無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

第6章無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

6.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介6.2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)及協(xié)議系統(tǒng)結(jié)構(gòu)6.3無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議6.4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議6.5無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)6.6無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)6.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介6.1.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetwork)是新一代的傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有非常廣泛的應(yīng)用前景，其發(fā)展和應(yīng)用將會(huì)給人類的生活和生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)深遠(yuǎn)影響。2001年1月《MIT技術(shù)評(píng)論》將無(wú)線傳感器列于十種改變未來(lái)世界的新興技術(shù)之首。2003年8月，《商業(yè)周刊》預(yù)測(cè)：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將會(huì)在不遠(yuǎn)的將來(lái)掀起新的產(chǎn)業(yè)浪潮。

2004年《IEEESpectrum》雜志發(fā)表一期專集：傳感器的國(guó)度，論述無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和可能的廣泛應(yīng)用。在我國(guó)未來(lái)20年預(yù)見(jiàn)技術(shù)的調(diào)查報(bào)告中，信息領(lǐng)域157項(xiàng)技術(shù)課題有七項(xiàng)與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)直接相關(guān)。2006年初發(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》為信息技術(shù)確定了三個(gè)前沿方向，其中兩個(gè)與無(wú)線傳感器的研究直接相關(guān)，即智能感知技術(shù)和自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)?？梢灶A(yù)計(jì)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究與應(yīng)用是一種必然趨勢(shì)，它的出現(xiàn)將會(huì)給人類社會(huì)帶來(lái)極大的變革。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了微電子技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，能夠協(xié)同地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并對(duì)其進(jìn)行處理，處理后的信息通過(guò)無(wú)線方式發(fā)送，并以自組多跳的網(wǎng)絡(luò)方式傳送給觀察者。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以定義為：由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者?？梢钥闯?，傳感器、感知對(duì)象和觀察者是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)基本要素。這三個(gè)要素之間通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)建立通信路徑，協(xié)作地感知、采集、處理、發(fā)布感知信息。6.1.2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)目前常見(jiàn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)包括移動(dòng)通信網(wǎng)、無(wú)線局域網(wǎng)、藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)、Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)等，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在通信方式、動(dòng)態(tài)組網(wǎng)以及多跳通信等方面有許多相似之處，但同時(shí)也存在很大的差別。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有許多鮮明的特點(diǎn)：

(1)電源能量有限。傳感器節(jié)點(diǎn)體積微小，通常攜帶能量十分有限的電池。由于傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目龐大，成本要求低廉，分布區(qū)域廣，而且部署區(qū)域環(huán)境復(fù)雜，有些區(qū)域甚至人員不能到達(dá)，所以傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)更換電池的方式來(lái)補(bǔ)充能源是不現(xiàn)實(shí)的。如何在使用過(guò)程中節(jié)省能源，最大化網(wǎng)絡(luò)的生命周期，是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的首要挑戰(zhàn)。

(2)通信能量有限。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信帶寬窄而且經(jīng)常變化，通信覆蓋范圍只有幾十到幾百米。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)更多地受到高山、建筑物、障礙物等地勢(shì)、地貌以及風(fēng)雨雷電等自然環(huán)境的影響，傳感器可能會(huì)長(zhǎng)時(shí)間脫離網(wǎng)絡(luò)，離線工作。如何在有限通信能力的條件下高質(zhì)量地完成感知信息的處理與傳輸，是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)之一。

(3)傳感器節(jié)點(diǎn)的能量、計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力有限。傳感器節(jié)點(diǎn)是一種微型嵌入式設(shè)備，要求它價(jià)格低、功耗小，這些限制必然導(dǎo)致其攜帶的處理器能力比較弱，存儲(chǔ)器容量比較小。為了完成各種任務(wù)，傳感器節(jié)點(diǎn)需要完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的管理和處理、應(yīng)答匯聚節(jié)點(diǎn)的任務(wù)請(qǐng)求和節(jié)點(diǎn)控制等多種工作。如何利用有限的計(jì)算和存儲(chǔ)資源完成諸多協(xié)同任務(wù)已成為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)。

(4)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大，分布廣。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分布密集，數(shù)量巨大，可能達(dá)到幾百、幾千萬(wàn)，甚至更多。此外，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以分布在很廣泛的地理區(qū)域。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的這一特點(diǎn)使得網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)十分困難甚至不可維護(hù)，因此無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟、硬件必須具有高強(qiáng)壯性和容錯(cuò)性，以滿足無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的功能要求。

(5)自組織、動(dòng)態(tài)性網(wǎng)絡(luò)。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，節(jié)點(diǎn)通常被放置在沒(méi)有基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的地方。傳感器節(jié)點(diǎn)的位置不能預(yù)先精確設(shè)定，節(jié)點(diǎn)之間的相互鄰居關(guān)系預(yù)先也不知道，而是通過(guò)隨機(jī)布撒的方式。這就要求傳感器節(jié)點(diǎn)具有自組織能力，能夠自動(dòng)進(jìn)行配置和管理，通過(guò)拓?fù)淇刂茩C(jī)制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自動(dòng)形成轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。同時(shí)，由于部分傳感器節(jié)點(diǎn)能量耗盡或環(huán)境因素造成失效，以及經(jīng)常有新的節(jié)點(diǎn)加入，或是網(wǎng)絡(luò)中的傳感器、感知對(duì)象和觀察者這三要素都可能具有移動(dòng)性，這就要求無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)必須具有很強(qiáng)的動(dòng)態(tài)性，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化。

(6)傳感器節(jié)點(diǎn)具有數(shù)據(jù)融合能力。與Mesh網(wǎng)絡(luò)相比，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)少、可移動(dòng)、重能源；與無(wú)線Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)相比，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)量多、密度大、易受損、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)頻繁、廣播式點(diǎn)對(duì)多通信、節(jié)點(diǎn)能量和計(jì)算能力受限。

(7)應(yīng)用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)用來(lái)感知客觀物理世界，獲取物理世界的信息量。不同的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用關(guān)心不同的物理量，因此對(duì)傳感器的應(yīng)用系統(tǒng)也有多種多樣的要求。不同的應(yīng)用背景對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求不同，其硬件平臺(tái)、軟件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議必然有很大差別，在開(kāi)發(fā)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，更關(guān)心傳感器網(wǎng)絡(luò)的差異。針對(duì)每個(gè)具體應(yīng)用來(lái)研究傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的顯著特征。6.2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

及協(xié)議系統(tǒng)結(jié)構(gòu)6.2.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

1．無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成如圖6.1所示。監(jiān)測(cè)區(qū)域中隨機(jī)分布著大量的傳感器節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)以自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)既有數(shù)據(jù)采集又有路由功能，采集數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)多跳傳遞給匯聚節(jié)點(diǎn)，連接到互聯(lián)網(wǎng)。在網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)對(duì)信息進(jìn)行管理、分類、處理，最后供用戶進(jìn)行集中處理。

圖6.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成

2．無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)同時(shí)具有傳感、信息處理和進(jìn)行無(wú)線通信及路由的功能。對(duì)于不同的應(yīng)用環(huán)境，節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)也可能不一樣，但它們的基本組成部分是一致的。一個(gè)節(jié)點(diǎn)通常包含傳感器、微處理器、存儲(chǔ)器、A/D轉(zhuǎn)換接口、無(wú)線發(fā)射以及接收裝置和電源等。概括之，可分為傳感器模塊、處理器模塊、無(wú)線通信模塊和能量供應(yīng)模塊四個(gè)部分。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖6.2所示。傳感器模塊負(fù)責(zé)信息采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；處理器模塊控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，處理本身采集的數(shù)據(jù)和其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，運(yùn)行高層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；無(wú)線通信模塊負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信；能量供應(yīng)模塊為傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能量，通常是微型蓄電池。

圖6.2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

3．無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6.3所示。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用支撐層、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施和基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用業(yè)務(wù)層的一部分共性功能以及管理、信息安全等部分組成了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的中間件和平臺(tái)軟件。其中：應(yīng)用支撐層支持應(yīng)用業(yè)務(wù)層為各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域服務(wù)，提供所需的各種通用服務(wù)，在這一層中核心的是中間件軟件；管理和信息安全是貫穿各個(gè)層次的保障。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的中間件和平臺(tái)軟件主要分為四個(gè)層次：網(wǎng)絡(luò)適配層、基礎(chǔ)軟件層、應(yīng)用開(kāi)發(fā)層和應(yīng)用業(yè)務(wù)適配層，其中網(wǎng)絡(luò)適配層和基礎(chǔ)軟件層組成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)嵌入式軟件(部署在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中)的體系結(jié)構(gòu)，應(yīng)用開(kāi)發(fā)層和基礎(chǔ)軟件層組成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用支撐結(jié)構(gòu)(支持應(yīng)用業(yè)務(wù)的開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn))。在網(wǎng)絡(luò)適配層中，網(wǎng)絡(luò)適配器是對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)底層(無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施、無(wú)線傳感器操作系統(tǒng))的封裝?；A(chǔ)軟件層包含無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的各種中間件。這些中間件構(gòu)成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)軟件的公共基礎(chǔ)，并提供了高度的靈活性、模塊性和可移植性。圖6.3無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的中間件有如下幾種：

(1)網(wǎng)絡(luò)中間件：完成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)生成服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)自愈合服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)連通服務(wù)等。

(2)配置中間件：完成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的各種配置工作，例如路由配置、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的調(diào)整等。

(3)功能中間件：完成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)各種應(yīng)用業(yè)務(wù)的共性功能，提供各種功能框架接口。

(4)管理中間件：為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)各種管理功能，例如目錄服務(wù)、資源管理、能量管理和生命周期管理。

(5)安全中間件：為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)各種安全功能，例如安全管理、安全監(jiān)控和安全審計(jì)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的中間件和平臺(tái)軟件采用層次化、模塊化的體系結(jié)構(gòu)，使其更加適應(yīng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)的要求，并用自身的復(fù)雜換取應(yīng)用開(kāi)發(fā)的簡(jiǎn)單，而中間件技術(shù)能夠更簡(jiǎn)單、明了地滿足應(yīng)用的需要。一方面，中間件提供滿足無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)個(gè)性化應(yīng)用的解決方案，形成一種特別適用的支撐環(huán)境；另一方面，中間件通過(guò)整合，使無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用只需面對(duì)一個(gè)可以解決問(wèn)題的軟件平臺(tái)，因而以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的中間件和平臺(tái)軟件的靈活性、可擴(kuò)展性保證了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全性，提高了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)管理能力和能量效率，降低了應(yīng)用開(kāi)發(fā)的復(fù)雜性。

4．無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信體系結(jié)構(gòu)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)需要自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，相對(duì)于一般意義上的自組織網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)有以下一些特色，需要在體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中特殊考慮。

(1)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)目眾多，這就對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性提出了要求，由于傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)目多、開(kāi)銷大，傳感器網(wǎng)絡(luò)通常不具備全球唯一的地址標(biāo)識(shí)，這使得傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層相對(duì)于一般網(wǎng)絡(luò)而言有很大的簡(jiǎn)化。

(2)自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)最大的特點(diǎn)就是能量受限，傳感器節(jié)點(diǎn)受環(huán)境的限制，通常由電量有限且不可更換的電池供電，所以在傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)以及各層協(xié)議設(shè)計(jì)時(shí)，節(jié)能是設(shè)計(jì)時(shí)的主要考慮目標(biāo)之一。

