第1章無線傳感器網絡基礎知識

1.1無線傳感器網絡的概念與特點1.2無線傳感器網絡的發展1.3無線傳感器網絡結構1.4無線傳感器網絡的應用及關鍵技術

1.1無線傳感器網絡的概念與特點

1.1.1無線傳感器網絡的概念

無線傳感器網絡(WirelessSensorNetwork，WSN)是新一代的傳感器網絡，具有非常廣泛的應用前景，其發展和應用將會給人類的生活和生產的各個領域帶來深遠影響。2001年1月《MIT技術評論》將無線傳感器列于十種改變未來世界新興技術之首。2003年8月，《商業周刊》預測：無線傳感器網絡將會在不遠的將來掀起新的產業浪潮。2004年《IEEESpectrum》雜志出版了專集《傳感器的國度》，論述無線傳感器網絡的發展和可能的廣泛應用。我國未來20年預見技術的調查報告中，信息領域157項技術課題有7項與傳感器網絡直接相關。2006年年初發布的《國家中長期科學與技術發展規劃綱要》為信息技術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，即智能感知技術和自組織網絡技術。可以預計，無線傳感器網絡的研究與應用的進一步發展是一種必然趨勢，將會給人類社會帶來極大的變革。

無線傳感器網絡綜合了微電子技術、嵌入式計算技術、現代網絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等先進技術，能夠協同地實時監測、感知和采集網絡覆蓋區域中各種環境或監測對象的信息，并對其進行處理，處理后的信息通過無線方式發送，并以多跳自組的網絡方式傳送給觀察者。無線傳感器網絡可以定義為：無線傳感器網絡是由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感器節點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網絡的網絡系統，其目的是協作感知、采集和處理網絡覆蓋區域中感知對象的信息，并發送給觀察者。

可以看出，傳感器、感知對象和觀察者是傳感器網絡的三個基本要素。這三個要素之間通過無線網絡建立通信路徑，協作地感知、采集、處理、發布感知信息。1.1.2無線傳感器網絡的特點

目前常見的無線網絡包括移動通信網、無線局域網、藍牙網絡、AdHoc網絡等，它們在通信方式、動態組網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。與這些無線網絡相比，無線傳感器網絡具有如下特點：

(1)電源能量有限。傳感器節點體積微小，通常攜帶能量十分有限的電池。由于傳感器節點數目龐大，成本要求低廉，分布區域廣，而且部署區域環境復雜，有些區域甚至人員不能到達，所以傳感器節點通過更換電池的方式來補充能源是不現實的。如何在使用過程中節省能源，最大化網絡的生命周期，是傳感器網絡面臨的首要挑戰。

(2)通信能量有限。傳感器網絡的通信帶寬窄而且經常變化，通信覆蓋范圍只有幾十到幾百米。傳感器網絡更容易受到高山、建筑物、障礙物等地勢地貌以及風雨雷電等自然環境的影響，傳感器可能會長時間脫離網絡，離線工作。因此，如何在有限通信能力的條件下高質量地完成感知信息的處理與傳輸，是傳感器網絡面臨的挑戰之一。

(3)傳感器節點的計算能力和存儲能力有限。傳感器節點是一種微型嵌入式設備，其價格低，功耗小，處理器能力比較弱，存儲器容量比較小。為了完成各種任務，傳感器節點需要完成監測數據的采集和轉換、數據的管理和處理、應答匯聚節點的任務請求和節點控制等多種工作。如何利用有限的計算和存儲資源完成諸多協同任務成為傳感器網絡設計的挑戰。

(4)網絡規模大，分布廣。傳感器網絡中的節點分布密集，數量巨大。此外，傳感器網絡可以分布在很廣泛的地理區域。傳感器網絡的這一特點使得網絡的維護十分困難甚至不可維護，因此傳感器網絡的軟、硬件必須具有高強壯性和容錯性，以滿足傳感器網絡的功能要求。

(5)自組織、動態性網絡。在傳感器網絡應用中，傳感器節點多通過隨機布撒的方式放置，其位置往往不能預先精確設定，節點之間的相互鄰居關系預先也不知道。這就要求傳感器節點具有自組織能力，能夠自動進行配置和管理，通過拓撲控制機制和網絡協議自動形成轉發監控數據的多跳無線網絡系統。同時，由于部分傳感器節點能量耗盡或環境因素造成失效，以及經常有新的節點加入，或是網絡中的傳感器、感知對象和觀察者這三要素都可能具有移動性，這就要求傳感器網絡必須具有很強的動態性，以適應網絡拓撲結構的動態變化。

(6)無線傳感器網絡的傳感器節點具有數據融合能力，與Mesh網絡的區別是數據少、易移動以及注重節點的能源，與無線AdHoc網絡相比數量多、密度大、易受損、拓撲結構變動頻繁。此外，無線傳感器網絡的傳感器節點還具有廣播式點對多通信、節點能量及計算能力受限等特點。

1.2無線傳感器網絡的發展

1.2.1無線傳感器網絡的發展階段

無線傳感器網絡的發展分為以下幾個階段：

第一階段：最早可以追溯至20世紀70年代越戰時期使用的傳統的傳感器系統。當年美越雙方在密林覆蓋的“胡志明小道”上進行了一場血腥較量，這條道路是胡志明部隊向南方游擊隊源源不斷輸送物資的秘密通道，美軍曾經絞盡腦汁動用航空兵狂轟濫炸，但效果不理想。后來，美軍投放了2萬多個“熱帶樹”傳感器。所謂“熱帶樹”，實際上是由震動和聲響傳感器組成的系統，它由飛機投放，落地后插入泥土中，只露出偽裝成樹枝的無線電天線，因而被稱為“熱帶樹”。只要越軍車隊經過，傳感器就會探測出目標產生的震動和聲響信息并自動發送到指揮中心，美軍飛機立即展開追殺，總共炸毀或炸壞越軍4.6萬輛卡車。

第二階段：20世紀80年代至90年代。此階段主要是美軍研制的分布式傳感器網絡系統、海軍協同交戰能力系統、遠程戰場傳感器系統等。這種現代微型化的傳感器具備感知能力、計算能力和通信能力。第三階段：21世紀初至今。這個階段的傳感器網絡技術特點在于網絡傳輸自組織、節點設計低功耗。除了應用于情報部門反恐活動以外，在其他領域也獲得了很好的應用，所以2002年美國國家重點實驗室——橡樹嶺實驗室提出了“網絡就是傳感器”的論斷。無線傳感器網絡經歷了智能傳感器、無線智能傳感器和無線傳感器網絡三個階段。智能傳感器將計算能力嵌入到傳感器中，使得傳感器節點不僅具有數據采集能力，而且具有濾波和信息處理能力；無線智能傳感器在智能傳感器的基礎上增加了無線通信能力，大大延長了傳感器的感知觸角，降低了傳感器的工程實施成本；無線傳感器網絡則將網絡技術引入到無線智能傳感器中，使得傳感器不再是單個的感知單元，而是能夠交換信息、協調控制的有機結合體，實現了物與物的互聯，把感知觸角深入世界各個角落，必將成為下一代互聯網的重要組成部分。1.2.2無線傳感器網絡技術發展背景

1996年，美國UCLA的WilliamJ.?Kaiser教授向DARPA提交的“低能耗無線集成微型傳感器”揭開了現代WSN的序幕。1998年，同是UCLA的GregoryJ.Pottie教授從網絡研究的角度重新闡釋了WSN的科學意義。在其后的10余年里，WSN技術得到學術界、工業界乃至政府的廣泛關注，成為在國防軍事、環境監測和預報、健康護理、智能家居、建筑物結構監控、復雜機械監控、城市交通、空間探索、大型車間和倉庫管理以及機場、大型工業園區的安全監測等眾多領域中最有競爭力的應用技術之一。美國《商業周刊》將WSN列為21世紀最有影響的技術之一，麻省理工學院(MIT)技術評論則將其列為改變世界的十大技術之一。

