無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量最優(yōu)路由協(xié)議研究與仿真碩士學(xué)位論文.doc

中圖分類(lèi)號(hào)： TP393.01 密 級(jí)： 公開(kāi) UDC： 本校編號(hào)： 碩 士 學(xué) 位 論 文論文題目：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量最優(yōu)路由協(xié)議研究與仿真獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果，也不包含獲得 蘭州交通大學(xué) 或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書(shū)而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。學(xué)位論文作者簽名： 簽字日期： 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū)本學(xué)位論文作者完全了解 蘭州交通大學(xué) 有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。特授權(quán) 蘭州交通大學(xué) 可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學(xué)校向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤(pán)。（保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說(shuō)明）學(xué)位論文作者簽名： 導(dǎo)師簽名：簽字日期： 年 月 日 簽字日期： 年 月 日 碩 士 學(xué) 位 論 文無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量最優(yōu)路由協(xié)議研究與仿真The Research and Simulation of Energy Optimal Routing Protocol for Wireless Sensor Network蘭 州 交 通 大 學(xué)Lanzhou Jiaotong University蘭州交通大學(xué)碩士學(xué)位論文學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 日期： 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū)本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日摘 要傳感器、嵌入式計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線通信四大技術(shù)孕育了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種全新的信息獲取和處理、傳輸技術(shù)，通常包含大量的自組織成多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的分布式傳感節(jié)點(diǎn)。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有組網(wǎng)快捷、靈活，且不受有線網(wǎng)絡(luò)約束的優(yōu)點(diǎn)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以被廣泛的應(yīng)用于軍事，商業(yè)，醫(yī)療救護(hù)，環(huán)境監(jiān)測(cè)等多方面，具有廣泛的應(yīng)用前景。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為現(xiàn)代通信技術(shù)中一個(gè)新的研究領(lǐng)域，引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常由大量密集的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，節(jié)點(diǎn)的能源、計(jì)算能力和帶寬都非常有限，傳統(tǒng)的無(wú)線路由協(xié)議不適合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)是有效節(jié)約能源，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期。本文主要對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議進(jìn)行了研究，主要工作包括以下幾個(gè)方面： (1)根據(jù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計(jì)的要求，對(duì)經(jīng)典的路由協(xié)議進(jìn)行分析比對(duì)分析。 (2)對(duì)經(jīng)典的以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議定向擴(kuò)散算法進(jìn)行學(xué)習(xí)，分析了定向擴(kuò)散協(xié)議的關(guān)鍵技術(shù)。 (3)針對(duì)定向擴(kuò)散協(xié)議存在的一些問(wèn)題，引入了具有能量感知系統(tǒng)的臨時(shí)Sink節(jié)點(diǎn)，提出了改進(jìn)的能量感知擴(kuò)散協(xié)議（EADR）。 在EADR算法中，節(jié)點(diǎn)的興趣是有規(guī)律的擴(kuò)散，并采用遞歸方式進(jìn)行梯度建立和路徑加強(qiáng)。(4)在MATLAB仿真平臺(tái)上，對(duì)原定向擴(kuò)散協(xié)議與EADR能量感知擴(kuò)散協(xié)議進(jìn)行仿真比較。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)后的路由協(xié)議EADR使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)在較低的能耗水平下獲得了較長(zhǎng)的生命周期，具有較好的能量?jī)?yōu)化特性，適合大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)。關(guān)鍵詞:無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，路由協(xié)議，定向擴(kuò)散，EADR 論文類(lèi)型：應(yīng)用基礎(chǔ)研究- I -AbstractWireless sensor network, a new generation of sensor network, was formed by the combination of sensors embedded calculation, network and wireless communication technology. The WSN is widely applied in military, commercial, medical and environment monitoring fields. Because it is flexible and convenient.The wireless sensor network consists of a large quantity of sensor nodes whose power, calculation ability and bandwidth are so limited that traditional wireless routing protocol is not suitable for wireless sensor network, it is the key point to save power and prolong the lifetime of network in the research of wireless sensor network. In the article, we deeply research the router protocol of wireless sensor networks and do some work.According to wireless sensor network routing protocol design desire, we analysis the classic routing protocol.Study of the classic data-centric routing protocol Directed Diffusion proliferation, analysis the directional key technology of Directed Diffusion protocol.Directed Diffusion protocol exist some of the problems, the introduction of energy-aware systems with temporary Sink node to improve the proliferation of energy-aware protocol (EADR). At EADR, the interested data in there have disciplinarian way to diffusion, and use recursive manner to grads constitute and strengthen.In the MATLAB simulation platform, to comparison the Directed Diffusion protocol and Energy aware Diffusion Routing.The simulation results show that the improved routing protocol EADR make the entire network at a lower energy level to obtain a longer life cycle, with a better energy optimization of the characteristics, suitable large-scale network.Key Words：wireless sensor network；routing protocol；directed diffusion；EADR- 1 -目 錄摘 要IAbstractII1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述11.1傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)11.1.