(3)由于傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的環(huán)境的特殊性，無(wú)線信道不穩(wěn)定以及能源受限的特點(diǎn)，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)受損的概率遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，因此自組織網(wǎng)絡(luò)的健壯性保障是必須的，以保證部分傳感器網(wǎng)絡(luò)的損壞不會(huì)影響全局任務(wù)的進(jìn)行。

(4)傳感器節(jié)點(diǎn)高密度部署，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化快。這對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的維護(hù)也提出了挑戰(zhàn)。根據(jù)以上特性分析，傳感器網(wǎng)絡(luò)需要根據(jù)用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求設(shè)計(jì)適應(yīng)自身特點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和算法的標(biāo)準(zhǔn)化提供統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范，使其能夠滿足用戶的需求。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信體系結(jié)構(gòu)如圖6.4所示。通信協(xié)議層可以劃分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。而網(wǎng)絡(luò)管理面則可以劃分為能耗管理面、移動(dòng)性管理面以及任務(wù)管理面，網(wǎng)絡(luò)管理面的存在主要是用于協(xié)調(diào)不同層次的功能以求在能耗管理、移動(dòng)性管理和任務(wù)管理方面獲得綜合考慮的最優(yōu)設(shè)計(jì)。圖6.4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信體系結(jié)構(gòu)6.2.2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議棧與互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)議框架類似，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議框架也包括五層，如圖6.5所示。各網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層功能如下：

(1)物理層：物理層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的調(diào)制、發(fā)送與接收。該層的設(shè)計(jì)將直接影響到電路的復(fù)雜度和能耗。對(duì)于距離較遠(yuǎn)的無(wú)線通信來(lái)說(shuō)，從實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性和能量的消耗來(lái)考慮，代價(jià)都是很高的。物理層的研究目標(biāo)是設(shè)計(jì)低成本、低功耗、小體積的傳感器節(jié)點(diǎn)。在物理層面上，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)遵從的主要是IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)(ZigBee)。

(2)數(shù)據(jù)鏈路層：數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)成幀、幀檢測(cè)、差錯(cuò)控制以及無(wú)線信道的使用控制，減少因鄰居節(jié)點(diǎn)廣播所引起的沖突，解決信道的多路傳輸問(wèn)題。數(shù)據(jù)鏈路層的工作集中在數(shù)據(jù)流的多路技術(shù)、數(shù)據(jù)幀的監(jiān)測(cè)、介質(zhì)的訪問(wèn)和錯(cuò)誤控制，它保證了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中點(diǎn)到點(diǎn)或一點(diǎn)到多點(diǎn)的可靠連接。

(3)路由層(又稱網(wǎng)絡(luò)層)：路由層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合，負(fù)責(zé)路由生成和路由選擇。它關(guān)心的是對(duì)傳輸層提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行路由。大量的傳感器節(jié)點(diǎn)散布在監(jiān)測(cè)區(qū)域中，需要設(shè)計(jì)一套路由協(xié)議來(lái)供采集數(shù)據(jù)的傳感器節(jié)點(diǎn)和基站節(jié)點(diǎn)之間的通信使用。

(4)傳輸控制層：傳輸控制層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制，協(xié)作維護(hù)數(shù)據(jù)流，是保障通信質(zhì)量的重要部分。TCP協(xié)議是Internet上通用的傳輸層協(xié)議。但無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的資源受限、錯(cuò)誤率高、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化的特點(diǎn)將嚴(yán)重影響TCP協(xié)議的性能。

(5)應(yīng)用層：基于檢測(cè)任務(wù)，在應(yīng)用層上開(kāi)發(fā)和使用不同的應(yīng)用層軟件。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用支撐服務(wù)包括時(shí)間同步和節(jié)點(diǎn)定位。其中，時(shí)間同步服務(wù)為協(xié)同工作的節(jié)點(diǎn)同步本地時(shí)鐘；節(jié)點(diǎn)定位服務(wù)依靠有限的位置已知節(jié)點(diǎn)(信標(biāo))，確定其他節(jié)點(diǎn)的位置，在系統(tǒng)中建立起一定的空間關(guān)系。圖6.5中右側(cè)部分不是獨(dú)立的模塊，它們的功能滲透到各層中，如能量、安全、移動(dòng)，在各層設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中都要考慮；而拓?fù)涔芾碇饕菫榱斯?jié)約能量，制定節(jié)點(diǎn)的休眠策略，保持網(wǎng)絡(luò)暢通；網(wǎng)絡(luò)管理主要是實(shí)現(xiàn)在傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下對(duì)各種資源的管理，為上層應(yīng)用服務(wù)的執(zhí)行提供一個(gè)集成的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境；QoS支持是指為用戶提供高質(zhì)量的服務(wù)。通信協(xié)議中的各層都需要提供QoS支持。圖6.5無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議棧6.3無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議媒體訪問(wèn)控制協(xié)議簡(jiǎn)稱MAC(MediumAccessControl)協(xié)議，處于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的底層部分，以解決無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)以怎樣的規(guī)則共享媒體才能保證滿意的網(wǎng)絡(luò)性能問(wèn)題。MAC協(xié)議對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能有較大影響，是保證無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)高效通信的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之一。傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能(如吞吐量、延遲性能等)完全取決于所采用的MAC協(xié)議。蜂窩電話網(wǎng)絡(luò)和Ad-Hoc是當(dāng)前主流的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，但它們各自的MAC協(xié)議不適合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。GSM和CDMA中的介質(zhì)訪問(wèn)控制主要關(guān)心如何滿足用戶的QoS要求和節(jié)省帶寬資源，功耗則是第二位要考慮的；Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)則考慮如何在節(jié)點(diǎn)具有高度移動(dòng)性的環(huán)境中建立彼此間的鏈接，同時(shí)兼顧一定的QoS要求，功耗也不是其首要關(guān)心的。而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議首要考慮的因素就是節(jié)省能量。這意味著傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議不適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)，需要提出新的適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議。目前的MAC協(xié)議主要有如下三類：

(1)無(wú)線信道隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)接入方式(CSMA)：節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)采用隨機(jī)方式使用無(wú)線信道，典型的如采用載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)(CSMA)的MAC協(xié)議，需要注意隱藏終端和暴露終端問(wèn)題，盡量減少節(jié)點(diǎn)間的干擾。

(2)無(wú)線信道時(shí)分復(fù)用無(wú)競(jìng)爭(zhēng)接入方式(TDMA)：采用時(shí)分復(fù)用(TDMA)方式給每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配了一個(gè)固定的無(wú)線信道使用時(shí)段，可以有效避免節(jié)點(diǎn)間的干擾。

(3)無(wú)線信道時(shí)分/頻分/碼分等混合復(fù)用接入方式(TDMA/FDMA/CDMA)：通過(guò)混合采用時(shí)分和頻分或碼分等復(fù)用方式，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的無(wú)沖突信道分配策略。

6.3.1基于競(jìng)爭(zhēng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議基于競(jìng)爭(zhēng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的基本思想是當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)方式使用無(wú)線信道，如果發(fā)送的數(shù)據(jù)產(chǎn)生了碰撞，就按照某種策略(如IEEE802.11MAC協(xié)議的分布式協(xié)調(diào)工作模式DCF采用的是二進(jìn)制退避重傳機(jī)制)重發(fā)數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)發(fā)送成功或徹底放棄發(fā)送數(shù)據(jù)。

IEEE802.11作為典型的競(jìng)爭(zhēng)型介質(zhì)訪問(wèn)控制協(xié)議，廣泛應(yīng)用在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境以作為無(wú)線節(jié)點(diǎn)的MAC協(xié)議。由于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)使用的傳輸媒介屬于開(kāi)放式共享資源，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)要傳輸時(shí)必須完全占用傳輸媒介才能運(yùn)作，因此，IEEE802.11采用了載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突檢測(cè)(CSMA/CA)的方式來(lái)爭(zhēng)奪傳輸媒介，只有獲得信道的節(jié)點(diǎn)才能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。但是CSMA/CA的運(yùn)作方式需要節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)期監(jiān)聽(tīng)信道，顯然，對(duì)于傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)會(huì)消耗相當(dāng)多的能源，另外CSMA/CA傾向支持獨(dú)立的點(diǎn)到點(diǎn)通信業(yè)務(wù)，容易導(dǎo)致臨近網(wǎng)關(guān)的節(jié)點(diǎn)獲得更多的通信機(jī)會(huì)，而抑制多跳業(yè)務(wù)流量，因此，IEEE802.11協(xié)議不能直接應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。在各種類型的WSNMAC協(xié)議中，對(duì)基于IEEE802.11競(jìng)爭(zhēng)型協(xié)議的研究和改進(jìn)居多，各學(xué)者也不斷提出新的改進(jìn)思路?；诟?jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議具有良好的擴(kuò)展性，且不要求嚴(yán)格的時(shí)鐘同步，但它們對(duì)接收節(jié)點(diǎn)的考慮相對(duì)較少。在節(jié)省節(jié)點(diǎn)能量和增大消息延遲之間需要權(quán)衡。基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議在保證一定的節(jié)能性的前提下，在各種性能指標(biāo)之間進(jìn)行折中。競(jìng)爭(zhēng)型的WSNMAC協(xié)議很多，研究人員從不同的應(yīng)用環(huán)境和不同的性能需求角度提出了許多競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議，如S-MAC、T-MAC、WiseMAC、AC-MAC/DPM、CB-MAC、PMAC(PatternMAC)、PCS-MAC、TEEM(TrafficawareEnergyEfficientMAC)和PAMAS(PowerAwareMultipleAccessprotocolwithSignaling)協(xié)議等。下面介紹幾種常用的基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議。

1．帶沖突避免的載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)MAC層協(xié)議—CSMA/CA協(xié)議為盡量減少數(shù)據(jù)的傳輸碰撞和重試發(fā)送，防止各節(jié)點(diǎn)無(wú)序地爭(zhēng)用無(wú)線信道，提出了CSMA/CA協(xié)議，它主要是應(yīng)用于無(wú)線局域網(wǎng)IEEE802.11MAC協(xié)議的分布式協(xié)調(diào)工作模式下的一種協(xié)議。在節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽(tīng)到無(wú)線信道忙之后，采用CSMA/CA機(jī)制和隨機(jī)退避時(shí)間，實(shí)現(xiàn)無(wú)線信道的共享。為了使各種MAC操作互相配合，IEEE802.11推薦使用三種幀間隔(IFS)，以便提供基于優(yōu)先級(jí)的訪問(wèn)控制。這三種幀間隔如下：

(1)?DIFS(分布式協(xié)調(diào)IFS)：最長(zhǎng)的IFS，優(yōu)先級(jí)最低，用于異步幀競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)的時(shí)延。

(2)?PIFS(點(diǎn)協(xié)調(diào)IFS)：中等長(zhǎng)度的IFS，優(yōu)先級(jí)居中，在PCF操作中使用。

(3)?SIFS(短IFS)：最短的IFS，優(yōu)先級(jí)最高，用于需要立即響應(yīng)的操作。

傳統(tǒng)的載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)(CSMA)協(xié)議不適合傳感器，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)要傳輸一個(gè)分組時(shí)，它首先監(jiān)聽(tīng)信道狀態(tài)。如果信道空閑，而且經(jīng)過(guò)一個(gè)幀間隔DIFS后，信道仍然空閑，則站點(diǎn)開(kāi)始發(fā)送信息。如果信道忙，要一直監(jiān)聽(tīng)到信道的空閑時(shí)間超過(guò)DIFS。當(dāng)信道最終空閑下來(lái)時(shí)，節(jié)點(diǎn)進(jìn)一步使用二進(jìn)制退避算法，來(lái)避免發(fā)生碰撞。節(jié)點(diǎn)進(jìn)入退避狀態(tài)時(shí)，啟動(dòng)一個(gè)退避計(jì)時(shí)器，當(dāng)計(jì)時(shí)到達(dá)退避時(shí)間后結(jié)束退避狀態(tài)。IEEE802.11MAC協(xié)議中通過(guò)立即主動(dòng)確認(rèn)機(jī)制和預(yù)留機(jī)制來(lái)提高性能。

