傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信與組網(wǎng)技術(shù)

1、第二部分傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信與組網(wǎng)技術(shù) 做到目視千里、耳聽八方是人類長久的夢(mèng)想，現(xiàn)代衛(wèi)星技術(shù)的出現(xiàn)雖然使人們離這一目標(biāo)前進(jìn)了很多，但衛(wèi)星高高在上，洞察全局在行，明察細(xì)微就勉為其難了。將大量的傳感器結(jié)點(diǎn)遍撒指定區(qū)域，數(shù)據(jù)通過無線電波傳回監(jiān)控中心，監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的所有信息就會(huì)盡收觀察者的眼中了。這就是人們對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用的美好展望，它的實(shí)現(xiàn)依賴于優(yōu)秀的數(shù)據(jù)傳輸方法，需要新型的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。 通常傳感器結(jié)點(diǎn)的通信覆蓋范圍只有幾十米到幾百米，人們要考慮如何在有限的通信能力條件下，完成探測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸。無線通信是傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。2通信與組網(wǎng)通信技術(shù)組網(wǎng)技術(shù)物理層MAC層網(wǎng)絡(luò)層傳輸層解決如何實(shí)現(xiàn)點(diǎn)

2、到點(diǎn)或點(diǎn)到多點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸解決如何建立可靠且有嚴(yán)格功耗預(yù)算的網(wǎng)絡(luò)通信體系3主要內(nèi)容4四路由協(xié)議一微型傳感器基本知識(shí)三MAC協(xié)議二物理層概述一、微型傳感器1. 傳感器的定義和作用傳感器網(wǎng)絡(luò)的終端探頭通常代表了用戶的功能需求，是實(shí)現(xiàn)信息測(cè)量、網(wǎng)絡(luò)互通和融合的關(guān)鍵。提高終端傳感器的探測(cè)功能，是WSN實(shí)用化的重要手段。傳感器的一般定義：能夠把特定的被測(cè)量信息（物理量、化學(xué)量、生物量等）按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號(hào)（電信號(hào)、光信號(hào)等）的器件或裝置，我們把它稱為傳感器。6 傳感器是生物體感官的工程模擬物；反過來，生物體的感官又可以看作是天然的傳感器。隨著數(shù)字化和信息技術(shù)與機(jī)械裝置的融合，傳感器和執(zhí)行器已經(jīng)開

3、始實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、功能控制和參數(shù)控制一體化，并通過現(xiàn)場(chǎng)總線與外部連接。隨著基礎(chǔ)自動(dòng)化控制功能的重新分配，許多計(jì)算機(jī)控制功能下放到傳感器和執(zhí)行器中完成，如參數(shù)檢測(cè)、控制、診斷和維護(hù)管理等。 傳感器的作用類似于人的感覺器官，是實(shí)現(xiàn)測(cè)試與控制的首要環(huán)節(jié)。傳感器的定義和作用7 傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和基本轉(zhuǎn)換電路組成。 2. 傳感器的組成8感受或響應(yīng)被測(cè)量將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測(cè)量的信號(hào)（一般指電信號(hào)）對(duì)獲得的微弱電信號(hào)進(jìn)行放大、運(yùn)算調(diào)制 隨著半導(dǎo)體器件與集成技術(shù)在傳感器中的應(yīng)用，傳感器的基本轉(zhuǎn)換電路可安裝在傳感器殼體里或與敏感元件一起集成在同一芯片上，構(gòu)成集成傳感器。如ADI公司的AD221

4、00模擬集成溫度傳感器。 傳感器接口技術(shù)是非常實(shí)用和重要的技術(shù)。各種物理量用傳感器將其變成電信號(hào)，經(jīng)由諸如放大、濾波、干擾抑制、多路轉(zhuǎn)換等信號(hào)檢測(cè)和預(yù)處理電路，將模擬量的電壓或電流送A/D轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字量，供計(jì)算機(jī)或者微處理器處理。3. 傳感器接口94. 傳感器的主要性能參數(shù)了解傳感器性能參數(shù)是在選用傳感器時(shí)保證正確、不失真測(cè)量的首要環(huán)節(jié)。主要性能指標(biāo)靈敏度頻率響應(yīng)特性線性范圍精度分辯力（率）穩(wěn)定性 10（1）靈敏度指?jìng)鞲衅鬟_(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，輸出變化量與引起變化的輸入變化量之比。K=輸出變化量/輸入變化量傳感器的靈敏度越高，意味著傳感器感應(yīng)微弱信號(hào)的能力越強(qiáng)。但一般來講，靈敏度越高，測(cè)量范圍

