第5章 无线传感器网络的传输协议-郑军
无线传感器网络简介资料
在桥梁结构监测中的应用
在旧金山，200个联网微尘(mote)已被部署在 金门大桥。这些微尘用于确定大桥从一边到另一边 的摆动距离。当微尘检测出移动距离时，它将把该 信息通过网络传递出去。信息最后到达一台更强大 的计算机进行数据分析。任何与当前天气情况不吻 合的异常数据都可能预示着大桥存在隐患。系统将 根据这一信息通知工程师对其进行修缮，以确保桥 梁在遭受地震或其它自然灾害时仍保持完好无损。
传感器网络概述
传感器网络的组织结构 传感器网络的特征 传感器网络的应用 传感器网络的体系结构 传感器网络的通信协议 传感器网络的关键技术和研究现状
3.1 传感器网络应用分类
事件驱动（event-driven）
例如，目标探测、森林火灾及地震等灾害监测。
请求驱动（demand-driven/Store-andForward）
the cost of a single node is very important to justify the overall cost of the network
Operating environment
The bottom of an ocean The biologically or chemically contaminated
传感器网络概述
传感器网络的组织结构 传感器网络的特征 传感器网络的应用 传感器网络的体系结构 传感器网络的通信协议 传感器网络的关键技术和研究现状
2.1 与现有网络的区别
无线网络可分为3类：无线宽带网络（包括GSM、 CDMA、3G、4G、WLAN和WMAN）、Ad hoc 和WSN
无线传感器网络技术已经在我国中长期发展规划中被列为 重点发展方向之一。 2004年自然科学基金资助的重点研究项目：基于无线传感 器网络:煤矿瓦斯灾害基础研究重点 项目指南-煤矿瓦斯传感技术和预警信息系统基础理论与关 键技术 2006年自然科学基金重点项目:水下移动传感器网络的关键 技术 2006年8月公布的十一五863计划信息技术领域2006年度专 题课题申请指南：设置“智能感知与先进计算技术”、“自组
无线传感网2
刘 强 仲伟冲
无线传感器网络MAC协议的特点
如同其它的介质共享的网络一样, 介质接人控制是保 证网络有效运行的一项重要技术。MAC协议的一项基本任务 就是解决多个节点对共享介质的接入控制问题, 避免相关 节点的冲突。具体对于无线传感器网络而言, 要想设计一 个性能良好的MAC协议,我们必须考虑以下几点： （1）耗能效率 （2）网络规模
(2)基于TDMA的MAC协议 该类协议基于介质的预留与调度, 因为它的任务 周期较小而且没有冲突和控制开销, 所以较基于竞争 的协议有着节能上的优势。但是使用该类协议, 节点 要形成物理上的簇进行通信。大部分节点的通信也会 受到簇的限制。同时, 簇内的通信与干扰的管理也是 一项复杂的工作, 而且随着簇内节点数目的变化, 动 态改变侦长度和时隙配置也不简单, 因此, 使用该种 协议时网络的稳健性以及协议实现的简单性将不如基 于竞争的一系列协议。
由于睡眠的引人,节点不一定能及时传输数据,而使网络的时 延有所上升,吞 吐量有所下降。另外,SMAC的不足之处在于: 节点的任务周期在开 始工作时就已经确定下来,不能根据网 络中的业务量变化进行调整。该协议是接下来多个协议的基 础,同时它的这个不足也成为后来 一 些协议改进的突破口。
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自适应睡眠的SMAC
该种机制中,如果节点在进人睡眠之前串听到了邻居节点的传输(理想状 态是只听到RTS/CTS),则根据其中的DURING字段判断此次传输所需要的时间, 然后在相应的 时间后醒来 一 小段 时 间 (该小段时间称为自适应听间隔)。如 果此时发现自己恰好是传输的下一跳 节 点,则 它 的邻 居 节 点 便可 以 立 即 传送 数据 给 它 而不 必 再去 等 待进 度 表 中侦 听 时 间 到 来。如 果节点在 此段时间没有收到 任何数据,即不是当前传输的下一跳节点,而它将返回睡眠 状态直到调度表中的侦听时间到来。值 得 注 意 的是,自适应听间隔不包括发 送同步分组的 时间。因为同步分组只在调度表的侦听时 间 内发送以确保所 有 的邻居节点都可以收到,达到同步的目的。在时延方面,由于节点性能随着 传输自适应 醒 来,所以该协议显然优于SMAC,尤其是在跳数较多的情况下。同 时在网络负载相对较小时,自适应睡眠的smac的耗能也将比smac小很多。而 吞吐量方面,虽然自适应睡眠的SMAC会随负载的减小而减小,但总体仍会优于 SMAC。