2．S-MAC協(xié)議

S-MAC(Self-organizingMAC)協(xié)議是由WeiYe和Heidemann于2003年在IEEE802.11MAC協(xié)議基礎(chǔ)上，采納了其DCF節(jié)能模式的設(shè)計(jì)思想，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協(xié)議。S-MAC以多跳網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為應(yīng)用平臺(tái)，節(jié)點(diǎn)周期性地在監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)和休眠狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。S-MAC協(xié)議的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是提供良好的擴(kuò)展性，減少能量的消耗。

S-MAC協(xié)議的工作原理如圖6.6所示，圖中Normal標(biāo)識(shí)一般情況(IEEE802.11MAC協(xié)議下)的數(shù)據(jù)交換，S-MAC標(biāo)識(shí)S-MAC的數(shù)據(jù)間歇交換過(guò)程。圖6.6S-MAC協(xié)議的工作原理對(duì)碰撞重傳、串音、空閑監(jiān)聽(tīng)和控制消息等可能造成傳感器網(wǎng)絡(luò)的消耗更多能量的主要因素，S-MAC協(xié)議采用以下機(jī)制：周期性監(jiān)聽(tīng)/睡眠的低占空比工作方式，控制節(jié)點(diǎn)盡可能處于睡眠狀態(tài)來(lái)降低節(jié)點(diǎn)的能量消耗；鄰居節(jié)點(diǎn)通過(guò)協(xié)商一致性睡眠調(diào)度機(jī)制形成虛擬簇，減少節(jié)點(diǎn)的空閑監(jiān)聽(tīng)時(shí)間；通過(guò)流量自適應(yīng)的監(jiān)聽(tīng)機(jī)制，減少消息在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸延遲；采用帶內(nèi)信令來(lái)減少重傳和避免監(jiān)聽(tīng)不必要的數(shù)據(jù)；通過(guò)消息分割和突發(fā)傳遞機(jī)制來(lái)減少控制消息的開(kāi)銷和消息的傳遞延遲。

S-MAC協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)是形成了一個(gè)使相鄰節(jié)點(diǎn)都能彼此自由通信的平面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同步節(jié)點(diǎn)形成了一個(gè)簇內(nèi)無(wú)沖突的虛擬簇，很容易適應(yīng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變。但節(jié)點(diǎn)周期性休眠增加了通信時(shí)延，而且時(shí)延會(huì)在每跳中積累；各節(jié)點(diǎn)的休眠時(shí)長(zhǎng)固定，不能動(dòng)態(tài)改變，當(dāng)傳感/轉(zhuǎn)發(fā)事件的發(fā)生間隔較長(zhǎng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致不必要的能量消耗。

3．T-MAC協(xié)議

T-MAC(TimeoutMAC)協(xié)議的工作原理如圖6.7所示。T-MAC協(xié)議是在S-MAC協(xié)議的基礎(chǔ)上提出來(lái)的。S-MAC協(xié)議通過(guò)采用周期性監(jiān)聽(tīng)/睡眠工作方式來(lái)減少空閑監(jiān)聽(tīng)，周期長(zhǎng)度是固定不變的，節(jié)點(diǎn)的監(jiān)聽(tīng)活動(dòng)時(shí)間也是固定的。而周期長(zhǎng)度受限于延遲要求和緩存大小，活動(dòng)時(shí)間主要依賴于消息速率。這樣就存在一個(gè)問(wèn)題：延遲要求和緩存大小是固定的，而消息速率通常是變化的。如果要保證可靠、及時(shí)的消息傳輸，節(jié)點(diǎn)的活動(dòng)時(shí)間必須適應(yīng)最高通信負(fù)載。當(dāng)負(fù)載動(dòng)態(tài)較小時(shí)，節(jié)點(diǎn)處于空閑監(jiān)聽(tīng)的時(shí)間相對(duì)增加。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，T-MAC協(xié)議在保持周期長(zhǎng)度不變的基礎(chǔ)上，根據(jù)通信流量動(dòng)態(tài)地調(diào)整活動(dòng)時(shí)間，用突發(fā)方式發(fā)送消息，減少空閑監(jiān)聽(tīng)時(shí)間。T-MAC協(xié)議相對(duì)S-MAC協(xié)議減少了處于活動(dòng)狀態(tài)的時(shí)間。

圖6.7T-MAC協(xié)議的基本機(jī)制在T-MAC協(xié)議中，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)仍采用RTS/CTS/DATA/ACK的通信過(guò)程，節(jié)點(diǎn)周期性被喚醒進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，如果在一個(gè)給定時(shí)間TA內(nèi)沒(méi)有發(fā)生下面任何一個(gè)激活事件，則活動(dòng)結(jié)束：周期時(shí)間定時(shí)器溢出；在無(wú)線信道上收到數(shù)據(jù)；通過(guò)接收信號(hào)強(qiáng)度指示RSSI感知存在無(wú)線通信；通過(guò)監(jiān)聽(tīng)RTS/CTS分組，確認(rèn)鄰居的數(shù)據(jù)交換已經(jīng)結(jié)束。

T-MAC協(xié)議根據(jù)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)通信情況，通過(guò)提前結(jié)束活動(dòng)周期來(lái)減少空閑監(jiān)聽(tīng)，但帶來(lái)了早睡問(wèn)題。為解決這個(gè)問(wèn)題，提出了未來(lái)請(qǐng)求發(fā)送和滿緩沖區(qū)優(yōu)先兩種方法。

4．WiseMAC協(xié)議

WiseMAC協(xié)議是基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議，采用了np-CSMA機(jī)制，并通過(guò)先序采樣(PreambleSampling)技術(shù)達(dá)到減少節(jié)點(diǎn)空閑監(jiān)聽(tīng)時(shí)間的目的。所謂先序采樣，即節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包之前先發(fā)送一個(gè)先序(Preamble)，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)周期性地對(duì)媒介進(jìn)行采樣。如果發(fā)現(xiàn)媒介忙(即監(jiān)聽(tīng)到此先序數(shù)據(jù))，則繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)并接收可能的數(shù)據(jù)。B-MAC協(xié)議采用的先序數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度與采樣的周期相同，而WiseMAC協(xié)議則根據(jù)接收者的采樣調(diào)度動(dòng)態(tài)地調(diào)整先序數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。當(dāng)節(jié)點(diǎn)要傳送數(shù)據(jù)至其鄰居時(shí)，先檢查該鄰居的采樣調(diào)度，并在該鄰居采樣之前發(fā)送一個(gè)較短的先序，則鄰居活動(dòng)后將檢測(cè)到此先序并很快進(jìn)入接收數(shù)據(jù)狀態(tài)。因此，適中長(zhǎng)度的先序不僅節(jié)約了發(fā)送方的能量，也縮短了接收方等待接收數(shù)據(jù)的時(shí)間。

但由于節(jié)點(diǎn)的睡眠調(diào)度是相互獨(dú)立的，節(jié)點(diǎn)鄰居的睡眠、活動(dòng)時(shí)間各不相同，這對(duì)消息的廣播非常不利。廣播的數(shù)據(jù)包將在每個(gè)鄰居蘇醒時(shí)發(fā)送，因此廣播數(shù)據(jù)包需要進(jìn)行緩存并要發(fā)送多次，這些冗余的傳送將帶來(lái)較高的延遲和能量消耗；此外，WiseMAC協(xié)議不能處理隱藏終端問(wèn)題。6.3.2基于時(shí)分復(fù)用的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議基于時(shí)分復(fù)用的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議主要指TDMA時(shí)間調(diào)度型的協(xié)議。時(shí)分復(fù)用TDMA是實(shí)現(xiàn)信道分配的簡(jiǎn)單、成熟的機(jī)制。TDMA機(jī)制具有下列特點(diǎn)：沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制的碰撞重傳問(wèn)題；數(shù)據(jù)傳輸時(shí)不需要過(guò)多的控制信息；節(jié)點(diǎn)在空閑時(shí)隙能夠及時(shí)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。但是TDMA機(jī)制需要節(jié)點(diǎn)之間比較嚴(yán)格的時(shí)間同步?；赥DMA的MAC協(xié)議將時(shí)間區(qū)分為連續(xù)的時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙分配給某個(gè)特定的節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只能在分配的時(shí)隙內(nèi)發(fā)送消息。這樣，節(jié)點(diǎn)可以在非發(fā)送或接收的時(shí)隙內(nèi)及時(shí)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，從而有效地減少能量消耗。下面介紹幾種基于時(shí)分復(fù)用的MAC協(xié)議。

1．DMAC協(xié)議

S-MAC和T-MAC協(xié)議采用周期性監(jiān)聽(tīng)/睡眠策略減少能量消耗，但是存在數(shù)據(jù)通信停頓問(wèn)題，從而引起數(shù)據(jù)的傳輸延遲。而在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，經(jīng)常采用的通信模式是數(shù)據(jù)采集樹(shù)，針對(duì)這種結(jié)構(gòu)，為減少網(wǎng)絡(luò)的能量消耗和數(shù)據(jù)的傳輸延遲，提出了DMAC協(xié)議。

DMAC協(xié)議采用不同深度節(jié)點(diǎn)之間的活動(dòng)/睡眠的交錯(cuò)調(diào)度機(jī)制，數(shù)據(jù)能夠沿著多跳路徑連續(xù)傳播，減少睡眠帶來(lái)的通信延遲。該協(xié)議通過(guò)自適應(yīng)占空比機(jī)制，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量變化動(dòng)態(tài)調(diào)整整條路徑上節(jié)點(diǎn)的活動(dòng)時(shí)間，通過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)機(jī)制解決相同父節(jié)點(diǎn)的不同子節(jié)點(diǎn)間的相互干擾問(wèn)題，通過(guò)MTS機(jī)制解決不同父節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)之間干擾帶來(lái)的睡眠延遲問(wèn)題。但是，該協(xié)議實(shí)現(xiàn)復(fù)雜。

2．DEANA協(xié)議分布式能量感知節(jié)點(diǎn)活動(dòng)(DistributedEnergy-AwareNodeActivation，DEANA)協(xié)議將時(shí)間幀分為周期性的調(diào)度訪問(wèn)階段和隨機(jī)訪問(wèn)階段。調(diào)度訪問(wèn)階段由多個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)隙組成，某個(gè)時(shí)隙分配給特定節(jié)點(diǎn)，用來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)。除相應(yīng)的接收節(jié)點(diǎn)外，其他節(jié)點(diǎn)在此時(shí)隙處于睡眠狀態(tài)。隨機(jī)訪問(wèn)階段由多個(gè)連續(xù)的信令交換時(shí)隙組成，用于處理節(jié)點(diǎn)的添加、刪除以及時(shí)間同步等。與傳統(tǒng)的TDMA協(xié)議相比，DEANA協(xié)議在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)隙前加入了一個(gè)控制時(shí)隙，使節(jié)點(diǎn)在得知不需要接收數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，從而能夠部分解決串音問(wèn)題。但是，DEANA協(xié)議對(duì)時(shí)隙分配考慮較少。

