第6章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

6.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡介6.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)及協(xié)議系統(tǒng)結(jié)構(gòu)6.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議6.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議6.5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)6.6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)6.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡介6.1.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述

無線傳感器網(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)用將會給人類的生活和生產(chǎn)的各個領(lǐng)域帶來深遠影響。2001年1月《MIT技術(shù)評論》將無線傳感器列于十種改變未來世界的新興技術(shù)之首。2003年8月，《商業(yè)周刊》預(yù)測：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將會在不遠的將來掀起新的產(chǎn)業(yè)浪潮。

2004年《IEEESpectrum》雜志發(fā)表一期專集：傳感器的國度，論述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和可能的廣泛應(yīng)用。在我國未來20年預(yù)見技術(shù)的調(diào)查報告中，信息領(lǐng)域157項技術(shù)課題有七項與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)直接相關(guān)。2006年初發(fā)布的《國家中長期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》為信息技術(shù)確定了三個前沿方向，其中兩個與無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，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究與應(yīng)用是一種必然趨勢，它的出現(xiàn)將會給人類社會帶來極大的變革。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了微電子技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等先進技術(shù)，能夠協(xié)同地實時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對其進行處理，處理后的信息通過無線方式發(fā)送，并以自組多跳的網(wǎng)絡(luò)方式傳送給觀察者。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以定義為：由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網(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)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者?？梢钥闯觯瑐鞲衅?、感知對象和觀察者是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個基本要素。這三個要素之間通過無線網(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無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點目前常見的無線網(wǎng)絡(luò)包括移動通信網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、藍牙網(wǎng)絡(luò)、Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)等，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在通信方式、動態(tài)組網(wǎng)以及多跳通信等方面有許多相似之處，但同時也存在很大的差別。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有許多鮮明的特點：

(1)電源能量有限。傳感器節(jié)點體積微小，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，所以傳感器節(jié)點通過更換電池的方式來補充能源是不現(xiàn)實的。如何在使用過程中節(jié)省能源，最大化網(wǎng)絡(luò)的生命周期，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的首要挑戰(zhàn)。

(2)通信能量有限。無線傳感器網(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。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)更多地受到高山、建筑物、障礙物等地勢、地貌以及風(fēng)雨雷電等自然環(huán)境的影響，傳感器可能會長時間脫離網(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，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)之一。

(3)傳感器節(jié)點的能量、計算能力和存儲能力有限。傳感器節(jié)點是一種微型嵌入式設(shè)備，要求它價格低、功耗小，這些限制必然導(dǎo)致其攜帶的處理器能力比較弱，存儲器容量比較小。為了完成各種任務(wù)，傳感器節(jié)點需要完成監(jiān)測數(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)點的任務(wù)請求和節(jié)點控制等多種工作。如何利用有限的計算和存儲資源完成諸多協(xié)同任務(wù)已成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的挑戰(zhàn)。

(4)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大，分布廣。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點分布密集，數(shù)量巨大，可能達到幾百、幾千萬，甚至更多。此外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以分布在很廣泛的地理區(qū)域。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的這一特點使得網(wǎng)絡(luò)的維護十分困難甚至不可維護，因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟、硬件必須具有高強壯性和容錯性，以滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的功能要求。

(5)自組織、動態(tài)性網(wǎng)絡(luò)。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，節(jié)點通常被放置在沒有基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的地方。傳感器節(jié)點的位置不能預(yù)先精確設(shè)定，節(jié)點之間的相互鄰居關(guān)系預(yù)先也不知道，而是通過隨機布撒的方式。這就要求傳感器節(jié)點具有自組織能力，能夠自動進行配置和管理，通過拓撲控制機制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自動形成轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)控數(shù)據(jù)的多跳無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。同時，由于部分傳感器節(jié)點能量耗盡或環(huán)境因素造成失效，以及經(jīng)常有新的節(jié)點加入，或是網(wǎng)絡(luò)中的傳感器、感知對象和觀察者這三要素都可能具有移動性，這就要求無線傳感器網(wǎng)絡(luò)必須具有很強的動態(tài)性，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化。

(6)傳感器節(jié)點具有數(shù)據(jù)融合能力。與Mesh網(wǎng)絡(luò)相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)少、可移動、重能源；與無線Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)量多、密度大、易受損、拓撲結(jié)構(gòu)頻繁、廣播式點對多通信、節(jié)點能量和計算能力受限。

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

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

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

圖6.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成

2．無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點結(jié)構(gòu)節(jié)點同時具有傳感、信息處理和進行無線通信及路由的功能。對于不同的應(yīng)用環(huán)境，節(jié)點的結(jié)構(gòu)也可能不一樣，但它們的基本組成部分是一致的。一個節(jié)點通常包含傳感器、微處理器、存儲器、A/D轉(zhuǎn)換接口、無線發(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、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊四個部分。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖6.2所示。傳感器模塊負責(zé)信息采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；處理器模塊控制整個傳感器節(jié)點的操作，處理本身采集的數(shù)據(jù)和其他節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)，運行高層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；無線通信模塊負責(zé)與其他傳感器節(jié)點進行通信；能量供應(yīng)模塊為傳感器節(jié)點提供運行所需的能量，通常是微型蓄電池。

圖6.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點結(jié)構(gòu)

3．無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6.3所示。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用支撐層、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施和基于無線傳感器網(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線傳感器網(wǎng)絡(luò)的中間件和平臺軟件。其中：應(yīng)用支撐層支持應(yīng)用業(yè)務(wù)層為各個應(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層次的保障。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的中間件和平臺軟件主要分為四個層次：網(wǎng)絡(luò)適配層、基礎(chǔ)軟件層、應(yīng)用開發(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)軟件層組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點嵌入式軟件(部署在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中)的體系結(jié)構(gòu)，應(yīng)用開發(fā)層和基礎(chǔ)軟件層組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用支撐結(jié)構(gòu)(支持應(yīng)用業(yè)務(wù)的開發(fā)與實現(xiàn))。在網(wǎng)絡(luò)適配層中，網(wǎng)絡(luò)適配器是對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)底層(無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施、無線傳感器操作系統(tǒng))的封裝。基礎(chǔ)軟件層包含無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的各種中間件。這些中間件構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺軟件的公共基礎(chǔ)，并提供了高度的靈活性、模塊性和可移植性。圖6.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無線傳感器網(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：完成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的各種配置工作，例如路由配置、拓撲結(jié)構(gòu)的調(diào)整等。

(3)功能中間件：完成無線傳感器網(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：為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用業(yè)務(wù)實現(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：為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用業(yè)務(wù)實現(xiàn)各種安全功能，例如安全管理、安全監(jiān)控和安全審計。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的中間件和平臺軟件采用層次化、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)用開發(fā)的簡單，而中間件技術(shù)能夠更簡單、明了地滿足應(yīng)用的需要。一方面，中間件提供滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)個性化應(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，中間件通過整合，使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用只需面對一個可以解決問題的軟件平臺，因而以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的中間件和平臺軟件的靈活性、可擴展性保證了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全性，提高了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)管理能力和能量效率，降低了應(yīng)用開發(fā)的復(fù)雜性。

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

(1)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點數(shù)目眾多，這就對傳感器網(wǎng)絡(luò)的可擴展性提出了要求，由于傳感器節(jié)點的數(shù)目多、開銷大，傳感器網(wǎng)絡(luò)通常不具備全球唯一的地址標(biāo)識，這使得傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層相對于一般網(wǎng)絡(luò)而言有很大的簡化。