5、越窄，穩(wěn)定性越差。11（2）響應(yīng)特性傳感器的動(dòng)態(tài)性能是對(duì)于隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)性能，即：傳感器的輸出值能真實(shí)再現(xiàn)變化著的輸入量的能力反映。響應(yīng)特性越好，表示輸出信號(hào)和輸入信號(hào)隨時(shí)間的變化曲線越接近。一般地，利用物理特性的傳感器（光電效應(yīng)，壓電效應(yīng)）的響應(yīng)特性比結(jié)構(gòu)型傳感器（電感、電容傳感器等）要好。12（3）線性范圍任何傳感器都有一定的線性范圍，在線性范圍內(nèi)它的輸出與輸入成比例關(guān)系。線性范圍越寬，則表明傳感器的工作量程越大。傳感器工作在線性范圍內(nèi)，是保證測(cè)量精確度的基本條件。例如：機(jī)械式傳感器中的彈性元件，它的材料彈性極限是決定測(cè)力量程的基本因素。當(dāng)超過彈性極限時(shí)，傳感器就將產(chǎn)生非線性誤差

6、。線性度：13滿量程輸出（4）精度表示測(cè)量結(jié)果和“真值”的靠近程度。精度表示：傳感器在規(guī)定條件下，允許的最大絕對(duì)誤差相對(duì)傳感器滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)14 分辨力是指能檢測(cè)出的輸入量的最小變化量，即傳感器能檢測(cè)到的最小輸入增量。在輸入零點(diǎn)附近的分辨力稱為閾值，即產(chǎn)生可測(cè)輸出變化量時(shí)的最小輸入量值。下圖中的x0表示可以開始檢測(cè)的的最小輸出值。（5）分辨率（力）數(shù)字式傳感器一般用分辨率表示，分辨率=分辨力/滿量程輸入值。5. 傳感器的選型原則選擇傳感器通常需要考慮的因素包括：測(cè)量對(duì)象和環(huán)境量程，傳感器體積，價(jià)格，。靈敏度頻率響應(yīng)特性傳感器的頻率響應(yīng)越高，則可測(cè)的信號(hào)頻率范圍就越寬線性范圍線性范圍越寬，則

7、它的量程就越大。穩(wěn)定性精度精度越高，價(jià)格越昂貴。因此，只要滿足整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的精度要求即可。166. 常見傳感器類型能量控制型傳感器將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成電參量，工作過程中無換能作用，需外供輔助能源，又稱作無源傳感器。如：電阻式、電容式、電感式均屬這一類型。能量轉(zhuǎn)換型傳感器在感受外界機(jī)械量變化后，輸出電壓、電流或電荷量。可直接輸出或放大后輸出信號(hào)，本身相當(dāng)于一個(gè)電壓源或電流源，又叫做有源傳感器。如：壓電式、磁電式和熱電式傳感器等。17常見傳感器類型光敏傳感器用于檢測(cè)光線強(qiáng)弱。隨著光強(qiáng)度的變化，光敏探頭內(nèi)的電阻值會(huì)發(fā)生變化。氣、濕敏傳感器氣敏傳感器可將探測(cè)到的氣體成分和濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。常用于可燃?xì)怏w

8、的探測(cè)和報(bào)警。智能傳感器將敏感元件、測(cè)量電路、處理器、存儲(chǔ)器等集成在一快芯片上的傳感器。187. 微型傳感器應(yīng)用示例磁阻傳感器： 磁性傳感器通常又稱為磁力計(jì)，當(dāng)它探測(cè)出磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)阻抗變化值，同時(shí)會(huì)改變電壓輸出值。 磁阻傳感器的用途較多，最典型的應(yīng)用是用于車輛探測(cè)。如車輪速度、車輛出現(xiàn)和運(yùn)動(dòng)方向等。 運(yùn)動(dòng)車輛的每個(gè)部分都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)可重復(fù)的對(duì)地球磁場(chǎng)的擾動(dòng)，不管車輛向哪個(gè)方向行駛，這個(gè)特征都會(huì)被可靠地檢測(cè)到。 檢測(cè)車輛存在的一種方法是觀察磁場(chǎng)變化的大小，磁場(chǎng)大小的變化表明了對(duì)地磁場(chǎng)整體的干擾程度。磁阻傳感器用于車輛探測(cè) 地球磁場(chǎng)可以看作是均勻磁場(chǎng)。大的鐵磁物體會(huì)引起地球磁場(chǎng)的擾動(dòng)。

