無線傳感網(wǎng)絡第三章

1、第第3 3章章 無線傳感器網(wǎng)絡通信無線傳感器網(wǎng)絡通信 3.13.1無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議結構無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議結構 3.1.13.1.1傳統(tǒng)網(wǎng)絡協(xié)議傳統(tǒng)網(wǎng)絡協(xié)議OSIOSI參考模型參考模型 開放式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡參考模型開放式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡參考模型( OSI )( OSI )共有共有7 7個層次，如圖個層次，如圖3-13-1所示。從所示。從 底向上依次是物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層、會話層、表示層和底向上依次是物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層、會話層、表示層和 應用層。除物理層和應用層外，其余每層都和相鄰上下兩層進行通信。應用層。除物理層和應用層外，其余每層都和相鄰上下兩層進行通信。 3.1.2

2、3.1.2無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的分層結構無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的分層結構 n從無線聯(lián)網(wǎng)的角度來看，傳感器網(wǎng)絡結點的體系由分層的網(wǎng)絡通信協(xié)議從無線聯(lián)網(wǎng)的角度來看，傳感器網(wǎng)絡結點的體系由分層的網(wǎng)絡通信協(xié)議 、網(wǎng)絡管理平臺和應用支撐平臺三個部分組成、網(wǎng)絡管理平臺和應用支撐平臺三個部分組成( (如圖如圖3-23-2所示所示) )。 1. 1. 網(wǎng)絡通信協(xié)議網(wǎng)絡通信協(xié)議 n類似于傳統(tǒng)類似于傳統(tǒng)InternetInternet網(wǎng)絡中的網(wǎng)絡中的TCP/IPTCP/IP協(xié)議體系，它由物理層、數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議體系，它由物理層、數(shù)據(jù)鏈路 層、網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層組成，如圖層、網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層組成，如圖3-33-3所

3、示。所示。MACMAC層和物理層協(xié)議層和物理層協(xié)議 采用的是國際電氣電子工程師協(xié)會采用的是國際電氣電子工程師協(xié)會(The Institute of Electrical and (The Institute of Electrical and Electronics EngineersElectronics Engineers，IEEE)IEEE)制定的制定的IEEE 802.15.4IEEE 802.15.4協(xié)議。協(xié)議。 nIEEE 802.15.4IEEE 802.15.4是針對低速無線個域網(wǎng)是針對低速無線個域網(wǎng)(Low-Rate Wireless Personal (Low-Rate W

4、ireless Personal Area NetworkArea Network，LR-WPAN)LR-WPAN)制定的標準。該標準把低能量消耗、低速率制定的標準。該標準把低能量消耗、低速率 傳輸、低成本作為重點目標，旨在為個人或家庭范圍內(nèi)不同設備之間傳輸、低成本作為重點目標，旨在為個人或家庭范圍內(nèi)不同設備之間 低速互連提供統(tǒng)一標準。低速互連提供統(tǒng)一標準。IEEE 802.15.4IEEE 802.15.4的網(wǎng)絡特征與無線傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)絡特征與無線傳感器網(wǎng)絡 存在很多相似之處，所以許多研究機構把它作為無線傳感器網(wǎng)絡的無存在很多相似之處，所以許多研究機構把它作為無線傳感器網(wǎng)絡的無 線通信平臺。

5、線通信平臺。 1. 1. 網(wǎng)絡通信協(xié)議網(wǎng)絡通信協(xié)議 2. 2. 網(wǎng)絡管理平臺網(wǎng)絡管理平臺 n網(wǎng)絡管理平臺主要是對傳感器結點自身的管理和用戶對傳感器網(wǎng)絡的管網(wǎng)絡管理平臺主要是對傳感器結點自身的管理和用戶對傳感器網(wǎng)絡的管 理，包括拓撲控制、服務質(zhì)量管理、能量管理、安全管理、移動管理、理，包括拓撲控制、服務質(zhì)量管理、能量管理、安全管理、移動管理、 網(wǎng)絡管理等。網(wǎng)絡管理等。 n(1)(1)拓撲控制。拓撲控制。 一些傳感器結點為了節(jié)約能量會在某些時刻進入休眠狀一些傳感器結點為了節(jié)約能量會在某些時刻進入休眠狀 態(tài)，這導致網(wǎng)絡的拓撲結構不斷變化，而需要通過拓撲控制技術管理各態(tài)，這導致網(wǎng)絡的拓撲結構不斷變化，

6、而需要通過拓撲控制技術管理各 結點狀態(tài)的轉換，使網(wǎng)絡保持暢通，數(shù)據(jù)能夠有效傳輸。拓撲控制利用結點狀態(tài)的轉換，使網(wǎng)絡保持暢通，數(shù)據(jù)能夠有效傳輸。拓撲控制利用 鏈路層、路由層完成拓撲生成，反過來又為它們提供基礎信息支持，優(yōu)鏈路層、路由層完成拓撲生成，反過來又為它們提供基礎信息支持，優(yōu) 化化MACMAC協(xié)議和路由協(xié)議，降低能耗。協(xié)議和路由協(xié)議，降低能耗。 n(2)(2)服務質(zhì)量管理。服務質(zhì)量管理。 服務質(zhì)量管埋在各協(xié)議層設計隊列管理、優(yōu)先級機服務質(zhì)量管埋在各協(xié)議層設計隊列管理、優(yōu)先級機 制或者帶寬預留等機制，并對特定應用的數(shù)據(jù)給予特別處理。它是網(wǎng)絡制或者帶寬預留等機制，并對特定應用的數(shù)據(jù)給予特別處理

7、。它是網(wǎng)絡 與用戶之間以及網(wǎng)絡上互相通信的用戶之間關于信息傳輸與共享的質(zhì)量與用戶之間以及網(wǎng)絡上互相通信的用戶之間關于信息傳輸與共享的質(zhì)量 約定。為了滿足用戶的要求，傳感器網(wǎng)絡必須能夠為用戶提供足夠的資約定。為了滿足用戶的要求，傳感器網(wǎng)絡必須能夠為用戶提供足夠的資 源，以用戶可接受的性能指標工作。源，以用戶可接受的性能指標工作。 n(3)(3)能量管理。能量管理。 在傳感器網(wǎng)絡中電源能量是各個結點最寶貴的資源。為在傳感器網(wǎng)絡中電源能量是各個結點最寶貴的資源。為 了使傳感器網(wǎng)絡的使用時間盡可能長，需要合理、有效地控制結點對能了使傳感器網(wǎng)絡的使用時間盡可能長，需要合理、有效地控制結點對能 量的使用。

