傳感器網(wǎng)絡(luò)電子教案(全)完整版課件整套教學(xué)課件

1、1.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)從最初的簡(jiǎn)單傳感器系統(tǒng)到今天的智能傳感器系統(tǒng)，其發(fā)展大致經(jīng)歷了三個(gè)階段，如圖所示。下面對(duì)每個(gè)階段的特點(diǎn)分別進(jìn)行介紹。1.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程1.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程 1. 第一階段：簡(jiǎn)單的傳感器系統(tǒng) 第一階段從20世界70年代開(kāi)始。 當(dāng)年美越雙方在密林覆蓋的“胡志明小道”進(jìn)行了一場(chǎng)血腥較量，“胡志明小道”是胡志明部隊(duì)向南方游擊隊(duì)輸送物資的秘密通道，美軍對(duì)其進(jìn)行了狂轟濫炸，但效果不大。后來(lái)，美軍投放了2萬(wàn)多個(gè)“熱帶樹(shù)”傳感器?！盁釒?shù)”實(shí)際上是由震動(dòng)和聲響傳感器組成的系統(tǒng)，它由飛機(jī)投放，落地后插入泥土中，只露出偽裝成樹(shù)枝的無(wú)線電天線，因而

2、被稱為“熱帶樹(shù)”。只要對(duì)方車隊(duì)經(jīng)過(guò)，傳感器探測(cè)出目標(biāo)產(chǎn)生的震動(dòng)和聲響信息，自動(dòng)發(fā)送到指揮中心，美機(jī)立即展開(kāi)追殺，總共炸毀或炸壞4.6萬(wàn)輛卡車。 這個(gè)階段的傳感器節(jié)點(diǎn)具有簡(jiǎn)單的信息獲取能力，節(jié)點(diǎn)之間初步實(shí)現(xiàn)了信息的傳遞。1.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程 2. 第二階段：節(jié)點(diǎn)集成化 第二階段是20世紀(jì)80年代至90年代之間。 1978年，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目，被看作是開(kāi)啟了現(xiàn)代傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的先河。該項(xiàng)目的初步設(shè)想是建立低功耗傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，這些節(jié)點(diǎn)之間相互協(xié)作將信息發(fā)送到處理節(jié)點(diǎn)。這個(gè)階段出現(xiàn)了美軍研制的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、海軍協(xié)同交戰(zhàn)能力系統(tǒng)、遠(yuǎn)程戰(zhàn)場(chǎng)傳感器系統(tǒng)

3、等。 這個(gè)階段的特征是采用了現(xiàn)代微型化的傳感器節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)具備感知能力、計(jì)算能力和通信能力，節(jié)點(diǎn)之間的通信能力也逐漸增強(qiáng)。因此在1999年，商業(yè)周刊將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為21世紀(jì)最具影響的21項(xiàng)技術(shù)之一。1.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程 3. 第三階段：多跳自組網(wǎng) 第三階段是21世紀(jì)開(kāi)始至今。 美國(guó)在2001年發(fā)生了震驚世界的“911”事件。如何在地形及其復(fù)雜的山區(qū)找到恐怖分子，人們?cè)O(shè)想通過(guò)在山區(qū)投放各種微型低功耗的探測(cè)傳感器，網(wǎng)絡(luò)采用無(wú)線多跳自組織的方式，將傳感器探測(cè)到信息傳送給美國(guó)軍方。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)線多跳自組織的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)成為了當(dāng)時(shí)的應(yīng)用需求和后來(lái)的研究熱潮。 第三階段的傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特

4、點(diǎn)在于網(wǎng)絡(luò)傳輸自組織、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)低功耗。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)除了應(yīng)用于反恐活動(dòng)以外，在其它領(lǐng)域也獲得了很好的應(yīng)用，所以2002年美國(guó)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室橡樹(shù)嶺實(shí)驗(yàn)室提出了“網(wǎng)絡(luò)就是傳感器”的論斷。1.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程 由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在國(guó)際上被認(rèn)為是繼互聯(lián)網(wǎng)之后的第二大網(wǎng)絡(luò)，2003年美國(guó)技術(shù)評(píng)論雜志評(píng)出對(duì)人類未來(lái)生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的十大新興技術(shù)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)被列為第一。美國(guó)今日防務(wù)雜志認(rèn)為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和發(fā)展將會(huì)對(duì)未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的形式產(chǎn)生質(zhì)的變化。同年，美國(guó)自然科學(xué)基金委員會(huì)對(duì)一項(xiàng)關(guān)于傳感器及傳感器網(wǎng)絡(luò)的項(xiàng)目投入資金高達(dá)3400萬(wàn)美元。2004年，IEEE Spectrum雜志發(fā)表專集傳感器的

5、國(guó)度，論述了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣闊前景和巨大的社會(huì)生活推動(dòng)力。隨后，美國(guó)的一些大型公司（英特爾、微軟、HP、Texas Instruments等）也紛紛加入到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研發(fā)工作中。同時(shí)很多著名大學(xué)也紛紛開(kāi)展關(guān)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究，如加州大學(xué)伯克利分校、加州大學(xué)洛杉磯分校、南加州大學(xué)、斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院等院校。英國(guó)、意大利等國(guó)家也積極開(kāi)展無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的的研究工作，并將其研究成果產(chǎn)品化和產(chǎn)業(yè)化。1.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程 我國(guó)也非常重視無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究工作。我國(guó)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究與發(fā)達(dá)國(guó)家?guī)缀跬絾?dòng)，它已經(jīng)成為我國(guó)信息領(lǐng)域位居世界前列的少數(shù)方向之一。在2001年，中國(guó)

6、科學(xué)院成立了中科院上海微系統(tǒng)所，開(kāi)啟了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究。從2002年開(kāi)始，我國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)部署和審批了多個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)課題。在2006年我國(guó)發(fā)布的國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要中，為信息技術(shù)確定了三個(gè)前沿方向，其中有兩項(xiàng)就與傳感器網(wǎng)絡(luò)直接相關(guān)。2009年，我國(guó)提出“感知中國(guó)”的概念。2010年，“物聯(lián)網(wǎng)”被寫(xiě)入我國(guó)“政府工作報(bào)告”。同年，“物聯(lián)網(wǎng)”被正式列為國(guó)家五大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一。1.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程 我國(guó)參與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的主體也非常豐富。哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、北京郵電大學(xué)等率先開(kāi)展了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究。2010年我國(guó)教育部首次批準(zhǔn)開(kāi)設(shè)物聯(lián)網(wǎng)工

7、程專業(yè)，2011年正式招生。目前我國(guó)的絕大多數(shù)工科院校，都已經(jīng)開(kāi)展了與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的研究和教育工作。中國(guó)移動(dòng)、華為、中興等大型企業(yè)也紛紛加入了研發(fā)行列。 現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用需求推動(dòng)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展。未來(lái)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將對(duì)人們的生活工作產(chǎn)生巨大的影響。1.2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)最早由美國(guó)提出，它是不同學(xué)科之間相互交叉，知識(shí)高度集成形成的。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)涉及到傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)等多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，被認(rèn)為是21世紀(jì)最有影響力的技術(shù)之一。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)由大量廉價(jià)的傳感器節(jié)點(diǎn)組成的無(wú)線自組織網(wǎng)，節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)

8、相互的協(xié)作，對(duì)指定監(jiān)測(cè)區(qū)域的對(duì)象實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)感知、采集和處理，并將數(shù)據(jù)傳輸給用戶，具有快速展開(kāi)，安全可靠的良好性能，有著廣闊的應(yīng)用前景。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署極大的擴(kuò)展了人類認(rèn)知物理世界的能力，提高了人類獲取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和靈敏度，是物聯(lián)網(wǎng)獲取數(shù)據(jù)的重要手段。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)很好的實(shí)現(xiàn)了物理世界、計(jì)算機(jī)世界和人類世界的連通。1.2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以使人們?cè)谌魏螘r(shí)間、地點(diǎn)和環(huán)境下，獲取大量可靠的信息，真正實(shí)現(xiàn)了“無(wú)處不在的計(jì)算”理念。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事國(guó)防、工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能家居、醫(yī)療護(hù)理等方面已經(jīng)表現(xiàn)出了巨大的潛力和應(yīng)用價(jià)值。 一種普遍的關(guān)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義是這樣的：