(2)自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)最大的特點就是能量受限，傳感器節(jié)點受環(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)計時，節(jié)能是設(shè)計時的主要考慮目標(biāo)之一。

(3)由于傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的環(huán)境的特殊性，無線信道不穩(wěn)定以及能源受限的特點，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點受損的概率遠大于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，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)的損壞不會影響全局任務(wù)的進行。

(4)傳感器節(jié)點高密度部署，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)變化快。這對拓撲結(jié)構(gòu)的維護也提出了挑戰(zhàn)。根據(jù)以上特性分析，傳感器網(wǎng)絡(luò)需要根據(jù)用戶對網(wǎng)絡(luò)的需求設(shè)計適應(yīng)自身特點的網(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、移動性管理和任務(wù)管理方面獲得綜合考慮的最優(yōu)設(shè)計。圖6.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信體系結(jié)構(gòu)6.2.2無線傳感器網(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：物理層負責(zé)數(shù)據(jù)的調(diào)制、發(fā)送與接收。該層的設(shè)計將直接影響到電路的復(fù)雜度和能耗。對于距離較遠的無線通信來說，從實現(xiàn)的復(fù)雜性和能量的消耗來考慮，代價都是很高的。物理層的研究目標(biāo)是設(shè)計低成本、低功耗、小體積的傳感器節(jié)點。在物理層面上，無線傳感器網(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)鏈路層負責(zé)數(shù)據(jù)成幀、幀檢測、差錯控制以及無線信道的使用控制，減少因鄰居節(jié)點廣播所引起的沖突，解決信道的多路傳輸問題。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、介質(zhì)的訪問和錯誤控制，它保證了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中點到點或一點到多點的可靠連接。

(3)路由層(又稱網(wǎng)絡(luò)層)：路由層實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合，負責(zé)路由生成和路由選擇。它關(guān)心的是對傳輸層提供的數(shù)據(jù)進行路由。大量的傳感器節(jié)點散布在監(jiān)測區(qū)域中，需要設(shè)計一套路由協(xié)議來供采集數(shù)據(jù)的傳感器節(jié)點和基站節(jié)點之間的通信使用。

(4)傳輸控制層：傳輸控制層負責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制，協(xié)作維護數(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。但無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的資源受限、錯誤率高、拓撲結(jié)構(gòu)動態(tài)變化的特點將嚴(yán)重影響TCP協(xié)議的性能。

(5)應(yīng)用層：基于檢測任務(wù)，在應(yīng)用層上開發(fā)和使用不同的應(yīng)用層軟件。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用支撐服務(wù)包括時間同步和節(jié)點定位。其中，時間同步服務(wù)為協(xié)同工作的節(jié)點同步本地時鐘；節(jié)點定位服務(wù)依靠有限的位置已知節(jié)點(信標(biāo))，確定其他節(jié)點的位置，在系統(tǒng)中建立起一定的空間關(guān)系。圖6.5中右側(cè)部分不是獨立的模塊，它們的功能滲透到各層中，如能量、安全、移動，在各層設(shè)計實現(xiàn)中都要考慮；而拓撲管理主要是為了節(jié)約能量，制定節(jié)點的休眠策略，保持網(wǎng)絡(luò)暢通；網(wǎng)絡(luò)管理主要是實現(xiàn)在傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下對各種資源的管理，為上層應(yīng)用服務(wù)的執(zhí)行提供一個集成的網(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無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議棧6.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議媒體訪問控制協(xié)議簡稱MAC(MediumAccessControl)協(xié)議，處于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的底層部分，以解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點以怎樣的規(guī)則共享媒體才能保證滿意的網(wǎng)絡(luò)性能問題。MAC協(xié)議對傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能有較大影響，是保證無線傳感器網(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)前主流的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，但它們各自的MAC協(xié)議不適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。GSM和CDMA中的介質(zhì)訪問控制主要關(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)點具有高度移動性的環(huán)境中建立彼此間的鏈接，同時兼顧一定的QoS要求，功耗也不是其首要關(guān)心的。而無線傳感器網(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)無線信道隨機競爭接入方式(CSMA)：節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)時采用隨機方式使用無線信道，典型的如采用載波監(jiān)聽多路訪問(CSMA)的MAC協(xié)議，需要注意隱藏終端和暴露終端問題，盡量減少節(jié)點間的干擾。

(2)無線信道時分復(fù)用無競爭接入方式(TDMA)：采用時分復(fù)用(TDMA)方式給每個節(jié)點分配了一個固定的無線信道使用時段，可以有效避免節(jié)點間的干擾。

(3)無線信道時分/頻分/碼分等混合復(fù)用接入方式(TDMA/FDMA/CDMA)：通過混合采用時分和頻分或碼分等復(fù)用方式，實現(xiàn)節(jié)點間的無沖突信道分配策略。

6.3.1基于競爭的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議基于競爭的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的基本思想是當(dāng)節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，通過競爭方式使用無線信道，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采用的是二進制退避重傳機制)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作為典型的競爭型介質(zhì)訪問控制協(xié)議，廣泛應(yīng)用在無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境以作為無線節(jié)點的MAC協(xié)議。由于無線網(wǎng)絡(luò)使用的傳輸媒介屬于開放式共享資源，移動節(jié)點要傳輸時必須完全占用傳輸媒介才能運作，因此，IEEE802.11采用了載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測(CSMA/CA)的方式來爭奪傳輸媒介，只有獲得信道的節(jié)點才能進行數(shù)據(jù)傳輸。但是CSMA/CA的運作方式需要節(jié)點長期監(jiān)聽信道，顯然，對于傳感器節(jié)點來說會消耗相當(dāng)多的能源，另外CSMA/CA傾向支持獨立的點到點通信業(yè)務(wù)，容易導(dǎo)致臨近網(wǎng)關(guān)的節(jié)點獲得更多的通信機會，而抑制多跳業(yè)務(wù)流量，因此，IEEE802.11協(xié)議不能直接應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。在各種類型的WSNMAC協(xié)議中，對基于IEEE802.11競爭型協(xié)議的研究和改進居多，各學(xué)者也不斷提出新的改進思路。基于競爭的MAC協(xié)議具有良好的擴展性，且不要求嚴(yán)格的時鐘同步，但它們對接收節(jié)點的考慮相對較少。在節(jié)省節(jié)點能量和增大消息延遲之間需要權(quán)衡。基于競爭的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)之間進行折中。競爭型的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爭型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爭的MAC協(xié)議。

1．帶沖突避免的載波監(jiān)聽多路訪問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)點無序地爭用無線信道，提出了CSMA/CA協(xié)議，它主要是應(yīng)用于無線局域網(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)點監(jiān)聽到無線信道忙之后，采用CSMA/CA機制和隨機退避時間，實現(xiàn)無線信道的共享。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)先級的訪問控制。這三種幀間隔如下：