8、每個協(xié)議層次中都要增加能量控制代碼，并提供給操作系統(tǒng)量的使用。每個協(xié)議層次中都要增加能量控制代碼，并提供給操作系統(tǒng) 進行能量分配決策。進行能量分配決策。 2. 2. 網(wǎng)絡管理平臺網(wǎng)絡管理平臺 n(4)(4)安全管理。安全管理。 由于結點隨機部署、網(wǎng)絡拓撲的動態(tài)性和無線信道的不由于結點隨機部署、網(wǎng)絡拓撲的動態(tài)性和無線信道的不 穩(wěn)定，傳統(tǒng)的安全機制無法在傳感器網(wǎng)絡中適用，因而需要設計新型的穩(wěn)定，傳統(tǒng)的安全機制無法在傳感器網(wǎng)絡中適用，因而需要設計新型的 傳感器網(wǎng)絡安全機制，采用諸如擴頻通信、接入認證傳感器網(wǎng)絡安全機制，采用諸如擴頻通信、接入認證/ /鑒權、數(shù)字水印和鑒權、數(shù)字水印和 數(shù)據(jù)加密等技術。

9、數(shù)據(jù)加密等技術。 n(5)(5)移動管理。移動管理。 在某些傳感器網(wǎng)絡的應用環(huán)境中，結點可以移動，移動在某些傳感器網(wǎng)絡的應用環(huán)境中，結點可以移動，移動 管理用來監(jiān)測和控制結點的移動，維護到匯聚結點的路由，還可以使傳管理用來監(jiān)測和控制結點的移動，維護到匯聚結點的路由，還可以使傳 感器結點跟蹤它的鄰居。感器結點跟蹤它的鄰居。 2. 2. 網(wǎng)絡管理平臺網(wǎng)絡管理平臺 n(6)(6)網(wǎng)絡管理。網(wǎng)絡管理。 網(wǎng)絡管理是對傳感器網(wǎng)絡上的設備和傳輸系統(tǒng)進行有效網(wǎng)絡管理是對傳感器網(wǎng)絡上的設備和傳輸系統(tǒng)進行有效 監(jiān)視、控制、診斷和測試所采用的技術和方法。它要求協(xié)議各層嵌入各監(jiān)視、控制、診斷和測試所采用的技術和方法。

10、它要求協(xié)議各層嵌入各 種信息接口，并定時收集協(xié)議運行狀態(tài)和流量信息，協(xié)調(diào)控制網(wǎng)絡中各種信息接口，并定時收集協(xié)議運行狀態(tài)和流量信息，協(xié)調(diào)控制網(wǎng)絡中各 個協(xié)議組件的運行。個協(xié)議組件的運行。 2. 2. 網(wǎng)絡管理平臺網(wǎng)絡管理平臺 3. 3. 應用支撐平臺應用支撐平臺 n應用支撐平臺建立在網(wǎng)絡通信協(xié)議和網(wǎng)絡管理技術的基礎之上，應用支撐平臺建立在網(wǎng)絡通信協(xié)議和網(wǎng)絡管理技術的基礎之上， 包括一系列基于監(jiān)測任務的應用層軟件，通過應用服務接口和網(wǎng)包括一系列基于監(jiān)測任務的應用層軟件，通過應用服務接口和網(wǎng) 絡管理接口來為終端用戶提供各種具體應用的支持。絡管理接口來為終端用戶提供各種具體應用的支持。 3.23.2物

11、理層物理層 3.2.13.2.1物理層的概述物理層的概述 1 1物理層的基本概念物理層的基本概念 n在計算機網(wǎng)絡中物理層考慮的是怎樣才能在連接各種計算機的傳輸介質(zhì)在計算機網(wǎng)絡中物理層考慮的是怎樣才能在連接各種計算機的傳輸介質(zhì) 上傳輸數(shù)據(jù)的比特流。國際標準化組織上傳輸數(shù)據(jù)的比特流。國際標準化組織(International Organization (International Organization for Standardizationfor Standardization，ISO)ISO)對開放系統(tǒng)互聯(lián)對開放系統(tǒng)互聯(lián)(Open System (Open System Interconne

12、ctionInterconnection，OSI)OSI)參考模型中物理層的定義如下：物理層為建立參考模型中物理層的定義如下：物理層為建立 、維護和釋放數(shù)據(jù)鏈路實體之間的二進制比特傳輸?shù)奈锢磉B接，提供機、維護和釋放數(shù)據(jù)鏈路實體之間的二進制比特傳輸?shù)奈锢磉B接，提供機 械的、電氣的、功能的和規(guī)程性的特性。從定義可以看出，物理層的特械的、電氣的、功能的和規(guī)程性的特性。從定義可以看出，物理層的特 點是負責在物理鏈接上傳輸二進制比特流，并提供為建立、維護和釋放點是負責在物理鏈接上傳輸二進制比特流，并提供為建立、維護和釋放 物理鏈接所需要的機械、電氣、功能和規(guī)程的特性。物理鏈接所需要的機械、電氣、功能和規(guī)

13、程的特性。 n物理層的主要功能如下：物理層的主要功能如下： (1)(1)為數(shù)據(jù)終端設備為數(shù)據(jù)終端設備(Data Terminal Equipment(Data Terminal Equipment，DTE)DTE)提供傳送數(shù)據(jù)的提供傳送數(shù)據(jù)的 通路。通路。 (2) (2)傳輸數(shù)據(jù)。傳輸數(shù)據(jù)。 (3) (3)其他管理工作。其他管理工作。 1 1物理層的基本概念物理層的基本概念 n通常物理接口標準對物理接口的四個特性進行了描述，這四個特性的內(nèi)通常物理接口標準對物理接口的四個特性進行了描述，這四個特性的內(nèi) 容是指：容是指： n(1)(1)機械特性。機械特性。 n(2)(2)電氣特性。電氣特性。 n(

14、3)(3)功能特性。功能特性。 n(4)(4)規(guī)程特性。規(guī)程特性。 1 1物理層的基本概念物理層的基本概念 2. 2. 無線通信物理層的主要技術無線通信物理層的主要技術 n無線通信物理層的主要技術包括介質(zhì)的選擇、頻段的選擇、調(diào)制技無線通信物理層的主要技術包括介質(zhì)的選擇、頻段的選擇、調(diào)制技 術和擴頻技術。術和擴頻技術。 n(1)(1)介質(zhì)和頻段選擇介質(zhì)和頻段選擇 無線通信的介質(zhì)包括電磁波和聲波。電磁波是最主要的無線通無線通信的介質(zhì)包括電磁波和聲波。電磁波是最主要的無線通 信介質(zhì)，而聲波一般僅用于水下的無線通信。根據(jù)波長的不同，電信介質(zhì)，而聲波一般僅用于水下的無線通信。根據(jù)波長的不同，電 磁波分為