无线传感器网络的MAC协议全解
基于竞争的MAC层协议
S-MAC协议
基于竞争的MAC层协议
有“自适应侦听”机制的S-MAC协议
◆节点A、B确立通信关系时，节点C通过B的CTS帧内duration(持续 时间)字段得知信道通信结束时间。 ◆在节点A、B传输结束时，C立即唤醒自己，与B建立通信关系。 ◆两跳外的节点不参与其中。 ◆优点：提高通信效率。 ◆缺点：所有接收到RTS和CTS帧的节点，都会被唤醒，增加了能 耗和串音的几率；缺乏多跳感知能力。
基于竞争的MAC层协议
DMAC协议
数据预测机制
◆在数据采集树中，越靠近上层的节点，汇聚的数据越多，对树的 底层节点适合的占空比不一定适合中间节点 ◆如果一个节点（父节点）在接收状态下接收到一个数据包，该节 点预测子节点仍有数据等待发送。在发送周期结束后再等待3μ个周 期，节点重新切换到接收状态 ◆在前一周期竞争信道失败的子节点侦听到父节点的ACK帧，知道 父节点将在3μ后醒来，据此调整自身调度计划，在3μ后唤醒自己与 父节点建立通信
基于竞争的MAC层协议
B-MAC协议
S-MAC协议采用忙闲比模式，忙闲比模式在能耗方面主要问题： 1、节点需要定期发送消息，如SMAC中的SYNC数据包； 2、节点在侦听期间需要开启接收机等待可能到来的数据包。
B-MAC协议基于两种机制： ◆低功耗侦听（Low Power Listening，LPL）的休眠/唤醒调度机制， 也称前同步码采样机制 ◆空闲信道评估（Clear Channel Assessment，CCA）机制
基于竞争的MAC层协议
DMAC协议
DMAC（Dynamic SMAC）基于SMAC和TMAC思想，采用预先分配方法 来避免睡眠延迟，在信道分配方面引入一种交错呼醒机制。
无线传感器网络中的安全通信协议设计与分析
无线传感器网络中的安全通信协议设计与分析无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，简称WSN）是一种由众多分布式节点组成的网络系统，这些节点将传感器、计算和通信功能集成在一起，用于监测和控制环境中的各种事件和物理现象。
安全通信协议设计与分析是保障无线传感器网络安全的重要一环，它涉及到保证网络中的数据传输安全、节点身份验证以及抵御各种网络攻击的能力。
为了保证无线传感器网络的安全通信，首先需要解决数据传输安全的问题。
数据传输过程中可能会受到窃听、篡改和重放等攻击。
传统的加密技术，如对称加密算法和非对称加密算法，可以用于保护数据的机密性。
对称加密算法采用相同的密钥进行加密和解密，具有较高的加密和解密效率，适合用于无线传感器节点资源有限的情况。
非对称加密算法则采用不同的密钥进行加密和解密，具有更高的安全性和密钥管理能力，适合用于节点之间的身份验证和密钥协商。
此外，可以结合哈希算法和消息认证码等技术，保证数据完整性和认证性，避免数据被篡改。
其次，无线传感器网络中的安全通信协议还需要考虑节点的身份验证。
确保节点的身份合法性，可以避免伪造节点对网络进行攻击。
常用的身份验证方法包括数字证书和公钥基础设施（PKI），通过使用数字签名、证书链和信任中心等机制，保证节点的身份和信息的可信度。
此外，还可以利用基于密码哈希函数的身份验证协议，如零知识证明和基于零知识证明的身份验证协议等，实现节点身份的匿名性和隐私保护。
在无线传感器网络中，节点容易受到各种网络攻击，如黑客入侵、拒绝服务攻击和数据欺骗等。
因此，安全通信协议设计与分析还需要考虑抵御这些网络攻击的能力。
针对黑客入侵，可以利用入侵检测和入侵响应技术，实时监测和识别异常节点或攻击行为，及时采取相应的安全措施。
对于拒绝服务攻击，可以通过资源分配、任务调度和负载均衡等策略，提高网络的抗攻击能力。
针对数据欺骗攻击，可以利用信任管理和数据完整性验证等技术，确保数据的可信度和完整性。
无线传感器网络中传输协议的研究与改进
无线传感器网络中传输协议的研究与改进随着物联网的发展和应用，无线传感器网络被广泛应用于环境监测、农业、交通、医疗等领域。
无线传感器网络具有低功耗、低成本、自组织等特点，能够实现多种应用场景和需求。
然而，由于传感器节点间通信的距离有限、信号传输容易受到干扰等因素的影响，传输协议的设计对无线传感器网络的性能和能耗有着至关重要的影响。
本文将从传输协议的角度探讨无线传感器网络的研究和改进，以期为无线传感器网络的发展和应用提供一些思路和参考。