(1)?DIFS(分布式協(xié)調(diào)IFS)：最長的IFS，優(yōu)先級最低，用于異步幀競爭訪問的時延。

(2)?PIFS(點協(xié)調(diào)IFS)：中等長度的IFS，優(yōu)先級居中，在PCF操作中使用。

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

傳統(tǒng)的載波監(jiān)聽多路訪問(CSMA)協(xié)議不適合傳感器，當(dāng)一個節(jié)點要傳輸一個分組時，它首先監(jiān)聽信道狀態(tài)。如果信道空閑，而且經(jīng)過一個幀間隔DIFS后，信道仍然空閑，則站點開始發(fā)送信息。如果信道忙，要一直監(jiān)聽到信道的空閑時間超過DIFS。當(dāng)信道最終空閑下來時，節(jié)點進一步使用二進制退避算法，來避免發(fā)生碰撞。節(jié)點進入退避狀態(tài)時，啟動一個退避計時器，當(dāng)計時到達退避時間后結(jié)束退避狀態(tài)。IEEE802.11MAC協(xié)議中通過立即主動確認(rèn)機制和預(yù)留機制來提高性能。

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)計思想，針對傳感器網(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，節(jié)點周期性地在監(jiān)聽狀態(tài)和休眠狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。S-MAC協(xié)議的主要設(shè)計目標(biāo)是提供良好的擴展性，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)識一般情況(IEEE802.11MAC協(xié)議下)的數(shù)據(jù)交換，S-MAC標(biāo)識S-MAC的數(shù)據(jù)間歇交換過程。圖6.6S-MAC協(xié)議的工作原理對碰撞重傳、串音、空閑監(jiān)聽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)議采用以下機制：周期性監(jiān)聽/睡眠的低占空比工作方式，控制節(jié)點盡可能處于睡眠狀態(tài)來降低節(jié)點的能量消耗；鄰居節(jié)點通過協(xié)商一致性睡眠調(diào)度機制形成虛擬簇，減少節(jié)點的空閑監(jiān)聽時間；通過流量自適應(yīng)的監(jiān)聽機制，減少消息在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸延遲；采用帶內(nèi)信令來減少重傳和避免監(jiān)聽不必要的數(shù)據(jù)；通過消息分割和突發(fā)傳遞機制來減少控制消息的開銷和消息的傳遞延遲。

S-MAC協(xié)議的優(yōu)點是形成了一個使相鄰節(jié)點都能彼此自由通信的平面拓撲結(jié)構(gòu)，同步節(jié)點形成了一個簇內(nèi)無沖突的虛擬簇，很容易適應(yīng)拓撲結(jié)構(gòu)的改變。但節(jié)點周期性休眠增加了通信時延，而且時延會在每跳中積累；各節(jié)點的休眠時長固定，不能動態(tài)改變，當(dāng)傳感/轉(zhuǎn)發(fā)事件的發(fā)生間隔較長時，會導(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)上提出來的。S-MAC協(xié)議通過采用周期性監(jiān)聽/睡眠工作方式來減少空閑監(jiān)聽，周期長度是固定不變的，節(jié)點的監(jiān)聽活動時間也是固定的。而周期長度受限于延遲要求和緩存大小，活動時間主要依賴于消息速率。這樣就存在一個問題：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、及時的消息傳輸，節(jié)點的活動時間必須適應(yīng)最高通信負載。當(dāng)負載動態(tài)較小時，節(jié)點處于空閑監(jiān)聽的時間相對增加。針對這個問題，T-MAC協(xié)議在保持周期長度不變的基礎(chǔ)上，根據(jù)通信流量動態(tài)地調(diào)整活動時間，用突發(fā)方式發(fā)送消息，減少空閑監(jiān)聽時間。T-MAC協(xié)議相對S-MAC協(xié)議減少了處于活動狀態(tài)的時間。

圖6.7T-MAC協(xié)議的基本機制在T-MAC協(xié)議中，發(fā)送數(shù)據(jù)時仍采用RTS/CTS/DATA/ACK的通信過程，節(jié)點周期性被喚醒進行監(jiān)聽，如果在一個給定時間TA內(nèi)沒有發(fā)生下面任何一個激活事件，則活動結(jié)束：周期時間定時器溢出；在無線信道上收到數(shù)據(jù)；通過接收信號強度指示RSSI感知存在無線通信；通過監(jiān)聽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，通過提前結(jié)束活動周期來減少空閑監(jiān)聽，但帶來了早睡問題。為解決這個問題，提出了未來請求發(fā)送和滿緩沖區(qū)優(yōu)先兩種方法。

4．WiseMAC協(xié)議

WiseMAC協(xié)議是基于競爭的MAC協(xié)議，采用了np-CSMA機制，并通過先序采樣(PreambleSampling)技術(shù)達到減少節(jié)點空閑監(jiān)聽時間的目的。所謂先序采樣，即節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包之前先發(fā)送一個先序(Preamble)，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點周期性地對媒介進行采樣。如果發(fā)現(xiàn)媒介忙(即監(jiān)聽到此先序數(shù)據(jù))，則繼續(xù)監(jiān)聽并接收可能的數(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)度動態(tài)地調(diào)整先序數(shù)據(jù)的長度。當(dāng)節(jié)點要傳送數(shù)據(jù)至其鄰居時，先檢查該鄰居的采樣調(diào)度，并在該鄰居采樣之前發(fā)送一個較短的先序，則鄰居活動后將檢測到此先序并很快進入接收數(shù)據(jù)狀態(tài)。因此，適中長度的先序不僅節(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)的時間。

但由于節(jié)點的睡眠調(diào)度是相互獨立的，節(jié)點鄰居的睡眠、活動時間各不相同，這對消息的廣播非常不利。廣播的數(shù)據(jù)包將在每個鄰居蘇醒時發(fā)送，因此廣播數(shù)據(jù)包需要進行緩存并要發(fā)送多次，這些冗余的傳送將帶來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題。6.3.2基于時分復(fù)用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議基于時分復(fù)用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議主要指TDMA時間調(diào)度型的協(xié)議。時分復(fù)用TDMA是實現(xiàn)信道分配的簡單、成熟的機制。TDMA機制具有下列特點：沒有競爭機制的碰撞重傳問題；數(shù)據(jù)傳輸時不需要過多的控制信息；節(jié)點在空閑時隙能夠及時進入睡眠狀態(tài)。但是TDMA機制需要節(jié)點之間比較嚴(yán)格的時間同步?；赥DMA的MAC協(xié)議將時間區(qū)分為連續(xù)的時隙，每個時隙分配給某個特定的節(jié)點，每個節(jié)點只能在分配的時隙內(nèi)發(fā)送消息。這樣，節(jié)點可以在非發(fā)送或接收的時隙內(nèi)及時進入睡眠狀態(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/睡眠策略減少能量消耗，但是存在數(shù)據(jù)通信停頓問題，從而引起數(shù)據(jù)的傳輸延遲。而在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，經(jīng)常采用的通信模式是數(shù)據(jù)采集樹，針對這種結(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)點之間的活動/睡眠的交錯調(diào)度機制，數(shù)據(jù)能夠沿著多跳路徑連續(xù)傳播，減少睡眠帶來的通信延遲。該協(xié)議通過自適應(yīng)占空比機制，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量變化動態(tài)調(diào)整整條路徑上節(jié)點的活動時間，通過數(shù)據(jù)預(yù)測機制解決相同父節(jié)點的不同子節(jié)點間的相互干擾問題，通過MTS機制解決不同父節(jié)點的鄰居節(jié)點之間干擾帶來的睡眠延遲問題。但是，該協(xié)議實現(xiàn)復(fù)雜。