1．WSN相關的會議和組織

WSN技術一經提出，就迅速在研究界和工業界得到了廣泛的認可。1998年到2003年，各種無線通信、AdHoc網絡、分布式系統的會議開始大量收錄與WSN技術相關的文章。2001年，美國計算機學會(ACM)和IEEE成立了第一個專門針對傳感網技術的會議InternationalConferenceonInformationProcessinginSensorNetwork(IPSN)，為WSN技術的發展開拓了一片新的技術園地。2003年到2004年，一批針對傳感網技術的會議相繼組建。ACM在2005年還專門創刊《ACMTransactiononSensorNetwork》，用來出版最優秀的傳感器網絡技術成果。2004年，Boston大學與BP、Honeywell、InetcoSystems、Invensys、MillennialNet、Radianse、SensicastSystems等公司聯合創辦了傳感器網絡協會，旨在促進WSN技術的開發。2006年10月，中國計算機學會傳感器網絡專委會在北京正式成立，標志著中國WSN技術研究開始進入一個新的歷史階段。

2．相關科研和工程項目

從20世紀90年代開始，美國就陸續展開分布式傳感器網絡(DSN)、集成的無線網絡傳感器(WINS)、智能塵埃(SmartDust)、無線嵌入式系統(WEBS)、分布式系統可升級協調體系結構研究(SCADDS)、嵌入式網絡傳感(CENS)等一系列重要的WSN研究項目。

自2001年起，美國國防部遠景研究計劃局(DARPA)每年都投入千萬美元進行WSN技術研究，設立了SmartSensorWeb、靈巧傳感器網絡通信、無人值守地面傳感器群、傳感器組網系統、網狀傳感器系統等一系列軍事傳感器網絡研究項目。在美國自然科學基金委員會的推動下，美國麻省理工學院、加州大學伯克利分校、加州大學洛杉磯分校、南加州大學、康奈爾大學、伊利諾斯大學等許多著名高校也進行了大量WSN的基礎理論和關鍵技術的研究。除美國以外，日本、英國、意大利、巴西等國家也對傳感器網絡表現出了極大的興趣，并各自展開了該領域的研究工作。

中國現代意義的WSN及其應用研究幾乎與發達國家同步啟動，首先被記錄在1999年發表的中國科學院《知識創新工程試點領域方向研究》的《信息與自動化領域研究報告》中。

2001年，中國科學院成立了微系統研究與發展中心，掛靠中科院上海微系統所，旨在整合中科院內部的相關單位，共同推進傳感器網絡的研究。從2002年開始，中國國家自然科學基金委員會開始部署傳感器網絡相關的課題。截至2008年年底，中國國家自然基金共支持面上項目111項、重點項目3項；國家“863”重點項目發展計劃共支持面上項目30余項，國家重點基礎研究發展計劃“973”也設立了兩項與傳感器網絡直接相關的項目；國家發改委中國下一代互聯網工程項目(CNGI)也對傳感器網絡項目進行了連續資助。“中國未來20年技術預見研究”提出的157個技術課題中有7項直接涉及無線傳感器網絡。這些專項的設立將大大推進WSN網絡技術在應用領域的快速發展。

3．WSN技術的成熟度分析

Gartner信息技術研究與咨詢公司從2005年到2008年對WSN技術進行了追蹤和評估。2005年，Gartner認為WSN技術的關注度已經越過了膨脹高峰并回歸理性，表現為以美國為首的科研人員開始理性反思這種技術模式是不是有進一步推廣和發展的機會。當時的預期比較樂觀，認為該技術將在2～5年內走向成熟。2006年，Gartner的評估認為該技術正按照預定曲線前行，但成熟時間要更長一些。到了2007年，Gartner發現對該技術的關注度又有大幅度回升，但其市場并沒有走向高產能期，而似乎又回到了技術膨脹期。同時，距離成熟的時間仍然是10年以上。超過5年的市場預測往往意味著公司對該項技術缺乏準確的判斷。從這一點上看，WSN技術從市場的角度上看還有些撲朔迷離。Gartner的2008年技術預測報告中沒有對該領域進行預測也正是基于這一點。這種結果的可能原因是殺手級應用所需的幾項關鍵性的支撐技術目前難于突破，微型化、可靠性、能量供給在目前看來是制約應用的最大問題。

無線傳感器網絡技術要想在未來十幾年內有所發展，一方面要在這些關鍵的支撐技術上有所突破，另一方面則要在成熟的市場中尋找應用，構思更有趣、更高效的應用模式。值得慶幸的是，WSN技術在中國找到了發展機會。政府引導、研究人員的推動和企業的積極參與大大加快了WSN技術的市場化進程。中國必將在WSN技術和市場推進中發揮重要作用。

1.3無線傳感器網絡結構

1.3.1無線傳感器網絡的體系結構

無線傳感器網絡的體系結構如圖1.1所示。監測區域中隨機分布著大量的傳感器節點，這些節點以自組織的方式構成網絡結構。每個節點既有數據采集又有路由功能，采集數據經過多跳傳遞給匯聚節點，連接到互聯網。在網絡的任務管理節點對信息進行管理、分類、處理，最后供用戶進行集中處理。圖1.1無線傳感器網絡的體系結構1.3.2無線傳感器網絡的節點結構

節點同時具有傳感、信息處理和進行無線通信及路由的功能。對于不同的應用環境，節點的結構也可能不一樣，但它們的基本組成部分是一致的，一個節點通常由傳感器、微處理器、存儲器、A/D轉換接口、無線發射以及接收裝置和電源組成。概括之，無線傳感器節點可分為傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊四個部分，如圖1.2所示。圖1.2無線傳感器節點的體系結構傳感器模塊負責信息采集和數據轉換；處理器模塊控制整個傳感器節點的操作，處理本身采集的數據和其他節點發來的數據，運行高層網絡協議；無線通信模塊負責與其他傳感器節點進行通信；能量供應模塊為傳感器節點提供運行所需的能量，通常是微型蓄電池。1.3.3無線傳感器網絡應用系統結構

無線傳感器網絡應用系統結構如圖1.3所示。無線傳感器網絡應用支撐層、無線傳感器網絡基礎設施和基于無線傳感器網絡的應用程序以及管理、信息安全等部分組成了無線傳感器網絡中間件與平臺軟件。其基本含義是，應用支撐層支持應用業務層為各個應用領域服務，提供所需的各種通用服務，這一層的核心是中間件軟件；管理和信息安全是貫穿各個層次的保障。無線傳感器網絡中間件與平臺軟件體系結構主要分為四個層次：網絡適配層、基礎軟件層、應用開發層和應用業務適配層。其中，網絡適配層和基礎軟件層組成無線傳感器網絡節點嵌入式軟件(部署在無線傳感器網絡節點中)的體系結構，應用開發層和基礎軟件層組成無線傳感器網絡應用支撐結構(支持應用業務的開發與實現)。在網絡適配層中，網絡適配器是對無線傳感器網絡底層(無線傳感器網絡基礎設施、無線傳感器操作系統)的封裝。基礎軟件層包含無線傳感器網絡各種中間件。這些中間件構成了無線傳感器網絡平臺軟件的公共基礎，并提供了高度的靈活性、模塊性和可移植性。圖1.3無線傳感器網絡應用系統結構無線傳感器網絡中間件有如下幾種：