一、传输协议的基本原理传输协议是无线传感器网络中数据传输的核心，具有数据传输可靠性、通信能耗等方面的特点。
传输协议通常可以分为MAC层和网络层两个部分，其中MAC层负责节点之间的数据传输，网络层负责路由选择和数据转发。
传输协议的主要功能包括信道访问、能量管理等。
同时，为了提高数据传输的可靠性和效率，对于无线传感器网络中数据包的格式和长度等方面的设定也具有重要的影响。
二、传输协议的研究现状当前，无线传感器网络的传输协议研究主要集中在两个方向，一方面是对传输协议的性能进行实验验证和分析，评估不同协议的适用性和可靠性；另一方面是通过改进算法和优化协议，提高传输协议的性能和效率。
在传输协议的性能分析方面，目前常用的评价指标为数据可靠性、数据传输延迟、网络能耗，其中数据可靠性是衡量传输协议性能的一个重要指标，其次是数据传输延迟和网络能耗。
对于不同的应用场景，可以进一步选择相应的评价指标，进行个性化的评估和分析，从而更好地满足特定应用的需求。
在传输协议的改进方面，目前主要采用的策略包括：协议优化、协议混合、协议设计等。
协议优化采用改进算法的方式，由于传输协议的的架构和设计都是固定的，因此通过算法优化能够实现快速的改进，同时不影响网络架构的整体性。
例如，目前常用的协议有LEACH、PEGASIS等，以及其升级版LEACH-M等，这些协议均有一定的优化算法，能够有效减小能耗和延迟等问题。
物联网中的无线传感器网络与协议
物联网中的无线传感器网络与协议随着物联网技术的迅猛发展和智能化需求的不断增长，无线传感器网络成为物联网的重要组成部分。
本文将探讨物联网中的无线传感器网络和相关协议，以及其在各个领域中的应用。
1. 无线传感器网络概述无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）是由大量互相连接的无线传感器节点组成的网络。
这些节点分布在被测区域，能够感知并采集环境参数，通过无线方式进行通信。
2. WSN的节点结构与功能WSN的节点包括传感器、处理器、无线通信模块和能量供应模块。
传感器负责采集环境信息，处理器进行数据处理，无线通信模块实现节点间的通信，能量供应模块提供电源支持。
3. WSN协议栈WSN协议栈包括物理层、数据链路层、网络层和应用层。
物理层负责无线信道的传输，数据链路层处理数据的可靠传输，网络层负责路由选择和网络管理，应用层处理具体的应用需求。
4. WSN协议4.1 IEEE 802.15.4IEEE 802.15.4是一种低速、低功耗的无线通信标准，适用于WSN中的短距离通信。
它定义了物理层和MAC层协议，能有效降低能耗，提供可靠的数据传输。
4.2 ZigBeeZigBee是基于IEEE 802.15.4标准的高层协议栈，提供更高级的网络管理和应用支持。
它广泛用于家庭自动化、工业控制和智能建筑等领域。
4.3 6LoWPAN6LoWPAN（IPv6 over Low-power Wireless Personal Area Networks）将IPv6协议栈应用于WSN中，实现了对WSN节点的独立寻址和互联。
它为WSN的Internet互联提供了技术支持。
4.4 RPLRPL（Routing Protocol for Low power and Lossy Networks）是一种WSN中的路由协议，用于选择优化的传输路径和建立网络拓扑结构。
它提供了能耗优化和网络可靠性的支持。
无线传感器网络通信协议
要点二
基于协调的MAC协议
节点通过与其它节点协调，分配无线 信道的使用权，例如TDMA（Time Division Multiple Access）和 FDMA（Frequency Division Multiple Access）等。
要点三
基于混合的MAC协议
结合了竞争和协调两种方式，例如 CDMA（Code Division Multiple Access）和OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiple Access）等。
用于农田管理、作物协议的重要性
无线传感器网络通信协议是WSN的核心技术之一， 对于网络的性能和稳定性起着至关重要的作用。
通信协议需要满足低功耗、可扩展性、安全性、可 靠性等要求，以适应不同的应用场景和需求。
采用高效的通信协议可以提高网络的寿命、降低能 耗，同时保证数据传输的实时性和准确性。
常见的MAC协议比较
