無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議研究論文.doc

目錄摘要IAbstractII第一章 前言11.1 研究目的和意義11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.3 研究內(nèi)容1第二章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)22.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其特點22.2 無線傳感器的拓撲結(jié)構(gòu)32.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用4第三章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議概述6第四章 路由協(xié)議84.1路由協(xié)議的分類84.2典型路由協(xié)議的比較134.2路由協(xié)議下一步研究方向14第五章 MAC協(xié)議155.1 MAC協(xié)議研究進展155.2 MAC協(xié)議的主要問題155.3 MAC協(xié)議的分類185.4 MAC協(xié)議的分析和比較185.5 MAC協(xié)議下一步研究方向27第六章 總結(jié)和展望28致謝錯誤！未定義書簽。參考文獻30摘要隨著無線通信技術(shù)、低功耗處理器和芯片集成工藝的飛速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運而生了。由于其成本低、適應(yīng)性強，功能強大等特點，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSNs）在軍事、環(huán)保、生產(chǎn)、醫(yī)藥和智能空間等領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景，其通信協(xié)議研究面臨許多新的挑戰(zhàn)。本文著重分析了路由協(xié)議和MAC協(xié)議兩大網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的分類，并提出未來的研究方向。 關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通信協(xié)議，路由協(xié)議，MAC協(xié)議AbstractWith the rapid development of radio technologies,low energetic consumption processor and chip integrated technology, wireless sensor networks emerge. Due to its low cost, good adaptability, powerful function, wireless sensor networks have wide and will be applied in many fields such as prospect, military,environmental protection, production, medicine, intellectual space, and so on.The communication protocol faces a lot of new challenges.This essay emphatically routing protocol and MAC(medium access control) protocol among the communication protocol,and raises research direction in the future.Key words：wireless sensor networks，communication protocol，routing protocol，MAC(medium access control) protocol第一章 前言1.1 研究目的和意義隨著通信技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)和傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展和日益成熟，人們研制出了各種具有感知能力、計算能力和通信能力的微型傳感器。由許多微型傳感器構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSNs (wireless sensor networks)引起了人們的極大關(guān)注。WSNs綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和通信技術(shù)，能夠協(xié)作實時監(jiān)測、感知、采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對其進行處理，最終傳送給用戶。WSNs可以使人們在任何時間、任何地點和任何環(huán)境條件下獲取大量詳實可靠的物理世界的信息，并可以被廣泛應(yīng)用于國防軍事、國家安全、環(huán)境監(jiān)測、交通管理、醫(yī)療衛(wèi)生、制造業(yè)、反恐抗災(zāi)等領(lǐng)域。WSNs是信息感知和采集的一場革命，在新一代網(wǎng)絡(luò)中具有關(guān)鍵作用。美國商業(yè)周刊認為WSNs是全球未來四大高技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一，是21世紀世界最具有影響力的21項技術(shù)之一。MIT新技術(shù)評論認為，WSNs是改變世界的十大新技術(shù)之一。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀WSNs作為一種新的計算模式正在推動科技發(fā)展和社會進步，關(guān)系到國家經(jīng)濟和社會安全，已成為國際競爭的制高點，引起了世界各國軍事部門、工業(yè)界和學術(shù)界的極大關(guān)注。美國自然科學基金委員會2003年制定了WSNs研究計劃，投資3400萬美元支持相關(guān)基礎(chǔ)理論的研究。美國國防部和各軍事部門都對WSNs給予高度重視，把WSNs作為一個重要研究領(lǐng)域，設(shè)立了一系列的軍事WSNs研究項目。英特爾公司、微軟公司等信息工業(yè)界巨頭也紛紛設(shè)立或啟動相應(yīng)的行動計劃。世界很多國家都紛紛展開了該領(lǐng)域的研究工作。我國最近幾年也開始重視WSNs技術(shù)的研究。國家自然科學基金委員會資助了很多WSNs研究項目，包括重點項目和面上項目。在“中國未來20年技術(shù)預見研究”報告中，有7項技術(shù)課題直接論述了傳感器網(wǎng)絡(luò)。2006年初發(fā)布的國家中長期科學與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要為信息技術(shù)確定了3個前沿方向，其中有兩個與WSNs研究直接相關(guān)。1.3 研究內(nèi)容本課題在介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其特點的基礎(chǔ)上，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議進行研究。其中考慮到節(jié)能是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中最重要的方面，著重對影響能耗的網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議和數(shù)據(jù)鏈路層MAC協(xié)議進行了分析。第二章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其特點計算機網(wǎng)絡(luò)自產(chǎn)生之日起，尤其是上世紀90年代初的迅猛發(fā)展，使人們的生活發(fā)生了極大的改變。通信技術(shù)日新月異。近年來，無線通信更是大行其道，各種無線通信應(yīng)用層出不窮。無線通信和有線通信相比較，無需對網(wǎng)絡(luò)通信的物理通道進行配置，具有很大的靈活性，并節(jié)約了網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的成本，這使得它比有線通信具有更光明的前景。全球無線通信應(yīng)用的規(guī)模，將很快超過有線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的規(guī)模。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，芯片越做越小，功能卻越來越強。這為生產(chǎn)大量廉價的、體積很小的、具有多種功能的器件提供了保證。在無線通信技術(shù)及芯片制造技術(shù)的雙重作用下，同時伴隨著各種實際應(yīng)用的需求，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生也就很自然了。這是一種新型的無線通信架構(gòu)?