無線傳感器網(wǎng)絡技術與應用現(xiàn)狀的研究畢業(yè)論文

1、中北大學2008屆畢業(yè)論文1 緒論1.1 課題背景和研究意義無線傳感器網(wǎng)絡綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、現(xiàn)代網(wǎng)絡及無線通信技術等多種先進技術。其主體是集成化微型傳感器，這些微型傳感器具有無線通信、數(shù)據(jù)采集和處理、協(xié)同合作的功能。無線傳感器網(wǎng)絡就是由成千上萬的傳感器節(jié)點通過自組織方式構成的網(wǎng)絡，它通過這些傳感器協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，通過嵌入式系統(tǒng)對信息進行處理，并通過隨機自組織無線通信網(wǎng)絡以多跳中繼方式將所感知信息傳送到用戶終端，使用戶完全掌握監(jiān)測區(qū)域的情況并做出反應1。無線傳感器網(wǎng)絡的自組織性和容錯能力使其不會因為某些節(jié)點在惡意攻擊中的損壞而導致整個系統(tǒng)的崩潰

2、，所以傳感器網(wǎng)絡非常適合應用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境，包括監(jiān)控我軍兵力、裝備和物資狀態(tài)；監(jiān)視沖突區(qū)域，偵察敵方地形和布防，定位攻擊目標；評估損失，偵察和探測核、生物及化學攻擊等。在戰(zhàn)場上，鋪設的傳感器將采集相應的信息，并通過匯聚節(jié)點將數(shù)據(jù)送至數(shù)據(jù)處理中心，再轉(zhuǎn)發(fā)到指揮部，最后融合來自各戰(zhàn)場的數(shù)據(jù)，形成我軍完備的戰(zhàn)區(qū)態(tài)勢圖。也可以更隱蔽的方式近距離地觀察敵方的布防，或直接將傳感器節(jié)點撒向敵方陣地，在敵方還未來得及反應時迅速收集有利于作戰(zhàn)的信息。在生物和化學戰(zhàn)中，利用傳感器網(wǎng)絡，可及時、準確地探測爆炸中心，這會為我軍提供寶貴的反應時間，從而最大可能地減小傷亡。無線傳感器網(wǎng)絡是繼因特網(wǎng)之后，將對21世紀人類

3、生活方式產(chǎn)生重大影響的IT熱點技術。如果說因特網(wǎng)改變了人與人之間交流、溝通的方式，那么無線傳感器網(wǎng)絡則將邏輯上的信息世界與真實物理世界融合在一起，將改變?nèi)伺c自然交互的方式23。無線傳感器網(wǎng)絡是新興的下一代傳感器網(wǎng)絡，最早的代表性論述出現(xiàn)在1999年，題為“傳感器走向無線時代”。隨后在美國的移動計算和網(wǎng)絡國際會議上，提出了無線傳感器網(wǎng)絡是下一個世紀面臨的發(fā)展機遇。2003年，美國技術評論雜志論述未來新興十大技術時，無線傳感器網(wǎng)絡被列為第一項未來新興技術。同年，美國商業(yè)周刊又在其“未來技術專版”中發(fā)表文章指出，傳感器網(wǎng)絡是全球未來四大高技術產(chǎn)業(yè)之一，將掀起新的的產(chǎn)業(yè)浪潮。美國今日防務雜志更認為無線

4、傳感器網(wǎng)絡的應用和發(fā)展，將引起一場劃時代的軍事技術革命和未來戰(zhàn)爭的變革。2004年IEEE Spectrum雜志發(fā)表一期“傳感器的國度”，論述無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展和可能的廣泛應用?？梢灶A計，無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展和廣泛應用，將對人們的社會生活和產(chǎn)業(yè)變革帶來極大的影響和產(chǎn)生巨大的推動。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點結構在不同應用中，傳感器節(jié)點的結構不盡相同，但一般都由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊四部分組成4，如圖1.1所示。傳感器模塊負責監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，傳感器的類型是由被監(jiān)測物理信號的形式?jīng)Q定的，如用于溫度監(jiān)測的鉑電阻傳感器，用于壓力傳感

5、的電容式傳感器等；處理器模塊負責控制整個傳感器節(jié)點的操作，存儲和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)；無線通信模塊負責與其他傳感器節(jié)點進行無線通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；能量供應模塊為傳感器節(jié)點提供運行所需的能量，通常采用微型電池，不過己有公司探索從周圍環(huán)境取得能量并將其轉(zhuǎn)換成微瓦電能的方法。傳感器模塊無線通信模塊能量供應模塊傳感器AC/DC處理器存儲器網(wǎng)絡MAC收發(fā)器圖1.1 傳感器節(jié)點結構1.2.2 無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議棧無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議棧包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層，與互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧的五層協(xié)議相對應，如圖1.3所示。另外，協(xié)議棧還包括能量管理平臺、移動管理平臺

6、和任務管理平臺。這些管理平臺使得傳感器節(jié)點能夠按照能源高效的方式協(xié)同工作，在節(jié)點移動的傳感器網(wǎng)絡中轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，并支持多任務和資源共享.各層協(xié)議和平臺的功能如下5,(1)物理層提供簡單但健壯的信號調(diào)制和無線收發(fā)技術；(2)數(shù)據(jù)鏈路層負責數(shù)據(jù)成幀，幀檢測、媒體訪問和差錯控制；(3)網(wǎng)絡層主要負責路由生成與路由選擇；(4)傳輸層負責數(shù)據(jù)流的傳輸控制，是保證通信服務質(zhì)量的重要部分；(5)應用層包括一系列基于監(jiān)測任務的應用層軟件；(6)能量管理平臺管理傳感器節(jié)點如何使用能源，在各個協(xié)議層都需要考慮節(jié)省能量；(7)移動管理平臺檢測并注冊傳感器節(jié)點的移動，維護到匯聚節(jié)點的路由，使得傳感器節(jié)點能夠動態(tài)跟蹤其鄰居

7、的位置；(8)任務管理平臺在一個給定的區(qū)域內(nèi)平衡和調(diào)度檢測任務。物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡層傳輸層應用層能量管理平臺移動管理平臺任務管理平臺圖1.2 無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議棧1.2.3 無線傳感器網(wǎng)絡的拓撲結構無線傳感器網(wǎng)絡特定的應用環(huán)境及其固有的特征，對傳感器網(wǎng)絡拓撲結構的設計提出了新的要求。在無線傳感器網(wǎng)絡中，節(jié)點需要完全以自組織的形式構成自治型網(wǎng)絡，并且能夠工作在無人值守的惡劣環(huán)境當中。到目前為止，無線傳感器網(wǎng)絡拓撲結構的研究主要集中在兩個方向，即平面型拓撲結構和層次型拓撲結構6。平面型拓撲結構，所有節(jié)點的地位平等、作用相同，既采集數(shù)據(jù)又進行數(shù)據(jù)通信的中轉(zhuǎn)，網(wǎng)絡中不存在集中式控制中心。為了有效地節(jié)