9、這些擾動(dòng)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和車輪處尤為明顯，但也取決于在車輛內(nèi)部、車頂或后備箱中有沒有其它鐵磁物質(zhì)。在道路中間和旁邊放置磁阻傳感器，可以探測(cè)由于車輛經(jīng)過而導(dǎo)致的畸變磁場(chǎng)，從而監(jiān)測(cè)車輛的存在，在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)車輛類型、行駛方向等交通參數(shù)。 運(yùn)動(dòng)車輛探測(cè)算法需要有足夠的魯棒性，保證在不同工作環(huán)境下的車輛能被可靠探測(cè)。同時(shí)探測(cè)需要的計(jì)算應(yīng)盡可能的簡(jiǎn)單。 簡(jiǎn)單的閾值檢測(cè)方法探測(cè)運(yùn)動(dòng)車輛二、物理層概述1. 物理層的主要功能負(fù)責(zé)在物理連接上傳輸二進(jìn)制比特流，并提供為建立、維護(hù)和釋放物理連接所需要的機(jī)械、電氣、功能和規(guī)程的特性。為數(shù)據(jù)終端設(shè)備提供數(shù)據(jù)通路傳輸數(shù)據(jù)其他管理工作（信道評(píng)估，能量檢測(cè)等）連接器尺寸、形狀、

10、引腳數(shù)、排列等信號(hào)電平高低、阻抗、傳輸率、傳輸距離限制等各信號(hào)線的工作規(guī)則和時(shí)序規(guī)定各信號(hào)線的功能和定義24盡可能屏蔽網(wǎng)絡(luò)中的物理設(shè)備、傳輸介質(zhì)、通信手段等存在的差異，為鏈路層的提供服務(wù)2. 物理層的主要技術(shù)傳輸介質(zhì)與頻段選擇編碼調(diào)制技術(shù)擴(kuò)頻技術(shù)擴(kuò)頻又稱擴(kuò)展頻譜，是使信號(hào)所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必需的最小帶寬。25無線通信介質(zhì)無線通信介質(zhì)主要為電磁波和聲波電磁波根據(jù)波長的不同，可分為無線電波、微波、紅外線、毫米波和光波等，其中無線電波在無線網(wǎng)絡(luò)中使用最廣泛。聲波一般僅用于水下的無線通信。26無線電波容易產(chǎn)生，傳播距離遠(yuǎn)，可以穿過建筑物，被廣泛地用于室內(nèi)或室外的無線通信。是全方向傳播信號(hào)，

11、能向任意方向發(fā)送無線信號(hào)，發(fā)射方和接收方的裝置在位置上不要求精確對(duì)準(zhǔn)。傳播特性與頻率相關(guān)弱頻率較低，能輕易通過障礙物，但電波能量隨著與信號(hào)源距離r的增大而急劇減小，大致為1/r3。若采用高頻傳輸，則受障礙物阻擋的影響無線電波的傳輸距離較遠(yuǎn)，但易受干擾。每個(gè)國家和地區(qū)都有關(guān)于無線頻率管制方面的使用授權(quán)規(guī)定。27 作為無線通信網(wǎng)絡(luò)中的一種類型，WSN包含了上述介紹的無線通信物理層技術(shù)的特點(diǎn)。 目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信傳輸介質(zhì)主要是無線電波、紅外線和光波三種類型。無線電波的通信限制較少，通常人們選擇Industrial，Scientific and Medical（ISM）頻段。ISM頻段的優(yōu)點(diǎn)在于

12、它是自由頻段，無須注冊(cè)，可選頻譜范圍大，實(shí)現(xiàn)靈活方便。缺點(diǎn)主要是功率受限，另外與現(xiàn)有多種無線通信應(yīng)用存在相互干擾問題。3. WSN物理層的特點(diǎn)28 盡管傳感器網(wǎng)絡(luò)可以通過其它方式實(shí)現(xiàn)通信，譬如各種電磁波（如射頻和紅外）、聲波，但無線電波是當(dāng)前傳感器網(wǎng)絡(luò)的主流通信方式，在很多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。293. 無線傳感器網(wǎng)物理層設(shè)計(jì)傳輸介質(zhì)無線電波是當(dāng)前傳感器網(wǎng)絡(luò)的主流通信方式，在很多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在無線電頻率選擇方面，常選擇ISM (Industrial，Scientific and Medical)頻段。因?yàn)镮SM在大多數(shù)國家屬于無須注冊(cè)的公用頻段。在頻段選擇上主要集中在433464MHz、