(1)網絡中間件：完成無線傳感器網絡接入服務、網絡生成服務、網絡自愈合服務、網絡連通等。

(2)配置中間件：完成無線傳感器網絡的各種配置工作，例如路由配置、拓撲結構的調整等。

(3)功能中間件：完成無線傳感器網絡各種應用業務的共性功能，提供各種功能框架接口。

(4)管理中間件：為無線傳感器網絡應用業務實現各種管理功能，例如目錄服務、資源管理、能量管理和生命周期管理。

(5)安全中間件：為無線傳感器網絡應用業務實現各種安全功能，例如安全管理、安全監控和安全審計。

無線傳感器網絡中間件與平臺軟件采用層次化、模塊化的體系結構，使其更加適應無線傳感器網絡應用系統的要求，并用自身的復雜換取應用開發的簡單，而中間件技術能夠更簡單明了地滿足應用的需要。一方面，中間件提供滿足無線傳感器網絡個性化應用的解決方案，形成了一種特別適用的支撐環境；另一方面，中間件通過整合，使無線傳感器網絡應用只需面對一個可以解決問題的軟件平臺。因此，無線傳感器網絡中間件與平臺軟件的靈活性、可擴展性保證了無線傳感器網絡的安全性，提高了無線傳感器網絡的數據管理能力和能量效率，降低了應用開發的復雜性。1.3.4無線傳感器網絡通信體系結構

無線傳感器網絡的實現需要自組織網絡技術，相對于一般意義上的自組織網絡，傳感器網絡具有以下特點，需要在體系結構的設計中加以特殊考慮。

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

(2)自組織傳感器網絡最大的特點就是能量受限，傳感器節點受環境的限制，通常由電量有限且不可更換的電池供電，所以在考慮傳感器網絡體系結構以及各層協議設計時，節能是設計的主要考慮目標之一。

(3)由于傳感器網絡應用環境具有特殊性、無線信道不穩定以及能源受限的特點，傳感器網絡節點受損的概率遠大于傳統網絡節點，因此自組織網絡的健壯性保障是必需的，以保證部分傳感器網絡的損壞不會影響全局任務的進行。

(4)傳感器節點高密度部署，網絡拓撲結構變化快，對拓撲結構的維護也提出了挑戰。根據以上特性分析，傳感器網絡需要根據用戶對網絡的需求設計適應自身特點的網絡體系結構，為網絡協議和算法的標準化提供統一的技術規范，使其能夠滿足用戶的需求。無線傳感器網絡通信體系結構如圖1.4所示，即橫向的通信協議層和縱向的傳感器網絡管理面。通信協議層可以劃分為物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層，而網絡管理面可以劃分為能耗管理面、移動性管理面和任務管理面。網絡管理面主要用于協調不同層次的功能以求在能耗管理、移動性管理和任務管理方面獲得綜合考慮的最優設計。圖1.4無線傳感器網絡通信體系結構

1.4無線傳感器網絡的應用及關鍵技術

1.4.1WSN的應用

WSN的應用可以分為監測和追蹤兩類，如圖1.5所示。監測應用包括室環境監測、公共衛生監測、商業監測、生物監測、軍事監測等方面。跟蹤應用包括工業追蹤、公共事業追蹤、商業追蹤、軍事追蹤等方面。圖1.5無線傳感器網絡應用分類

1．軍事領域

2005年，美國軍方成功測試了由美國Crossbow產品組建的槍聲定位系統，為救護、反恐提供了有力手段。美國科學應用國際公司采用無線傳感器網絡，構筑了一個電子周邊防御系統，可為美國軍方提供軍事防御和情報信息。

中國中科院微系統所主導的團隊積極開展基于WSN的電子圍欄技術的邊境防御系統的研發和試點，已取得了階段性的成果。

2．公共衛生

WSN可用于殘疾人監測、病人監測、診斷及醫院藥品管理系統。C.R.Badker等人指出，在公共衛生醫療監測中應用WSN能提高現有衛生和病人的監測狀況。他們提出了四種應用原型：嬰兒監測、聾人提醒、血壓監測與追蹤以及消防員身體特征信號監測。這些原型采用了SHIMME和T-mote節點。

在醫療監控方面，美國英特爾公司目前正在研制家庭護理的無線傳感器網絡系統，它是美國“應對老齡化社會技術項目”的一項重要內容。另外，在對特殊醫院(精神類或殘障類)中病人的位置監控方面，WSN也有巨大的應用潛力。

3．環境應用

無線傳感器網絡的應用包括跟蹤生物，如鳥類、小動物和昆蟲的遷移，監測影響農作物的環境，以及監測大海、土壤及森林火災等。美國加利福尼亞州索諾馬縣應用WSN研究紅木樹林的現狀，每個傳感器節點用于測量空氣溫度、相對濕度以及光合有效輻射作用。在樹的不同高度放置節點，生物學家可以追蹤紅木樹林小氣候的空間漸變情況，從而驗證其生物學理論。哈佛大學MattWelsh等人將傳感器網絡應用于火山的監測。他們分別于2004年和2005年對厄瓜多爾的Tungurahua和Reventodaor兩座火山進行了監測。該網絡由16個傳感器節點組成，每個傳感器間隔200～400m不等。在19天的觀測中，網絡觀測到230次火山噴發和其他事件。在肯尼亞構建的ZebraNet系統是一個移動傳感網絡，用于追蹤動物的遷移。該系統將跟蹤節點安裝在斑馬的項圈上，目的在于準確記錄斑馬的位置，用于生物行為分析。在環境監控和精細農業方面，WSN的應用最為廣泛。2002年，英特爾公司率先在俄勒岡建立了世界上第一個無線葡萄園，這是一個典型的精細農業、智能耕種的實例。杭州齊格科技有限公司與浙江農科院合作研發了遠程農作物管理決策服務平臺，該平臺利用無線傳感器技術實現了對農田溫室大棚溫度、濕度、露點、光照等環境信息的監測。

4．工業應用

在工業監控方面，美國英特爾公司為俄勒岡的一家芯片制造廠安裝了200臺無線傳感器，用來監控部分工廠設備的振動情況，并在測量結果超出規定時提供監測報告。西安成峰公司與陜西天和集團合作開發了礦井環境監測系統和礦工井下區段定位系統。

5．公共事業領域

在民用安全監控方面，英國一家博物館的工作人員利用無線傳感器網絡設計了一個報警系統，他們將節點放在珍貴文物或藝術品的底部或背面，通過偵測燈光的亮度改變和振動情況，來判斷展覽品的安全狀態。中科院計算所在故宮博物院實施的文物安全監控系統也是WSN技術在民用安防領域中的典型應用。

現代建筑的發展不僅要求為人們提供更加舒適、安全的房屋和橋梁，而且希望建筑本身能夠對自身的健康狀況進行評估。WSN技術在建筑結構健康監控方面發揮著重要作用。2004年，哈爾濱工業大學在深圳地王大廈實施部署了監測環境噪聲和震動加速度響應測試的WSN網絡系統。在智能交通方面，美國交通部提出了“國家智能交通系統項目規劃”，預計到2025年全面投入使用。該系統綜合運用大量傳感器網絡，配合GPS系統、區域網絡系統等資源，實現對交通車輛的優化調度，并為個體交通推薦實時的、最佳的行車路線服務。目前在美國賓夕法尼亞州的匹茲堡市已經建有這樣的智能交通信息系統。

以中科院上海微系統所為首的研究團隊正在積極開展WSN在城市交通中的應用。中科院軟件所在地下停車場基于WSN網絡技術實現了細粒度的智能車位管理系統，使得停車信息能夠迅速通過發布系統推送給附近的車輛，大大提高了停車效率。在物流領域中，基于RFID和傳感器節點在大粒度商品物流管理中已得到了廣泛的應用。寧波中科萬通公司與寧波港合作，實現了基于RFID網絡的集裝箱和卡車的智能化管理。

在智能家居領域中，浙江大學計算機系的研究人員開發了一種基于WSN網絡的無線水表系統，能夠實現水表的自動抄錄。復旦大學、電子科技大學等單位研制了基于WSN網絡的智能樓宇系統，其典型結構包括照明控制、警報門禁以及家電控制的PC系統，各部件自治組網，最終由PC將信息發布到互聯網上，人們可以通過互聯網終端對家庭狀況實施監測。1.4.2無線傳感器網絡的關鍵技術