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CSMA/CA和CSMA/CD ：这两种协议简单易实现 ，适用于小型网络。但它 们在大型网络中性能较差 ，因为它们不能很好地处 理节点之间的干扰和碰撞 。
TDMA：TDMA将时间划 分为多个时隙，每个节点 只能在特定的时隙内进行 数据传输。它适用于大型 网络，但实现较为复杂。
安全与隐私保护研究
• 总结词：安全与隐私保护是无线传感器网络通信协议的重要 研究课题，旨在保障网络数据安全和用户隐私。
• 详细描述：无线传感器网络面临着多种安全威胁和隐私泄露 风险，如恶意攻击、数据窃取、节点伪造等。因此，研究安 全与隐私保护机制至关重要。目前，研究工作主要集中在加 密算法、访问控制、安全认证等方面。例如，基于公钥加密 算法的密钥分配机制，保证数据传输和存储的安全性；基于 属性基密码的访问控制机制，根据用户属性授予相应权限； 基于联邦学习的安全认证机制，保护节点身份隐私和数据安 全。此外，还有一些研究工作致力于开发轻量级安全协议和 隐私保护技术，提高网络安全性。
一种适用于无线传感器网络的跨层高效MAC协议
一种适用于无线传感器网络的跨层高效MAC协议郑国强;孙若玉;李济顺【期刊名称】《传感技术学报》【年(卷),期】2009(022)001【摘要】为了延长网络的寿命,实现能量的高效利用是无线传感器网络应用的主要目标,MAC协议的能效性直接关系到网络的能耗,但采用分层方法的MAC协议无法实现最优的节能效果.本文基于跨层的方法提出了一种能量高效MAC(cross layer energy efficient MAC,CLEE-MAC)协议.该协议在自适应S-MAC(adaptive sensor MAC,AS-MAC)协议基础上,通过利用路由层的路由表信息,改变AS-MAC 协议的控制帧格式,有效解决了AS-MAC协议中因"强迫唤醒"造成的能量浪费问题,延长了网络的寿命.理论分析和仿真验证均表明,随着节点密度的增加,CLEE-MAC 协议的节能增益随网络密度线性增大.【总页数】5页(P95-99)【作者】郑国强;孙若玉;李济顺【作者单位】河南科技大学电子信息工程学院,河南,洛阳,471003;河南科技大学电子信息工程学院,河南,洛阳,471003;河南科技大学省机械设计及传动系统重点实验室,河南,洛阳,471003【正文语种】中文【中图分类】TN915.04【相关文献】1.一种基于跨层优化的低延迟无线传感器网络MAC协议 [J], 王罗;李云;刘占军;赵为粮2.一种能量高效的WSN跨层设计MAC协议 [J], 陈伟;程良伦3.Eμ-MAC:一种高效的混合型无线传感器网络MAC协议 [J], 古连华;程良伦4.一种适用于无线传感器网络的功率控制MAC协议 [J], 李方敏;徐文君;高超5.一种适用于无线传感器网络的混合MAC协议 [J], 吴丽杰;张璐璐;唐珊因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
第5章 无线传感器网络简介 《物联网技术与应用(第2版)》课件
无线传感器网络的体系结构由分层的网络通信协议、 网络管理平台以及应用支撑平台这三个部分组成。
应用支撑平台
应用服务接口
网络管理接口
应用层
(1)时间同步
(2)定位
(3)应用服务接口
(4)网络管理接口
无线传感器网络的特点 (1)分布式 (2)自组织 (3)拓扑变化 (4)多跳路由 (5)安全性差
无线传感器网络与无线自组网络有着许多相似之处， 但是无线自组网络以传输数据为目的，致力于在不依 赖于任何基础设施的前提下为用户提供高质量的数据 传输服务；而无线传感器网络以数据为中心，将能源 的高效使用作为首要设计目标，专注于从外界获取有 效信息。除此之外，无线传感器网络还具有以下一些 区别于无线自组网络的独有特征。
2．无线传感器网络 1) Sensor IT 2)WINS 3)Smart Dust 4)Sea Web 5)Hourglass 6)Sensor Webs 7)IrisNet 8)NEST
3．普适计算 1991年，Mark Weiser提出了“普适计算(Pervasive
欧盟的EYES(自组织和协作有效能量的传感网络)是 为期3年的一项计划，从2002年开始实施。研究的范 围包括分布式信息处理、无线通信和移动计算。该项 目集中研究体系结构，协议和软件，使结点“聪明”， 自组织及相互协作。他们提出应具备的两层结构，低 层处理传感器和传感网络，上层则根据低层提供的信 息，为应用提供服务。在通信网络方面开发的新技术 包括内部传感器结构，分布无线接入，路由协议，可 靠的端到端传输，节点时间同步和定位；在服务层， 支持移动传感器应用，包括信息收集、查找、发现和 安全等。