9、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）是由大量的靜止或移動(dòng)的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，目的是協(xié)作的感知、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的感知對(duì)象信息，并報(bào)告給觀察者。1.2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念 傳感器、感知對(duì)象和觀察者共同構(gòu)成了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)基本要素。感知對(duì)象是網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)區(qū)域的被觀察對(duì)象。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)包含了類型豐富的傳感器節(jié)點(diǎn)，例如溫濕度傳感器、紅外傳感器、煙霧傳感器、壓力傳感器、電磁傳感器等等。這些傳感器負(fù)責(zé)采集感知對(duì)象的數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過(guò)多跳傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)，最后通過(guò)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸方式（英特網(wǎng)、衛(wèi)星等）傳遞到觀察者。觀察者也可以對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行

10、任務(wù)發(fā)布或配置管理。1.3無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，由大量的傳感器節(jié)點(diǎn)以自組織多跳的的形式構(gòu)成無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)監(jiān)測(cè)對(duì)象的數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸。1.3無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有以下特點(diǎn)： 1. 大規(guī)模 2. 自組織 3. 動(dòng)態(tài)性 4. 可靠性 5. 應(yīng)用相關(guān)性 6. 資源受限 7. 以數(shù)據(jù)為中心1.3無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn) 1. 大規(guī)模 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模的含義包括兩層：一層是監(jiān)測(cè)的區(qū)域一般比較大，傳感器部署在很廣的范圍內(nèi)；另一層的含義是部署的傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量較多，目的是通過(guò)部署冗余節(jié)點(diǎn)，使網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有很強(qiáng)的容錯(cuò)能力，提高監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，減少覆蓋盲區(qū)。1.

11、3無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn) 2. 自組織 通常情況下，傳感器節(jié)點(diǎn)被隨機(jī)拋撒部署，節(jié)點(diǎn)的位置不能預(yù)先精確確定，節(jié)點(diǎn)之間的鄰居關(guān)系也預(yù)先不知道。而且，在使用的過(guò)程中，部分傳感器節(jié)點(diǎn)有可能由于能量耗盡或環(huán)境因素失效，也有一些節(jié)點(diǎn)后期可能會(huì)補(bǔ)充到網(wǎng)絡(luò)中。這就要求無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)必須能夠擁有自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的能力，能夠確保自動(dòng)配置和管理，從而適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化。1.3無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn) 3. 動(dòng)態(tài)性 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能會(huì)因?yàn)楹芏嘣蚨l(fā)生變化，比如：能量耗盡，環(huán)境因素，節(jié)點(diǎn)故障，通信鏈路質(zhì)量變化、節(jié)點(diǎn)移動(dòng)或加入等等。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)受到這些因素的影響導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化，因此說(shuō)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有動(dòng)

12、態(tài)性。這種特點(diǎn)要求無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)必須能夠自行組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、自動(dòng)配置和管理，適應(yīng)動(dòng)態(tài)性的變化。1.3無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn) 4. 可靠性 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常部署在環(huán)境惡劣的地方，極易遭到損壞或破壞，而且還常被部署在人類不宜到達(dá)的地方，后期更換維護(hù)的難度增大。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目眾多，分布的區(qū)域較大，這也大大增加了維護(hù)的難度。因此，要求無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟硬件都必須具有良好的魯棒性和容錯(cuò)性。1.3無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn) 5. 應(yīng)用相關(guān)性 不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)心不同的物理量，因此他們的應(yīng)用系統(tǒng)也是多種多樣的，比一般的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)更貼近實(shí)際的需求和應(yīng)用。不同的應(yīng)用背景，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)各不相同，系統(tǒng)的

13、硬件平臺(tái)、軟件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議會(huì)有所差別。針對(duì)每一個(gè)具體的應(yīng)用來(lái)研究傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，這是傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)很重要的特征。1.3無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn) 6. 資源受限 由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量多，所以一般情況下節(jié)點(diǎn)的價(jià)格低，而且無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)要求節(jié)點(diǎn)的體積小和功耗低，所以節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力、通信能力和電源能量等都很有限。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)時(shí)必須充分的考慮到其資源受限的特點(diǎn)。 1.3無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn) 7. 以數(shù)據(jù)為中心 傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)以IP地址為中心的網(wǎng)絡(luò)，要想訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)中的資源，必須要知道存放資源的服務(wù)器的IP地址。 1.3無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn) 在傳感器網(wǎng)絡(luò)

14、中，大量節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，用戶往往感興趣的是某一個(gè)事件的發(fā)生，而不關(guān)心這個(gè)事件是由哪個(gè)傳感器監(jiān)測(cè)到目標(biāo)。所以說(shuō)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)為中心的。例如，在實(shí)現(xiàn)目標(biāo)跟蹤的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，用戶只關(guān)心目標(biāo)出現(xiàn)的位置和事件，并不關(guān)心哪個(gè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到目標(biāo)。事實(shí)上，在目標(biāo)移動(dòng)的過(guò)程中，必然是不同的節(jié)點(diǎn)提供目標(biāo)的位置消息。1.4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) WSN的體系結(jié)構(gòu)包括網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和感知節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)組成兩部分。典型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)包括感知節(jié)點(diǎn)（sensor node）、匯聚節(jié)點(diǎn)(sink node)、任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)（manager node）；感知節(jié)點(diǎn)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)重要組成部分，起到采集信息和傳

15、遞信息的作用，其結(jié)構(gòu)組成主要有四部分：傳感器模塊、處理器模塊、無(wú)線通信模塊和供電管理模塊。1.4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)典型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖所示，包括感知節(jié)點(diǎn)（sensor node）、匯聚節(jié)點(diǎn)(sink node)、任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)（manager node）。1.4.1網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)1.4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)1.4.1網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)1.4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，在實(shí)際的監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)部署了大量的感知節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)以自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，將實(shí)時(shí)采集的信息通過(guò)多跳中繼的方式傳送給匯聚節(jié)點(diǎn)，然后通過(guò)衛(wèi)星或互聯(lián)網(wǎng)到達(dá)任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)。用戶也可以通過(guò)任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程配

16、置和管理，發(fā)布監(jiān)測(cè)任務(wù)。1.4.1網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)1.4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)1. 感知節(jié)點(diǎn)感知節(jié)點(diǎn)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單元，節(jié)點(diǎn)承擔(dān)著信息采集和路由傳遞的雙重功能。具體來(lái)講，它的作用包括進(jìn)行本地信息收集及數(shù)據(jù)處理、對(duì)其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和融合等處理、轉(zhuǎn)發(fā)收到的數(shù)據(jù)、與其他節(jié)點(diǎn)協(xié)同完成特定任務(wù)。1.4.1網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)1.4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)2. 匯聚節(jié)點(diǎn)匯聚節(jié)點(diǎn)，通常是指?jìng)鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)關(guān)設(shè)備，其處理能力、存儲(chǔ)能力及通信能力都相對(duì)較強(qiáng)。它連接傳感器網(wǎng)絡(luò)和Internet等外部網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，可以將任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)給出的任務(wù)發(fā)布出去，并把收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至Intern

17、et等外網(wǎng)。1.4.1網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)1.4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)3. 任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的所有者通過(guò)任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)訪問(wèn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的資源，它通常為運(yùn)行有網(wǎng)絡(luò)管理軟件的PC或者手持移動(dòng)終端設(shè)備。1.4.1網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)1.4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)感知節(jié)點(diǎn)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)重要組成部分，起到采集信息和傳遞信息的作用。其結(jié)構(gòu)組成主要有四部分：傳感器模塊、處理器模塊、無(wú)線通信模塊、供電管理模塊。1.4.2感知節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)1.4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)1.4.2感知節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)1.4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)1. 傳感器模塊傳感器模塊包括傳感器和AD/DC轉(zhuǎn)換器，傳感器部分負(fù)責(zé)采集信息，AD/DC轉(zhuǎn)換

