物聯(lián)網(wǎng)技術與應用第四章無線傳感器網(wǎng)絡技術4.1無線傳感器網(wǎng)絡概述4.2無線傳感器網(wǎng)絡的特點4.3無線傳感器網(wǎng)絡的通信協(xié)議目錄Contents4.4無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵支撐技術4.5無線傳感器網(wǎng)絡的應用領域及挑戰(zhàn)本章學習重點（1）無線傳感器網(wǎng)絡的概念、特點及應用情況。（2）無線傳感器網(wǎng)絡的體系結構、節(jié)點的組分級功能。（3）無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議棧的整體結構和路由協(xié)議。（4）無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵支撐技術。本章學習重點無線傳感器網(wǎng)絡是繼個人電腦、互聯(lián)網(wǎng)和無線通信技術之后的又一次產(chǎn)業(yè)革命，是當前在國際上備受關注的，涉及計算技術、傳感器技術、網(wǎng)絡技術、無線通信技術等多學科高度交叉，知識高度集成的前沿熱點研究領域。無線傳感器網(wǎng)絡擴展了人們的信息獲取能力，將客觀世界的物理信息同傳輸網(wǎng)絡連接在一起，在下一代網(wǎng)絡中將為人們提供最直接、最有效、最真實的信息，其成果的應用將會對人類未來的工作和生活產(chǎn)生重要的影響。4.1無線傳感器網(wǎng)絡概述無線傳感器網(wǎng)絡的基本概念4.1.1無線傳感器網(wǎng)絡（WirelessSensorNetwork，WSN）是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量低成本的微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一種多跳的自組織的網(wǎng)絡系統(tǒng)。其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋范圍內(nèi)感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者或者用戶。人們又稱無線傳感器網(wǎng)絡為“智能塵埃（SmartDust）”，將它散布于四周以實時感知物理世界的變化。無線傳感器網(wǎng)絡融合了傳感器技術、嵌入式技術、分布式信息處理技術和無線通信技術等，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸3種功能。傳感器、感知對象和觀察者是無線傳感器網(wǎng)絡的三要素。4.1無線傳感器網(wǎng)絡概述無線傳感器網(wǎng)絡的體系結構4.1.21體系結構無線傳感器網(wǎng)絡通常包括傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點、管理節(jié)點和監(jiān)測區(qū)域。4.1無線傳感器網(wǎng)絡概述傳感器節(jié)點通常是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，由于受到體積、價格和電源供給等因素的限制，它的處理能力、存儲能力和通信能力相對較弱，通常由小容量電池供電，只與自身通信范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點交換數(shù)據(jù)，要訪問通信范圍以外的節(jié)點，必須使用多跳路由來實現(xiàn)。為了保證采集到的數(shù)據(jù)信息能夠通過多跳送到匯聚節(jié)點，節(jié)點的分布要相當密集。從網(wǎng)絡功能上看，每個傳感器節(jié)點都具有信息采集和路由的雙重功能，除了進行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理外，還要存儲、管理和融合其他節(jié)點轉發(fā)過來的數(shù)據(jù)，同時與其他節(jié)點協(xié)作完成一些特定任務。匯聚節(jié)點通常具有較強的處理能力、存儲能力和通信能力，它既可以是一個具有足夠能量供給、更多內(nèi)存資源和計算能力的增強型傳感器節(jié)點，也可以是一個帶有無線通信接口的特殊網(wǎng)關設備。匯聚節(jié)點是連接傳感器網(wǎng)絡和外部網(wǎng)絡的接口，通過協(xié)議轉換實現(xiàn)管理節(jié)點與傳感器網(wǎng)絡之間的通信，把收集到的數(shù)據(jù)信息轉發(fā)到外部網(wǎng)絡上，同時向傳感器節(jié)點發(fā)布來自管理節(jié)點的監(jiān)測任務。管理節(jié)點實際上是傳感器網(wǎng)絡使用者直接操作的計算機終端或服務器，充當無線傳感器網(wǎng)絡服務器的角色，用于動態(tài)地監(jiān)控和管理整個無線傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)和狀態(tài)。4.1無線傳感器網(wǎng)絡概述2節(jié)點結構傳感器模塊包括傳感器和數(shù)/模轉換模塊，負責監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉換；處理器模塊由嵌入式系統(tǒng)構成，包括處理器、存儲器、嵌入式操作系統(tǒng)（Linux，TinyOS）等，負責控制和協(xié)調節(jié)點各部分的工作，存儲和處理自身采集的數(shù)據(jù)及其他節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)；無線通信模塊包括網(wǎng)絡、MAC、收發(fā)器等，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)；能量供應模塊采用微型電池，為傳感器節(jié)點提供運行所需的能量。此外，傳感器節(jié)點還可以包括其他輔助單元，如移動系統(tǒng)、定位系統(tǒng)和自供電系統(tǒng)等。4.2無線傳感器網(wǎng)絡的特點與傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡（如無線局域網(wǎng)和蜂窩移動電話網(wǎng)絡）及在組網(wǎng)形式上相似的無線Ad-Hoc網(wǎng)絡相比，無線傳感器網(wǎng)絡有著明顯不同的技術要求和應用目標。傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡和無線Ad-Hoc網(wǎng)絡都是以傳輸數(shù)據(jù)、完成通信為目的，注重在高度移動的環(huán)境中通過優(yōu)化路由和資源管理策略，最大化帶寬的利用率，為用戶提供高質量的數(shù)據(jù)傳輸服務。而無線傳感器網(wǎng)絡則以數(shù)據(jù)為中心，以獲取有效信息為目的，更注重能源的高效使用。4.2無線傳感器網(wǎng)絡的特點（1）網(wǎng)絡規(guī)模大，節(jié)點密度高。為了從不同視角、無遺漏地獲取精確信息，往往需要在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部署大量的傳感器節(jié)點，而且節(jié)點密度高，大量冗余節(jié)點的存在能夠保證單個節(jié)點失效的情況下，數(shù)據(jù)采集的完整性和準確性，但這也帶來大量的冗余數(shù)據(jù)和嚴重的通信干擾等問題。（2）無中心和自組織。無線傳感器網(wǎng)絡中的傳感器節(jié)點地位都是平等的，沒有預先指定的中心，是一個對等式網(wǎng)絡，各節(jié)點通過分布式算法來相互協(xié)調，可以在無人工干預和其他預置的網(wǎng)絡設施的情況下，快速、自動組織成一個獨立的網(wǎng)絡。正是由于無線傳感器網(wǎng)絡沒有中心，所以不會因為單個節(jié)點的失效影響整個網(wǎng)絡的運行，使網(wǎng)絡具有很強的抗毀性和容錯性。（3）動態(tài)網(wǎng)絡拓撲。由于無線傳感器網(wǎng)絡具有自組織性，所以拓撲結構是動態(tài)的，主要體現(xiàn)在節(jié)點的電池能量耗盡或者發(fā)生其他故障時，節(jié)點失效；環(huán)境條件變化可能造成無線通信鏈路帶寬變化；應用需求發(fā)生變化，需要新節(jié)點的加入；無線傳感器網(wǎng)絡的傳感器節(jié)點、感知對象和觀察者這三要素都可能具有移動性等方面。這些都會使網(wǎng)絡的拓撲結構發(fā)生變化，因此，無線傳感器網(wǎng)絡必須具有動態(tài)的拓撲組織功能。4.2無線傳感器網(wǎng)絡的特點（4）節(jié)點資源有限。傳感器節(jié)點采用嵌入式處理器和存儲器，使用電池為節(jié)點供電，由于受到價格、體積和功耗的嚴格限制，因此在實現(xiàn)各種網(wǎng)絡協(xié)議和應用系統(tǒng)時，節(jié)點資源非常有限，具體表現(xiàn)為電源能量有限、計算和存儲能力有限、通信能力有限。（5）安全性和可靠性。通過隨機撒播傳感器節(jié)點，無線傳感器可大規(guī)模部署于指定的惡劣環(huán)境或人類不宜到達的區(qū)域。由于節(jié)點可能工作在無人值守的露天環(huán)境中，遭受日曬、風吹、雨淋，甚至遭到人或動物的破壞和入侵者的攻擊，并且維護起來十分困難，這些都要求傳感器節(jié)點非常堅固、不易損壞，能夠適應各種惡劣環(huán)境條件。因此，無線傳感器網(wǎng)絡在軟硬件設計上必須要有較高的魯棒性和容錯性，來提高網(wǎng)絡的安全性和可靠性。（6）多跳路由。網(wǎng)絡中節(jié)點的通信距離一般在幾十到幾百米范圍內(nèi)，節(jié)點只能與它的鄰居直接通信。如果希望與其射頻覆蓋范圍之外的節(jié)點進行通信，則需要通過中間節(jié)點進行路由。無線傳感器網(wǎng)絡中的多跳路由是由普通網(wǎng)絡節(jié)點完成的，沒有專門的路由設備。這樣每個節(jié)點既可以是信息的發(fā)起者，也可以是信息的轉發(fā)者。4.2無線傳感器網(wǎng)絡的特點（7）應用相關性。無線傳感器網(wǎng)絡是面向應用的，不同的傳感器網(wǎng)絡應用關心不同的物理量，不同的應用對傳感器網(wǎng)絡的要求也不同，在硬件平臺、軟件系統(tǒng)和網(wǎng)絡協(xié)議設計時也有很大差別。因此，無線傳感器網(wǎng)絡不能像互聯(lián)網(wǎng)一樣，有統(tǒng)一的通信協(xié)議平臺。針對每一個具體應用來研究傳感器網(wǎng)絡技術，這是傳感器網(wǎng)絡設計不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡的顯著特征。（8）以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡。無線傳感器網(wǎng)絡是任務型網(wǎng)絡，傳感器節(jié)點采用節(jié)點編號標識，由于節(jié)點隨機部署，構成的無線傳感器網(wǎng)絡與節(jié)點編號之間的關系是動態(tài)的，表現(xiàn)為節(jié)點編號和節(jié)點位置沒有必然聯(lián)系。