WSN技術是多學科交叉的研究領域，包含眾多研究方向。WSN技術具有應用相關性，利用通用平臺構建的系統都無法達到最優效果。WSN技術的應用定義要求網絡中節點設備能夠在有限能量(功率)供給下實現對目標的長時間監控，因此網絡運行的能量效率是一切技術元素的優化目標。無線傳感器網絡的核心關鍵技術和關鍵支撐技術如下。

1．核心關鍵技術

1)組網模式

在確定采用無線傳感器網絡技術進行應用系統設計后，首先面臨的問題是采用何種組網模式。

(1)扁平組網模式。此模式中所有節點的角色相同，通過相互協作完成數據的交流和匯聚。最經典的定向擴散路由(DirectDiffusion)就是這種組網模式。

(2)基于分簇的層次型組網模式。此模式中的節點分為普通傳感器節點和用于數據匯聚的簇頭節點，傳感器節點將數據先發送到簇頭節點，然后由簇頭節點匯聚到后臺。簇頭節點完成的工作和消耗的能量更多。

(3)網狀網(Mesh)模式。Mesh模式在傳感器節點形成的網絡上增加一層固定無線網絡，用來收集傳感器節點的數據，另一方面實現節點之間的信息通信以及網內融合處理。

(4)移動匯聚模式。此模式使用移動終端收集目標區域的傳感數據，并轉發到后端服務器。采用移動匯聚模式可以提高網絡的容量，但數據的傳遞延遲與移動匯聚節點的軌跡相關。如何控制移動終端軌跡和速率是該模式研究的重要目標。

2)拓撲控制

組網模式決定了網絡的總體拓撲結構，但為了實現WSN網絡的低能耗運行，還需要對節點連接關系的時變規律進行細粒度控制。目前主要的拓撲控制技術分為時間控制、空間控制和邏輯控制三種。時間控制是通過控制每個節點睡眠、工作的占空比，調度節點間睡眠起始時間，讓節點交替工作，網絡拓撲在有限的拓撲結構間切換；空間控制是通過控制節點發送功率改變節點的連通區域，使網絡呈現不同的連通形態，從而獲得控制能耗、提高網絡容量的效果；邏輯控制是通過鄰居表將不“理想的”節點排除在外，從而形成更穩固、可靠和強健的拓撲。WSN技術中，拓撲控制的目的在于實現網絡的連通(實時連通或機會連通)的同時保證信息的能量高效、可靠地傳輸。

3)媒體訪問控制和鏈路控制

媒體訪問控制(MAC)和鏈路控制解決無線網絡中普遍存在的沖突和丟失問題，根據網絡中數據流狀態控制臨近節點乃至網絡中所有節點的信道訪問方式和順序，達到高效利用網絡容量，減低能耗的目的。要實現拓撲控制中的時間和空間控制，WSN的MAC層需要配合完成睡眠機制、時分信道分配和空分復用等功能。

4)路由、數據轉發及跨層設計

WSN中的數據流向與Internet相反：在Internet中，終端設備主要從網絡上獲取信息；而在WSN中，終端設備是向網絡提供信息。因此，WSN網絡層協議設計有自己的獨特要求。由于在WSN網絡中對能量效率的苛刻要求，研究人員通常利用MAC層的跨層服務信息來進行轉發節點、數據流向的選擇。另外，網絡在任務發布過程中一般要將任務信息傳送給所有的節點，因此設計能量高效的數據分發協議也是網絡層研究的重點。網絡編碼技術也是提高網絡數據轉發效率的一項技術。在分布式存儲網絡架構中，一份數據往往有不同的代理對其感興趣，網絡編碼技術通過有效減少網絡中數據包的轉發次數，來提高網絡容量和效率。

5)?QoS保障和可靠性設計

QoS保障和可靠性設計技術是傳感器網絡走向可用的關鍵技術之一。QoS保障技術包括通信層控制和服務層控制。傳感器網絡大量的節點如果沒有質量控制，將很難完成實時監測環境變化的任務。可靠性設計技術的目的是保證節點和網絡在惡劣工作條件下長時間工作。節點計算和通信模塊的失效直接導致節點脫離網絡，而傳感模塊的失效則可能導致數據出現畸變，造成網絡的誤警。如何通過數據檢測失效節點也是關鍵研究內容之一。

6)移動控制模型

隨著WSN組織結構從固定模式向半移動乃至全移動轉換，節點的移動控制模型變得越來越重要。LuoJ.等指出，當匯聚節點沿著網絡邊緣移動收集時可以最大限度地提高網絡生命周期；BiY.等提出了多種匯聚點移動策略，根據每輪數據匯聚情況，估計下一輪能夠最大延長網絡生命周期的匯聚點位置；ButlerZ.等針對事件發生頻度自適應移動節點的位置，使感知節點更多地聚集在使事件經常發生的地方，從而分擔事件匯報任務，延長網絡壽命。

2．關鍵支撐技術

1)?WSN網絡的時間同步技術

時間同步技術是完成實時信息采集的基本要求，也是提高定位精度的關鍵手段。常用方法是通過時間同步協議完成節點間的對時，通過濾波技術抑制時鐘噪聲和漂移。最近，利用耦合振蕩器的同步技術實現網絡無狀態自然同步方法也備受關注，這是一種高效的、可無限擴展的時間同步新技術。

2)基于WSN的自定位和目標定位技術

定位跟蹤技術包括節點自定位和網絡區域內的目標定位跟蹤。節點自定位是指確定網絡中節點自身位置，這是隨機部署組網的基本要求。GPS技術是室外慣常采用的自定位手段，但這種技術成本較高，另一方面在有遮擋的地區會失效。傳感器網絡更多采用混合定位方法，即手動部署少量的錨節點(攜帶GPS模塊)，其他節點根據拓撲和距離關系進行間接位置估計。目標定位跟蹤通過網絡中節點之間的配合完成對網絡區域中特定目標的定位和跟蹤，一般建立在節點自定位的基礎上。

3)分布式數據管理和信息融合

分布式動態實時數據管理是以數據中心為特征的WSN網絡的重要技術之一。該技術部署或者指定一些節點為代理節點，代理節點根據監測任務收集興趣數據。監測任務通過分布式數據庫的查詢語言下達給目標區域的節點。在整個體系中，WSN網絡被當作分布式數據庫獨立存在，實現對客觀物理世界的實時和動態監測。

信息融合技術是指節點根據類型、采集時間、地點、重要程度等信息標度，通過聚類技術將收集到的數據進行本地的融合和壓縮，一方面排除信息冗余，減少網絡通信開銷，節省能量；另一方面可以通過貝葉斯推理技術實現本地的智能決策。

4)?WSN的安全技術

安全通信和認證技術在軍事、金融等敏感信息傳遞應用中有直接需求。傳感器網絡由于部署環境和傳播介質的開放性，很容易受到各種攻擊。但受無線傳感器網絡資源限制，直接應用安全通信、完整性認證、數據新鮮性、廣播認證等現有算法存在實現困難的問題。鑒于此，研究人員一方面探討在不同組網形式、網絡協議設計中可能遭到的各種攻擊形式，另一方面設計安全強度可控的簡化算法和精巧協議，滿足傳感器網絡的現實需求。

5)精細控制、深度嵌入的操作系統技術

作為深度嵌入的網絡系統，WSN網絡對操作系統也有特別的要求，既要能夠完成基本體系結構支持的各項功能，又不能過于復雜。從目前發展狀況來看，TinyOS是最成功的WSN專用操作系統。但隨著芯片低功耗設計技術和能量工程技術水平的提高，更復雜的嵌入式操作系統，如Vxworks、Uclinux和Ucos等，也可能被WSN網絡所采用。

6)能量工程

能量工程包括能量的獲取和存儲兩方面。能量獲取主要指將自然環境的能量轉換成節點可利用的電能，如太陽能、振動能量、地熱、風能等。在能量存儲技術方面，高容量電池技術是延長節點壽命，全面提高節點能力的關鍵性技術。納米電池技術是目前最有希望的技術之一。1.4.3無線傳感器網絡的未來發展

