1、1無線傳感器網(wǎng)絡2目錄 無線傳感器網(wǎng)絡的基本概念 無線傳感器網(wǎng)絡的應用 無線傳感器網(wǎng)絡單節(jié)點體系結構 無線傳感器網(wǎng)絡結構 MAC協(xié)議（重點S-MAC） 路由協(xié)議（重點LEACH） Zigbee協(xié)議棧3一、無線傳感器網(wǎng)絡的基本概念 無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Network, WSN)：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的自組織的網(wǎng)絡系統(tǒng) 目的：協(xié)作和感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。 4名詞解釋 無線：傳輸介質(zhì)為無線電 傳感器：將傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和無線通信模塊集成在一塊很小的物理單元上，不僅能對

2、環(huán)境信息進行感知，而且還具有數(shù)據(jù)處理及無線通信的功能。 網(wǎng)絡：多跳的自組織的網(wǎng)絡5無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點 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)轉換；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)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，交換控制消息和收發(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。6無線傳感器網(wǎng)絡結構 大量傳感器節(jié)點隨機部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部或附近，能夠通過自組織方式構成網(wǎng)絡。傳感器節(jié)點監(jiān)測的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點逐跳地進行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)可能被多個節(jié)點處理，經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點，最后通過互聯(lián)網(wǎng)

3、或衛(wèi)星到達管理節(jié)點。用戶通過管理節(jié)點對傳感器網(wǎng)絡進行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務以及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。 7無線傳感器網(wǎng)絡的特點 大規(guī)模網(wǎng)絡 ：大區(qū)域，高密度 自組織網(wǎng)絡 ：位置不能預先設定 動態(tài)性網(wǎng)絡 ：拓撲結構易改變 以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡 ：任務型 應用相關的網(wǎng)絡 ：不同的傳感器 、不同的應用背景 8無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵技術 網(wǎng)絡協(xié)議 ：負責使各個獨立的節(jié)點形成一個多跳的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡，目前研究的重點是網(wǎng)絡層協(xié)議和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。 網(wǎng)絡安全 ：無線傳感器網(wǎng)絡SPINS安全框架在機密性、點到點的消息認證、數(shù)據(jù)完整性和新鮮性、認證廣播等方面定義了完整有效的機制和算法。安全管理方面，目前以密鑰預分配模型作為安

4、全初始化和維護的主要機制，其中隨機密鑰對模型、基于多項式的密鑰對模型等是目前最有代表的算法。 9無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵技術 時間同步 ：是需要協(xié)同工作的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的一個關鍵機制 。目前已提出了多個時間同步機制，其中RBS，TlNY/MINI-SYNC和TPSN被認為是三個基本的同步機制。 數(shù)據(jù)融合 ：在傳感器節(jié)點采集數(shù)據(jù)的過程中，利用節(jié)點本地的計算和存儲能力處理數(shù)據(jù)的融合，去除冗余信息，從而達到節(jié)省能量的目的。在應用層中，可利用分布式數(shù)據(jù)庫技術，對采集到的數(shù)據(jù)逐步篩選，達到融合的效果；網(wǎng)絡層很多路由協(xié)議均結合了數(shù)據(jù)融合的機制，減少數(shù)據(jù)傳輸量；還有研究者提出了通過減少MAC層的發(fā)送沖突和頭

5、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。 10無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵技術 嵌入式操作系統(tǒng) ：傳感器節(jié)點是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，硬件資源十分有限，需要操作系統(tǒng)能夠節(jié)能地使用其有限的內(nèi)存、處理器和通信模塊，且能夠對各種特定應用提供最大的支持。 網(wǎng)絡拓撲控制：目前主要的研究是在滿足網(wǎng)絡覆蓋和連通度的前提下，通過功率控制和骨干網(wǎng)節(jié)點選擇，剔除節(jié)點間不必要的無線通信鏈路，生成一個高效率的數(shù)據(jù)轉發(fā)的網(wǎng)絡拓撲結構。可分為節(jié)點功率控制和層次型拓撲結構形成兩個方面。 11與無線自組網(wǎng)絡的區(qū)別 無線自組網(wǎng)是一個由幾十到上百個節(jié)點組成的、采用無線通信方式的、動態(tài)組網(wǎng)的多跳的移動性對等網(wǎng)絡。 目的

6、是通過動態(tài)路由和移動管理技術傳輸具有服務質(zhì)量要求的多媒體信息流。通常節(jié)點具有持續(xù)的能量供給。 設計目標：提供高服務質(zhì)量和高效帶寬利用，其次考慮節(jié)約能源。12與無線自組網(wǎng)絡的區(qū)別 傳感器網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)目更龐大 由于環(huán)境影響和能量耗盡，傳感器網(wǎng)絡更容易出故障 環(huán)境干擾和節(jié)點故障易造成傳感器網(wǎng)絡拓撲結構的變化 傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點通常情況下是固定不動的 傳感器網(wǎng)絡首要設計目標是能源的高效使用13二、無線傳感器網(wǎng)絡的應用軍事應用 傳感器網(wǎng)絡具有可快速部署，可自組織、隱蔽性強和高容錯性的特點，因此非常適合在軍事上的應用。利用傳感器網(wǎng)絡能夠實現(xiàn)對敵軍兵力和裝備的監(jiān)控、戰(zhàn)場的實時監(jiān)控、目標的定位、戰(zhàn)場評估、核攻擊的