无线传感器网络路由协议
无线传感器网络的关键技术有路由协议、MAC协议、拓扑控制、定位技术等。
路由协议：数据包的传送需要通过多跳通信方式到达目的端，因此路由选择算法是网络层设计的一个主要任务。
路由协议主要负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点，它主要包括两个方面的功能：1.寻找源节点和目的节点间的优化路径。
2.将数据分组沿着优化路径正确转发。
无线传感器与传统的无线网络协议不同之处，它受到能量消耗的制约，并且只能获取到局部拓扑结构的信息，由于这两个原因，无线传感器的路由协议要能够在局部网络信息的基础上选择合适路径。
传感器由于它很强的应用相关性，不同应用中的路由协议差别很大，没有通用的路由协议。
无线路由器的路由协议应具备以下特点：（1）能量优先。
需要考虑到节点的能量消耗以及网络能量均衡使用的问题。
（2）基于局部拓扑信息。
WSN为了节省通信能量，通常采用多跳的通信模式，因此节点如何在只能获取到局部拓扑信息和资源有限的情况下实现简单高效的路由机制，这是WSN的一个基本问题。
（3）以数据为中心。
传统路由协议通常以地址作为节点的标识和路由的依据，而WSN由于节点的随机分布，所关注的是监测区域的感知数据，而不是具体哪个节点获取的信息，要形成以数据为中心的消息转发路径。
（4）应用相关。
设计者需要针对每一个具体应用的需求，设计与之适应的特定路由机制。
现介绍几种常见的路由协议（平面路由协议、网络分层路由协议、地理定位辅助路由协议）：一、平面路由协议平面路由协议中，逻辑结构时平面结构，节点间地位平等，通过局部操作和反馈信息来生成路由。
当汇聚点向某些区域发送查询并等待来自于这些区域内传感器所采集的相关数据，其中的数据不能采用全局统一的ID，而是要采用基于属性的命名机制进行描述。
平面路由的优点是结构简单、鲁棒性（即路由机制的容错能力）较好，缺点是缺乏对通信资源的优化管理，对网络动态变化的反应速度较慢。
其中典型的平面路由协议有以下几种：1.1.洪泛式路由（Flooding）：这是一种传统的网络通信路由协议。
009043无线传感器网络的通信协议
引言无线传感器网络（W i r e l e s s S e n s o r Network，WSN）是大量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，其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息，并把信息报告给用户。
网络中的传感器节点除了具有信息采集和处理功能外，还具有路由转发和网内处理功能。
无线传感器网络（本文简称传感器网络）通过汇聚节点（sink node）收集传感器节点（sensor node）采集的数据，实现传感器网络与互联网或用户的连接。
无线传感器网络具有许多显著特点，特别是：（1）资源受限 传感器节点通常是微型、成本低廉的嵌入式设备，其存储能力、处理能力、通信带宽和携带的能量都非常有限；（2）要求具有自组织能力很多情况下，传感器节点放置在没有部署信息基础设施的地方；而且，既不能预先精确设定传感器节点的位置，也不能预先知道节点之间的相互邻居关系。
因此，需要节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理；（3）网络拓扑动态变化 由于环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化，甚至时断时通；或者环境因素或电能耗尽造成传感器节点出现故障或失效；或者传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三孙利民 刘俊涛 何庆伟中国科学院软件研究所无线传感器网络的通信协议要素都可能具有移动性等等众多因素，使得传感器网络的拓扑结构不断改变；（4）规模大包括两方面的含义：一方面，有些情况下，需要在大范围部署相当数量的传感器节点，如对森林、草原、湿地的环境监测；而在另外的一些应用场合，传感器节点部署可能很密集——在一个面积不大的区域内，传感器节点数量却十分庞大，如仓库、商场。
上述特点使得已有网络协议往往不能适应传感器网络的要求。
同时，由于传感器网络是应用相关的网络，所以针对不同应用的网络，其拓扑结构、网络规模和需求差别很大。
随着近几年传感器网络成为IT信息技术领域研究的一个非常活跃的热点，人们提出了大量的从底层物理层到高层的通信协议。