WSN針對不同的應用有不同假設和需求。目前已經提出了一系列協議，它們有各自的優點和適用的環境，也存在一些不足。而隨著工藝、計算機及其網絡技術的發展，WSN必將得到越來越廣泛的應用，迫切需要高效的支撐技術算法和協議。下面列舉將來WSN的幾個發展方向：

(1)能效問題研究是無線傳感器網絡中的熱點研究問題。針對不同應用的能效節點自定位算法、優化覆蓋算法、時間同步算法都是值得進一步深入研究的問題，以進一步提高網絡的性能，延長網絡的生命周期。

(2)在高密度網絡中，需要大范圍時間同步。時間同步可以減少事件碰撞、能量浪費和統一更新。現有的時間同步方案致力于同步網絡中的局部節點時鐘以及較少的能量負擔。接下來的研究可以更多地關注最小化長時間的不確定性誤差，提高精度。

(3)WSN中布置了大量的節點，隨著時間發展會產生大量的數據。數據壓縮、融合和聚合技術能有效地減少數據傳送量。基于事件的壓縮、融合、聚合方案和連續時間采集網絡也是具有挑戰性的研究領域。

(4)WSN的安全檢測問題。安全協議需要能監視、檢測，同時能應對入侵者的攻擊。現有的安全協議多數是針對網絡層和數據鏈路層的，然而惡意攻擊可能出現在任何層中，不同層的安全檢測是一個值得研究的問題。跨層的安全檢測是網絡安全研究中的又一具有挑戰性的課題。

(5)可擴展性。保證網絡的可擴展性是WSN的另一項關鍵需求。由于能消耗盡、節點故障、通信故障等原因，網絡的拓撲結構常常會發生變化，如果沒有網絡的可擴展性保證，網絡的性能就會隨著網絡的規模增加或隨著時間而顯著降低。

(6)WSN有著分層的體系結構，導致各層的優化設計不能保證整個網絡的設計最優。將MAC與路由相結合進行跨層設計可以有效節省能量，延長網絡的壽命。傳感器網絡的能量管理、低功耗設計、時間同步和節點定位方面也可以結合實際，跨層優化設計。第2章無線傳感器網絡的協議規范

2.1IEEE802.15.4標準2.2ZigBee協議規范2.3無線傳感器網絡路由協議

2.1IEEE802.15.4標準

2.1.1IEEE802.15.4標準概述

隨著通信技術的迅速發展，人們提出了在人自身附近幾米范圍之內通信的需求，由此出現了個人區域網絡(PersonalAreaNetwork，PAN)和無線個人區域網絡WirelessPersonalAreaNetwork，WPAN)的概念。WPAN網絡為近距離范圍內的設備建立無線連接，把幾米范圍內的多個設備通過無線方式連接在一起，使它們可以相互通信甚至接入LAN或Internet。1998年3月，IEEE802.15工作組致力于WPAN網絡的物理層(PHY)和媒體訪問層(MAC)的標準化工作，目標是為在個人操作空間(PersonalOperatingSpace，POS)內相互通信的無線通信設備提供通信標準。POS一般是指用戶附近10?m左右的空間范圍，在這個范圍內用戶可以是固定的，也可以是移動的。

在IEEE802.15工作組內有四個任務組(TaskGroup，TG)，分別制定適合不同應用的標準。這些標準在傳輸速率、功耗和支持的服務等方面存在差異。下面是四個任務組各自的主要任務：

(1)任務組TG1：制定IEEE802.15.1標準，又稱藍牙無線個人區域網絡標準。這是一個中等速率、近距離的WPAN網絡標準，通常用于手機、PDA(個人數字助理，俗稱掌上電腦)等設備的短距離通信。

(2)任務組TG2：制定IEEE802.15.2標準，研究IEEE802.15.1與IEEE802.11(無線局域網WLAN標準)的共存問題。

(3)任務組TG3：制定IEEE802.15.3標準，研究高傳輸速率無線個人區域網絡標準。該標準主要考慮無線個人區域網絡在多媒體方面的應用，以追求更高的傳輸速率與服務品質。

(4)任務組TG4：制定IEEE802.15.4標準，針對低速無線個人區域網絡(Low-RateWirelessPersonalAreaNetwork，LR-WPAN)制定標準。該標準把低能量消耗、低速率傳

輸、低成本作為重點目標，旨在為個人或者家庭范圍內不同設備之間的低速互連提供統一標準。

任務組TG4定義的LR-WPAN網絡的特征與傳感器網絡有很多相似之處，很多研究機構把它作為傳感器的通信標準。

LR-WPAN網絡是一種結構簡單、成本低廉的無線通信網絡，它使得在低電能和低吞吐量的應用環境中使用無線連接成為可能。與WLAN相比，LR-WPAN網絡只需很少的基礎設施，甚至不需要基礎設施。IEEE802.15.4標準為LR-WPAN網絡制定了PHY和MAC子層協議。

IEEE802.15.4標準定義的LR-WPAN網絡具有如下特點：

(1)在不同的載波頻率下實現了20?kb/s、40?kb/s和250?kb/s三種不同的傳輸速率；

(2)支持星型和點對點兩種網絡拓撲結構；

(3)有16位和64位兩種地址格式，其中64位地址是全球唯一的擴展地址；

(4)支持沖突避免的載波多路偵聽技術(CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance，CSMA-CA)；

(5)支持確認(ACK)機制，保證傳輸可靠性。2.1.2IEEE802.15.4網絡簡介

IEEE802.15.4網絡是指在一個POS內使用相同無線信道并通過IEEE802.15.4標準相互通信的一組設備的集合，又名LR-WPAN網絡。在這個網絡中，根據設備所具有的通信能力，可以分為全功能設備(FullFunctionDevice，FFD)和精簡功能設備(ReducedFunctionDevice，RFD)。FFD設備之間以及FFD設備與RFD設備之間都可以通信。RFD設備之間不能直接通信，只能與FFD設備通信，或者通過一個FFD設備向外轉發數據。這個與RFD相關聯的FFD設備稱為該RFD的協調器(Coordinator)。RFD設備主要用于簡單的控制應用，如燈的開關、被動式紅外線傳感器等，傳輸的數據量較少，對傳輸資源和通信資源占用不多，這樣RFD設備可以采用非常廉價的實現方案。

IEEE802.15.4網絡中，有一個稱為PAN網絡協調器(PANCoordinator)的FFD設備，是LR-WPAN網絡中的主控制器。PAN網絡協調器除了直接參與應用以外，還要完成成員身份管理、鏈路狀態信息管理以及分組轉發等任務。

無線通信信道的特征是動態變化的。節點位置或天線方向的微小改變、物體移動等周圍環境的變化都有可能引起通信鏈路信號強度和質量的劇烈變化，因而無線通信的覆蓋范圍不是確定的。這就造成了LR-WPAN網絡中設備的數量以及它們之間關系的動態變化。

1．IEEE802.15.4網絡拓撲結構

IEEE802.15.4網絡根據應用的需要可以組織成星型網絡，也可以組織成點對點網絡。在星型結構中，所有設備都與中心設備PAN網絡協調器通信。星型網絡適合家庭自動化、個人計算機的外設以及個人健康護理等小范圍的室內應用。

2．網絡拓撲結構的形成過程

雖然網絡拓撲結構的形成過程屬于網絡層的功能，但IEEE802.15.4為形成各種網絡拓撲結構提供了充分支持。

1)星型網絡的形成

星型網絡以網絡協調器為中心，所有設備只能與網絡協調器進行通信，因此在星型網絡的形成過程中，第一步就是建立網絡協調器。任何一個FFD設備都有成為網絡協調器的可能，一個網絡如何確定自己的網絡協調器由上層協議決定。一種簡單的策略是一個FFD設備在第一次被激活后，首先廣播查詢網絡協調器的請求，如果接收到回應，說明網絡中已經存在網絡協調器，再通過一系列認證過程，設備就成為了這個網絡中的普通設備。如果沒有收到回應，或者認證過程不成功，這個FFD設備就可以建立自己的網絡，并且成為這個網絡的網絡協調器。網絡協調器要為網絡選擇一個唯一的標識符，所有該星型網絡中的設備都是用這個標識符來規定自己的屬主關系的。不同星型網絡之間的設備通過設置專門的網關完成相互通信。選擇一個標識符后，網絡協調器就允許其他設備加入自己的網絡，并為這些設備轉發數據分組。