7、監(jiān)測和搜索等功能。 美國DARPA很早就啟動了SensIT計劃，目的是將多種類型傳感器、可重編程的通用處理器和無線通信技術組合起來，建立一個廉價的無處不在的網(wǎng)絡系統(tǒng)，用以監(jiān)測光學，聲學，振動，污染等物理量。14無線傳感器網(wǎng)絡的應用環(huán)境觀測和預報系統(tǒng) 可用于監(jiān)視農(nóng)作物灌溉情況、土壤空氣情況和大面積的地表監(jiān)測，可用于行星探測，洪水監(jiān)測等，還可通過跟蹤鳥類等進行種群復雜度的研究等。 基于WSN的ALERT系統(tǒng)中就有數(shù)種傳感器用來監(jiān)測降雨量、河水水位和土壤水分，并依此預測爆發(fā)山洪的可能性。15無線傳感器網(wǎng)絡的應用醫(yī)療護理 可監(jiān)測人體的各種生理數(shù)據(jù)，跟蹤和監(jiān)控醫(yī)生和患者的行動，醫(yī)院的藥物管理等。 人工視

8、網(wǎng)膜是一項生物醫(yī)學的應用項目。在SSIM計劃中，替代視網(wǎng)膜的芯片由100個微型的傳感器組成，并置入人言，目的是使得失明者或者視力極差者能夠恢復到一個可以接受的視力水平。16無線傳感器網(wǎng)絡的應用智能家居 在家電和家居中嵌入傳感器節(jié)點，通過無線網(wǎng)絡與Internet連接在一起，將會為人們提供更具人性化的智能家居環(huán)境。建筑物狀態(tài)監(jiān)控 SHM是利用傳感器網(wǎng)絡來監(jiān)控建筑物的安全狀態(tài)。17三、單節(jié)點體系結構 節(jié)點的設計必須滿足具體應用的特殊要求，例如小型化、低成本、低功耗，并為節(jié)點配備合適的傳感器、必要的計算功能、內(nèi)存資源以及適當?shù)耐ㄐ旁O備。 除了節(jié)點硬件之外，操作系統(tǒng)和程序模塊也是一個需要考慮的重要因素

9、。18節(jié)點的硬件組成一個傳感器節(jié)點一般由五個主要部分組成： 處理器：處理所有相關數(shù)據(jù)，可以執(zhí)行任意代碼； 存儲器：有的存儲器存儲數(shù)據(jù)和中間節(jié)點。 傳感器：與外圍設備的真正接口，可觀測獲控制環(huán)境的物理參數(shù)。 通信模塊：實現(xiàn)收發(fā)信息。 電源：采樣電源供電。191、處理器模塊處理器模塊是無線傳感器節(jié)點的計算核心，要完成所有的設備控制、任務調(diào)度、能量計算和功能協(xié)調(diào)、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)整合和數(shù)據(jù)轉儲。傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的處理器應滿足以下條件：外形盡量小，集成度盡量高功耗低且支持睡眠模式運行速度要盡量快要有足夠的外部通用IO和通信接口成本要盡量低，有安全性保證。1.例如ATMEL公司的AVR系列單片機，TI公司的

10、MSP430超低功耗系列處理器。202、傳感器模塊傳感器大致可以分為三種：被動全向傳感器：溫度計、光傳感器、振動測量器、傳聲器、濕度測量器、煙濃度檢測器、材料的機械應力或張力測量器。被動窄束傳感器：對測量方向有明確定義，如照相機。主動傳感器：如聲納或雷達傳感器。1.權衡因素包括精度、可靠性、功耗、成本和尺寸。網(wǎng)絡化處理的傳感器系統(tǒng)可以減少單點測量可能造成的瞬態(tài)誤差和單點環(huán)境激變可能造成的系統(tǒng)測量錯誤，降低了對傳感器精度的片面要求。213、通信模塊 傳輸媒體：一般有射頻，光通信和超聲波，以及適用于特殊場合的其他媒體。目前，射頻（RF）最合適，滿足WSN應用要求，如遠程和高數(shù)據(jù)率，以及在合理功耗下

11、容許的誤碼率，且不需要發(fā)射機和接收機之間的視距路徑。 無線收發(fā)機：將微控制器的比特流（或字節(jié)序列或幀）轉換為無線電波。其特性為： 1、為MAC層服務；2、適用于不同的載波頻率；3、可在不同狀態(tài)下運行；4、載波偵聽；5、頻率穩(wěn)定等。224、電源設計電源時，主要考慮兩個方面：按照要求的方式儲能供電1. 盡量隨時從節(jié)點外部的能源“提取能量”以補充消耗的能量。能量提取的方法有：光電池，溫度梯度，振動，壓力變化，空氣/液體的流動。23例如：SIA-MS-1.0SIA-MS-1.0是由中國科學院自動化研究所開發(fā)的一種通用的、低成本、低功耗傳感器節(jié)點。主要由數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、無線通信子系統(tǒng)和電

12、源子系統(tǒng)構成。數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)：由Atmel公司提供的8位AVR-ATmega128L微控制器、AT45DB041存儲器、嵌入式操作系統(tǒng)及JTAG&UART接口構成。a)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)：由麥克風、聲響器、光傳感器、溫度傳感器、2軸加速度傳感器、2軸磁力傳感器及輔助電路組成。24SIA-MS-1.0無線通信子系統(tǒng)：由天線連接器和無線射頻電路組成。無線射頻電路是利用Chipcon公司的CC1000超低功耗的無線射頻收發(fā)單芯片電路實現(xiàn)的。天線連接器是日本Hirose電氣公司的MMCX連接器。電源子系統(tǒng)： 由電源供電單元和動態(tài)電源管理單元組成。供電單元是兩節(jié)五號堿性電池，提供2.7-3.3VDC輸出，最