8、省能量，遠距離節(jié)點之間以多跳通信方式，如圖1.4所示。平面結構網(wǎng)絡比較簡單，無需任何的結構維護過程，節(jié)點根據(jù)預定的路由協(xié)議自組織成無線網(wǎng)絡。由于隨機分布、高密度等特性，源節(jié)點和目的節(jié)點之間可能存在多條傳輸路徑，如圖1.4中節(jié)點A和E之間存在兩條路徑:ACDE和ACFE，既可以使用多條路徑實現(xiàn)負載分擔，也可以為不同的數(shù)據(jù)傳輸需求選擇適當?shù)穆窂?。平面結構網(wǎng)絡中所有的傳感器節(jié)點理論上是對等的，不存在瓶頸和單點故障，所以比較健壯，但是網(wǎng)絡規(guī)模受限，動態(tài)擴展性差，難以維護。在平面結構中，源節(jié)點為了獲得目的節(jié)點信息通常需要傳輸大量的查詢消息，而且由于網(wǎng)絡的動態(tài)性，如節(jié)點失效、增加等，維護這些動態(tài)變化的路由

9、信息需要發(fā)送大量的控制消息.網(wǎng)絡規(guī)模越大路由維護的開銷就越大，當網(wǎng)絡的規(guī)模增加到某個程度時，網(wǎng)絡的所有帶寬可能被路由協(xié)議消耗掉，所以平面式結構的網(wǎng)絡擴展性較差。INTERNETSINK傳感區(qū)域傳感節(jié)點圖1.3 平面型拓撲結構層次型拓撲結構中，網(wǎng)絡根據(jù)具體應用需求，如地理區(qū)域、能源、應用類型等，劃分為簇，每個簇由一個簇頭節(jié)點和多個簇成員構成，多個簇頭節(jié)點抽象成高一級的網(wǎng)絡，在高一級網(wǎng)絡中可以繼續(xù)分簇，形成更高一級網(wǎng)絡，最終形成多層次組織結構的傳感器網(wǎng)絡，如圖1.4所示。C1簇C2簇C3簇簇頭傳感器節(jié)點圖1.4 層次型拓撲結構層次型拓撲結構中，不同層次以自己的局部概念進行交互，聚集起來實現(xiàn)期望的全

10、局任務。分層組織結構中，簇內(nèi)成員節(jié)點負責感知任務，以多跳方式將采集的信息發(fā)送到簇頭節(jié)點。簇頭節(jié)點作為簇類的中心節(jié)點，擔負著與遠程終端通訊、發(fā)布簇類管理信息、執(zhí)行更高層次的數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)分析等使命。為了有效利用能源和延長網(wǎng)絡的生命周期，簇頭節(jié)點通常依據(jù)能量概率分布由網(wǎng)絡節(jié)點輪流充當。這樣可以使簇頭節(jié)點的高能量消耗平均到網(wǎng)絡節(jié)點上，同時也避免了固定簇頭引起的網(wǎng)絡的脆弱性和不穩(wěn)定性，而且可以通過簇拆分來增加簇的個數(shù)或者簇聚合形成更高一級網(wǎng)絡來提高整個網(wǎng)絡的容量。但缺點是，為了維護層次化結構需要仔細設計簇頭選擇算法。而且簇間節(jié)點為了完成數(shù)據(jù)通信需要經(jīng)過簇頭轉(zhuǎn)發(fā)，因此不一定能使用最佳路由，例如圖1.5中

11、的A,B節(jié)點，物理距離很接近，在平面結構中可以直接通信，但分簇后需要通過兩個簇的簇頭中繼進行通信。1.2.4 無線傳感器網(wǎng)絡研究內(nèi)容由于無線傳感器網(wǎng)絡涉及信息領域多個研究領域，有非常多的關鍵技術有待研究.(1)對網(wǎng)絡協(xié)議有效性的研究。主要是通過各種網(wǎng)絡協(xié)議的設計與仿真來提高網(wǎng)絡的綜合性能。傳感器網(wǎng)絡協(xié)議負責使各個獨立的節(jié)點間形成一條安全可靠的數(shù)據(jù)傳輸路徑。通過提出適應傳感器網(wǎng)絡特點的路由協(xié)議，提高傳輸數(shù)據(jù)的能量有效性；通過研究和改進己有的MAC層協(xié)議，來增強節(jié)點之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。較經(jīng)典的MAC協(xié)議有近期提出的基于競爭的S-MAC協(xié)議，TDMA與FDMA相結合的MAC協(xié)議7。(2)對時間同步

12、技術的研究。時間同步用來精準確定來自不同節(jié)點的監(jiān)測事件的先后關系。WSN中的通信協(xié)議和應用，比如基于TDMA的MAC協(xié)議和敏感時間的監(jiān)測任務等，都要求節(jié)點間的時鐘必須保持同步。設計高精度的時鐘同步機制是傳感網(wǎng)絡設計和應用的難點。已有的NTP(Network Time Protocol)就是一種經(jīng)典的同步策略8。(3)對定位技術的研究。定位技術就是位置未知的節(jié)點根據(jù)少數(shù)信標節(jié)點，按照某種定位機制確定自身的位置。節(jié)點不能完全依靠GPS來實現(xiàn)定位機制，這就要求相應的機制與算法。已有的定位機制與算法包括兩部分:節(jié)點自身定位和外部目標定位，前者是后者的基礎。通常方法有三邊測量法、三角測量法或極大似然估計

13、法。(4)對傳感器基礎層的軟、硬件資源的研究。提高電池的供電能力，接收信號的處理能力和芯片的集成能力。由于傳感器節(jié)點一方面特點是并發(fā)性密集；傳感器節(jié)點的另一方面特點是高度的模塊化。美國加州大學伯克利分校針對無線傳感器網(wǎng)絡研發(fā)了TinyOS操作系統(tǒng)，在科研機構的研究中得到比較廣泛地應用。(5)對數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)融合技術的研究。由于傳感器網(wǎng)絡感知數(shù)據(jù)的海量性，因此必須對采集到的數(shù)據(jù)進行提取、壓縮和融合等處理，來保證采集數(shù)據(jù)的高效性9。在應用層設計中，利用分布式數(shù)據(jù)庫技術對采集到的數(shù)據(jù)進行篩選，達到融合的效果；在MAC層，通過減少數(shù)據(jù)發(fā)送沖突和頭部開銷達到節(jié)省能量的目的。美國加州大學伯克利分校的Tin

14、yDB+71系統(tǒng)和Cornel大學的Cougar18系統(tǒng)就是典型的傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)10。(6)對傳感器網(wǎng)絡安全性的研究。主要包括兩方面內(nèi)容:利用較少的能量和較小的計算量來完成數(shù)據(jù)加密、解密和身份認證；在受破壞或受千擾的情況下可靠的完成執(zhí)行任務。由于WSN的工作環(huán)境，可能面臨著信息被竊聽或被偽造的危險。這對該網(wǎng)絡的擁有者會造成極大的威脅，因此必須綜合考慮網(wǎng)絡安全性的影響。1.3 無線傳感器網(wǎng)絡的應用無線傳感器網(wǎng)絡具有廣闊的應用前景，被認為是將對21世紀產(chǎn)生巨大影響力的技術之一己有和潛在的傳感器網(wǎng)絡應用領域包括:軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療監(jiān)護、空間探索、城市交通管理、倉儲管理等等。隨著傳感器技