15、無線電波、微波、紅外線和光波等，其中無線電波在無線磁波分為無線電波、微波、紅外線和光波等，其中無線電波在無線 網(wǎng)絡中使用最廣泛。無線電波的傳播特性與頻率相關。網(wǎng)絡中使用最廣泛。無線電波的傳播特性與頻率相關。 n調(diào)制和解調(diào)技術是無線通信系統(tǒng)的關鍵技術之一。通常信號源的編碼信調(diào)制和解調(diào)技術是無線通信系統(tǒng)的關鍵技術之一。通常信號源的編碼信 息息( (即信源即信源) )含有直流分量和頻率較低的頻率分量，稱為基帶信號?；鶐Ш兄绷鞣至亢皖l率較低的頻率分量，稱為基帶信號?；鶐?信號往往不能作為傳輸信號，因而要將基帶信號轉換為相對基帶頻率而信號往往不能作為傳輸信號，因而要將基帶信號轉換為相對基帶頻率而 言頻

16、率非常高的帶通信號，以便于進行信道傳輸。通常將帶通信號稱為言頻率非常高的帶通信號，以便于進行信道傳輸。通常將帶通信號稱為 已調(diào)信號，而基帶信號稱為調(diào)制信號。已調(diào)信號，而基帶信號稱為調(diào)制信號。 n調(diào)制技術通過改變高頻載波的幅度、相位或頻率，使其隨著基帶信號幅調(diào)制技術通過改變高頻載波的幅度、相位或頻率，使其隨著基帶信號幅 度的變化而變化。解調(diào)是將基帶信號從載波中提取出來以便預定的接收度的變化而變化。解調(diào)是將基帶信號從載波中提取出來以便預定的接收 者者( (信宿信宿) )處理和理解的過程。處理和理解的過程。 (2) (2) 調(diào)制技術調(diào)制技術 n根據(jù)原始信號所控制參量的不同，調(diào)制分為幅度調(diào)制根據(jù)原始信

17、號所控制參量的不同，調(diào)制分為幅度調(diào)制(Amplitude (Amplitude ModulationModulation，AM)AM)、頻率調(diào)制、頻率調(diào)制(Frequency Modulation(Frequency Modulation，F(xiàn)M)FM)和相位調(diào)制和相位調(diào)制 (Phase Modulation(Phase Modulation，PM)PM)。當數(shù)字調(diào)制信號為二進制矩形全占空脈沖序。當數(shù)字調(diào)制信號為二進制矩形全占空脈沖序 列時，由于該序列只存在列時，由于該序列只存在“有電有電”和和“無電無電”兩種狀態(tài)，因而可以采用兩種狀態(tài)，因而可以采用 電鍵控制，被稱為鍵控信號，所以上述數(shù)字信號的

18、調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相分電鍵控制，被稱為鍵控信號，所以上述數(shù)字信號的調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相分 別又被稱為幅移鍵控別又被稱為幅移鍵控(Amplitude Shift Keying(Amplitude Shift Keying，ASK)ASK)、頻移鍵控、頻移鍵控 (Frequency Shift Keying(Frequency Shift Keying，F(xiàn)SK)FSK)和相移鍵控和相移鍵控(Phase Shift Keying(Phase Shift Keying， PSK)PSK)。 (2) (2) 調(diào)制技術調(diào)制技術 n擴頻又稱為擴展頻譜，它的定義如下：擴頻通信技術是一種信息傳輸方式，擴頻又稱為擴展頻譜

19、，它的定義如下：擴頻通信技術是一種信息傳輸方式， 其信號所占有的頻帶寬度遠大于所傳信息必需的最小帶寬；頻帶的擴展是通其信號所占有的頻帶寬度遠大于所傳信息必需的最小帶寬；頻帶的擴展是通 過一個獨立的碼序列來完成，用編碼及調(diào)制的方法來實現(xiàn)，與所傳信息數(shù)據(jù)過一個獨立的碼序列來完成，用編碼及調(diào)制的方法來實現(xiàn)，與所傳信息數(shù)據(jù) 無關；在接收端用同樣的碼進行相關同步接收、解擴和恢復所傳信息數(shù)據(jù)。無關；在接收端用同樣的碼進行相關同步接收、解擴和恢復所傳信息數(shù)據(jù)。 n擴頻技術按照工作方式的不同，可以分為以下四種：直接序列擴頻擴頻技術按照工作方式的不同，可以分為以下四種：直接序列擴頻(Direct (Direct

20、 Sequence Spread SpectrumSequence Spread Spectrum，DSSS)DSSS)、跳頻、跳頻(Frequency Hopping Spread (Frequency Hopping Spread SpectrumSpectrum，F(xiàn)HSS)FHSS)、跳時、跳時(Time Hopping Spread Spectrum(Time Hopping Spread Spectrum，THSS)THSS)和寬帶線和寬帶線 性調(diào)頻擴頻性調(diào)頻擴頻(chirp Spread Spectrum(chirp Spread Spectrum，chirp-SSchirp-SS

21、，簡稱切普擴頻，簡稱切普擴頻) )。 (3)(3)擴頻技術擴頻技術 n無線傳感器網(wǎng)絡的低能耗、低成本、微型化等特點，以及具體應用的特無線傳感器網(wǎng)絡的低能耗、低成本、微型化等特點，以及具體應用的特 殊需求給物理層的設計提出了挑戰(zhàn)，在設計時需要重點考慮以下問題：殊需求給物理層的設計提出了挑戰(zhàn)，在設計時需要重點考慮以下問題： n(1)(1)調(diào)制機制。調(diào)制機制。 n(2)(2)與上層協(xié)議結合的跨層優(yōu)化設計。與上層協(xié)議結合的跨層優(yōu)化設計。 n(3)(3)硬件設計。硬件設計。 3. 3. 無線傳感器網(wǎng)絡物理層的特點無線傳感器網(wǎng)絡物理層的特點 3.2.23.2.2傳感器網(wǎng)絡物理層的設計傳感器網(wǎng)絡物理層的設計