13、大電流100mA。25SIA-MS-1.0的軟件環(huán)境 TinyOS：適用于網(wǎng)絡化嵌入式系統(tǒng)的編程框架，通過在這個框架內(nèi)鏈接一組必要的組件，就能方便地編譯出面向特定應用的操作系統(tǒng)，這對于存儲資源極為有限的系統(tǒng)非常重要。針對WSN內(nèi)節(jié)點眾多，以及多并發(fā)操作的工作方式，該操作系統(tǒng)采用了事件驅動的體系結構。 TinyOS由一系列軟件組件構成，包括主組件、應用組件、執(zhí)行組件、傳感組件、通信組件和硬件抽象組件。一個完整的系統(tǒng)配置由一個調(diào)度器和組件表組成。現(xiàn)有的TinyOS已經(jīng)提供了通用組件和一些通信與數(shù)據(jù)采集等基礎服務組件，從而把用戶和底層硬件隔離開來。26四、無線傳感器網(wǎng)絡結構 物理層提供簡單但健壯的信

14、號調(diào)制和無線收發(fā)技術； 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； 網(wǎng)絡層主要負責路由生成與路由選擇 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； 應用層包括一系列基于監(jiān)測任務的應用層軟件。傳輸層網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)鏈路層應用層物理層27物理層 物理層是OSI參考模型的最底層，作用在于為兩個網(wǎng)絡的物理設備之間提供透明的二進制流傳輸。物理層的傳輸單位為比特。 物理層不是具體的物理設備，也不是指信號傳輸?shù)奈锢斫橘|(zhì)，而是指物理介質(zhì)之上為上一層（即數(shù)據(jù)鏈路層）提供一個傳輸原始比特流的物理連接。28WSN的物理層 WSN的物理層需要考慮編碼調(diào)制技術、通信速率和通信頻段等。 編碼調(diào)制技術：影

15、響占用頻率帶寬、通信速率、收發(fā)功率等一系列技術參數(shù)。比較常見的技術包括開發(fā)鍵控、幅移鍵控、頻移鍵控、相控鍵控和各種擴頻技術，如跳頻、直接序列擴頻等。 通信速率要求不高。 2.4GHz頻段在大多數(shù)國家都無需申請許可證，是WSN優(yōu)先選擇的傳輸頻段。29數(shù)據(jù)鏈路層 （DLL） 數(shù)據(jù)鏈路層是在不可靠的物理介質(zhì)上提供可靠的傳輸，即利用物理層傳輸?shù)脑急忍亓鳎缓笸ㄟ^該層對網(wǎng)絡層顯示為一條無錯誤的線路，進而解決了兩個相鄰結點之間的通信問題，其中該層所傳送的協(xié)議數(shù)據(jù)單元成為數(shù)據(jù)幀。 數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能是將從網(wǎng)絡層接收到的數(shù)據(jù)分割成能被物理層傳輸?shù)膸瑥亩鴮崿F(xiàn)系統(tǒng)實體間二進制信息塊的正確傳輸，同時通過必要的

16、同步控制、差錯控制、流量控制，為網(wǎng)絡層提供可靠的、無差錯的數(shù)據(jù)信息。 OSI參考模型中，MAC被認為是DLL的一部分。30WSN的DLL的MAC子層 MAC性能收到物理層的強烈影響。 MAC協(xié)議的基本任務是節(jié)點共享網(wǎng)絡媒體的接入問題。當一個節(jié)點接入媒體時，MAC協(xié)議主要用于該節(jié)點向另外一個或多個節(jié)點（多播或廣播方式）發(fā)送數(shù)據(jù)，進行控制或對數(shù)據(jù)分組進行管理等工作的協(xié)調(diào)。 MAC協(xié)議最重要的性能要求是吞吐效率、穩(wěn)定性、公平性、低接入延遲、低發(fā)送延遲。MAC協(xié)議的開銷可能來自每個分組的開銷，碰撞或額外的控制分組。31WSN的DLL DLL擔負著保證相鄰節(jié)點之間可靠可靠通信的任務，可分解為以下幾個方面

17、：組幀：將用戶數(shù)據(jù)構成分組（Packet）或幀（Frame），分組中包含了用戶數(shù)據(jù)與協(xié)議相關的鏈路層信息（以及MAC層的信息）。分組的格式和大笑對于系統(tǒng)的性能有很大影響。差錯控制：保證傳輸?shù)恼_性。流量控制：調(diào)整數(shù)據(jù)的傳輸速率，避免數(shù)據(jù)積壓或丟失。鏈路管理：包括發(fā)現(xiàn)、設置并拆除相鄰節(jié)點之間的鏈路問題。可作為高層協(xié)議的參考。32IEEE 802.15.4 IEEE于2002年開始研究制定低速無線個域網(wǎng)標準IEEE 802.15.4，它主要關于物理層和MAC層的標準。 物理層由射頻收發(fā)器以及底層的控制模塊構成，MAC子層為高層訪問物理信道提供點到點通信的服務接口。33IEEE 802.15.4定義

18、的PHY層IEEE 802.15.4標準規(guī)定物理層負責如下工作：激活和去活無線收發(fā)器；當前信道的能量檢測：測量接收信號的功率強度，檢測結果是有效信號功率和噪聲信號功率之和；發(fā)送鏈路質(zhì)量提示：對信號解碼，生成信噪比指標，與物理層數(shù)據(jù)單元一起提交給上層處理；CSMA/CA的空閑信道評估：定義了三種空閑信道評估模式；信道頻率的選擇；數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。34IEEE 802.15.4定義的PHY層 IEEE 802.15.4標準工作頻段和速率的具體參數(shù)如下表：物理層 頻段/MHz 擴頻參數(shù) 數(shù)據(jù)參數(shù) 調(diào)制方式 比特率/（kbps）波特率/（ksymbol/s）符號特征868/915 868868.6 BP