3．TRAMA協(xié)議流量自適應(yīng)介質(zhì)訪問(wèn)(TRAMA)協(xié)議將時(shí)間劃分為連續(xù)時(shí)隙，根據(jù)局部?jī)商鴥?nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)信息，采用分布選舉機(jī)制確定每個(gè)時(shí)隙的無(wú)沖突發(fā)送者。同時(shí)，通過(guò)避免把時(shí)隙分配給無(wú)流量的節(jié)點(diǎn)，并讓非發(fā)送和接收節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)達(dá)到節(jié)省能量的目的。為適應(yīng)因節(jié)點(diǎn)失敗或節(jié)點(diǎn)增加等所引起的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化，將時(shí)間劃分為交替的隨機(jī)訪問(wèn)周期和調(diào)度訪問(wèn)周期。隨機(jī)訪問(wèn)周期和調(diào)度訪問(wèn)周期的時(shí)隙個(gè)數(shù)根據(jù)具體應(yīng)用情況而定。隨機(jī)訪問(wèn)周期主要用于網(wǎng)絡(luò)維護(hù)。

TRAMA協(xié)議根據(jù)兩跳范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)信息，由節(jié)點(diǎn)獨(dú)立確定自己發(fā)送消息的時(shí)隙，同時(shí)避免把時(shí)隙分配給沒(méi)有信息發(fā)送的節(jié)點(diǎn)，由此提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量，克服了基于TDMA的MAC協(xié)議擴(kuò)展性差的不足。但是TRAMA協(xié)議相對(duì)比較復(fù)雜，為了建立節(jié)點(diǎn)間一致的調(diào)度消息，計(jì)算和通信開(kāi)銷都比較大。

6.3.3混合型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議采用單純的競(jìng)爭(zhēng)型或調(diào)度型機(jī)制很難在各種指標(biāo)中獲得較平衡的優(yōu)良性能，它們往往用較大的某些性能損失代價(jià)去換取另一種性能的提高，如S-MAC用較大的時(shí)延代價(jià)來(lái)獲取可接受的節(jié)能效率。而競(jìng)爭(zhēng)性MAC機(jī)制與TDMA調(diào)度機(jī)制的有機(jī)結(jié)合可以平衡兩者的優(yōu)勢(shì)和不足，取得較好的性能。下面介紹幾種常用的“混合型”的MAC協(xié)議。

1．SMACS/EAR協(xié)議

SMACS/EAR(Self-organizingMediumAccessControl/forSensornetworks/EavesdropandRegister)協(xié)議是一種結(jié)合時(shí)分復(fù)用和頻分復(fù)用的基于固定信道分配的MAC協(xié)議。其主要思想是為每一對(duì)鄰居節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)特有頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，不同節(jié)點(diǎn)對(duì)時(shí)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協(xié)議主要用于靜止節(jié)點(diǎn)間鏈路的建立，而EAR協(xié)議則用于建立少量運(yùn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)與靜止節(jié)點(diǎn)之間的通信鏈路。

SMACS/EAR協(xié)議不要求所有節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行時(shí)間同步，只需要兩個(gè)通信節(jié)點(diǎn)間保持相對(duì)的幀同步。它不能完全避免碰撞，因?yàn)槎鄠€(gè)節(jié)點(diǎn)在協(xié)商過(guò)程中可能同時(shí)發(fā)出“邀請(qǐng)”消息或“應(yīng)答”消息。由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)要支持多種通信頻率，這對(duì)節(jié)點(diǎn)硬件提出了很高的要求，同時(shí)，由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要建立的通信鏈路數(shù)無(wú)法事先預(yù)計(jì)，使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的利用率不高。

2．Z-MAC綜合CSMA和TDMA二者各自的優(yōu)點(diǎn)，由Rhee等提出了一種混合機(jī)制的Z-MAC(ZebraMAC)協(xié)議。Z-MAC協(xié)議將信道使用劃分為時(shí)間幀的同時(shí)，使用CSMA作為基本機(jī)制，時(shí)隙的占有者只有數(shù)據(jù)發(fā)送的優(yōu)先權(quán)，其他節(jié)點(diǎn)也可以在該時(shí)隙發(fā)送信息幀，當(dāng)節(jié)點(diǎn)之間產(chǎn)生碰撞之后，時(shí)隙占有者的回退時(shí)間短，從而真正獲得時(shí)隙的信道使用權(quán)。Z-MAC使用競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)標(biāo)示來(lái)轉(zhuǎn)換MAC機(jī)制，節(jié)點(diǎn)在ACK重復(fù)丟失和碰撞回退頻繁的情況下，將由低競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)轉(zhuǎn)為高競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)，由CSMA機(jī)制轉(zhuǎn)為TDMA機(jī)制?？梢哉f(shuō)，Z-MAC在低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下類似CSMA，在網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入高競(jìng)爭(zhēng)的信道狀態(tài)之后類似TDMA。

Z-MAC并不需要精確的時(shí)間同步，有著較好的信道利用率和網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性。協(xié)議達(dá)到即時(shí)適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載變化的同時(shí)，TDMA和CSMA機(jī)制的互換會(huì)產(chǎn)生大量的能耗，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的突發(fā)波動(dòng)會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)延遲問(wèn)題。總體而言，Z-MAC在較低競(jìng)爭(zhēng)情況下性能像CSMA，在較高競(jìng)爭(zhēng)情況下性能像TDMA。Z-MAC的優(yōu)點(diǎn)是比較好地結(jié)合了CSMA和TDMA的優(yōu)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)在任何時(shí)隙都可以發(fā)送數(shù)據(jù)，信道利用率得到了提高；缺點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始的時(shí)候，花費(fèi)大量的開(kāi)銷來(lái)初始化網(wǎng)絡(luò)，造成網(wǎng)絡(luò)能量大量消耗，且協(xié)議實(shí)現(xiàn)過(guò)于復(fù)雜，雖然設(shè)計(jì)思想非常新穎和有效，但實(shí)用性不高。

3．TRAMA流量自適應(yīng)介質(zhì)訪問(wèn)(TRafficAdaptiveMediumAccess，TRAMA)協(xié)議在某些文獻(xiàn)中歸為TDMA型的MAC協(xié)議，TRAMA已經(jīng)在協(xié)議運(yùn)行過(guò)程中使用了關(guān)鍵的競(jìng)爭(zhēng)策略來(lái)動(dòng)態(tài)地建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、選舉節(jié)點(diǎn)、分配時(shí)隙，且將時(shí)間劃分為交替的隨機(jī)訪問(wèn)周期和調(diào)度訪問(wèn)周期，有別于一般的TDMA型協(xié)議，屬于典型的混合型的MAC協(xié)議。

TRAMA包含兩種接入模式：隨機(jī)接入(采用分時(shí)段CSMA)和定期接入(采用TDMA方式)。TRAMA的主要應(yīng)用場(chǎng)合為周期性數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。它將時(shí)間劃分為連續(xù)時(shí)槽，根據(jù)局部?jī)商鴥?nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)信息，采用分布式選舉機(jī)制確定每個(gè)時(shí)槽的無(wú)沖突發(fā)送者。同時(shí)，通過(guò)避免把時(shí)槽分配給無(wú)流量的節(jié)點(diǎn)，并讓非發(fā)送和接收節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)達(dá)到節(jié)省能量的目的。TRAMA協(xié)議包括鄰居協(xié)議(NeighborProtocol，NP)、調(diào)度交換協(xié)議(ScheduleExchangeProtocol，SEP)和自適應(yīng)時(shí)槽選擇算法(AdaptiveElectionAlgorithm，AEA)。

TRAMA協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)間通過(guò)NP協(xié)議獲得一致的兩跳內(nèi)的拓?fù)湫畔?，通過(guò)SEP協(xié)議建立和維護(hù)發(fā)送者和接收者的調(diào)度信息，通過(guò)AEA算法決定節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前時(shí)槽的活動(dòng)策略。TRAMA通過(guò)分布式協(xié)商保證節(jié)點(diǎn)無(wú)沖突地發(fā)送數(shù)據(jù)，無(wú)數(shù)據(jù)收發(fā)的節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)，同時(shí)避免把時(shí)槽分配給沒(méi)有信息發(fā)送的節(jié)點(diǎn)，在節(jié)省能量消耗的同時(shí)，保證網(wǎng)絡(luò)的高數(shù)據(jù)傳輸率。但該協(xié)議要求節(jié)點(diǎn)有較大的存儲(chǔ)空間來(lái)保存拓?fù)湫畔⒑袜従诱{(diào)度信息，需要計(jì)算兩跳內(nèi)鄰居的所有節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)，運(yùn)行AEA算法。

TRAMA將時(shí)間分成時(shí)槽，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)槽傳輸，以此來(lái)達(dá)到一定的吞吐量和公平性，并能有效地避免隱藏終端引起的競(jìng)爭(zhēng)。但TRAMA的缺點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)太復(fù)雜，而且AEA算法要經(jīng)常運(yùn)行，算法復(fù)雜，運(yùn)行代價(jià)大。TRAMA的延遲較大，更適用于對(duì)延遲要求不高的應(yīng)用。6.4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議

1．路由協(xié)議的衡量標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)與通信需求，網(wǎng)絡(luò)層需要解決通過(guò)局部信息來(lái)決策并優(yōu)化全局行為(路由生成與路由選擇)的問(wèn)題。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議不同于傳統(tǒng)路由協(xié)議，它具有能量?jī)?yōu)先、基于局部的拓?fù)湫畔?、以?shù)據(jù)為中心和應(yīng)用相關(guān)四個(gè)特點(diǎn)，因而，根據(jù)具體的應(yīng)用設(shè)計(jì)路由機(jī)制時(shí)，應(yīng)從以下四個(gè)方面衡量路由協(xié)議的優(yōu)劣。

(1)能量高效。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)議不僅要選擇能量消耗小的信息傳輸路徑，更要能量均衡消耗，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單且高效的傳輸，盡可能地延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存期。

(2)可擴(kuò)展性。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用決定了它的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不是一成不變的，而且很容易造成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)發(fā)生變化，因而要求路由協(xié)議有可擴(kuò)展性，能夠適應(yīng)結(jié)構(gòu)的變化。具體體現(xiàn)在傳感器的數(shù)量、網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域、網(wǎng)絡(luò)生命周期、網(wǎng)絡(luò)時(shí)間延遲和網(wǎng)絡(luò)感知精度等方面。

(3)魯棒性。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于環(huán)境和節(jié)點(diǎn)的能量耗盡造成傳感器的失效、通信質(zhì)量的降低使網(wǎng)絡(luò)變得不可靠，所以在路由協(xié)議的設(shè)計(jì)過(guò)程中必須考慮軟硬件的高容錯(cuò)性，保障網(wǎng)絡(luò)的魯棒性。

(4)快速收斂性。由于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化，要求路由協(xié)議能夠快速收斂，以適應(yīng)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)變化，提高帶寬和節(jié)點(diǎn)能量等有限資源的利用率和消息傳輸效率。

2．路由協(xié)議的分類針對(duì)不同傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，研究人員提出了不同的路由協(xié)議，目前已有的分類方式主要包括按網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)劃分和按協(xié)議的應(yīng)用特征劃分。按網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以分為基于平面的路由協(xié)議、基于位置的路由協(xié)議和基于分級(jí)的路由協(xié)議；按協(xié)議的應(yīng)用特征可以分為基于多徑的路由協(xié)議、基于可靠性的路由協(xié)議、基于協(xié)商的路由協(xié)議、基于查詢的路由協(xié)議、基于位置的路由協(xié)議和基于QoS的路由協(xié)議?；谄矫娴穆酚蓞f(xié)議，其所有節(jié)點(diǎn)通常都具有相同的功能和對(duì)等的角色?；诜旨?jí)的路由協(xié)議，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通常扮演不同的角色?；谖恢玫穆酚蓞f(xié)議，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)利用傳感器節(jié)點(diǎn)的位置來(lái)路由數(shù)據(jù)。但這種分類方式太過(guò)分散，沒(méi)有整體概念，本書就各個(gè)協(xié)議的不同側(cè)重點(diǎn)提出一種新的分類方法，把現(xiàn)有的代表性路由協(xié)議按節(jié)點(diǎn)的傳播方式劃分為廣播式路由協(xié)議、坐標(biāo)式路由協(xié)議和分簇式路由協(xié)議。下面進(jìn)行詳細(xì)介紹和分析。