，F(xiàn)在美國的UARPA和NSF都已經(jīng)設(shè)立了專項的基金對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究進行資助。美國的許多大學都有針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究小組，而其中又以UCB，UCLA，USC的研究最為領(lǐng)先。以前的監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)常是將少量的大功率的，具有很強數(shù)據(jù)分析能力的傳感裝置安放在離目標有一定距離的觀測點進行監(jiān)控，這樣獲得的數(shù)據(jù)很不準確，需要傳感裝置具有較強的處理分析能力，從混雜的信號中分析出有用的信息?，F(xiàn)在，可以將體積小、耗能少、造價低、但是功能卻很強的傳感器，高密度的分布在觀測區(qū)域，從而獲得全面的、精確度相當高的數(shù)據(jù)，這從根本上改變了傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的模式。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是由大量的能與物理環(huán)境進行交互，同時具有數(shù)據(jù)處理功能和無線通信功能的新型傳感器構(gòu)成的互連系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以完成復雜的監(jiān)控任務(wù)。這里的傳感器，并不是傳統(tǒng)意義上的單純的對物理信號進行感知并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的傳感器，它是將感應(yīng)模塊，數(shù)據(jù)處理模塊和無線通信模塊集成在一塊很小的物理單元上，功能比傳統(tǒng)的傳感器大了許多，不僅能夠?qū)Νh(huán)境信息進行感知，而且具有數(shù)據(jù)處理及無線通信的功能。將這類傳感器節(jié)點高密度的分散在某個環(huán)境里，通過無線通信進行連接，它們就從整體上構(gòu)成了一種特殊的網(wǎng)絡(luò)。每個節(jié)點都有自己控制的一個區(qū)域，通過感知設(shè)備，如聲學光學設(shè)備，化學分析裝置，電磁感應(yīng)裝置等，對它周圍的物理環(huán)境進行監(jiān)控，當然也可以通過配置一些功能單元來實現(xiàn)特定的與環(huán)境交互的功能。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點具有以下幾個特點：1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是通過無線方式連通的。無線的連接具有很強的靈活性，電磁波可以進行“無介質(zhì)傳輸”，它不需要有固定的事先建立好的節(jié)點之間的連接，而且即便網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的位置發(fā)生了變化，也不會太大的影響網(wǎng)絡(luò)的連通，適合于動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。最重要的一點是在很多復雜的環(huán)境下，根本無法事先建立節(jié)點之間的連接。比如說某些惡劣的自然環(huán)境里，生物無法生存，人類不能親自的深入到這些地方，只能通過飛機將大量的傳感器節(jié)點隨機的投放到監(jiān)控區(qū)。這時，無線通信方式是唯一可用的方式。2、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種分布式的傳感系統(tǒng)。通過在某一區(qū)域分散了大量的傳感器節(jié)點，各個節(jié)點對其附近的有限的區(qū)域進行觀測，全部的節(jié)點從整體上實現(xiàn)了對整個區(qū)域的監(jiān)控。一個區(qū)域的空間越大，它各個部分的環(huán)境信息的差異也會越咀顯，這時，單單依靠一兩個傳感器在少量的幾個點測得的環(huán)境信息根本不可能代表整個區(qū)域的情況。由于傳感器節(jié)點的成本相對來說比較低，可以安置大量的傳感器節(jié)點，使得它們覆蓋了被測區(qū)域的各個角落，這樣所獲得的信息綜合起來，就會比較精確的反映整個區(qū)域的情況。節(jié)點的冗余度越高，獲得信息的精確度也會越高。3、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過廣播的方式進行通信，不同于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的端到端的信息傳送。4、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該是一種自組織網(wǎng)絡(luò)。與傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)相比，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行人工干預的機會可能很少。很多情況下，比如說在復雜的環(huán)境里，無法對網(wǎng)絡(luò)進行人工的配置，這就需要各個節(jié)點可以相互協(xié)調(diào)建立之間的連接，完成網(wǎng)絡(luò)的初始化，啟動監(jiān)測的任務(wù)。而且由于各種不可預測的環(huán)境變化，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的分布，節(jié)點之間的連接情況，甚至網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的工作狀態(tài)都會發(fā)生不可知的變化。所有的這些，都要求無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有自我調(diào)節(jié)的能力，即各個傳感器節(jié)點能夠感知到網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化，通過相互協(xié)調(diào)，適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的這種動態(tài)性，維護應(yīng)用的正常運行。5、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對系統(tǒng)的能量以及帶寬資源的利用率要求很高。當傳感器節(jié)點被用于某個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用任務(wù)之后，幾乎沒有機會對它們的能量進行更新，各個節(jié)點所攜帶的電池的容量是有限的，是不可再生的資源，電能勢必將會慢慢的耗盡，系統(tǒng)將會失去工作能力。所以，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要高效的利用這些能量，以延長網(wǎng)絡(luò)的“生命”，完成更多的工作。6、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)為中心的。不同于傳統(tǒng)的具有中央控制節(jié)點的系統(tǒng)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)里并不是將各個節(jié)點的數(shù)據(jù)都傳送到中央節(jié)點統(tǒng)一處理。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)是高密度網(wǎng)絡(luò)，很多節(jié)點會探測同一個物理現(xiàn)象，因此傳感器節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)就會存在冗余。每個節(jié)點都有數(shù)據(jù)處理的能力，把來自多條路由的數(shù)據(jù)進行聚合，消除冗余，讓傳輸?shù)臄?shù)據(jù)最小化，從而達到節(jié)省能量的目的。2.2 無線傳感器的拓撲結(jié)構(gòu) 圖 2-1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)一傳統(tǒng)意義上的這種環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，大多采用c/s結(jié)構(gòu)的，即存在著一個主要的數(shù)據(jù)處理中心控制節(jié)點，其他的各個監(jiān)控點都和這個中心控制節(jié)點連接起來，所有的數(shù)據(jù)都直接傳送到該節(jié)點，進行集中的分析處理。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不同于這種傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)里各個節(jié)點的地位都是相同的，它們只與鄰近的節(jié)點進行通信。