13、902928MHz和2.42.5GHz的ISM波段。紅外通信的優(yōu)點(diǎn)是無須注冊(cè)，并且抗干擾能力強(qiáng)。穿透能力差，要求發(fā)送者和接收者之間存在視距關(guān)系。只能在一些特殊場(chǎng)合得到應(yīng)用。30 對(duì)于一些特殊場(chǎng)合的應(yīng)用情況，傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)通信傳輸介質(zhì)可能有特別的要求。例如，艦船應(yīng)用可能要求使用水性傳輸介質(zhì)，譬如能穿透水面的長波。復(fù)雜地形和戰(zhàn)場(chǎng)應(yīng)用會(huì)遇到信道不可靠和嚴(yán)重干擾等問題。31 物理層幀結(jié)構(gòu) 前導(dǎo)碼：用于收發(fā)器進(jìn)行碼片或者符號(hào)的同步。幀頭：表示同步結(jié)束，數(shù)據(jù)包開始傳輸。幀頭與前導(dǎo)碼構(gòu)成了同步頭。幀長度：其值是后續(xù)的物理層PHY負(fù)載的長度物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元(PHY Service Data Unite, PSD

14、U)，攜帶PHY數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)，PSDU域是物理層的載荷 。無線傳感器網(wǎng)物理層設(shè)計(jì)32無線傳感器網(wǎng)物理層設(shè)計(jì) IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)低速無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（Low-rate wireless personal area network，LR-WPAN） 制定的標(biāo)準(zhǔn)。以低能耗、低傳輸速率、低成本為目標(biāo)，僅定義了物理層和MAC子層。物理層由射頻收發(fā)器和底層控制模塊構(gòu)成。MAC子層為高層訪問物理信道提供點(diǎn)到點(diǎn)通信的服務(wù)接口。適用于WSN。33 在低速無線個(gè)域網(wǎng)(LR-WPAN)的802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中，定義的物理層是在868MHz、915MHz、2.4GHz三

15、個(gè)載波頻段收發(fā)數(shù)據(jù)。 IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)非常適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，是傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的最有力競(jìng)爭(zhēng)者之一。目前基于該標(biāo)準(zhǔn)的射頻芯片也相繼推出，例如Chipcon公司的CC2420無線通信芯片。3435 總之，針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，現(xiàn)有的物理層設(shè)計(jì)基本采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的調(diào)制方式，在頻段選擇上主要集中在433464MHz、902928MHz和2.42.5GHz的ISM波段。三、MAC協(xié)議37 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，無線信道作為通信介質(zhì)屬于稀缺資源?？赡苡卸鄠€(gè)結(jié)點(diǎn)設(shè)備同時(shí)接入信道，導(dǎo)致分組之間相互沖突，使接收方難以分辨出接收到的數(shù)據(jù)，從而浪費(fèi)了信道資源，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)吞吐量下降。為了解

16、決這些問題，就需要設(shè)計(jì)介質(zhì)訪問控制(Medium Access Control，MAC)協(xié)議。1. 基本概念MAC（Medium Access Control）協(xié)議：決定無線信道的使用方法，用于在傳感器節(jié)點(diǎn)之間分配有限的無線通信資源。通過一組規(guī)則和過程來有效、有序和公平地使用共享介質(zhì)。設(shè)置MAC協(xié)議的目的：避免因可能存在的多個(gè)結(jié)點(diǎn)設(shè)備同時(shí)接入信道、導(dǎo)致分組之間相互沖突、使接收方難以分辨出接收到的數(shù)據(jù)，從而造成信道資源浪費(fèi)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)吞吐量下降。38MAC協(xié)議設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的問題節(jié)省能量為保證長時(shí)間有效工作，應(yīng)盡量節(jié)省結(jié)點(diǎn)能耗。采用“偵聽/睡眠”交替的無線信道以策略。可擴(kuò)展性因結(jié)點(diǎn)的數(shù)量、密度、位置常

17、處于變化中，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有動(dòng)態(tài)性，因此MAC協(xié)議應(yīng)有擴(kuò)展性。網(wǎng)絡(luò)效率網(wǎng)絡(luò)的公平性、實(shí)時(shí)性、吞吐量和帶寬利用率等。392. MAC協(xié)議的分類分時(shí)復(fù)用無競(jìng)爭(zhēng)接入方式給每個(gè)傳感器結(jié)點(diǎn)分配固定的無線信道使用時(shí)段，避免節(jié)點(diǎn)之間相互干擾。隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)接入方式結(jié)點(diǎn)在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)隨機(jī)使用無線信道，盡量減少結(jié)點(diǎn)間的干擾。載波偵聽多路訪問(Carrier Sense Multiple Access，CSMA)的MAC協(xié)議。競(jìng)爭(zhēng)與固定分配相結(jié)合的接入方式4041 無線局域網(wǎng)IEEE 802.11 MAC協(xié)議的分布式協(xié)調(diào)工作模式中，采用帶沖突避免的載波偵聽多路訪問協(xié)議（CSMA/CA，Carrier Sense Mul