无线传感器网络中的协议研究
无线传感器网络中的协议研究一、前言随着科技的进步，无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）在各种领域中得到了广泛的应用，如环境监测、智能家居、无人机控制等。
其中，WSN 的协议是关键因素之一，它决定了整个网络的可靠性和稳定性。
因此，协议的研究在 WSN 技术的发展过程中占据着重要地位。
二、WSN 协议的分类WSN 协议根据不同的参数可以分为多种类型，如路由协议、传输协议、链路层协议、网络层协议等。
其中，路由协议是 WSN 协议中最为重要和复杂的一种协议，其目的是优化网络中的数据传输，减少能量消耗，增加网络的生命周期。
WSN 的传输协议主要解决数据的收发问题，链路层协议负责处理数据的传输和丢失、重传等问题，而网络层协议则是负责将数据传输到指定的节点。
三、WSN 路由协议研究1. 传统路由协议在 WSN 技术初期，传统路由协议如 AODV、DSDV 等经常被使用。
然而，这些传统路由协议存在一定的问题，例如数据包路由不稳定、能量消耗高等，这些问题限制了 WSN 的发展。
2. 新型路由协议为了解决传统路由协议存在的问题，近年来，研究人员提出了一种新型路由协议 - 汇聚树路由协议（Convergecast Tree routing protocol）。
该协议采用基于树的多路径路由机制，可以有效减少无用数据包的路由，降低网络能量消耗，提高网络的生命周期。
另外，基于混沌理论的路由协议也是近年来研究的热点之一。
与传统的路由协议不同，该协议可以利用混沌动力学的固有特性，提高网络的稳定性和安全性。
四、WSN 传输协议研究1. 拥塞控制协议WSN 的传输协议必须考虑拥塞控制的问题，避免网络过载而导致的数据包丢失等问题。
因此，在 WSN 技术中，拥塞控制协议成为了不可缺少的组成部分。
现有的拥塞控制协议主要有 AQM（Active Queue Management）、RED（Random Early Detection）和 TCP等协议。
无线传感器网络课件 第五章 无线传感器网络-传输协议
传输层 ---- 从汇聚节点到传感节点的传输
基于数据流的可靠传输协议
1、ESRT协议
主要针对以数据为中心的应用，通过自动 配置网络来实现可靠数据传输。
ESRT协议要求汇聚节点根据一个周期内 成功接收到的数据包流量计算可靠度，通过 调整源节点发送速率来调节网络状态。
可靠传输协议
基于数据块的可靠传输协议 PSFQ（Pump Slowly, Fetch Quickly）为
无线传感器网络的重编程或重新指定任务提供了 可靠传输，并提供了到接收端延迟保证。源节点 低速向网络注入数据包以避免网络拥塞，接收节 点有足够的时间来检测这些数据包是否丢失，假 如发生丢失就请求重传。当节点收到的包序号不 等于上一个包序号加1，那么就认为有包丢失。 这个节点在收到正确的包之前停止继续发送包。
技术挑战
满足可靠传输和服务质量降低能耗、存储 空间消耗
多对一传输模式，汇聚节点附件拥塞和能量消 耗较多
不同的应用对多个性能指标有不同的偏重、在 不同的性能指标上实现最佳的平衡
拥塞控制基本机制
拥塞是一种网络状态：当网络中传输的数据超过 网络的负载能力时，网络性能随网络负载的增 加而急剧下降。
PSFQ协议主要由Pump、Fetch、Report三种操 作构成。
Pump：汇聚节点给数据块中的数据段分配序列号， 并采用Mac层广播的方式依次发送各数据段的操 作。
Fetch：节点发现某数据段丢失后暂停数据转发， 存储该数据段并向上游节点发送Nack包请求重 传丢失的数据段，待收到所有丢失数据段后再按 顺序转发。
（2）流量调度 通过绕路、分流或重定向等方式来减小拥塞区域 的数据流。
一种同步无线传感器网络的MAC协议通信方法与装置[发明专利]
![一种同步无线传感器网络的MAC协议通信方法与装置[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/ddc706d40912a21615792988.png)
专利名称：一种同步无线传感器网络的MAC协议通信方法与装置
专利类型：发明专利
发明人：郑国强,李济顺,亢丙午,李佩佩,孙亚茹,冀保峰,马华红,祁志娟
申请号：CN201410139403.4
申请日：20140408
公开号：CN104302010A
公开日：
20150121