18、器負(fù)責(zé)模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換。在實(shí)際應(yīng)用中，要根據(jù)需要采集的信號(hào)，選擇相應(yīng)類型的傳感器。常見(jiàn)的傳感器有：感光傳感器、加速度傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器等等。1.4.2感知節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)1.4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)2. 處理器模塊處理器模塊是感知節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的核心，它包括處理器和存儲(chǔ)器兩部分，節(jié)點(diǎn)的所有功能及任務(wù)進(jìn)度都需要它來(lái)協(xié)調(diào)完成。常見(jiàn)的處理器芯片有很多，比如TI公司研發(fā)的CC2530系列芯片等等。1.4.2感知節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)1.4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)3. 無(wú)線通信模塊無(wú)線通信模塊有信號(hào)接收器、信號(hào)發(fā)射器等部分構(gòu)成。無(wú)線通信模塊的主要功能是和其他無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。這個(gè)模塊是能耗最大的模塊。1.4.2感知

19、節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)1.4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)4. 供電管理模塊供電管理模塊的作用是提供并管理電能。在具體應(yīng)用中，要根據(jù)能耗情況選擇供電設(shè)備，用電量小的則可以選擇微型電池。1.4.2感知節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)1.4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)近年來(lái)，隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和研究的深入，已經(jīng)陸續(xù)出現(xiàn)了很多種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。例如，Mica Mote系列傳感器節(jié)點(diǎn)由美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校支持研發(fā)，具有低功耗、自組織、可重構(gòu)的特點(diǎn)，主要采用Atmel系列微控制器。該系列的傳感器節(jié)點(diǎn)已經(jīng)完成產(chǎn)業(yè)化，如Mica2、MicaDot、MicaZ等產(chǎn)品。SP-WSNCE15A平臺(tái)的系列節(jié)點(diǎn)是由凌陽(yáng)科技大學(xué)計(jì)劃開(kāi)發(fā)提供。該該平臺(tái)中的

20、主控芯片采用TI公司的CC2530芯片。CC2530芯片能夠提供一個(gè)用于2.4GHz的IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的片上系統(tǒng)解決方案，且外設(shè)資源豐富。單個(gè)ZigBee感知節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖如圖所示。1.4.2感知節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)1.4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)1.4.2感知節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)1.4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)感知節(jié)點(diǎn)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單元，節(jié)點(diǎn)承擔(dān)著信息采集和路由傳遞的雙重功能。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)由大規(guī)模、低功耗的感知節(jié)點(diǎn)組成的協(xié)同工作網(wǎng)絡(luò)，決定了單個(gè)感知節(jié)點(diǎn)的成本不會(huì)很高。由于成本的限制，導(dǎo)致了感知節(jié)點(diǎn)有如下限制條件：1.電源能量有限2.通信能力受限3.計(jì)算和存儲(chǔ)能力有限1.

21、4.3感知節(jié)點(diǎn)的限制條件1.4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)1.電源能量有限通常情況下，傳感器感知節(jié)點(diǎn)體積很小，攜帶的能量有限。而且，大量的感知節(jié)點(diǎn)被部署在分布范圍很廣的區(qū)域內(nèi)，有些地方甚至人都不能到達(dá)，導(dǎo)致感知節(jié)點(diǎn)不能及時(shí)有效的得到能量補(bǔ)充。因此，盡可能高效的使用能量來(lái)延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的首要目標(biāo)。感知節(jié)點(diǎn)消耗能量的模塊包括傳感器模塊、處理器模塊和無(wú)線通信模塊。隨著集成電路工藝的進(jìn)步，傳感器和處理器模塊的功耗變得很低，絕大部分能量消耗集中在無(wú)線通信模塊上。下圖1-5所示為感知節(jié)點(diǎn)各個(gè)模塊的能量消耗情況，從圖中可以看出節(jié)點(diǎn)的絕大部分能量消耗集中在無(wú)線通信模塊上。據(jù)了解，感知節(jié)點(diǎn)在1

22、00m的距離上傳輸1b信息需要的能量大約相當(dāng)于執(zhí)行3000條計(jì)算指令消耗的能量。1.4.3感知節(jié)點(diǎn)的限制條件1.4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)1.電源能量有限一般，通信信道可以分四個(gè)狀態(tài)：發(fā)送、接收、空閑和睡眠。無(wú)線通信模塊在空閑狀態(tài)會(huì)一直偵聽(tīng)無(wú)線信道的使用情況，檢查是否有數(shù)據(jù)發(fā)送給自己，而在睡眠狀態(tài)則關(guān)閉通信模塊。從圖中可以看出，無(wú)線通信模塊在發(fā)送狀態(tài)消耗的能量最大，睡眠狀態(tài)消耗的能量最少。因此，為了達(dá)到高效使能能量的目標(biāo)，讓不需要通信的模塊盡快進(jìn)入睡眠狀態(tài)，是傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)協(xié)議時(shí)需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。1.4.3感知節(jié)點(diǎn)的限制條件1.4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)1.電源能量有限1.4.3感知節(jié)點(diǎn)的限制條

23、件1.4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)2.通信能力受限無(wú)線通信的能量消耗E與通信距離d的關(guān)系如式所示：其中，k是系數(shù)，參數(shù)n滿足關(guān)系2nC+R+T。2.2.2 介質(zhì)訪問(wèn)控制技術(shù)2.2數(shù)據(jù)鏈路層1.基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議（3）T-MAC協(xié)議雖然，T-MAC協(xié)議可以相對(duì)的減少空閑偵聽(tīng)的時(shí)間，但這種提前結(jié)束活動(dòng)周期從而減少空閑偵聽(tīng)的方式會(huì)帶來(lái)“早睡”問(wèn)題，即當(dāng)某節(jié)點(diǎn)在其鄰居節(jié)點(diǎn)正準(zhǔn)備向自己發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)恰好進(jìn)入了睡眠狀態(tài)。T-MAC協(xié)議為解決“早睡”問(wèn)題提出很多方法，但都不盡理想。2.2.2 介質(zhì)訪問(wèn)控制技術(shù)2.2數(shù)據(jù)鏈路層2.基于固定分配的信道接入技術(shù)基于固定分配的信道接入技術(shù)，又被稱為基于預(yù)約的信道接入技術(shù)，

24、它首先將一個(gè)物理信道劃分成多個(gè)子信道，然后根據(jù)節(jié)點(diǎn)的需要分配給節(jié)點(diǎn)。其中，最常見(jiàn)的就是TDMA、CDMA、FDMA以及一些組合形式的接入技術(shù)。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量受限，傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的信道接入技術(shù)都需要經(jīng)過(guò)改進(jìn)才能應(yīng)用于我們的傳感器網(wǎng)絡(luò)。2.2.2 介質(zhì)訪問(wèn)控制技術(shù)2.2數(shù)據(jù)鏈路層2.基于固定分配的信道接入技術(shù)（1）TDMA技術(shù)時(shí)分復(fù)用（Time Division Multiple Access，TDMA）機(jī)制是指為每一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分配獨(dú)立的用于數(shù)據(jù)收發(fā)的時(shí)隙，而節(jié)點(diǎn)在其他空閑時(shí)隙內(nèi)轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)。2.2.2 介質(zhì)訪問(wèn)控制技術(shù)2.2數(shù)據(jù)鏈路層2.基于固定分配的信道接入技術(shù)（1）TDMA技

