能力，不适合参与复杂的网络行为）。
  2. 相同条件下。RFD比FFD持续的时间更长。RFD更适合于那些应用于WSN需要长期和独立监测的传感器节点。

支持的拓扑结构有星形、树形、簇树形以及网状网络。

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• 星形拓扑

  充当协调器的FFD被指定为中央设备，称为PAN协调器，负责启动和管理整个网络。

• 点对点拓扑

  点对点拓扑的网络通信并不受PAN协调器的限制，但是也需要PAN协调器来创建网络启动程序。

• 簇形拓扑

  1. 单簇：只包含一个簇头，所有节点一跳连接到簇头，网络拓扑形成星形拓扑。
  2. 多簇：包含多个簇头。簇内的节点只能与所在簇的簇头通信，所有的簇头构成高一级的子网络，并可以直接与它们的簇头通信。图2.6展示的是一个簇形拓扑结构，底层为簇网络，高层为CH网络（簇头网络）

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在各网络中，无线系统的无线节点共享一个用于信号传输的公共介质。IEEE802.15.4标准中的多路访问控制（MAC）协议定义了所有节点共享无线介质的方式。无线网络的MAC协议分为三种：固定分配协议（TDMA和FDMA）；随机接入分配协议（CSMA/CA）和按需分配协议（轮询）。

• 跳频/直接序列扩频：FHSS将ISM频段中的科学频段划分为79个信道，每个信道带宽为1MHz。
  1. 跳频（FHSS）：发送端对信息进行划分，并将划分后的信息段发送给不同的信道。发送端所使用的信道或者跳频序列的顺序都是预先定义的。蓝牙就是使用FHSS预先定义的。
  2. 直接序列（DSSS）：将多个比特划分为多个比特模式，称为码片。该码片由每个比特和伪随机码进行异或运算获得，然后将结果发送出去，接收端使用相同的伪随机码对原始数据进行解码。
• 频分多址、时分多址和码分多址。
  1. 频分多址（FDMA）：把可用频谱划分成多个子频带（信道），每个子带由一个或多个用户使用。通过FDMA的方式，每个用户被分配到一个专用信道，该信道的频段与其他用户的频带不同。FDMA最大的问题就是信道彼此之间不能太接近，否则会出现干扰，通常可以使用频带分离进行避免。
  2. 时分多址（TDMA）：允许用户在时域内共享可用带宽，而不是在频域内。TDMA将频段划分多个时隙，每个活动节点被分配一个或多个时隙用于数据传输。
  3. 码分多址（CDMA）：所有节点都处于相同的时间和相同的带宽中。使用分配给用户的唯一代码来区分不同用户的传输。
• CSMA/CA：一个准备传输数据包的CSMA节点侦听是否有其他的传输正在进行。如果有其他传输正在进行，节点就等待当前传输完成，然后继续等待一段称为短帧间隔的时段，之后，如果介质上没有数据流量，节点就开始进行信息传输，否则继续等待介质空闲为止。

下图是构建WSN的过程

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构建无线系统的首要任务是评估所需传输介质是否可用。对于跳频网络，评估的重点是对于所有可用信道进行分析，然后制定出跳频方案；对于FDMA访问的网络，评估的重点是寻找最适合网络使用的信道。此外，避免WSN网络之间的冲突也是评估的重点。

• 评估的三个功能：能量检测、主动扫描和被动扫描

  1. 能量检测：定义了系统在指定信道上确定能量大小的能力。可以找出任何潜在的干扰源的位置。这是最有效的信道评估方法，并且不需要接收的无线信号与IEEE802.15.4收发器是否具有相同的调制和扩频特征。

  2. 主动扫描和被动扫描：旨在帮助系统检测附近存在多个相似的无线网络。信标帧（包含来自其他现有协调器的网络描述）

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能量检测和主动扫描的功能只能用于FFD，而被动扫描即可用于FFD又可用于RFD。下图是典型的信道评估过程

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• 网络参数设置

  IEEE802.15.4标准不支持动态数据速率变化或跳频，必须提前指定频率使用方案。频段选择需要遵守无线电规定及将要部署的系统的本地规定。确定了工作信道，系统就要选择网络标识符（其他设备可以识别网络）标记每个网络。

  1. 两种基本的通信地址模式：

     • 扩展地址模式：使用64位长的数字在生产设备时就被固化到了固件里。确保了设备的唯一性。缺点是降低数据包有效载荷的大小。
     • 短地址模式：使用16位长的数字。使用时必须与PAN ID关联。

  2. 超帧结构：网络信标界定的时间周期。

     无线系统中消耗功率最大的组件时收发器，IEEE802.15.4的低功耗是通过低占空比的设定来实现的。超帧结构的设计就是为了降低对收发器的使用，同时网络仍然起作用。

     • 工作流程：一收到信标，网络设备的收发器就启动同步功能，并开始在超帧的范围内执行预定的任务。

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     • 超帧结构包括两个主要部分：活动周期和不活动周期。活动周期的长度可表示为超帧持续时间（SD = aBaseSuperframeDuration ×2^SO）。超帧阶数（SO）的范围为0-15，aBaseSuperframeDuration 由时隙数（一般为16）与基本时隙持续时间（一般为60）乘积得到。超帧结构整个持续时间叫做信标间隔（BI = aBaseSuperframeDuration × 2^BO）。SO和BO（信标阶数）的关系为0≤SO≤BO≤14，如果SO=BO=15，那么SO的值可以忽略不计并且超帧将不存在，此时收发器将处于无节能状态。如果0