15、術、無線通信技術、計算技術的不斷發(fā)展和完善，無線傳感器網(wǎng)絡將逐漸深入到人類生活的各個領域。(1)軍事應用在軍事領域，傳感器網(wǎng)絡將會成C41SRT系統(tǒng)不可或缺的一部分。C41SRT系統(tǒng)的目標是利用先進的高科技技術，為未來的現(xiàn)代化戰(zhàn)爭設計一個集命令、控制、通信、計算、智能、監(jiān)視、偵察和定位于一體的戰(zhàn)場指揮系統(tǒng)，受到了軍事發(fā)達國家的普遍重視。因為傳感器網(wǎng)絡是由密集型、低成本、隨機分布的節(jié)點組成的，自組織性和容錯能力使其不會因為某些節(jié)點在惡意攻擊中的損壞而導致整個系統(tǒng)的崩潰，這一點是傳統(tǒng)的傳感器技術所無法比擬的，在軍事應用中，與獨立的衛(wèi)星和地面雷達系統(tǒng)相比，傳感器網(wǎng)絡的潛在優(yōu)勢表現(xiàn)在以下幾個方面:分布

16、節(jié)點中多角度和多方位信息的綜合有效地提高了信噪比，這一直是衛(wèi)星和雷達這類獨立系統(tǒng)難以克服的技術問題之一；傳感器網(wǎng)絡低成本、高冗余的設計原則為整個系統(tǒng)提供了較強的容錯能力；傳感器節(jié)點與探測目標的近距離接觸大大消除了環(huán)境噪聲對系統(tǒng)性能的影響；節(jié)點中多種傳感器的混合應用有利于提高探測的性能指標；多節(jié)點聯(lián)合，形成覆蓋面積較大的實時探測區(qū)域；借助于個別具有移動能力的節(jié)點對網(wǎng)絡拓撲結構的調(diào)整能力，可以有效地消除探測區(qū)域內(nèi)的陰影和盲點。(2)環(huán)境科學隨著人們對于環(huán)境的日益關注，環(huán)境科學所涉及的范圍越來越廣泛。通過傳統(tǒng)方式采集原始數(shù)據(jù)是一件困難的工作。傳感器網(wǎng)絡為野外隨機性的研究數(shù)據(jù)獲取提供了方便，比如，跟蹤

17、候鳥和昆蟲的遷移，研究環(huán)境變化對農(nóng)作物的影響，監(jiān)測海洋、大氣和土壤的成分等。類似地，傳感器網(wǎng)絡可實現(xiàn)對森林環(huán)境監(jiān)測和火災報告，傳感器節(jié)點背隨機密布在森林之中，平常狀態(tài)下定期報告森林環(huán)境數(shù)據(jù)，當發(fā)生火災時，這些傳感器節(jié)點通過協(xié)同合作會在很短的時間內(nèi)將火源的具體地點、火勢的大小等信息傳送給相關部門。此外，傳感器網(wǎng)絡也可以應用在精細農(nóng)業(yè)中，以監(jiān)測農(nóng)作物中的害蟲、土壤的酸堿度和施肥狀況等。(3)醫(yī)療健康傳感器網(wǎng)絡在醫(yī)療系統(tǒng)和健康護理方面的應用包括監(jiān)測人體的各種生理數(shù)據(jù)，跟蹤和監(jiān)控醫(yī)院內(nèi)醫(yī)生和患者的行動，醫(yī)院的藥物管理。如果在住院病人身上安裝特殊用途的傳感器節(jié)點，如心率和血壓監(jiān)測設備，利用傳感器網(wǎng)絡，醫(yī)

18、生就可以隨時了解被監(jiān)護病人的病情，進行及時處理。利用無線通信將各傳感器聯(lián)網(wǎng)可高效傳遞必要的信息從而方便接受護理。而且還可以減輕護理人員的負擔。英特爾主管預防性健康保險研究的董事Eric Dishman稱:“在開發(fā)家庭用護理技術方面，無線傳感器網(wǎng)絡是非常有前途的領域”。還可以利用傳感器網(wǎng)絡長時間地收集人的生理數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在研制新藥品的過程中是非常有用的，而安裝在被監(jiān)測對象身上的微型傳感器也不會給人的正常生活帶來太多的不便15。此外，在藥物管理等諸多方面，它也有新穎而獨特的應用。總之，傳感器網(wǎng)絡為未來的遠程醫(yī)療提供了更加方便、快捷的技術實現(xiàn)手段11。(4)空間探索探索外部星球一直是人類夢寐以求的

19、理想，借助于航天器布撒的傳感器網(wǎng)絡節(jié)點實現(xiàn)對星球表面長時間的監(jiān)測，應該是一種經(jīng)濟可行的方案。NASA的JPL實驗室研制的Sensor Webs就是為將來的火星探測進行技術準備的，已在佛羅里達宇航中心周圍的環(huán)境監(jiān)測和完善。(5)智能家居在家電和家具中嵌入傳感器節(jié)點，通過無線網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)連接在一起，將會為人們提供更加舒適、方便和更具人性化的智能家居環(huán)境。利用遠程監(jiān)控系統(tǒng)，可完成對家電的遠程遙控，也可以通過圖像傳感設備隨時監(jiān)控家庭安全情況。(6)其他商業(yè)應用自組織、微型化和對外部世界的感知能力是傳感器網(wǎng)絡的三大特點，這些特點決定了傳感器網(wǎng)絡在商業(yè)領域應該也會有不少的機會。比如城市車輛監(jiān)測和跟蹤系統(tǒng)中

20、成功地應用了傳感器網(wǎng)絡;德國某研究機構正在利用傳感器網(wǎng)絡技術為足球裁判研制一套輔助系統(tǒng)，以減小足球比賽中越位和進球的誤判率。此外，在災難拯救、倉庫管理、交互式博物館、交互式玩具、工廠自動化生產(chǎn)線等眾多領域，無線傳感器網(wǎng)絡都將會孕育出全新的設計和應用模式12。2 無線網(wǎng)絡路由協(xié)議概述在OSI參考模型中，網(wǎng)絡層是通信子網(wǎng)的最高層。在一般的聯(lián)機系統(tǒng)和線路交換系統(tǒng)中，網(wǎng)絡層的功能意義不大。但是，當終端增多時，它們之間就需要有中繼設備相連，此時會出現(xiàn)一臺終端要求與多臺終端通信的情況，這就產(chǎn)生了把任意兩臺數(shù)據(jù)終端設備的數(shù)據(jù)鏈接起來的問題，即網(wǎng)絡路由問題。路由是把信息從源穿過網(wǎng)絡傳遞到目的的行為。路由技術其

21、實是由兩項最基本的活動組成，即決定最優(yōu)路徑和傳輸數(shù)據(jù)包。路徑選擇是實現(xiàn)高效通信的基礎。2.1 路由的基本概念路由包含兩個基本動作:確定最佳路徑和通過網(wǎng)絡傳輸信息。在路由的過程中，后者也稱為(數(shù)據(jù))交換。交換相對來說比較簡單，而選擇路徑很復雜13。2.1.1 路徑選擇為了幫助選路，路由算法初始化并維護包含路徑信息的路由表。路由算法根據(jù)目的地址和下一跳地址等諸多信息填充路由表。路由器彼此通信，通過交換路由信息維護其路由表，路由更新信息通常包含或部分路由表，通過分析來自其他路由器的路由更新信息，每個路由器都可以建立一個網(wǎng)絡拓撲圖。路由器間還發(fā)送鏈接狀態(tài)廣播信息來通知其他路由器發(fā)送者的鏈接狀態(tài)。鏈接信