25、術(shù)與基于競(jìng)爭(zhēng)的協(xié)議相比，采用時(shí)分復(fù)用的方式可以減少數(shù)據(jù)的碰撞，且更能節(jié)省能量，因?yàn)槭∪チ伺鲎仓貍魉a(chǎn)生的能量消耗。然而，TDMA機(jī)制本身也存在著不足，它需要特別精準(zhǔn)的時(shí)間同步，通常在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不變的網(wǎng)絡(luò)中，它不能很好的處理傳感器節(jié)點(diǎn)移動(dòng)和節(jié)點(diǎn)失效的情況，因此網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性方面有所欠缺。2.2.2 介質(zhì)訪問(wèn)控制技術(shù)2.2數(shù)據(jù)鏈路層2.基于固定分配的信道接入技術(shù)（1）TDMA技術(shù)DEANA協(xié)議DEANA協(xié)議全稱為分布式能量感知節(jié)點(diǎn)活動(dòng)（Distributed Energy-Aware Node Activation，DEANA）協(xié)議。2.2.2 介質(zhì)訪問(wèn)控制技術(shù)2.2數(shù)據(jù)鏈路層2.基于固定分配的信道接

26、入技術(shù)（1）TDMA技術(shù)DEANA協(xié)議2.2.2 介質(zhì)訪問(wèn)控制技術(shù)2.2數(shù)據(jù)鏈路層2.基于固定分配的信道接入技術(shù)（1）TDMA技術(shù)DEANA協(xié)議它在TDMA機(jī)制的基礎(chǔ)上做出了一些改進(jìn)，在每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)隙之前加入了一段簡(jiǎn)短的控制時(shí)隙，這個(gè)控制時(shí)隙主要是用來(lái)通知在節(jié)點(diǎn)之間是否有數(shù)據(jù)需要收發(fā)，如果不需要進(jìn)行收發(fā)，則進(jìn)入睡眠狀態(tài)，只有接收數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)保持活躍狀態(tài)。2.2.2 介質(zhì)訪問(wèn)控制技術(shù)2.2數(shù)據(jù)鏈路層2.基于固定分配的信道接入技術(shù)（1）TDMA技術(shù)TRAMA協(xié)議TRAMA（Traffic Adaptive Medium Access）協(xié)議，即流量自適應(yīng)介質(zhì)訪問(wèn)協(xié)議。2.2.2 介質(zhì)訪問(wèn)控制

27、技術(shù)2.2數(shù)據(jù)鏈路層2.基于固定分配的信道接入技術(shù)（1）TDMA技術(shù)TRAMA協(xié)議2.2.2 介質(zhì)訪問(wèn)控制技術(shù)2.2數(shù)據(jù)鏈路層2.基于固定分配的信道接入技術(shù)（1）TDMA技術(shù)TRAMA協(xié)議TRAMA將時(shí)間分成一個(gè)個(gè)時(shí)隙，傳輸時(shí)隙長(zhǎng)度是固定的，信令時(shí)隙要小于傳輸時(shí)隙，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)可交換一跳或者兩跳鄰居節(jié)點(diǎn)信息，采用基于各節(jié)點(diǎn)流量信息的分布式選舉算法選出特定時(shí)隙進(jìn)行傳輸，這種預(yù)定時(shí)隙的機(jī)制，能夠給數(shù)據(jù)信息發(fā)送者提供無(wú)競(jìng)爭(zhēng)時(shí)隙，給短周期控制信息提供隨機(jī)接入，以此來(lái)達(dá)到一定的吞吐量和公平性。2.2.2 介質(zhì)訪問(wèn)控制技術(shù)2.2數(shù)據(jù)鏈路層2.基于固定分配的信道接入技術(shù)（1）TDMA技術(shù)TRAMA協(xié)議TRAM

28、A協(xié)議主要由三部分的內(nèi)容組成：鄰居協(xié)議（Neighbor Protocol，NP）、調(diào)度交換協(xié)議（Schedule Exchange Protocol，SEP）自適應(yīng)時(shí)槽選舉算法（Adaptive Election Algorithm，AEA）2.2.2 介質(zhì)訪問(wèn)控制技術(shù)2.2數(shù)據(jù)鏈路層2.基于固定分配的信道接入技術(shù)（1）TDMA技術(shù)DMAC協(xié)議DMAC（Data-gathering MAC）協(xié)議是針對(duì)競(jìng)爭(zhēng)性MAC協(xié)議中的S-MAC和T-MAC協(xié)議的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)停頓問(wèn)題而提出來(lái)的。DMAC協(xié)議特別適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的樹(shù)形拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，2.2.2 介質(zhì)訪問(wèn)控制技術(shù)2.2數(shù)據(jù)鏈路層2.基于固定分配的信

29、道接入技術(shù)（1）TDMA技術(shù)DMAC協(xié)議2.2.2 介質(zhì)訪問(wèn)控制技術(shù)2.2數(shù)據(jù)鏈路層2.基于固定分配的信道接入技術(shù)（1）TDMA技術(shù)DMAC協(xié)議DMAC協(xié)議的基本思想是：采用交錯(cuò)調(diào)度機(jī)制，能夠有效減少數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸延遲。采用自適應(yīng)占空比機(jī)制、ACK應(yīng)答機(jī)制，能夠以網(wǎng)絡(luò)流量為依據(jù)動(dòng)態(tài)的調(diào)整占空比。采用預(yù)分配機(jī)制，可以有效避免休眠延遲。采用MTS幀機(jī)制、數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)機(jī)制，能夠降低不同父節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)之間干擾造成的傳輸延遲。2.2.2 介質(zhì)訪問(wèn)控制技術(shù)2.2數(shù)據(jù)鏈路層2.基于固定分配的信道接入技術(shù)（2）CDMA技術(shù)主要采用的是CDMA的偽隨機(jī)碼分配算法，所有傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)都與其兩跳距離范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)

30、所分配的偽隨機(jī)碼兩兩正交，以此來(lái)避免節(jié)點(diǎn)間無(wú)線通信的相互干擾。2.2.2 介質(zhì)訪問(wèn)控制技術(shù)2.2數(shù)據(jù)鏈路層2.基于固定分配的信道接入技術(shù)（3）FDMA技術(shù)通常，在一條通信信道上，實(shí)際傳送一段信息所需要的頻帶寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于信道所提供的頻帶寬度，因此，一條信道只傳輸一路信號(hào)較為浪費(fèi)。為了可以充分利用頻帶寬度，所以提出了頻分復(fù)用的概念。2.2.2 介質(zhì)訪問(wèn)控制技術(shù)2.2數(shù)據(jù)鏈路層2.基于固定分配的信道接入技術(shù)（3）FDMA技術(shù)頻分多址（Frequency Division Multiple Access，F(xiàn)DMA）是將傳輸頻帶分為N個(gè)部分，每個(gè)部分作為一個(gè)獨(dú)立的傳輸信道使用。這樣就可以實(shí)現(xiàn)在一個(gè)傳輸信

31、道上可以有N部分對(duì)話信息進(jìn)行傳送，這樣做的話可以大大提高頻帶利用率。2.2.2 介質(zhì)訪問(wèn)控制技術(shù)2.2數(shù)據(jù)鏈路層2.基于固定分配的信道接入技術(shù)（3）FDMA技術(shù)信道復(fù)用率高是頻分復(fù)用技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)，它容許復(fù)用的路數(shù)多，分路也方便。也因此，它成為模擬通信中最重要的一種復(fù)用方式，尤其是在有線和微博通信系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛。但FDMA系統(tǒng)最大的缺點(diǎn)就是設(shè)備生產(chǎn)過(guò)程較為復(fù)雜，會(huì)因?yàn)V波器件的特性不夠理想和信道內(nèi)存在非線性而產(chǎn)生路間干擾。2.2.2 介質(zhì)訪問(wèn)控制技術(shù)2.2數(shù)據(jù)鏈路層3.按需分配的信道接入技術(shù)按需分配是另一種在無(wú)線局域網(wǎng)中很重要的信道接入方式，這種技術(shù)的原則是網(wǎng)絡(luò)按某種循環(huán)順序詢問(wèn)每個(gè)終端是否