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)11.1.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)21.2傳感器網(wǎng)絡(luò)的特征41.3傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧51.4 傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)71.5本論文研究的目的和意義71.6本論文的主要工作和篇章結(jié)構(gòu)82 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議92.1傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層描述92.2典型的MAC層協(xié)議92.2.1 固定分配類(lèi)MAC協(xié)議92.2.2 基于競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)MAC層協(xié)議112.3路由協(xié)議132.4典型的路由協(xié)議142.4.1 泛洪路由協(xié)議142.4.2 以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議162.4.3 可靠路由協(xié)議182.4.4 分層次的路由協(xié)議192.5路由協(xié)議評(píng)價(jià)和設(shè)計(jì)中的考慮因素212.5.1 路由協(xié)議性能評(píng)價(jià)212.5.2路由協(xié)議設(shè)計(jì)中的考慮因素242.6本章小結(jié)253 定向擴(kuò)散協(xié)議的研究與改進(jìn)263.1定向擴(kuò)散協(xié)議算法研究263.1.1 定向擴(kuò)散協(xié)議的能耗模式263.1.2 定向擴(kuò)散協(xié)議的算法細(xì)節(jié)273.2定向擴(kuò)散協(xié)議算法關(guān)鍵技術(shù)283.2.1 興趣擴(kuò)散283.2.2 梯度建立283.2.3 路徑加強(qiáng)293.3定向擴(kuò)散協(xié)議算法的改進(jìn)303.3.1 改進(jìn)算法介紹303.3.2 原算法與改進(jìn)算法的工作周期機(jī)制313.3.3 原算法與改進(jìn)算法的功耗比對(duì)343.4本章小結(jié)364仿真測(cè)試與評(píng)價(jià)374.1仿真平臺(tái)介紹384.2仿真參數(shù)設(shè)置394.3仿真條件假設(shè)394.4仿真場(chǎng)景生成394.5性能評(píng)價(jià)指標(biāo)414.6仿真結(jié)果分析414.7本章小結(jié)50結(jié) 論52致 謝53參 考 文 獻(xiàn)54附錄一 58附錄二 65攻讀學(xué)位期間的研究成果73蘭州交通大學(xué)碩士學(xué)位論文1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱，它們分別完成被測(cè)量對(duì)象的信息提取、信息傳輸及信息處理工作1。目前，信息傳輸與處理技術(shù)已取得突破性進(jìn)展，隨著微電子技術(shù)的高速發(fā)展和工藝的日益成熟，傳感器也朝著集成化、微型化、智能化的方向發(fā)展。在實(shí)際應(yīng)用中，很多數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有采集范圍大、采集點(diǎn)眾多、布線困難等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的傳感器通過(guò)總線方式組網(wǎng)，很難滿足各種應(yīng)用要求。于是，融合了以上三大技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network)應(yīng)運(yùn)而生。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)組成的自組織網(wǎng)絡(luò)，集數(shù)據(jù)的采集、傳輸、融合分析與一體，是信息技術(shù)的一個(gè)新領(lǐng)域，在軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療監(jiān)護(hù)、城市交通管理、倉(cāng)儲(chǔ)管理等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景2。 最早的傳感器網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)在上世紀(jì)七十年代，將傳統(tǒng)傳感器采用對(duì)點(diǎn)傳輸、連接傳感控制器而構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)，我們稱(chēng)之為第一代傳感器網(wǎng)絡(luò)。隨著傳感器技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，傳感器網(wǎng)絡(luò)同時(shí)還具有了獲取多種信息信號(hào)的綜合處理能力，并通過(guò)傳感控制器相聯(lián)，組成了有信息綜合和處理能力的傳感器網(wǎng)絡(luò)，這是第二代傳感器網(wǎng)絡(luò)。而從上世紀(jì)末開(kāi)始，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)，人們用其組建智能化傳感器網(wǎng)絡(luò)，大量多功能傳感器被運(yùn)用，并使用無(wú)線技術(shù)連接，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)逐漸形成。 如果說(shuō)因特網(wǎng)構(gòu)成了邏輯上的信息世界，改變了人與人之間的溝通方式，那么無(wú)限傳感器網(wǎng)絡(luò)就是將邏輯上的信息世界與客觀上的物理世界融合在一起，改變?nèi)祟?lèi)和自然界的交互方式。美國(guó)商業(yè)周刊和MIT技術(shù)評(píng)論在預(yù)測(cè)未來(lái)技術(shù)發(fā)展的報(bào)告中，已分別將無(wú)限傳感器網(wǎng)絡(luò)列為21世紀(jì)最有影響的21項(xiàng)技術(shù)和改變世界的10項(xiàng)技術(shù)之一3-4。1.1傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)1.1.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由一組傳感器以Ad hoc方式構(gòu)成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地理區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并發(fā)布給觀察者5傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1-1所示，傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（Sensor Node）、匯聚節(jié)點(diǎn)（Sink Node）和管理節(jié)點(diǎn)6。大量傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域（Sensor Field）內(nèi)部或附近，具有無(wú)線通信與計(jì)算能力的微小傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織方式構(gòu)成的能根據(jù)環(huán)境自主完成指定任務(wù)的分布式智能化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并以協(xié)作的方式實(shí)時(shí)感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中的信息，最后通過(guò)多跳網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)經(jīng)由Sink節(jié)點(diǎn)鏈路將整個(gè)區(qū)域內(nèi)的信息傳送到遠(yuǎn)程控制管理節(jié)點(diǎn)。反之，遠(yuǎn)程管理節(jié)點(diǎn)也可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和操縱。Internet/通信衛(wèi)星任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)用戶傳感區(qū)域傳感器節(jié)點(diǎn)ABCDESink圖1.1 一個(gè)典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)1.1.