22、息用于建立完整的拓撲圖，使路由器可以確定最佳路徑。2.1.2 交換交換算法相對而言較簡單，對大多數(shù)路由協(xié)議而言是相同的。多數(shù)情況下，某主機決定另一個主機發(fā)送數(shù)據(jù)，通過某些方法獲得路由器的地址后，源主機發(fā)送指向該路由器的物理地址的數(shù)據(jù)包，該數(shù)據(jù)包中的IP協(xié)議地址指向目的主機。路由器查看了數(shù)據(jù)包的目的地址后，確定是否知道如何轉(zhuǎn)發(fā)該包.如果路由器不知道如何轉(zhuǎn)發(fā)，通常就將之丟棄;如果路由器知道如何轉(zhuǎn)發(fā)，就把目的物理地址變成下一跳的物理地址并向之發(fā)送。下一跳可能是最終的目的主機或另一個路由器。當數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡中流動時，其物理地址在改變，但其IP地址始終不變。ISO定義了用于描述源系統(tǒng)與目的系統(tǒng)交換過程的分

23、層術語，在該術語中，沒有轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包能力的網(wǎng)絡設備稱為端系統(tǒng)(end system,ES)，有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)能力網(wǎng)絡設備稱為中介系統(tǒng)(intermediate system,IS)。IS又進一步被分成可在路由域內(nèi)通信的“域內(nèi)IS和可在路由域內(nèi)又可在域間通信的“域間IS。路由域通常被認為是通過統(tǒng)一的路由策略或路由協(xié)議互相交換路由信息的網(wǎng)絡，也稱為自治系統(tǒng)14。2.2 路由算法及協(xié)議路由算法在路由協(xié)議中起著至關重要的作用，采用何種算法往往決定了最終的路徑結果。通常需要綜合考慮以下幾個設計指標15(1)能量高效:傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議不僅要選擇能量消耗小的消息傳輸路徑，而且要從整個網(wǎng)絡的角度考慮，選擇使整個網(wǎng)絡

24、能量均衡消耗的路由。傳感器節(jié)點的資源有限，傳感器網(wǎng)絡的路由機制要能夠簡單而且高效地實現(xiàn)信息傳輸。(2)可擴展性:在無線傳感器網(wǎng)絡中，檢測區(qū)域防衛(wèi)或節(jié)點密度不同，造成網(wǎng)絡規(guī)模大小不同;節(jié)點失敗，新節(jié)點加入以及節(jié)點移動等，都會使得網(wǎng)絡拓撲結構動態(tài)發(fā)生變化，這就要求路由機制具有可擴展性，能夠適應網(wǎng)絡結構的變化。(3)魯棒性:路由算法處于非正常或不可預料的環(huán)境時，如硬件故障、負載過高或操作失誤時，都能正確運行。由于路由器分布在網(wǎng)絡連接點上，所以在它們出故障時會產(chǎn)生嚴重后果。最好的路由器算法通常能經(jīng)受時間的考驗，并在各種網(wǎng)絡環(huán)境可靠工作。(4)快速收斂性:收斂是在最佳路徑判斷上所有路由器達到一致的過程。

25、當某個網(wǎng)絡事件引起路由可用或不可用時，路由器就發(fā)出更新信息。路由更新信息遍及整個網(wǎng)絡，引發(fā)重新計算最佳路徑，最終達到所有路由器一致公認的最佳路徑。收斂慢的路由算法會造成路徑循環(huán)或網(wǎng)絡中斷。(5)靈活性:路由算法可以快速、準確地適應各種網(wǎng)絡環(huán)境。例如，某個網(wǎng)段發(fā)生故障，路由算法要能很快發(fā)現(xiàn)故障，并為使用該網(wǎng)絡段的所有路由選擇另一條最佳路徑。3 無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議研究路由協(xié)議負責將數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點通過網(wǎng)絡轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點，它主要包括兩個方面的功能:尋找源節(jié)點和目的節(jié)點間的優(yōu)化路徑，將數(shù)據(jù)分組沿著優(yōu)化路徑正確轉(zhuǎn)發(fā)。無線局域網(wǎng)等傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡的首要目標是提供高服務質(zhì)量和公平高效地利用網(wǎng)絡帶寬，這些網(wǎng)絡

26、路由協(xié)議的主要任務是尋找源節(jié)點到目的節(jié)點間通信延遲小的路徑，同時提高整個網(wǎng)絡的利用率，避免產(chǎn)生通信擁塞并均衡網(wǎng)絡流量等，而能量消耗問題不是這類網(wǎng)絡考慮的重點。在無線傳感器網(wǎng)絡中，節(jié)點能量有限且一般沒有能量補充，因此路由協(xié)議需要高效利用能量，同時傳感器網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)目往往很大，節(jié)點只能獲取局部拓撲結構信息，路由協(xié)議要能在局部網(wǎng)絡協(xié)議的基礎上選擇合適的路徑。傳感器網(wǎng)絡具有很強的應用相關性，不用應用中的路由協(xié)議可能差別很大，沒有一個通用的路由協(xié)議。此外，傳感器網(wǎng)絡的路由機制還經(jīng)常與數(shù)據(jù)融合技術聯(lián)系在一起，通過減少通信量而節(jié)省能量。因此，傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡的路由協(xié)議不適應無線傳感器網(wǎng)絡。3.1 無線傳感器網(wǎng)絡路

27、由協(xié)議需要解決的問題在無線傳感器網(wǎng)絡中，由于網(wǎng)絡內(nèi)節(jié)點資源有限，數(shù)據(jù)包的傳送需要通過多跳通信方式到達目的端，因此路由選擇算法是網(wǎng)絡層設計的一個主要任務。傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡的路由協(xié)議設計以避免網(wǎng)絡擁塞、保持網(wǎng)絡的連通性和提供高質(zhì)量網(wǎng)絡服務為主要目標。在路由實現(xiàn)過程中，首先利用網(wǎng)絡層定義的邏輯上的網(wǎng)絡地址(即IP地址)來區(qū)別不同節(jié)點以便實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，然后通過路由選擇算法決定到達目的地的最佳路徑。與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡相比，雖然WSN具有與無線自組網(wǎng)絡極為相似的特征，但在網(wǎng)絡特點、通信模型和數(shù)據(jù)傳輸需求方面卻與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡有著很大的不同。具體體現(xiàn)在以下幾個方面:(1)能量受限的無線移動終端WSN的一個重要特征就是

28、能量受限。網(wǎng)絡內(nèi)每個傳感器節(jié)點通常使用容量有限、不可更換的電源，節(jié)點的計算、通信、存儲能力也非常有限。(2)以數(shù)據(jù)為中心的通信方式無線傳感器網(wǎng)絡是以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡，類似于分布式的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫，要查詢的數(shù)據(jù)分布在全部或部分節(jié)點中。在WSN中，與以地址為中心的傳統(tǒng)通信方式不同，由于網(wǎng)內(nèi)節(jié)點數(shù)量大和節(jié)點布設的隨機性等特點，每個傳感器節(jié)點不需要使用全局唯一的標識或地址。舉例來說，在某個與溫度相關的無線傳感器網(wǎng)絡應用中，用戶并不關心第27號傳感器的溫度，而是關心諸如“當前溫度超過30度的區(qū)域位置”等某區(qū)域內(nèi)多個傳感器采集的綜合數(shù)據(jù)信息。(3)鄰居節(jié)點數(shù)據(jù)的相似性無線傳感器網(wǎng)絡相鄰節(jié)點監(jiān)測的可能是同一個事