32、有數(shù)據(jù)發(fā)送，如果有的話則立即發(fā)送；如果沒(méi)有，則網(wǎng)絡(luò)立即轉(zhuǎn)向下一個(gè)終端。輪詢的特點(diǎn)就是可以使各終端可以公平的獲得信道訪問(wèn)控制權(quán)，適用于通信業(yè)務(wù)量隨時(shí)間變化，且這種變化是不可預(yù)測(cè)的情況。這種方式在一般的實(shí)時(shí)分布式測(cè)控系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。2.2.2 介質(zhì)訪問(wèn)控制技術(shù)2.2數(shù)據(jù)鏈路層3.按需分配的信道接入技術(shù)（1）PCF方式PCF工作方式是基于優(yōu)先級(jí)的無(wú)競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)，以輪詢的方式查詢當(dāng)前有哪些節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，并在必要的時(shí)候給予該節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送權(quán)。因此，PCF具有較小的延遲，能使網(wǎng)絡(luò)吞吐量達(dá)到最佳化，可以更好地支持無(wú)競(jìng)爭(zhēng)的限時(shí)業(yè)務(wù)，如語(yǔ)音、視頻或多媒體業(yè)務(wù)等。2.2.2 介質(zhì)訪問(wèn)控制技術(shù)2.2數(shù)據(jù)鏈

33、路層3.按需分配的信道接入技術(shù)（2）WTRP方式在無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)中有一種典型的MAC接入?yún)f(xié)議，稱之為無(wú)線令牌環(huán)控制協(xié)議（Wireless Token Ring Protocol，WTRP），此協(xié)議是基于PCF方式建立的。2.2.2 介質(zhì)訪問(wèn)控制技術(shù)2.2數(shù)據(jù)鏈路層3.按需分配的信道接入技術(shù)（2）WTRP方式系統(tǒng)按照某種分群算法將網(wǎng)絡(luò)初始化為若干環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的子網(wǎng)絡(luò)（令牌環(huán)），分群算法的目的就是獲得一個(gè)相互聯(lián)通、且可以覆蓋所有節(jié)點(diǎn)的群。每個(gè)群則是由一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)和若干個(gè)普通節(jié)點(diǎn)組成，該中心節(jié)點(diǎn)被選為群首，各群分別使用不同的信道。群首選擇一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)關(guān)用來(lái)進(jìn)行本群與其他群之間的通信業(yè)務(wù)和中轉(zhuǎn)

34、任務(wù)。這里的網(wǎng)關(guān)就是在多個(gè)信道上切換工作的節(jié)點(diǎn)。2.2.2 介質(zhì)訪問(wèn)控制技術(shù)2.2數(shù)據(jù)鏈路層3.按需分配的信道接入技術(shù)（2）WTRP方式分群后的分布式無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)多群間的業(yè)務(wù)中轉(zhuǎn)而完成各節(jié)點(diǎn)間的通信。該協(xié)議最大的特點(diǎn)是將令牌與數(shù)據(jù)結(jié)合在一起傳送，有數(shù)據(jù)要發(fā)送的站點(diǎn)在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時(shí)將令牌位進(jìn)行置位并附上站點(diǎn)地址，當(dāng)令牌回到源節(jié)點(diǎn)時(shí)，下一個(gè)令牌獲得站點(diǎn)也就找到了。2.2.2 介質(zhì)訪問(wèn)控制技術(shù)2.2數(shù)據(jù)鏈路層1.能量有效性和其他網(wǎng)絡(luò)性能的良好平衡：雖然能量的高效利用是WSN網(wǎng)絡(luò)的首要考慮問(wèn)題，但是現(xiàn)有的MAC協(xié)議采用休眠的方式雖然在一定程度上延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)壽命，但是也犧牲了網(wǎng)絡(luò)的其他性能，導(dǎo)致時(shí)延較長(zhǎng)

35、，網(wǎng)絡(luò)吞吐量比較低。因此，在不同的應(yīng)用場(chǎng)合，必須綜合考慮WSN網(wǎng)絡(luò)的能量和其他網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)的平衡關(guān)系。2.2.3 信道接入技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)2.2數(shù)據(jù)鏈路層2.優(yōu)化的跨層設(shè)計(jì)：WSN網(wǎng)絡(luò)不同于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)，跨層設(shè)計(jì)是WSN的重點(diǎn)。對(duì)于設(shè)計(jì)優(yōu)化的MAC協(xié)議來(lái)說(shuō)，必須綜合物理層和網(wǎng)絡(luò)層的信息來(lái)一起設(shè)計(jì)，以提高網(wǎng)絡(luò)性能。2.2.3 信道接入技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)2.2數(shù)據(jù)鏈路層3.安全性：WSN網(wǎng)絡(luò)極易受到攻擊，其安全問(wèn)題十分復(fù)雜。對(duì)于安全問(wèn)題的考慮，要滲透到協(xié)議棧的每一層，當(dāng)然在設(shè)計(jì)MAC協(xié)議時(shí)也必須考慮WSN的安全問(wèn)題。2.2.3 信道接入技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)2.2數(shù)據(jù)鏈路層4.實(shí)時(shí)性：一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合，如工業(yè)控

36、制、戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等，對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性要求都比較高，因此，實(shí)時(shí)性的研究也將成為MAC協(xié)議研究的另一重點(diǎn)。2.2.3 信道接入技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)本章小結(jié)本章主要介紹了傳感器網(wǎng)絡(luò)的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層兩個(gè)子層的基本內(nèi)容。這兩層主要解決如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的點(diǎn)到點(diǎn)或點(diǎn)到多點(diǎn)的傳輸問(wèn)題，為上層組網(wǎng)提供通信服務(wù)。物理層講了兩大方面的內(nèi)容，一個(gè)是物理層涉及到的關(guān)鍵技術(shù)，另一個(gè)是物理層設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該遵循的原則。數(shù)據(jù)鏈路層講了三個(gè)內(nèi)容，一是數(shù)據(jù)鏈路層的功能，二是數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該著重考慮的關(guān)鍵技術(shù)，三是介質(zhì)訪問(wèn)控制協(xié)議MAC的工作原理。傳感器網(wǎng)絡(luò)信工學(xué)院 郭曉玲18931310179175666832第3章 網(wǎng)絡(luò)層3.1路

37、由協(xié)議的作用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一，對(duì)于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行性能起著非常重要的作用。路由協(xié)議的作用是尋找一條或者多條從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)并且滿足一定條件的路徑，沿著所尋找的路徑進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組，它主要包括兩個(gè)功能：一是尋找源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)間的優(yōu)化路徑；二是沿著優(yōu)化路徑轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組。3.1路由協(xié)議的作用Ad Hoc、無(wú)線局域網(wǎng)等傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的首要目標(biāo)是提供高服務(wù)質(zhì)量和公平高效的利用網(wǎng)絡(luò)帶寬。這些網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議的主要任務(wù)是尋找源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)間通信延遲小的路徑，同時(shí)提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的利用率，避免產(chǎn)生通信堵塞并均衡網(wǎng)絡(luò)流量等。3.1路由協(xié)議的作用在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，第一，結(jié)點(diǎn)的能量

38、是有限的并且一般情況下沒(méi)有能量的補(bǔ)充，因而在路由協(xié)議的設(shè)計(jì)中，需要考慮如何高效的利用能量；第二，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)目往往很大，節(jié)點(diǎn)只能獲取局部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息，路由協(xié)議要能在局部網(wǎng)絡(luò)信息的基礎(chǔ)上選擇合適的路徑；第三，在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，沒(méi)有基站的支撐，由于節(jié)點(diǎn)失效、新節(jié)點(diǎn)的加入，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化，使得網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議必須能夠支持自組織的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)。第四，傳感器網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的應(yīng)用相關(guān)性，不同路由協(xié)議反映的特點(diǎn)各有不同，沒(méi)有一個(gè)通用的路由協(xié)議。第五，傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由機(jī)制經(jīng)常與數(shù)據(jù)融合技術(shù)聯(lián)系在一起，通過(guò)減少通信量來(lái)節(jié)省能量。3.1路由協(xié)議的作用與傳統(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