19、SK 2020二進制 902928 BPSK4040二進制 2450 24002483.5OQPSK 25062.5 十六進制 35IEEE 802.15.4 工作于2.4GHz頻段的物理層提供250kbsps的數(shù)據(jù)傳輸率，適用于高吞吐量、低延時或低作業(yè)周期的場合；工作于868/915MHz頻段的物理層提供20kbps、40 kbps的數(shù)據(jù)傳輸率，適用于低速率、高靈敏度和大覆蓋面積的場合。 IEEE 802.15.4標準定義了27個信道，編號026，跨越3個頻段，具體包括2.4GHz ISM頻段的16個信道，以及868MHz頻段的1個信道。這些信道的頻段定義如下 其中，k為信道編號。26,12

20、,11,115240510,2,1,)1(29060,3.868 kMHzkFkMHzkFkMHzFCCC）（，36IEEE 802.15.4定義的PHY層 IEEE 802.15.4標準工作頻段和速率的具體參數(shù)如下表：物理層 頻段/MHz 擴頻參數(shù) 數(shù)據(jù)參數(shù) 調(diào)制方式 比特率/（kbps）波特率/（ksymbol/s）符號特征868/915 868868.6 BPSK 2020二進制 902928 BPSK4040二進制 2450 24002483.5OQPSK 25062.5 十六進制 37IEEE 802.15.4定義的PHY層 物理層的幀結構前導碼：由32個0組成，用于收發(fā)器進行碼片或

21、者符號的同步。SFD：由8個比特組成，表示同步結束，數(shù)據(jù)包開始傳輸。幀長度：表示PSDU的字節(jié)數(shù)。PSDU：攜帶PHY數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)。4字節(jié)1字節(jié)1字節(jié)長度可變前導碼（preamble）SFD（0 xA7） 幀長度（7比特）保留位PSDU同步頭物理幀頭PHY負載38IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.4標準考慮了能量受限的情況，標準設備由電池供電。電池供電的設備在大部分時間內(nèi)可以處于睡眠狀態(tài)，通過周期性地監(jiān)聽無線信道來確定是否有消息等待處理。這種機制允許應用設計者平衡能量消耗和消息延遲，保證低功耗的電源管理。 采用IEEE 802.15.4標準，在低耗電待機模式下，兩節(jié)普通5號干

22、電池可使用6個月以上。39網(wǎng)絡層 網(wǎng)絡層是通信子網(wǎng)的最高層，是高層與低層協(xié)議之間的界面層。其主要功能是將網(wǎng)絡地址翻譯成對應的物理地址，并決定如何將數(shù)據(jù)從發(fā)送方路由傳輸?shù)浇邮辗剑瑥亩鵀閭鬏攲犹峁┱麄€網(wǎng)絡范圍內(nèi)兩個中戶之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐贰?路由是把信息從源穿過網(wǎng)絡傳遞到目的的行為。路由技術有兩項基本活動組成：決定最優(yōu)路徑和傳輸數(shù)據(jù)包。 40WSN的路由協(xié)議路由協(xié)議設計需滿足的條件： 簡單，節(jié)能； 以數(shù)據(jù)為中心，具備數(shù)據(jù)融合能力； 采用分布式運行方式； 為適應WSN節(jié)點數(shù)量多，網(wǎng)絡規(guī)模大、易受損的特點，需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。41傳

23、輸層 傳輸層是建立在網(wǎng)絡層和會話層之間，實質(zhì)上它是網(wǎng)絡體系結構中高低層之間銜接的一個接口層。 功能是在網(wǎng)絡層的基礎上完成端對端的差錯糾正和流量控制，并實現(xiàn)兩個終端系統(tǒng)間傳送的分組無差錯、無丟失、無重復、無順序錯亂。 傳輸層提供的服務可歸納為兩類：一類是傳輸連接管理，負責建立傳輸連接和在通信完畢時釋放傳輸連接；另一類是數(shù)據(jù)傳送。 鑒于WSN節(jié)點的資源和運算能力，一般不定義傳輸層。42五、MAC協(xié)議 鏈路層協(xié)議用于建立可靠的點到點或點到多點通信鏈路，主要由介質(zhì)訪問控制組成。 就實現(xiàn)機制而言，MAC協(xié)議分3類：確定性分配、競爭占用和隨機訪問。前兩者不是傳感器網(wǎng)絡的理想選擇，因為TDMA固定時隙的發(fā)送

24、模式功耗過大；競爭占用方案需要實時監(jiān)測信道狀態(tài)，也不是一種合理的選擇；隨機介質(zhì)訪問模式比較適合于無線傳感網(wǎng)絡的節(jié)能要求。43MAC協(xié)議蜂窩電話網(wǎng)絡、Ad-hoc和藍牙技術是當前主流的無線網(wǎng)絡技術,但它們各自的MAC協(xié)議不適合無線傳感器網(wǎng)絡。 GSM和CDMA中的介質(zhì)訪問控制主要關心如何滿足用戶QoS要求和節(jié)省帶寬資源，功耗是第二位的； Ad-hoc網(wǎng)絡則考慮如何在節(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心的； 藍牙采用了主從式的星型拓撲結構，這本身就不適合傳感器網(wǎng)絡自組織的特點。44SMAC協(xié)議 SMACS是分布式的MAC協(xié)議,無須任何局部或全局