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

3．TRAMA協(xié)議流量自適應(yīng)介質(zhì)訪問(TRAMA)協(xié)議將時間劃分為連續(xù)時隙，根據(jù)局部兩跳內(nèi)的鄰居節(jié)點信息，采用分布選舉機制確定每個時隙的無沖突發(fā)送者。同時，通過避免把時隙分配給無流量的節(jié)點，并讓非發(fā)送和接收節(jié)點處于睡眠狀態(tài)達到節(jié)省能量的目的。為適應(yīng)因節(jié)點失敗或節(jié)點增加等所引起的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)變化，將時間劃分為交替的隨機訪問周期和調(diào)度訪問周期。隨機訪問周期和調(diào)度訪問周期的時隙個數(shù)根據(jù)具體應(yīng)用情況而定。隨機訪問周期主要用于網(wǎng)絡(luò)維護。

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

6.3.3混合型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議采用單純的競爭型或調(diào)度型機制很難在各種指標(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去換取另一種性能的提高，如S-MAC用較大的時延代價來獲取可接受的節(jié)能效率。而競爭性MAC機制與TDMA調(diào)度機制的有機結(jié)合可以平衡兩者的優(yōu)勢和不足，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鄰居節(jié)點分配一個特有頻率進行數(shù)據(jù)傳輸，不同節(jié)點對時間的頻率互不干擾，從而避免同時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)之間產(chǎn)生碰撞。SMACS協(xié)議主要用于靜止節(jié)點間鏈路的建立，而EAR協(xié)議則用于建立少量運動節(jié)點與靜止節(jié)點之間的通信鏈路。

SMACS/EAR協(xié)議不要求所有節(jié)點之間進行時間同步，只需要兩個通信節(jié)點間保持相對的幀同步。它不能完全避免碰撞，因為多個節(jié)點在協(xié)商過程中可能同時發(fā)出“邀請”消息或“應(yīng)答”消息。由于每個節(jié)點要支持多種通信頻率，這對節(jié)點硬件提出了很高的要求，同時，由于每個節(jié)點需要建立的通信鏈路數(shù)無法事先預(yù)計，使得整個網(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，由Rhee等提出了一種混合機制的Z-MAC(ZebraMAC)協(xié)議。Z-MAC協(xié)議將信道使用劃分為時間幀的同時，使用CSMA作為基本機制，時隙的占有者只有數(shù)據(jù)發(fā)送的優(yōu)先權(quán)，其他節(jié)點也可以在該時隙發(fā)送信息幀，當(dāng)節(jié)點之間產(chǎn)生碰撞之后，時隙占有者的回退時間短，從而真正獲得時隙的信道使用權(quán)。Z-MAC使用競爭狀態(tài)標(biāo)示來轉(zhuǎn)換MAC機制，節(jié)點在ACK重復(fù)丟失和碰撞回退頻繁的情況下，將由低競爭狀態(tài)轉(zhuǎn)為高競爭狀態(tài)，由CSMA機制轉(zhuǎn)為TDMA機制。可以說，Z-MAC在低網(wǎng)絡(luò)負載下類似CSMA，在網(wǎng)絡(luò)進入高競爭的信道狀態(tài)之后類似TDMA。

Z-MAC并不需要精確的時間同步，有著較好的信道利用率和網(wǎng)絡(luò)擴展性。協(xié)議達到即時適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)負載變化的同時，TDMA和CSMA機制的互換會產(chǎn)生大量的能耗，對于網(wǎng)絡(luò)負載的突發(fā)波動會造成網(wǎng)絡(luò)延遲問題?？傮w而言，Z-MAC在較低競爭情況下性能像CSMA，在較高競爭情況下性能像TDMA。Z-MAC的優(yōu)點是比較好地結(jié)合了CSMA和TDMA的優(yōu)點，節(jié)點在任何時隙都可以發(fā)送數(shù)據(jù)，信道利用率得到了提高；缺點是網(wǎng)絡(luò)開始的時候，花費大量的開銷來初始化網(wǎng)絡(luò)，造成網(wǎng)絡(luò)能量大量消耗，且協(xié)議實現(xiàn)過于復(fù)雜，雖然設(shè)計思想非常新穎和有效，但實用性不高。

3．TRAMA流量自適應(yīng)介質(zhì)訪問(TRafficAdaptiveMediumAccess，TRAMA)協(xié)議在某些文獻中歸為TDMA型的MAC協(xié)議，TRAMA已經(jīng)在協(xié)議運行過程中使用了關(guān)鍵的競爭策略來動態(tài)地建立網(wǎng)絡(luò)拓撲、選舉節(jié)點、分配時隙，且將時間劃分為交替的隨機訪問周期和調(diào)度訪問周期，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：隨機接入(采用分時段CSMA)和定期接入(采用TDMA方式)。TRAMA的主要應(yīng)用場合為周期性數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。它將時間劃分為連續(xù)時槽，根據(jù)局部兩跳內(nèi)的鄰居節(jié)點信息，采用分布式選舉機制確定每個時槽的無沖突發(fā)送者。同時，通過避免把時槽分配給無流量的節(jié)點，并讓非發(fā)送和接收節(jié)點處于睡眠狀態(tài)達到節(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)時槽選擇算法(AdaptiveElectionAlgorithm，AEA)。

TRAMA協(xié)議中，節(jié)點間通過NP協(xié)議獲得一致的兩跳內(nèi)的拓撲信息，通過SEP協(xié)議建立和維護發(fā)送者和接收者的調(diào)度信息，通過AEA算法決定節(jié)點在當(dāng)前時槽的活動策略。TRAMA通過分布式協(xié)商保證節(jié)點無沖突地發(fā)送數(shù)據(jù)，無數(shù)據(jù)收發(fā)的節(jié)點處于睡眠狀態(tài)，同時避免把時槽分配給沒有信息發(fā)送的節(jié)點，在節(jié)省能量消耗的同時，保證網(wǎng)絡(luò)的高數(shù)據(jù)傳輸率。但該協(xié)議要求節(jié)點有較大的存儲空間來保存拓撲信息和鄰居調(diào)度信息，需要計算兩跳內(nèi)鄰居的所有節(jié)點的優(yōu)先級，運行AEA算法。

TRAMA將時間分成時槽，用基于各節(jié)點流量信息的分布式選舉算法來決定哪個節(jié)點可以在某個特定的時槽傳輸，以此來達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爭。但TRAMA的缺點是實現(xiàn)太復(fù)雜，而且AEA算法要經(jīng)常運行，算法復(fù)雜，運行代價大。TRAMA的延遲較大，更適用于對延遲要求不高的應(yīng)用。6.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議

1．路由協(xié)議的衡量標(biāo)準(zhǔn)針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點與通信需求，網(wǎng)絡(luò)層需要解決通過局部信息來決策并優(yōu)化全局行為(路由生成與路由選擇)的問題。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議不同于傳統(tǒng)路由協(xié)議，它具有能量優(yōu)先、基于局部的拓撲信息、以數(shù)據(jù)為中心和應(yīng)用相關(guān)四個特點，因而，根據(jù)具體的應(yīng)用設(shè)計路由機制時，應(yīng)從以下四個方面衡量路由協(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，很少考慮節(jié)點的能量問題。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的能量有限，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，實現(xiàn)簡單且高效的傳輸，盡可能地延長整個網(wǎng)絡(luò)的生存期。

(2)可擴展性。無線傳感器網(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，而且很容易造成拓撲結(jié)構(gòu)動態(tài)發(fā)生變化，因而要求路由協(xié)議有可擴展性，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)時間延遲和網(wǎng)絡(luò)感知精度等方面。