22、 1 1傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì) n目前無線傳感器網(wǎng)絡采用的主要傳輸介質(zhì)包括無線電、紅外線和光目前無線傳感器網(wǎng)絡采用的主要傳輸介質(zhì)包括無線電、紅外線和光 波等。波等。 n在無線電頻率選擇方面，在無線電頻率選擇方面，ISM ISM 頻段是一個很好的選擇。因為頻段是一個很好的選擇。因為ISMISM頻頻 段在大多數(shù)國家屬于無需注冊的公用頻段。段在大多數(shù)國家屬于無需注冊的公用頻段。 n表表3.13.1列出了列出了ISM ISM 應用中的可用頻段。其中一些頻率已經(jīng)用于無繩電話系應用中的可用頻段。其中一些頻率已經(jīng)用于無繩電話系 統(tǒng)和無線局域網(wǎng)。對于無線傳感器網(wǎng)絡來說，無線電接收機需要滿足體統(tǒng)和無線局域網(wǎng)。對于無線

23、傳感器網(wǎng)絡來說，無線電接收機需要滿足體 積小、成本低和功率小的要求。積小、成本低和功率小的要求。 1 1傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì) n無線傳感器網(wǎng)絡結點之間通信的另一種手段是紅外技術。紅外通信的優(yōu)無線傳感器網(wǎng)絡結點之間通信的另一種手段是紅外技術。紅外通信的優(yōu) 點是無須注冊，并且抗干擾能力強。基于紅外線的接收機成本更低，也點是無須注冊，并且抗干擾能力強。基于紅外線的接收機成本更低，也 很容易設計。目前很多便攜式電腦、很容易設計。目前很多便攜式電腦、PDAPDA和移動電話都提供紅外數(shù)據(jù)傳輸和移動電話都提供紅外數(shù)據(jù)傳輸 的標準接口。紅外通信的主要缺點是穿透能力差，要求發(fā)送者和接收者的標準接口。紅外通信的主要缺

24、點是穿透能力差，要求發(fā)送者和接收者 之間存在視距關系。這導致了紅外難以成為無線傳感器網(wǎng)絡的主流傳輸之間存在視距關系。這導致了紅外難以成為無線傳感器網(wǎng)絡的主流傳輸 介質(zhì)，而只能在一些特殊場合得到應用。介質(zhì)，而只能在一些特殊場合得到應用。 1 1傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì) 2 2物理層幀結構物理層幀結構 n表表3-23-2描述了無線傳感器網(wǎng)絡結點普遍使用的一種物理層幀結構。由于目描述了無線傳感器網(wǎng)絡結點普遍使用的一種物理層幀結構。由于目 前還沒有形成標準化的物理層結構，所以在實際設計時都是在該物理層前還沒有形成標準化的物理層結構，所以在實際設計時都是在該物理層 幀結構的基礎上進行改進。幀結構的基礎上進行改進

25、。 n物理幀的第一個字段是前導碼，字節(jié)數(shù)一般取物理幀的第一個字段是前導碼，字節(jié)數(shù)一般取4 4，用于收發(fā)器進行碼片或，用于收發(fā)器進行碼片或 者符號的同步。第二個字段是幀頭，長度通常為一個字節(jié)，表示同步結者符號的同步。第二個字段是幀頭，長度通常為一個字節(jié)，表示同步結 束，數(shù)據(jù)包開始傳輸。幀頭與前導碼構成了同步頭。束，數(shù)據(jù)包開始傳輸。幀頭與前導碼構成了同步頭。 n幀長度字段通常由一個字節(jié)的低幀長度字段通常由一個字節(jié)的低7 7位表示，其值就是后續(xù)的物理層位表示，其值就是后續(xù)的物理層PHYPHY負負 載的長度，因此它的后續(xù)載的長度，因此它的后續(xù)PHYPHY負載的長度不會超過負載的長度不會超過127127

26、個字節(jié)。個字節(jié)。 n物理幀物理幀PHYPHY的負載長度可變，稱為物理服務數(shù)據(jù)單元的負載長度可變，稱為物理服務數(shù)據(jù)單元(PHY Service Data (PHY Service Data UniteUnite，PSDU)PSDU)，攜帶，攜帶PHYPHY數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)，PSDUPSDU域是物理層的載荷。域是物理層的載荷。 2 2物理層幀結構物理層幀結構 3 3物理層設計技術物理層設計技術 n物理層主要負責數(shù)據(jù)的硬件加密、調(diào)制解調(diào)、發(fā)送與接收，是決定傳物理層主要負責數(shù)據(jù)的硬件加密、調(diào)制解調(diào)、發(fā)送與接收，是決定傳 感器網(wǎng)絡結點的體積、成本和能耗的關鍵環(huán)節(jié)。物理層的設計目標是感器網(wǎng)絡結點

27、的體積、成本和能耗的關鍵環(huán)節(jié)。物理層的設計目標是 以盡可能少的能量消耗獲得較大的鏈路容量。為了確保網(wǎng)絡運行的平以盡可能少的能量消耗獲得較大的鏈路容量。為了確保網(wǎng)絡運行的平 穩(wěn)性能，該層一般需要與穩(wěn)性能，該層一般需要與MACMAC層進行密切交互。層進行密切交互。 n 物理層需要考慮編碼調(diào)制技術、通信速率和通信頻段等問題：物理層需要考慮編碼調(diào)制技術、通信速率和通信頻段等問題： n(1)(1)編碼調(diào)制技術影響占用頻率帶寬、通信速率、收發(fā)機結構和功率等一編碼調(diào)制技術影響占用頻率帶寬、通信速率、收發(fā)機結構和功率等一 系列的技術參數(shù)。比較常見的編碼調(diào)制技術包括幅移鍵控、頻移鍵控、系列的技術參數(shù)。比較常見的

28、編碼調(diào)制技術包括幅移鍵控、頻移鍵控、 相移鍵控和各種擴頻技術。相移鍵控和各種擴頻技術。 n(2)(2)提高數(shù)據(jù)傳輸速率可以減少數(shù)據(jù)收發(fā)的時間，對于節(jié)能具有意義，但提高數(shù)據(jù)傳輸速率可以減少數(shù)據(jù)收發(fā)的時間，對于節(jié)能具有意義，但 需要同時考慮提高網(wǎng)絡速度對誤碼的影響。一般用單個比特的收發(fā)能耗需要同時考慮提高網(wǎng)絡速度對誤碼的影響。一般用單個比特的收發(fā)能耗 來定義數(shù)據(jù)傳輸對能量的效率，單比特能耗越小越好。來定義數(shù)據(jù)傳輸對能量的效率，單比特能耗越小越好。 3 3物理層設計技術物理層設計技術 3.33.3數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議 n無線傳感網(wǎng)絡除了需要傳輸層機制實現(xiàn)高等級誤差和擁塞控制外，還需無線傳感網(wǎng)