用戶使用無線傳感器網(wǎng)絡查詢事件時，直接將所關心的事件通告給網(wǎng)絡，網(wǎng)絡在獲得指定事件信息后匯報給用戶。這種以數(shù)據(jù)本身作為查詢或傳輸線索的思想更接近于自然語言交流的習慣，所以，通常說無線傳感器網(wǎng)絡是一個以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡。4.3無線傳感器網(wǎng)絡的通信協(xié)議無線傳感器網(wǎng)絡的協(xié)議棧4.3.1網(wǎng)絡協(xié)議結構是網(wǎng)絡的協(xié)議分層及網(wǎng)絡協(xié)議的集合，是對網(wǎng)絡及其部件所應完成功能的定義和描述。左圖是典型的無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議棧，該協(xié)議棧除了包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層，與TCP/IP協(xié)議的五層相對應，還包括能量管理平臺、移動管理平臺、任務管理平臺、服務質量（QoS）管理平臺和安全管理平臺等。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)點移動的無線傳感器網(wǎng)絡中轉發(fā)數(shù)據(jù)，并支持多任務和資源共享。4.3無線傳感器網(wǎng)絡的通信協(xié)議1各協(xié)議層的功能1）物理層物理層位于協(xié)議棧的最底層，與物理傳輸介質直接相連，為在物理介質上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流建立傳輸規(guī)則，它負責數(shù)據(jù)傳輸介質規(guī)范、信道頻率選擇、信號的發(fā)送與接收、無線信號的監(jiān)測等工作，所采用的傳輸介質有無線電、紅外線、光波等。目前，無線傳感器網(wǎng)絡主要工作在2.4GHz頻段、915MHz頻段和868MHz頻段三個頻段，在物理層面上使用的協(xié)議標準是IEEE802.15.4標準。數(shù)據(jù)鏈路層用于建立可靠的點到點或者點到多點的通信鏈路，它包括介質訪問控制（MediaAccessControl，MAC）子層和邏輯鏈路控制（LogicalLinkControl，LLC）子層兩部分。數(shù)據(jù)鏈路層主要負責數(shù)據(jù)流的多路復用、數(shù)據(jù)幀的檢測、介質訪問和差錯控制，確保網(wǎng)絡通信的可靠連接。2）數(shù)據(jù)鏈路層4.3無線傳感器網(wǎng)絡的通信協(xié)議3）網(wǎng)絡層網(wǎng)絡層主要負責路由生成與路由選擇，主要功能包括分組路由、網(wǎng)絡互聯(lián)、擁塞控制等。路由協(xié)議的任務是在傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點之間建立路由，可靠地傳輸數(shù)據(jù)。4）傳輸層傳輸層負責無線傳感器網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)流傳輸控制和維護，保證通信服務質量。傳輸層提供無線傳感器網(wǎng)絡內(nèi)部以數(shù)據(jù)為基礎的尋址方式變換為外部網(wǎng)絡的尋址方式，也就是完成數(shù)據(jù)格式的轉換。當無線傳感器網(wǎng)絡需要與其他類型的網(wǎng)絡連接時，可以采用傳統(tǒng)的TCP或UDP協(xié)議。但在無線傳感器網(wǎng)絡的內(nèi)部不能使用這些傳統(tǒng)協(xié)議，因為傳統(tǒng)網(wǎng)絡的TCP或UDP協(xié)議會消耗大量的能量、計算和存儲資源，因此不適用于無線傳感器網(wǎng)絡。目前無線傳感器網(wǎng)絡常用的協(xié)議有慢存入快取出協(xié)議（PSFQ）和可靠的事件傳輸協(xié)議（ESRT）。4.3無線傳感器網(wǎng)絡的通信協(xié)議5）應用層應用層主要提供面向用戶的各種應用服務，其中包括一組基于監(jiān)測任務的應用軟件。在應用層，時間同步和節(jié)點定位提供無線傳感器網(wǎng)絡的應用支撐服務。其中，時間同步服務建立系統(tǒng)中各個節(jié)點之間的時間關系，為協(xié)同工作的節(jié)點提供同步的本地時鐘；節(jié)點定位服務則建立的是系統(tǒng)中各個節(jié)點之間的空間關系，它通過位置已知節(jié)點（信標）去確定其他節(jié)點的位置。4.3無線傳感器網(wǎng)絡的通信協(xié)議2管理平臺的功能能量管理平臺管理傳感器節(jié)點如何使用資源，在各個協(xié)議層都需要考慮節(jié)省能量。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)跟蹤其鄰居的位置。任務管理平臺在一個給定的區(qū)域內(nèi)平衡和調度監(jiān)測任務。服務質量（QoS）管理平臺為各協(xié)議層設計了隊列管理、優(yōu)先級、帶寬預留等機制，并對特定應用的數(shù)據(jù)進行特別處理，為用戶提供高質量的服務。安全管理平臺由于節(jié)點隨機部署、網(wǎng)絡拓撲的動態(tài)性及無線信道的不穩(wěn)定性，傳統(tǒng)的安全機制無法在無線傳感器網(wǎng)絡中適用，因此需要采用擴頻通信、計入認證/鑒權、數(shù)字水印和數(shù)據(jù)加密等技術設計新型的無線傳感器網(wǎng)絡安全機制，來保證無線傳感器網(wǎng)絡的安全。4.3無線傳感器網(wǎng)絡的通信協(xié)議無線傳感器網(wǎng)絡的MAC協(xié)議4.3.21MAC協(xié)議的設計原則在無線傳感器網(wǎng)絡的協(xié)議結構中，介質訪問控制（MAC）協(xié)議是保證網(wǎng)絡高效通信的重要協(xié)議。無線傳感器網(wǎng)絡有著與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡明顯不同的性能特點和技術要求，傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡的MAC協(xié)議無法應用于傳感器網(wǎng)絡，且對大多數(shù)傳感器硬件平臺而言，無線通信模塊是傳感器節(jié)點能量的主要消耗者，而MAC子層直接與物理層連接，MAC協(xié)議直接控制著無線射頻收發(fā)器的活動，決定何時收發(fā)數(shù)據(jù)，所以MAC協(xié)議節(jié)能效率的好壞將嚴重影響網(wǎng)絡的生命周期。4.3無線傳感器網(wǎng)絡的通信協(xié)議（1）能量有效性。能量局限性是無線傳感器網(wǎng)絡的顯著特征之一。節(jié)點一般采用干電池、紐扣電池等提供能量，而且電池的能量通常難以進行補充。在無線傳感器網(wǎng)絡中，無線通信是傳感器能量的主要消耗。MAC協(xié)議要盡可能地節(jié)約能源，通過減少沖突和串音、最小化控制開銷、降低占空比、盡量避免長距離傳輸和利用多個頻段減少傳輸時間等方式，節(jié)省無線傳輸能量。由于目前節(jié)點能量供應問題沒有得到很好的解決，傳感器節(jié)點能量不能自動補充或補充困難，節(jié)約能量成了無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議設計應考慮的首要因素。（2）可靠性。在無線傳感器網(wǎng)絡中，緩沖器溢出和信號干擾都可以造成數(shù)據(jù)包的丟失，而無線傳感器網(wǎng)絡是以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡，這就需要MAC協(xié)議在設計時需要考慮無錯誤鏈路的仔細選擇、對數(shù)據(jù)包的監(jiān)測和修復等因素，以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴＃?）可擴展性。無線傳感器網(wǎng)絡的傳感器節(jié)點具有自組織性，因此它的拓撲結構具有動態(tài)性，這就要求MAC協(xié)議具有可擴展性，以適應這種動態(tài)變化的拓撲結構。4.3無線傳感器網(wǎng)絡的通信協(xié)議（4）分布式算法。由于傳感器節(jié)點能量、計算能力和存儲能力受限，需要多個傳感器節(jié)點協(xié)同來完成某個應用任務，所以MAC協(xié)議運行分布式的算法可以更有效地避免由個別節(jié)點的失效造成網(wǎng)絡癱瘓現(xiàn)象的發(fā)生。（5）性能的平衡。MAC協(xié)議的設計需要在網(wǎng)絡的公平性、實時性、網(wǎng)絡吞吐量及帶寬利用率等多種性能之間取得平衡。各性能的平衡往往比單個性能更重要。因為一個不平衡的協(xié)議即使在某一環(huán)境下表現(xiàn)很好，也很可能在另一環(huán)境中表現(xiàn)很差。4.3無線傳感器網(wǎng)絡的通信協(xié)議2MAC協(xié)議的分類無線傳感器網(wǎng)絡與應用高度相關，MAC協(xié)議可根據(jù)信道分配方式、信道數(shù)據(jù)、通信類型、性能需求、硬件特點及天線種類等分類方法進行分類。（1）根據(jù)信道的分配方式，可分為基于時分復用（TDMA）的固定分配式、基于載波偵聽多路訪問（CSMA）的隨機競爭式和混合式三種?；赥DMA的固定分配式協(xié)議給每個節(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，如C-TDMA協(xié)議；以競爭為基礎的MAC協(xié)議，通過競爭機制保證節(jié)點隨機使用信道，并且不受其他節(jié)點的干擾，如S-MAC；混合式是把基于TDMA的固定分配方式和基于CSMA的競爭方式相結合，以適應網(wǎng)絡拓撲、節(jié)點業(yè)務流量的變化等，如Z-MAC。4.3無線傳感器網(wǎng)絡的通信協(xié)議（2）根據(jù)使用單一共享信道還是多信道，可分為單信道MAC協(xié)議和多信道MAC協(xié)議。前者節(jié)點體積小、成本低，但控制分組與數(shù)據(jù)分組使用同一信道，降低了信道利用率；后者有利于減少沖突和重傳，信道利用率高、傳輸時延小，但硬件成本高，存在頻譜分配擁擠問題。（3）根據(jù)數(shù)據(jù)通信類型，可分為單播協(xié)議和組播/聚播協(xié)議。前者適于沿特定路徑的數(shù)據(jù)采集，有利于網(wǎng)絡優(yōu)化，但擴展性差；后者有利于數(shù)據(jù)融合與查詢，但時鐘同步要求高，且數(shù)據(jù)冗余，重傳代價高。4.3無線傳感器網(wǎng)絡的通信協(xié)議（4）根據(jù)傳感器節(jié)點發(fā)射器硬件功率是否可變，可分為功率固定MAC協(xié)議和功率控制MAC協(xié)議。前者硬件成本低，但通信范圍相互重疊，易造成沖突；后者有利于節(jié)點能耗均衡，但易形成非對稱鏈路，且硬件成本增加。（5）根據(jù)發(fā)射天線的種類，可分為基于全向天線的MAC協(xié)議和基于定向天線的MAC協(xié)議。前者成本低、易部署，但增加了沖突和串音；后者有利于避免沖突，但增加了節(jié)點復雜性和功耗，且需要定位技術的支持。