6.4.1廣播式路由協(xié)議

1．?dāng)U散法(Flooding)擴(kuò)散法是一種傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信路由協(xié)議。它實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，不需要為保持網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒑蛯?shí)現(xiàn)復(fù)雜的路由算法消耗計(jì)算資源，適用于健壯性要求高的場(chǎng)合。但是，擴(kuò)散法存在信息爆炸問(wèn)題，即會(huì)出現(xiàn)一個(gè)節(jié)點(diǎn)可能得到數(shù)據(jù)的多個(gè)副本的情況，而且也會(huì)出現(xiàn)部分重疊的現(xiàn)象，此外，擴(kuò)散法沒(méi)有考慮各節(jié)點(diǎn)的能量，無(wú)法作出相應(yīng)的自適應(yīng)路由選擇，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)能量耗盡后，網(wǎng)絡(luò)就會(huì)癱瘓。

具體實(shí)現(xiàn)：節(jié)點(diǎn)A希望發(fā)送數(shù)據(jù)給節(jié)點(diǎn)B，節(jié)點(diǎn)A首先通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)的副本傳給其每一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)又將其傳給除A外的其他的鄰居節(jié)點(diǎn)，直到將數(shù)據(jù)傳到B為止或者為該數(shù)據(jù)設(shè)定的生命期限變?yōu)榱銥橹够蛘咚泄?jié)點(diǎn)擁有此副本為止。

2．定向路由擴(kuò)散(DirectedDiffusion)

C.Intanagonwiwat等人為傳感器網(wǎng)絡(luò)提出了一種數(shù)據(jù)采集模型，即定向路由擴(kuò)散。它通過(guò)泛洪方式廣播興趣消息給所有的傳感器節(jié)點(diǎn)，隨著興趣消息在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中傳播，協(xié)議逐跳地在每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)上建立反向的從數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)到基站或者匯聚節(jié)點(diǎn)的傳輸梯度。該協(xié)議通過(guò)將來(lái)自不同源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)聚集起來(lái)再重新路由來(lái)達(dá)到消除冗余和最大程度降低數(shù)據(jù)傳輸量的目的，因而可以節(jié)約網(wǎng)絡(luò)能量，延長(zhǎng)系統(tǒng)生存期。然而，路徑建立時(shí)的興趣消息擴(kuò)散要執(zhí)行一個(gè)泛洪廣播操作，時(shí)間和能量開(kāi)銷大。具體實(shí)現(xiàn)：首先是興趣消息擴(kuò)散，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都在本地保存一個(gè)興趣列表，其中專門存在一個(gè)表項(xiàng)用來(lái)記錄發(fā)送該興趣消息的鄰居節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)發(fā)送速率和時(shí)間戳等相關(guān)信息；之后建立傳輸梯度，數(shù)據(jù)沿著建立好的梯度路徑傳輸。

3．謠傳路由(RumorRouting)

D.Braginsky等人提出了適用于數(shù)據(jù)傳輸量較小的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)高效路由協(xié)議。其基本思想是時(shí)間監(jiān)測(cè)區(qū)域的感應(yīng)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生代理消息，代理消息沿著隨機(jī)路徑向鄰居節(jié)點(diǎn)擴(kuò)散傳播。同時(shí)，基站或匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送的查詢消息也沿著隨機(jī)路徑在網(wǎng)絡(luò)中傳播。當(dāng)查詢消息和代理消息的傳播路徑交叉在一起時(shí)就會(huì)形成一條基站或匯聚節(jié)點(diǎn)到時(shí)間監(jiān)測(cè)區(qū)域的完整路徑。具體實(shí)現(xiàn)：每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個(gè)鄰居列表和一個(gè)事件列表，當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到一個(gè)事件發(fā)生時(shí)，在事件列表中增加一個(gè)表項(xiàng)并根據(jù)概率產(chǎn)生一個(gè)代理消息。代理消息是一個(gè)包含事件相關(guān)信息的分組，將事件傳給經(jīng)過(guò)的節(jié)點(diǎn)。收到代理消息的節(jié)點(diǎn)檢查表項(xiàng)，進(jìn)行更新和增加表項(xiàng)的操作。節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選擇鄰居轉(zhuǎn)發(fā)查詢消息。

4．SPIN(SensorProtocolsforInformationviaNegotiation)

W.Heinzelman等人提出了一種自適應(yīng)的SPIN路由協(xié)議。該協(xié)議假定網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)都是Sink節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有用戶需要的信息，而且相鄰的節(jié)點(diǎn)擁有類似的數(shù)據(jù)，所以只需發(fā)送其他節(jié)點(diǎn)沒(méi)有的數(shù)據(jù)。SPIN協(xié)議通過(guò)協(xié)商完成資源自適應(yīng)算法，即在發(fā)送真正數(shù)據(jù)之前，通過(guò)協(xié)商壓縮重復(fù)的信息，避免了冗余數(shù)據(jù)的發(fā)送；此外，SPIN協(xié)議有權(quán)訪問(wèn)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前能量水平，根據(jù)節(jié)點(diǎn)剩余能量水平調(diào)整協(xié)議，所以可以在一定程度上延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存期。

SPIN采用了三種數(shù)據(jù)包來(lái)通信：ADV用于新數(shù)據(jù)的廣播，當(dāng)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，利用該數(shù)據(jù)包向外廣播；REQ用于請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)希望接收數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送該報(bào)文；DATA包含帶有Meta-data頭部數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)報(bào)文。具體實(shí)現(xiàn)：當(dāng)一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)在發(fā)送一個(gè)DATA數(shù)據(jù)包之前，首先向其鄰居節(jié)點(diǎn)廣播式地發(fā)送ADV數(shù)據(jù)包，如果一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)希望接收該DATA數(shù)據(jù)包，則向該節(jié)點(diǎn)發(fā)送REQ數(shù)據(jù)包，接著節(jié)點(diǎn)向其鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送DATA數(shù)據(jù)包。

5．GEAR(GeographicalandEnergyAwareRouting)

Y.Yu等人提出了GEAR路由協(xié)議，即根據(jù)時(shí)間區(qū)域的地址位置，建立基站或者匯聚節(jié)點(diǎn)到時(shí)間區(qū)域的優(yōu)化路徑。把GEAR劃分為廣播式路由協(xié)議有點(diǎn)牽強(qiáng)，但是由于它是在利用地理信息的基礎(chǔ)上將數(shù)據(jù)發(fā)送到合適區(qū)域，而且又是基于定向路由擴(kuò)散提出，這里仍然作為廣播式的一種。具體實(shí)現(xiàn)：首先向目標(biāo)區(qū)域傳遞數(shù)據(jù)包，當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包時(shí)，先檢查是否有鄰居節(jié)點(diǎn)比它更接近目標(biāo)區(qū)域。如有就選擇離目標(biāo)區(qū)域最近的節(jié)點(diǎn)作數(shù)據(jù)傳遞的下一跳節(jié)點(diǎn)。如果數(shù)據(jù)包已經(jīng)到達(dá)目標(biāo)區(qū)域，則利用遞歸的地理傳遞方式和受限的擴(kuò)散方式發(fā)布該數(shù)據(jù)。6.4.2坐標(biāo)式路由協(xié)議

1．GEM(GraphEmbedding)

J.Newsome和D.Song提出了建立一個(gè)虛擬極坐標(biāo)系統(tǒng)(VirtualPolarCoordinateSystem，VPCS)GEM路由協(xié)議，用來(lái)代表實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)以基站或匯聚節(jié)點(diǎn)為根的帶環(huán)樹(shù)(RingedTree)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)用距離樹(shù)根的跳數(shù)距離和角度范圍兩個(gè)參數(shù)表示。具體實(shí)現(xiàn)：首先建立虛擬極坐標(biāo)系統(tǒng)，主要有三個(gè)階段，即先由跳數(shù)建立路由并擴(kuò)展到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)形成樹(shù)型結(jié)構(gòu)，再?gòu)娜~節(jié)點(diǎn)開(kāi)始反饋?zhàn)訕?shù)的大小，即樹(shù)中包含的節(jié)點(diǎn)數(shù)目，最后確定每個(gè)子節(jié)點(diǎn)的虛擬角度范圍；建立好系統(tǒng)之后，利用虛擬極坐標(biāo)算法發(fā)送消息，即節(jié)點(diǎn)收到消息，檢查是否在自己的角度范圍內(nèi)，不在就向父節(jié)點(diǎn)傳遞，直到消息到達(dá)包含目的位置角度的節(jié)點(diǎn)。另外，當(dāng)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，需要及時(shí)更新，比如節(jié)點(diǎn)加入和節(jié)點(diǎn)失效。

2．GRWLI(GeographicRoutingWithoutLocationInformation)

A.Rao等人提出了建立全局坐標(biāo)系的路由協(xié)議，其前提是需要少數(shù)節(jié)點(diǎn)精確位置信息。首先確定節(jié)點(diǎn)在坐標(biāo)系中的位置，根據(jù)位置進(jìn)行數(shù)據(jù)路由。關(guān)鍵是利用某些知道自己位置信息的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)確定全局坐標(biāo)系及其他節(jié)點(diǎn)在坐標(biāo)系中的位置。具體實(shí)現(xiàn)：A.Rao

等人提出了三種策略確定信標(biāo)節(jié)點(diǎn)：一是確定邊界節(jié)點(diǎn)都為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，則非邊界節(jié)點(diǎn)通過(guò)邊界節(jié)點(diǎn)確定自己的位置信息，在平面情況下，節(jié)點(diǎn)通過(guò)鄰居節(jié)點(diǎn)位置的平均值計(jì)算；二是使用兩個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，則邊界節(jié)點(diǎn)只知道自己處于網(wǎng)絡(luò)邊界而不知道自己的精確位置信息，引入兩個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，并通過(guò)邊界節(jié)點(diǎn)交換信息，建立全局坐標(biāo)系；三是使用一個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)最大的節(jié)點(diǎn)標(biāo)記自己為邊界節(jié)點(diǎn)。

6.4.3分簇式路由協(xié)議

1．LEACH(LowEnergyAdaptiveClusteringHierarchy)

MIT的Chandrakasan等人為無(wú)線傳感器設(shè)計(jì)了一種分簇路由算法，其基本思想是以循環(huán)的方式隨機(jī)選擇簇頭節(jié)點(diǎn)，平均分配整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量到每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，從而可以降低網(wǎng)絡(luò)能源消耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。簇頭的產(chǎn)生是簇形成的基礎(chǔ)，簇頭的選取一般基于節(jié)點(diǎn)的剩余能量、簇頭到基站或匯聚節(jié)點(diǎn)的距離、簇頭的位置和簇內(nèi)的通信代價(jià)。簇頭的產(chǎn)生算法可分為分布式和集中式兩種，這里不予介紹。