25、主節(jié)點的調(diào)度便能讓傳感器節(jié)點發(fā)現(xiàn)相鄰節(jié)點，并安排合理信道占用時間。在具體實現(xiàn)中,相鄰節(jié)點的發(fā)現(xiàn)和信道的分配是一起完成的，因此，當節(jié)點聽到它所有的相鄰節(jié)點時，也就意味著已經(jīng)建立相應的通信子網(wǎng)，鏈路由固定頻率、隨機選擇的時隙組成。SMACS無須全網(wǎng)的時間同步機制，但在各子網(wǎng)內(nèi)部保持同步是必要的.在競爭信道資源時，帶延時的隨機喚醒機制有效地減小了能量的損耗。 SMACS的缺點是時隙分配方案不夠嚴密,屬于不同子網(wǎng)的節(jié)點之間有可能永遠得不到通信機會.45CSMA協(xié)議 傳統(tǒng)的載波偵聽/多路訪問(CSMA)機制不適合傳感器網(wǎng)絡的原因有二:其一,持續(xù)偵聽信道的過量功耗;其二,傾向支持獨立的點到點通信業(yè)務,這樣

26、容易導致臨近網(wǎng)關的節(jié)點獲得更多的通信機會,而抑制多跳業(yè)務流量,造成不公平.為了彌補這些缺陷,Woo和Culler從兩個方面對傳統(tǒng)的CSMA進行了改進,以適應傳感器網(wǎng)絡的技術要求: (1) 采用固定時間間隔的周期性偵聽方案節(jié)省功耗; (2) 設計自適應傳輸速率控制(adaptive transmission rate control,簡稱ARC)策略,有針對性地抑制單跳通信業(yè)務量,為中繼業(yè)務提供更多的服務機會,提高公平性.相似的工作還有Wei Ye等人設計的SMAC(sensor media access control)協(xié)議。它也是利用周期性偵聽機制節(jié)省功耗,但沒有考慮公平性問題,而是在PAM

27、AS(power aware multi-access protocol with signalling)的啟發(fā)下,精簡了用于同步和避免沖突的信令機制.46TDMA/FDMA組合方案 Sohrabi和Pottie設計的傳感器網(wǎng)絡自組織MAC協(xié)議是一種時分復用和頻分復用的混合方案,具有一定的代表性.節(jié)點上維護著一個特殊的結構幀,類似于TDMA中的時隙分配表,節(jié)點據(jù)此調(diào)度它與相鄰節(jié)點間的通信.FDMA技術提供的多信道,使多個節(jié)點之間可以同時通信,有效地避免了沖突.只是在業(yè)務量較小的傳感器網(wǎng)絡中,該組合協(xié)議的信道利用率較低,因為事先定義的信道和時隙分配方案限制了對空閑時隙的有效利用.47六、路由協(xié)議

28、48路由包括兩個基本的動作：確定最佳路徑和通過網(wǎng)絡傳輸信息。在路由的過程，后者也稱為（數(shù)據(jù)）交換。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全部或部分路由表，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)。鏈接信息用于建立完整的拓撲圖，使路由器可以確定最佳路徑。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，某主機決定向另一個主機發(fā)送數(shù)據(jù)，通

29、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。1. 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發(fā)該包。如果路由器不知道如何轉發(fā)，通常就將之丟棄；如果路由器知道如何轉發(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。49 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尋徑結果。通常需要綜合考慮以下幾個設計指標： 最優(yōu)化 簡潔性 魯棒性 快速收斂 靈活性50路由算法可分為以下幾種：靜態(tài)和動態(tài)：靜態(tài)路

30、由是依靠手工輸入的信息來配置路由表的方法。動態(tài)路由是指路由協(xié)議可以根據(jù)網(wǎng)絡實際情況自動生成路由表的方法。單路和多路平面和分層：在平面路由系統(tǒng)中，每個路由器與其他所有路由器是對等的；在分層次的路由系統(tǒng)中，一些路由器構成了路由主干，數(shù)據(jù)從非主干路由器流向主干路由器，然后通過路由主干到達目的地所在區(qū)域的主干路由器，最后數(shù)據(jù)從主干路由器通過一個或多個非主干路由器到達目的地。域內(nèi)和域間鏈路狀態(tài)和距離向量：從本質(zhì)上說，鏈路狀態(tài)算法（也稱最短路徑算法）將少量更新信息發(fā)送至網(wǎng)絡各處，而距離向量算法發(fā)送大量更新信息至鄰接路由器。鏈路狀態(tài)算法要求每個路由器將路由信息發(fā)送到網(wǎng)絡內(nèi)的所有節(jié)點，但僅發(fā)送路由表中描述自身

31、鏈路狀態(tài)的部分；距離向量算法（也稱Bellman-Ford算法）則要求每個路由器發(fā)送器路由表的全部或部分信息，但僅發(fā)送到鄰近節(jié)點。51路徑選擇算法 最短路徑選擇算法：該算法的目標就是查找出源節(jié)點到目標節(jié)點之間最短的一條傳輸路徑。 獨立路徑選擇：按網(wǎng)絡中各結點和線路當前運行變化的情況動態(tài)地選擇路徑。 集中路徑選擇：（固定路徑選擇），方法是在網(wǎng)路中每個節(jié)點內(nèi)存放一張事先定好的路徑表，當信息需要從此結點出發(fā)時，根據(jù)要到達的目的結點從路徑中能找到一條最短路徑。 擴散式路徑選擇：將到達的報文分組送到每個輸出線上，不考慮報文目的節(jié)點的方向。 分布式路徑選擇：每個接口報文處理器周期地與相鄰的每個IMP交換精