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所處的外部環(huán)境往往是復雜多變的，不是人類所能到達的，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所處各個節(jié)點能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化，自適應(yīng)的維護網(wǎng)絡(luò)的通信。網(wǎng)絡(luò)中的大量的節(jié)點協(xié)調(diào)工作，實現(xiàn)較高層次的對環(huán)境的監(jiān)控任務(wù)。圖2-1為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲圖，每個節(jié)點都對其附近的物理環(huán)境進行監(jiān)控，節(jié)點在無線通信可以的范圍內(nèi)，與它的鄰節(jié)點存在通信信道。實際中大量節(jié)點的控制范圍將會覆蓋整個區(qū)域。整個網(wǎng)絡(luò)可以對整個監(jiān)控區(qū)域進行復雜度很高的監(jiān)控任務(wù)。如上展示了目前大家比較認同的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)。大量的傳感器節(jié)點分布在監(jiān)控區(qū)域。用戶利用任務(wù)管理節(jié)點，經(jīng)過某些途徑，如Internet或衛(wèi)星通信等等，與傳感器節(jié)點中的某些節(jié)點（sink）建立連接。通過這些Sink節(jié)點，向傳感器集合發(fā)送監(jiān)控任務(wù)，并接受返回信息。所有的節(jié)點都有能力采集數(shù)據(jù)并采用多跳的路由方式將數(shù)據(jù)返回給Sink節(jié)點。采用多跳方式的最大理由主要是短距離的數(shù)據(jù)傳輸最能節(jié)省節(jié)點能量。 隨著研究的深入，許多學者對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由拓撲設(shè)計綜合考慮之后提出各種路由以及組網(wǎng)方案，研究證明單純多跳的方式未必是最佳的方式，要根據(jù)傳感器網(wǎng)絡(luò)的具體應(yīng)用，具體情況，譬如網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，節(jié)點分布等等因素綜合起來考慮。即傳感器節(jié)點收集的數(shù)據(jù)既可通過單跳方式直接傳送到 Sink 節(jié)點，也可通過多跳中繼方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳到Sink節(jié)點，或者通過上述介紹的本地數(shù)據(jù)收集節(jié)點傳送給Sink節(jié)點。最終借助長距離或臨時建立的Sink鏈路將整個區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到遠程中心進行集中處理。 例如圖2-2，監(jiān)測區(qū)域中被劃為分多個子控制區(qū)域，每個小區(qū)域中有一個本地處理節(jié)點，負責收集該控制區(qū)域節(jié)點的數(shù)據(jù)，再送往Sink節(jié)點。圖 2-2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)二2.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種基于特定應(yīng)用的系統(tǒng)，針對不同的應(yīng)用，要進行不同的系統(tǒng)設(shè)計。目前，實用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不是很多，還沒有一種統(tǒng)一的標準來定義無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)，畢竟，從這個概念的提出到現(xiàn)在，才僅僅幾年左右的時間。盡管如此，人們還是看到了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有廣闊的應(yīng)用前景。由于它的成本低，適應(yīng)性強，功能強大等特點，在軍事、環(huán)保、生產(chǎn)、醫(yī)藥、智能空間等領(lǐng)域都將大有用武之地。 在軍事領(lǐng)域，傳感器節(jié)點由于具有的體積小的特點，隱蔽性較強，可以通過一些方法，比如利用飛機進行投放，將大量的具有偵察功能的傳感器布置在敵軍的控制區(qū)域，來對敵軍的情況進行監(jiān)控。 在環(huán)保方面，可以利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來對某地區(qū)的環(huán)境數(shù)據(jù)進行采集，尤其是對于一些不適合生物生存，工作人員無法親臨進行觀察的區(qū)域，如高溫，高腐蝕，強烈的輻射等等不利的環(huán)境。比如，在被污染了的河流底部投放大量的具有化學分析功能的傳感器節(jié)點，來對河水的污染情況進行數(shù)據(jù)采集；可以在被懷疑受到核輻射污染的地區(qū)安放大量的傳感器，來對各個位置的輻射強度進行測量。 在對珍稀動物的保護方面，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也起到了很大的重用。比如可以利用飛機向充滿著未知危險的熱帶雨林投放大量的傳感器節(jié)點，這些節(jié)點都具有光學成像設(shè)備，并可以對某些珍惜物種進行識別，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，生物學家就可以無需進入危險的雨林，實現(xiàn)對珍稀物種的分布統(tǒng)計。在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，可以在生產(chǎn)線的各個環(huán)節(jié)安放傳感器節(jié)點來對整個生產(chǎn)線過程進行監(jiān)控。目前，人們研究的較多的是在“智能空間”方面的應(yīng)用。如“活動徽章系統(tǒng)”就體現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本思想。它通過在每個建筑物里安放大量的傳感器，這些節(jié)點構(gòu)成了一個監(jiān)控系統(tǒng)，而建筑物里的工作人員，每個人身上都佩戴了一個會周期性發(fā)送信號的徽章，傳感器節(jié)點能夠接收到這個徽章發(fā)送的信號。這樣，當大樓里的接待員要將某個電話轉(zhuǎn)接給某人時，就可以通過這個監(jiān)控系統(tǒng)來確定某人的具體位置，將電話轉(zhuǎn)接到離他最近的分機上?；顒愚k公室系統(tǒng)里，設(shè)定好的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)控物體定位在誤差很低?！耙苿硬∪讼到y(tǒng)”應(yīng)用于醫(yī)院中，能夠很好的監(jiān)控病人的活動，尤其對于病情突發(fā)性很強的病人，可以避免意外的發(fā)生。第三章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議概述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層上的協(xié)議。1、物理層物理層的研究主要涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用的物理媒體、頻段選擇以及調(diào)制方式。目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用的傳輸媒體主要有：無線電、紅外線、光波等。無線電傳輸是目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用的主流傳輸方式，需要解決的問題有：頻段選擇、節(jié)能的編碼方式、調(diào)制算法設(shè)計等。目前對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的研究迫切需要解決的問題有：在降低硬件成本方面需要研究集成化，全數(shù)字化、通用化的電路設(shè)計方法；在節(jié)能方面需要設(shè)計需要具有高數(shù)據(jù)率、低符號率的編碼、調(diào)制算法。2、數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層用于建立可靠的點到點或點到多點的通信鏈路，主要涉及媒介訪問控制(MAC)協(xié)議?，F(xiàn)有的蜂窩電話網(wǎng)絡(luò) Ad-hoc 網(wǎng)絡(luò)中的MAC協(xié)議主要關(guān)心如何滿足用戶的需求、節(jié)省帶寬資源以及如何在節(jié)點告訴移動的環(huán)境中建立彼此的連接，功耗是第二位的，這些協(xié)議并不適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。3、網(wǎng)絡(luò)層針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點與通信需求，國內(nèi)外科研人員設(shè)計了多種路由協(xié)議。