(3)魯棒性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于環(huán)境和節(jié)點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)計過程中必須考慮軟硬件的高容錯性，保障網(wǎng)絡(luò)的魯棒性。

(4)快速收斂性。由于網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化，要求路由協(xié)議能夠快速收斂，以適應(yīng)拓撲的動態(tài)變化，提高帶寬和節(jié)點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。基于平面的路由協(xié)議，其所有節(jié)點通常都具有相同的功能和對等的角色?；诜旨壍穆酚蓞f(xié)議，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通常扮演不同的角色。基于位置的路由協(xié)議，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點利用傳感器節(jié)點的位置來路由數(shù)據(jù)。但這種分類方式太過分散，沒有整體概念，本書就各個協(xié)議的不同側(cè)重點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。下面進行詳細介紹和分析。

6.4.1廣播式路由協(xié)議

1．?dāng)U散法(Flooding)擴散法是一種傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信路由協(xié)議。它實現(xiàn)簡單，不需要為保持網(wǎng)絡(luò)拓撲信息和實現(xiàn)復(fù)雜的路由算法消耗計算資源，適用于健壯性要求高的場合。但是，擴散法存在信息爆炸問題，即會出現(xiàn)一個節(jié)點可能得到數(shù)據(jù)的多個副本的情況，而且也會出現(xiàn)部分重疊的現(xiàn)象，此外，擴散法沒有考慮各節(jié)點的能量，無法作出相應(yīng)的自適應(yīng)路由選擇，當(dāng)一個節(jié)點能量耗盡后，網(wǎng)絡(luò)就會癱瘓。

具體實現(xiàn)：節(jié)點A希望發(fā)送數(shù)據(jù)給節(jié)點B，節(jié)點A首先通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)的副本傳給其每一個鄰居節(jié)點，每一個鄰居節(jié)點又將其傳給除A外的其他的鄰居節(jié)點，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)點擁有此副本為止。

2．定向路由擴散(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，即定向路由擴散。它通過泛洪方式廣播興趣消息給所有的傳感器節(jié)點，隨著興趣消息在整個網(wǎng)絡(luò)中傳播，協(xié)議逐跳地在每個傳感器節(jié)點上建立反向的從數(shù)據(jù)源節(jié)點到基站或者匯聚節(jié)點的傳輸梯度。該協(xié)議通過將來自不同源節(jié)點的數(shù)據(jù)聚集起來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，因而可以節(jié)約網(wǎng)絡(luò)能量，延長系統(tǒng)生存期。然而，路徑建立時的興趣消息擴散要執(zhí)行一個泛洪廣播操作，時間和能量開銷大。具體實現(xiàn)：首先是興趣消息擴散，每個節(jié)點都在本地保存一個興趣列表，其中專門存在一個表項用來記錄發(fā)送該興趣消息的鄰居節(jié)點、數(shù)據(jù)發(fā)送速率和時間戳等相關(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)傳輸量較小的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)高效路由協(xié)議。其基本思想是時間監(jiān)測區(qū)域的感應(yīng)節(jié)點產(chǎn)生代理消息，代理消息沿著隨機路徑向鄰居節(jié)點擴散傳播。同時，基站或匯聚節(jié)點發(fā)送的查詢消息也沿著隨機路徑在網(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就會形成一條基站或匯聚節(jié)點到時間監(jiān)測區(qū)域的完整路徑。具體實現(xiàn)：每個傳感器節(jié)點維護一個鄰居列表和一個事件列表，當(dāng)傳感器節(jié)點監(jiān)測到一個事件發(fā)生時，在事件列表中增加一個表項并根據(jù)概率產(chǎn)生一個代理消息。代理消息是一個包含事件相關(guān)信息的分組，將事件傳給經(jīng)過的節(jié)點。收到代理消息的節(jié)點檢查表項，進行更新和增加表項的操作。節(jié)點隨機選擇鄰居轉(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)點都是Sink節(jié)點，每一個節(jié)點都有用戶需要的信息，而且相鄰的節(jié)點擁有類似的數(shù)據(jù)，所以只需發(fā)送其他節(jié)點沒有的數(shù)據(jù)。SPIN協(xié)議通過協(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)訪問每個節(jié)點的當(dāng)前能量水平，根據(jù)節(jié)點剩余能量水平調(diào)整協(xié)議，所以可以在一定程度上延長網(wǎng)絡(luò)的生存期。

SPIN采用了三種數(shù)據(jù)包來通信：ADV用于新數(shù)據(jù)的廣播，當(dāng)節(jié)點有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，利用該數(shù)據(jù)包向外廣播；REQ用于請求發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)節(jié)點希望接收數(shù)據(jù)時，發(fā)送該報文；DATA包含帶有Meta-data頭部數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)報文。具體實現(xiàn)：當(dāng)一個傳感器節(jié)點在發(fā)送一個DATA數(shù)據(jù)包之前，首先向其鄰居節(jié)點廣播式地發(fā)送ADV數(shù)據(jù)包，如果一個鄰居節(jié)點希望接收該DATA數(shù)據(jù)包，則向該節(jié)點發(fā)送REQ數(shù)據(jù)包，接著節(jié)點向其鄰居節(jié)點發(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)時間區(qū)域的地址位置，建立基站或者匯聚節(jié)點到時間區(qū)域的優(yōu)化路徑。把GEAR劃分為廣播式路由協(xié)議有點牽強，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散提出，這里仍然作為廣播式的一種。具體實現(xiàn)：首先向目標(biāo)區(qū)域傳遞數(shù)據(jù)包，當(dāng)節(jié)點收到數(shù)據(jù)包時，先檢查是否有鄰居節(jié)點比它更接近目標(biāo)區(qū)域。如有就選擇離目標(biāo)區(qū)域最近的節(jié)點作數(shù)據(jù)傳遞的下一跳節(jié)點。如果數(shù)據(jù)包已經(jīng)到達目標(biāo)區(qū)域，則利用遞歸的地理傳遞方式和受限的擴散方式發(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提出了建立一個虛擬極坐標(biāo)系統(tǒng)(VirtualPolarCoordinateSystem，VPCS)GEM路由協(xié)議，用來代表實際的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。整個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點形成一個以基站或匯聚節(jié)點為根的帶環(huán)樹(RingedTree)。每個節(jié)點用距離樹根的跳數(shù)距離和角度范圍兩個參數(shù)表示。具體實現(xiàn)：首先建立虛擬極坐標(biāo)系統(tǒng)，主要有三個階段，即先由跳數(shù)建立路由并擴展到整個網(wǎng)絡(luò)形成樹型結(jié)構(gòu)，再從葉節(jié)點開始反饋子樹的大小，即樹中包含的節(jié)點數(shù)目，最后確定每個子節(jié)點的虛擬角度范圍；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)點傳遞，直到消息到達包含目的位置角度的節(jié)點。另外，當(dāng)實際網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，需要及時更新，比如節(jié)點加入和節(jié)點失效。

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)點精確位置信息。首先確定節(jié)點在坐標(biāo)系中的位置，根據(jù)位置進行數(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)點確定全局坐標(biāo)系及其他節(jié)點在坐標(biāo)系中的位置。具體實現(xiàn)：A.Rao

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

6.4.3分簇式路由協(xié)議

1．LEACH(LowEnergyAdaptiveClusteringHierarchy)