18、tiple Access/Collision Avoidance ）。 CSMA/CA的工作原理是：在信號(hào)傳輸之前，發(fā)射機(jī)先偵聽介質(zhì)中是否有同信道載波，若不存在，意味著信道空閑，將直接進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)；若存在載波，則在隨機(jī)退避一段時(shí)間后重新檢測(cè)信道。發(fā)前先偵聽，空閑即發(fā)送，邊發(fā)邊檢測(cè)，沖突時(shí)退避。3. IEEE 802.11 MAC協(xié)議4. S-MAC協(xié)議適用條件傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸量不大，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)能容忍一定程度的通信延遲。它的設(shè)計(jì)目標(biāo)是提供良好的擴(kuò)展性，減少節(jié)點(diǎn)能耗。42無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)通信模塊的狀態(tài)主要包括：發(fā)送接收偵聽睡眠信息發(fā)送所需能耗最

19、大，睡眠所需最小。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無效能耗主要來源于如下四種原因： 空閑偵聽 數(shù)據(jù)沖突 串?dāng)_ 控制開銷43S-MAC協(xié)議機(jī)制周期性偵聽和睡眠機(jī)制流量自適應(yīng)偵聽機(jī)制沖突和串音避免機(jī)制消息傳遞機(jī)制44 S-MAC協(xié)議將時(shí)間分為幀，幀長度由應(yīng)用程序決定。幀內(nèi)分監(jiān)聽工作階段和睡眠階段?！氨O(jiān)聽/睡眠”階段的持續(xù)時(shí)間要根據(jù)應(yīng)用情況進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)結(jié)點(diǎn)處于睡眠階段時(shí)，關(guān)閉無線電波。 調(diào)度周期：結(jié)點(diǎn)的工作/睡眠周期。 每個(gè)結(jié)點(diǎn)獨(dú)立調(diào)度其工作狀態(tài)，周期性轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)，在蘇醒后偵聽信道，判斷是否需要發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。為便于通信，相鄰結(jié)點(diǎn)應(yīng)盡量維持睡眠/偵聽周期的同步。（1）周期性偵聽和睡眠機(jī)制45睡眠/偵聽過程每個(gè)結(jié)點(diǎn)

20、中都維護(hù)一個(gè)存有相鄰結(jié)點(diǎn)調(diào)度信息的調(diào)度表。在啟動(dòng)工作時(shí)：先偵聽一段固定時(shí)間，若在此時(shí)間內(nèi)收到其他結(jié)點(diǎn)的調(diào)度信息，則將其調(diào)度周期設(shè)置為與鄰居結(jié)點(diǎn)相同，并等待一段隨機(jī)時(shí)間后廣播其調(diào)度信息。若在此期間收到多個(gè)鄰居結(jié)點(diǎn)不同的調(diào)度周期信息，可選擇收到的第一個(gè)信息，并記錄其他全部信息。若在此期間沒有收到其他結(jié)點(diǎn)的調(diào)度信息，則產(chǎn)生自己的調(diào)度周期并廣播。46 具有相同調(diào)度的結(jié)點(diǎn)形成一個(gè)虛擬簇，邊界結(jié)點(diǎn)記錄兩個(gè)或多個(gè)調(diào)度。 為了適應(yīng)新加入結(jié)點(diǎn)，每個(gè)結(jié)點(diǎn)要定期廣播自己的調(diào)度信息，使新結(jié)點(diǎn)可以與已經(jīng)存在的相鄰結(jié)點(diǎn)保持同步。如果結(jié)點(diǎn)同時(shí)收到兩種不同的調(diào)度，如圖所示的處于兩個(gè)不同調(diào)度區(qū)域重合部分的結(jié)點(diǎn)，那么這個(gè)結(jié)點(diǎn)可以

21、選擇先收到的調(diào)度，并記錄另一個(gè)調(diào)度信息。 如果傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署范圍較廣，可能形成眾多不同的虛擬簇，使得S-MAC協(xié)議具有良好的可擴(kuò)展性。4748通過采用周期性睡眠/偵聽，降低了能量消耗；通過定期廣播自己的周期調(diào)度信息，使新結(jié)點(diǎn)可與已存相鄰結(jié)點(diǎn)保持同步，形成虛擬簇，提高了可擴(kuò)展性。 基本思想是在一次通信過程中，通信結(jié)點(diǎn)的鄰居在通信結(jié)束后不立即進(jìn)入睡眠狀態(tài)，而是保持偵聽一段時(shí)間。 如果結(jié)點(diǎn)在這段時(shí)間內(nèi)接收到RTS（Request to Send）分組，則可以立刻接收數(shù)據(jù)，無須等到下一次調(diào)度偵聽周期，從而減少了數(shù)據(jù)分組的傳輸延遲。如果在這段時(shí)間內(nèi)沒有接收到RTS分組，則轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)直到下一次調(diào)度偵聽