39、的特征：1.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。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量有限，傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)是延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存期，因此首要考慮節(jié)點(diǎn)的能量消耗以及網(wǎng)絡(luò)能量均衡使用的問(wèn)題。3.1路由協(xié)議的作用與傳統(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)議具有以下的特征：2.基于局部拓?fù)湫畔o(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，因而不能進(jìn)行太復(fù)雜的路由計(jì)算。所以，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議要能在局部網(wǎng)絡(luò)信息的基礎(chǔ)上選擇合適的路徑。3.1路由協(xié)議的作用與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議相比，無(wú)

40、線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議具有以下的特征：3.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)是隨機(jī)部署的，人們所關(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，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行不依賴于全網(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。3.1路由協(xié)議的作用與傳統(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)議具有以下的特征：4.應(yīng)用相關(guān)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境的千差萬(wàn)別導(dǎo)致沒(méi)有一個(gè)通用的路由協(xié)議適合所有的應(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。3.1路由協(xié)議的作用與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議相比，無(wú)

41、線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議具有以下的特征：5.與數(shù)據(jù)融合技術(shù)相結(jié)合 傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由機(jī)制經(jīng)常與數(shù)據(jù)融合技術(shù)聯(lián)系在一起，通過(guò)減少通信量來(lái)節(jié)省能量，在考慮節(jié)能的首要問(wèn)題上，尋找最優(yōu)路徑。3.2路由協(xié)議的類型在眾多的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議中，按照不同的分類方法就會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)果，以下是常用的幾種分類方式：3.2路由協(xié)議的類型1.按網(wǎng)絡(luò)管理的邏輯結(jié)構(gòu)來(lái)分類可分為：平面路由協(xié)議和分簇路由協(xié)議。平面路由協(xié)議中，各節(jié)點(diǎn)在路由功能上的地位相同，沒(méi)有特殊節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)中流量均勻分布，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，適用于小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)。但是由于其跳數(shù)較多，所以其能耗較大。典型的平面路由協(xié)議有Flooding、Gossiping、SPIN等。3.2

42、路由協(xié)議的類型分簇路由協(xié)議的關(guān)鍵是成簇協(xié)議，即在動(dòng)態(tài)分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下使移動(dòng)節(jié)點(diǎn)高效地聚集成簇。每一個(gè)簇有一個(gè)簇首，簇與簇之間通過(guò)網(wǎng)關(guān)（可以使簇首，也可以是其他成員）通信。成簇協(xié)議、簇維護(hù)協(xié)議、簇內(nèi)路由協(xié)議和簇間路由協(xié)議構(gòu)成了層次路由協(xié)議。層次路由協(xié)議擴(kuò)展性好，適用于大規(guī)模的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，但需要有較大的開(kāi)銷來(lái)維護(hù)簇。典型的層次路由協(xié)議有LEACH、TEEN、PEGASIS等路由算法。3.2路由協(xié)議的類型2.按路由建立時(shí)機(jī)是否與查詢有關(guān)來(lái)分類可分為：查詢驅(qū)動(dòng)的路由協(xié)議和非查詢驅(qū)動(dòng)的路由協(xié)議。對(duì)于查詢驅(qū)動(dòng)的路由協(xié)議，當(dāng)有查詢?nèi)蝿?wù)發(fā)生時(shí)，匯聚節(jié)點(diǎn)（查詢節(jié)點(diǎn)）發(fā)出查詢?nèi)蝿?wù)命令，傳感器節(jié)點(diǎn)向匯聚節(jié)點(diǎn)報(bào)告采

43、集的數(shù)據(jù)，沒(méi)有查詢?nèi)蝿?wù)發(fā)生時(shí)，一般不進(jìn)行數(shù)據(jù)匯報(bào)。對(duì)于非查詢驅(qū)動(dòng)的路由協(xié)議，與查詢?nèi)蝿?wù)是否發(fā)生無(wú)關(guān)。典型的基于查詢的路由協(xié)議有DD、Rumor等。3.2路由協(xié)議的類型3.按是否利用節(jié)點(diǎn)的地理位置信息來(lái)分類：可分為基于地理位置的路由協(xié)議和無(wú)需地理位置的路由協(xié)議。在一些特殊應(yīng)用中，常需要知道探測(cè)事件發(fā)生的地理位置，這時(shí)候就需要用到基于地理位置的路由協(xié)議。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)通過(guò)GPS或者BDS定位系統(tǒng)確定自己的地理位置信息，然后合理利用這些地理信息，實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)路由、傳輸路徑的選擇和控制等目標(biāo)。典型的基于地理位置路由協(xié)議有GPSR、GAF、GEAR等。3.2路由協(xié)議的類型4.按傳輸過(guò)程中采用路

44、徑的數(shù)目來(lái)分類可分為單路徑路由協(xié)議和多路徑路由協(xié)議。多路徑路由協(xié)議通過(guò)增加的路徑數(shù)，可以增加網(wǎng)絡(luò)的等效帶寬，能夠在相同的數(shù)據(jù)量傳輸?shù)那疤嵯?，縮短傳輸時(shí)延，增加了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。多路徑路由容錯(cuò)性強(qiáng)，健壯性好，并且可以從眾多路由中選擇一條最優(yōu)路由，提高了無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的可靠性和實(shí)時(shí)性，滿足了對(duì)通信的QoS有較高要求的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的需要。典型的基于QOS的多路徑路由協(xié)議有SAR等。3.2路由協(xié)議的類型5.按路由發(fā)現(xiàn)策略來(lái)分類可分為主動(dòng)路由和被動(dòng)路由。主動(dòng)路由的節(jié)點(diǎn)通過(guò)周期性地廣播路由信息分組，交換路由信息，主動(dòng)發(fā)現(xiàn)路由，節(jié)點(diǎn)必須維護(hù)去往全網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)的路由。被動(dòng)路由是只有在去往目的節(jié)點(diǎn)的時(shí)候，才按需進(jìn)

45、行路由發(fā)現(xiàn)。被動(dòng)路由協(xié)議根據(jù)網(wǎng)絡(luò)分組的傳輸請(qǐng)求，被動(dòng)地搜索從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的路由。其優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省了一定的網(wǎng)絡(luò)資源，節(jié)點(diǎn)無(wú)需周期性地廣播。缺點(diǎn)是增加了時(shí)延，數(shù)據(jù)分組需要等待路由發(fā)現(xiàn)。3.3路由協(xié)議設(shè)計(jì)的原則在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)數(shù)目多而且資源有限，隨機(jī)分配節(jié)點(diǎn)的位置，節(jié)點(diǎn)間自行組織網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)與交換通過(guò)多跳路徑來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議具有：能量?jī)?yōu)先、基于局部拓?fù)湫畔?、以?shù)據(jù)為中心、應(yīng)用相關(guān)性、與數(shù)據(jù)融合相結(jié)合的特征。3.3路由協(xié)議設(shè)計(jì)的原則在設(shè)計(jì)路由協(xié)議上需要遵循以下的原則：1.延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間原則延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間包括：優(yōu)化能量消耗和均衡能量消耗兩方面內(nèi)容，避免頻繁使用某條路徑

46、或某些節(jié)點(diǎn)，使節(jié)點(diǎn)的能耗不均衡，出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)殘缺覆蓋，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不完整等問(wèn)題。3.3路由協(xié)議設(shè)計(jì)的原則在設(shè)計(jì)路由協(xié)議上需要遵循以下的原則：2.可擴(kuò)展性原則在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于各種原因，會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，這就要求路由機(jī)制具有可擴(kuò)展性，能夠適應(yīng)節(jié)點(diǎn)的失效或加入。3.3路由協(xié)議設(shè)計(jì)的原則在設(shè)計(jì)路由協(xié)議上需要遵循以下的原則：3.穩(wěn)健性原則在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中可能會(huì)因?yàn)橥饨绲沫h(huán)境影響、節(jié)點(diǎn)能量用盡、物理?yè)p壞等原因造成節(jié)點(diǎn)的失效，另外無(wú)線鏈路本身也存在一些缺陷。應(yīng)該避免讓節(jié)點(diǎn)的失效或鏈路的缺陷對(duì)網(wǎng)絡(luò)的傳輸任務(wù)產(chǎn)生影響，這就需要路由協(xié)議擁有一定的容錯(cuò)能力，使得網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行具有良好的穩(wěn)健性。3.3路由協(xié)