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及一种同步无线传感器网络的MAC协议通信方法与装置，本发明在节点生命期内采用周期调度的工作方式，将节点每个循环周期分为同步时段、忙音侦听/发送时段、信道预约时段、睡眠时段，使得节点在每个时段能根据局部的侦听结果，执行不同的操作，降低节点空闲侦听的时间，实现在一个循环周期的数据多跳预约连续传递，适应数据发送及时性的要求，使得节点周期侦听/睡眠的占空比随着业务的变化动态变化，大大地节省了节点的能量消耗。
同时，通过在信道预约时段的中继节点选择，将信道预约和路由选择结合在一起，减少了控制开销，实现简单。
申请人：河南科技大学
地址：471003 河南省洛阳市涧西区西苑路48号
国籍：CN
代理机构：郑州睿信知识产权代理有限公司
代理人：胡泳棋
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无线传感器网络中的数据交换协议研究
无线传感器网络中的数据交换协议研究近年来，随着科技的发展和各种智能设备的普及，无线传感器网络（Wireless Sensor Network，简称WSN）逐渐成为研究的热点。
WSN是由大量的分布式无线传感器节点（Sensor Node）组成的网络，用于感知、采集和传输数据。
在WSN中，数据交换协议是保证数据传输成功的基础，在数据交换协议方面的研究也备受关注。
一、WSN中的数据交换协议1.1 数据交换协议的定义数据交换协议是一种共识，它为网络中的节点提供了一种特定的通信方法，使网络能够进行数据交换。
它是在各种约束下的一种集成规则，规定了通信网络在数据传输方面的交互行为、数据格式、数据传输时序等。
目的是使通讯双方能够正确理解对方输送的信息，保证数据传输质量，并实现网络间的互联互通。
1.2 WSN中的数据交换协议分类WSN中的数据交换协议分类有很多，常见的有以下几种：（1）定向（Directional）：规定不同节点之间的通信方向。
（2）控制（Control）：用于控制节点的活动状态，包括节点的启动和停止，以及对节点的通信和路由操作等。
（3）数据传输（Data Transmission）：用于控制节点之间的数据传输规则，包括数据的格式和传输时序等。
1.3 数据交换协议在WSN中的作用数据交换协议是WSN中实现数据传输的基石，为WSN提供了创建网络、节点通信、数据采集和传输、网络维护、节点协作和节能等多方面的支持。
二、WSN数据交换协议的研究现状2.1 WSN数据交换协议的种类在WSN中，数据交换协议的种类是非常多的。
其中，有基于路由协议的、基于网络结构的、基于协议栈的、基于数据包交换的等多种类型。
不同类型的协议都具有各自独特的功能和优势，但也存在相应的局限性。
2.2 WSN数据交换协议的研究重点WSN数据交换协议的研究重点主要涉及以下几个方面：（1）定位技术：在WSN中，节点位置的确定对于数据传输和路由选择十分关键。
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运行在传输层的网络协议，主要作用是利用下层提供的服务向上 层提供端到端的可靠、透明的数据传输服务。因此，传输协议需要 支持拥塞控制和差错控制等功能，以提高数据传输的可靠性和网络 的服务质量。同时传输协议的设计必须考虑网络的能量效率，以延 长网络的生存事件。
许多WSN应用要求传感器网络必须具备可靠地端到端的数据传 输功能，虽然高效的MAC协议和路由协议能够在一定程度上缓解网 络拥塞的发生，但仍不够，为了提高数据传输的可靠性和网络的服 务质量，需要采用有效的传输协议来进一步避免或减轻网络中的拥 塞现象。
5.1.1 无线传感器网络传输协议的特点
由于无线传感器网络自身的特点，TCP协议不能直接用于无线传感器 网络，原因如下：
1. TCP协议提供的是端到端的可靠信息传输，而WSN中存在大量的冗余信息， 要求节点能够对接收到的数据包进行简单的处理。
2. TCP协议采用的三次握手机制，而且WSN中节点的动态性强，TCP没有相对 应的处理机制。
5.1无线传感器网络传输层协议概述
传输层是是最靠近用户数据的一层，主要负责在源和目标之间提供 可靠的、性价比合理的数据传输功能。为了实现传输层对上层透明， 可靠的数据传输服务，传输层主要研究端到端的流量控制和拥塞的 避免，保证数据能够有效无差错地传输到目的节点。
传统的IP主要采用TCP协议（传输控制协议），也有的使用UDP协议(用户 数据报协议) ，其中UDP采用的是无连接的传输，虽然能够保证网络的实时 性，时延非常小，但其数据丢包率较高，不能保证数据可靠传输，不适用于 无线传感器网络。 TCP协议提供的是端到端的可靠数据传输，采用重传机制 来确保数据被无误地传输到目的节点。