29、絡除了需要傳輸層機制實現(xiàn)高等級誤差和擁塞控制外，還需 要數(shù)據(jù)鏈路層功能?？傮w而言，數(shù)據(jù)鏈路層主要負責多路數(shù)據(jù)流、數(shù)據(jù)要數(shù)據(jù)鏈路層功能?？傮w而言，數(shù)據(jù)鏈路層主要負責多路數(shù)據(jù)流、數(shù)據(jù) 結構探測、媒體訪問和誤差控制，從而確保通信網(wǎng)絡中可靠的結構探測、媒體訪問和誤差控制，從而確保通信網(wǎng)絡中可靠的Point-to-Point-to- PointPoint與與Point-to-MultipointPoint-to-Multipoint連接。然而，無線傳感網(wǎng)絡協(xié)作與面向應連接。然而，無線傳感網(wǎng)絡協(xié)作與面向應 用的性質(zhì)，以及無線傳感節(jié)點的物理約束用的性質(zhì)，以及無線傳感節(jié)點的物理約束( (例如能量和處理能力約束

30、例如能量和處理能力約束) )決決 定了完成這些功能的方式。定了完成這些功能的方式。 n多跳自組織無線傳感網(wǎng)絡多跳自組織無線傳感網(wǎng)絡MACMAC層協(xié)議需要實現(xiàn)兩個目標：層協(xié)議需要實現(xiàn)兩個目標： n（1)1)對于感知區(qū)域內(nèi)密集布置節(jié)點的多跳無線通信，需要建立數(shù)據(jù)通信對于感知區(qū)域內(nèi)密集布置節(jié)點的多跳無線通信，需要建立數(shù)據(jù)通信 鏈接以獲得基本的網(wǎng)絡基礎設施。鏈接以獲得基本的網(wǎng)絡基礎設施。 n（2)2)為了使無線傳感節(jié)點公平有效地共享通信資源，需要對共享媒體的為了使無線傳感節(jié)點公平有效地共享通信資源，需要對共享媒體的 訪問進行管理。訪問進行管理。 1 1媒體訪問控制媒體訪問控制 n無線傳感網(wǎng)絡的無線傳感

31、網(wǎng)絡的MACMAC協(xié)議必須具有固定能量保護、移動性管理和失效恢復協(xié)議必須具有固定能量保護、移動性管理和失效恢復 策略。策略。 n考慮現(xiàn)有的考慮現(xiàn)有的MACMAC解決方案，主要包含以下幾種訪問方式：解決方案，主要包含以下幾種訪問方式： (1)(1)基于基于TDMATDMA的媒體訪問的媒體訪問 (2)(2)基于混合基于混合TDMA/FDMATDMA/FDMA的媒體訪問的媒體訪問 (3)(3)基于基于CSMACSMA媒體訪問媒體訪問 1 1媒體訪問控制媒體訪問控制 n一般而基于一般而基于ARQARQ的誤差控制主要采用重新傳送恢復丟失的數(shù)據(jù)包的誤差控制主要采用重新傳送恢復丟失的數(shù)據(jù)包/ /幀。雖幀。雖

32、 然其他無線網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)鏈路層利用了基于然其他無線網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)鏈路層利用了基于ARQARQ的誤差控制方案，但由于無的誤差控制方案，但由于無 線傳感節(jié)點能量與處理資源的不足，無線傳感網(wǎng)絡應用中線傳感節(jié)點能量與處理資源的不足，無線傳感網(wǎng)絡應用中ARQARQ的有效性受的有效性受 到了限制。另外，到了限制。另外，F(xiàn)ECFEC方案具有固有的解碼復雜性，需要無線傳感節(jié)點消方案具有固有的解碼復雜性，需要無線傳感節(jié)點消 耗大量處理資源。因此，具有低復雜度編碼與解碼方式的簡單誤差控制耗大量處理資源。因此，具有低復雜度編碼與解碼方式的簡單誤差控制 碼可能是無線傳感網(wǎng)絡中誤差控制的最佳解決方案。碼可能是無線傳感網(wǎng)絡中誤

33、差控制的最佳解決方案。 2 2誤差控制誤差控制 3.43.4網(wǎng)絡層協(xié)議網(wǎng)絡層協(xié)議 無線傳感網(wǎng)絡的網(wǎng)絡層通常根據(jù)下列原則進行設計：無線傳感網(wǎng)絡的網(wǎng)絡層通常根據(jù)下列原則進行設計： n (1) (1) 能量有效性是必須考慮的關鍵問題；能量有效性是必須考慮的關鍵問題； n (2) (2) 多數(shù)無線傳感網(wǎng)絡以數(shù)據(jù)為中心；多數(shù)無線傳感網(wǎng)絡以數(shù)據(jù)為中心； n (3) (3) 理想的無線傳感網(wǎng)絡采用基于屬性的尋址和位置感知方式；理想的無線傳感網(wǎng)絡采用基于屬性的尋址和位置感知方式； n (4) (4) 數(shù)據(jù)聚集僅在不妨礙無線傳感節(jié)點的協(xié)作效應時是有效的；數(shù)據(jù)聚集僅在不妨礙無線傳感節(jié)點的協(xié)作效應時是有效的； n

34、(5) (5) 路由協(xié)議易于與其它網(wǎng)絡路由協(xié)議易于與其它網(wǎng)絡( (例如例如Internel)Internel)相結合。相結合。 n網(wǎng)絡層設計原則之一是易于與其他網(wǎng)絡相結合，如圖網(wǎng)絡層設計原則之一是易于與其他網(wǎng)絡相結合，如圖3-53-5所示，所示，SinkSink節(jié)點節(jié)點 作為其他網(wǎng)絡的網(wǎng)關，是通信中樞。用戶可根據(jù)查詢目的或應用類型通作為其他網(wǎng)絡的網(wǎng)關，是通信中樞。用戶可根據(jù)查詢目的或應用類型通 過過InternetInternet或衛(wèi)星網(wǎng)絡查詢無線傳感網(wǎng)絡。或衛(wèi)星網(wǎng)絡查詢無線傳感網(wǎng)絡。 3.43.4網(wǎng)絡層協(xié)議網(wǎng)絡層協(xié)議 n網(wǎng)絡技術領域的發(fā)展水平見表網(wǎng)絡技術領域的發(fā)展水平見表3-33-3，表中列