47、議設(shè)計(jì)的原則在設(shè)計(jì)路由協(xié)議上需要遵循以下的原則：4.異構(gòu)性原則由于應(yīng)用的不同，傳感接節(jié)點(diǎn)也會(huì)執(zhí)行不同的功能，節(jié)點(diǎn)與鏈路的異構(gòu)會(huì)在計(jì)算、通信與能量上出現(xiàn)差異。另外，特殊的傳感器需要獨(dú)立的配置。由于多種服務(wù)質(zhì)量的需求，及時(shí)的數(shù)據(jù)采集與報(bào)告可能無(wú)法以相同速率傳輸，還可能遵循多種數(shù)據(jù)報(bào)告的模型。因此，節(jié)點(diǎn)與鏈路的異構(gòu)問(wèn)題再設(shè)計(jì)路由協(xié)議時(shí)需要認(rèn)真考慮。3.3路由協(xié)議設(shè)計(jì)的原則在設(shè)計(jì)路由協(xié)議上需要遵循以下的原則：5.數(shù)據(jù)的匯聚與融合原則數(shù)據(jù)的匯聚，就是指根據(jù)某種匯聚的功能，將不同源節(jié)點(diǎn)的的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理；而數(shù)據(jù)的融合是指采用信號(hào)的處理方法，實(shí)現(xiàn)更精確的信號(hào)。無(wú)線傳感器網(wǎng)路在工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的冗余數(shù)據(jù)

48、，因此大量的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議采用了數(shù)據(jù)的匯聚與融合技術(shù)。3.3路由協(xié)議設(shè)計(jì)的原則在設(shè)計(jì)路由協(xié)議上需要遵循以下的原則：6.快速收斂原則傳感器網(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)制能夠快速收斂，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)變化，同時(shí)減少通信協(xié)議的開(kāi)銷，提高信息傳輸?shù)男省?.4典型的路由協(xié)議 典型的路由協(xié)議包括平面路由協(xié)議、基于分簇的路由協(xié)議、基于查詢的路由協(xié)議、基于地理位置的路由協(xié)議和基于QOS的路由協(xié)議五大類。3.4典型的路由協(xié)議常見(jiàn)的平面路由協(xié)議有Flooding、Gossiping、SPIN等。那么平面路由指的是什么呢？平面路由指的是在網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的路由功能地

49、位相同，并且不引入分層管理機(jī)制。它的優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)，健壯性強(qiáng)，無(wú)特殊節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)流量均勻分散在網(wǎng)絡(luò)中。它的缺點(diǎn)是能耗高，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶鴶?shù)較多，在一定程度限制了網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模。因此，平面路由的適用范圍是小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)。3.4.1平面路由協(xié)議3.4典型的路由協(xié)議1.Flooding協(xié)議Flooding協(xié)議，又稱洪泛協(xié)議，是一種以數(shù)據(jù)為中心的平面路由協(xié)議。Flooding協(xié)議在傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用時(shí)間較早，相應(yīng)的它也是較為經(jīng)典的一種平面路由協(xié)議。3.4.1平面路由協(xié)議3.4典型的路由協(xié)議1.Flooding協(xié)議Flooding協(xié)議極易實(shí)現(xiàn)，它不需要維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路由算法，且每個(gè)節(jié)點(diǎn)地位是等價(jià)的，節(jié)點(diǎn)只要將所收

50、到的數(shù)據(jù)包廣播出去，如此循環(huán)，直到數(shù)據(jù)包到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)，或者直到數(shù)據(jù)包的傳輸達(dá)到最大跳TTL，亦或是所有節(jié)點(diǎn)都有此數(shù)據(jù)包副本時(shí)結(jié)束。3.4.1平面路由協(xié)議3.4典型的路由協(xié)議1.Flooding協(xié)議以下圖為例，簡(jiǎn)單描述Flooding協(xié)議的工作過(guò)程：假設(shè)源節(jié)點(diǎn)A需要將數(shù)據(jù)包p發(fā)送至匯聚節(jié)點(diǎn)D，則節(jié)點(diǎn)A首先將p的副本廣播，則其鄰居節(jié)點(diǎn)B接收到p的副本，然后節(jié)點(diǎn)B將p的副本通過(guò)廣播的形式轉(zhuǎn)發(fā)給E、F、C，以此類推，直到數(shù)據(jù)包到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)D。3.4.1平面路由協(xié)議3.4典型的路由協(xié)議1.Flooding協(xié)議3.4.1平面路由協(xié)議3.4典型的路由協(xié)議1.Flooding協(xié)議通過(guò)上述工作過(guò)程描述不難發(fā)現(xiàn)，

51、Flooding協(xié)議存在一個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到多個(gè)同一數(shù)據(jù)包副本的問(wèn)題。那么就可以窺見(jiàn)，洪泛協(xié)議在易于實(shí)現(xiàn)的同時(shí)，也存在很大的不足：3.4.1平面路由協(xié)議3.4典型的路由協(xié)議1.Flooding協(xié)議（1）信息內(nèi)爆：即Implosion，是指網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到多個(gè)同一數(shù)據(jù)包副本的現(xiàn)象。在上述例子的工作過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)CEF會(huì)同時(shí)收到多個(gè)同一數(shù)據(jù)包副本P。這種現(xiàn)象就是信息內(nèi)爆。3.4.1平面路由協(xié)議3.4典型的路由協(xié)議1.Flooding協(xié)議（2）部分重迭：即Overlap，在實(shí)際的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，往往有密集的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布，那么則不免出現(xiàn)一些節(jié)點(diǎn)對(duì)同一事件做出相同反應(yīng)，很顯然地，這些節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)也

52、會(huì)收到相同的數(shù)據(jù)副本。這樣的現(xiàn)象就稱為部分重迭現(xiàn)象。3.4.1平面路由協(xié)議3.4典型的路由協(xié)議1.Flooding協(xié)議（3）資源盲目利用：每個(gè)節(jié)點(diǎn)只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收和廣播，不考慮各節(jié)點(diǎn)實(shí)際能耗和可用狀況，同時(shí)也不能預(yù)知下一跳的可行性，從而浪費(fèi)了大量的資源。3.4.1平面路由協(xié)議3.4典型的路由協(xié)議2.Gossiping協(xié)議Gossiping協(xié)議，也稱閑聊路由協(xié)議。它是由Flooding協(xié)議改變而來(lái)的。那么，Gossiping協(xié)議相較于Flooding協(xié)議，優(yōu)點(diǎn)是什么呢？與Flooding協(xié)議不同，Gossiping協(xié)議不采用廣播形式將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給所有節(jié)點(diǎn)的形式，而是通過(guò)一定概率隨機(jī)選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)或

53、幾個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，而不是所有節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都以這種方式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)直至數(shù)據(jù)到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)。3.4.1平面路由協(xié)議3.4典型的路由協(xié)議2.Gossiping協(xié)議Gossiping協(xié)議可以避免信息內(nèi)爆現(xiàn)象，并在一定程度上解決節(jié)點(diǎn)的能耗問(wèn)題。很顯然，Gossiping協(xié)議在得到改進(jìn)的同時(shí)，也存在了一定的弊端。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行下一跳時(shí)，都是隨機(jī)的，沒(méi)有使用路徑最優(yōu)算法，因此會(huì)大大增加數(shù)據(jù)包的端到端傳輸?shù)臅r(shí)延，或者在生命周期結(jié)束之前沒(méi)有到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，Gossiping協(xié)議也無(wú)法解決Flooding協(xié)議遺留下來(lái)的部分重迭和資源盲目利用的問(wèn)題。3.4.1平面路由協(xié)議3.4典型的路由協(xié)議2