具體實(shí)現(xiàn)：LEACH不斷地循環(huán)執(zhí)行簇的重構(gòu)過(guò)程，可以分為兩個(gè)階段：一是簇的建立，即包括簇頭節(jié)點(diǎn)的選擇、簇頭節(jié)點(diǎn)的廣播、簇頭節(jié)點(diǎn)的建立和調(diào)度機(jī)制的生成；二是傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定階段。每個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選一個(gè)值，小于某閾值的節(jié)點(diǎn)就成為簇頭節(jié)點(diǎn)，之后廣播告知整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，完成簇的建立。在穩(wěn)定階段中，節(jié)點(diǎn)將采集的數(shù)據(jù)送到簇頭節(jié)點(diǎn)，簇頭節(jié)點(diǎn)將信息融合后送給匯聚點(diǎn)。一段時(shí)間后，重新建立簇，不斷循環(huán)。

2．GAF(GeographicAdaptiveFidelity)

Y.Xu等人提出了一種利用分簇進(jìn)行通信的路由算法。它最初是為移動(dòng)Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用設(shè)計(jì)的，也可適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。其基本思想是網(wǎng)絡(luò)區(qū)被分成固定區(qū)域，形成虛擬網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格里選出一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)在某段時(shí)間內(nèi)保持清醒，其他節(jié)點(diǎn)都進(jìn)入睡眠狀態(tài)，但是簇頭節(jié)點(diǎn)并不做任何數(shù)據(jù)匯聚或融合工作。GAF算法既關(guān)掉網(wǎng)絡(luò)中不必要的節(jié)點(diǎn)節(jié)省能量，又可以達(dá)到延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存期的目的。具體實(shí)現(xiàn)：當(dāng)劃分好固定的虛擬網(wǎng)格之后，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)利用GPS接受卡指示的位置信息將節(jié)點(diǎn)本身與虛擬網(wǎng)格中某個(gè)點(diǎn)關(guān)聯(lián)映射起來(lái)。網(wǎng)格上同一個(gè)點(diǎn)關(guān)聯(lián)的節(jié)點(diǎn)對(duì)分組路由的代價(jià)是等價(jià)的，因而可以使某個(gè)特定網(wǎng)格區(qū)域的一些節(jié)點(diǎn)睡眠，且隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加可以極大地提高網(wǎng)絡(luò)的壽命，在可擴(kuò)展性上有很好的表現(xiàn)?？傊?，通過(guò)對(duì)廣播式路由協(xié)議、坐標(biāo)式路由協(xié)議和分簇式路由協(xié)議等三類協(xié)議的分析，每個(gè)協(xié)議在其設(shè)計(jì)的時(shí)候都有各自的側(cè)重點(diǎn)和最優(yōu)的方面，按照衡量標(biāo)準(zhǔn)可以將以上協(xié)議做簡(jiǎn)略的比較并找出相對(duì)較好的一類協(xié)議。其中，如何提供有效的節(jié)能，即能量有效性是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議最關(guān)注的方面，可擴(kuò)展性和魯棒性是路由協(xié)議應(yīng)該滿足的基本要求，而快速收斂性和網(wǎng)絡(luò)存在的時(shí)間有緊密的聯(lián)系。依據(jù)上述四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，可見(jiàn)，廣播式路由協(xié)議總是存在一種矛盾，當(dāng)具有好的擴(kuò)展性時(shí)勢(shì)必以差的魯棒性和能量高效為代價(jià)，即以犧牲魯棒性換取擴(kuò)展性和高能量，這同時(shí)也嚴(yán)重影響了節(jié)點(diǎn)的快速收斂性。而坐標(biāo)式路由協(xié)議彌補(bǔ)了廣播式路由協(xié)議的不足，可以同時(shí)達(dá)到四個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)。分簇式路由協(xié)議相對(duì)于前兩種方式來(lái)說(shuō)，具備了較好的性能，可以滿足人們對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的一般要求。所以，以能量高效、可擴(kuò)展性、魯棒性和快速收斂性四個(gè)基本標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量路由協(xié)議，分簇式路由協(xié)議是最佳的選擇。6.5無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)目前研究的難點(diǎn)涉及通信、組網(wǎng)、管理、分布式信息處理等多個(gè)方面。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用前景，但是也面臨很多的關(guān)鍵技術(shù)需要解決。下面列出部分關(guān)鍵技術(shù)。

1．網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾頍o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是自組織網(wǎng)絡(luò)(無(wú)網(wǎng)絡(luò)中心，在不同條件下可自行組成不同的網(wǎng)絡(luò))，如果有一個(gè)很好的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂乒芾頇C(jī)制，對(duì)于提高路由協(xié)議和MAC協(xié)議效率是很有幫助的，而且有利于延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。目前這個(gè)方面主要的研究方向是在滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋度和連通度的情況下，通過(guò)選擇路由路徑，生成一個(gè)能高效地轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。拓?fù)淇刂品譃楣?jié)點(diǎn)功率控制和層次型拓?fù)淇刂?。?jié)點(diǎn)功率控制是控制每個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，均衡節(jié)點(diǎn)單跳可達(dá)的鄰居數(shù)目。而層次型拓?fù)淇刂撇捎梅执貦C(jī)制，有一些節(jié)點(diǎn)作為簇頭，它將作為一個(gè)簇的中心，簇內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)都要通過(guò)它來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)。

2．網(wǎng)絡(luò)協(xié)議因?yàn)閭鞲衅鞴?jié)點(diǎn)的計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力、通信能力和攜帶的能量有限，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都只能獲得局部網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?，在?jié)點(diǎn)上運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議也要盡可能的簡(jiǎn)單。目前研究的重點(diǎn)主要集中在網(wǎng)絡(luò)層和MAC層上。網(wǎng)絡(luò)層的路由協(xié)議主要控制信息的傳輸路徑。好的路由協(xié)議不但能考慮到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的能耗，還要能夠關(guān)心整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能耗均衡，使得網(wǎng)絡(luò)的壽命盡可能地保持的長(zhǎng)一些。目前已經(jīng)提出了一些比較好的路由機(jī)制。

MAC層協(xié)議主要控制介質(zhì)訪問(wèn)，控制節(jié)點(diǎn)通信過(guò)程和工作模式。設(shè)計(jì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC層協(xié)議首先要考慮的是節(jié)省能量和可擴(kuò)展性，其次要考慮的是公平性和帶寬利用率。由于能量消耗主要發(fā)生在空閑監(jiān)聽(tīng)、碰撞重傳和接收到不需要的數(shù)據(jù)等方面，MAC層協(xié)議的研究也主要體現(xiàn)在如何減少上述三種情況，從而降低能量消耗，以延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn)壽命

3．網(wǎng)絡(luò)安全無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)除了考慮上面提出的兩個(gè)方面的問(wèn)題外，還要考慮到數(shù)據(jù)的安全性，這主要從兩個(gè)方面考慮。一個(gè)方面是從維護(hù)路由安全的角度出發(fā)，尋找盡可能安全的路由，以保證網(wǎng)絡(luò)的安全。如果路由協(xié)議被破壞導(dǎo)致傳送的消息被篡改，那么對(duì)于應(yīng)用層上的數(shù)據(jù)包來(lái)說(shuō)沒(méi)有任何的安全性可言。有人已提出了一種叫“有安全意識(shí)的路由”的方法，其思想是找出真實(shí)值和節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系，然后利用這些真實(shí)值來(lái)生成安全的路由。另一方面是把重點(diǎn)放在安全協(xié)議方面，在此領(lǐng)域也出現(xiàn)了大量研究成果。在具體的技術(shù)實(shí)現(xiàn)上，先假定基站總是正常工作的，并且總是安全的，滿足必要的計(jì)算速度、存儲(chǔ)器容量，基站功率滿足加密和路由的要求；通信模式是點(diǎn)到點(diǎn)，通過(guò)端到端的加密保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?；射頻層正常工作。基于以上前提，典型的安全問(wèn)題可以總結(jié)為：信息被非法用戶截獲、一個(gè)節(jié)點(diǎn)遭破壞、識(shí)別偽節(jié)點(diǎn)和如何向已有傳感器網(wǎng)絡(luò)添加合法的節(jié)點(diǎn)等四個(gè)方面。

4．定位技術(shù)位置信息是傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)中不可或缺的一部分，沒(méi)有位置信息的監(jiān)測(cè)消息可能毫無(wú)意義。節(jié)點(diǎn)定位就是確定傳感器的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置或絕對(duì)位置。節(jié)點(diǎn)定位在軍事偵察、環(huán)境檢測(cè)、緊急救援等應(yīng)用中尤其重要。節(jié)點(diǎn)定位分為集中定位方式和分布定位方式。定位機(jī)制也必須要滿足自組織性、魯棒性、能量高效和分布式計(jì)算等要求。定位技術(shù)主要有基于距離的定位和與距離無(wú)關(guān)的定位兩種方式。其中基于距離的定位對(duì)硬件要求比較高，通常精度也比較高。與距離無(wú)關(guān)的定位對(duì)硬件要求較小，受環(huán)境因素的影響也較小，雖然誤差較大，但是其精度已經(jīng)足夠滿足大多數(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的要求，所以這種定位技術(shù)是研究的重點(diǎn)。

5．時(shí)間同步技術(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的通信協(xié)議和應(yīng)用，比如基于TDMA的MAC協(xié)議和敏感時(shí)間的監(jiān)測(cè)任務(wù)等，要求節(jié)點(diǎn)間的時(shí)鐘必須保持同步。J.Elson和D.Estrin曾提出了一種簡(jiǎn)單、實(shí)用的同步策略。其基本思想是，節(jié)點(diǎn)以自己的時(shí)鐘記錄事件，隨后用第三方廣播的基準(zhǔn)時(shí)間加以校正，精度依賴于對(duì)這段間隔時(shí)間的測(cè)量。這種同步機(jī)制應(yīng)用在確定來(lái)自不同節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)事件的先后關(guān)系時(shí)有足夠的精度。設(shè)計(jì)高精度的時(shí)鐘同步機(jī)制是傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和應(yīng)用中的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。普遍認(rèn)為，考慮精簡(jiǎn)NTP(NetworkTimeProtocol)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，將其移植到傳感器網(wǎng)絡(luò)中來(lái)應(yīng)該是一個(gè)有價(jià)值的研究課題。

6．?dāng)?shù)據(jù)融合傳感器網(wǎng)絡(luò)為了有效地節(jié)省能量，可以在傳感器節(jié)點(diǎn)收集數(shù)據(jù)的過(guò)程中，利用本地計(jì)算和存儲(chǔ)能力將數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，取出冗余信息，從而達(dá)到節(jié)省能量的目的。數(shù)據(jù)融合可以在多個(gè)層次中進(jìn)行。在應(yīng)用層中，可以應(yīng)用分布式數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，達(dá)到融合效果。在網(wǎng)絡(luò)層中，很多路由協(xié)議結(jié)合了數(shù)據(jù)融合技術(shù)，以減少數(shù)據(jù)的傳輸量。MAC層也能通過(guò)減少發(fā)送沖突和頭部開(kāi)銷來(lái)達(dá)到節(jié)省能量的目的。當(dāng)然，數(shù)據(jù)融合是以犧牲延時(shí)等代價(jià)來(lái)?yè)Q取能量的節(jié)約的。

6.6無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)6.6.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求