根據(jù)是否需要滿足一定的QoS支持和性能要求，無線傳感器網(wǎng)絡的MAC協(xié)議還可分為實時MAC協(xié)議、能量高效MAC協(xié)議、安全MAC協(xié)議、位置感知MAC協(xié)議、移動MAC協(xié)議等。4.3無線傳感器網(wǎng)絡的通信協(xié)議無線傳感器網(wǎng)絡的路由協(xié)議4.3.3路由協(xié)議是無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵技術之一，它負責將數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點通過網(wǎng)絡轉發(fā)到目的節(jié)點。傳統(tǒng)的路由協(xié)議往往注重于如何使得數(shù)據(jù)分組在網(wǎng)絡中能夠最快地到達目的節(jié)點、如何提高網(wǎng)絡的帶寬和公平性等性能。無線傳感器網(wǎng)絡對路由協(xié)議更注重能源有效性、簡單性和多路性等特殊要求。無線傳感器網(wǎng)絡是以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡，針對不同的傳感數(shù)據(jù)，其應用也多種多樣，所采用的路由協(xié)議也不一樣。因此，在無線傳感器網(wǎng)絡中，沒有一種通用的路由協(xié)議可以適用于任何一種應用場合，路由協(xié)議需要根據(jù)具體應用類型的特點進行設計。4.3無線傳感器網(wǎng)絡的通信協(xié)議1路由協(xié)議設計要考慮的關鍵問題在無線傳感器網(wǎng)絡中，節(jié)點沒有穩(wěn)定和持續(xù)的能量供應，節(jié)點的能量主要依靠能量有限的電池供應，因此在設計路由協(xié)議時必須要考慮如何均衡網(wǎng)絡中每個節(jié)點的能量，均攤網(wǎng)絡的能量消耗，以延長網(wǎng)絡的生存時間。由于節(jié)點能量的限制，節(jié)點的存儲能力和計算能力相對比較弱，因此在進行路由選擇時，必須采用多跳、分布式的模式來進行，每個傳感器節(jié)點都擔任信息轉發(fā)和路由選擇的雙重角色。路由協(xié)議主要包括兩個方面的功能：一是尋找源節(jié)點和目的節(jié)點的優(yōu)化路徑；二是將數(shù)據(jù)分組沿著優(yōu)化路徑正確轉發(fā)。無線傳感器網(wǎng)絡在設計路由協(xié)議時一個最重要的目標就是在傳輸數(shù)據(jù)的同時，最大限度地延長網(wǎng)絡壽命，并且避免網(wǎng)絡連通性降低。4.3無線傳感器網(wǎng)絡的通信協(xié)議（1）節(jié)點部署無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的部署由其應用決定，并且對路由協(xié)議的性能有影響。常用的節(jié)點部署方案有兩種：一是人為手工部署，這種部署方案節(jié)點的拓撲已知，數(shù)據(jù)通過預先定義的路徑傳播；二是隨機部署，節(jié)點通過Ad-Hoc自組織方式建立網(wǎng)絡。如果隨機部署不均勻，則需要采用優(yōu)化分簇策略進行路徑優(yōu)化，且一條路徑可能由節(jié)點多跳方式組成。（2）數(shù)據(jù)精確性前提下的能耗無線傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點數(shù)目較多，在進行精確計算時，部分節(jié)點可能由于大量計算和傳輸信息使節(jié)點的電池能量消耗殆盡。此時，網(wǎng)絡拓撲會發(fā)生變化，從而要求網(wǎng)絡重新組織和路由發(fā)現(xiàn)。4.3無線傳感器網(wǎng)絡的通信協(xié)議（3）以數(shù)據(jù)為中心的數(shù)據(jù)報告模型無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)報告依賴于應用與實踐響應特征。數(shù)據(jù)報告模板可以分為時間驅動、事件驅動、查詢驅動和混合驅動等類型。數(shù)據(jù)報告模板嚴重影響路由協(xié)議的路由穩(wěn)定性和能耗。（4）魯棒性與容錯性一些節(jié)點可能會由于能量耗盡、物理損壞或環(huán)境干擾等因素造成故障或失效，而這不能影響整個網(wǎng)絡服務。如果節(jié)點失效，則MAC協(xié)議和路由協(xié)議必須保證新鏈路產(chǎn)生，并將數(shù)據(jù)通過新路由傳到基站節(jié)點。（5）網(wǎng)絡動態(tài)性無線傳感器網(wǎng)絡具有自組織性，使其網(wǎng)絡拓撲結構具有動態(tài)性。路由的穩(wěn)定性直接影響路由消息的可靠傳輸。而在無線傳感器網(wǎng)絡應用中，節(jié)點的加入、失效和移動，都會導致網(wǎng)絡拓撲發(fā)生變化，這就要求路由協(xié)議具有可擴展性，能夠適應網(wǎng)絡結構變化。（6）數(shù)據(jù)融合由于傳感器節(jié)點可能會產(chǎn)生許多重復冗余的數(shù)據(jù)，從多個不同節(jié)點傳輸相同的數(shù)據(jù)分組可以進行數(shù)據(jù)融合以降低通信量。數(shù)據(jù)融合對不同傳感器節(jié)點傳送的數(shù)據(jù)，根據(jù)某一融合規(guī)則進行融合。4.3無線傳感器網(wǎng)絡的通信協(xié)議1典型的無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議由于無線傳感器網(wǎng)絡資源有限且與應用高度相關，因此在設計路由協(xié)議時，往往根據(jù)具體應用類型的特點進行設計。以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議Flooding（泛洪）、Gossiping（閑聊）、定向擴散（DD）、SPIN（協(xié)商式傳感器信息分發(fā)）等基于層次結構的路由協(xié)議LEACH，PEGASIS和TEEN等協(xié)議基于地理信息的路由協(xié)議GEAR和GAF等路由協(xié)議基于網(wǎng)絡流的路由協(xié)議SAR和SPEED等路由協(xié)議4.3無線傳感器網(wǎng)絡的通信協(xié)議1）以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議Flooding（泛洪）路由協(xié)議又稱擴散路由協(xié)議，是一種傳統(tǒng)網(wǎng)絡通信的簡單路由協(xié)議，它實現(xiàn)起來極其簡單，不需要維護網(wǎng)絡的拓撲結構和相關路由計算，節(jié)點產(chǎn)生或收到數(shù)據(jù)后向所有鄰居節(jié)點廣播，數(shù)據(jù)包直到過期或到達目的節(jié)點才停止傳播。但由于泛洪路由容易造成廣播信息的內(nèi)爆和重疊，使得傳感器節(jié)點的能量很快就被耗盡，網(wǎng)絡生存時間很短。盡管Flooding路由協(xié)議簡單，健壯性好，但是每個節(jié)點在接收到數(shù)據(jù)進行廣播時會大量損耗能耗，導致不能發(fā)現(xiàn)下一跳節(jié)點，從而不具備自適應性，因此，這種協(xié)議并不適合于要求能量高效利用的無線傳感器網(wǎng)絡。（1）Flooding路由協(xié)議4.3無線傳感器網(wǎng)絡的通信協(xié)議Gossiping（閑聊）路由協(xié)議對Flooding路由協(xié)議進行了改進，當節(jié)點接收到數(shù)據(jù)包之后，不是向所有相鄰節(jié)點廣播信息，而是僅隨機選擇一個節(jié)點進行“閑聊”，向它發(fā)送數(shù)據(jù)信息，這個節(jié)點以相同的方式向其鄰居節(jié)點進行數(shù)據(jù)包轉發(fā)，直到數(shù)據(jù)包到達匯聚節(jié)點。這樣就大大抑制了無用的重復廣播信息，可以避免信息內(nèi)爆現(xiàn)象。但它仍無法解決部分重疊現(xiàn)象和盲目使用有限資源問題，且會造成數(shù)據(jù)傳輸平均時延拉長，傳輸速度變慢。（2）Gossiping路由協(xié)議定向擴散（DirectedDiffusion，DD）路由協(xié)議是一種以數(shù)據(jù)屬性為中心的路由協(xié)議，也是一種基于查詢的路由機制。它在通信的源節(jié)點和目的節(jié)點之間建立起梯度場，使數(shù)據(jù)沿著梯度最大的路徑傳輸，并采用了數(shù)據(jù)融合、梯度加強和反向削弱等機制保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝?，是無線傳感器網(wǎng)絡研究的一個熱點。（3）定向擴散路由協(xié)議4.3無線傳感器網(wǎng)絡的通信協(xié)議興趣是對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)感興趣的信息的描述，用來表示查詢?nèi)蝿眨绫O(jiān)測區(qū)域內(nèi)的溫度、濕度和光照等數(shù)據(jù)。梯度一般定義為屬性值和方向。屬性值可以依據(jù)數(shù)據(jù)速率、功率或者地理信息確定；方向由接收節(jié)點指向發(fā)送興趣的鄰居節(jié)點，引導數(shù)據(jù)擴散。興趣擴散階段匯聚節(jié)點周期性地向鄰居節(jié)點廣播興趣消息。興趣消息中含有任務類型、目標區(qū)域、數(shù)據(jù)發(fā)送速率、時間戳等參數(shù)。數(shù)據(jù)傳播階段當傳感器節(jié)點采集到與興趣匹配的數(shù)據(jù)時，把數(shù)據(jù)發(fā)送到梯度上的鄰居節(jié)點，并按照梯度上的數(shù)據(jù)傳輸速率，設定傳感器模塊采集數(shù)據(jù)的速率。路徑加強階段定向擴散路由機制通過正向加強機制來建立優(yōu)化路徑，并根據(jù)網(wǎng)絡拓撲的變化來修改數(shù)據(jù)轉發(fā)的梯度關系。4.3無線傳感器網(wǎng)絡的通信協(xié)議興趣擴散階段是為了建立源節(jié)點到匯聚節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸路徑，數(shù)據(jù)源節(jié)點以較低速率采集和發(fā)送數(shù)據(jù)，稱這個階段建立的梯度為探測梯度。匯聚節(jié)點在收到從源節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)后，啟動建立到源節(jié)點的加強路徑，后續(xù)數(shù)據(jù)將沿著加強路徑以較高的數(shù)據(jù)速率進行傳輸。加強后的梯度稱為數(shù)據(jù)梯度。SPIN（協(xié)商式傳感器信息分發(fā)）是一種以數(shù)據(jù)為中心的自適應通信路由協(xié)議。它通過使用節(jié)點間的協(xié)商制度和資源自適應機制，解決了傳統(tǒng)協(xié)議所存在的內(nèi)爆、重疊及盲目使用資源問題。SPIN協(xié)議有3種數(shù)據(jù)包類型，即ADV，REQ和DATA。其中，ADV用于元數(shù)據(jù)的廣播，REQ用于請求發(fā)送數(shù)據(jù)，DATA為傳感器采集的數(shù)據(jù)包。