     • 超帧结构的持续时间被分为16个时隙，进一步细分为两个部分：竞争访问周期（CAP）和无线竞争周期（CFP）。在CAP期间，每个网络设备可以根据需要进行网络通信，而在CFP期间，只有已注册的设备可以进行通信。

     • 选定了BO和SO，就可以计算出占空比。（例）2.4GHz频段16个信道中的一个信道，BO=3，SO=2。则BI和SD的值如下图。所以占空比为61.44/122.88 ≈ 0.5

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     • 收发器在“开或闭”模式下虽然可以节能，但是可能会造成两个问题。第一：系统在给定的时间内可能不能完成第一次完整的数据传输和接收。针对这个问题，需要计算传送单个数据包所需要的时间，然后保证超帧的活动周期≥这个时间。第二：系统响应可能会存在延迟。对于这个情况就要设置一个合理的占空比（BI和SD）

  3. 数据的发送和接收

     根据信标的使用可以把对数据的发送和接收分为信标使能网络和非信标使能网络。

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     • 信标使能网络：
       1. 【协调器->网络设备】当协调器有数据发送到网络设备，先把数据存放到本地缓冲区，并将数据包的信息（目的地址）放到信标帧中的“地址挂起列表”。网络设备收到信标帧，就可以知道协调器里是否有挂起的数据包。接着网络设备有两种选择通信的方式：当macAutoRequest（Mac响应模式指示）为TRUE，使用CSMA/CA向协调器请求挂起的数据；如果macAutoRequest为FALSE，则栈把信标通知的原语上交到应用层，让应用层决定是否发送数据。
       2. 【网络设备->协调器】协调器收到数据请求命令，首先确定网络设备发送信号的方式，然后检查本地缓冲区，如果之前挂起的数据包还存在，就在macAckWaitDuration（预定义持续时间期间）发送确认，如果在规定的时间没有发送，那么应该在数据挂起域设置为1的确认，在发送确认后，如果前面的确认帧中数据挂起域设置为1，则说明协调器应该想网络设备发送数据包。
       3. 【协调器->网络设备】：网络设备收到确认，如果数据包的挂起域为1，就让接收器持续aMaxFremeResponseTime最大持续时间，最后可能需要回送一个确认表示已经成功接受数据。
     • 非信标使能网络：
       1. 使用非时隙CSMA/CA直接向网络设备发送数据包
       2. 如果网络设备在一定的时间间隔内轮询协调器，协调器就将数据存储到本地缓冲区，并等待来自网络设备的数据请求命令（这里与信标使能网络的数据过程一样，但是由于不存在超帧结构，CSMA/CA机制应使用非时隙版本）。
     • 小结：将数据存储到协调器中，直到网络设备的请求才将数据发送出去的方法叫做间接传输。目的是为了保持低功耗而设计。为了节能，网络设备通常处于睡眠状态，而无线接收器处于关闭状态，将数据存储到协调器中，就不需要接收器一直保持开启状态，，当有一个时隙课用时，网络设备就可以发送数据请求命令。

  4. 时隙和非时隙具有冲突避免的载波侦听多路访问

     超帧结构非诚16等份，每个等份叫做“时隙”，在每个时隙中找到恰当时间点的基本单元叫做“退避周期”（aUnitBackoffPeriod）

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     [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-NNUBDzan-1656065191448)(C:\Users\14645\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20220624093222785.png)]

     • 时隙和非时隙CSMA/CA操作流程：系统首先检查当前网络是否是信标使能网络来选择专属的CSMA/CA。

       [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-2PoTOw7m-1656065191449)(C:\Users\14645\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20220624093633149.png)]

• 出现原因：IEEE802.15.4定义的实现低数据率和低功耗无线通信功能的机制，只支持星型和点对点等网络拓扑结构。由于该标准只针对PHY层和MAC层，主要适用于无线通信而不是大规模网络应用。ZigBee的出现就是为了在IEEE802.15.4标准上建立大规模的无线网络标准。

• ZigBee特点：低数据率、低成本、低复杂度、低功耗及易于实现

  [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-uldzxUCR-1656065191449)(C:\Users\14645\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20220624095631644.png)]

• ZigBee协议栈：定义了MAC层和PHY层，网络设备分为三种类型：ZigB协调器、ZigBee路由器及ZigBee终端设备。协调器基于IEEE 802.15.4（PAN协调器），全功能设备。任何一个ZigBee网络应该有且只有一个ZigBee协调器，为新创建的网络选择可用信道和相应的网络标识符（16位），负责新设备的采用和网络地址的分配。

  [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-cxd2RMoi-1656065191449)(C:\Users\14645\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20220624100314065.png)]

• ZigBee网络可以通过扩展点对点拓扑结构来支持星形、树形和网状拓扑结构

  [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-iAdGS9k6-1656065191449)(C:\Users\14645\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20220624101420181.png)]

ee网络应该有且只有一个ZigBee协调器，为新创建的网络选择可用信道和相应的网络标识符（16位），负责新设备的采用和网络地址的分配。

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• ZigBee网络可以通过扩展点对点拓扑结构来支持星形、树形和网状拓扑结构

  [外链图片转存中…(img-iAdGS9k6-1656065191449)]