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中部署到研究區(qū)域中孕育收集和轉(zhuǎn)發(fā)信息、寫(xiě)作完成指定任務(wù)的對(duì)象。每個(gè)節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行的程序可以是完全相同的，唯一不同的是其ID。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊，處理模塊，無(wú)線通信模塊和能量供應(yīng)模塊四部分組成7-9，如圖1-2所示。存儲(chǔ)器處理器收發(fā)器傳感器數(shù)模轉(zhuǎn)換定位系統(tǒng)能量模塊移動(dòng)系統(tǒng)圖1.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)（1）傳感器模塊：傳感器模塊是硬件平臺(tái)中真正與外部信號(hào)量接觸的模塊，一般包括傳感器探頭和變送系統(tǒng)兩部分，探頭采集外部的溫度、光度和磁場(chǎng)等需要傳感的信息，將其送入變送系統(tǒng)，后者完成將上述物理量轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)可以識(shí)別的原始電信號(hào)，并且通過(guò)積分電路、放大電路的整形處理，最后經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送處理器模塊。對(duì)于不同的探測(cè)物理量，傳感器模塊將采用不同的信號(hào)處理方式。因此，對(duì)于溫度、濕度、光度、聲音等不同的信號(hào)量，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的檢測(cè)與傳感器電路，同時(shí)，需要預(yù)留相應(yīng)的擴(kuò)展接口，以便于擴(kuò)展傳感器等更多的物理信號(hào)量。（2）處理器模塊：處理器模塊是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的核心，負(fù)責(zé)整個(gè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)備控制、任務(wù)分配與調(diào)度、數(shù)據(jù)整合與傳輸?shù)榷鄠€(gè)關(guān)鍵任務(wù)，考慮無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際特點(diǎn)，作為硬件平臺(tái)的中心模塊，除了應(yīng)具備一般單片機(jī)的基本性能外，還應(yīng)該有適合整個(gè)網(wǎng)絡(luò)需要的特點(diǎn)。目前，處理器模塊中使用較多的是ATMEL公司的AVR系列單片機(jī)，它采用RISC結(jié)構(gòu)，吸取了PIC及8051單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，具有豐富的內(nèi)部資源和外部接口。集成度方面，其內(nèi)部集成了幾乎所有關(guān)鍵部件；指令執(zhí)行方面，微控制單元采用Harvard結(jié)構(gòu)，因此，指令大多為單周期；能源管理方面，AVR單片機(jī)提供了多種電源管理方式，盡管節(jié)省節(jié)點(diǎn)能源，可擴(kuò)展性方面，提供了多個(gè)I/O口，并且和通用單片機(jī)兼容，另外，AVR系列單片機(jī)提供的USART（通用同步異步收發(fā)器）控制器，SPI（串行外圍接口）控制器，與無(wú)線收發(fā)模塊相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了大吞吐量，高速率的數(shù)據(jù)收發(fā)。此外，TI公司的MSP430超低功耗處理器、Motorola公司和Renesas公司的處理器以及作為32位嵌入式處理器的ARM單片機(jī)，都在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面得到了廣泛應(yīng)用。（3）無(wú)線手法模塊：無(wú)線收發(fā)模塊用于傳感器節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)通信，解決無(wú)線通信中載波頻段選擇、信號(hào)調(diào)制方式、數(shù)據(jù)傳輸速率，編碼方式等，并通過(guò)天線進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間、節(jié)點(diǎn)與基站間數(shù)據(jù)的收發(fā)。目前，在無(wú)線通信領(lǐng)域應(yīng)用較多的無(wú)線數(shù)傳模塊有Chipcon公司的CC1000、CC2420、CC1010，以及RFM公司的TR1000等，NORDICATMEL公司也有相關(guān)產(chǎn)品CC1000工作頻帶為315MHz，868MHz，915MHz，具有低電壓、低功耗、可編程輸出功率、高靈敏度、小尺寸、集成了位同步器等特點(diǎn)。其FSK數(shù)傳可達(dá)72.8Kbit/s。具有250Hz步長(zhǎng)可編程頻率能力，適用于跳頻協(xié)議，主要工作參數(shù)能通過(guò)串行總線接口編程改變，使用非常靈活，圖1.3為CC1000的模塊結(jié)構(gòu)圖。圖1.3 CC1000的模塊結(jié)構(gòu)圖（4）能量供應(yīng)模塊：能量供應(yīng)模塊作為整個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)模塊，是節(jié)點(diǎn)正常順利工作的保證。由于是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，所以無(wú)法采用普通的工業(yè)電能，只能使用自己已存儲(chǔ)的能源或者是自然界的給予。因此，采用什么能源，采取什么樣的供電方式顯得尤為重要，本模塊中必須解決好能源消耗與網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行可靠性的關(guān)系。1.2傳感器網(wǎng)絡(luò)的特征無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是集成了監(jiān)測(cè)、控制以及無(wú)線通信的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)數(shù)目有時(shí)很龐大，節(jié)點(diǎn)分布密集，由于環(huán)境影響和能量耗盡，節(jié)點(diǎn)很容易出現(xiàn)故障。環(huán)境干擾和節(jié)點(diǎn)故障容易造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化。通常情況下，大多數(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是固定不動(dòng)的。此外，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量、信息處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力等都十分有限。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)使得無(wú)線傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)具有以下與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不同的特點(diǎn)10-11。(1)通信能力有限。傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器的通信帶寬有限而且經(jīng)常變化，通信覆蓋范圍只有幾十到幾百米。傳感器之間的通信斷接頻繁，經(jīng)常導(dǎo)致通信失敗。 (2)電源能量有限。電源能量約束是阻礙傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的嚴(yán)重問(wèn)題。在傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)過(guò)程中，任何技術(shù)和協(xié)議的使用都要以節(jié)能為前提，最大網(wǎng)絡(luò)的生命周期。 (3)硬件資源有限。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力與內(nèi)存空間受到種種限制，如價(jià)格、體積、能耗，因此，相對(duì)于普通計(jì)算機(jī)，它們的功能要弱很多。 (4)傳感器數(shù)量大、分布范圍廣。這個(gè)特點(diǎn)使得網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)十分困難甚至不可維護(hù)，傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟、硬件必須具有高強(qiáng)壯性和容錯(cuò)性。 (5)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性強(qiáng)。網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化，節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)或者從網(wǎng)絡(luò)中分離的情況可以隨時(shí)發(fā)生，使傳感器、感知對(duì)象和觀察者三者之間的路徑也隨之變化，但是不會(huì)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生影響。