星型網絡中的兩個設備如果需要互相通信，就需要先把各自的數據包發送給網絡協調器，然后由網絡協調器轉發給對方。

2)點對點網絡的形成

點對點網絡中，任意兩個設備只要能夠彼此收到對方的無線信號，就可以進行直接通信，不需要其他設備的轉發。但點對點網絡中仍然需要一個網絡協調器，不過該協調器的功能不再是為其他設備轉發數據，而是完成設備注冊和訪問控制等基本的網絡管理功能。網絡協調器的產生同樣由上層協議規定，比如把某個信道上第一個開始通信的設備作為該信道上的網絡協議器。簇樹網絡是點對點網絡的一個例子，下面以簇樹網絡為例描述點到點網絡的形成過程。在簇樹網絡中，絕大多數設備是FFD設備，而RFD設備總是作為簇樹的葉設備連接到網絡中。任意一個FFD都可以充當RFD協調器或者網絡協調器，為其他設備提供同步信息。在這些協調器中，只有一個可以充當整個點對點網絡的網絡協調器。網絡協調器可能和網絡中其他設備一樣，也可能擁有比其他設備更多的計算資源和能量資源。網絡協調器首先將自己設為簇頭(ClusterHeader，CLH)，并將簇標識符(ClusterIdentifier，CID)設置為0，同時為該簇選擇一個未被使用的PAN網絡標識符，形成網絡中的第一個簇。接著網絡協調器開始廣播信標幀。鄰近設備收到信標幀后，就可以申請加入該簇。設備可否成為簇成員，由網絡協調器決定。如果請求被允許，則該設備將作為簇的子設備加入網絡協調器的鄰居列表。新加入的設備會將簇頭作為它的父設備加入到自己的鄰居列表中。2.1.3IEEE802.15.4網絡協議棧

IEEE802.15.4網絡協議棧基于開放系統互連(OSI)模型，每一層都實現一部分通信功能，并向高層提供服務。

IEEE802.15.4標準只定義了物理層PHY和介質訪問控制MAC子層協議。PHY層由射頻收發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。

MAC子層以上的幾個層次，包括特定服務的聚合子層(ServiceSpecificConvergenceSublayer，SSCS)、鏈路控制子層(LogicalLinkControl，LLC)等，只是IEEE802.15.4標準可能的上層協議，并不在IEEE802.15.4標準的定義范圍之內。SSCS為IEEE802.15.4的MAC子層接入IEEE802.2標準中定義的LLC子層提供聚合服務。LLC子層可以使用SSCS的服務接口訪問IEEE802.15.4網絡，為應用層提供鏈路層服務。

1．物理層

物理層定義了物理無線信道和MAC子層之間的接口，提供物理層數據服務和物理層管理服務。物理層數據服務從無線物理信道上收發數據，物理層管理服務維護一個由物理層相關數據組成的數據庫。

物理層數據服務包括以下五方面的功能：

(1)激活和休眠射頻收發器；

(2)信道能量檢測(EnergyDetect)；

(3)檢測接收數據包的鏈路質量指示(LinkQualityIndication，LQI)；

(4)空閑信道評估(ClearChannelAssessment，CCA)；

(5)收發數據。信道能量檢測為網絡層提供信道選擇依據。它主要測量目標信道中接收信號的功率強度，這個檢測本身不進行解碼操作，檢測結果是有效信號功率和噪聲信號功率之和。

鏈路質量指示為網絡層或應用層提供接收數據幀時無線信號的強度和質量信息，與信道能量檢測不同的是，它要對信號進行解碼，生成的是一個信噪比指標。這個信噪比指標和物理層數據單元一道提交給上層處理。空閑信道評估判斷信道是否空閑。IEEE802.15.4定義了三種空閑信道評估模式：第一種是簡單判斷信道的信號能量，當信號能量低于某一門限值就認為信道空閑；第二種是判斷無線信號的特征，這個特征主要包括兩方面，即擴頻信號特征和載波頻率；第三種模式是前兩種模式的綜合，即同時檢測信號強度和信號特征，給出信道空閑判斷。

1)物理層的幀結構

物理幀第一個字段是四個字節的前導碼，收發器在接收前導碼期間，會根據前導碼序列的特征完成片同步和符號同步。幀起始分隔符(Start-of-Delimiter，SFD)字段長度為一個字節，其值固定為0xA7，標識一個物理幀的開始。收發器接收完前導碼后只能做到數據的位同步，通過搜索SFD字段的值0xA7才能同步到字節上。幀長度由一個字節的低7位表示，其值就是物理幀負載的長度，因此物理幀負載的長度不會超過127個字節。物理幀的負載長度可變，稱之為物理層服務數據單元(PHYServiceDataUnit，PSDU)，一般用來承載MAC幀。

2)物理層的載波調制

PHY層定義了三個載波頻段用于收發數據。在這三個頻段上發送數據使用的速率、信號處理過程以及調制方式等方面存在一些差異。三個頻段總共提供了27個信道(Channel)：868?MHz頻段1個信道，915?MHz頻段10個信道，2450?MHz頻段16個信道。

在868?MHz和915?MHz這兩個頻段上，信號處理過程相同，只是數據速率不同。處理過程是首先將物理層協議數據單元(PHYProtocolDataUnit，PPDU)的二制數據差分編碼，然后再將差分編碼后的每一個位轉換為長度為15的片序列(ChipSequence)，最后由二相移相鍵控BPSK(BinaryPhaseShiftKeying)調制到信道上。

3)?2.4?GHz頻段

2.4?GHz是工作在ISM頻段的一個頻段。ISM頻段是工業、科學和醫用頻段。一般來說，世界各國均保留了一些無線頻段，以用于工業、科學研究和微波醫療方面的應用。應用這些頻段無需許可證，只需要遵守一定的發射功率(一般低于1?W)，并且不要對其他頻段造成干擾即可。ISM頻段在各國的規定并不統一，而2.4?GHz為各國共同的ISM頻段。因此，無線局域網(IEEE802.11b/IEEE802.11g)、藍牙、ZigBee等無線網絡均可工作在2.4?GHz頻段上。一般所謂的2.4?G無線技術，指其頻段處于2.405～2.485?GHz(科學、醫藥、農業)，所以簡稱為2.4?G無線技術。

2．MAC子層

在IEEE802系列標準中，OSI參考模型的數據鏈路層進一步劃分為LLC(LogicalLinkControl，邏輯鏈路控制)和MAC(MediaAccessControl，媒介接入控制)兩個子層。MAC子層使用物理層提供的服務實現設備之間的數據幀傳輸，而LLC在MAC子層的基礎上，在設備間提供面向連接和非連接的服務。

MAC子層提供兩種服務：MAC層數據服務和MAC層管理服務(MACSublayerManagementEntity，MLME)。前者保證MAC協議數據單元在物理層數據服務中的正確收發，后者維護一個存儲MAC子層協議狀態相關信息的數據庫。

MAC子層的主要功能包括以下六個方面：

(1)協調器產生并發送信標幀，普通設備根據協調器的信標幀與協議器同步；

(2)支持PAN網絡的關聯(Association)和取消關聯(Disassociation)操作；

(3)支持無線信道通信安全；

(4)使用CSMA-CA機制訪問信道；

(5)支持時隙保障(GuaranteedTimeSlot，GTS)機制；

(6)支持不同設備的MAC子層間可靠傳輸。關聯操作是指一個設備在加入一個特定網絡時，向協調器注冊和身份認證的過程。LR-WPAN網絡中的設備有可能從一個網絡切換到另一個網絡，這時就需要進行關聯和取消關聯操作。