35、舉的方案采用了上述的一些設，表中列舉的方案采用了上述的一些設 計原則。計原則。SMECNSMECN生成了無線傳感網(wǎng)絡能量有效的分網(wǎng)圖，目的是在保持網(wǎng)生成了無線傳感網(wǎng)絡能量有效的分網(wǎng)圖，目的是在保持網(wǎng) 絡節(jié)點連通性的條件下使能耗最小化。另外，定向擴散協(xié)議是一種數(shù)據(jù)絡節(jié)點連通性的條件下使能耗最小化。另外，定向擴散協(xié)議是一種數(shù)據(jù) 中心的分發(fā)協(xié)議，采用基于屬性的命名方案進行數(shù)據(jù)的查詢和收集。中心的分發(fā)協(xié)議，采用基于屬性的命名方案進行數(shù)據(jù)的查詢和收集。 3.43.4網(wǎng)絡層協(xié)議網(wǎng)絡層協(xié)議 3.5 3.5 傳輸層協(xié)議傳輸層協(xié)議 一般而言，傳輸層的主要目標是：一般而言，傳輸層的主要目標是： n采用多路技術和分

36、離技術作為應用層和網(wǎng)絡層的橋梁；采用多路技術和分離技術作為應用層和網(wǎng)絡層的橋梁； n根據(jù)應用層的特定可靠度需求在源節(jié)點和匯節(jié)點間提供帶有誤差控制根據(jù)應用層的特定可靠度需求在源節(jié)點和匯節(jié)點間提供帶有誤差控制 機制的數(shù)據(jù)傳遞服務；機制的數(shù)據(jù)傳遞服務； n通過流動和擁塞機制調(diào)節(jié)注入網(wǎng)絡的信息量。通過流動和擁塞機制調(diào)節(jié)注入網(wǎng)絡的信息量。 3.5.1 Event-to-Sink3.5.1 Event-to-Sink傳輸傳輸 n無線傳感網(wǎng)絡傳輸層的無線傳感網(wǎng)絡傳輸層的Event-to-SinkEvent-to-Sink可靠度是必要的，包括了事件特可靠度是必要的，包括了事件特 征到征到SinkSink節(jié)點的

37、可靠通信，而不是針對區(qū)域內(nèi)各節(jié)點生成的單個傳感報節(jié)點的可靠通信，而不是針對區(qū)域內(nèi)各節(jié)點生成的單個傳感報 告告/ /數(shù)據(jù)包進行基于數(shù)據(jù)包的可靠傳遞。圖數(shù)據(jù)包進行基于數(shù)據(jù)包的可靠傳遞。圖3-63-6說明了以收集事件到說明了以收集事件到SinkSink 節(jié)點數(shù)據(jù)流的識別符為基礎的節(jié)點數(shù)據(jù)流的識別符為基礎的Event-to-SinkEvent-to-Sink可靠傳輸概念。可靠傳輸概念。 n與常規(guī)與常規(guī)End-to-EndEnd-to-End可靠度傳輸層協(xié)議不同，事件到中心節(jié)點可靠傳輸可靠度傳輸層協(xié)議不同，事件到中心節(jié)點可靠傳輸 (ESRT(ESRT，Event-to-Sink Reliable Tra

38、nsport)Event-to-Sink Reliable Transport)協(xié)議以協(xié)議以Event-to-SinkEvent-to-Sink可可 靠度概念為基礎，提供了不需要任何中介存儲的可靠事件探測。靠度概念為基礎，提供了不需要任何中介存儲的可靠事件探測。ESRTESRT是是 一種新的數(shù)據(jù)解決方案，其目的是在無線傳感網(wǎng)絡中用最少的能量花費一種新的數(shù)據(jù)解決方案，其目的是在無線傳感網(wǎng)絡中用最少的能量花費 完成可靠事件探測。其中包括擁塞控制部分，可實現(xiàn)可靠和節(jié)能的雙重完成可靠事件探測。其中包括擁塞控制部分，可實現(xiàn)可靠和節(jié)能的雙重 目標。同時，目標。同時，ESRTESRT不需要各個傳感器的標識符

39、，僅需要事件不需要各個傳感器的標識符，僅需要事件IDID。十分重。十分重 要的一點是，要的一點是，ESRTESRT算法主要在算法主要在SinkSink節(jié)點上運行，使資源有限的無線傳感節(jié)點上運行，使資源有限的無線傳感 節(jié)點需要完成的工作量最小化。節(jié)點需要完成的工作量最小化。 3.5.1 Event-to-Sink3.5.1 Event-to-Sink傳輸傳輸 3.63.6應用層協(xié)議應用層協(xié)議 3.6.13.6.1傳感器管理協(xié)議傳感器管理協(xié)議 n系統(tǒng)管理通過采用傳感器管理協(xié)議系統(tǒng)管理通過采用傳感器管理協(xié)議(SMP(SMP，Sensor Management Sensor Management Pr

40、otocol)Protocol)與無線傳感網(wǎng)絡進行交互。無線傳感網(wǎng)絡與其他很多網(wǎng)絡不同與無線傳感網(wǎng)絡進行交互。無線傳感網(wǎng)絡與其他很多網(wǎng)絡不同 ，節(jié)點沒有全局，節(jié)點沒有全局IDID，而且一般缺少基礎設施。因此，而且一般缺少基礎設施。因此，SMPSMP需要采用基于屬需要采用基于屬 性的命名和基于位置的選址對節(jié)點進行訪問。性的命名和基于位置的選址對節(jié)點進行訪問。 SMPSMP是提供軟件操作的管理協(xié)議，這些軟件操作是以下管理任務所必需的：是提供軟件操作的管理協(xié)議，這些軟件操作是以下管理任務所必需的： 將與數(shù)據(jù)聚集、基于屬性的命名和聚類相關的規(guī)則引入無線傳感節(jié)點；將與數(shù)據(jù)聚集、基于屬性的命名和聚類相關的