29、件，如火災，從不同監(jiān)測點得到的數(shù)據(jù)具有較高的相似性。因此相鄰節(jié)點的數(shù)據(jù)存在信息冗余性，采用一定的數(shù)據(jù)融合方法可以有效地節(jié)省網(wǎng)絡資源。(4)面向特定的應用傳統(tǒng)網(wǎng)絡發(fā)展的趨勢是電信網(wǎng)、計算機網(wǎng)以及電視網(wǎng)的逐步融合，形成通用信息平臺以滿足各種應用需求。而在無線傳感器網(wǎng)絡中，傳感器節(jié)點和物理環(huán)境交互密切，WSN的通信構架及其所提供的服務都是針對每個特定的應用而設計的。WSN數(shù)據(jù)在傳輸過程中，中間傳感器節(jié)點需要針對特定應用，對來自其他節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)以及自身采集的數(shù)據(jù)進行融合、緩存和轉(zhuǎn)發(fā)。(5)頻繁變化的拓撲結構在WSN中，由于能量限制、環(huán)境干擾和人為破壞等因素的影響，傳感器節(jié)點會經(jīng)常損壞。由于節(jié)點的移動

30、或損壞，加上無線發(fā)射裝置發(fā)送功率的變化和信號之間的互相干擾等因素，網(wǎng)絡拓撲結構將頻繁變化。WSN的網(wǎng)絡特點和通信需求要求路由協(xié)議在設計過程中必須以節(jié)約能源為首要目標，并采用折中機制，使用戶可以在延長網(wǎng)絡存活時間和提高網(wǎng)絡吞吐量、降低通信延遲間做出選擇。而傳統(tǒng)網(wǎng)絡路由協(xié)議設計的首要目標是提供高的服務質(zhì)量和高效利用網(wǎng)絡帶寬，其次才考慮能量的節(jié)約。因此傳統(tǒng)路由協(xié)議不適合在WSN環(huán)境中運行，需要對其進行改進，提出適合應用于WSN網(wǎng)絡的路由協(xié)議。通過對WSN路由協(xié)議設計特點和設計目標的分析，不難看出，一個好的WSN網(wǎng)絡層路由協(xié)議設計應該滿足以下條件:為了高效地利用有限的網(wǎng)絡資源，盡可能壓縮不必要的開銷以

31、最大限度的延長網(wǎng)絡生存時間，路由協(xié)議的設計必須具備簡單性和節(jié)能性。為了盡可能減少無線傳感器網(wǎng)絡內(nèi)冗余信息的發(fā)送，節(jié)約有限的工作能源。路由協(xié)議的設計需要以數(shù)據(jù)為中心，具備數(shù)據(jù)融合能力。為了適應拓撲動態(tài)變化的網(wǎng)絡結構，提高系統(tǒng)的魯棒性，路由協(xié)議應該采用分布式運行方式。為了適應WSN節(jié)點數(shù)量多、網(wǎng)絡規(guī)模大和網(wǎng)絡易受損的特點，保證傳感器節(jié)點的隨時加入和退出不會影響到全局任務的正常執(zhí)行，路由協(xié)議的設計必須具備魯棒性和可擴展性。在可能的條件下，使設計的路由協(xié)議具有安全性，降低遭受攻擊的可能性。3.2 已有無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議的分類無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議可以從網(wǎng)絡結構和協(xié)議工作特性兩方面劃分(如圖3.1所

32、示)。無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議網(wǎng)絡拓撲結構劃分協(xié)議工作特性劃分平面性路由協(xié)議層次性路由協(xié)議基于地理位置路由查詢路由基于QOS路由基于多路徑路由基于協(xié)商的路由圖3.1 傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議分類3.3. 基于網(wǎng)絡結構劃分3.3.1 平面型路由協(xié)議在平面型路由協(xié)議中，每個傳感器節(jié)點有著相同的地位和作用，所有傳感器節(jié)點共同執(zhí)行收集信息的任務。由于節(jié)點數(shù)量的龐大，因此不可能為每個節(jié)點賦予一個全局的標號。該種路由協(xié)議適用于數(shù)據(jù)中心路由協(xié)議，由基站(Base Station)發(fā)送查詢到特定區(qū)域，之后等待該區(qū)域的節(jié)點收集該種信息。由于數(shù)據(jù)是通過查詢的方式獲得的，因此該種方式需要基于屬性的命名方法。該種協(xié)議比較典型

33、的有洪泛(Flooding)路由協(xié)議16、基于協(xié)商的路由協(xié)議SPIN17(Sensor Pr otocols for Information via Negotiation)和定向擴散協(xié)議18(Directed Diffusion)。這三種協(xié)議提出的許多設計思想對以后協(xié)議的設計具有重要的影響。洪泛(Flooding)路由協(xié)議。該協(xié)議是最早的一種無線傳輸協(xié)議，它不需要維護網(wǎng)絡拓撲結構和計算路由，接收到消息的節(jié)點以廣播的形式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包給所有的鄰居節(jié)點。洪泛路由協(xié)議實現(xiàn)簡單，是目前采用最廣的一種路由協(xié)議。但是，由于其轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的盲目性，帶來了“內(nèi)爆”和“重疊”現(xiàn)象。如圖3.2所示，A節(jié)點向B和C節(jié)點發(fā)

34、送DATA數(shù)據(jù)，B和C節(jié)點又向其鄰居節(jié)點D發(fā)送該DATA數(shù)據(jù)，因此，D節(jié)點在短時間內(nèi)收到兩個DATA數(shù)據(jù)。在有眾多節(jié)點的傳感器網(wǎng)絡中，由于各節(jié)點中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，因而造成傳輸數(shù)據(jù)成指數(shù)級增長。在圖3.3中，節(jié)點A感知區(qū)域為Q和R，節(jié)點B感知區(qū)域為R和S。節(jié)點A和B向節(jié)點C發(fā)送自身感知數(shù)據(jù)時，監(jiān)測區(qū)域R被發(fā)送了兩次，因此造成了數(shù)據(jù)冗余現(xiàn)象的產(chǎn)生。ABDCDATA圖3.2 洪泛中的“內(nèi)爆”現(xiàn)象CABRSQR,QR,S圖3.3 洪泛中的“重疊”現(xiàn)象SPIN是一類基于協(xié)商機制的自適應傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議。該類協(xié)議基于以下兩個基本思想設計:第一，各節(jié)點通過元數(shù)據(jù)進行協(xié)商，通過傳輸包含信息類型的元數(shù)據(jù)來減少數(shù)據(jù)傳輸

35、量；第二，改進了Flooding協(xié)議的監(jiān)測區(qū)域“重疊”問題和“信息爆炸”問題。SPIN類協(xié)議認為網(wǎng)絡中的每個節(jié)點都可以充當基站(Base Station)的角色。這使得用戶能夠查詢?nèi)我夤?jié)點的內(nèi)容，快速獲得自身需要的信息。該協(xié)議利用網(wǎng)絡中相鄰節(jié)點具有相似數(shù)據(jù)的特性。SPIN-1有三種類型的消息幀(如圖3.4所示)，ADV,REQ和DATA.ADV用于新數(shù)據(jù)廣播。當一個節(jié)點有數(shù)據(jù)可共享時，它可用ADV數(shù)據(jù)包對外廣播；REQ用于請求發(fā)送數(shù)據(jù)。當一個節(jié)點希望接收DATA數(shù)據(jù)包時，發(fā)送REQ數(shù)據(jù)包；DATA包含元數(shù)據(jù)和采集數(shù)據(jù)。SPIN-2協(xié)議和SPIN-1協(xié)議類似，不同的是增加了能量約束，如果節(jié)點的能