（4）SPIN路由協(xié)議4.3無線傳感器網(wǎng)絡的通信協(xié)議2）基于層次結構的路由協(xié)議LEACH（LowEnergyAdaptiveClusteringHierarchy）是低功耗自適應分簇路由協(xié)議，它是第一個提出數(shù)據(jù)聚合的層次路由協(xié)議。其他層次式的路由協(xié)議如TEEN，APTEEN，PEGASIS等大都由LEACH發(fā)展而來。LEACH協(xié)議分為兩個操作階段，即簇準備階段和就緒階段。為了使能耗最小化，就緒階段持續(xù)的時間比簇準備階段長。兩個階段所持續(xù)的時間總和稱為一輪。（1）LEACH路由協(xié)議LEACH協(xié)議隨機選取簇頭的方式可以避免簇頭過分消耗能量，提高了網(wǎng)絡生命周期；數(shù)據(jù)聚合能有效減少通信量。但協(xié)議層次化的目的在于數(shù)據(jù)聚合，仍采用一跳通信，雖然傳輸時延小，但要求節(jié)點具有較大功率通信能力，擴展性差，不適合大規(guī)模網(wǎng)絡。它僅適用于每個節(jié)點在單位時間內(nèi)需要發(fā)送的數(shù)據(jù)量基本相同的情況，而不適合突發(fā)數(shù)據(jù)通信。4.3無線傳感器網(wǎng)絡的通信協(xié)議PEGASIS（Power-EfficientGatheringinSensorInformationSystems，傳感器信息系統(tǒng)高效能量收集算法）協(xié)議是在LEACH的基礎上改進的協(xié)議，它采用動態(tài)選舉簇頭的思想，為了避免頻繁選舉簇頭所帶來的通信開銷，采用無通信量的簇頭選舉方法，且網(wǎng)絡中所有節(jié)點只形成一個簇，稱為鏈。該協(xié)議通過避免LEACH協(xié)議頻繁選舉簇頭所帶來的通信開銷及自身有效的鏈式數(shù)據(jù)融合，極大地減少了數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)和通信量，整個網(wǎng)絡的功耗要比LEACH小很多。（2）PEGASIS路由協(xié)議研究結果表明，PEGASIS支持的傳感器網(wǎng)絡的生命周期是LEACH的近兩倍。但固定不變的簇頭使得簇頭成為關鍵點，其失效會導致路由失效；且要求節(jié)點都具有與匯聚節(jié)點通信的能力；如果鏈過長，會增加傳輸時延，不利于實時應用；成鏈算法要求知道其他節(jié)點的位置信息，開銷非常大。4.3無線傳感器網(wǎng)絡的通信協(xié)議TEEN（ThresholdsensitiveEnergyEfficientsensorNetwork）協(xié)議利用過濾方式來減少數(shù)據(jù)傳輸量。該協(xié)議采用與LEACH相同的聚簇方式，但簇頭根據(jù)與匯聚節(jié)點距離的不同形成層次結構。聚簇完成后，匯聚節(jié)點通過簇頭向全網(wǎng)節(jié)點通告兩個門限值（分別稱為硬門限和軟門限）來過濾數(shù)據(jù)發(fā)送。（3）TEEN路由協(xié)議在節(jié)點第1次監(jiān)測到數(shù)據(jù)超過硬門限時，節(jié)點向簇頭上報數(shù)據(jù)，并將當前監(jiān)測數(shù)據(jù)保存為監(jiān)測值（SensedValue，SV），此后只有在監(jiān)測到的數(shù)據(jù)比硬門限大且其與SV之差的絕對值不小于軟門限時，節(jié)點才向簇頭上報數(shù)據(jù)，并將當前監(jiān)測數(shù)據(jù)保存為SV。該協(xié)議利用硬、軟門限減少了數(shù)據(jù)傳輸量。層次性簇頭結構不要求節(jié)點具有大功率通信能力，但由于門限設置阻止了某些數(shù)據(jù)上報，如果某個節(jié)點的檢測數(shù)據(jù)始終達不到硬門限，用戶將無法得到任何數(shù)據(jù)，也無法知道這個節(jié)點是否失效，不適合需要周期性上報數(shù)據(jù)的應用。4.3無線傳感器網(wǎng)絡的通信協(xié)議3）基于地理信息的路由協(xié)議GEAR（GeographicalandEnergyAwareRouting）路由機制采用了基于地理位置信息和能量信息的啟發(fā)式算法。其主要思想是根據(jù)地理位置信息，建立一條從匯聚節(jié)點到事件區(qū)域的優(yōu)化路徑，避免采用簡單泛洪的查詢方法來降低通信能耗。該協(xié)議規(guī)定網(wǎng)絡中的節(jié)點都知道自身的位置信息和剩余能量信息，并且通過周期性的交換Hello消息獲知鄰居節(jié)點的位置信息和剩余能量信息。每個節(jié)點保存著一個代價信息，這個代價信息表示從自身到事件區(qū)域的傳輸代價。（1）GEAR路由協(xié)議GEAR路由中查詢消息傳播包括兩個階段。首先匯聚節(jié)點發(fā)出查詢命令，節(jié)點運用貪婪算法在鄰居節(jié)點中選擇代價信息值最小的節(jié)點作為自己的下一跳節(jié)點。查詢命令到了事件區(qū)域后，節(jié)點可以在事件區(qū)域內(nèi)采取遞歸地理轉發(fā)方式或者受限泛洪轉發(fā)方式，然后該節(jié)點將查詢命令傳播到區(qū)域內(nèi)的其他所有節(jié)點。監(jiān)測數(shù)據(jù)沿著查詢消息的反向路徑向匯聚節(jié)點傳送。4.3無線傳感器網(wǎng)絡的通信協(xié)議GAF（GeographicalAdaptiveFidelity，地域自適應保真算法）路由協(xié)議是能量感知且基于位置的路由協(xié)議，它主要為移動Ad-Hoc網(wǎng)絡設計，但是也可以應用于傳感器網(wǎng)絡。GAF通過在不影響路由精度水平的情況下，將網(wǎng)絡中不必要的節(jié)點關閉來節(jié)省能量。它先在所覆蓋的區(qū)域形成一個虛擬的網(wǎng)格。每個節(jié)點使用GPS定位將自己與虛擬網(wǎng)格中的一點相關聯(lián)，且認為關聯(lián)到網(wǎng)格中同一點的節(jié)點有等價的路由代價。這樣可以利用等價性來使特定網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)的一些節(jié)點進入睡眠狀態(tài)，從而節(jié)省能量。因此，當網(wǎng)絡中的節(jié)點數(shù)目增加時，GAF可以顯著地提高網(wǎng)絡壽命。（2）GAF路由協(xié)議在GAF中，節(jié)點輪流從睡眠狀態(tài)變到工作狀態(tài)，達到網(wǎng)絡負載均衡。GAF為了處理節(jié)點的移動性，節(jié)點估算自己離開網(wǎng)格的時間并將之通知相鄰節(jié)點，因而睡眠節(jié)點可以相應調整睡眠時間，在工作節(jié)點離開本網(wǎng)格之前醒來接替工作，從而保持路由精度。盡管GAF是基于位置的路由協(xié)議，但是也可以認為是一種分層次的路由協(xié)議，只不過它的集群是基于節(jié)點的地理位置，一個代理節(jié)點作為每個特定的網(wǎng)格的首領將本網(wǎng)格的數(shù)據(jù)傳送到其他網(wǎng)格的節(jié)點。4.3無線傳感器網(wǎng)絡的通信協(xié)議4）基于網(wǎng)絡流的路由協(xié)議SAR（SequentialAssignmentRouting，有序分配路由協(xié)議）是第一個在無線傳感器網(wǎng)絡中保證QoS（服務質量）的主動路由協(xié)議?；赒oS的路由協(xié)議要求在實現(xiàn)路由發(fā)現(xiàn)和維護的同時，還要求滿足網(wǎng)絡的QoS需求，一些協(xié)議在建立路由路徑的同時，還考慮節(jié)點的剩余能量、時延、帶寬、時延抖動、丟包率等，從而為數(shù)據(jù)包選擇一個最合適的發(fā)送路線。（1）SAR路由協(xié)議SAR路由協(xié)議也是一種基于多路徑的路由協(xié)議。為了能夠建立起從每個節(jié)點到達匯聚節(jié)點的多徑路由，從匯聚節(jié)點每個鄰居節(jié)點開始，以它們?yōu)闃涓?，依次擴展建立樹狀結構。從匯聚節(jié)點開始，每一個樹都會盡可能地向滿足QoS或者剩余能量較多的鄰居節(jié)點延伸和擴展。當構建樹完成后，大多數(shù)節(jié)點都將成為所建樹的一部分，并且由于匯聚節(jié)點周圍的鄰居節(jié)點都是這些樹的樹根節(jié)點，因此所形成的多條路徑針對匯聚節(jié)點周圍的鄰居節(jié)點是不相交的，這樣能有效避免匯聚節(jié)點周圍節(jié)點能量消耗過快的問題。4.3無線傳感器網(wǎng)絡的通信協(xié)議SPEED是一種提供擁塞控制和端對端實時保證的傳感器網(wǎng)絡QoS路由協(xié)議，它需要每個節(jié)點保持相鄰節(jié)點的信息并使用地理前傳來尋找路徑。而且SPEED力求保證網(wǎng)絡中每個數(shù)據(jù)包具有一定的速度，從而每個應用都可以在做出容許決定前估計包的端對端時延。另外，當網(wǎng)絡擁塞時，SPEED可以提供擁塞避免機制。（2）SPEED路由協(xié)議4.4無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵支撐技術拓撲控制技術4.4.1拓撲控制技術是指在保證網(wǎng)絡連通性和覆蓋率的前提下，充分考慮無線傳感器網(wǎng)絡的特點，根據(jù)不同應用場景，通過節(jié)點發(fā)射功率調節(jié)和鄰居節(jié)點選擇，剔除節(jié)點間不必要的無線通信鏈路，形成一個節(jié)能高效的數(shù)據(jù)轉發(fā)網(wǎng)絡拓撲結構，以保證完成預定任務。無線傳感器網(wǎng)絡由于自身和環(huán)境的影響，網(wǎng)絡拓撲經(jīng)常發(fā)生變化，因此網(wǎng)絡拓撲控制對網(wǎng)絡性能影響很大，良好的網(wǎng)絡拓撲結構能夠提高路由協(xié)議和MAC協(xié)議的效率，為目標定位、時間同步、數(shù)據(jù)融合等奠定基礎，有利于延長整個網(wǎng)絡的生存時間。1拓撲控制與優(yōu)化的作用在無線傳感器網(wǎng)絡中，節(jié)點是體積微小的嵌入式設備，采用能量有限的電池供電，它的計算能力和通信能力十分有限，所以不但要設計能量高效的MAC協(xié)議、路由協(xié)議及應用層協(xié)議，還要設計優(yōu)化的網(wǎng)絡拓撲控制機制。4.4無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵支撐技術（1）影響整個網(wǎng)絡的生存時間傳感器網(wǎng)絡節(jié)點一般采用電池供電，節(jié)省能量是網(wǎng)絡設計主要考慮的問題之一。拓撲控制的一個重要目標就是在保證網(wǎng)絡連通性和覆蓋率的情況下，盡量合理高效地使用網(wǎng)絡能量，延長整個網(wǎng)絡的壽命。（2）為路由協(xié)議提供基礎在無線傳感器網(wǎng)絡中，只有活動的節(jié)點才能夠進行數(shù)據(jù)轉發(fā)，而拓撲控制可以確定由哪些節(jié)點作為轉發(fā)節(jié)點，同時確定節(jié)點之間的鄰居關系。網(wǎng)絡拓撲中的節(jié)點和鏈路被路由機制隱性（如路由算法）或顯性（如數(shù)據(jù)轉發(fā)）地利用，網(wǎng)絡拓撲是路由和數(shù)據(jù)轉發(fā)的基礎。