1．系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原則無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的載波媒體可能的選擇包括紅外線、激光和無(wú)線電波。為了提高網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境適應(yīng)性，所選擇的傳輸媒體應(yīng)該是在多數(shù)地區(qū)內(nèi)都可以使用的。紅外線的使用不需要申請(qǐng)頻段，不會(huì)受到電磁信號(hào)干擾，而且紅外線收發(fā)器價(jià)格便宜。激光通信保密性強(qiáng)、速度快。但是紅外線和激光通信的一個(gè)共同問(wèn)題是要求發(fā)送器和接收器在視線范圍之內(nèi)，這對(duì)于節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，難以實(shí)現(xiàn)，因而使用受到了限制。在國(guó)外已經(jīng)建立起來(lái)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，多數(shù)傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)基于射頻電路。由于使用9.2MHz、2.4GHz及5.8GHz的ISM頻段不需要向無(wú)線電管理部門申請(qǐng)，所以很多系統(tǒng)采用ISM頻段作為載波頻率。節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法主要有兩種：一種是利用市場(chǎng)上可以獲得的商業(yè)元器件構(gòu)建傳感器節(jié)點(diǎn)，如圍繞TinyOS項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的系列硬件平臺(tái)；另一種是采用MEMS(微機(jī)電與微系統(tǒng))和集成電路技術(shù)，設(shè)計(jì)包含微處理器、通信電路、傳感器等模塊的高度集成化傳感器節(jié)點(diǎn)，如智能塵埃(SmartDust)、無(wú)線集成網(wǎng)絡(luò)傳感器(WINS)等。下面通過(guò)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的制作工藝及各種不同場(chǎng)合下的應(yīng)用分析，總結(jié)了幾個(gè)方面的基本設(shè)計(jì)原則。

(1)節(jié)能是傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)最主要的問(wèn)題。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)要部署在人們無(wú)法接近的場(chǎng)所，而且不常更換供電設(shè)備，對(duì)節(jié)點(diǎn)功耗要求就非常嚴(yán)格。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)采用合理的能量監(jiān)測(cè)與控制機(jī)制，功耗要限制在幾十毫瓦甚至更低數(shù)量級(jí)。

(2)成本的高低是衡量傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)好壞的重要指標(biāo)。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通常大量散布，只有低成本才能保證節(jié)點(diǎn)廣泛使用。這就要求無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)不能特別復(fù)雜，否則不利于降低成本。

(3)微型化是傳感器網(wǎng)絡(luò)追求的終極目標(biāo)。只有節(jié)點(diǎn)本身足夠小，才能保證不影響目標(biāo)系統(tǒng)環(huán)境；另外，在戰(zhàn)爭(zhēng)偵查等特定用途的環(huán)境下，微型化更是首先考慮的問(wèn)題之一。

(4)可擴(kuò)展性也是設(shè)計(jì)中必須考慮的問(wèn)題。節(jié)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)在具備通用處理器和通信模塊的基礎(chǔ)上擁有完整、規(guī)范的外部接口，以適應(yīng)不同的組件。

2．WSN路由協(xié)議設(shè)計(jì)要求對(duì)于傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)與通信需求，網(wǎng)絡(luò)層需要解決通過(guò)局部信息來(lái)決策并優(yōu)化全局行為(路由生成與路由選擇)的問(wèn)題，其協(xié)議設(shè)計(jì)非常具有挑戰(zhàn)性。在設(shè)計(jì)過(guò)程中需主要考慮的因素有節(jié)能(EnergyEfficiency)、可擴(kuò)展性(Scalability)、傳輸延遲(Latency)、容錯(cuò)性(FaultTolerance)、精確度(Accuracy)和服務(wù)質(zhì)量(QoS)等。由于WSN資源有限且與應(yīng)用緊密相關(guān)，應(yīng)該采用多種策略來(lái)設(shè)計(jì)路由協(xié)議。根據(jù)上述因素的考慮和對(duì)當(dāng)前的各種路由協(xié)議的分析，在WSN路由協(xié)議設(shè)計(jì)時(shí)一般應(yīng)遵循以下一些設(shè)計(jì)原則：

(1)健壯性：是路由協(xié)議應(yīng)具備的基本特征。在WSN中，由于能量限制、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)頻繁變化和環(huán)境等因素的干擾，WSN節(jié)點(diǎn)易發(fā)生故障，因此應(yīng)盡量利用節(jié)點(diǎn)易獲得的網(wǎng)絡(luò)信息計(jì)算路由，以確保在路由出現(xiàn)故障時(shí)能夠盡快得到恢復(fù)，還可以采用多路徑傳輸來(lái)提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。路由協(xié)議具有健壯性可以保證部分傳感器節(jié)點(diǎn)的損壞不會(huì)影響到全局任務(wù)。

(2)減少通信量來(lái)降低能耗：由于WSN中數(shù)據(jù)通信最為耗能，因此應(yīng)在協(xié)議中盡量減少數(shù)據(jù)通信量。例如，可在數(shù)據(jù)查詢或數(shù)據(jù)上報(bào)中采用某種過(guò)濾機(jī)制，抑制節(jié)點(diǎn)傳輸不必要的數(shù)據(jù)；采用數(shù)據(jù)融合機(jī)制，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊ink點(diǎn)前就完成可能的數(shù)據(jù)計(jì)算。

(3)保持通信量負(fù)載平衡：通過(guò)更加靈活地使用路由策略讓各個(gè)節(jié)點(diǎn)分擔(dān)數(shù)據(jù)傳輸，平衡節(jié)點(diǎn)的剩余能量，提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。例如，可在層次路由中采用動(dòng)態(tài)簇頭；在路由選擇中采用隨機(jī)路由而非穩(wěn)定路由；在路徑選擇中考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量等。

(4)路由協(xié)議應(yīng)具有安全機(jī)制：由于WSN的固有特性，路由協(xié)議通過(guò)廣播多跳的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，其路由協(xié)議極易受到安全威脅，攻擊者對(duì)未受到保護(hù)的路由信息可進(jìn)行各種形式的攻擊。傳統(tǒng)Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)的安全通信大多是基于公鑰密碼，但公鑰密碼的通信開(kāi)銷較大，不適合在資源受限的WSN中使用。

(5)可擴(kuò)展性：隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，網(wǎng)絡(luò)的存活時(shí)間和處理能力增強(qiáng)，路由協(xié)議的可擴(kuò)展性可以有效地融合新增節(jié)點(diǎn)，使它們參與到全局的應(yīng)用中。

3．評(píng)價(jià)指標(biāo)體系在系統(tǒng)一級(jí)，主要的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括采樣效率和壽命、應(yīng)用空間覆蓋性、響應(yīng)時(shí)間和時(shí)間精度、易實(shí)施性和成本、安全性等。節(jié)點(diǎn)一級(jí)主要評(píng)價(jià)指標(biāo)包括功耗、靈活性、魯棒性、安全性、計(jì)算和通信能力、同步性能，以及成本和體積等，其中功耗和通信能力是決定性的指標(biāo)。下面對(duì)幾個(gè)主要的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)作簡(jiǎn)要說(shuō)明。

(1)能源有效性：指該網(wǎng)絡(luò)在有限的能源條件下能夠處理的請(qǐng)求數(shù)量。能源有效性是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要性能指標(biāo)。

(2)生命周期：指從網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)到不能為觀察者提供需要的信息為止所持續(xù)的時(shí)間。

(3)時(shí)間延遲：指當(dāng)觀察者發(fā)出請(qǐng)求到其接收到回答信息所需要的時(shí)間。

(4)感知精度：指觀察者接收到的感知信息的精度。傳感器的精度、信息處理方法和網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議等都對(duì)感知精度有所影響。

(5)容錯(cuò)性：由于環(huán)境或其他原因，維護(hù)或替換失效節(jié)點(diǎn)是十分困難的，因此WSN的軟、硬件必須具有很強(qiáng)的容錯(cuò)性，以保證系統(tǒng)具有高強(qiáng)壯性。

(6)可擴(kuò)展性：表現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)數(shù)量、網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域、生命周期、時(shí)間延遲、感知精度等方面的可擴(kuò)展極限。給定可擴(kuò)展性級(jí)別，傳感器網(wǎng)絡(luò)必須提供支持該可擴(kuò)展性級(jí)別的機(jī)制和方法。6.6.2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)方法無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)一般通過(guò)電池供電，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通信帶寬小，點(diǎn)到點(diǎn)的通信距離短，所以工作時(shí)間有限及通信距離短成為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)主要瓶頸。下面詳細(xì)介紹無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)方法。

1．系統(tǒng)總體方案系統(tǒng)由基站節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)組成。節(jié)點(diǎn)硬件主要包括七部分：處理器(MSP430F149)、Si4432射頻收發(fā)模塊、電源管理模塊、串口通信模塊、JITAG下載模塊、傳感器接口模塊和EEPROM存儲(chǔ)模塊?；竟?jié)點(diǎn)沒(méi)有傳感器模塊，傳感器節(jié)點(diǎn)沒(méi)有串口通信模塊?；竟?jié)點(diǎn)由上位機(jī)USB接口供電。傳感器節(jié)點(diǎn)使用2節(jié)5號(hào)電池供電。采用TPS61200作為電源管理器，只要電池電壓在0.2V～5V范圍內(nèi)，系統(tǒng)即可以正常工作，大大地延長(zhǎng)了電池的使用時(shí)間。為了調(diào)試方便，在節(jié)點(diǎn)上增加了撥碼開(kāi)關(guān)和LED信號(hào)指示燈。整個(gè)系統(tǒng)軟件由上位機(jī)處理軟件、基站節(jié)點(diǎn)軟件、傳感器節(jié)點(diǎn)軟件三部分組成。在傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)上充分考慮了低功耗節(jié)能問(wèn)題，因?yàn)樗哪芰恐饕挠跓o(wú)線射頻模塊，因此在組網(wǎng)時(shí)盡量使Si4432的輸出能量設(shè)定為最小，且在沒(méi)有收發(fā)信息時(shí)工作在睡眠模式，即等待喚醒模式。

2．自組織協(xié)議設(shè)計(jì)在協(xié)議中，通過(guò)定義數(shù)據(jù)包的格式和關(guān)鍵字來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的自組織。

1)協(xié)議格式自組織協(xié)議格式如圖6.8所示。其中：Pre表示前導(dǎo)碼，這些字符雜波不容易產(chǎn)生，通過(guò)測(cè)試和試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，噪聲中不容易產(chǎn)生0x55和0xAA等非常有規(guī)律的信號(hào)，因此前導(dǎo)碼采用0x55AA；Sync表示同步字，在前導(dǎo)碼之后，本系統(tǒng)設(shè)定的同步字為2B，同步字內(nèi)容為0x2DD4，接收端在檢測(cè)到同步字后才開(kāi)始接收數(shù)據(jù)；

Key表示關(guān)鍵字，高6位用來(lái)表示目標(biāo)地址的級(jí)別，接收節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)高6位決定數(shù)據(jù)的去向(比本級(jí)節(jié)點(diǎn)大則向下級(jí)節(jié)點(diǎn)傳，小則反之，如果相等則判斷目標(biāo)地址是否為本節(jié)點(diǎn)地址，是則直接向目標(biāo)表地址發(fā)送，否則向上級(jí)發(fā)送節(jié)點(diǎn)回復(fù)重發(fā)應(yīng)答)，低2位用來(lái)區(qū)分各種情況下的數(shù)據(jù)(命令信號(hào)、組網(wǎng)信息、采集信息、廣播信息)，接收節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)這些關(guān)鍵字低2位分別進(jìn)入不同的數(shù)據(jù)處理單元；From表示源地址，是發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)地址；