傳感器網(wǎng)絡(luò)具有動(dòng)態(tài)拓?fù)淇芍貥?gòu)和自調(diào)整性。(6) 多跳路由。由于網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)通信半徑有限，故要想與更多的節(jié)點(diǎn)交換信息，就必須通過(guò)中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由無(wú)法像固定網(wǎng)絡(luò)一樣通過(guò)網(wǎng)關(guān)與路由器，而只能通過(guò)普通節(jié)點(diǎn)對(duì)信息的發(fā)送與轉(zhuǎn)發(fā)完成。(7) 節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，分布密集。為保證對(duì)目標(biāo)區(qū)域的監(jiān)控任務(wù)能夠完成，同一時(shí)間段內(nèi)會(huì)有大量傳感器被投入目標(biāo)區(qū)域，傳感器節(jié)點(diǎn)的分布相當(dāng)密集，利用節(jié)點(diǎn)之間的高連通度保證系統(tǒng)的容錯(cuò)性和抗毀性。1.3傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧與傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧的5層協(xié)議相對(duì)應(yīng)，傳感器網(wǎng)絡(luò)也提出了一個(gè)包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層的5層協(xié)議棧12-13，如圖1.4所示。 上層應(yīng)用定位系統(tǒng)管理時(shí)間同步QoS傳輸控制路由數(shù)據(jù)鏈路物理層系統(tǒng)管理應(yīng)用系統(tǒng)管理與基礎(chǔ)服務(wù)通信與組網(wǎng)圖1.4傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（1）物理層：以發(fā)送接收信號(hào)為主要功能的物理層首先要考慮的是信號(hào)的傳輸介質(zhì)。目前游泳的無(wú)限傳感器網(wǎng)絡(luò)大部分是基于無(wú)線電通信的，在個(gè)別應(yīng)用中也使用紅外線和聲波等方式。無(wú)線電通信面臨的主要問(wèn)題主要是無(wú)線頻段的選擇、信號(hào)調(diào)制技術(shù)和擴(kuò)展頻技術(shù)等。能耗和成本是無(wú)限傳感器網(wǎng)絡(luò)中必須首先考慮的性能指標(biāo)，而物理層是解決無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)體積、成本及能耗的關(guān)鍵，因此物理層是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究重點(diǎn)之一。（2）數(shù)據(jù)鏈路層：數(shù)據(jù)鏈路層關(guān)注的重點(diǎn)是介質(zhì)訪問(wèn)控制（MAC，Medium Access Control）。MAC協(xié)議負(fù)責(zé)在競(jìng)爭(zhēng)的用戶中分配信道資源。在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，主要有預(yù)置信道和隨機(jī)分配信道兩種基本信道分配原則。預(yù)置信道包括頻分多址接入（FDMA，F(xiàn)requency Division Multiple Access）、時(shí)分多址接入（TDMA，Time Division Multiple Access）、碼分多址接入（CDMA，Code Division Multiple Access）和空分多址接入等（SDMA，Space Division Multiple Access）；隨機(jī)分配信道包括802.11中使用的載波偵聽(tīng)多點(diǎn)接入（CSMA，Carrier Sense Multiple Access）和面向無(wú)線的（MACAW，Multiple Access with Collision Avoidance for Wireless）等。（3）網(wǎng)絡(luò)層：網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)中任意需要通信的兩點(diǎn)間建立并維護(hù)數(shù)據(jù)傳輸路徑的重要協(xié)議。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)資源嚴(yán)格受限，沒(méi)有全局統(tǒng)一的邏輯地址，且網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)頻繁發(fā)生變化，所以要求路由協(xié)議必須盡量簡(jiǎn)單且能夠在網(wǎng)絡(luò)整體上達(dá)到節(jié)能，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。（4）傳輸層：傳輸層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制，在網(wǎng)絡(luò)層的基礎(chǔ)上為應(yīng)用層提供一個(gè)可靠、高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)期工作在未知環(huán)境下，資源嚴(yán)格受限制，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)采用多跳的通信機(jī)制，且多采用以數(shù)據(jù)為中心的工作模式，因此無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳輸層必須對(duì)傳統(tǒng)的傳輸層協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)。（5）應(yīng)用層：應(yīng)用層包括一系列基于監(jiān)測(cè)任務(wù)的應(yīng)用軟件，由于遠(yuǎn)程測(cè)控是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)目前主要應(yīng)用，所以目前的研究熱點(diǎn)之一是對(duì)大量傳感器采集信息的分布式處理，以及其他面向應(yīng)用的處理等。除了互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧相對(duì)應(yīng)的5層協(xié)議外，協(xié)議棧還包括如下特殊子層。（1）定位和時(shí)間同步子層：由于不同節(jié)點(diǎn)的晶體振蕩器頻率存在偏差，以及應(yīng)用環(huán)境溫度和周?chē)姶挪ǖ鹊挠绊?，即使一些?jié)點(diǎn)從某一時(shí)刻開(kāi)始達(dá)到精確的同步，但是，隨著時(shí)間的推移，它們的誤差會(huì)逐漸增加。實(shí)際應(yīng)用中精確同步很難做到，分布式系統(tǒng)物理時(shí)鐘服務(wù)定義了一個(gè)洗頭中所允許的時(shí)鐘偏移最大值，只要2個(gè)時(shí)鐘之間的差值小于所定義的最大時(shí)鐘偏移量，就認(rèn)為2個(gè)時(shí)鐘保持了同步。（2）系統(tǒng)管理子層：由于許多實(shí)際的無(wú)限傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是在長(zhǎng)期無(wú)人值守的條件下工作的，因此，需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)各個(gè)性能指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和對(duì)節(jié)點(diǎn)能力耗盡、功能失效等不正?，F(xiàn)象提前報(bào)警，從而為及時(shí)排除網(wǎng)絡(luò)故障或追加布設(shè)節(jié)點(diǎn)提供幫助。（3）拓?fù)渖勺訉樱和負(fù)淇刂评梦锢韺?、鏈路層或路由層完成拓?fù)渖?，反過(guò)來(lái)又為它們提供信息支持，優(yōu)化MAC協(xié)議和路由協(xié)議的協(xié)議過(guò)程，提高網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的整體效率，減少網(wǎng)絡(luò)能力消耗。1.4 傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)（1）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂?4：通過(guò)拓?fù)淇刂谱詣?dòng)生成的良好的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠提高路由協(xié)議和MAC協(xié)議的效率，為數(shù)據(jù)融合、時(shí)間同步和目標(biāo)定位等奠定基礎(chǔ)，有利于節(jié)省能量來(lái)延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存期。（2）網(wǎng)絡(luò)協(xié)議：由于傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力、通信能力以及攜帶的能力都十分有限，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只能獲取局部網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔ⅲ渖线\(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議也不能太復(fù)雜。