32、確的路徑選擇信息。每個IMP都保留一個可接子網(wǎng)中所有其他IMP檢索的路徑表，通過相鄰IMP信息交換來不斷修改IMP中的路由表，以反映相鄰IMP的變化，找出到達目標節(jié)點的最佳路徑。52 傳感器網(wǎng)絡中的路由協(xié)議分為平面型和層次型兩種,但大都采用多跳形式在節(jié)點和易移動的sink節(jié)點之間建立連接.Ad-hoc網(wǎng)絡中已有的多跳路由協(xié)議,如AODV(Ad-hoc demand distance vector)和TORA(temporally ordered routing algorithm)等,一般都不適合傳感器網(wǎng)絡的特點和要求.傳感器中的大部分節(jié)點不像Ad-hoc網(wǎng)絡中的節(jié)點一樣快速移動,因此沒有必要

33、花費很大的代價頻繁地更新路由表信息.53平面路由協(xié)議 (1) Flooding 泛洪是一種傳統(tǒng)的路由技術,不要求維護網(wǎng)絡的拓撲結構,并進行路由計算,接收到消息的節(jié)點以廣播形式轉發(fā)分組.對于自組織的傳感器網(wǎng)絡,泛洪路由是一種較直接的實現(xiàn)方法,但消息的“內(nèi)爆”(implosion)和“重疊”(overlap)是其固有的缺陷.為了克服這些缺陷,S.hedetniemi等人提出了Gossiping策略,節(jié)點隨機選取一個相鄰節(jié)點轉發(fā)它接收到的分組,而不是采用廣播形式.這種方法避免了消息的“內(nèi)爆”現(xiàn)象,但有可能增加端到端的傳輸延時.54SPIN協(xié)議(2) SPIN (sensor protocol for

34、 information via negotiation)SPIN是以數(shù)據(jù)為中心的自適應路由協(xié)議,通過協(xié)商機制來解決泛洪算法中的“內(nèi)爆”和“重疊”問題.傳感器節(jié)點僅廣播采集數(shù)據(jù)的描述信息,當有相應的請求時,才有目的地發(fā)送數(shù)據(jù)信息.SPIN協(xié)議中有3種類型的消息,即ADV,REQ和DATA.節(jié)點用ADV宣布有數(shù)據(jù)發(fā)送,用REQ請求希望接收數(shù)據(jù),用DATA封裝數(shù)據(jù).SPIN協(xié)議有4種不同的形式: SPIN-PP.采用點到點的通信模式,并假定兩節(jié)點間的通信不受其他節(jié)點的干擾,分組不會丟失,功率沒有任何限制.要發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點通過ADV向它的相鄰節(jié)點廣播消息,感興趣的節(jié)點通過REQ發(fā)送請求,數(shù)據(jù)源向請求

35、者發(fā)送數(shù)據(jù).接收到數(shù)據(jù)的節(jié)點再向它的相鄰節(jié)點廣播ADV消息,如此重復,使所有節(jié)點都有機會接收到任何數(shù)據(jù). SPIN-EC.在SPIN-PP的基礎上考慮了節(jié)點的功耗,只有能夠順利完成所有任務且能量不低于設定閾值的節(jié)點才可參與數(shù)據(jù)交換. SPIN-BC.設計了廣播信道,使所有在有效半徑內(nèi)的節(jié)點可以同時完成數(shù)據(jù)交換.為了防止產(chǎn)生重復的REQ請求,節(jié)點在聽到ADV消息以后,設定一個隨機定時器來控制REQ請求的發(fā)送,其他節(jié)點聽到該請求,主動放棄請求權利. SPIN-RL.它是對SPIN-BC的完善,主要考慮如何恢復無線鏈路引入的分組差錯與丟失.記錄ADV消息的相關狀態(tài),如果在確定時間間隔內(nèi)接收不到請求數(shù)

36、據(jù),則發(fā)送重傳請求,重傳請求的次數(shù)有一定的限制.55 (3) SAR (sequential assignment routing) 在選擇路徑時,有序分配路由(SAR)策略充分考慮了功耗、QoS和分組優(yōu)先權等特殊要求,采用局部路徑恢復和多路經(jīng)備份策略,避免節(jié)點或鏈路失敗時進行路由重計算需要的過量計算開銷.為了在每個節(jié)點與sink節(jié)點間生成多條路經(jīng),需要維護多個樹結構,每個樹以落在sink節(jié)點有效傳輸半徑內(nèi)的節(jié)點為根向外生長,枝干的選擇需滿足一定QoS要求并要有一定的能量儲備.這一處理使大多數(shù)傳感器節(jié)點可能同時屬于多個樹,可任選其一將采集數(shù)據(jù)回傳到sink節(jié)點.56 (4) 定向擴散(dire

37、cted diffusion) 定向擴散模型是Estrin等人專門為傳感器網(wǎng)絡設計的路由策略,與已有的路由算法有著截然不同的實現(xiàn)機制.節(jié)點用一組屬性值來命名它所生成的數(shù)據(jù),比如將地震波傳感器生成的數(shù)據(jù)命名為Type=seismic,id=12, timestamp=02.01.22/21:10:23,location=7580S/100120E.Sink節(jié)點發(fā)出的查詢業(yè)務也用屬性的組合表示,逐級擴散,最終遍歷全網(wǎng),找到所有匹配的原始數(shù)據(jù).有一個稱為“梯度”的變量與整個業(yè)務請求的擴散過程相聯(lián)系,反映了網(wǎng)絡中間節(jié)點對匹配請求條件的數(shù)據(jù)源的近似判斷.更直接的方法是節(jié)點用一組標量值表示它的選擇,值越大