54、.Gossiping協(xié)議如下圖所示，節(jié)點(diǎn)S傳遞數(shù)據(jù)包到節(jié)點(diǎn)D，數(shù)據(jù)包的最大傳輸跳數(shù)TTL設(shè)置為6，(a)圖是數(shù)據(jù)包正確到達(dá)節(jié)點(diǎn)D的可能路線之一，但是如果選擇的路徑是圖(b)，則數(shù)據(jù)包就不能到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)D。3.4.1平面路由協(xié)議3.4典型的路由協(xié)議2.Gossiping協(xié)議3.4.1平面路由協(xié)議3.4典型的路由協(xié)議3.SPIN協(xié)議SPIN，即Sensor Protocols for Information via Negotiation，信息協(xié)商的傳感器協(xié)議。它是一種以數(shù)據(jù)為中心的自適應(yīng)路由協(xié)議，以節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)商來(lái)確立傳輸路徑。SPIN協(xié)議相較于Flooding協(xié)議和Gossiping協(xié)議而言，

55、它完美地解決了信息內(nèi)爆，部分重迭以及資源盲目利用等問(wèn)題。3.4.1平面路由協(xié)議3.4典型的路由協(xié)議3.SPIN協(xié)議SPIN協(xié)議的主要思想是：用ADV、REQ和DATA三種類型的消息進(jìn)行節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)商。ADV消息用于新數(shù)據(jù)廣播，其大小遠(yuǎn)小于DATA；REQ消息表示請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)；DATA消息表示真實(shí)要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)有新數(shù)據(jù)需要轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，首先向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播ADV消息，根據(jù)ADV消息中對(duì)新數(shù)據(jù)的描述，對(duì)該數(shù)據(jù)感興趣的鄰居節(jié)點(diǎn)則會(huì)向該節(jié)點(diǎn)發(fā)送REQ消息，表示請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)，然后該節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到的REQ消息，向需要新數(shù)據(jù)的鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送DATA消息。3.4.1平面路由協(xié)議3.4典型的路由協(xié)議3.SPIN協(xié)

56、議下圖表示了SPIN協(xié)議的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程3.4.1平面路由協(xié)議3.4典型的路由協(xié)議基于分簇的路由協(xié)議，即將監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)按照一定的算法劃分為若干個(gè)小區(qū)域，每個(gè)小區(qū)域稱為簇，在每個(gè)小區(qū)域中選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為簇首，負(fù)責(zé)組織簇內(nèi)成員的通信。通常情況下，簇內(nèi)成員只與簇首進(jìn)行通信。簇首負(fù)責(zé)接收簇內(nèi)成員的數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，然后發(fā)送給基站節(jié)點(diǎn)，這樣減少了向基站節(jié)點(diǎn)傳送的數(shù)據(jù)量，從而達(dá)到節(jié)省能量的目的。分簇路由協(xié)議相對(duì)于平面路由協(xié)議來(lái)說(shuō)有更好的可擴(kuò)展性，能滿足大型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的需求。3.4.2基于分簇的路由協(xié)議3.4典型的路由協(xié)議1.LEACH路由LEACH（Low Energy Adaptive Clus

57、tering Hierarchy）的全稱是低功耗自適應(yīng)集簇分層型路由，由美國(guó)麻省理工學(xué)院Henizelman等人于2000年提出，是最早的分簇路由協(xié)議，許多后續(xù)的其他分簇路由算法都是基于LEACH改進(jìn)的。3.4.2基于分簇的路由協(xié)議3.4典型的路由協(xié)議1.LEACH路由LEACH的基本思想是：周期性的循環(huán)隨機(jī)選擇簇頭節(jié)點(diǎn)，簇頭節(jié)點(diǎn)接收簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)融合轉(zhuǎn)發(fā)給基站節(jié)點(diǎn)，從而將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量負(fù)載均衡分配到每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)上，以實(shí)現(xiàn)最大化網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間、降低網(wǎng)絡(luò)能耗的目的。3.4.2基于分簇的路由協(xié)議3.4典型的路由協(xié)議1.LEACH路由LEACH的分簇結(jié)構(gòu)圖如圖所示3.4.2基于分簇的路由協(xié)

58、議3.4典型的路由協(xié)議1.LEACH路由LEACH協(xié)議是周期性進(jìn)行的，一個(gè)周期稱為一輪。每一輪分為：（1）簇的建立；（2）穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸。一般來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)長(zhǎng)于簇建立的時(shí)間，以減少成簇的消耗。3.4.2基于分簇的路由協(xié)議3.4典型的路由協(xié)議1.LEACH路由（1）簇的建立簇的建立過(guò)程又分為兩步，第一步是簇頭選舉；第二步是簇的形成。3.4.2基于分簇的路由協(xié)議3.4典型的路由協(xié)議1.LEACH路由（1）簇的建立簇頭選舉：簇頭節(jié)點(diǎn)的選舉采用隨機(jī)方式，意味著網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)均可被選舉為簇頭（以相同概率），這對(duì)均衡網(wǎng)絡(luò)能耗起到了一定的作用。具體過(guò)程如下：每個(gè)節(jié)點(diǎn)生成一個(gè)01之間的隨機(jī)數(shù)，若該

59、隨機(jī)數(shù)小于本輪循環(huán)的閾值T(n)，則該節(jié)點(diǎn)就當(dāng)選為本輪的簇頭。使用T(n)作為閾值，可以保證節(jié)點(diǎn)在近1/p輪內(nèi)一定當(dāng)選為簇頭。3.4.2基于分簇的路由協(xié)議3.4典型的路由協(xié)議1.LEACH路由（1）簇的建立T(n)的計(jì)算公式如下圖所示：其中，p是簇頭節(jié)點(diǎn)占全部節(jié)點(diǎn)的百分比，r是當(dāng)前輪數(shù)，G是前1/p輪中還沒(méi)有被選舉為簇頭的節(jié)點(diǎn)集合。3.4.2基于分簇的路由協(xié)議3.4典型的路由協(xié)議1.LEACH路由（1）簇的建立在本輪中，若某節(jié)點(diǎn)已經(jīng)作為簇頭節(jié)點(diǎn)，則將T(n)賦值0，該節(jié)點(diǎn)不會(huì)再次被選為簇頭。隨著r的增大，T(n)越來(lái)越大，產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)小于T(n)的概率也越來(lái)越大，還未當(dāng)選過(guò)簇頭的節(jié)點(diǎn)成為簇頭的

60、概率也隨著增加。3.4.2基于分簇的路由協(xié)議3.4典型的路由協(xié)議1.LEACH路由（1）簇的建立簇的形成：當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)全部選舉完成后，它們會(huì)通過(guò)廣播方式告知整個(gè)網(wǎng)絡(luò)它們是本輪的簇頭節(jié)點(diǎn)。其它節(jié)點(diǎn)收到信息后，根據(jù)收到信號(hào)的強(qiáng)弱來(lái)決定加入哪個(gè)簇（加入離它最近的簇），并向相應(yīng)的簇頭發(fā)送加入信息。簇頭節(jié)點(diǎn)收到這些信息后，就可以確定本簇的成員。基于簇的規(guī)模，簇頭節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建一個(gè)TDMA時(shí)隙表并廣播給簇內(nèi)成員，告訴它們什么時(shí)候開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)，讓其分別在對(duì)應(yīng)的時(shí)間內(nèi)傳輸，這樣就可以保證簇內(nèi)成員傳輸數(shù)據(jù)時(shí)不會(huì)發(fā)生沖突，完成簇的建立。3.4.2基于分簇的路由協(xié)議3.4典型的路由協(xié)議1.LEACH路由（2）穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