（3）彌補節(jié)點失效的影響傳感器節(jié)點可能部署在惡劣的環(huán)境中，在軍事應用中甚至部署在敵方區(qū)域內(nèi)，所以很容易受到破壞而失效。這就要求網(wǎng)絡拓撲結構具有魯棒性和可擴展性以適應這種情況。4.4無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵支撐技術（4）減小節(jié)點間通信干擾，提高網(wǎng)絡通信效率在無線傳感器網(wǎng)絡中，節(jié)點通常部署比較密集，如果每個節(jié)點都以大功率進行通信，會加劇節(jié)點之間的干擾，降低通信效率，并造成節(jié)點能量的浪費。反之，如果選擇太小的發(fā)射功率，會影響網(wǎng)絡的連通性。所以，拓撲控制中的功率控制技術是解決這個矛盾的重要途徑之一。（5）影響數(shù)據(jù)融合無線傳感器網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)融合是指傳感器節(jié)點將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給骨干節(jié)點，骨干節(jié)點進行數(shù)據(jù)融合，并把融合的數(shù)據(jù)結果發(fā)送給匯聚節(jié)點。而骨干節(jié)點的選擇是拓撲控制的一項重要內(nèi)容。4.4無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵支撐技術2拓撲結構根據(jù)網(wǎng)絡功能和層次結構的不同平面網(wǎng)絡結構異構網(wǎng)絡結構層次網(wǎng)絡結構4.4無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵支撐技術平面網(wǎng)絡結構是無線傳感器網(wǎng)絡中最簡單的拓撲結構。平面網(wǎng)絡結構中所有節(jié)點的功能特性一致，是一種對等結構。這種網(wǎng)絡拓撲結構易維護、簡單，且具有較好的魯棒性。由于網(wǎng)絡中沒有網(wǎng)管節(jié)點，所以常常采用分布式自組織算法構成網(wǎng)絡，拓撲控制算法比較復雜。4.4無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵支撐技術層次網(wǎng)絡結構是平面網(wǎng)絡結構的一種擴展形式。層次網(wǎng)絡結構包括位于上層的骨干節(jié)點和位于下層的普通節(jié)點，骨干節(jié)點之間是一種對等結構，骨干節(jié)點和普通節(jié)點具有不同的功能特性。網(wǎng)絡中有一個或多個骨干節(jié)點，骨干節(jié)點之間或普通節(jié)點之間采用的是平面網(wǎng)絡結構。骨干節(jié)點和普通節(jié)點之間采用的是分層網(wǎng)絡結構，這種分層的網(wǎng)絡結構一般以簇的形式存在。這種網(wǎng)絡拓撲結構便于集中管理，而且具有很好的擴展性，具有較低的網(wǎng)絡構建成本，對提高網(wǎng)絡的覆蓋率和可靠性具有很好的支撐作用，但集中管理的成本較高，普通節(jié)點之間不能直接通信。4.4無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵支撐技術異構網(wǎng)絡結構是平面網(wǎng)絡結構和層次網(wǎng)絡結構的一種混合拓撲結構。普通節(jié)點之間或骨干節(jié)點之間一般采用平面網(wǎng)絡結構，普通節(jié)點和骨干節(jié)點之間采用層次網(wǎng)絡結構。異構網(wǎng)絡結構不同于層次網(wǎng)絡結構的地方是：在異構網(wǎng)絡結構中普通節(jié)點之間可以直接通信，無需通過骨干節(jié)點進行數(shù)據(jù)轉發(fā)。與層次網(wǎng)絡結構相比，異構網(wǎng)絡結構可支持更多、更強的功能，但構成網(wǎng)絡的硬件成本較高。4.4無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵支撐技術3拓撲控制設計目標拓撲控制設計的目標是在保證一定網(wǎng)絡覆蓋率和連通性的前提下，以延長網(wǎng)絡的生命周期為主要目標，兼顧網(wǎng)絡延遲、通信干擾、負載均衡、可靠性和可擴展性等其他性能，形成一個優(yōu)化的網(wǎng)絡拓撲結構。（1）網(wǎng)絡生命周期網(wǎng)絡生命周期一般定義為網(wǎng)絡中死亡節(jié)點的百分比低于某個閾值時的持續(xù)時間。此外，網(wǎng)絡服務質量的度量也是網(wǎng)絡生命周期的另一種定義。延長網(wǎng)絡生命周期的有效技術是功率控制和睡眠調度，最大限度地延長網(wǎng)絡的生命周期是拓撲控制研究的主要目標。（2）連通性無線傳感器網(wǎng)絡是自組織的多跳網(wǎng)絡，傳感器節(jié)點感知到的數(shù)據(jù)需要通過多跳的方式傳送到匯聚節(jié)點。為此，拓撲控制必須保證網(wǎng)絡的連通性，即拓撲結構中的任意兩個節(jié)點之間都必須有一條可達的路徑。連通性是拓撲控制的基本要求。（3）覆蓋率覆蓋率反映了網(wǎng)絡對物理世界的感知能力，良好的網(wǎng)絡覆蓋率能使無線傳感器網(wǎng)絡的空間資源得到優(yōu)化，進而更好地完成諸如環(huán)境感知、信息采集和數(shù)據(jù)有效傳輸?shù)热蝿?。覆蓋率是網(wǎng)絡拓撲結構的關鍵內(nèi)容。4.4無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵支撐技術（4）容錯性由于無線傳感器網(wǎng)絡一般是部署在野外或惡劣環(huán)境，傳感器節(jié)點可能由于自身電池耗盡、外界破壞或者環(huán)境影響等原因而失效。因此如何在網(wǎng)絡失效的情況下實現(xiàn)網(wǎng)絡拓撲的自愈和重構，保證在傳感器節(jié)點失效的情況下，維持網(wǎng)絡的正常工作以提高網(wǎng)絡的抗毀能力，是無線傳感器網(wǎng)絡拓撲控制面臨的新問題。（5）干擾和競爭無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點間存在無線通信干擾和信道競爭。對于功率控制，網(wǎng)絡無線信道競爭區(qū)域的大小與節(jié)點的發(fā)射半徑成正比，通過減少節(jié)點的有效通信半徑，可以降低節(jié)點的發(fā)射功率，從而減少發(fā)生通信競爭的區(qū)域大小，因此能有效地減少節(jié)點間的通信干擾和對MAC層的競爭。此外，通過睡眠調度也可以使盡可能多的節(jié)點睡眠以減少干擾和競爭。拓撲控制的另一個功能就是盡量減少節(jié)點間的通信干擾和信道競爭。（6）吞吐率吞吐率是衡量無線傳感器網(wǎng)絡性能的重要指標，也是拓撲控制算法設計時要考慮的目標之一。4.4無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵支撐技術（7）網(wǎng)絡延遲無線傳感器網(wǎng)絡的應用環(huán)境、帶寬、MAC層協(xié)議及拓撲控制協(xié)議都與傳輸延遲相關。在實時性要求很高的場合，如軍事戰(zhàn)場實時數(shù)據(jù)的收集、智能交通或者災難救援中的數(shù)據(jù)收集等，對數(shù)據(jù)的延遲提出了很高的要求。這種場景下，系統(tǒng)的延遲性將是無線傳感器網(wǎng)絡拓撲控制首要考慮的因素之一。當網(wǎng)絡負載較高時，低發(fā)射功率會帶來較小的端到端延遲；而在低負載情況下，低發(fā)射功率會帶來較大的端到端延遲。（8）拓撲性質網(wǎng)絡拓撲的好壞難以直接通過拓撲控制的最終目標給出度量。因此，在設計拓撲控制機制時，實現(xiàn)良好的拓撲性質是網(wǎng)絡設計和規(guī)劃的首選。除了連通性等基本屬性外，平面性、對稱性、稀疏性、節(jié)點度的有界性都是在拓撲設計時希望獲得的性質。除上述因素之外，拓撲控制還要考慮負載均衡、簡單性、可靠性、可擴展性等方面的因素?？傊?，拓撲控制設計目標的各種因素之間關系復雜，在實際中應該根據(jù)網(wǎng)絡的具體應用綜合考慮和平衡這些因素，使網(wǎng)絡拓撲性能達到最優(yōu)化。4.4無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵支撐技術4典型的拓撲控制技術1）功率控制技術功率控制技術是指在滿足網(wǎng)絡連通度的前提下，通過節(jié)點功率控制或動態(tài)調整節(jié)點的發(fā)射功率，精簡節(jié)點間的無線通信鏈路，保留生成一個高效的數(shù)據(jù)轉發(fā)網(wǎng)絡拓撲結構，在保證網(wǎng)絡拓撲結構連通的基礎上，使網(wǎng)絡中節(jié)點的能量消耗最小。功率控制適用于網(wǎng)絡規(guī)模相對較小，對感知數(shù)據(jù)準確性和敏感度要求較高的網(wǎng)絡環(huán)境。COMPOW算法、基于臨近圖的算法、LMA算法、CLUSTERPOW算法都是典型的功率控制技術。COMPOW（CommonPower，統(tǒng)一功率分配）算法是一種簡單的將功率控制與路由協(xié)議相結合的解決方案，其基本思想是：所有的傳感器節(jié)點發(fā)射功率相同，且發(fā)射功率被調節(jié)至能夠保證拓撲連通的最小功率。在節(jié)點分布不均勻的條件下，低密度區(qū)域節(jié)點間距離較大，需采用較大的發(fā)射功率才能保證網(wǎng)絡連通，相反高密度區(qū)域節(jié)點只需較小的發(fā)射功率即可保證網(wǎng)絡連通。而由于節(jié)點發(fā)射功率一致的約束，迫使高密度區(qū)域的節(jié)點也必須采用較大的發(fā)射功率，顯然降低了算法的效率。4.4無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵支撐技術2）層次拓撲控制技術層次拓撲控制適用于部分節(jié)點可以實行休眠策略的大規(guī)模網(wǎng)絡。其關鍵技術是分簇，通過采用周期性選擇簇頭節(jié)點的方式，由簇頭構成貫穿整個拓撲的骨干網(wǎng)，并且休眠非簇頭空閑節(jié)點，從而大幅度降低空閑狀態(tài)時偵聽行為對節(jié)點能量的消耗，進而延長網(wǎng)絡生命周期。LEACH算法、GAF算法、HEED算法都是典型的層次拓撲控制技術。固定簇半徑的分簇協(xié)議HEED（AHybrid，Energy-Efficient，DistributedClusteringApproach）算法是一種混合式的分簇算法，以簇內(nèi)平均可達能量作為衡量簇內(nèi)通信成本的標準。節(jié)點用不同的初始概率發(fā)送競爭消息，簇頭競選成功后，其他節(jié)點根據(jù)在競爭階段收集到的信息選擇加入哪個簇。HEED算法在簇頭選擇標準及簇頭競爭機制上與LEACH算法不同，成簇的速度有一定的改進，特別是考慮到成簇后簇內(nèi)的通信開銷，把節(jié)點剩余能量作為一個參量引入算法中，使得選擇的簇頭更適合擔當數(shù)據(jù)轉發(fā)的任務，形成的網(wǎng)絡拓撲更趨合理，全網(wǎng)的能量消耗更均勻。HEED綜合考慮了生存時間、可擴展性和負載均衡，對節(jié)點分布和能量也沒有特殊要求。