同時(shí)，傳感器網(wǎng)絡(luò)除結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化外，網(wǎng)絡(luò)資源也在不斷的變化，這些都對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提出更高的要求。傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議負(fù)責(zé)使各個(gè)獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)多跳的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，目前研究的重點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。（3）時(shí)間同步：實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步是傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)協(xié)同工作的一個(gè)關(guān)鍵機(jī)制。目前，已提出了多個(gè)時(shí)間同步機(jī)制，其中RBSTINY/MINI-SYNC和TPSN被認(rèn)為是3個(gè)基本的同步機(jī)制。（4）定位技術(shù)：確定事件發(fā)生的位置或采集數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)位置是傳感器網(wǎng)絡(luò)最基本的功能之一，根據(jù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自身特點(diǎn)，定位機(jī)制必須滿足自組織性、健壯性、能量高效性和分布式計(jì)算等要求。（5）數(shù)據(jù)融合：數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)協(xié)議層進(jìn)行結(jié)合。因此，在設(shè)計(jì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)，必須面向需求設(shè)計(jì)針對(duì)性強(qiáng)的數(shù)據(jù)融合方法，才能使系統(tǒng)最大限度的獲益。（6）網(wǎng)絡(luò)安全：傳感器網(wǎng)絡(luò)通常部署在無(wú)人維護(hù)、不可控制的環(huán)境中，除了具有一般無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)所面臨的信息泄露、信息篡改、重防攻擊、拒絕服務(wù)等多種威脅外，還面臨傳感器節(jié)點(diǎn)容易被攻擊者物理操縱，并獲取存儲(chǔ)在傳感器節(jié)點(diǎn)中的重要信息，甚至控制部分或全部網(wǎng)絡(luò)的威脅。1.5本論文研究的目的和意義無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)想最初是由美國(guó)軍方提出的，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究所計(jì)劃署（DARPA）于1978年開(kāi)始資助卡耐基-梅隆大學(xué)進(jìn)行分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究，這被看成是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的雛形。如今美國(guó)國(guó)防部遠(yuǎn)景計(jì)劃研究局已投入幾千萬(wàn)美元，幫助大學(xué)進(jìn)行無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研發(fā)。美國(guó)所有著名的院校幾乎都有研究小組從事傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)的研究，著名的有UC Berkeley的Smart Dusut項(xiàng)目、UCLA的WINS項(xiàng)目，以及多所研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合攻關(guān)的SensIT計(jì)劃等15。研究初期，人們一度認(rèn)為成熟的Internet技術(shù)加上Ad-hoc路由機(jī)制對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)是足夠充分的，但深入的研究表明16：傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)有明顯不同的技術(shù)要求。前者以數(shù)據(jù)為中心，后者以傳輸數(shù)據(jù)為目的。目前，對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究主要集中在網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層，而網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸離不開(kāi)路由協(xié)議。由于無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)能量有限，且只具有局部網(wǎng)絡(luò)信息，傳感器網(wǎng)絡(luò)中的路由協(xié)議具有很多傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議所沒(méi)有的特點(diǎn)。目前，學(xué)者們己經(jīng)提出了大量針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特有路由協(xié)議，這些協(xié)議有著統(tǒng)一的目標(biāo)就是建立高能效的路由以進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)傳輸，從而使網(wǎng)絡(luò)生命周期最大化。但是現(xiàn)有的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議都存在一定的缺陷，本文的研究目的就是對(duì)現(xiàn)有無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議中的分級(jí)路由協(xié)議進(jìn)行研究并改進(jìn)，設(shè)計(jì)出新的、更適合于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)的路由協(xié)議。1.6本論文的主要工作和篇章結(jié)構(gòu) 本文在對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)及各種路由協(xié)議學(xué)習(xí)和研究的基礎(chǔ)之上，對(duì)其中一種分級(jí)路由算法定向擴(kuò)散路由協(xié)議進(jìn)行研究并改進(jìn)，將改進(jìn)前后的算法進(jìn)行性能上的仿真比較，看改進(jìn)后的算法是否達(dá)到了降低傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存周期的目的。本文的主要篇章結(jié)構(gòu)如下：第一章為緒論，首先對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作了概述，介紹了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、特征、協(xié)議棧和關(guān)鍵技術(shù)等。然后闡述了本課題的研究目的、意義以及本文的主要工作。第二章對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC層協(xié)議做了描述，重點(diǎn)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議進(jìn)行介紹，對(duì)比分析了現(xiàn)有的多種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議和算法，歸納出了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由的特點(diǎn)以及設(shè)計(jì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議時(shí)應(yīng)該考慮的因素。第三章針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的定向擴(kuò)散路由協(xié)議進(jìn)行研究，并在原有算法的基礎(chǔ)之上使用遞歸迭代進(jìn)行改進(jìn)，同時(shí)研究了原算法和改進(jìn)算法的工作周期機(jī)制和能耗比對(duì)。第四章在是仿真測(cè)試與評(píng)價(jià)，將兩種路由協(xié)議置于不同的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下，觀察改進(jìn)后的算法在性能、功耗、吞吐量等方面是否優(yōu)于原有的定向擴(kuò)散算法。2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議2.1傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層描述傳統(tǒng)MAC層協(xié)議的設(shè)計(jì)目標(biāo)是最大化吞吐量、最小化時(shí)延并且提供公平性。而為傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的MAC層協(xié)議關(guān)注的是最小化能耗，這就決定了它需要在某些性能方面進(jìn)行折中，如通過(guò)適度的減小吞吐量和增加時(shí)延來(lái)保證低功耗要求等17。