41、規(guī)則引入無線傳感節(jié)點； 交換與位置搜尋相關的數(shù)據(jù)；交換與位置搜尋相關的數(shù)據(jù)； 無線傳感節(jié)點的時鐘同步；無線傳感節(jié)點的時鐘同步； 移動無線傳感節(jié)點；移動無線傳感節(jié)點； 打開和關閉無線傳感節(jié)點；打開和關閉無線傳感節(jié)點； 查詢無線傳感網(wǎng)絡設置和節(jié)點狀態(tài)，重新設置無線傳感網(wǎng)絡；查詢無線傳感網(wǎng)絡設置和節(jié)點狀態(tài)，重新設置無線傳感網(wǎng)絡； 認證、密碼分配與數(shù)據(jù)通信安全。認證、密碼分配與數(shù)據(jù)通信安全。 3.6.13.6.1傳感器管理協(xié)議傳感器管理協(xié)議 3.6.23.6.2任務分派與數(shù)據(jù)廣播協(xié)議任務分派與數(shù)據(jù)廣播協(xié)議 n無線傳感網(wǎng)絡的另一個重要操作是無線傳感網(wǎng)絡的另一個重要操作是“興趣興趣”分發(fā)。用戶向無線傳感節(jié)

42、點、分發(fā)。用戶向無線傳感節(jié)點、 節(jié)點的子集或整個網(wǎng)絡發(fā)送其節(jié)點的子集或整個網(wǎng)絡發(fā)送其“興趣興趣”內(nèi)容。此內(nèi)容。此“興趣興趣”內(nèi)容可與觀察對內(nèi)容可與觀察對 象的某種屬性相關，或者與一個觸發(fā)事件相關。另一種方式是對可用數(shù)據(jù)象的某種屬性相關，或者與一個觸發(fā)事件相關。另一種方式是對可用數(shù)據(jù) 進行廣播。無線傳感節(jié)點將可用數(shù)據(jù)廣播給用戶，而用戶查詢其感興趣的進行廣播。無線傳感節(jié)點將可用數(shù)據(jù)廣播給用戶，而用戶查詢其感興趣的 數(shù)據(jù)。應用層協(xié)議為用戶軟件提供了數(shù)據(jù)。應用層協(xié)議為用戶軟件提供了“興趣興趣”分發(fā)的有效接口的，對較低分發(fā)的有效接口的，對較低 層操作層操作( (例如路由例如路由) )十分有用。十分有用。

43、 3.6.33.6.3傳感器查詢與數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議傳感器查詢與數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議 n傳感器查詢和數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議傳感器查詢和數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議(SQDDP(SQDDP，Sensor Query and Data Sensor Query and Data Dissemination Protocol)Dissemination Protocol)為用戶應用提供了問題查詢、查詢響應和搜為用戶應用提供了問題查詢、查詢響應和搜 集答復的接口。這些查詢一般不向特定節(jié)點發(fā)送，而是采用了基于屬性集答復的接口。這些查詢一般不向特定節(jié)點發(fā)送，而是采用了基于屬性 或位置的命名。或位置的命名。 n傳感器查詢和任務語言傳感器查詢和任務

44、語言(SQTL(SQTL，Sensor Query and Tasking Language)Sensor Query and Tasking Language) 提供了更多服務種類。提供了更多服務種類。 SQTLSQTL支持支持3 3種事件，這些事件用關鍵詞種事件，這些事件用關鍵詞receivereceive、everyevery和和expireexpire定義。定義。 n關鍵詞關鍵詞receivereceive規(guī)定了收到一個消息時由無線傳感節(jié)點生成的事件；規(guī)定了收到一個消息時由無線傳感節(jié)點生成的事件； n關鍵詞關鍵詞everyevery規(guī)定了采用計時器定時而周期性產(chǎn)生的事件；規(guī)定了采用計時

45、器定時而周期性產(chǎn)生的事件； n關鍵詞關鍵詞expireexpire規(guī)定了計時器超時引發(fā)的事件。規(guī)定了計時器超時引發(fā)的事件。 n若無線傳感節(jié)點收到預期消息，而且消息包含一個腳本，則運行此腳本若無線傳感節(jié)點收到預期消息，而且消息包含一個腳本，則運行此腳本 。雖然已經(jīng)定義了。雖然已經(jīng)定義了SQTLSQTL，但可為各種應用開發(fā)不同類別的，但可為各種應用開發(fā)不同類別的SQDDPSQDDP。每種應。每種應 用中，用中，SQDDPSQDDP都有特定的執(zhí)行方式。都有特定的執(zhí)行方式。 3.6.33.6.3傳感器查詢與數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議傳感器查詢與數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議 3.73.7無線傳感器網(wǎng)絡跨層設計無線傳感器網(wǎng)絡跨層設計

46、3.7.1.3.7.1.分層設計方法分層設計方法 n有線因特網(wǎng)或者是傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡有線因特網(wǎng)或者是傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡( ( 如蜂窩和無線局域網(wǎng)，以及移動自如蜂窩和無線局域網(wǎng)，以及移動自 組織網(wǎng)絡組織網(wǎng)絡) )中，大多數(shù)設計者都采用中，大多數(shù)設計者都采用 分層設計指導思想分層設計指導思想 。圖。圖3-73-7給出了給出了 一個采用分層設計方法實現(xiàn)的無線一個采用分層設計方法實現(xiàn)的無線 網(wǎng)絡設計協(xié)議棧示意圖，其中每個網(wǎng)絡設計協(xié)議棧示意圖，其中每個 相鄰層次之間可以實現(xiàn)一定的自適相鄰層次之間可以實現(xiàn)一定的自適 應調(diào)節(jié)，從而優(yōu)化原有的網(wǎng)絡系統(tǒng)應調(diào)節(jié)，從而優(yōu)化原有的網(wǎng)絡系統(tǒng) 。 所謂跨層設計的定義，是針對特定

47、的分層結構而言的，一切不符合參考分層所謂跨層設計的定義，是針對特定的分層結構而言的，一切不符合參考分層 通信結構的協(xié)議設計稱為跨層設計。通信結構的協(xié)議設計稱為跨層設計。 對于跨層設計的概念，再給出了三種補充解釋。對于跨層設計的概念，再給出了三種補充解釋。 n不符合分層結構的例子包括創(chuàng)建協(xié)議層間新的接口，重新定義協(xié)議層不符合分層結構的例子包括創(chuàng)建協(xié)議層間新的接口，重新定義協(xié)議層 的邊界，基于另外一個層設計的細節(jié)來設計一個協(xié)議層，以及聯(lián)合調(diào)節(jié)的邊界，基于另外一個層設計的細節(jié)來設計一個協(xié)議層，以及聯(lián)合調(diào)節(jié) 跨層參數(shù)等?？鐚訁?shù)等。 n分層結構的破壞也意味著放棄在不同層獨立設計協(xié)議的奢望。跨層設分層結