雖然HEED執(zhí)行并不依賴于同步，但是不同步卻會嚴重影響分簇的質量。4.4無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵支撐技術數(shù)據(jù)融合技術4.4.2無線傳感器網(wǎng)絡通常采用高密度、大規(guī)模的部署方式，這使得某個范圍內(nèi)節(jié)點采集的數(shù)據(jù)存在很大的冗余。如果每個節(jié)點單獨傳送各自的數(shù)據(jù)，將會消耗過多的能量并且會增加MAC層的調度負擔，造成沖突，降低通信效率。因此，無線傳感器網(wǎng)絡在收集數(shù)據(jù)時需要采用數(shù)據(jù)融合技術來減少數(shù)據(jù)冗余、節(jié)省能量、提高信息準確度。在無線傳感器網(wǎng)絡的應用中，數(shù)據(jù)融合技術主要用于處理同一類型的傳感器采集的數(shù)據(jù)，通過減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量來有效地節(jié)省能量。因此在從各個傳感器節(jié)點收集數(shù)據(jù)的過程中，應利用節(jié)點的本地計算和存儲能力處理數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)融合操作，去除冗余信息，盡量減小傳輸量，從而達到節(jié)省能量的目的。由于無線傳感器網(wǎng)絡具有應用的相關性，因此，針對具體應用需求設計的數(shù)據(jù)融合方法才能達到節(jié)能、高效、數(shù)據(jù)準確性高的效果。4.4無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵支撐技術1數(shù)據(jù)融合的分類1）根據(jù)節(jié)點處理層次分類集中式融合多個源節(jié)點直接將數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點，所有的細節(jié)信息均被保留，最后由匯聚節(jié)點進行數(shù)據(jù)的融合。優(yōu)點是信息損失較小，缺點是冗余信息多、通信量大、能耗大。分布式融合一種網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)融合，傳感器節(jié)點探測到的數(shù)據(jù)在逐次轉發(fā)的過程中不斷被處理，即中間節(jié)點查看數(shù)據(jù)包的內(nèi)容，進行相應的數(shù)據(jù)融合后轉發(fā)給下一跳。與集中式融合相比，分布式融合減少了通信傳輸量，降低了能耗，但融合精確度較低。混合式融合結合前兩種融合方法對數(shù)據(jù)進行融合。4.4無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵支撐技術2）根據(jù)融合前后數(shù)據(jù)信息量變化分類根據(jù)融合前后數(shù)據(jù)信息量的變化，可分為無損融合和有損融合。在無損融合中，全部細節(jié)信息均被保留，僅去除數(shù)據(jù)中的冗余部分。這種方法不改變各個分組所攜帶的數(shù)據(jù)內(nèi)容，只是縮減了分組頭部的數(shù)據(jù)和傳輸多個分組所需的控制開銷，保證了數(shù)據(jù)的完整性。在有損融合中，通常會采用省略一些信息或降低數(shù)據(jù)質量的方法來減少需要存儲或傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，在一定程度上減少了網(wǎng)絡通信量，是進行網(wǎng)內(nèi)處理的必然結果。相對傳感器節(jié)點的原始數(shù)據(jù)，有損融合后損失了大量信息，僅能滿足數(shù)據(jù)收集者的需求。4.4無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵支撐技術3）根據(jù)信息抽象層次分類根據(jù)信息抽象層次，可分為數(shù)據(jù)級融合、特征級融合和決策級融合。數(shù)據(jù)級融合在采集層上對原始數(shù)據(jù)直接進行融合，在多源數(shù)據(jù)未經(jīng)處理之前就進行數(shù)據(jù)綜合和分析。其優(yōu)點是糾錯能力很強，能夠提供細微的信息；缺點是抗干擾能力差。特征級融合是經(jīng)過特征提取手段提取數(shù)據(jù)的特征值，然后再進行融合。對于這種中間層的融合，提取數(shù)據(jù)的特征就意味著信息將會損失，即在保證數(shù)據(jù)完整性的前提下實現(xiàn)有效壓縮。其優(yōu)點是壓縮信息能力強，減少了數(shù)據(jù)的傳輸量，便于實時處理。決策級融合是對監(jiān)測對象的不同類型的傳感器信息形成的決策進行最后的綜合分析，從而得出判決信息。其優(yōu)點是融合過程中通信量小、容錯性較好，并且可處理多種類傳感器的融合；缺點是要進行高成本的數(shù)據(jù)預處理。4.4無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵支撐技術2數(shù)據(jù)融合的方法現(xiàn)階段，常用的數(shù)據(jù)融合方法主要有卡爾曼濾波法、貝葉斯估計、神經(jīng)網(wǎng)絡、貝葉斯推理、D-S證據(jù)推理等。其中，卡爾曼濾波法、貝葉斯估計、神經(jīng)網(wǎng)絡理論已經(jīng)很成熟，各自的應用范圍也相對較廣，比如神經(jīng)網(wǎng)絡具有自學習和自組織功能，其廣泛應用于智能交通中，進行傳感器感應數(shù)據(jù)的融合來預測交通狀態(tài)。數(shù)據(jù)融合技術可以與無線傳感器網(wǎng)絡的多個協(xié)議層次進行結合。（1）應用層中的數(shù)據(jù)融合（2）網(wǎng)絡層中的數(shù)據(jù)融合（3）獨立的數(shù)據(jù)融合協(xié)議層4.4無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵支撐技術在應用層設計中，可以利用分布式數(shù)據(jù)庫技術，對采集到的數(shù)據(jù)進行逐步篩選，達到融合的效果。無線傳感器網(wǎng)絡應用層常用的數(shù)據(jù)融合算法是TAG算法，它的數(shù)據(jù)融合思想在無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)TinyDB中得到了很好的實現(xiàn)和應用。在網(wǎng)絡層，很多路由協(xié)議均結合了數(shù)據(jù)融合機制，以減少數(shù)據(jù)傳輸。無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)絡層常用的數(shù)據(jù)融合算法是以數(shù)據(jù)為中心的路由（Data-CenterRouting，DC路由）。DC路由在數(shù)據(jù)轉發(fā)的路途中，節(jié)點會依據(jù)其內(nèi)容，對來自多源的數(shù)據(jù)進行整合，源節(jié)點沒有形成最短路徑，而是經(jīng)過節(jié)點融合后再轉發(fā)。獨立于其他協(xié)議層的數(shù)據(jù)融合協(xié)議層，通過減少MAC層的發(fā)送沖突和頭部開銷達到節(jié)省能量的目的，同時又不損失時間性能和信息的完整性。4.4無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵支撐技術定位技術4.4.3定位技術是無線傳感器網(wǎng)絡重要的支撐技術。在無線傳感器網(wǎng)絡中，位置信息對無線傳感器網(wǎng)絡的監(jiān)測活動尤為重要，事件發(fā)生的位置或獲取信息的節(jié)點位置是無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點監(jiān)測信息中所包含的重要信息。因此，定位對無線傳感器網(wǎng)絡的有效應用起著至關重要的作用。1無線傳感器網(wǎng)絡定位的概念和相關術語無線傳感器網(wǎng)絡的定位是指自組織的網(wǎng)絡通過特定方法提供節(jié)點位置信息。這種自組織網(wǎng)絡定位分為節(jié)點自身定位和目標定位。節(jié)點自身定位是確定網(wǎng)絡中節(jié)點為坐標位置的過程；目標定位是確定網(wǎng)絡覆蓋范圍內(nèi)目標的坐標位置。4.4無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵支撐技術知識庫錨節(jié)點（Anchors）：也稱信標節(jié)點、燈塔節(jié)點等，是指可通過某種手段自主獲取自身位置的節(jié)點。普通節(jié)點（Normalnodes）：也稱未知節(jié)點或待定位節(jié)點，是指預先不知道自身位置，需使用錨節(jié)點的位置信息并運用一定的算法得到估計位置的節(jié)點。鄰居節(jié)點（Neighbornodes）：傳感器節(jié)點通信半徑以內(nèi)的其他節(jié)點。跳數(shù)（Hopcount）：兩個節(jié)點之間間隔的跳段總數(shù)。跳段距離（Hopdistance）：兩個節(jié)點之間間隔的各跳段距離之和。連通度（Connectivity）：一個節(jié)點擁有的鄰居節(jié)點的數(shù)目。4.4無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵支撐技術知識庫基礎設施（Infrastructure）：協(xié)助節(jié)點定位且已知自身位置的固定設備，如衛(wèi)星基站、GPS等。接收信號強度指示（ReceivedSignalStrengthIndicator，RSSI）：節(jié)點接收到的無線信號的強度大小。到達角度（AngleofArrival，AOA）：節(jié)點接收到的信號相對于自身軸線的角度，稱為信號相對接收節(jié)點的到達角度。視線關系（LineofSight，LOS）：兩個節(jié)點之間沒有障礙物間隔，能夠直接通信，稱為兩個節(jié)點間存在視線關系。非視線關系（NoLOS，NLOS）：兩個節(jié)點之間存在障礙物。4.4無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵支撐技術2典型的無線傳感器網(wǎng)絡定位方法在無線傳感器網(wǎng)絡中，由于傳感器節(jié)點能量、計算能力和處理能力有限，節(jié)點部署隨機且規(guī)模大，無線模塊的通信距離有限等特點，對定位算法和定位技術提出了很高的要求。因此，無線傳感器網(wǎng)絡定位算法應具備健壯性、容錯性、分布式計算、能量高效、實時性和自適應性等特點。在無線傳感器網(wǎng)絡中，沒有統(tǒng)一的最有的定位算法，只有針對特定環(huán)境比較合適的定位算法。4.4無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵支撐技術1）基于測距的定位和無需測距的定位無需測距的定位算法無需測量節(jié)點之間的絕對距離或方位，而是利用節(jié)點間的估計距離計算節(jié)點的位置。