MIT的Chandrakasan等人為無線傳感器設(shè)計了一種分簇路由算法，其基本思想是以循環(huán)的方式隨機選擇簇頭節(jié)點，平均分配整個網(wǎng)絡(luò)的能量到每個傳感器節(jié)點，從而可以降低網(wǎng)絡(luò)能源消耗，延長網(wǎng)絡(luò)生存時間。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)點的剩余能量、簇頭到基站或匯聚節(jié)點的距離、簇頭的位置和簇內(nèi)的通信代價。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。

具體實現(xiàn)：LEACH不斷地循環(huán)執(zhí)行簇的重構(gòu)過程，可以分為兩個階段：一是簇的建立，即包括簇頭節(jié)點的選擇、簇頭節(jié)點的廣播、簇頭節(jié)點的建立和調(diào)度機制的生成；二是傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定階段。每個節(jié)點隨機選一個值，小于某閾值的節(jié)點就成為簇頭節(jié)點，之后廣播告知整個網(wǎng)絡(luò)，完成簇的建立。在穩(wěn)定階段中，節(jié)點將采集的數(shù)據(jù)送到簇頭節(jié)點，簇頭節(jié)點將信息融合后送給匯聚點。一段時間后，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行通信的路由算法。它最初是為移動Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用設(shè)計的，也可適用于無線傳感器網(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，每個網(wǎng)格里選出一個簇頭節(jié)點在某段時間內(nèi)保持清醒，其他節(jié)點都進入睡眠狀態(tài)，但是簇頭節(jié)點并不做任何數(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)點節(jié)省能量，又可以達到延長網(wǎng)絡(luò)生存期的目的。具體實現(xiàn)：當(dāng)劃分好固定的虛擬網(wǎng)格之后，網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點利用GPS接受卡指示的位置信息將節(jié)點本身與虛擬網(wǎng)格中某個點關(guān)聯(lián)映射起來。網(wǎng)格上同一個點關(guān)聯(lián)的節(jié)點對分組路由的代價是等價的，因而可以使某個特定網(wǎng)格區(qū)域的一些節(jié)點睡眠，且隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)目的增加可以極大地提高網(wǎng)絡(luò)的壽命，在可擴展性上有很好的表現(xiàn)?？傊?，通過對廣播式路由協(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，每個協(xié)議在其設(shè)計的時候都有各自的側(cè)重點和最優(yōu)的方面，按照衡量標(biāo)準(zhǔn)可以將以上協(xié)議做簡略的比較并找出相對較好的一類協(xié)議。其中，如何提供有效的節(jié)能，即能量有效性是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議最關(guān)注的方面，可擴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)存在的時間有緊密的聯(lián)系。依據(jù)上述四個標(biāo)準(zhǔn)，可見，廣播式路由協(xié)議總是存在一種矛盾，當(dāng)具有好的擴展性時勢必以差的魯棒性和能量高效為代價，即以犧牲魯棒性換取擴展性和高能量，這同時也嚴(yán)重影響了節(jié)點的快速收斂性。而坐標(biāo)式路由協(xié)議彌補了廣播式路由協(xié)議的不足，可以同時達到四個衡量標(biāo)準(zhǔn)。分簇式路由協(xié)議相對于前兩種方式來說，具備了較好的性能，可以滿足人們對傳感器網(wǎng)絡(luò)的一般要求。所以，以能量高效、可擴展性、魯棒性和快速收斂性四個基本標(biāo)準(zhǔn)來衡量路由協(xié)議，分簇式路由協(xié)議是最佳的選擇。6.5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目前研究的難點涉及通信、組網(wǎng)、管理、分布式信息處理等多個方面。無線傳感器網(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)拓撲管理無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是自組織網(wǎng)絡(luò)(無網(wǎng)絡(luò)中心，在不同條件下可自行組成不同的網(wǎng)絡(luò))，如果有一個很好的網(wǎng)絡(luò)拓撲控制管理機制，對于提高路由協(xié)議和MAC協(xié)議效率是很有幫助的，而且有利于延長網(wǎng)絡(luò)壽命。目前這個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，通過選擇路由路徑，生成一個能高效地轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。拓撲控制分為節(jié)點功率控制和層次型拓撲控制。節(jié)點功率控制是控制每個節(jié)點的發(fā)射功率，均衡節(jié)點單跳可達的鄰居數(shù)目。而層次型拓撲控制采用分簇機制，有一些節(jié)點作為簇頭，它將作為一個簇的中心，簇內(nèi)每個節(jié)點的數(shù)據(jù)都要通過它來轉(zhuǎn)發(fā)。

2．網(wǎng)絡(luò)協(xié)議因為傳感器節(jié)點的計算能力、存儲能力、通信能力和攜帶的能量有限，每個節(jié)點都只能獲得局部網(wǎng)絡(luò)拓撲信息，在節(jié)點上運行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議也要盡可能的簡單。目前研究的重點主要集中在網(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節(jié)點的能耗，還要能夠關(guān)心整個網(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一些。目前已經(jīng)提出了一些比較好的路由機制。

MAC層協(xié)議主要控制介質(zhì)訪問，控制節(jié)點通信過程和工作模式。設(shè)計無線傳感器網(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、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，以延長網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點壽命

3．網(wǎng)絡(luò)安全無線傳感器網(wǎng)絡(luò)除了考慮上面提出的兩個方面的問題外，還要考慮到數(shù)據(jù)的安全性，這主要從兩個方面考慮。一個方面是從維護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，那么對于應(yīng)用層上的數(shù)據(jù)包來說沒有任何的安全性可言。有人已提出了一種叫“有安全意識的路由”的方法，其思想是找出真實值和節(jié)點之間的關(guān)系，然后利用這些真實值來生成安全的路由。另一方面是把重點放在安全協(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，滿足必要的計算速度、存儲器容量，基站功率滿足加密和路由的要求；通信模式是點到點，通過端到端的加密保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕簧漕l層正常工作?；谝陨锨疤?，典型的安全問題可以總結(jié)為：信息被非法用戶截獲、一個節(jié)點遭破壞、識別偽節(jié)點和如何向已有傳感器網(wǎng)絡(luò)添加合法的節(jié)點等四個方面。

4．定位技術(shù)位置信息是傳感器節(jié)點采集數(shù)據(jù)中不可或缺的一部分，沒有位置信息的監(jiān)測消息可能毫無意義。節(jié)點定位就是確定傳感器的每個節(jié)點的相對位置或絕對位置。節(jié)點定位在軍事偵察、環(huán)境檢測、緊急救援等應(yīng)用中尤其重要。節(jié)點定位分為集中定位方式和分布定位方式。定位機制也必須要滿足自組織性、魯棒性、能量高效和分布式計算等要求。定位技術(shù)主要有基于距離的定位和與距離無關(guān)的定位兩種方式。其中基于距離的定位對硬件要求比較高，通常精度也比較高。與距離無關(guān)的定位對硬件要求較小，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。

5．時間同步技術(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)議和敏感時間的監(jiān)測任務(wù)等，要求節(jié)點間的時鐘必須保持同步。J.Elson和D.Estrin曾提出了一種簡單、實用的同步策略。其基本思想是，節(jié)點以自己的時鐘記錄事件，隨后用第三方廣播的基準(zhǔn)時間加以校正，精度依賴于對這段間隔時間的測量。這種同步機制應(yīng)用在確定來自不同節(jié)點的監(jiān)測事件的先后關(guān)系時有足夠的精度。設(shè)計高精度的時鐘同步機制是傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和應(yīng)用中的一個技術(shù)難點。普遍認(rèn)為，考慮精簡NTP(NetworkTimeProtocol)協(xié)議的實現(xiàn)復(fù)雜度，將其移植到傳感器網(wǎng)絡(luò)中來應(yīng)該是一個有價值的研究課題。