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)往往是通過(guò)多節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)作來(lái)完成某些應(yīng)用任務(wù)，為保證節(jié)點(diǎn)能耗均衡，從而使網(wǎng)絡(luò)獲得最大的生存周期，公平性也是需要考慮的問(wèn)題。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)無(wú)線通信模塊的狀態(tài)包括發(fā)送狀態(tài)、接收狀態(tài)、偵聽(tīng)狀態(tài)和睡眠狀態(tài)等，單位時(shí)間內(nèi)消耗的能量按照上述順序依次減少。所以，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議為了減少能量的消耗，通常采用“偵聽(tīng)/睡眠”交替的無(wú)線信道使用策略。當(dāng)有數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)，節(jié)點(diǎn)就開(kāi)啟無(wú)線通信模塊進(jìn)行發(fā)送或偵聽(tīng)；如果沒(méi)有數(shù)據(jù)收發(fā)，節(jié)點(diǎn)就控制無(wú)線通信模塊進(jìn)入睡眠狀態(tài)，從而減少空閑偵聽(tīng)所造成的能量消耗。為了使節(jié)點(diǎn)在無(wú)線睡眠時(shí)不錯(cuò)過(guò)發(fā)送給它的數(shù)據(jù)，或減少空閑偵聽(tīng)，鄰居節(jié)點(diǎn)間必須協(xié)調(diào)偵聽(tīng)和睡眠的周期，保證同時(shí)睡眠或喚醒。根據(jù)不同的應(yīng)用，可以采用不同的協(xié)調(diào)機(jī)制。對(duì)MAC層協(xié)議的設(shè)計(jì)根據(jù)不同的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的要求還有不同的問(wèn)題存在，例如能量有限、實(shí)時(shí)性、分布式算法、靈活性、各性能間的平衡等。2.2典型的MAC層協(xié)議2.2.1 固定分配類(lèi)MAC協(xié)議原有的固定分配類(lèi)MAC層協(xié)議主要有頻分多址接入（FDMA，F(xiàn)requency Division Multiple Access）、時(shí)分多址接入（TDMA，Time Division Multiple Access）和碼分多址接入（CDMA，Code Division Multiple Access）三種18-21。（1）SMACS/EAR協(xié)議SMACS/EAR（Self-Organizing Medium Access Control for Sensor Networks/Eavesdrop And Register）協(xié)議是結(jié)合TDMA和FDMA的基于固定信道分配的MAC協(xié)議。其基本思想是為每一對(duì)鄰居節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)特有的頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，不同節(jié)點(diǎn)對(duì)間的頻率互不干擾，從而避免同時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)之間產(chǎn)生碰撞。SMACS/EAR協(xié)議無(wú)需任何全局或局部主節(jié)點(diǎn)，就能發(fā)現(xiàn)鄰節(jié)點(diǎn)并建立傳輸/接收調(diào)度表。鏈路由隨即選擇的時(shí)隙和固定的頻率組成。雖然各子網(wǎng)內(nèi)鄰節(jié)點(diǎn)通信需要時(shí)間同步，但全網(wǎng)并不需要同步。在鏈接階段使用一個(gè)隨即喚醒機(jī)制，在空閑時(shí)關(guān)掉無(wú)線收發(fā)裝置，來(lái)達(dá)到節(jié)能的目的。（2）TDM-FDM協(xié)議TDM-FDM協(xié)議是一個(gè)時(shí)分復(fù)用TDMA和頻分復(fù)用FDMA的混合方案，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都維護(hù)一個(gè)特殊的結(jié)構(gòu)幀，類(lèi)似于TDMA中的時(shí)隙分配表，節(jié)點(diǎn)據(jù)此調(diào)度它與相鄰節(jié)點(diǎn)間的通信。FDMA技術(shù)提供多信道，使多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間可以同時(shí)通信，有效地避免了沖突。由于預(yù)先定義的信道和時(shí)隙分配方案限制了對(duì)空閑時(shí)隙的有效利用，使得當(dāng)業(yè)務(wù)量較小時(shí)信道利用率較低。（3）DEANA分布式能量感知節(jié)點(diǎn)活動(dòng)協(xié)議（DEANA，Distributed Energy-Aware Node Activation）中將幀分為調(diào)度訪問(wèn)部分和隨機(jī)訪問(wèn)部分。調(diào)度訪問(wèn)部分由多個(gè)時(shí)隙組成，某個(gè)時(shí)隙協(xié)商為特定節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間，其他節(jié)點(diǎn)在該時(shí)隙內(nèi)處于接收狀態(tài)或者睡眠狀態(tài)。為了進(jìn)一步節(jié)省能量，每個(gè)時(shí)隙又細(xì)分為前部的控制部分和后部的數(shù)據(jù)部分。如果節(jié)點(diǎn)在其發(fā)送時(shí)隙內(nèi)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，則在時(shí)隙的控制部分發(fā)出控制消息，指出接收數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)ID，然后在時(shí)隙的數(shù)據(jù)部分發(fā)送出數(shù)據(jù)。在控制部分，所有節(jié)點(diǎn)都處于接收狀態(tài)，如果節(jié)點(diǎn)不是數(shù)據(jù)接受者，則可以在隨后的數(shù)據(jù)發(fā)送部分進(jìn)入睡眠狀態(tài)，以便減少接收不必要的數(shù)據(jù)。DEANA協(xié)議的時(shí)間幀分配如圖2.1所示。控制 數(shù) 據(jù)調(diào)度訪問(wèn)隨機(jī)訪問(wèn)圖2.1DEANA協(xié)議的時(shí)間幀分配（4）TRAMA流量自適應(yīng)介質(zhì)訪問(wèn)協(xié)議（TRAMA，Traffic-Adaptive Medium Access）用基于流量的傳輸調(diào)度表來(lái)避免可能在接受者發(fā)生的數(shù)據(jù)表沖突，使節(jié)點(diǎn)在無(wú)接收要求時(shí)進(jìn)入低能耗模式。TRAMA將時(shí)間分成時(shí)隙，用基于各節(jié)點(diǎn)流量信息的分布式選舉算法來(lái)決定哪個(gè)節(jié)點(diǎn)可以在某個(gè)特定的時(shí)隙傳輸，以此來(lái)達(dá)到一定的吞吐量和公平性。TRAMA協(xié)議包括鄰居協(xié)議（NP，Neighbor Protocol）、調(diào)度交換協(xié)議（SEP，Schedule Exchange Protocol）和自適應(yīng)時(shí)隙選擇算法（AEA，Adaptive Election Algorithm）。仿真顯示22，由于節(jié)點(diǎn)最多可以睡眠87%，所以TRAMA節(jié)能效果明顯。在于基于競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)的協(xié)議比較時(shí)，TRAMA也達(dá)到了更高的吞吐量，因?yàn)樗行У乇苊饬穗[藏終端引起的競(jìng)爭(zhēng)，但TRAMA的延遲較長(zhǎng)，更適用于對(duì)時(shí)延要求不高的應(yīng)用。2.2.2 基于競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)MAC層協(xié)議“競(jìng)爭(zhēng)”的含義是，鏈接到信道上的節(jié)點(diǎn)咨詢某種規(guī)則征用信道，得到使用權(quán)的節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)行通信。基于競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)的MAC協(xié)議一般使用廣播式信道，連接到這條信道上的節(jié)點(diǎn)都可以向信道發(fā)送廣播信息。傳統(tǒng)的基于競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)的MAC協(xié)議包括ALOHA和帶有沖突監(jiān)測(cè)的載波偵聽(tīng)多路存取CSMA23-25等。（1）S-MAC2002年提出的S-MAC（Sensor-MAC）是在IEEE802.11MAC協(xié)議基礎(chǔ)上，針對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)省能量需求而提出的傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議。S-MAC仍采用類(lèi)似IEEE802.11中的方式來(lái)避免沖突，包括虛擬與物理的載波監(jiān)聽(tīng)和RTS/CTS交換。