時隙保障機制和時分復用(TimeDivisionMultipleAccess，TDMA)機制相似，但它可以動態地為有收發請求的設備分配時隙。使用時隙保障機制需要設備間的時間同步，IEEE802.15.4中的時間同步通過下面介紹的“超幀”機制實現。

1)超幀

在IEEE802.15.4中，LR-WPAN標準中允許使用超幀結構，超幀格式由協調器定義。每個超幀都以網絡協調器發出信標幀(Beacon)為始，在這個信標幀中包含了超幀將持續的時間以及對這段時間的分配等信息。網絡中普通設備接收到超幀開始時的信標幀后，就可以根據其中的內容安排自己的任務，例如進入休眠狀態直到這個超幀結束。

超幀將通信時間劃分為活躍和不活躍兩個部分。在不活躍期間，PAN網絡中的設備不會相互通信，從而可以進入休眠狀態以節省能量。超幀的活躍期間劃分為三個階段：信標幀發送時段、競爭訪問時段(ContentionAccessPeriod，CAP)和非競爭訪問時段(Contention

FreePeriod，CFP)。超幀的活躍部分被劃分為16個等長的時隙，每個時隙的長度、競爭訪問時段包含的時隙數等參數都由協調器設定，并通過超幀開始時發出的信標幀廣播到整個網絡。在超幀的競爭訪問時段，IEEE802.15.4網絡設備使用帶時隙的CSMA-CA訪問機制，并且任何通信都必須在競爭訪問時段結束前完成。在非競爭時段，協調器根據上一個超幀PAN網絡中的設備申請GTS的情況，將非競爭時段劃分成若干個GTS。每個GTS由若干時隙組成，時隙數目在設備申請GTS時指定。如果申請成功，申請設備就擁有了它指定的時隙數目。每個GTS中的時隙都指定分配給了時隙申請設備，因而不需要競爭信道。IEEE802.15.4標準要求任何通信都必須在自己分配的GTS內完成。超幀中規定非競爭時段必須跟在競爭時段后面。競爭時段的功能包括網絡設備可以自由收發數據，域內設備向協調者申請GTS時段，新設備加入當前PAN網絡等。非競爭階段由協調者指定的設備發送或者接收數據包。如果某個設備在非競爭時段一直處在接收狀態，那么擁有GTS使用權的設備就可以在GTS階段直接向該設備發送信息。超幀由協調器發送并受網絡信標的限制，如圖2.1和圖2.2所示。超幀分為16個大小相同的時隙，第?1?個時隙是用來傳輸信標幀的，后面15個時隙是競爭接入期(ContentionAccessPeriod，CAP)，這16個時隙組成了超幀結構。而最后一個時隙也是傳輸信標幀，但是屬于下一個超幀結構。超幀的第一個時隙用來傳輸信標幀。如果協調器不希望使用超幀結構，它就不發送信標。

圖2.1無GTS的超幀結構圖2.2有GTS的超幀結構信標在網絡中用于設備之間的同步、區分PAN和描述超幀結構。

任何設備想要在兩個信標之間的競爭接入期進行通信，就必須同其他設備采用時隙免沖突載波檢測多路接入CSMA-CA機制進行競爭，所有的處理必須在下一個網絡信標到達之前完成。超幀有活動和不活動部分(網絡休眠區和網絡活動區)。在不活動部分，協調器與PAN之間不能發生聯系，并進入低功耗模式。對于應用于低延遲或需要在特定數據帶寬的情況下，PAN協調器可以用活動超幀的一部分來實現，這部分稱為保證時隙(GTS)。保證時隙(可有多個)形成了非競爭期(CFP)，它始終出現在CAP之后和活動超幀之前。PAN協調器可分配七個GTS，而每個GTS時間不少于一個時隙。CAP的有效部分應當保留，以使基于競爭的其他網絡設備和新設備能接入網絡。所有基于競爭的傳輸應當在CFP開始之前完成，同時每個工作在GTS時期的設備應當確保它的傳輸在下一個GTS開始和CFP結束之前完成。下面介紹幾個概念：

GTS(保證時隙)：是活動超幀的一部分，為實現一些特殊應用開辟的。

CAP(競爭接入期)：任何設備想在此時通信，必須采用CSMA-CA競爭機制。

CFP(非競爭期)：由GTS組成，這段時期內不需要競爭。

2)數據傳輸模型

LR-WPAN網絡中存在著三種數據傳輸方式：設備發送數據給協調器、協調器發送數據給設備、對等設備之間的數據傳輸。星型拓撲網絡中只存在前兩種數據傳輸方式，因為數據只在協調器和設備之間交換；而在點對點拓撲網絡中，三種數據傳輸方式都存在。

LR-WPAN網絡中，有兩種通信模式可供選擇：信標使能通信和信標不使能通信。

在信標使能的通信網絡中，PAN網絡協調器定時廣播信標幀。信標幀表示超幀的開始。設備之間通信使用基于時隙的CSMA-CA信道訪問機制，PAN網絡中的設備都通過協調器發送的信標幀進行同步。在時隙CSMA-CA機制下，每當設備需要發送數據幀或命令幀時，它首先定位下一個時隙的邊界，然后等待隨機的數個時隙。等待完畢后，設備開始檢測信道狀態。如果信道忙，設備需要重新等待隨機的數個時隙，再檢查信道狀態，重復這個過程直到有空閑信道出現。在這種機制下，確認幀的發送不需要使用CSMA-CA機制，而是緊跟著接收幀發送回源設備。在信標不使能的通信網絡中，PAN網絡協調器不發送信標幀，各個設備使用非分時隙的CSMA-CA機制訪問信道。該機制的通信過程為：每當設備需要發送數據或者發送MAC命令時，它首先等候一段隨機長的時間，然后開始檢測信道狀態。如果信道空閑，該設備立即開始發送數據；如果信道忙，設備需要重復上面的等待一段隨機時間和檢測信道狀態的過程，直到能夠發送數據。在設備接收到數據幀或命令幀而需要回應確認幀的時候，確認幀應緊跟著接收幀發送，而不使用CSMA-CA機制競爭信道。

3)?MAC子層幀結構

MAC子層幀結構的設計目標是用最低復雜度實現在多噪聲無線信道環境下的可靠數據傳輸。每個MAC子層的幀都由幀頭、負載和幀尾三部分組成。幀頭由幀控制信息、幀序列號和地址信息組成。MAC子層負載具有可變長度，具體內容由幀類型決定。幀尾是幀頭和負載數據的16位CRC校驗序列。在MAC子層中設備地址有兩種格式：16位(兩個字節)的短地址和64位(8個字節)的擴展地址。16位短地址是設備與PAN網絡協調器關聯時，由協調器分配的網內局部地址；64位擴展地址是全球唯一地址，在設備進入網絡之前就分配好了。16位短地址只能保證在PAN網絡內部是唯一的，所以在使用16位短地址通信時需要結合16位的PAN網絡標識符才有意義。兩種地址類型的地址信息的長度是不同的，從而導致MAC幀頭的長度也是可變的。一個數據幀使用哪種地址類型由幀控制字段的內容指示。在幀結構中沒有表示幀長度的字段，這是因為在物理層的幀里面有表示MAC幀長度的字段，MAC負載長度可以通過物理層幀長和MAC幀頭的長度計算出來。