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)點收集數(shù)據(jù)的過程中，利用本地計算和存儲能力將數(shù)據(jù)進行融合，取出冗余信息，從而達到節(jié)省能量的目的。數(shù)據(jù)融合可以在多個層次中進行。在應(yīng)用層中，可以應(yīng)用分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)，對數(shù)據(jù)進行篩選，達到融合效果。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層也能通過減少發(fā)送沖突和頭部開銷來達到節(jié)省能量的目的。當(dāng)然，數(shù)據(jù)融合是以犧牲延時等代價來換取能量的節(jié)約的。

6.6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)6.6.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計的基本要求

1．系統(tǒng)總體設(shè)計原則無線傳感器網(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頻段，不會受到電磁信號干擾，而且紅外線收發(fā)器價格便宜。激光通信保密性強、速度快。但是紅外線和激光通信的一個共同問題是要求發(fā)送器和接收器在視線范圍之內(nèi)，這對于節(jié)點隨機分布的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，難以實現(xiàn)，因而使用受到了限制。在國外已經(jīng)建立起來的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，多數(shù)傳感器節(jié)點的硬件設(shè)計基于射頻電路。由于使用9.2MHz、2.4GHz及5.8GHz的ISM頻段不需要向無線電管理部門申請，所以很多系統(tǒng)采用ISM頻段作為載波頻率。節(jié)點的設(shè)計方法主要有兩種：一種是利用市場上可以獲得的商業(yè)元器件構(gòu)建傳感器節(jié)點，如圍繞TinyOS項目所設(shè)計的系列硬件平臺；另一種是采用MEMS(微機電與微系統(tǒng))和集成電路技術(shù)，設(shè)計包含微處理器、通信電路、傳感器等模塊的高度集成化傳感器節(jié)點，如智能塵埃(SmartDust)、無線集成網(wǎng)絡(luò)傳感器(WINS)等。下面通過對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的制作工藝及各種不同場合下的應(yīng)用分析，總結(jié)了幾個方面的基本設(shè)計原則。

(1)節(jié)能是傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計最主要的問題。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)要部署在人們無法接近的場所，而且不常更換供電設(shè)備，對節(jié)點功耗要求就非常嚴(yán)格。在設(shè)計過程中，應(yīng)采用合理的能量監(jiān)測與控制機制，功耗要限制在幾十毫瓦甚至更低數(shù)量級。

(2)成本的高低是衡量傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計好壞的重要指標(biāo)。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通常大量散布，只有低成本才能保證節(jié)點廣泛使用。這就要求無線傳感器節(jié)點的各個模塊的設(shè)計不能特別復(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)爭偵查等特定用途的環(huán)境下，微型化更是首先考慮的問題之一。

(4)可擴展性也是設(shè)計中必須考慮的問題。節(jié)點應(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)計要求對于傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點與通信需求，網(wǎng)絡(luò)層需要解決通過局部信息來決策并優(yōu)化全局行為(路由生成與路由選擇)的問題，其協(xié)議設(shè)計非常具有挑戰(zhàn)性。在設(shè)計過程中需主要考慮的因素有節(jié)能(EnergyEfficiency)、可擴展性(Scalability)、傳輸延遲(Latency)、容錯性(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)該采用多種策略來設(shè)計路由協(xié)議。根據(jù)上述因素的考慮和對當(dāng)前的各種路由協(xié)議的分析，在WSN路由協(xié)議設(shè)計時一般應(yīng)遵循以下一些設(shè)計原則：

(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、拓撲結(jié)構(gòu)頻繁變化和環(huán)境等因素的干擾，WSN節(jié)點易發(fā)生故障，因此應(yīng)盡量利用節(jié)點易獲得的網(wǎng)絡(luò)信息計算路由，以確保在路由出現(xiàn)故障時能夠盡快得到恢復(fù)，還可以采用多路徑傳輸來提高數(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)點的損壞不會影響到全局任務(wù)。

(2)減少通信量來降低能耗：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)上報中采用某種過濾機制，抑制節(jié)點傳輸不必要的數(shù)據(jù)；采用數(shù)據(jù)融合機制，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊ink點前就完成可能的數(shù)據(jù)計算。

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

(4)路由協(xié)議應(yīng)具有安全機制：由于WSN的固有特性，路由協(xié)議通過廣播多跳的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，其路由協(xié)議極易受到安全威脅，攻擊者對未受到保護的路由信息可進行各種形式的攻擊。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銷較大，不適合在資源受限的WSN中使用。

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

3．評價指標(biāo)體系在系統(tǒng)一級，主要的評價指標(biāo)包括采樣效率和壽命、應(yīng)用空間覆蓋性、響應(yīng)時間和時間精度、易實施性和成本、安全性等。節(jié)點一級主要評價指標(biāo)包括功耗、靈活性、魯棒性、安全性、計算和通信能力、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)。下面對幾個主要的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能的評價標(biāo)準(zhǔn)作簡要說明。

(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求數(shù)量。能源有效性是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要性能指標(biāo)。

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

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

(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)議等都對感知精度有所影響。

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

(6)可擴展性：表現(xiàn)在節(jié)點數(shù)量、網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域、生命周期、時間延遲、感知精度等方面的可擴展極限。給定可擴展性級別，傳感器網(wǎng)絡(luò)必須提供支持該可擴展性級別的機制和方法。6.6.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)方法無線傳感器節(jié)點一般通過電池供電，硬件結(jié)構(gòu)簡單，通信帶寬小，點到點的通信距離短，所以工作時間有限及通信距離短成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的兩個主要瓶頸。下面詳細介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)方法。

1．系統(tǒng)總體方案系統(tǒng)由基站節(jié)點、傳感器節(jié)點和上位機組成。節(jié)點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存儲模塊?；竟?jié)點沒有傳感器模塊，傳感器節(jié)點沒有串口通信模塊?；竟?jié)點由上位機USB接口供電。傳感器節(jié)點使用2節(jié)5號電池供電。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，大大地延長了電池的使用時間。為了調(diào)試方便，在節(jié)點上增加了撥碼開關(guān)和LED信號指示燈。整個系統(tǒng)軟件由上位機處理軟件、基站節(jié)點軟件、傳感器節(jié)點軟件三部分組成。在傳感器節(jié)點軟件設(shè)計上充分考慮了低功耗節(jié)能問題，因為它的能量主要消耗于無線射頻模塊，因此在組網(wǎng)時盡量使Si4432的輸出能量設(shè)定為最小，且在沒有收發(fā)信息時工作在睡眠模式，即等待喚醒模式。

2．自組織協(xié)議設(shè)計在協(xié)議中，通過定義數(shù)據(jù)包的格式和關(guān)鍵字來實現(xiàn)節(jié)點的自組織。

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，通過測試和試驗發(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，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，接收端在檢測到同步字后才開始接收數(shù)據(jù)；