從網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的角度可以分為兩類：平面路由協(xié)議和聚集型路由協(xié)議。同時對于無線的自組織的傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，網(wǎng)絡(luò)拓撲控制具有特別重要的意義，通過拓撲控制自動生成的良好的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，能夠提高路由協(xié)議和MAC協(xié)議的效率，可為數(shù)據(jù)融合、時間同步和目標定位等很多方面奠定基礎(chǔ)，有利于節(jié)省節(jié)點的能量來延長網(wǎng)絡(luò)的生存期。拓撲控制可以分為節(jié)點功率控制和層次性拓撲結(jié)構(gòu)形成兩個方面。除了傳統(tǒng)的功率控制和層次型拓撲控制，人們也提出了啟發(fā)式的節(jié)點喚醒和休眠機制。同時傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)動態(tài)變化，網(wǎng)絡(luò)資源也在不斷變化，這些都對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提出了更高的要求。傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議負責使各個獨立的節(jié)點形成一個收集數(shù)據(jù)并傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)，因而在網(wǎng)絡(luò)層相關(guān)技術(shù)的研究的同時，經(jīng)常將網(wǎng)絡(luò)拓撲設(shè)計以及網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議結(jié)合起來考慮進行研究。網(wǎng)絡(luò)拓撲決定了網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)層的路由協(xié)議決定監(jiān)測信息的傳輸路徑；數(shù)據(jù)鏈路層的介質(zhì)訪問控制用來構(gòu)建底層的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，控制傳感器節(jié)點的通信過程和工作模式。 4、傳輸層現(xiàn)階段對傳輸控制的研究主要集中于錯誤恢復機制。目前對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸控制的研究還很少，如何在拓撲結(jié)構(gòu)、信道質(zhì)量動態(tài)變化的條件下，為上層應(yīng)用提供節(jié)能，可靠、實時性高的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)是今后研究的重點。5、應(yīng)用層應(yīng)用層與具體應(yīng)用場合和環(huán)境密切相關(guān)，因此其設(shè)計不可能是通用的，必須針對具體應(yīng)用的需求進行設(shè)計。盡管如此，應(yīng)用層的主要任務(wù)是獲取數(shù)據(jù)并進行初步處理，這一點是共同的。以數(shù)據(jù)為中心和面向特定應(yīng)用的特點要求無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠脫離傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的尋址過程，快速有效地組織起各個節(jié)點的信息并融合提取出有用信息直接傳送給用戶。然而網(wǎng)絡(luò)節(jié)點實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集計算或傳輸功能，都需要消耗能量，所需消耗的能量和產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量、采樣頻率、傳感器類型以及應(yīng)用需求有關(guān)。同時，在短時間產(chǎn)生大數(shù)據(jù)量如果不加處理直接傳輸，會造成網(wǎng)絡(luò)擁塞，導致網(wǎng)絡(luò)壽命縮短。所以，考慮采用能效高的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和數(shù)據(jù)局部處理策略，如數(shù)據(jù)融合技術(shù)，是一種可行的解決思路。由于節(jié)能是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中最重要的方面，而且大量的研究顯示：網(wǎng)絡(luò)層上的路由協(xié)議和數(shù)據(jù)鏈路層上的MAC協(xié)議對無線通信模塊的能量消耗起著至關(guān)重要的影響。第四章 路由協(xié)議傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計的主要目的是為網(wǎng)絡(luò)提供高的服務(wù)質(zhì)量和高效的利用帶寬，而對于節(jié)能的考慮只是一個次要的方面；但是傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計的首要目標是高效節(jié)能，延長整個的網(wǎng)絡(luò)生命周期。路由協(xié)議的任務(wù)是在傳感器節(jié)點和Sink節(jié)點之間建立路由，從而為用戶可靠地傳遞數(shù)據(jù)。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)資源嚴重受限，因此路由協(xié)議的設(shè)計必須遵守執(zhí)行計算簡單、節(jié)點保存信息少等原則。4.1路由協(xié)議的分類無線傳感器路由協(xié)議從路由的表現(xiàn)形式、與應(yīng)用的相關(guān)程度等不同的角度有以下兩種分類方法：(1) 單跳路由協(xié)議與多跳路由協(xié)議；(2) 平面路由協(xié)議與層次路由協(xié)議；幾種典型路由協(xié)議與類別所屬關(guān)系如表4-1：表 4-1 典型路由協(xié)議研究分類方式直接傳輸泛洪定向擴散LEACHTEEN單跳 多跳 平面式 層次式 4.1.1 平面型路由協(xié)議平面型協(xié)議多是以數(shù)據(jù)為中心的，基于數(shù)據(jù)查詢服務(wù)的策略，對監(jiān)測數(shù)據(jù)按照屬性命名，對相同屬性的數(shù)據(jù)在傳輸過程中進行融合，從而減少冗余數(shù)據(jù)的傳輸。這類協(xié)議同時集成了網(wǎng)絡(luò)層路由任務(wù)和應(yīng)用層數(shù)據(jù)管理任務(wù)。優(yōu)點是不存在特殊節(jié)點，路由協(xié)議的魯棒性較好，網(wǎng)絡(luò)流量平均地分散在網(wǎng)絡(luò)中。缺點是缺乏可擴展性，限制了網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模。只適用于規(guī)模較小的傳感器網(wǎng)絡(luò)。平面型路由協(xié)議典型代表主要有：Flooding，Gossiping，SPIN，DD。泛洪Flooding協(xié)議和Gossiping協(xié)議1，2是兩個最為經(jīng)典的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，可以應(yīng)用到WSNs中。這兩個協(xié)議都不要求維護網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)，不需要維護路由信息，也不需要任何算法，但是擴展性很差。1、泛洪 (Flooding) 泛洪Flooding是一種古老的傳統(tǒng)泛洪式路由技術(shù)，它不需要維護網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)和路由計算， 接收到消息的節(jié)點以廣播形式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包給所有的鄰節(jié)點，這個過程重復執(zhí)行，直到數(shù)據(jù)包到達目的地或者預先設(shè)定的最大跳數(shù)。對于自組織的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，泛洪法是一種較直接的簡單的實現(xiàn)方法，但存在消息“內(nèi)爆”(implosion) 和“重疊”(overlap) 的問題，也沒有考慮能量方面的限制。下面通過分析一些簡單的例子說明泛洪法的能量效率很低。如圖4-1中的“內(nèi)爆”，源節(jié)點S只需要兩次發(fā)送就能將消息傳播到目的節(jié)點D，但是使用泛洪法將產(chǎn)生4次數(shù)據(jù)發(fā)送，而且目的節(jié)點D會收到3個數(shù)據(jù)副本。