36、量的低于某個臨界值，則其不參加廣播等活動。關于其它SPIN協(xié)議如下:SPIN-BC:適用于廣播信道。SPIN-PP:適用于點對點通信，采用單跳路由。SPIN-EC:適用于點對點通信，采用能量約束機制。SPIN類協(xié)議的優(yōu)點在于由于該類協(xié)議只需要局部信息，而不需要全局拓撲信息，因此能夠適用于拓撲結構變化的網(wǎng)絡。另外，該協(xié)議與Flooding協(xié)議相比，由于使用了協(xié)商機制，減少了冗余數(shù)據(jù)的發(fā)送量，因此節(jié)省了能量。DATAREQADVADVADVADVREQREQREQDATADATADATAaedcbf圖3.4 SPIN協(xié)議工作過程示意圖定向擴散(Directed Difusion)是一種新的以數(shù)據(jù)為

37、中心的通信模型。其突出特點是引入了梯度來描述網(wǎng)絡中間節(jié)點對該方向繼續(xù)搜索獲得匹配數(shù)據(jù)的可能性。該協(xié)議要求傳感器節(jié)點產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)均以屬性一值對命名。通過將來自不同源節(jié)點的數(shù)據(jù)聚集再重新路由來達到消除冗余和最大程度降低數(shù)據(jù)傳輸量的目的。該協(xié)議創(chuàng)建源節(jié)點到單一目的節(jié)點的多條路徑，增加了數(shù)據(jù)的可靠性18。在定向擴散協(xié)議中，傳感器節(jié)點測量事件的發(fā)生，并在其相應的鄰居節(jié)點之間建立梯度(Gradients)信息?；就ㄟ^廣播興趣(Interest)消息來獲得需要的數(shù)據(jù)。興趣消息描述傳感器網(wǎng)絡所要完成的工作，該消息通過網(wǎng)絡節(jié)點單跳擴散(hop-by-hop)傳播。與此同時，梯度被建立指向發(fā)送該消息(inte

38、rest)的節(jié)點。如當基站通過發(fā)送興趣消息來查詢特定數(shù)據(jù)，接收到該興趣的傳感器節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)該興趣消息。最終，每一個接收到該興趣消息的傳感器節(jié)點都建立了一條指向發(fā)送興趣消息節(jié)點方向的梯度。該過程一直進行，直到從源節(jié)點到目的節(jié)點建立了一條完整的梯度路徑。工作過程詳見圖3.5所示。與前面提到的SPIN類協(xié)議相比，定向擴散協(xié)議有兩點不同。第一，定向擴散協(xié)議著重于需求數(shù)據(jù)的查詢，這通過以Flooding的形式傳播查詢來實現(xiàn);而在SPIN類協(xié)議中，傳感器節(jié)點廣播自身允許其它節(jié)點查詢的數(shù)據(jù)信息。第二，在定向擴散中，相鄰節(jié)點在進行數(shù)據(jù)傳送時能夠進行數(shù)據(jù)緩沖與數(shù)據(jù)融合；而在SPIN類協(xié)議中，不需要維持定向擴散協(xié)議中

39、的全局網(wǎng)絡拓撲信息。另外，由于定向擴散協(xié)議是基于查詢驅(qū)動的協(xié)議因此不能用于要求傳送持續(xù)性數(shù)據(jù)的應用。abc事件區(qū)域左側(cè)首節(jié)點都為源節(jié)點右側(cè)末節(jié)點都為匯聚節(jié)點圖3.5 定向擴散協(xié)議工作過程示意圖除以上兩種平面路由協(xié)議外，謠傳路由協(xié)議也是比較重要的平面路由協(xié)議。謠傳(Rumor)路由主要用于不能獲得地理位置信息的環(huán)境。通常情況下，當沒有節(jié)點位置限制時，定向擴散協(xié)議廣播查詢信息到整個網(wǎng)絡。但在查詢節(jié)點少量數(shù)據(jù)信息的情況下，通過Flooding方式向整個網(wǎng)絡廣播查詢需要浪費大量的能量。在事件信息較小而查詢信息較多時，可以采用廣播事件(Event)信息的方法來代替廣播查詢(Query)信息。謠傳路由協(xié)議

40、的思想就是路由查詢信息到特定節(jié)點，這些節(jié)點己經(jīng)獲得了特定的事件，而不是采用向整個網(wǎng)絡廣播查詢的方法來獲得特定的事件。為了通過向整個網(wǎng)絡廣播事件，需要產(chǎn)生一個特定的信息包(Agent)。該包在整個網(wǎng)絡內(nèi)傳輸本地局部的事件信息。當某個節(jié)點產(chǎn)生關于某個事件的查詢時，事件表內(nèi)已經(jīng)存儲該信息的節(jié)點就會響應該查詢，這就避免了路由整個網(wǎng)絡的能量消耗。該路由協(xié)議僅僅維持從源節(jié)點到目的節(jié)點的一條路徑，而前面提到的定向擴散協(xié)議可以通過多條路徑傳送信息。如圖3.6(a)所示，節(jié)點A的探測區(qū)域內(nèi)，發(fā)生了Eventl事件。節(jié)點A將該事件封裝成Agent消息包的形式向網(wǎng)絡中的B傳送，B之后向C轉(zhuǎn)發(fā)該Agent消息包，C又

41、向D轉(zhuǎn)發(fā)該消息包。經(jīng)過該過程，網(wǎng)絡中的節(jié)點B.C和D的事件表里都有了Eventl事件和該事件發(fā)生的路徑。在圖3.6(b)中，當節(jié)點E向D節(jié)點發(fā)送Eventl事件的查詢，D節(jié)點會反饋給E節(jié)點Eventl事件發(fā)生的路徑(圖3.6(c).經(jīng)過該過程，Eventl事件的發(fā)生路徑就己經(jīng)被建立起來了(圖3.6(d).圖3.6 謠傳路由協(xié)議工作過程3.3.2 層次型路由協(xié)議層次路由協(xié)議又稱為分級路由協(xié)議，其基本思想是選一定數(shù)量的節(jié)點作為簇頭CH(Cluster Head)節(jié)點，簇頭節(jié)點通常具有較高的能量，負責其所在區(qū)域的內(nèi)信息的處理和轉(zhuǎn)發(fā):其它節(jié)點為非簇頭節(jié)點NCH(Non Cluster Head)，用于

42、對監(jiān)控對象周圍的數(shù)據(jù)信息采集工作。因此，在該層次化結構中，各個節(jié)點之間不是平等的關系。另外，該類協(xié)議通常在CH節(jié)點進行數(shù)據(jù)的匯集和融合，減少網(wǎng)絡中需要傳送的數(shù)據(jù)量，以節(jié)省能量.層次路由協(xié)議通常有兩個主要工作過程:一是創(chuàng)建簇過程，即通過某種具體策略選擇CH節(jié)點，該CH節(jié)點和其管理的NCH節(jié)點共同構成簇結構;一是數(shù)據(jù)匯集、融合和轉(zhuǎn)發(fā)過程，即NCH節(jié)點收集特定區(qū)域內(nèi)的事件信息，并將該信息發(fā)送給CH節(jié)點，CH節(jié)點在對收集的NCH節(jié)點的數(shù)據(jù)進行融合后，轉(zhuǎn)發(fā)給其它CH節(jié)點或直接發(fā)送給基站(BS)。層次路由協(xié)議首先解決了傳感器網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)目龐大的問題。隨著節(jié)點密度的增加，單層網(wǎng)絡結構會引起網(wǎng)關(Gateway