IEEE802.15.4網絡共定義了四種類型的幀：信標幀、數據幀、應答幀和MAC命令幀。

(1)信標幀。信標幀MPDU由MAC子層產生。在信標網絡中，協調器通過向網絡中的所有從設備發送信標幀，以保證這些設備能夠與協調器同步(同步工作和同步休眠)，以達到網絡功耗最低(非信標模式只允許ZE(ZigBeeEndDevice，ZigBee終端節點)進行周期性休眠，ZC(ZigBeeCoordinator，協調點)和所有ZR(ZigBeeRouter，ZigBee路由節點)必須長期處于工作狀態)。信標幀結構如圖2.3所示。圖2.3信標幀結構其中，MHR是MAC層幀頭；MSDU是MAC層服務數據單元，表示MAC層載荷；MFR是MAC層幀尾。這三部分共同構成了MAC層協議數據單元(MPDU)。MFR中包含16位幀校驗序列(FCS)。當MAC層協議數據單元被發送到物理層時，它便成為了物理層服務數據單元(PSDU)。如果在PSDU前面加上一個物理層幀頭(PHR)便可構成物理層協議數據單元(PPDU)。如果再加上一個同步幀頭(SHR)，則這個數據包便成為最終在空氣中傳播的數據包。信標幀結構中各單元的名詞解釋如下：

MSDU=超幀域?+?未處理數據地址域?+?地址列表域?+?信標凈荷域；

MHR=幀控制域?+?信標序列號?+?尋址信息域；

MFR=16?bit的幀校驗序列FCS；

MPDU=MHR+MSDU+MFR；

MAC協議數據單元?=?MAC幀頭?+?MAC服務數據單元?+?MAC幀尾；

PPDU=PHR+PSDU+PFR；

物理層協議數據單元?=?物理層幀頭?+?物理層數據單元?+?物理層幀尾；

空氣中最終傳播的數據包?=?PPDU?+?同步幀頭SHR。

信標幀的負載數據單元由四部分組成：超幀描述字段、GTS分配字段、待轉發數據目標地址字段和信標幀負載數據。

①信標幀中超幀描述字段規定了這個超幀的持續時間、活躍部分持續時間以及競爭訪問時段持續時間等信息。

②GTS分配字段將無競爭時段劃分為若干GTS，并把每個GTS具體分配給某個設備。③轉發數據目標地址列出了與協調者保存的數據相對應的設備地址。一個設備如果發現自己的地址出現在待轉發數據目標地址字段里，則意味著協調器存有屬于它的數據，所以它就會向協調器發出請求傳送數據的MAC命令幀。

④信標幀負載數據為上層協議提供數據傳輸接口。例如，在使用安全機制時，這個負載域將根據被通信設備設定的安全通信協議填入相應的信息。通常情況下，這個字段可以忽略。

在信標不使能網絡里，協調器在其他設備的請求下也會發送信標幀。此時信標幀的功能是輔助協調器向設備傳輸數據，整個幀只有待轉發數據目標地址字段有意義。

(2)數據幀。數據幀用來傳輸上層(應用層)發到MAC子層的數據，它的負載字段包含了上層需要傳送的數據。數據負載傳送至MAC子層時，被稱為MAC服務數據單元(MSDU)。通過添加MAC層幀頭信息和幀尾，便形成了完整的MAC數據幀MPDU，其幀結構如圖2.4所示。

MAC幀傳送至物理層后，就成為了物理幀的負載PSDU。PSDU在物理層被“包裝”，其首部增加了同步信息SHR和幀長度字段PHR字段。同步信息SHR包括用于同步的前導碼和SFD字段，它們都是固定值。幀長度字段的PHR標識了MAC幀的長度，為一個字節長而且只有其中的低7位有效位，所以MAC幀的長度不會超過127個字節。圖2.4數據幀結構數據幀結構中各單元的名詞解釋如下：

應用層生成要傳輸的數據→逐層數據處理→MSDU→添加MHR、MFR→MPDU→PSDU→添加SHR、PHR→PPDU；

SHR?=?前導碼序列?+?SFD域；

PHR?=?PSDU長度值。

(3)應答幀。應答幀由MAC子層發起。為了保證設備之間通信的可靠性，發送設備通常要求接收設備在接收到正確的幀信息后返回一個應答幀，向發送設備表示已經正確地接收了相應的信息。其幀結構如圖2.5所示。MAC子層應答幀由MHR和MFR組成。MHR包括MAC幀控制域和數據序列號；MFR由16?bit的FCS組形成。

同樣，MPDU傳到物理層就形成了物理應答幀的凈載荷，即PSDU。在PSDU前面加上SHR和PHR就形成了PPDU。其中，SHR由前導碼序列和SFD域構成，PHR由PSDU的長度值域構成。圖2.5應答幀結構

(4)?MAC命令幀。MAC命令幀由MAC子層發起。在ZigBee網絡中，為了對設備的工作狀態進行控制，同網絡中的其他設備進行通信，MAC層將根據命令類型生成相應的命令幀。其幀結構如圖2.6所示。圖2.6命令幀結構命令幀結構中各單元的名詞解釋如下：

MSDU=命令類型域?+?數據域(命令凈載荷)；

MHR=MAC幀控制域?+?數據序列號?+?尋址信息域；

MFR=16?bitFCS；

MPDU=MHR?+?MSDU?+?MFR。

同樣，MPDU傳到物理層就形成了物理層命令幀的凈載荷，即PSDU。在PSDU前面加上SHR和PHR就形成了PPDU。其中，SHR由前導碼序列(保證接收機和符號同步)和SFD域構成，PHR由PSDU的長度值域構成。2.1.4IEEE802.15.4的安全服務

IEEE802.15.4提供的安全服務是在應用層已經提供密鑰的情況下的對稱密鑰服務。密鑰的管理和分配都由上層協議負責。這種機制提供的安全服務基于這樣一個假定：密鑰的產生、分配和存儲都在安全模式下進行。在IEEE802.15.4中，以MAC幀為單位提供了四種幀安全服務，為了適用各種不同的應用，設備可以在三種安全模式下進行選擇。

1．幀安全

MAC子層可以為輸入輸出的MAC幀提供安全服務。提供的安全服務主要包括四種：訪問控制、數據加密、幀完整性檢查和順序更新。

訪問控制提供的安全服務是確保一個設備只和它愿意通信的設備通信。在這種方式下，設備需要維護一個列表，記錄它希望與之通信的設備。

數據加密服務使用對稱密鑰來保護數據，防止第三方直接讀取數據幀信息。在LR-WPAN網絡中，信標幀、命令幀和數據幀的負載均可使用加密服務。幀完整性檢查通過一個不可逆的單向算法對整個MAC幀運算，生成一個消息完整性代碼，并將其附加在數據包的后面發送。接收方式用同樣的過程對MAC幀進行運算，對比運算結果和發送端給出的結果是否一致，以此判斷數據幀是否被第三方修改。信標幀、數據幀和命令幀均可使用幀完整性檢查保護。

順序更新使用一個有序編號避免幀重發攻擊。接收到一個數據幀后，新編號要與最后一個編號進行比較。如果新編號比最后一個編號新，則校驗通過，編號更新為最新的；反之，校驗失敗。這項服務可以保證收到的數據是最新的，但不提供嚴格的與上一幀數據之間的時間間隔信息。

2．安全模式

在LR-WPAN網絡中設備可以根據自身需要選擇不同的安全模式：無安全模式、ACL模式和安全模式。

無安全模式是MAC子層默認的安全模式。處于這種模式下的設備不對接收到的幀進行任何安全檢查。當某個設備接收到一個幀時，只檢查幀的目的地址。如果目的地址是本設備地址或廣播地址，這個幀就會轉發給上層，否則丟棄。在設備被設置為混雜模式的情況下，它會向上層轉發接收到的幀。訪問控制列表模式為通信提供了訪問控制服務。高層可以通過設置MAC子層的ACL條目指示MAC子層根據源地址過濾接收到的幀。因此這種方式下MAC子層沒有提供加密保護，高層有必要采取其他機制來保證通信的安全。

安全模式對接收或發送的幀提供全部的四種安全服務：訪問控制、數據加密、幀完整性檢查和順序更新。

2.2ZigBee協議規范

2.2.1ZigBee協議概述

ZigBee的基礎是IEEE802.15.4，這是IEEE無線個人區域網(PAN)工作組的一項標準，被稱作IEEE802.15.4(ZigBee)技術標準。

ZigBee使用直接序列擴頻技