又如圖4-1中的“重疊”，處于同一觀測環(huán)境的兩個相鄰的同類傳感器節(jié)點A和B同時對一個事件C做出反應(yīng)，二者采集的數(shù)據(jù)性質(zhì)相同，數(shù)值相近，這兩個節(jié)點的鄰居節(jié)點C將收到兩個數(shù)據(jù)副本。圖 4-1 內(nèi)爆與重疊在Flooding協(xié)議中，節(jié)點產(chǎn)生或收到數(shù)據(jù)后向所有相鄰節(jié)點廣播。數(shù)據(jù)包直到過期或到達目的地才停止傳播。因此，消息的“內(nèi)爆”(implosion)(節(jié)點幾乎同時從鄰節(jié)點收到多份相同數(shù)據(jù))和“重疊”(overlap)(節(jié)點先后收到監(jiān)控同一區(qū)域的多個節(jié)點發(fā)送的相同數(shù)據(jù))和資源利用盲目(節(jié)點不考慮自身資源限制，在任何情況下都轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù))是其固有的缺陷為了克服這些缺陷3，文獻提出了Gossiping策略3。節(jié)點隨機選取一個相鄰節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)它接收到的分組，而不是采用廣播形式。這種方法避免了消息“內(nèi)爆”現(xiàn)象，但數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r延增加了。2、SPIN傳感器協(xié)商SPIN(Sensor Protocols tor Information via Negotiation)協(xié)議4是以數(shù)據(jù)為中心的、具有能源調(diào)整功能的、自適應(yīng)路由協(xié)議。SPIN使用三種類型的信息進行通信，即ADVREQ和DATA信息。在傳送DATA信息前，傳感器節(jié)點僅廣播該包含DATA數(shù)據(jù)描述機制的ADV信息，當接收到相應(yīng)的REQ請求信息時，才有目的地發(fā)送DATA信息。使用基于數(shù)據(jù)描述的協(xié)商機制和能量自適應(yīng)機制的SPIN協(xié)議，能夠很好地解決傳統(tǒng)的泛洪flooding和Gossiping協(xié)議所帶來的信息內(nèi)爆、信息冗余和資源浪費等問題。與flooding和Gossiping協(xié)議相比有效地節(jié)約了能量。但其缺點是：當產(chǎn)生或收到數(shù)據(jù)的節(jié)點的所有相鄰節(jié)點都不需要該數(shù)據(jù)時，將導致數(shù)據(jù)不能繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)，以致較遠節(jié)點無法得到數(shù)據(jù)，當網(wǎng)絡(luò)中大多節(jié)點都是潛在sink點時，問題并不嚴重。但當sink點較少時，則是一個很嚴重的問題：且當某sink點對任何數(shù)據(jù)都需要時，其周圍節(jié)點的能量容易耗盡，雖然減輕了數(shù)據(jù)內(nèi)爆，但在較大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中，信息內(nèi)爆仍然存在。3、定向擴散協(xié)議DD定向擴散(Directed Diffusion)是一種以數(shù)據(jù)為中心的信息傳播協(xié)議，運行基于屬性的命名機制來描述數(shù)據(jù)，并通過向所有節(jié)點發(fā)送對某個命名數(shù)據(jù)的“興趣”(任務(wù)描述符)來完成數(shù)據(jù)收集。網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點只了解給它發(fā)送請求的相鄰節(jié)點，節(jié)點通過建立一個梯度來轉(zhuǎn)發(fā)“興趣”給它的相鄰節(jié)點，梯度指向“興趣”數(shù)據(jù)包來自的節(jié)點，當“興趣”到達了源節(jié)點，一個臨時的梯度場就建立了，傳感器網(wǎng)絡(luò)就會加強梯度最大的路徑，一旦源節(jié)點采集到和“興趣”相匹配的數(shù)據(jù)信息，就以事件驅(qū)動的方式，沿著梯度最大的方向傳輸數(shù)據(jù)到Sink節(jié)點。梯度最大的路徑也就是功耗最低的路徑。興趣的擴散：用命名機制描述的數(shù)據(jù)就構(gòu)成了一個“興趣”，首先由Sink節(jié)點產(chǎn)生，然后按照一定的數(shù)據(jù)率擴散到網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點。每個節(jié)點都有一個“興趣”緩存，緩存中的每項都對應(yīng)著不同的“興趣”。緩存中的每個“興趣”包含如下幾個字段：時間字段指示最近收到匹配“興趣”的時間信息，梯度字段指示相鄰節(jié)點所需的數(shù)據(jù)率和數(shù)據(jù)發(fā)送方向，持續(xù)時間字段指示“興趣”大致的生存周期。當一個節(jié)點接收到一個“興趣”時，它首先在緩存中檢查是否存在相同的“興趣”，如果沒有相同的“興趣”存在，那就根據(jù)接收到的“興趣”信息在緩存中創(chuàng)建一個新的“興趣”，包含的信息有數(shù)據(jù)率和一個指向“興趣”來源的梯度；如果有相同的“興趣”存在，但是沒有“興趣”來源的梯度信息，節(jié)點會以指定的數(shù)據(jù)率增加一個梯度，并更新“興趣”的時間信息和持續(xù)字段；如果該節(jié)點都包含了“興趣”的梯度信息，那么只是簡單進行時間信息和持續(xù)字段的更新。節(jié)點接收到一個“興趣”之后，把“興趣”發(fā)送給與自己相鄰的節(jié)點。如果一個節(jié)點是最近才收到過此興趣，那么就不再予以接收。(如圖4-2興趣擴散)源節(jié)點sink源節(jié)點sink 驅(qū)動 事件圖4-2 興趣擴散圖4-3 梯度建立梯度的建立：網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點從相鄰節(jié)點接收到一個“興趣”時，它無法判斷此“興趣”是否自己已經(jīng)處理過，或者是否和另一個方向的鄰節(jié)點所發(fā)來的“興趣”相同。因此，“興趣”在整個網(wǎng)絡(luò)擴散的時候，梯度的建立情況如圖4-3梯度建立。增強路徑：梯度建立完之后，需要通過路徑增強形成一條梯度值最大的路徑用于數(shù)據(jù)傳輸，而其他路徑作為備選路徑以增加網(wǎng)絡(luò)可靠性。Sink 節(jié)點以一個更高的數(shù)據(jù)率再次將“興趣”發(fā)送給相鄰節(jié)點。相鄰節(jié)點收到“興趣”后，通過查看“興趣”緩存，發(fā)現(xiàn)自己已經(jīng)接收過相同的“興趣”，并且當前新數(shù)據(jù)率更高，該節(jié)點以同樣的方法繼續(xù)加強它的相鄰節(jié)點，直到到達源節(jié)點，最后會形成一條梯度值最大的路徑。如果已建立的路徑出現(xiàn)斷路，路徑中加強過的節(jié)點會觸發(fā)和啟動路徑加強以修復失敗的路徑。同時 Sink 節(jié)點可以用負加強的方式，降低冗余路徑上節(jié)點和 Sink 節(jié)點之間的梯度值，從而切斷冗余路徑，數(shù)據(jù)以后就通過增強后的路徑發(fā)往 Sink 節(jié)點( 如圖4-4數(shù)據(jù)傳輸)。圖 4-4 數(shù)據(jù)傳輸定向擴散采用相鄰節(jié)點間通信的方式來避免維護全局拓撲，采用查詢驅(qū)動數(shù)據(jù)傳送模式和局部數(shù)據(jù)聚集而減少網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流，因此是一種能量效率高的協(xié)議。它的缺點是：在需要連續(xù)數(shù)據(jù)傳送的應(yīng)用中(如環(huán)境監(jiān)測等)不能很好的應(yīng)用；數(shù)據(jù)命名只能針對于特定的應(yīng)用預先進行，初始查詢的擴散開銷大。4.1.2 層次型路由協(xié)議在層次型路由協(xié)議中，網(wǎng)絡(luò)通常被劃分為簇(cluster)，每個簇由一個簇首(cluster head)和多個簇成員(cluster member)組成。這些簇首形成高一級的網(wǎng)絡(luò)，在高一級網(wǎng)絡(luò)中又可以分簇，再次形成更高一級的網(wǎng)絡(luò)，直至最高級。分級結(jié)構(gòu)中，簇首不僅負責所管轄簇內(nèi)信息的收集和融合處理，還負責簇間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。層次型路由協(xié)議中每個簇的形成通常是基于傳感器節(jié)點的保留能量和與簇首的接近程度，同時為了延長整個網(wǎng)絡(luò)的生存期簇頭的選擇需要周期更新。層次路由的優(yōu)點是便于管理，適合大規(guī)模的傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，可擴展性較好，能夠有效的利用稀缺資源(比如：無線帶寬等)，可以對系統(tǒng)變化做出快速反應(yīng)，并提供高質(zhì)量的通信服務(wù)。缺點是簇頭的可靠性和穩(wěn)定性對整個網(wǎng)絡(luò)性能影響較大，簇的維護開銷較大。層次型路由協(xié)議典型代表主要有：LEACH，TEEN，PEGASIS。