22、周期。（2）流量自適應(yīng)偵聽機(jī)制49流量自適應(yīng)偵聽機(jī)制減少了因周期性睡眠而導(dǎo)致的通信延遲的累加串音：結(jié)點(diǎn)接收并處理不必要的數(shù)據(jù) 為了減少?zèng)_突和避免串音，S-MAC協(xié)議采用了與802.11 MAC協(xié)議類似的載波監(jiān)聽機(jī)制，以及RTS/CTS/DATA/ACK握手交互機(jī)制。兩者的區(qū)別在于當(dāng)源和目標(biāo)結(jié)點(diǎn)處于通信過程時(shí)，其鄰居點(diǎn)能夠偵聽到其傳輸剩余時(shí)間，并在數(shù)據(jù)傳輸過程中處于休眠狀態(tài)結(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。執(zhí)行S-MAC協(xié)議的結(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，需先進(jìn)行載波偵聽。僅當(dāng)偵聽到信道空閑時(shí)，才能競(jìng)爭(zhēng)通信過程。（3）沖突和串音避免機(jī)制50 因無線信道的傳輸差錯(cuò)與消息長度成正比，故短消息傳輸成功的概率要大于長消息。 消息傳

23、遞機(jī)制是將長消息分為若干個(gè)短消息，采用一次RTS/CTS交互的握手機(jī)制預(yù)約這個(gè)長消息發(fā)送的時(shí)間，集中連續(xù)發(fā)送全部短消息。這樣既可以減少控制報(bào)文的開銷，又可以提高消息發(fā)送的成功率。（4）消息傳遞機(jī)制51S-MAC協(xié)議的突發(fā)分組傳送52 為使鄰居結(jié)點(diǎn)及時(shí)獲取通信過程剩余時(shí)間，每個(gè)分組都帶有長消息傳送還需要的剩余時(shí)間，以使鄰居結(jié)點(diǎn)知道正在進(jìn)行的通信過程。目的結(jié)點(diǎn)對(duì)每個(gè)短消息都發(fā)送一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，若發(fā)送結(jié)點(diǎn)沒有收到應(yīng)答消息，則立刻重發(fā)短消息。四、路由協(xié)議1. 路由路由選擇（Routing）從源結(jié)點(diǎn)通過至少一個(gè)中間結(jié)點(diǎn)向目標(biāo)結(jié)點(diǎn)傳輸信息的行為。路由協(xié)議負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)分組從源結(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的結(jié)點(diǎn)路由協(xié)議的

24、功能：尋找源結(jié)點(diǎn)和目的結(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)。542.傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議特點(diǎn)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議具有以下特點(diǎn)：能量優(yōu)先基于局部拓?fù)湫畔⒁虿捎枚嗵ㄐ欧绞郊敖Y(jié)點(diǎn)資源受限，無法存儲(chǔ)大量路由信息。以數(shù)據(jù)為中心傳感器結(jié)點(diǎn)多為隨機(jī)部署，且WSN關(guān)心的是監(jiān)測(cè)區(qū)域的感知數(shù)據(jù)。552.傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議特點(diǎn)和類型與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比，WSN路由機(jī)制應(yīng)滿足：能量高效選擇能耗小的消息傳輸路徑及使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能耗均衡的路由可擴(kuò)展針對(duì)動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，要求路由機(jī)制具有可擴(kuò)展性魯棒性對(duì)可能存在的傳感器節(jié)點(diǎn)失效、無線鏈路通信質(zhì)量下降等網(wǎng)絡(luò)的不可靠性，路由機(jī)制要具有一定的容錯(cuò)

25、能力快速收斂路由機(jī)制要能快速收斂（避免路由環(huán)路），以減少通信協(xié)議開銷，提高傳輸效率。56路由協(xié)議類型能量感知路由協(xié)議基于查詢的路由協(xié)議地理位置路由協(xié)議可靠的路由協(xié)議573. 能量感知路由協(xié)議 能量感知路由協(xié)議是最早提出的傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議之一。它從數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰肯某霭l(fā)，討論最少能量消耗和最長網(wǎng)絡(luò)生存期等問題。58 能量感知路由協(xié)議根據(jù)節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前剩余能量（Power available，PA）或傳輸路徑上的能量需求，選擇數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。R1：源 B A 匯聚點(diǎn) PA=4，發(fā)送能耗=3R2：源 C B A 匯 聚點(diǎn) PA=6，發(fā)送能耗=6R3：源 D 匯聚點(diǎn) PA=3，發(fā)送能耗=4R4：源 F