這種算法測量的精確度較低，但具有可擴展性、規(guī)模性、代價小等優(yōu)點。典型的無需測距的定位算法有質心算法（CentroidAlgorithm）、DV-Hop（DistanceVector-Hop）定位、凸規(guī)劃（ConvexOptimization）定位算法等?；跍y距的定位算法需要測量相鄰節(jié)點之間的絕對距離或者方位，并利用節(jié)點間的實際距離或者方位來計算未知節(jié)點的位置，這種算法的測量精確度較高，但硬件成本也較高，功耗較大。典型的基于測距的定位算法有Cricket室內(nèi)定位系統(tǒng)、AHLoS（Ad-HocLocalizationSystem）算法、RADAR算法等。4.4無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵支撐技術2）絕對定位和相對定位絕對定位的定位結果是一個標準的坐標位置，如經(jīng)緯度；絕對定位可為網(wǎng)絡提供唯一的命名空間，受網(wǎng)絡變動影響較小，有非常廣泛的應用領域。相對定位通常是以網(wǎng)絡中部分節(jié)點為參考，建立整個網(wǎng)絡的相對坐標系統(tǒng)。在相對定位的基礎上同樣也能夠實現(xiàn)部分路由協(xié)議，尤其是基于地理位置的路由。大多數(shù)定位系統(tǒng)都可以實現(xiàn)絕對定位，只有部分定位系統(tǒng)和算法只能實現(xiàn)相對定位。典型的相對定位算法和系統(tǒng)有SPA算法、LPS算法、SpotON系統(tǒng)，而MDS-MAP算法可以根據(jù)網(wǎng)絡配置的不同分別實現(xiàn)兩種定位。4.4無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵支撐技術3）緊密耦合定位系統(tǒng)和松散耦合定位系統(tǒng)緊密耦合定位系統(tǒng)是指信標節(jié)點不僅被仔細地部署在固定位置，并且通過有線介質連接到中心控制器；而松散耦合定位系統(tǒng)的節(jié)點采用無中心控制器的分布式無線協(xié)調方式。典型的緊密耦合定位系統(tǒng)包括AT&T的ActiveBat系統(tǒng)和ActiveBadge，HiBallTracker等。它們的特點是適用于室內(nèi)環(huán)境，具有較高的精確性和實時性，時間同步和信標協(xié)調性較好，但可擴展性差，代價較大，無法應用于布線工作不可行的室外環(huán)境。典型的松散耦合定位系統(tǒng)包括Cricket和AHLoS等。它們以犧牲緊密耦合系統(tǒng)的精確性為代價而獲得了部署的靈活性，依靠節(jié)點間的協(xié)調和信息的交換實現(xiàn)定位。在松散耦合定位系統(tǒng)中，因為網(wǎng)絡節(jié)點以隨機方式進行部署，節(jié)點間沒有直接協(xié)調，所以節(jié)點之間會競爭信道并相互干擾。4.4無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵支撐技術4）粗粒度和細粒度根據(jù)定位所需信息的粒度可將定位算法分為粗粒度定位技術和細粒度定位技術兩類。粗粒度定位技術是根據(jù)與信標節(jié)點的接近程度來度量的技術；細粒度定位技術是根據(jù)信號強度或者時間來測量未知節(jié)點到信標節(jié)點的距離從而定位的技術。其中，細粒度又可分為基于距離和基于方向性測量兩類。4.4無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵支撐技術時間同步技術4.4.41時間同步技術概述時間同步技術是無線傳感器網(wǎng)絡中非常重要的技術之一，它是保證傳感器網(wǎng)絡中各個節(jié)點協(xié)同工作的核心機制。Windows系統(tǒng)提供了一個Internet時間服務器，可以修改計算機的本地時間，實現(xiàn)不同計算機之間的時間同步。同樣，在無線傳感器網(wǎng)絡這樣的分布式系統(tǒng)中，每個節(jié)點都有各自的本地時鐘。由于一些內(nèi)在因素（晶體振蕩器頻率存在偏差）和一些外在因素（溫度變化和電磁波干擾）的影響，節(jié)點之間很難達到長期的時間同步，即使在某個時刻所有節(jié)點都達到時間同步，它們的時間也會逐漸出現(xiàn)偏差。因此，無線傳感器網(wǎng)絡也需要時間同步。4.4無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵支撐技術網(wǎng)絡時間協(xié)議（NTP）和GPS技術等傳統(tǒng)的時間同步技術，不適合無線傳感器網(wǎng)絡。由于無線傳感器節(jié)點的體積、計算能力和存儲空間有限，而且用無線的方式進行連接，因此NTP不適合無線傳感器網(wǎng)絡。無線傳感器節(jié)點不可能每個都攜帶GPS設備，而且使用GPS有嚴格的環(huán)境要求，因此GPS也不適合。采用統(tǒng)計學分析的方法提高時間同步精度；采用不同的時間消息交換的方法，達到降低能量消耗的目的；4.4無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵支撐技術2典型的無線傳感器網(wǎng)絡時間同步協(xié)議延遲測量時鐘同步（DMTS）協(xié)議參考廣播同步（RBS）協(xié)議Tiny-Sync/Mini-Sync同步協(xié)議傳感網(wǎng)時間同步協(xié)議（TPSN）泛洪時間同步協(xié)議（FTSP）分級的參考時間同步協(xié)議（HRTS）全局時鐘同步（GCS）4.4無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵支撐技術1）DMTS協(xié)議DMTS（DelayMeasurementTimeSynchronization，延遲測量時鐘同步）協(xié)議的研究思路是根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡的自身特點，為了較低的計算復雜度和能耗，犧牲一部分同步精度。發(fā)送方在偵測到信道空閑之時，給時間同步報文加上時間戳t0，這樣可以排除發(fā)送時間和訪問時間的影響。報文發(fā)送前必須先發(fā)送一定數(shù)量的前導碼和同步字，設總長度為n比特，根據(jù)發(fā)送率可知道單個比特位需要的發(fā)送時間t，估計前導碼和起始字符的發(fā)送時間為nt。接收節(jié)點在前導碼和同步字接收完畢后記錄本地時間t1，并在調整自己的時鐘前再記錄時間t2，接收端的接收處理延遲為（t2－t1）。接收者將自己的時間調整為t0+nt+(t2－t1)，這樣即可達到兩節(jié)點的時間同步。DMTS算法沒有考慮傳播延遲和編解碼延遲，而且沒有對時漂進行補償，但正因為計算簡單有效，在保證一定的同步精度的情況下獲得了較低的計算復雜度和能耗。4.4無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵支撐技術2）RBS協(xié)議RBS（ReferenceBroadcastSynchronization，參考廣播同步）協(xié)議是一種接收者－接收者同步機制。這種機制相對于發(fā)送者－接收者同步機制來說，縮短了同步的關鍵路徑，減少了報文傳輸延遲和中斷等待時間等不確定性，排除了發(fā)送時間、訪問時間及編碼時間的影響，因此提高了同步的精度。RBS利用了無線數(shù)據(jù)鏈路層的廣播信道特性，一個節(jié)點發(fā)送廣播消息，接收到廣播消息的一組節(jié)點通過比較各自接收到消息的本地時刻，實現(xiàn)它們之間時間同步的算法。為了提高時間同步精度，RBS協(xié)議采用了統(tǒng)計技術，通過參考節(jié)點發(fā)送多個消息，獲得接收節(jié)點之間的時間差異的平均值。對于時鐘偏差問題，采用了最小平方的線性回歸方法進行線性擬合，直線斜率就是兩個節(jié)點的時鐘偏差，直線上的點表示節(jié)點間的時間差異。為了節(jié)省同步能耗，實際的RBS協(xié)議僅在需要同步時，才交換記錄的時刻信息，并且一次交換最近記錄的多個時刻信息。4.4無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵支撐技術3）Tiny-Sync/Mini-Sync同步協(xié)議Tiny-Sync/Mini-Sync是由Sichitiu和Veerarittiphan于2003年提出的基于雙向消息傳遞的發(fā)送者和接收者之間的輕量級時間同步機制。該算法的前提是假設每個時鐘可近似為一個頻率固定的晶振，節(jié)點的時鐘漂移遵循線性變化，那么兩個節(jié)點之間的時間偏移也是線性的，可通過交換時標分組來估計兩個節(jié)點間的最優(yōu)匹配偏移量。該算法仍采用雙向信息傳遞，不同之處在于Tiny-Sync和Mini-Sync發(fā)送多次探測信息，探測信息與以往的同步請求不同，接收節(jié)點收到探測信息后立即返回消息。Tiny-Sync和Mini-Sync為滿足無線傳感器網(wǎng)絡低能耗的要求，交換少量信息，利用夾逼準則和線性規(guī)劃估算頻偏和相偏，提高了同步精度，降低了通信開銷。4.4無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵支撐技術4）TPSNTPSN（Timing-SyncProtocolforSensorNetworks，傳感網(wǎng)時間同步協(xié)議）認為傳統(tǒng)的發(fā)送者－接收者同步協(xié)議的精度因為單向報文交換的傳播延遲而不夠精確，因此它采用了雙向成對同步方法。該算法采用層次型網(wǎng)絡結構，設定一根節(jié)點作為整個網(wǎng)絡的時鐘源。首先所有節(jié)點按照層次結構進行分級，然后各節(jié)點逐次與上層節(jié)點進行同步，最終達到整網(wǎng)時間同步。每個傳感器節(jié)點都有唯一的標識號ID，節(jié)點間的無線通信鏈路是雙向的，通過雙向消息交換實現(xiàn)節(jié)點間的時間同步，整個網(wǎng)絡內(nèi)所有節(jié)點按層次結構管理，由TPSN生成和維護。4.4無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵支撐技術該算法的優(yōu)點是在MAC消息開始發(fā)送到無線信道時，才給消息添加時標，消除了訪問時間帶來的時間同步誤差；考慮了傳播時間和接收時間，利用雙向消息交換計算消息的平均延遲，提高了時間同步的精度。缺點是在基于層次模型的情況下不利于網(wǎng)絡的動態(tài)變化，級別的靜態(tài)特性減少了算法的魯棒性。（1）層次發(fā)現(xiàn)階段。根節(jié)點廣播分組層次發(fā)現(xiàn)報文，報文中包含發(fā)送節(jié)點的ID和level值。根節(jié)點的鄰居節(jié)點收到根節(jié)點發(fā)送的報文后，將自己的level值加1。節(jié)點收到第i級節(jié)點的廣播報文后，記錄下報文中的level值，并將自己的級別設置為(i+1)，以此進行此操作后，所有節(jié)點都將分配一個level值。（2）同步階段。層次建立后，根節(jié)點就會發(fā)出時間同步開始報文。其鄰居節(jié)點在收到時間同步報文后開始雙向同步報文交換，開始與根節(jié)點進行時間同步。