1、低功耗自適應(yīng)分簇路由算法(LEACH)LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)算法是一種自組織、自適應(yīng)的分簇協(xié)議，它通過隨機選擇簇首，將中繼通信業(yè)務(wù)平均的分配到整個無線傳感網(wǎng)絡(luò)。LEACH定義了“輪”(round)的概念，每一輪由初始化和穩(wěn)定工作兩個階段組成。在初始化階段，隨機地產(chǎn)生簇首，成為簇首的節(jié)點向周圍廣播信息，其他節(jié)點根據(jù)接受到廣播信息的強度來選擇它所要加入的簇，并告知相應(yīng)的簇首，從而動態(tài)的形成簇。在穩(wěn)定工作階段，簇內(nèi)節(jié)點把數(shù)據(jù)發(fā)給簇首，由簇首對數(shù)據(jù)進行必要的融合處理并把結(jié)果發(fā)送到 Sink 節(jié)點。由于簇首需要完成數(shù)據(jù)融合、與 Sink 節(jié)點通信等工作，因此簇首的能量消耗非常高。各節(jié)點需要等概率地輪流擔任簇首，這樣才能使網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點比較均衡地消耗能量，有利于延長整個網(wǎng)絡(luò)的生存期。在網(wǎng)絡(luò)建立初期每個節(jié)點從 0 到 1 的隨機數(shù)中任意選擇一個數(shù)值，若當前輪中這個數(shù)值小于設(shè)定的閾值 T(n)( 如下)：T(m)=則該節(jié)點成為本輪的簇首節(jié)點。其中 p 為期望的簇首節(jié)點數(shù)在所有傳感節(jié)點數(shù)的百分比；r 是當前輪數(shù)，G 是在最后的 1/p 輪中未成為簇首節(jié)點的節(jié)點集。根據(jù)這樣的閾值，在整個 1/p 輪中每個節(jié)點都會成為簇首，并保證每輪的簇首節(jié)點數(shù)為 (n 為所有傳感節(jié)點總數(shù))。在第一個輪(round 0)中r=0，各個節(jié)點以 p 的概率成為簇首，成為簇首的節(jié)點在往后的 1/p- 1 次輪中不在擔當簇首，未擔當過簇首的節(jié)點成為簇首的概率增加。依次遞推至第1/p- 1 輪，此前未擔當過簇首的節(jié)點在本輪中閥值 T=1，將肯定成為簇首。之后，所有的節(jié)點再次恢復成為簇首的能力。LEACH協(xié)議的特點是分層和數(shù)據(jù)融合，相對泛洪、定向擴散等平面式路由協(xié)議它是第一個在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中提出的層次式路由協(xié)議，其后的大部分層次式路由協(xié)議都是在它的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。采用LEACH協(xié)議可以使因能量耗盡而失效的節(jié)點呈隨機分布狀態(tài)，因而與一般的多跳路由協(xié)議和靜態(tài)聚類算法相比，LEACH可以將網(wǎng)絡(luò)生存周期延長15%。但是LEACH協(xié)議中動態(tài)分簇也帶來了拓撲變換和大量廣播等額外開銷。2、基于能量效率的閾值敏感傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(TEEN)節(jié)能的閾值敏感路由協(xié)議TEEN(Thresholdsensitive Energy Eficient sensor Network protocol)用類似LEACH的初始化簇的算法，只是在數(shù)據(jù)傳送階段使用不同的策略。TEEN中定義了硬、軟兩個門限值，以確定是否需要發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)。在每輪簇頭輪換的時候?qū)蓚€閾值廣播出去，當監(jiān)測數(shù)據(jù)第一次超過設(shè)置的硬閾值時，節(jié)點把這次數(shù)據(jù)設(shè)為新的硬閾值，并在接下來的時隙內(nèi)發(fā)送它。之后，只有監(jiān)測數(shù)據(jù)超過硬閾值并且監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化幅度大于軟閾值時，節(jié)點才會傳送最新的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并將它設(shè)為新的硬閾值。通過調(diào)節(jié)兩個閾值的大小，可以在監(jiān)測精度和系統(tǒng)能耗之間取得合理的平衡TEEN。利用過濾的方式大大地減少數(shù)據(jù)傳送的次數(shù)，從而達到比LEACH算法更節(jié)能的目的。TEEN 協(xié)議的優(yōu)點是：第一，對于突發(fā)事件能夠及時響應(yīng)；第二，對于持續(xù)的突發(fā)事件，相鄰兩次數(shù)據(jù)之差在不大于閾值時，無需不斷地發(fā)送數(shù)據(jù)，從而得以減少通信流量。缺點是不適用于需要持續(xù)采集數(shù)據(jù)的應(yīng)用環(huán)境。3、PEGASISPEGASIS(Power Eficient Gathering in Sensor Information Systems)協(xié)議是使用動態(tài)選舉簇頭的方式，在LEACH基礎(chǔ)上改進而來的。為避免頻繁選舉簇頭的通信開銷，采用無通信量的簇頭選舉方法，且網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點只形成一個簇，稱為鏈。采集到的數(shù)據(jù)以點到點的方式傳送、融合。并最終被送到sink該協(xié)議假定WSNs中的所有節(jié)點是靜態(tài)、同構(gòu)的，要求每個節(jié)點都知道網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點的位置。通過貪心算法選擇最近的鄰節(jié)點形成鏈。因為PEGASIS中每個節(jié)點都以最小功率發(fā)送數(shù)據(jù)分組，并且通過數(shù)據(jù)融合降低了收發(fā)過程的次數(shù)，從而降低了整個網(wǎng)絡(luò)的功耗。研究結(jié)果表明，PEGASIS支持的傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期是LEACH的近兩倍。PEGASIS的缺點是鏈中遠距離的節(jié)點會引起過多的數(shù)據(jù)延遲，而且簇頭的惟一性使得簇頭會成為瓶頸，且要求節(jié)點都具有與sink點通信的能力；如果鏈過長，數(shù)據(jù)傳輸時延將會增大，不適合實時應(yīng)用；成鏈算法要求節(jié)點知道其他節(jié)點位置，開銷非常大。4.1.3 直接(單跳)和多跳傳輸協(xié)議單跳協(xié)議：是一種最原始的協(xié)議，它不需要維護網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)和路由計算，所有節(jié)點以單跳方式將數(shù)據(jù)包發(fā)給Sink節(jié)點，是最直接的實現(xiàn)方法。遠離Sink節(jié)點的節(jié)點需要較大的傳輸功率，這將迅速耗費該節(jié)點的能量并導致整個網(wǎng)絡(luò)生存周期的縮短。多跳協(xié)議：實際的運用中發(fā)射機的功率是固定的，即數(shù)據(jù)單跳的傳輸距離是固定的。此時遠離Sink節(jié)點的節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)按照預定的路由經(jīng)過中間結(jié)點到達Sink節(jié)點。如圖4-5多跳網(wǎng)絡(luò)拓撲n個節(jié)點按直線排列，節(jié)點間距為r，數(shù)據(jù)從源節(jié)點穿過n個中繼節(jié)點到達Sink節(jié)點。圖 4-5 多跳網(wǎng)絡(luò)拓撲在多跳傳輸協(xié)議中節(jié)點將數(shù)據(jù)發(fā)送至下一跳相鄰節(jié)點直至Sink節(jié)點，需要經(jīng)過n次發(fā)送和接收。只有在源節(jié)點與Sink節(jié)點之間距離較長，或者數(shù)據(jù)處理耗能較小的情況下多跳傳輸協(xié)議才能體現(xiàn)出更好的能量有效性。在多跳傳輸協(xié)議中，靠近Sink節(jié)點的節(jié)點成為其它節(jié)點向Sink節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)的中繼節(jié)點，導致自身能量容易耗盡。一旦某個中繼節(jié)點能量耗盡，會加重其余中繼節(jié)點的能量負荷，造成Sink節(jié)點周圍節(jié)點雪崩式死亡，導致網(wǎng)絡(luò)割裂，大幅縮短整個網(wǎng)絡(luò)的生存期。4.2典型路由協(xié)議的比較定向擴散、LEACH 和 TEEN 協(xié)議在設(shè)計中充分考慮了能源的有效利用，成倍地提高了整個網(wǎng)絡(luò)的生存周期，但是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用千差萬別，不同的路由協(xié)議在不同的環(huán)境表現(xiàn)出各自的特色和優(yōu)勢，因此不能絕對的判斷哪種協(xié)議最優(yōu)。