48、構的破壞也意味著放棄在不同層獨立設計協(xié)議的奢望?？鐚釉O 計的協(xié)議提供了其他層處理的一些條件。計的協(xié)議提供了其他層處理的一些條件。 n跨層設計是定義為一種協(xié)議設計的方法。然而，采用這種方法設計的跨層設計是定義為一種協(xié)議設計的方法。然而，采用這種方法設計的 協(xié)議大家通常稱為跨層設計。協(xié)議大家通常稱為跨層設計。 3.7.23.7.2跨層設計方法跨層設計方法 通常，實現(xiàn)無線網(wǎng)絡的跨層設計的信息交互主要有以下三個途徑。通常，實現(xiàn)無線網(wǎng)絡的跨層設計的信息交互主要有以下三個途徑。 n協(xié)議層之間直接進行通信；協(xié)議層之間直接進行通信； n通過共享信息或數(shù)據(jù)庫來進行信息交互；通過共享信息或數(shù)據(jù)庫來進行信息交互；

49、n采用全新的數(shù)據(jù)抽象結構，如采用與分層協(xié)議棧結構完全不同的堆結采用全新的數(shù)據(jù)抽象結構，如采用與分層協(xié)議棧結構完全不同的堆結 構來組織協(xié)議。構來組織協(xié)議。 3.7.23.7.2跨層設計方法跨層設計方法 n圖圖3-83-8給出了一個無線傳感器網(wǎng)絡的理給出了一個無線傳感器網(wǎng)絡的理 想跨層設計模型。各個協(xié)議層之間相互想跨層設計模型。各個協(xié)議層之間相互 依賴，彼此協(xié)作，目標就是盡系統(tǒng)所能依賴，彼此協(xié)作，目標就是盡系統(tǒng)所能 ，最大限度地滿足用戶應用的需求。可，最大限度地滿足用戶應用的需求。可 以看出，跨層設計除了包括各個協(xié)議層以看出，跨層設計除了包括各個協(xié)議層 間的自適應問題，而且還包括了各個層間的自適應

50、問題，而且還包括了各個層 之間相互協(xié)作和共享信息和資源，以便之間相互協(xié)作和共享信息和資源，以便 獲取最佳性能準則，如最小的連接鏈路獲取最佳性能準則，如最小的連接鏈路 維護成本、更低的延遲和最長的系統(tǒng)壽維護成本、更低的延遲和最長的系統(tǒng)壽 命等。命等。 3.7.23.7.2跨層設計方法跨層設計方法 nB.RamanB.Raman等人提出了幾種不同的跨層設計組合解決方案，并且證實了對于等人提出了幾種不同的跨層設計組合解決方案，并且證實了對于 特定的應用，如藍牙無線傳感器網(wǎng)絡，相比傳統(tǒng)的分層設計方法，跨層特定的應用，如藍牙無線傳感器網(wǎng)絡，相比傳統(tǒng)的分層設計方法，跨層 優(yōu)化確實帶來了更好的系統(tǒng)性能。它們

51、采用的跨層設計成功的關鍵就是優(yōu)化確實帶來了更好的系統(tǒng)性能。它們采用的跨層設計成功的關鍵就是 把握了四個要素：采用按需操作；對高層需求的感知；緩存了業(yè)務的描把握了四個要素：采用按需操作；對高層需求的感知；緩存了業(yè)務的描 述以及采用了相同范圍內(nèi)的操作。圖述以及采用了相同范圍內(nèi)的操作。圖3-93-9就是跨層設計和組合優(yōu)化前后的就是跨層設計和組合優(yōu)化前后的 協(xié)議棧對比圖。協(xié)議棧對比圖。 3.7.23.7.2跨層設計方法跨層設計方法 3.7.33.7.3跨層設計的必要性跨層設計的必要性 n1 1無線信道的動態(tài)性無線信道的動態(tài)性 n2 2無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的能量受限無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的能量受限 n3 3傳

52、統(tǒng)通信系統(tǒng)分層參考模型的弊端傳統(tǒng)通信系統(tǒng)分層參考模型的弊端 n圖圖3-103-10給出了一個采用分層和跨層設計的無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議體系結構給出了一個采用分層和跨層設計的無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議體系結構 對比。對比。 3.7.33.7.3跨層設計的必要性跨層設計的必要性 3.7.43.7.4無線傳感器網(wǎng)絡跨層設計主要技術無線傳感器網(wǎng)絡跨層設計主要技術 根據(jù)優(yōu)化參數(shù)選取的不同和系統(tǒng)優(yōu)化的目標和應用的不同，常見的跨層根據(jù)優(yōu)化參數(shù)選取的不同和系統(tǒng)優(yōu)化的目標和應用的不同，常見的跨層 設計技術主要理論方法分為以下幾種。設計技術主要理論方法分為以下幾種。 n分析法：通過拉格朗日乘子法、凸優(yōu)化等把問題近似簡化，得到

53、快速分析法：通過拉格朗日乘子法、凸優(yōu)化等把問題近似簡化，得到快速 收斂算法和分析結果。收斂算法和分析結果。 n最優(yōu)控制法：通過最優(yōu)控制，可以將無線通信系統(tǒng)的跨層優(yōu)化轉化為最優(yōu)控制法：通過最優(yōu)控制，可以將無線通信系統(tǒng)的跨層優(yōu)化轉化為 約束優(yōu)化類問題。約束優(yōu)化類問題。 n博弈論法：在多用戶的無線傳感器網(wǎng)絡中，單個節(jié)點并不了解其它節(jié)博弈論法：在多用戶的無線傳感器網(wǎng)絡中，單個節(jié)點并不了解其它節(jié) 點的狀態(tài)，因而無法協(xié)同共享網(wǎng)絡資源，只能以分布式方式從自身利益點的狀態(tài)，因而無法協(xié)同共享網(wǎng)絡資源，只能以分布式方式從自身利益 角度出發(fā)來競爭網(wǎng)絡的有限資源?？梢酝ㄟ^博弈論中的納氏均衡理論來角度出發(fā)來競爭網(wǎng)絡的有限資源?？梢酝ㄟ^博弈論中的納氏均衡理論來 協(xié)調(diào)各個傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的行為，從而達到網(wǎng)絡的最佳性能。協(xié)調(diào)各個傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的行為，從而達到網(wǎng)絡的最佳性能。 n動態(tài)規(guī)劃法：由于無線通信環(huán)境的動態(tài)時變性，可通過動態(tài)規(guī)劃法實動態(tài)規(guī)劃法：由于無線通信環(huán)境的動態(tài)時變性，可通過動態(tài)規(guī)劃法實 時選擇最優(yōu)策略，如無線傳感器網(wǎng)絡的動態(tài)路由的跨層設計。時選擇最優(yōu)策