26、E 匯聚點(diǎn) PA=5，發(fā)送能耗=659能量感知路由算法例A(PA=2)B(PA=2)C(PA=2)D(PA=3)E(PA=1)F(PA=4)a1=1a2=1a8=2a3=2a4=2a5=2a6=2a7=1a9=2a10=2源結(jié)點(diǎn)匯聚結(jié)點(diǎn)可用能量發(fā)送能耗針對(duì)該例的路由策略主要可以有以下幾種：最大可用能源（PA）路由在所有路徑中選取結(jié)點(diǎn)PA之和最大的路徑。本例中R2（源-C-B-A-匯）的PA之和最大，但R2包含了R1（源-B-A-匯） ，不是最高效的路徑。最小能耗路由在所有路徑中選取發(fā)送能耗之和最少的路徑。本例中為R1最少條數(shù)路由選擇條數(shù)最少的路徑。本例中為R3（源-D-匯）60能量感知路由算法

27、例A(PA=2)B(PA=2)C(PA=2)D(PA=3)E(PA=1)F(PA=4)a1=1a2=1a8=2a3=2a4=2a5=2a6=2a7=1a9=2a10=2源結(jié)點(diǎn)匯聚結(jié)點(diǎn)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)路由機(jī)制通常選擇跳數(shù)最小的路徑對(duì)WSN，如果頻繁使用同一條路徑，將造成該路徑上的節(jié)點(diǎn)因能量消耗過快而過早失效。易在網(wǎng)絡(luò)中形成“孤立區(qū)”。能量多路徑路由機(jī)制：在源和匯聚點(diǎn)之間建立多條路徑，根據(jù)結(jié)點(diǎn)的通信能耗和PA情況，為每條路徑賦予選擇概率，使網(wǎng)絡(luò)中的能量消耗均衡。61能量感知路由協(xié)議小結(jié)A(PA=2)B(PA=2)C(PA=2)D(PA=3)E(PA=1)F(PA=4)a1=1a2=1a8=2a3=2a4=

28、2a5=2a6=2a7=1a9=2a10=2源結(jié)點(diǎn)匯聚結(jié)點(diǎn)4.基于查詢的路由協(xié)議 在諸如環(huán)境檢測(cè)、戰(zhàn)場(chǎng)評(píng)估等應(yīng)用中，需要不斷查詢傳感器結(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)。由匯聚結(jié)點(diǎn)（查詢結(jié)點(diǎn)）發(fā)出查詢命令，WSN的終端探測(cè)結(jié)點(diǎn)向監(jiān)控中心報(bào)告采集的數(shù)據(jù)。 在這類監(jiān)控和檢測(cè)的應(yīng)用問題中，通信流量主要是查詢結(jié)點(diǎn)和探測(cè)結(jié)點(diǎn)之間的命令和數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)對(duì)探測(cè)結(jié)點(diǎn)采集的信息通常要進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，通過減少通信流量來節(jié)省能量，即數(shù)據(jù)融合技術(shù)與路由協(xié)議的設(shè)計(jì)相結(jié)合。 基于查詢的路由協(xié)議常見的有：定向擴(kuò)散路由協(xié)議，謠傳路由協(xié)議等。62定向擴(kuò)散路由協(xié)議總體原理 定向擴(kuò)散（Directed Diffusion，DD）路由協(xié)議是一種基于查詢的

29、路由機(jī)制。 匯聚節(jié)點(diǎn)通過興趣消息（Interest）發(fā)出查詢?nèi)蝿?wù)，采用洪泛方式傳播興趣消息到整個(gè)區(qū)域或部分區(qū)域內(nèi)的所有傳感器結(jié)點(diǎn)。 興趣消息表示查詢?nèi)蝿?wù)，表達(dá)了網(wǎng)絡(luò)用戶對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)感興趣的具體信息。例如監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的溫度、濕度和光照等數(shù)據(jù)。 在興趣消息的傳播過程中，協(xié)議逐跳地在每個(gè)傳感器結(jié)點(diǎn)上建立反向的從數(shù)據(jù)源到匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸梯度（Gradient），傳感器探測(cè)結(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)沿著梯度方向傳送給匯聚結(jié)點(diǎn)。63定向擴(kuò)散路由協(xié)議定向擴(kuò)散路由機(jī)制的三個(gè)工作階段：周期性興趣擴(kuò)散梯度建立路徑加強(qiáng)64（1）興趣擴(kuò)散階段 在興趣擴(kuò)散階段，匯聚結(jié)點(diǎn)周期性地向鄰居結(jié)點(diǎn)廣播興趣消息。興趣消息中含有任務(wù)類型、目