從信息處理、路由優(yōu)化方式和網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)等不同方面對前述幾種典型的路由協(xié)議進行了一個綜合比較，如表4-2所示：表 4-2 典型路由協(xié)議綜合比較典型協(xié)議性能指標直接傳輸泛洪定向擴散LEACHTEEN路由優(yōu)化能力無無有 無無網(wǎng)絡(luò)生存周期短短長 長 長路由健壯性差好好較好較好資源有效性不好 不好 較好 好 好數(shù)據(jù)融合無 無 有 有 有元數(shù)據(jù)描述 無 無 有 無 無4.3路由協(xié)議下一步研究方向針對不同的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，目前還缺乏一種普遍適用的路由算法。定向擴散和LEACH 協(xié)議分別從“以數(shù)據(jù)為中心”和“聚類分簇”兩個方面給出了提高能量使用效率從而提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)生存周期的方向。如本文介紹的TEEN和PEGASIS協(xié)議，就是在LEACH協(xié)議的基礎(chǔ)上研究出的。LEACH協(xié)議可以將網(wǎng)絡(luò)生存周期延長15%。但是LEACH協(xié)議中動態(tài)分簇也帶來了拓撲變換和大量廣播等額外開銷。TEEN協(xié)議便利用過濾的方式大大地減少數(shù)據(jù)傳送的次數(shù)，比LEACH算法更節(jié)能。而PEGASIS協(xié)議通過數(shù)據(jù)融合降低了收發(fā)過程的次數(shù)，降低了整個網(wǎng)絡(luò)的功耗，其支持的傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期又是LEACH的近兩倍，PEGASIS的缺點是開銷大。所以設(shè)計者需要針對不同的應(yīng)用環(huán)境，根據(jù)不同的數(shù)據(jù)通信模式和組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，設(shè)置相適應(yīng)的特定路由協(xié)議。第五章 MAC協(xié)議5.1 MAC協(xié)議研究進展近年來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)作為國內(nèi)外一個新興的研究方向，引了許多研究者和機構(gòu)的廣泛關(guān)注，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)不同的特點，且與應(yīng)用高度相關(guān)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要的一個設(shè)計目標是有效地使用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的受限資源(能量、內(nèi)存和計算能力)，以最大化網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)壽命，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的介質(zhì)訪問控制(MAC)協(xié)議，并不能直接應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。隨著無線通信、微電子機械制造技術(shù)和傳感技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)引起了人們的廣泛關(guān)注WSNs、由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，大量集成有感知、數(shù)據(jù)處理和無線通信及能量供應(yīng)模塊的微型傳感器節(jié)點所組成。在目標入侵監(jiān)測、日標跟蹤、環(huán)境監(jiān)測、戰(zhàn)場偵察、生物醫(yī)療、搶險救災(zāi)以及工業(yè)加工過程的監(jiān)控等領(lǐng)域，WSNs都具有廣闊的應(yīng)用前景5。WSNs網(wǎng)絡(luò)是一種特定的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點自組織成網(wǎng)絡(luò)，不需要任何基礎(chǔ)設(shè)施。與WSNs網(wǎng)絡(luò)最為相似的是移動自組織網(wǎng)絡(luò)(Mohile Adho networks，MANET)，盡管二者都是無線自組織多跳網(wǎng)絡(luò)，具有相似之處，但差異很大WSNs網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不移動或很少移動，而MANET網(wǎng)絡(luò)節(jié)點移動性較強；WSNs網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點計算、存儲和通信能力有限；WSNs網(wǎng)絡(luò)節(jié)點采用電池供電，節(jié)點因能量耗盡和環(huán)境影響而易失效；WSNs網(wǎng)絡(luò)通信能耗高，數(shù)據(jù)處理能耗低，而這些差異在MANET網(wǎng)絡(luò)中并不重要；WSNs一般獨立組網(wǎng)，主要用于監(jiān)測功能，是以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)，而MANET則能為分布式應(yīng)用提供互聯(lián)、計算能力；WSNs網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量可能達到成千上萬，分布更為密集，遠大于MANET的幾十個節(jié)點；WSNs網(wǎng)絡(luò)流量具有One-many的特點；WSNs是與應(yīng)用高度相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點協(xié)作共同完成監(jiān)測任務(wù)，數(shù)據(jù)相關(guān)性較大；WSNs節(jié)點一般沒有統(tǒng)一的編址。WSNs網(wǎng)絡(luò)的上述特點，使得針對傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)和MANET網(wǎng)絡(luò)研究的通信協(xié)議，并不能有效地直接應(yīng)用于WSNs網(wǎng)絡(luò)，基于WSNs網(wǎng)絡(luò)的能量限制，為了延長網(wǎng)絡(luò)的壽命，能量有效性成為WSNs網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中首要的一個設(shè)計指標，能量高效的WSNs網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，是日前的一個熱點研究領(lǐng)域。介質(zhì)訪問控制協(xié)議(Medium access control，MAC)處于WSNs網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的底層部分，以解決WSNs網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點以怎樣的規(guī)則共享媒體才能取得滿意的網(wǎng)絡(luò)性能問題。WSNs網(wǎng)絡(luò)的吞吐量、延遲等性能，與所采用的MAC協(xié)議直接相關(guān)。近年來，研究人員己經(jīng)提出了眾多專用于WSNs網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議。本章首先簡單分析了影響WSNs網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議設(shè)計的相關(guān)問題，討論了MAC協(xié)議的分類方法；然后著重研究與論述了當前較為重要的一些MAC協(xié)議的核心實現(xiàn)機制和特點，并比較了這些MAC協(xié)議在性能上的差異。最后，在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上提出了關(guān)于WSNs網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的未來發(fā)展趨勢和研究策略。5.2 MAC協(xié)議的主要問題為了研究和比較現(xiàn)有WSNs網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的性能，對WSNs網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的性能指標、節(jié)點間通信時造成能量浪費的潛在因素以及WSNs網(wǎng)絡(luò)中可能的通信模式等問題進行分析。