43、)節(jié)點的能量消耗過大，而通過分簇的方法，可以有效的解決該問題。另外，單層網(wǎng)絡由于傳輸路徑經(jīng)過節(jié)點個數(shù)較多(即跳數(shù)較多)，這就使網(wǎng)絡傳輸延時較大，對于一些實時性網(wǎng)絡，不能及時探測、追蹤重要事件的發(fā)生。層次路由協(xié)議主要有低能量自適應聚類LEACHE(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)路由協(xié)議19、敏感閾值能量有效路由TEENE(Threshold Sensitive Energy Efficient Sensor Network Protocol)協(xié)議、周期性自適應敏感閾值能量有效路由APTEEN(Adaptive Periodic Threshol

44、d-Sensitive Energy Efficient sensor Network Protocol)協(xié)議20、能量有效性數(shù)據(jù)收集路由協(xié)議PEGASIS(Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems)21等。下面分別介紹這些協(xié)議。LEACH是基于聚類的分布式路由協(xié)議(如圖3.7所示)，該協(xié)議隨機選擇一些傳感器節(jié)點作為簇頭CH(Cluster Head)節(jié)點，并采用輪換CH節(jié)點的方式平均能量消耗.在LEACH協(xié)議中，CH節(jié)點對從其它節(jié)點收集的數(shù)據(jù)進行壓縮以減少需要傳送的數(shù)據(jù)，然后發(fā)送給基站BS(Base Station)。經(jīng)過

45、一段固定的時間間隔后，又會隨機選擇一定的節(jié)點作為新的CH節(jié)點。由于該協(xié)議采用的分布式的數(shù)據(jù)收集方式，并且NCH節(jié)點間隔性的工作，因此適用于對某個地區(qū)進行長時間的監(jiān)控19。LEACH協(xié)議的工作過程分為兩個階段，建立階段和穩(wěn)定階段。在建立階段，建立簇結構，選擇簇頭；在穩(wěn)定階段，將數(shù)據(jù)傳送到基站。為了節(jié)省能量，穩(wěn)定階段應該比建立階段持續(xù)更長的時間。簇Nch節(jié)點Ch節(jié)點Sink節(jié)點監(jiān)控區(qū)域圖3.7 LEACH協(xié)議分簇示意圖建立簇過程中，預先確定一個p值，該值表示簇頭節(jié)點的百分比。傳感器節(jié)點隨機產(chǎn)生一個在0和1之間的r值。如果r小于閩值T(n)，則節(jié)點變?yōu)楫斍拜喌拇仡^節(jié)點(閾值是根據(jù)期望簇頭的百分比計算

46、出來的)。如式3.1所示， (3.1)其中，T(n)為第n個節(jié)點在第r輪成為CH的概率，P為CH節(jié)點占總節(jié)點數(shù)的百分比，r為當前輪數(shù)，G為在前1/P輪中未充當CH節(jié)點的集合。該協(xié)議使用TDMA/CDMA的MAC層協(xié)議來減少簇內(nèi)和簇間的通信碰撞。在穩(wěn)定階段，NCH節(jié)點在MAC層以時分多路TDMA(Time Division Multiple Access)的形式向CH節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。CH節(jié)點對這些數(shù)據(jù)進行處理，在每幀結束時以載波監(jiān)聽多路訪問CSMA(Carrier Sense Multiple Access)的方式將其轉(zhuǎn)發(fā)給基站BS(Base Station)。LEACH協(xié)議的特點:第一，LEAC

47、H采用的MAC協(xié)議減少了NCH節(jié)點的能量消耗。其采用的TDMA機制使NCH節(jié)點在屬于自己的時間片內(nèi)向CH節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，而在其它時間內(nèi)處于休眠狀態(tài)。第二，LEACH是一種自組織協(xié)議。由于CH節(jié)點消耗的能量較大，因此采用隨機選取CH節(jié)點的方式平均能量消耗。第三，LEACH中所有的節(jié)點的結構和能量相同，更容易在實際中應用。第四，LEACH協(xié)議中的穩(wěn)定階段要比建立簇階段長的多。LEACH雖然有以上優(yōu)點，但也存在如下缺點。第一，由于按照一定的概率選擇簇頭，因此實際的簇頭數(shù)量并不是一個確定的值。第二，由于簇在形成過程中是自適應分布式的，因此簇頭并不是網(wǎng)絡中最優(yōu)的節(jié)點。針對以上問題，Heinzelman等人

48、提出了LEACH-C協(xié)議。LEACH協(xié)議是分布式的路由協(xié)議，而LEACH-C協(xié)議是集中式的路由協(xié)議。LEACH-C協(xié)議采用模擬退火(Simulated Annealing Approach)的方法，按照與節(jié)點剩余能量有關的概率公式，選取k個最優(yōu)的CH節(jié)點來構建聚類。該協(xié)議與LEACH相比有效提高了基站接收到的數(shù)據(jù)量，延長了網(wǎng)絡的生命周期。但由于采用集中式控制方式，各節(jié)點都要與基站進行通信，因此不能應用于大規(guī)模的傳感器網(wǎng)絡19。能量有效性數(shù)據(jù)收集協(xié)議典型的是PEGASIS。該協(xié)議采用鏈式傳輸數(shù)據(jù)的方式(如圖3.8所示)，每個傳感器節(jié)點從鄰居節(jié)點傳送和接收數(shù)據(jù)，在該該條數(shù)據(jù)鏈中僅有一個節(jié)點與Sin

49、k節(jié)點進行通信。節(jié)點收集的數(shù)據(jù)沿著數(shù)據(jù)鏈路逐條傳輸。在傳輸過程中，接收該數(shù)據(jù)的節(jié)點將數(shù)據(jù)進行融合后，發(fā)送個該鏈路的下一個節(jié)點，直到數(shù)據(jù)最后傳送的Sink節(jié)點。該協(xié)議主要有兩點提高:一是由于采用鏈式傳輸路徑，節(jié)點只需與最近的鄰居節(jié)點進行通信；二是節(jié)點通信過程廣泛采用了數(shù)據(jù)融合技術21。雖然與LEACH協(xié)議相比，該協(xié)議有效地延長了網(wǎng)絡的生命周期，但是由于其采用鏈式傳輸路由，導致傳輸延遲很大。另外，由于采用單個鏈路的結構，如果該路徑中有一個節(jié)點由于某種原因而發(fā)生故障，則該節(jié)點就會變成網(wǎng)絡傳輸?shù)钠款i，這種影響直到新的一輪開始重新構成鏈路時才能夠消除。SINK節(jié)點傳感器節(jié)點圖3.8 PEGASIS協(xié)議中

50、的鏈式傳輸Hierarchical-PEGASIS協(xié)議擴展了PEGASIS協(xié)議，并有效地解決了以上問題。Hierarchical-PEGASIS協(xié)議形成數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉湫谓Y構，下層節(jié)點向上層節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)，最后到達根節(jié)點基站BS。由于該協(xié)議采用了多層鏈式傳輸?shù)慕Y構，因此有效地解決了由于跳數(shù)過多造成數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t過大的問題。敏感閩值能量有效路由TEEN(Threshold Sensitive Energy Efficient Sensor Network Protocol)協(xié)議(如圖3.9所示)。TEEN是一種應用于實時系統(tǒng)的協(xié)議。在TEEN協(xié)議中，傳感器節(jié)點持續(xù)地感知數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)是間歇性的傳送。該協(xié)