各節(jié)點根據(jù)自身記錄的level值，與上層節(jié)點進行時間同步。依次進行，直到網(wǎng)內(nèi)所有節(jié)點與根節(jié)點同步。4.4無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵支撐技術5）FTSPFTSP（FloodingTimeSynchronizationProtocol，泛洪時間同步協(xié)議）屬于發(fā)送者－接收者協(xié)議。FTSP基于MAC層時間戳技術，發(fā)送者節(jié)點在報文中的多個位置嵌入不同的時間戳，根據(jù)標記的多個時間戳，接收者節(jié)點估算出中斷等待時間和設定的用以補償接收時間戳的靜態(tài)編解碼時間，得到更精確的同步點。多跳的FTSP采用泛洪的方法廣播時間基準節(jié)點的時間。當網(wǎng)絡中的時間基準節(jié)點正常工作時，每隔一段時間，它將廣播一個報文。報文中含有一個報文流水號指示變量seqNum，每當時間基準節(jié)點發(fā)送一個新的報文，指示變量的值就加1（可以理解為同步的輪數(shù)）。根據(jù)報文中seqNum的值，接收節(jié)點可以判斷出報文的有效性。若為有效的新報文，則按照單跳FTSP的方法記錄新的同步點于緩沖區(qū)中；否則就丟棄。接收者節(jié)點計算出當前時間基準節(jié)點的時間與其同步。隨后，這些節(jié)點再去同步其他未同步的節(jié)點，這個過程反復迭代進行，最終網(wǎng)絡中的所有節(jié)點都和時間基準節(jié)點達到同步。當在一段時間內(nèi)節(jié)點接收不到任何新的報文，說明時間基準節(jié)點失效。根據(jù)FTSP的約定，節(jié)點通過競爭提升某一節(jié)點為新的時間基準節(jié)點，保證了協(xié)議的健壯性。FTSP是現(xiàn)有的典型時間同步協(xié)議中精度最高的同步協(xié)議，并且有良好的健壯性，不會因為個別節(jié)點的失效而受到影響。但FTSP基于MAC層時間戳技術的細節(jié)技術的實現(xiàn)來提高同步精度，使得FTSP協(xié)議的通用性不強，并且泛洪的方式使得能耗開銷巨大。4.4無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵支撐技術安全技術4.4.51無線傳感器網(wǎng)絡的安全需求無線傳感器網(wǎng)絡具有許多鮮明特點，如通信能力有限、電源能量有限、計算能力和存儲空間有限、傳感器節(jié)點部署密集和網(wǎng)絡拓撲結構動態(tài)變化等，這些特點對于無線傳感器網(wǎng)絡安全方案的設計提出了比傳統(tǒng)網(wǎng)絡更為苛刻的安全需求。（1）機密性重要的敏感數(shù)據(jù)在傳輸和轉發(fā)的過程中都要進行加密，保證其機密性，信息只能是掌握密鑰的授權實體才能知道，任何其他實體不能通過截獲物理信號或其他方式獲得信息。（2）數(shù)據(jù)完整性數(shù)據(jù)包被接收后，接收者能夠確定數(shù)據(jù)包在傳輸過程中沒有被惡意節(jié)點、敵方等更改過或在傳輸中出錯。4.4無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵支撐技術（3）新鮮性新鮮性是指數(shù)據(jù)要具有時效性，網(wǎng)絡中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)必須是最新產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包。造成新鮮性問題的原因有兩個：一個是由數(shù)據(jù)包傳輸處理延時引起的，另一個是由重放攻擊而引起。（4）節(jié)點認證為了防止攻擊者冒充網(wǎng)絡中的節(jié)點，騙取網(wǎng)絡中重要的資源和信息，通信的節(jié)點間要能夠實現(xiàn)身份認證。對于無線傳感器網(wǎng)絡來說，認證技術是網(wǎng)絡安全的重要組成部分。（5）廣播認證廣播認證和節(jié)點認證不同，它解決的是單一節(jié)點同時向多個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的認證安全問題。（6）可用性一個合理的安全方案應當具有節(jié)能的特點，因此應用到無線傳感器網(wǎng)絡上的各種安全協(xié)議和算法不應太復雜，不能消耗能量太大，并盡可能地減少計算、存儲和通信開銷，從而使得能量消耗最小化，最終延長網(wǎng)絡的生命周期，并能夠有效防止入侵者對無線傳感器節(jié)點資源的惡意消耗。4.4無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵支撐技術（7）真實性真實性是指保證接收者收到的信息來源于友方節(jié)點，而非入侵節(jié)點。接收者只有通過數(shù)據(jù)源認證才能確信消息是從正確的節(jié)點發(fā)送過來的。（8）應用的相關性無線傳感器網(wǎng)絡的應用領域非常廣泛，包括太空、極地、陸地、海洋等。對于不同的應用領域，對其安全性的需求也各有差別。因此，研究無線傳感器網(wǎng)絡的安全性必須考慮具體應用場所。（9）擴展性和健壯性。無線傳感器網(wǎng)絡應用中由于環(huán)境條件、惡意攻擊或任務的變化、節(jié)點加入或失效都會使得網(wǎng)絡的拓撲結構不斷發(fā)生變化。這就要求無線傳感器節(jié)點適應能力強，因而安全解決方案應當具有靈活性、自適應性和健壯性，能夠隨著應用背景的變化而靈活拓展，能為所有可能的應用環(huán)境和條件提供安全解決方案，使無線傳感器網(wǎng)絡保持良好的工作狀態(tài)。4.4無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵支撐技術2無線傳感器網(wǎng)絡面臨的安全威脅及對策1）物理層的安全威脅及對策物理層完成頻率選擇、載波生成、信號檢測和數(shù)據(jù)加密的功能，所受到的攻擊通常有信息泄露、擁塞攻擊、物理破壞等。由于無線傳感器網(wǎng)絡所處的環(huán)境比較惡劣，通常沒有辦法進行現(xiàn)場監(jiān)控，所以攻擊者就可以利用這一特點輕易對節(jié)點進行破壞，或者進一步對節(jié)點進行內(nèi)存重寫，以該節(jié)點進行攻擊。又由于攻擊者可以輕易監(jiān)聽暴露在物理空間上的無線信號，這樣就造成信息的泄露。再者，攻擊者還可以通過在無線傳感器網(wǎng)絡工作的頻段上不斷發(fā)射無用信號，致使節(jié)點不能正常工作，如果這種攻擊節(jié)點的密度達到一定程度，就可以使得整個網(wǎng)絡處于擁塞狀態(tài)而無法進行正常工作。物理破壞是指節(jié)點無法隨時監(jiān)控，攻擊者可捕獲節(jié)點，獲取加密密鑰等敏感信息，從而可以不受限制地訪問上層的信息。4.4無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵支撐技術物理層防范的關鍵之處在于建立有效的數(shù)據(jù)加密機制，因為傳感器節(jié)點在計算能力和存儲空間上有一定的局限性，所以輕量級的對稱加密算法可以有效地被采用，同時非對稱密鑰加密系統(tǒng)也在探索之中，例如基于橢圓曲線的密鑰系統(tǒng)。再者，擴頻或者跳頻技術也可以有效抵抗電波干擾。針對無法避免的物理破壞，可以采用的防御措施有增加物理損害感知機制，節(jié)點在感知到被破壞后，可以銷毀敏感數(shù)據(jù)、脫離網(wǎng)絡、修改安全處理程序等，從而保護網(wǎng)絡其他部分免受安全威脅。4.4無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵支撐技術2）數(shù)據(jù)鏈路層的安全威脅及對策數(shù)據(jù)鏈路層的攻擊包括耗盡攻擊、碰撞攻擊、DOS攻擊和非公平競爭等。攻擊者可以利用無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議存在的漏洞，持續(xù)向一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包，最后使其忙于處理這些無意義的數(shù)據(jù)包而耗盡資源，從而使合法用戶無法訪問，這種攻擊叫做耗盡攻擊。防止耗盡攻擊的方法有限制節(jié)點的發(fā)送次數(shù)和在協(xié)議上設置重發(fā)次數(shù)的上限值等。攻擊者還可以利用數(shù)據(jù)鏈路層的媒體接入機制的漏洞傳輸數(shù)據(jù)包，從而進行碰撞攻擊，這會使正常的數(shù)據(jù)無法傳輸，最終耗盡節(jié)點的能量資源。防止碰撞攻擊可以采用糾錯編碼、信道監(jiān)聽等手段來完善數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議。具體為：先采用信道監(jiān)聽和重傳機制來防止惡意節(jié)點數(shù)據(jù)包的碰撞攻擊，再控制MAC層的接入，讓網(wǎng)絡自動把過多的請求忽略，這樣就可以不必對每個請求都應答，節(jié)省了通信的開銷。4.4無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵支撐技術攻擊者也可以利用惡意節(jié)點或被俘節(jié)點不斷在網(wǎng)絡上發(fā)送高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包來占據(jù)信道，導致其他節(jié)點無法傳送正常的數(shù)據(jù)。這種DOS攻擊不但可以存在于數(shù)據(jù)鏈路層，還可以存在于物理層、網(wǎng)絡層和傳輸層。對于DOS攻擊，可以采用短包策略或者弱化優(yōu)先級之間的差異的方法來防止惡意節(jié)點發(fā)送的高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包。非公平競爭是指當網(wǎng)絡通信過程中存在優(yōu)先級控制時，惡意節(jié)點不斷地發(fā)送高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)以占據(jù)大量的帶寬，導致正常節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送受到影響。防御的方法可以采用無優(yōu)先級的通信控制或者限制通信幀數(shù)據(jù)長度的策略。4.4無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵支撐技術3）網(wǎng)絡層的安全威脅及對策路由協(xié)議在網(wǎng)絡層實現(xiàn)。無線傳感器網(wǎng)絡中的路由協(xié)議有很多種，而大多數(shù)路由協(xié)議都沒有考慮安全的需求，使得這些路由協(xié)議都易遭到攻擊，從而使整個無線傳感器網(wǎng)絡崩潰。路由攻擊泛洪攻擊女巫攻擊污水池攻擊蟲洞攻擊4.4無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵支撐技術路由攻擊是指攻擊者通過不斷發(fā)送大量的欺騙路由報文而使正常節(jié)點不斷更改和重發(fā)路由信息，這樣攻擊者就可