38、意味著向該方向繼續(xù)搜索獲得匹配數(shù)據(jù)的可能性越大,這樣的處理最終將會在整個網(wǎng)絡中為sink節(jié)點的請求建立一個臨時的“梯度”場,匹配數(shù)據(jù)可以沿“梯度”最大的方向中繼回sink節(jié)點.57 定向擴散原理圖58層次路由協(xié)議 (1) LEACH (low energy adaptive clustering hierarchy)LEACH是MIT的Chandrakasan等人為無線傳感器網(wǎng)絡設計的低功耗自適應聚類路由算法.與一般的平面多跳路由協(xié)議和靜態(tài)聚類算法相比,LEACH可以將網(wǎng)絡生命周期延長15%,主要通過隨機選擇聚類首領,平均分擔中繼通信業(yè)務來實現(xiàn).LEACH定義了“輪”(round)的概念,一輪

39、由初始化和穩(wěn)定工作兩個階段組成.為了避免額外的處理開銷,穩(wěn)定態(tài)一般持續(xù)相對較長的時間.在初始化階段,聚類首領是通過下面的機制產(chǎn)生的.傳感器節(jié)點生成0,1之間的隨機數(shù),如果大于閾值T,則選該節(jié)點為聚類首領.T的計算方法如下: ,)/1( mod 1prppT=其中p為節(jié)點中成為聚類首領的百分數(shù),r是當前的輪數(shù).一旦聚類首領被選定,它們便主動向所有節(jié)點廣播這一消息.依據(jù)接收信號的強度,節(jié)點選擇它所要加入的組,并告知相應的聚類首領.基于時分復用的方式,聚類首領為其中的每個成員分配通信時隙.在穩(wěn)定工作階段,節(jié)點持續(xù)采集監(jiān)測數(shù)據(jù),傳與聚類首領,進行必要的融合處理之后,發(fā)送到sink節(jié)點,這是一種減小通信

40、業(yè)務量的合理工作模式.持續(xù)一段時間以后,整個網(wǎng)絡進入下一輪工作周期,重新選擇聚類首領.59(2) TEEN (threshold sensitive energy efficient sensor network protocol)依照應用模式的不同,通常可以簡單地將無線自組織網(wǎng)絡(包括傳感器網(wǎng)絡和Ad-hoc網(wǎng)絡)分為主動(proactive)和響應(reactive)兩種類型.主動型傳感器網(wǎng)絡持續(xù)監(jiān)測周圍的物質(zhì)現(xiàn)象,并以恒定速率發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù);而響應型傳感器網(wǎng)絡只是在被觀測變量發(fā)生突變時才傳送數(shù)據(jù).相比之下,響應型傳感器網(wǎng)絡更適合應用在敏感時間的應用中.TEEN和LEACH的實現(xiàn)機制非常相似

41、,只是前者是響應型的,而后者屬于主動型傳感器網(wǎng)絡.在TEEN中定義了硬、軟兩個門限值,以確定是否需要發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù).當監(jiān)測數(shù)據(jù)第一次超過設定的硬門限時,節(jié)點用它作為新的硬門限,并在接著到來的時隙內(nèi)發(fā)送它.在接下來的過程中,如果監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化幅度大于軟門限界定的范圍,則節(jié)點傳送最新采集的數(shù)據(jù),并將它設定為新的硬門限.通過調(diào)節(jié)軟門限值的大小,可以在監(jiān)測精度和系統(tǒng)能耗之間取得合理的平衡.NS2平臺上的仿真研究結果表明:TEEN比LEACH更有效.60 (3) PEGAGIS (power-efficient gathering in sensor information system) PEGASIS

42、由LEACH發(fā)展而來.它假定組成網(wǎng)絡的傳感器節(jié)點是同構且靜止的.節(jié)點發(fā)送能量遞減的測試信號,通過檢測應答來確定離自己最近的相鄰節(jié)點.通過這種方式,網(wǎng)絡中的所有節(jié)點能夠了解彼此的位置關系,進而每個節(jié)點依據(jù)自己的位置選擇所屬的聚類,聚類的首領參照位置關系優(yōu)化出到sink節(jié)點的最佳鏈路.因為PEGASIS中每個節(jié)點都以最小功率發(fā)送數(shù)據(jù)分組,并有條件完成必要的數(shù)據(jù)融合,減小業(yè)務流量.因此,整個網(wǎng)絡的功耗較小.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.PEGASIS協(xié)議的不足之處在于節(jié)點維護位置信息(相當于傳統(tǒng)網(wǎng)絡中的拓撲信息)需要額外的資源.61（4）多層聚類算法多層

43、聚類算法是Estrin為傳感器網(wǎng)絡設計的一種新的聚類實現(xiàn)機制.工作在網(wǎng)絡中的傳感器節(jié)點處于不同的層,所處層次越高,所覆蓋面積越大.起初,所有節(jié)點均在最低層,通過競爭獲得提升高層的機會.新的工作周期開始時,每一個節(jié)點都廣播自己的狀態(tài)信息,包括儲備能量、所在層次和首領的ID(如果有)等,然后進入等待狀態(tài)以便相互了解信息,等待時間與所在層次成正比.處在最低層的節(jié)點如果沒有首領,等待狀態(tài)結束后,立刻啟動一個“晉升定時器”,定時時間與自身能量以及接收到同層其他節(jié)點廣播消息的數(shù)目成反比,目的是為能量較高且在密集區(qū)的節(jié)點獲得較多的提升機會.一旦定時時間到,節(jié)點升入高層,將有發(fā)給自己廣播消息的節(jié)點視為潛在的子