拥塞控制的目标是避免拥塞或及时检测并缓解网络中出现的拥塞现象，拥塞 控制的设计需要考虑以下几方面：
能量有效性 拥塞控制的开销尽量小，以节省能耗，同时避免因控制开销加剧拥塞的程度
实时性 能够及时地检测到网络的拥塞状况，并且能够在网路发生用赛后短时间内缓
解拥塞，避免拥塞进一步加剧
公平性 保证所有需要发送的节点都有机会发送数据，保证传输的公平性
确定转发速率，以避免拥塞的发生。
基于缓存状态的传输控制主要解决如何避免网络拥塞时的缓存溢出问 题，采用该控制机制，发送节点仅在接受节点的缓存由足够的剩余接收空 间时才向其发送数据，避免了接收节点因缓存溢出而造成的丢包。合理设 置剩余空间的门限值是这种机制需要解决的关键问题。
面向应用 拥塞控制可以采用丢弃过时数据包或调整数据源汇报速率的方法实现，这些
方法的引入会一定程度上影响到感知任务的质量，拥塞控制的设计应满足应用基 本要求为前提
拥塞控制可分为拥塞避免和拥塞消除两种机制
5.3.1拥塞避免机内出现拥塞。
1.速率分配 对网络中各个节点的传输率进行合理的分配和严格的限制来避免拥塞的
6. 最后一点也最重要，在TCP协议中，每个节点都被要求有一个独一无二的 IP地址，而在大规模的无线传感器网络中基本上不可能实现的，也是没 有必要的。
无线Ad Hoc网络是与无线传感器网络最类似的一类网络，其传输协议 也不能直接用于无线传感器网络，原因如下：
1. 无线传感器网络规模较大，一般大规模部署节点，其节点数可能达到无 线Ad Hoc网络的几十倍甚至几千倍。
3. TCP协议的可靠性要求很高，而WSN中只要求目的节点接收到源节点发送 的事件，可以有一定的数据包丢失或者删除。
4. TCP协议中采用的ACK反馈机制，这个过程中需要经历所有的中间节点， 时延非常高且能量消耗也特别大；而WSN中对时延的要求比较高，能量也 非常有限。
5. 对于拥塞控制的WSN协议来说，有时非拥塞丢包是比较正常的，但是在 TCP协议中，非拥塞的丢包会引起源端进入拥塞控制阶段，从而降低网络 的性能。
用户提供可靠的数据传输服务。根据传输数据单位，可分为： 基于数据包的可靠传输
保证单个数据包传输的可靠性 基于数据块的可靠传输
用于网络指令分发等需要大量数据的场合 基于数据流的可靠传输
周期性数据采用汇报适用于数据流的可靠传输
还可以分为基于数据的可靠传输和基于任务的可靠传输（WSN特用的）
5.2无线传感器网络传输协议设计
产生。要求网络中节点能够很好地协调与合作。
理想状况下，合理控制各个节点的传输速率能够有效地避免拥塞和丢包， 提高网络的吞吐量、传输可靠性和其他服务质量指标。但是，考虑到网络 的拓扑、数据准确性、服务质量要求以及无线信道的共享特性等因素，很 难实现全网最优的分布式速率分配。
2.传输控制 节点根据网络参数（节点缓存状态、网络拓扑等）决定是否转发数据或
2. 传感器节点的计算能力和能量存储有限，远小于无线Ad Hoc网络节点。 3. 无线Ad Hoc网络的任务是保证移动借点之间的互联，允许用户动态的移
动、加入或离开，较多使用对等通信方式（P-to-P）；而无线传感网则 以数据为中心，以感知数据及监测为主要任务，主要采用多对一的传输 模式。
2.无线传感器网络传输协议的特点
（1）节能优先 （2）多对一传输模式
上行汇聚传输：拥塞控制和差错控制，实现可靠传输 下行传输：保证指令或查询消息能可靠传达 （3）以数据为中心 （4）应用相关性强
5.1.2 无线传感器网络传输协议的分类
根据功能划分为拥塞控制协议、可靠传输协议、拥塞控制和可靠传输混 合协议三类。
1）拥塞控制协议 用于防止网络拥塞的产生，或缓解和消除网络中已经发生的拥塞现
1.设计目标
能量效率、传输可靠性（数据，任务）、可扩展性、自适应性、服务质量、公平性
2.技术挑战
如何再满足可靠传输和服务质量的情况下尽量降低能耗、减少使用的存储空间是 一个技术挑战 解决局部或全网拥塞控制和能量消耗不均 在不同的性能要求中实现最佳的平衡是一个技术难点
5.3无线传感器网络的拥塞控制基本机制
象，根据控制机制可分为： 面向拥塞避免的协议
通过速率分配或传输控制等方法来避免在局部或全网范围内出现数 据流量超过网络传输能力而造成拥塞的局面。 面向拥塞消除的协议
在网络发生拥塞后通过采用速率控制、丢包等方法来缓解拥塞，并 进一步消除拥塞
2）可靠传输协议 用于保证传感器数据能够有序、无丢失、无差错地传输到汇聚节点，向