入门：无线传感网（WSN）通信与网络

1 WSN的物理层

1.1 设计要素

• 干扰适应和鲁棒性：适应多样、复杂环境，网络节点密度变化，适应多信道；
• 较大通信覆盖范围：支持多种数据传输模式，兼容短距离与长距离；
• 低能耗与低成本；
• 与现存通信标准兼容：IEEE 802.11，IEEE 802.15.4，其他NFC标签。

1.2 频段选择

超高频，0.3~3GHz，分米波，空间波。

1.3 通信信道

多径信道：电波在传播过程中遇到障碍物产生反射、折射或衍射等，导致接收端收到的信号存在多种反射波。

2 WSN的MAC协议

2.1 基于竞争的MAC

特点

• 节点发送数据时主动抢占信道；
• 信道竞争采用CSMA方式；
• 按需分配信道；
• 节点为非协同工作方式。

典型协议
S-MAC、T-MAC、Sift。
优点

• 自适应网络流量和规模变化；
• 自适应网络拓扑结构变化；
• 算法简单易实现。

2.2 基于固定分配的MAC

特点

• 将一个物理信道分为多个子信道；
• 将子信道静态或动态分配给需要通信的节点；
• 最大限度节约能耗。

典型协议
TRAMA、SMACS、D-MAC、BMAC。
优点

• 节点间通信无冲突；
• 无需过多的控制信息；
• 更易于节点休眠调度；
• 不会出现隐藏站或暴露站问题。

缺点

• 需要严格的时间同步；
• 信道利用率不高；
• 硬件设备开销大。

2.3 混合型的MAC——TMCP

特点

• 适用于簇树状拓扑；
• 每颗子树分配一个信道；
• 子树内的节点采用CSMA/CA。

缺点

• 协议复杂，实现困难；
• 子树内的干扰仍存在；
• 相邻非同一子树的节点间无法直接通信。

3 WSN拓扑控制

3.1 意义

• 减少节点通信负载，提高通信效率；
• 减少网络能耗，延长网络寿命；
• 辅助路由协议。

3.2 内容

• 连通与覆盖：拓扑控制前后，网络连通能力不变，消除冗余覆盖；
• 吞吐量：化简后的网络拓扑能支持与原始网络相似的通信量；
• 扩展性；
• 鲁棒性：网络变化时，拓扑结构只需要少量调整。

3.3 方法1：功率控制机制

调整节点发射功率，保证网络连通，均衡节点直接邻居数目，降低节点间通信干扰。
（1）邻近图算法；
（2）基于邻居数的拓扑控制方法：本地平均算法（LMA），本地邻居平均算法（LMN）。

3.4 方法2：层次拓扑控制

网络中部分节点激活，成为簇头，由这些簇头构建一个网络来处理传输数据，并（不）定期重选簇头，以均衡节点能耗。

3.4.1 LEACH

步骤

• 选簇头：节点生成随机数R，若R小于阈值T(n)，则选为簇头，
  其中，p为成为簇头的百分数，r为当前轮数，G为最近1/p轮中未当选 簇头的节点集合；
• 建立连接：簇头广播，其余点根据消息强度决定加入哪个簇，并告知簇头，完成簇的建立过程；
• 簇内采用TDMA，簇间采用CDMA；
• 稳定阶段簇头融合各节点数据→汇聚节点→监控中心；
• 一段时间后，网络进行簇重建。

优点

• 减少冗余数据；
• MAC层使用TDMA、CSMA、CDMA处理冲突问题；
• 能耗平均负载到各节点；
• 层次路由，路径选择简单，不用存很大的路由信息。

缺点

• 簇头随机性强，簇头分布不均；
• 簇头节点能耗过快：数据融合与传输；
• 簇内要求时间同步；
• 节点间、节点与sink点间直接通信，扩展性差、能耗更大。

改进
①LEACH-MH算法：采用簇头多跳传输；
②LEACH-COOP算法：采用簇内选更好的协同节点发送数据到sink节点。

3.4.2 GAF：基于地理位置的拓扑控制算法

步骤

• 划分虚拟单元格
  
  划分必须保证
  
  其中，r为单元格边长，L为节点通信半径；
• 选簇头：每个单元格内竞争选出簇头，然后簇头间建立连接；
• 定期重选（轮转）。

优点
最大化使大部分节点睡眠，节省网络总能耗。
缺点

• 没有考虑节点剩余能量；
• 单元格内保持时间同步；
• 没有考虑移动节点的存在；
• 负载不均匀，在sink节点附近的单元格能耗严重，容易失去与sink节点相邻单元格的通信，造成网络断开。

4 WSN路由

4.1 分类

• 事件触发模式
• 周期采样模式
• 查询模式
• 混合模式

4.2 以数据为中心的路由

4.2.1 泛洪路由（Flooding）

S节点将数据传给所有邻居节点，所有邻居节点又传给他们的邻居节点（除了刚发给他们数据的节点），直到目标节点D接收到数据为止。
优点

• 简单；
• 不用保持网络拓扑信息和实现复杂路由发现算法而消耗计算资源；
• 适用于健壮性要求高的场合。

缺点

• 信息内爆：节点间循环发送；
• 部分重叠；
• 盲目使用资源，不考虑节点能量问题。

4.2.2 无结构路由协议（SPIN）

节点收到数据包后，广播ADV数据包给所有邻居节点；邻居节点接收ADV数据包，若可以接收数据，则单播REQ数据包；节点收到REQ数据包，开始发送DATA数据包。

邻居节点如何判断是否可以接收数据？
SPIN-EC：是对SPIN的改进，考虑节点功耗，只有能够顺利完成所有任务且能量不低于设定阈值的节点才可以参与数据交换。

4.2.3 定向扩散路由

步骤

• 兴趣传播：汇聚点洪泛广播兴趣消息；
• 梯度建立：建立从数据源到达汇聚点的传输梯度，数据源收到查询任务后，沿梯度方向将数据送到汇聚点；
• 路径加强：汇聚点收到各路径的数据后，择优选择增强路径。

缺点

• 不适用于环境监测的WSN；
• 梯度建立开销大，不适合多sink点网络；
• 数据融合过程采用时间同步，开销和时延较大。

4.3 基于集群结构的路由——PEGASIS

在节点中采用链式结构进行链接：每个节点确定最近的邻居，调整信号强度使得只有这个邻居听到；链中每个节点向邻居节点发送数据，只选一个节点作为链首，向汇聚节点传输数据。
优点

• 减少LEACH簇重构开销；
• 减少收发次数，从而降低能耗。

缺点

• 实际节点一般采用多跳到达sink；
• 仍需动态调整拓扑结构，造成开销；
• 远距离节点引起过多数据延迟，链首节点唯一性。

4.4 基于地理位置的路由

4.4.1 GPSR路由

各节点尽量沿直线转发数据，即向以欧氏距离计算最靠近目的节点的邻节点转发数据。
优点

• 避免节点建立、维护、存储路由表；
• 数据传输时延小，保证网络连通性。

缺点

• 需要定位系统协助计算节点位置；
• Sink点和源节点分别集中在两个区域，通信量不平衡，易导致部分节点失效，破坏了网络连通性；
• 出现没有比当前节点更靠近目的节点的邻节点时，产生空洞，无法传输。

可采用边界转发解决。

4.4.2 TPGF路由

首先，同GPSR相似，找出一条到目的节点的路径，不同的是，路径节点上有节点号，节点号在寻路的过程中依次递减；然后，目的节点返回确认包，只向路径中节点号最大的邻居节点传送确认包，从而消除环路，得到强化路径。

4.5 面向QoS的路由

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