5.2.1 MAC協(xié)議的性能指標WSNs網(wǎng)絡(luò)的強大功能，是通過眾多資源受限的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點協(xié)作實現(xiàn)的。由于節(jié)點無線通信的廣播特征，節(jié)點間信息傳遞在局部范圍，需要MAC協(xié)議協(xié)調(diào)其間的無線信道分配；在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，需要路由協(xié)議選擇通信路徑。WSNs網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議設(shè)計，需要根據(jù)應(yīng)用的要求考慮以下的網(wǎng)絡(luò)性能指標6。l)能量有效性：能量有效性是WSNs網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議最重要的一項性能指標。由于WSNs網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點一般采用電池提供能量，并且電池能量難以補充和更換。因此，在設(shè)計WSNs網(wǎng)絡(luò)時，有效利用節(jié)點的能量，盡量延長網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的生存時間，是設(shè)計網(wǎng)絡(luò)各層協(xié)議都要考慮的一個重要問題。在節(jié)點的能量消耗中，無線收發(fā)裝置的能量消耗占絕大部分，而MAC層協(xié)議直接控制無線收發(fā)信裝置的行為，因此MAC協(xié)議的能量有效性直接影響網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的生存時間和網(wǎng)絡(luò)壽命。2)可擴展性：可擴展性是指一個MAC協(xié)議適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)大小、拓撲結(jié)構(gòu)、節(jié)點密度不斷變化的能力。由于節(jié)點數(shù)目、節(jié)點分布密度等在WSNs網(wǎng)絡(luò)生存過程中不斷變化，節(jié)點位置也可能移動，還有新節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)的問題，所以WSNs網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)具有動態(tài)性。一個好的MAC協(xié)議也應(yīng)具有可擴展性，以很好地適應(yīng)這種動態(tài)變化的拓撲結(jié)構(gòu)。3)沖突避免：沖突避免是MAC協(xié)議的一項基本任務(wù)。它決定網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點何時、以何種方式訪問共享的傳輸媒體和發(fā)送數(shù)據(jù)。在WSNs網(wǎng)絡(luò)中，沖突避免的能力直接影響節(jié)點的能量消耗和網(wǎng)絡(luò)性能。4)信道利用率：信道利用率反映了網(wǎng)絡(luò)通信中信道帶寬如何被使用。在蜂窩移動通信系統(tǒng)和無線局域網(wǎng)中，信道利用率是一項非常重要的性能指標。因為在這樣的系統(tǒng)中，帶寬是非常重要的資源，系統(tǒng)需要盡可能地容納更多的用戶通信，相比之下，WSNs網(wǎng)絡(luò)中處于通信中的節(jié)點數(shù)量是由一定的應(yīng)用任務(wù)所決定的，信道利用率在WSNs網(wǎng)絡(luò)中處于次要的位置。5)延遲：延遲是指從發(fā)送端開始向接收端發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，直到接收端成功接收這一數(shù)據(jù)包所經(jīng)歷的時間。在WSNs網(wǎng)絡(luò)中，延遲的重要性取決于網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。6)吞吐量：吞吐量是指在給定的時間內(nèi)發(fā)送端能夠成功發(fā)送給接收端的數(shù)據(jù)量，網(wǎng)絡(luò)的吞吐量受到許多因素的影響，如沖突避免機制的有效性、信道利用率、延遲、控制開銷等。和數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t一樣，吞吐量的重要性也取決于WSNs網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。在WSNs網(wǎng)絡(luò)的許多應(yīng)用中，為了獲得更長的節(jié)點生存時間，允許適當犧牲數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t和吞吐量等性能指標。7)公平性：公平性通常指網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點、用戶、應(yīng)用，平等地共享信道的能力。在傳統(tǒng)的語音、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)中，它是一項很重要的性能指標，因為網(wǎng)絡(luò)中每一個用戶，都希望擁有平等發(fā)送、接收數(shù)據(jù)的能力。但是在WSNs網(wǎng)絡(luò)中，所有的節(jié)點為了一個共同的任務(wù)相互協(xié)作，在某個特定的時刻，存在一個節(jié)點相比于其他節(jié)點擁有大量的數(shù)據(jù)需要傳送。因此，公平性往往用網(wǎng)絡(luò)中某一應(yīng)用是否成功實現(xiàn)來評價，而不是以每個節(jié)點平等發(fā)送、接收數(shù)據(jù)的能力來評價。以上性能指標反映了一個MAC協(xié)議的特性，與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議重點考慮節(jié)點使用帶寬的公平性、提高帶寬利用率以及增加網(wǎng)絡(luò)的實時性等注重的因素正好相反，能量有效性是設(shè)計WSNs網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議首要考慮的性能指標，其次是協(xié)議的可擴展性和適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓撲變化的能力。而其他的網(wǎng)絡(luò)性能指標如延遲、信道利用率等，需要根據(jù)應(yīng)用進行折中。所以傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議，并不適用于WSNs網(wǎng)絡(luò)。5.2.2 能量浪費的主要原因為了分析和評價MAC協(xié)議的能量有效性，需要分析是哪些因素導致了能量損耗。WSNs網(wǎng)絡(luò)中造成能量浪費的主要因素有以下幾個方面6，7：1)空閑偵聽(Idle listening) 網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點，由于不能預知它的鄰節(jié)點什么時候會向其發(fā)送數(shù)據(jù)，所以將其無線收發(fā)模塊始終保持在接收模式，這是節(jié)點能量浪費的主要來源。原因在于典型的無線收發(fā)模塊處于接收模式時消耗的能量，比其處于睡眠模式時要多幾個數(shù)量級。2)消息碰撞(Message collision) 當兩個節(jié)點傳送的數(shù)據(jù)包發(fā)生沖突時，兩個數(shù)據(jù)包被損壞。這時節(jié)點消耗在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)上的能量被浪費掉了，這就需要重傳發(fā)送的數(shù)據(jù)，從而消耗節(jié)點更多的能量。3)竊聽(Overhearing) 無線信道是一個共享媒體，一個節(jié)點可能會接收到發(fā)送給其他節(jié)點的消息，這時節(jié)點消耗在接收數(shù)據(jù)上的能量被浪費掉了。因此從節(jié)能考慮，這時應(yīng)將其無線傳輸模塊關(guān)閉。4)控制報文開銷(ControlPacketOvethead) 在MAC協(xié)議的頭字段和控制消息包(ACK/RTS/CTS)中沒有包含有效的數(shù)據(jù)，因此可認為是一種損耗，為了提高能效應(yīng)該盡可能減少控制消息。5)發(fā)送失效(Overemitting) 在目的節(jié)點沒有準備好接收時，發(fā)送節(jié)點發(fā)送了消息，造成能量的浪費。5.2.3 通信模式傳感器網(wǎng)絡(luò)是與應(yīng)用高度相關(guān)的，不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、不同的應(yīng)用場景和目的，其業(yè)務(wù)特征呈現(xiàn)多樣性，需要采用不同的通信模式，以更有效地交換業(yè)務(wù)?；诓煌臉I(yè)務(wù)特征，MAC協(xié)議對不同通信模式的支持，可以有效減少節(jié)點能耗。所以對不同通信模式的支持與否，也是衡量MAC協(xié)議