30、標(biāo)區(qū)域、數(shù)據(jù)發(fā)送速率、時(shí)間戳等參數(shù)。65源結(jié)點(diǎn)匯聚結(jié)點(diǎn)ABCDE每個(gè)結(jié)點(diǎn)在本地保存一個(gè)興趣列表，對(duì)于每一個(gè)興趣，列表中都有一個(gè)表項(xiàng)，用于記錄發(fā)來該興趣消息的鄰居結(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)發(fā)送的速率和時(shí)間戳等任務(wù)相關(guān)信息，以建立該結(jié)點(diǎn)向匯聚結(jié)點(diǎn)傳遞數(shù)據(jù)的梯度關(guān)系。66興趣ID任務(wù)類型目標(biāo)區(qū)域發(fā)送速率有效時(shí)間興趣來源當(dāng)結(jié)點(diǎn)收到鄰居結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來的興趣消息時(shí)，先檢查興趣列表中是否存有參數(shù)類型與收到的興趣及來源相同的表項(xiàng)。若有，則更新有效時(shí)間值；若雖有，但來源不同，則將相應(yīng)鄰居結(jié)點(diǎn)信息加入表項(xiàng)；否則，建立新表項(xiàng)。67（2）數(shù)據(jù)傳播（梯度建立）階段 當(dāng)探測(cè)結(jié)點(diǎn)采集到與興趣匹配的數(shù)據(jù)時(shí)，把數(shù)據(jù)發(fā)送到梯度上的鄰居結(jié)點(diǎn)，并按照梯

31、度上的數(shù)據(jù)傳輸速率，設(shè)定傳感器模塊采集數(shù)據(jù)的速率。 由于可能從多個(gè)鄰居結(jié)點(diǎn)收到興趣消息，結(jié)點(diǎn)向多個(gè)鄰居發(fā)送數(shù)據(jù)，匯聚結(jié)點(diǎn)可能收到經(jīng)過多個(gè)路徑的相同數(shù)據(jù)。68源結(jié)點(diǎn)匯聚結(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳播當(dāng)中間結(jié)點(diǎn)收到其他結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)后，查詢興趣列表中的表項(xiàng)：若無匹配項(xiàng)，則丟棄；若有，則檢查與該興趣對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)緩沖池，緩沖池中保存最近轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)。若數(shù)據(jù)緩沖池中存在與接收的數(shù)據(jù)匹配的樣本，則說明該數(shù)據(jù)已轉(zhuǎn)發(fā)，丟棄當(dāng)前接收的數(shù)據(jù)；否則檢查興趣表該表項(xiàng)中的鄰居結(jié)點(diǎn)信息；若鄰居結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送速率接受的數(shù)據(jù)速率，則全部轉(zhuǎn)發(fā)；否則，按比例轉(zhuǎn)發(fā)。69（3）路徑加強(qiáng)階段 定向擴(kuò)散路由使用路徑加強(qiáng)機(jī)制來生成一條優(yōu)化的數(shù)據(jù)傳輸路徑。 興趣

32、擴(kuò)散階段建立了源結(jié)點(diǎn)到匯聚結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸路徑，這個(gè)階段數(shù)據(jù)源結(jié)點(diǎn)以較低速率來采集和發(fā)送數(shù)據(jù)，所建立的梯度稱為探測(cè)梯度。 匯聚結(jié)點(diǎn)在收到從源結(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)后，啟動(dòng)建立到源結(jié)點(diǎn)的加強(qiáng)路徑。 以最先發(fā)來新數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)為下一跳節(jié)點(diǎn)，提高發(fā)送速率值，使后 續(xù)數(shù)據(jù)沿著加強(qiáng)路徑以較高速率進(jìn)行傳輸。70 定向擴(kuò)散路由是一種經(jīng)典的以數(shù)據(jù)為中心的路由機(jī)制。匯聚結(jié)點(diǎn)根據(jù)不同的應(yīng)用需求定義不同的任務(wù)類型、目標(biāo)區(qū)域等參數(shù)的興趣消息，通過向網(wǎng)絡(luò)中廣播興趣消息啟動(dòng)路由建立過程。 中間結(jié)點(diǎn)通過興趣表建立從源到匯聚結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸梯度，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓瘉硇薷臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的梯度關(guān)系，生成一條最優(yōu)的數(shù)據(jù)傳輸路徑。不足：定向擴(kuò)散路由在路由建立時(shí)需要一個(gè)興趣擴(kuò)散的洪泛傳播，在能量和時(shí)間方面開銷較大，尤