S-MAC協(xié)議假設(shè)通常情況下傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸量少，節(jié)點(diǎn)協(xié)作完成共同的任務(wù)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和融合以減少數(shù)據(jù)通信量，網(wǎng)絡(luò)能夠容忍一定程度的通信延遲。它的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是提供良好的擴(kuò)展性，減少節(jié)點(diǎn)能量的消耗（2）T-MACT-MAC(Timeout-MAC)在S-MAC的基礎(chǔ)上引入適應(yīng)性占空比，來(lái)應(yīng)付不同時(shí)間和位置上負(fù)載的變化。S-MAC協(xié)議通過(guò)周期性偵聽(tīng)/睡眠的工作方式來(lái)減少空閑偵聽(tīng)，因此，S-MAC中周期長(zhǎng)度是不變的，節(jié)點(diǎn)的偵聽(tīng)時(shí)間也是固定的。這就意味著，為了保證可靠、及時(shí)地通信，節(jié)點(diǎn)的活動(dòng)時(shí)間必須適應(yīng)最高通信負(fù)載。這樣，在負(fù)載較小的情況下，節(jié)點(diǎn)將在空閑偵聽(tīng)上耗費(fèi)更多的時(shí)間。為了解決這個(gè)問(wèn)題，T-MAC在保持整個(gè)周期長(zhǎng)度不變的基礎(chǔ)上，根據(jù)消息流量動(dòng)態(tài)地終止了節(jié)點(diǎn)活動(dòng)，通過(guò)設(shè)定細(xì)微的超時(shí)間隔（Fine-Grained Timeouts）來(lái)動(dòng)態(tài)地選擇占空比。在T-MAC協(xié)議中，仍采用S-MAC的RTS/CTS/DATA/ACK通信方式，節(jié)點(diǎn)按固定周期喚醒偵聽(tīng)一段時(shí)間TA，TA中若在信道上需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，則執(zhí)行數(shù)據(jù)傳送，此后再偵聽(tīng)時(shí)間TA；若在TA時(shí)間內(nèi)未偵聽(tīng)到數(shù)據(jù)傳送指令，則TA時(shí)間到時(shí)轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)。通過(guò)這種動(dòng)態(tài)改變活動(dòng)時(shí)間的方式，減少了閑時(shí)監(jiān)聽(tīng)浪費(fèi)的能量，但仍可以保持合理的吞吐量。（3）MD對(duì)于很多應(yīng)用，運(yùn)行能耗遠(yuǎn)大于待機(jī)能耗，故Edgar H. Callaway提出通過(guò)減少占空比來(lái)獲得低能耗和高電池壽命的MD（Mediation Device）協(xié)議。其中，節(jié)點(diǎn)在99.9%的時(shí)間處于睡眠，在醒來(lái)時(shí)發(fā)出詢問(wèn)信標(biāo)。MD作為一個(gè)不停活動(dòng)的仲裁者，通過(guò)接收有信息傳輸節(jié)點(diǎn)發(fā)出的RTS和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的詢問(wèn)信標(biāo)，協(xié)調(diào)2個(gè)節(jié)點(diǎn)暫時(shí)同步來(lái)傳輸數(shù)據(jù)?，F(xiàn)有的幾種主要的MAC層協(xié)議主要優(yōu)缺點(diǎn)比較如表2.1所列。 表2.1 幾種主要的MAC層協(xié)議主要優(yōu)缺點(diǎn)比較MAC協(xié)議類(lèi)型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)適 用 場(chǎng) 景SMACS/EAR固定分配類(lèi)無(wú)需全局范圍內(nèi)的時(shí)間同步，避免沖突，降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，并可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和固定節(jié)點(diǎn)間的通信節(jié)點(diǎn)復(fù)雜性高，成本較高，不易實(shí)現(xiàn)，適用范圍也有一定的局限性適用于子網(wǎng)較少或者移動(dòng)節(jié)點(diǎn)較少，且移動(dòng)節(jié)點(diǎn)周?chē)o止節(jié)點(diǎn)較多的網(wǎng)絡(luò)TDM-FDM固定分配類(lèi)有效地避免了沖突業(yè)務(wù)量較小時(shí)信道利用率較低適用于業(yè)務(wù)量較大的應(yīng)用場(chǎng)景DEANA固定分配類(lèi)部分解決接收不必要數(shù)據(jù)的過(guò)度監(jiān)聽(tīng)問(wèn)題可擴(kuò)展性差，不能很好地支持節(jié)點(diǎn)移動(dòng)，對(duì)同步要求高適用于規(guī)模較小，且節(jié)點(diǎn)靜止的應(yīng)用場(chǎng)景TRAMA固定分配類(lèi)具有較高吞吐率及較好的節(jié)能效果時(shí)延較大適用于對(duì)延時(shí)要求不高的應(yīng)用場(chǎng)景S-MAC基于競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)避免了沖突造成的能量浪費(fèi)不易實(shí)現(xiàn)適用于拓?fù)渥兓l繁的網(wǎng)絡(luò)T-MAC基于競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)減少了空閑偵聽(tīng)功耗不易實(shí)現(xiàn)適用于可變負(fù)載的場(chǎng)景MD基于競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)保持低功耗、低成本時(shí)延、能耗較大適用于大規(guī)模、節(jié)點(diǎn)低占空比運(yùn)行且不需要高精度時(shí)鐘的應(yīng)用場(chǎng)景總的來(lái)說(shuō)，基于固定分配類(lèi)協(xié)議提供了可公平使用的信道，并且如果配備一個(gè)適當(dāng)?shù)恼{(diào)度算法，也可以很好地避免沖突。但許多協(xié)議需要使用全局信息來(lái)進(jìn)行調(diào)度，這使得它們?cè)诖蠖鄶?shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)中不可用，基于競(jìng)爭(zhēng)的協(xié)議可以大幅度的減少?zèng)_突的機(jī)會(huì)，從而節(jié)約了能源，但它們通常很難保證實(shí)時(shí)性要求，適用于一些對(duì)可預(yù)見(jiàn)性要求不高的網(wǎng)絡(luò)。2.3路由協(xié)議路由協(xié)議負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)，它主要包括兩個(gè)方面的功能：尋找源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)間的優(yōu)化路徑，將數(shù)據(jù)分組沿著優(yōu)化路徑正確轉(zhuǎn)發(fā)。但在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于節(jié)點(diǎn)能量有限且一般沒(méi)有能量補(bǔ)充，因此路由協(xié)議需要高效利用能力，同時(shí)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目往往很大，節(jié)點(diǎn)只能獲取局部拓?fù)湫畔?，路由協(xié)議要能在局部網(wǎng)絡(luò)信息的基礎(chǔ)上選擇何時(shí)的路徑。另外，傳感器網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的應(yīng)用相關(guān)性，所以不同應(yīng)用中的路由協(xié)議可能差別很大，沒(méi)有一個(gè)通用的路由協(xié)議。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議相比，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議具有以下特點(diǎn)26-27。第一，能量?jī)?yōu)先。傳統(tǒng)路由協(xié)議在選擇最優(yōu)路徑時(shí)，很少考慮節(jié)點(diǎn)的能量消耗問(wèn)題。而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量有限，延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存期成為傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)，因此需要考慮節(jié)點(diǎn)的能量消耗以及網(wǎng)絡(luò)能量均衡使用的問(wèn)題。第二，基于局部拓?fù)湫畔?。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)為了節(jié)省通信能量，通常采用多跳的通信模式，而節(jié)點(diǎn)有限的存儲(chǔ)資源和計(jì)算資源，使得節(jié)點(diǎn)不能存儲(chǔ)大量的路由信息，不能進(jìn)行太復(fù)雜的路由計(jì)算。因此，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)基本問(wèn)題就是，如何在節(jié)點(diǎn)只能獲取局部拓?fù)湫畔⒑唾Y源有限的情況下，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單高效的路由機(jī)制。