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

Mid表示接收信息的中轉(zhuǎn)節(jié)點地址；Fina表示數(shù)據(jù)的目標(biāo)地址，除廣播信息外，每個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表示檢驗位，說明采用何種校驗方式(校驗和還是CRC校驗)，可避免接收錯誤的數(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)由一個基站和若干個傳感器節(jié)點組成，基站上電初始化后就馬上進入低功耗狀態(tài)(Si4432射頻模塊處于睡眠狀態(tài))；傳感器節(jié)點隨機地部署在需要采集信息的區(qū)域內(nèi)，上電初始化后開始組網(wǎng)。首先發(fā)送請求基站分配級別命令，若收到基站應(yīng)答，則定義為一級并把自身信息(包括地址、級別等)發(fā)給基站；反之，若發(fā)送次數(shù)達到設(shè)定值，則向周圍節(jié)點發(fā)送廣播信號，通過周圍節(jié)點應(yīng)答信息整理得出自身的網(wǎng)絡(luò)級別，并向周圍節(jié)點及基站發(fā)送自身信息。如果還是未能分配到級別，則延時等待其他節(jié)點分配好級別后重新請求入網(wǎng)。每個入網(wǎng)的傳感器節(jié)點都保存有周圍節(jié)點(上級、同級、下級節(jié)點)信息(級別及對應(yīng)的地址)，最后就形成了網(wǎng)絡(luò)拓撲結(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)點硬件設(shè)計傳感器節(jié)點要求低功耗、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)點硬件框圖如圖6.10所示。本設(shè)計中MCU采用TI公司生產(chǎn)的一種混合信號處理器MSP430F149，其內(nèi)部資源豐富，具有兩個16位定時器、一個14路的12bit的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、六組I/O、一個看門狗、兩路USART通信端口等，因此節(jié)點的外部電路非常簡單，并且還具有功耗超低的突出特點，當(dāng)工作頻率為1MHz、電壓為2.2V時全速工作電流僅為280μA，待機狀態(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在使用時所需的外部元件很少，一個30MHz的晶振、幾個電容和電感就可組成一個高可靠性的收發(fā)系統(tǒng)，設(shè)計簡單，成本低，而且預(yù)留了大量外接傳感器接口，外接傳感器的信號能以中斷方式喚醒節(jié)點。圖6.10節(jié)點硬件框圖

4．系統(tǒng)軟件設(shè)計本系統(tǒng)軟件設(shè)計注重低功耗、數(shù)據(jù)采集實時性、系統(tǒng)穩(wěn)健性及可靠性。在低功耗設(shè)計中采用智能控制策略，讓系統(tǒng)需要工作時處于全速工作模式，其他時刻處于低功耗模式。在數(shù)據(jù)采集實時性設(shè)計中關(guān)鍵是路由的選擇，主要依據(jù)跳數(shù)最少路徑最短原則(兼顧能量優(yōu)先原則)。在系統(tǒng)穩(wěn)健性設(shè)計中，當(dāng)傳感器節(jié)點因能量耗盡或其他原因不能工作或者有新的傳感器節(jié)點請求加入網(wǎng)絡(luò)時，整個網(wǎng)絡(luò)會馬上重新組網(wǎng)，形成新的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。在系統(tǒng)可靠性設(shè)計中采用看門狗等技術(shù)增強系統(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)點軟件基站節(jié)點通過上位機USB供電，所以一直工作在全速狀態(tài)，加快了對外部的響應(yīng)速度。上電初始化后，根據(jù)中斷程序中的標(biāo)志位值對獲得的信息進行相應(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)點通過串口與上位機相連，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程中丟失數(shù)據(jù)，軟件設(shè)計上加了握手協(xié)議。當(dāng)基站節(jié)點每發(fā)送一個數(shù)據(jù)包給上位機時，上位機就會向基站節(jié)點發(fā)送應(yīng)答信號，直到數(shù)據(jù)包發(fā)送給上位機。上位機接收到數(shù)據(jù)包后，馬上進入中斷處理，處理完后把相應(yīng)標(biāo)志位置1，通過主程序做進一步處理。

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

圖6.12接收數(shù)據(jù)中斷圖6.13定時器中斷流程當(dāng)多個傳感器節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)時，會出現(xiàn)爭搶信道的現(xiàn)象。為了避免多個傳感器節(jié)點同時與某個傳感器節(jié)點通信造成數(shù)據(jù)丟失，軟件上采用一定的退避機制。一方面，利用射頻芯片Si4432的載波監(jiān)聽信號來產(chǎn)生隨機延時，以避免同時發(fā)送信號；另一方面，當(dāng)一個傳感器節(jié)點與某個傳感器節(jié)點建立了通信通道時，其他發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點會增加發(fā)射數(shù)據(jù)的次數(shù)。

3)上位機軟件上位機的主要功能有發(fā)送重組網(wǎng)命令、向任意傳感器節(jié)點發(fā)送采集信息命令、建立良好的人機界面用于觀察傳感器采集來的信息、幫助基站節(jié)點處理數(shù)據(jù)以減輕基站的負擔(dān)等。采用MSP430F149作為處理器，Si4432作為無線收發(fā)器，利用它們的高集成度、超低功耗等優(yōu)勢設(shè)計了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該系統(tǒng)節(jié)點上電后會自行組網(wǎng)，即當(dāng)向網(wǎng)絡(luò)加入新節(jié)點或移除某個節(jié)點時，系統(tǒng)會重新組網(wǎng)，并且不會對系統(tǒng)通信產(chǎn)生毀壞性影響。系統(tǒng)節(jié)點最多可達256個，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)點通過串口跟上位機相連，在上位機建立良好的人機界面可以觀察每個傳感器采集來的信息，并且可以控制每個節(jié)點的工作狀態(tài)。本系統(tǒng)已在實際中成功應(yīng)用。6.6.3車載無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)

1．系統(tǒng)設(shè)計方案本系統(tǒng)在現(xiàn)有的車載系統(tǒng)上，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞綌U展為無線傳輸方式，實現(xiàn)一個星形網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本系統(tǒng)能分別將各個數(shù)據(jù)采集節(jié)點所獲得的數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)通過串口將數(shù)據(jù)上傳到主機上，在主機中實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時波形顯示，并以數(shù)據(jù)庫的方式加以保存，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)計的目的是用一個監(jiān)控主機端來檢測多個待測目標(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，采用時分復(fù)用的方式，逐個對網(wǎng)內(nèi)的終端采集點進行控制采集。如圖6.14所示，該車載系統(tǒng)分三個部分：車載監(jiān)控中心、車載網(wǎng)關(guān)和車載傳感器節(jié)點。車載網(wǎng)關(guān)是整個車載系統(tǒng)的核心，可以和所有的車載傳感器節(jié)點通信。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)換為射頻信號后發(fā)送給車載傳感器節(jié)點。當(dāng)車載傳感器節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時，車載網(wǎng)關(guān)進入數(shù)據(jù)接收狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)上傳到車載監(jiān)控中心做進一步處理。此外，車載傳感器節(jié)點之間不能互相通信。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)進行通信。圖6.14系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖車載傳感器節(jié)點的生命周期由活躍期和休眠期構(gòu)成。節(jié)點在活躍期完成數(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)閉無線射頻模塊以節(jié)省能量，直到下一個活躍期來臨。系統(tǒng)通過這種休眠機制來減少系統(tǒng)的能量消耗，延長系統(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)境下開發(fā)，是一個基于對話框的應(yīng)用軟件。為了提高通信傳輸模塊的智能化水平，在設(shè)計中，它的功能不限于數(shù)據(jù)的實時顯示，所有的數(shù)據(jù)采集由