Mid表示接收信息的中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)地址；Fina表示數(shù)據(jù)的目標(biāo)地址，除廣播信息外，每個(gè)信息都有唯一的源地址和目標(biāo)地址；Data表示有效數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)隨著關(guān)鍵字(Key)的不同而采用不同的格式，可攜帶不同的信息；Che表示檢驗(yàn)位，說(shuō)明采用何種校驗(yàn)方式(校驗(yàn)和還是CRC校驗(yàn))，可避免接收錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)包；Flag表示數(shù)據(jù)包的結(jié)束標(biāo)志位。Si4432內(nèi)部集成有調(diào)制/解調(diào)、編碼/解碼等功能，Pre、Sync和Che都是硬件自動(dòng)加上去的，用戶只需設(shè)定數(shù)據(jù)包的組成結(jié)構(gòu)和部分結(jié)構(gòu)的具體內(nèi)容(如前導(dǎo)碼和同步字)。圖6.8自組織協(xié)議格式

2)自組織算法網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)基站和若干個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成，基站上電初始化后就馬上進(jìn)入低功耗狀態(tài)(Si4432射頻模塊處于睡眠狀態(tài))；傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)地部署在需要采集信息的區(qū)域內(nèi)，上電初始化后開(kāi)始組網(wǎng)。首先發(fā)送請(qǐng)求基站分配級(jí)別命令，若收到基站應(yīng)答，則定義為一級(jí)并把自身信息(包括地址、級(jí)別等)發(fā)給基站；反之，若發(fā)送次數(shù)達(dá)到設(shè)定值，則向周圍節(jié)點(diǎn)發(fā)送廣播信號(hào)，通過(guò)周圍節(jié)點(diǎn)應(yīng)答信息整理得出自身的網(wǎng)絡(luò)級(jí)別，并向周圍節(jié)點(diǎn)及基站發(fā)送自身信息。如果還是未能分配到級(jí)別，則延時(shí)等待其他節(jié)點(diǎn)分配好級(jí)別后重新請(qǐng)求入網(wǎng)。每個(gè)入網(wǎng)的傳感器節(jié)點(diǎn)都保存有周圍節(jié)點(diǎn)(上級(jí)、同級(jí)、下級(jí)節(jié)點(diǎn))信息(級(jí)別及對(duì)應(yīng)的地址)，最后就形成了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。自組織算法流程圖如圖6.9所示。圖6.9自組織算法流程圖

3．節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)要求低功耗、體積小，因此選用的芯片都是集成度高、功耗低、體積小的芯片，其他器件基本上采用貼片封裝。節(jié)點(diǎn)硬件框圖如圖6.10所示。本設(shè)計(jì)中MCU采用TI公司生產(chǎn)的一種混合信號(hào)處理器MSP430F149，其內(nèi)部資源豐富，具有兩個(gè)16位定時(shí)器、一個(gè)14路的12bit的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、六組I/O、一個(gè)看門狗、兩路USART通信端口等，因此節(jié)點(diǎn)的外部電路非常簡(jiǎn)單，并且還具有功耗超低的突出特點(diǎn)，當(dāng)工作頻率為1MHz、電壓為2.2V時(shí)全速工作電流僅為280μA，待機(jī)狀態(tài)下電流低至1.6μA。它的工作電壓范圍為1.8V～3.6V，非常適合用于電池供電的節(jié)能系統(tǒng)中。

Si4432芯片是SiliconLabs公司推出的一款高集成度、低功耗、寬頻帶EZRadioPRO系列無(wú)線收發(fā)芯片。其工作電壓為1.8V～3.6V，工作頻率范圍為240MHz～930MHz；內(nèi)部集成分集式天線、功率放大器、喚醒定時(shí)器、數(shù)字調(diào)制解調(diào)器、64B的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)FIFO，以及可配置的GPIO等。Si4432在使用時(shí)所需的外部元件很少，一個(gè)30MHz的晶振、幾個(gè)電容和電感就可組成一個(gè)高可靠性的收發(fā)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本低，而且預(yù)留了大量外接傳感器接口，外接傳感器的信號(hào)能以中斷方式喚醒節(jié)點(diǎn)。圖6.10節(jié)點(diǎn)硬件框圖

4．系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)注重低功耗、數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)性、系統(tǒng)穩(wěn)健性及可靠性。在低功耗設(shè)計(jì)中采用智能控制策略，讓系統(tǒng)需要工作時(shí)處于全速工作模式，其他時(shí)刻處于低功耗模式。在數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)中關(guān)鍵是路由的選擇，主要依據(jù)跳數(shù)最少路徑最短原則(兼顧能量?jī)?yōu)先原則)。在系統(tǒng)穩(wěn)健性設(shè)計(jì)中，當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)因能量耗盡或其他原因不能工作或者有新的傳感器節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)會(huì)馬上重新組網(wǎng)，形成新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)中采用看門狗等技術(shù)增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖6.11所示。圖6.11系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

1)基站節(jié)點(diǎn)軟件基站節(jié)點(diǎn)通過(guò)上位機(jī)USB供電，所以一直工作在全速狀態(tài)，加快了對(duì)外部的響應(yīng)速度。上電初始化后，根據(jù)中斷程序中的標(biāo)志位值對(duì)獲得的信息進(jìn)行相應(yīng)處理，處理完后把標(biāo)志位置0，循環(huán)執(zhí)行此操作?；竟?jié)點(diǎn)通過(guò)串口與上位機(jī)相連，因此外部事件包括串口中斷事件和接收到數(shù)據(jù)中斷事件。為了防止串口通信過(guò)程中丟失數(shù)據(jù)，軟件設(shè)計(jì)上加了握手協(xié)議。當(dāng)基站節(jié)點(diǎn)每發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包給上位機(jī)時(shí)，上位機(jī)就會(huì)向基站節(jié)點(diǎn)發(fā)送應(yīng)答信號(hào)，直到數(shù)據(jù)包發(fā)送給上位機(jī)。上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)包后，馬上進(jìn)入中斷處理，處理完后把相應(yīng)標(biāo)志位置1，通過(guò)主程序做進(jìn)一步處理。

2)傳感器節(jié)點(diǎn)軟件傳感器節(jié)點(diǎn)主程序主要是實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)上電初始化后設(shè)定發(fā)射功率為最小，請(qǐng)求入網(wǎng)。如果入網(wǎng)不成功，則加大發(fā)射功率，繼續(xù)請(qǐng)求入網(wǎng)。經(jīng)試驗(yàn)證實(shí)，發(fā)射功率越小，電池的使用壽命越長(zhǎng)。入網(wǎng)成功后，保存入網(wǎng)信息，并馬上進(jìn)入低功耗狀態(tài)，同時(shí)使用外部接收數(shù)據(jù)中斷和定時(shí)器中斷。程序流程圖分別如圖6.12和圖6.13所示。數(shù)據(jù)發(fā)送放在定時(shí)中斷程序里完成。

圖6.12接收數(shù)據(jù)中斷圖6.13定時(shí)器中斷流程當(dāng)多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)爭(zhēng)搶信道的現(xiàn)象。為了避免多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)同時(shí)與某個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)通信造成數(shù)據(jù)丟失，軟件上采用一定的退避機(jī)制。一方面，利用射頻芯片Si4432的載波監(jiān)聽(tīng)信號(hào)來(lái)產(chǎn)生隨機(jī)延時(shí)，以避免同時(shí)發(fā)送信號(hào)；另一方面，當(dāng)一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)與某個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)建立了通信通道時(shí)，其他發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)會(huì)增加發(fā)射數(shù)據(jù)的次數(shù)。

3)上位機(jī)軟件上位機(jī)的主要功能有發(fā)送重組網(wǎng)命令、向任意傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送采集信息命令、建立良好的人機(jī)界面用于觀察傳感器采集來(lái)的信息、幫助基站節(jié)點(diǎn)處理數(shù)據(jù)以減輕基站的負(fù)擔(dān)等。采用MSP430F149作為處理器，Si4432作為無(wú)線收發(fā)器，利用它們的高集成度、超低功耗等優(yōu)勢(shì)設(shè)計(jì)了一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)上電后會(huì)自行組網(wǎng)，即當(dāng)向網(wǎng)絡(luò)加入新節(jié)點(diǎn)或移除某個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)重新組網(wǎng)，并且不會(huì)對(duì)系統(tǒng)通信產(chǎn)生毀壞性影響。系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)最多可達(dá)256個(gè)，覆蓋范圍廣。Si4432的緩沖寄存器為64KB，一次性可發(fā)送/接收信息量為62KB?；竟?jié)點(diǎn)通過(guò)串口跟上位機(jī)相連，在上位機(jī)建立良好的人機(jī)界面可以觀察每個(gè)傳感器采集來(lái)的信息，并且可以控制每個(gè)節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)。本系統(tǒng)已在實(shí)際中成功應(yīng)用。6.6.3車載無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1．系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案本系統(tǒng)在現(xiàn)有的車載系統(tǒng)上，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞綌U(kuò)展為無(wú)線傳輸方式，實(shí)現(xiàn)一個(gè)星形網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本系統(tǒng)能分別將各個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)所獲得的數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)通過(guò)串口將數(shù)據(jù)上傳到主機(jī)上，在主機(jī)中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)波形顯示，并以數(shù)據(jù)庫(kù)的方式加以保存，供后續(xù)數(shù)據(jù)處理。該采集系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)象由溫度傳感器、油壓傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、速度傳感器、電流傳感器、壓力傳感器等傳感器子系統(tǒng)所組成。這樣設(shè)計(jì)的目的是用一個(gè)監(jiān)控主機(jī)端來(lái)檢測(cè)多個(gè)待測(cè)目標(biāo)環(huán)境，考慮到接入的數(shù)據(jù)吞吐量和軟件系統(tǒng)的復(fù)雜程度，采用時(shí)分復(fù)用的方式，逐個(gè)對(duì)網(wǎng)內(nèi)的終端采集點(diǎn)進(jìn)行控制采集。如圖6.14所示，該車載系統(tǒng)分三個(gè)部分：車載監(jiān)控中心、車載網(wǎng)關(guān)和車載傳感器節(jié)點(diǎn)。車載網(wǎng)關(guān)是整個(gè)車載系統(tǒng)的核心，可以和所有的車載傳感器節(jié)點(diǎn)通信。車載監(jiān)控中心可以向車載網(wǎng)關(guān)發(fā)出控制命令，由車載網(wǎng)關(guān)將控制命令轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào)后發(fā)送給車載傳感器節(jié)點(diǎn)。當(dāng)車載傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，車載網(wǎng)關(guān)進(jìn)入數(shù)據(jù)接收狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)上傳到車載監(jiān)控中心做進(jìn)一步處理。此外，車載傳感器節(jié)點(diǎn)之間不能互相通信。車載監(jiān)控中心的監(jiān)控軟件與車載網(wǎng)關(guān)之間以RS-232的接口標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通信。圖6.14系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖車載傳感器節(jié)點(diǎn)的生命周期由活躍期和休眠期構(gòu)成。節(jié)點(diǎn)在活躍期完成數(shù)據(jù)采集，向車載網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)，接收并執(zhí)行車載網(wǎng)關(guān)命令；在休眠期關(guān)閉無(wú)線射頻模塊以節(jié)省能量，直到下一個(gè)活躍期來(lái)臨。系統(tǒng)通過(guò)這種休眠機(jī)制來(lái)減少系統(tǒng)的能量消耗，延長(zhǎng)系統(tǒng)整體壽命。本系統(tǒng)用PC作為監(jiān)控中心，PC上的監(jiān)控軟件在VB環(huán)境下開(kāi)發(fā)，是一個(gè)基于對(duì)話框的應(yīng)用軟件。為了提高通信傳輸模塊的智能化水平，在設(shè)計(jì)中，它的功能不限于數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，所有的數(shù)據(jù)采集由