第三，以數(shù)據(jù)為中心。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中大量節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署，所關(guān)注的是監(jiān)測(cè)區(qū)域的感知數(shù)據(jù)，而不是具體哪個(gè)節(jié)點(diǎn)獲取的信息，不依賴(lài)于全網(wǎng)唯一的標(biāo)識(shí)。傳感器網(wǎng)絡(luò)通常包含多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)到少數(shù)匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)流，按照對(duì)感知數(shù)據(jù)的需求、數(shù)據(jù)通信模式和流向等，以數(shù)據(jù)為中心形成消息的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。第四，應(yīng)用相關(guān)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用環(huán)境千差萬(wàn)別，沒(méi)有一個(gè)路由機(jī)制適合所有的應(yīng)用，設(shè)計(jì)者需要針對(duì)每一個(gè)具體應(yīng)用的需求，設(shè)計(jì)與之適應(yīng)的特定路由機(jī)制。針對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)路由機(jī)制的上述特點(diǎn)，在根據(jù)具體應(yīng)用設(shè)計(jì)路由機(jī)制時(shí)，要滿足下面的傳感器網(wǎng)絡(luò)路由機(jī)制要求28-29。（1）能量高效。傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議不僅要選擇能量消耗小的消息傳輸路徑，而且要從整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的角度考慮，選擇使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能量均衡消耗的路由。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，不優(yōu)化的路由不僅能消耗更多節(jié)點(diǎn)的能量，而且使某些節(jié)點(diǎn)過(guò)早失效，從而會(huì)把網(wǎng)絡(luò)分割成多個(gè)孤立的部分。即使網(wǎng)絡(luò)有比較充足的能量，有些節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)也不能傳送到匯聚點(diǎn)。衡量傳感器網(wǎng)絡(luò)路由性能的一個(gè)重要指標(biāo)，就是合理地使用網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的有限能量，使得網(wǎng)絡(luò)保持連通性的時(shí)間更長(zhǎng)的能力（2）可擴(kuò)展性。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，監(jiān)測(cè)區(qū)域范圍或節(jié)點(diǎn)密度不同，都會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大小不同；節(jié)點(diǎn)失敗、新節(jié)點(diǎn)加人以及節(jié)點(diǎn)移動(dòng)等，都會(huì)使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)發(fā)生變化，這就要求路由機(jī)制具有可擴(kuò)展性，以便適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化。（3）魯棒性。能量用盡或環(huán)境因素造成傳感器節(jié)點(diǎn)的失敗，周?chē)h(huán)境影響無(wú)線鏈路的通信質(zhì)量以及無(wú)線鏈路本身的缺點(diǎn)等，這些無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的不可靠特性要求路由機(jī)制具有一定的容錯(cuò)能力。（4）快速收斂性。傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化，節(jié)點(diǎn)能量和通信帶寬等資源有限，因此要求路由機(jī)制能夠怏速收斂，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)變化，減少通信協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)，提高消息傳輸?shù)男省?.4典型的路由協(xié)議相對(duì)于傳統(tǒng)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)而言，傳統(tǒng)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)研究的重點(diǎn)放在無(wú)線通信的服務(wù)質(zhì)量（QoS）上，而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是隨機(jī)分布，電池供電，因此目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究重點(diǎn)是如何提高能量效率上，當(dāng)前流行的幾個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議可簡(jiǎn)單分為以下幾個(gè)類(lèi)別。2.4.1 泛洪路由協(xié)議（1）泛洪協(xié)議泛洪（Flooding）30協(xié)議是一種傳統(tǒng)的無(wú)線通信路由協(xié)議。該協(xié)議規(guī)定，每個(gè)節(jié)點(diǎn)接受來(lái)自其他節(jié)點(diǎn)的信息，并以廣播的形式發(fā)送給其他鄰居節(jié)點(diǎn)。如此繼續(xù)下去，最后將信息數(shù)據(jù)發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)。泛洪路由不進(jìn)行維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜拖嚓P(guān)路由計(jì)算，只負(fù)責(zé)以廣播形式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，因此效率不高。而且這個(gè)協(xié)議容易引起信息的“內(nèi)爆”（Implosion），即一個(gè)節(jié)點(diǎn)可能得到一個(gè)數(shù)據(jù)多個(gè)副本的現(xiàn)象，傳感器節(jié)點(diǎn)A將采集到的數(shù)據(jù)沿著不同的節(jié)點(diǎn)B, C傳輸，最終傳給了同一個(gè)節(jié)點(diǎn)D，節(jié)點(diǎn)D對(duì)同一個(gè)數(shù)據(jù)收到了兩次，如圖2.2；還會(huì)引起消息“重置”（Overlap），即處于同一觀測(cè)環(huán)境的兩個(gè)相鄰的同類(lèi)傳感器節(jié)點(diǎn)A和B同時(shí)對(duì)一個(gè)事件C作出反應(yīng)，二者采集的數(shù)據(jù)性質(zhì)相同，數(shù)值相近，這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)C將收到雙份數(shù)據(jù)副本，造成資源的浪費(fèi)，如圖2.3。因此，在泛洪協(xié)議的基礎(chǔ)上，提出了閑聊（Gossiping）協(xié)議。ACBDDataDataDataData圖2.2 內(nèi)爆CBAb,ca,cacb圖2.3重疊（2）Gossiping協(xié)議Gossiping31協(xié)議是在泛洪協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)而提出的。它傳播信息的途徑是通過(guò)隨機(jī)的選擇一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)，而不是用廣播。獲得信息的鄰居節(jié)點(diǎn)以同樣的方式隨機(jī)地選擇下一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息的傳遞。如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)第二次收到它的鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)副本，則將此數(shù)據(jù)發(fā)回鄰居節(jié)點(diǎn)，如圖2.4。這種方式避免了以廣播形式進(jìn)行信息傳播的能量消耗，節(jié)約能量，在一定程度上解決了信息“內(nèi)爆”問(wèn)題，但其代價(jià)是延長(zhǎng)了信息的數(shù)據(jù)傳輸平均時(shí)延，傳輸速度變慢，并且無(wú)法解決部分重置現(xiàn)象和盲目使用資源問(wèn)題。ECBDDSDataDataDataData圖2.4數(shù)據(jù)重發(fā)現(xiàn)象2.4.2 以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議是基于查詢和對(duì)目標(biāo)數(shù)據(jù)的命名之上的，通過(guò)數(shù)據(jù)聚合減少重復(fù)的數(shù)據(jù)傳送。以數(shù)據(jù)為中心路由還可分為事