44、節(jié)點,并廣播自己新的狀態(tài)信息,低層節(jié)點選擇響應這些準首領的廣播消息,最終確定惟一的通信關系.選擇了首領的節(jié)點,自己的“晉升定時器”將停止工作,也就意味著本輪放棄了晉升機會.在每一個工作周期結束以后,高層節(jié)點將視自己的狀態(tài)信息(如有無子節(jié)點,功率是否充足)決定是否讓出首領位置.上述的多層聚類算法具有遞歸性,Estrin等人用兩層模型驗證了它在傳感器網(wǎng)絡中的有效性.62七、ZigBee ZigBee是一種近年來才興起的無線網(wǎng)絡通信技術標準。它出現(xiàn)的時間較短，2004年底才由ZigBee聯(lián)盟發(fā)布了1.0版本規(guī)范，尚未進入大規(guī)模的商業(yè)化生產(chǎn)和應用。但是，它的上升勢頭十分明顯，已有TI（Chipcon）

45、，F(xiàn)reescale，Ember等三家公司在05年4月通過了ZigBee聯(lián)盟對其產(chǎn)品所作的測試和兼容性驗證。63 ZigBee是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡技術，它是介于無線標記技術和藍牙之間的技術方案。它此前被稱作HomeRF Lite或FireFly無線技術，主要用于近距離無線連接。它有自己的無線電標準，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳到另一個傳感器，所以它們的通信效率非常高。最后，這些數(shù)據(jù)可以進入計算機，用于分析或者被另外一種無線技術如WiMax、GPRS等收集。 ZigBee的基礎是IEEE 802.

46、15.4，這是IEEE無線個人區(qū)域網(wǎng)（PAN, Personal Area Network）工作組的一項標準，被稱作IEEE 802.15.4（ZigBee）技術標準。64 ZigBee不僅只是IEEE 802.15.4的名字。IEEE僅處理低級MAC層和物理層協(xié)議，所以ZigBee聯(lián)盟對其網(wǎng)絡層協(xié)議和API進行了標準化，同時開發(fā)了安全層，以保證這種便攜設備不會意外泄漏其標識，而且這種利用網(wǎng)絡的遠距離傳輸不會被其他節(jié)點捕獲。 IEEE 802.15.4網(wǎng)絡可以工作于信標使能方式或非信標使能方式。在信標使能方式中，協(xié)調(diào)器定期廣播信標，以達到相關器件同步及其他目的。在非信標使能方式中，協(xié)調(diào)器不廣播

47、信標，而是在器件請求信標時向它單播信標。在信標使能方式中使用超幀結構，超幀結構的格式由協(xié)調(diào)器來定義，一般包括工作部分和任選的不工作部分。65 一個ZigBee網(wǎng)絡可以根據(jù)ISM頻段、可用性、擁擠狀況和數(shù)據(jù)速率在27個信道中選擇一個工作信道。從能量、成本和效率看，不同的數(shù)據(jù)速率能為不同的應用提供較好的選擇。例如，對于有些計算機外圍設備與互動式玩具，可能需要250kb/s的速率；而對于其他許多應用，如各種傳感器、智能標記和家用電器等，20kb/s這樣的低速率就能滿足要求。66ZigBee的特點低功耗。在低耗電待機模式下，2節(jié)5號干電池可支持1個節(jié)點工作6-24個月，甚至更長。這是ZigBee的突出

48、優(yōu)勢。相比較，藍牙只能工作數(shù)周、WiFi只可工作數(shù)小時。 低成本。通過大幅簡化協(xié)議(不到藍牙的1/10)，降低了對通信控制器的要求，按預測分析，以8051的8位微控制器測算，全功能的主節(jié)點需要32KB代碼，子功能節(jié)點少至4KB代碼，而且ZigBee免協(xié)議專利費。 低速率。ZigBee工作在20-250kbps的較低速率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應用需求。 近距離。傳輸范圍一般介于10-100m之間，在增加RF發(fā)射功率后，亦可增加到1-3 km。這指的是相鄰節(jié)點間的距離。如果通過路由和節(jié)點間通信的接力，傳輸距離將可以更遠。 短時延。ZigBee的響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點

49、連接進入網(wǎng)絡只需30ms，進一步節(jié)省了電能。相比較，藍牙需要3-10s，WiFi需要3s。 高容量。ZigBee可采用星形、樹形和Mesh網(wǎng)絡結構，由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，最多一個主節(jié)點可管理255個子節(jié)點；同時主節(jié)點還可由上一層網(wǎng)絡節(jié)點管理，最多可組成65536個節(jié)點的大網(wǎng)。 高安全。ZigBee提供了三級安全模式，包括無安全設定、使用接入控制清單(ACL)防止非法獲取數(shù)據(jù)，同時采用高級加密標準(AES-128)的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。免執(zhí)照頻段。采用直接序列擴頻在工業(yè)科學醫(yī)療(ISM)段，2.4GHz(全球)、918MHz(美國)和868MHz(歐洲)。67 一般而言，滿足如下一些特點的應用場合，是ZigBee應用極具優(yōu)勢的地方： 需要無線通信交換信息的低成本裝置； 數(shù)據(jù)的交換量較小、傳輸?shù)乃俾室蟛桓撸?功耗要求極低，采用電池供