51、議最重要的特點是有兩個參數(shù):硬實時值(Hard Threshold)和軟實時值(Soft Threshold)。硬實時值表示傳感數(shù)據(jù)的屬性值;軟實時值表示傳感數(shù)據(jù)的改變值。當傳感到的數(shù)據(jù)在硬實時值的范圍內(nèi)或傳感到的數(shù)據(jù)發(fā)生變化的范圍超過軟實時值時才進行傳輸。這樣就減少了傳感到的數(shù)據(jù)量。基站多級簇頭一級簇頭傳感器節(jié)點圖3.9 TEEN和APTEEN協(xié)議的層次聚類在簇建立后，簇頭節(jié)點廣播這兩個值。在簇傳輸數(shù)據(jù)過程中，如果想調(diào)節(jié)接收到的數(shù)據(jù)量，可以動態(tài)地更改這兩個值，將其發(fā)送給非簇頭節(jié)點。周期性自適應敏感闡值能量有效路由APTEEN(Adaptive Periodic Threshold-Sensi

52、tive Energy Eficient sensor Network Protocol)協(xié)議。APTEEN協(xié)議是對TEEN協(xié)議的擴展，該協(xié)議的目的是為了能夠感知間隔性的數(shù)據(jù)。在簇頭形成以后，廣播兩種實時值，并傳送調(diào)度信息到非簇頭節(jié)點。該協(xié)議支持三種不同的類型的查詢方式:歷史信息查詢，分析已接收到的數(shù)據(jù)；一次查詢，對整個網(wǎng)絡進行一次快速的狀態(tài)查詢；階段查詢，對某一事件進行一段時間的探測。APTEEN協(xié)議是主動式與被動式網(wǎng)絡的結合，其性能介于LEACH和TEEN協(xié)議之間。TEEN和APTEEN協(xié)議共同的缺點是簇的形成過程需要消耗一定的能量，并且隨著簇層次的增加，這種消耗會更加明顯。與平面路由協(xié)議

53、相比，層次路由協(xié)議由于采用簇頭轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的方法，因此傳輸鏈路經(jīng)過的跳數(shù)較少，網(wǎng)絡延時較小。對于大規(guī)模的傳感器網(wǎng)絡，層次路由協(xié)議能耗均勻，信道分配公平，但建立簇結構需要一定的能量開銷，部分協(xié)議的實現(xiàn)較為復雜。實際應用中，應根據(jù)具體需要選擇相應的協(xié)議。3.3.3 基于地理位置信息的路由協(xié)議很多傳感器網(wǎng)絡的路由協(xié)議都需要節(jié)點的位置信息。位置信息被用來計算兩個特定節(jié)點之間的距離，以此來確定兩點之間傳送一定數(shù)據(jù)所消耗的能量。各個相鄰節(jié)點可以通過交換彼此信息來獲得彼此的位置。節(jié)點的位置信息可以通過安裝GPS來獲得，對于靜態(tài)的傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點，GPS只在該網(wǎng)絡開始工作前確認自身位置信息，在工作中并不需要花費

54、能量更新其位置信息.該類協(xié)議較著名的是GEAR協(xié)議。能量位置意識路由GEARE(Geogaphicand Energy Aware Routing)。GEAR應用節(jié)點地理位置信息，使用啟發(fā)式方法選擇鄰居節(jié)點，發(fā)送數(shù)據(jù)到目標區(qū)域。通過將整個網(wǎng)絡化分成很多局部的區(qū)域，通過在各個局部區(qū)域之間傳輸數(shù)據(jù)而限制了在整個網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)的傳輸。數(shù)據(jù)包傳感器節(jié)點圖3.10 GEAR協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸示意圖GEAR協(xié)議的工作過程(見圖3.10所示)。具體過程分為兩個階段:目標域數(shù)據(jù)傳送和域內(nèi)數(shù)據(jù)傳送。在目標域數(shù)據(jù)傳送階段，節(jié)點將鄰接點與目標區(qū)域的距離和它自己與目標區(qū)域的距離相比教，若存在最小距離，選擇該最小距離的鄰接點作

55、為下一跳節(jié)點;若不存在更小距離，則存在空洞(Hole)，即鄰接點比節(jié)點自身距離更遠，節(jié)點根據(jù)鄰居節(jié)點的最小花銷來選擇下一跳節(jié)點。域內(nèi)數(shù)據(jù)傳送階段，數(shù)據(jù)包到達指定區(qū)域后直接洪泛尋找目標傳送數(shù)據(jù)。GEAR協(xié)議減少了中間節(jié)點的數(shù)量，降低了路由建立和數(shù)據(jù)傳送的開銷，有效地提高了網(wǎng)絡的性能，但其工作必須依賴GPS系統(tǒng)。3.4 基于工作特性劃分3.4.1 基于多路徑的路由協(xié)議在傳感器網(wǎng)絡中，如果頻繁使用同一條路徑傳輸數(shù)據(jù)，會造成該條路徑上的節(jié)點由于能量消耗過快而過早失效，使網(wǎng)絡中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不能成功地傳輸?shù)侥康墓?jié)點。而如果在源節(jié)點和目標節(jié)點之間建立多跳路徑，根據(jù)路徑上節(jié)點的通信能力和剩余能量情況，為每條路徑

56、給定一定的概率值，這樣使得數(shù)據(jù)傳輸能夠均勻消耗網(wǎng)絡的能量值。這就是多路徑路由協(xié)議的基本思想。典型的多路徑協(xié)議有MDR和HREEMR兩種。多路徑分為兩種:一種是路徑之間無交點的是Disjoint Multipath(如圖3.11所示)；一種是路徑之間有交點的Braided Multipath(如圖3.12所示)?？梢愿鶕?jù)網(wǎng)絡實際所處的環(huán)境來決定使用哪種多路徑方法。對于出錯概率較大的網(wǎng)絡，可以選擇Disjoint Multipath；對于出錯概率相對較小的網(wǎng)絡，選擇Braided Multipath。具體過程分為路徑建立、數(shù)據(jù)傳輸和路由維護三個階段。路徑建立階段是該類協(xié)議的重點。在路徑建立階段，每

57、個節(jié)點都要知道下一跳節(jié)點，并計算選擇下一跳節(jié)點的概率。概率的計算由通信代價公式來計算。不同的協(xié)議通信代價公式不同22。源節(jié)點目的節(jié)點圖3.11 Disjoint Multipath示意圖源節(jié)點目的節(jié)點圖3.12 Braided Multipath示意圖也可以根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路徑的數(shù)量將待轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)分為P份，即為每條路徑只發(fā)送全部數(shù)據(jù)的一部分，每份的大小與路徑跳數(shù)和節(jié)點能量有關，在目標節(jié)點再將收到的P份數(shù)據(jù)進行組合，這樣就可以得到與原數(shù)據(jù)相同的新數(shù)據(jù)。如果某一條路徑形成斷路，不需要重發(fā)全部數(shù)據(jù)，只需發(fā)送有問題的部分數(shù)據(jù)，這樣就節(jié)省了能量。多路徑傳輸雖然會提高數(shù)據(jù)發(fā)送的成功率，但建立多路徑需要一定的時間，會造成數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r。3.4.2 基于查詢的路由