傳感器網(wǎng)絡(luò)通信與組網(wǎng)技術(shù)

1、第二部分第二部分傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信與組網(wǎng)技術(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信與組網(wǎng)技術(shù) 做到做到目視千里、耳聽八方目視千里、耳聽八方是人類長久的夢想，現(xiàn)是人類長久的夢想，現(xiàn)代衛(wèi)星技術(shù)的出現(xiàn)雖然使人們離這一目標(biāo)前進(jìn)了很多，代衛(wèi)星技術(shù)的出現(xiàn)雖然使人們離這一目標(biāo)前進(jìn)了很多，但衛(wèi)星高高在上，洞察全局在行，明察細(xì)微就勉為其但衛(wèi)星高高在上，洞察全局在行，明察細(xì)微就勉為其難了。將大量的難了。將大量的傳感器結(jié)點傳感器結(jié)點遍撒指定區(qū)域，數(shù)據(jù)通過遍撒指定區(qū)域，數(shù)據(jù)通過無線電波傳回監(jiān)控中心，監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的所有信息就會無線電波傳回監(jiān)控中心，監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的所有信息就會盡收觀察者的眼中了。這就是人們對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)盡收觀察者的眼中了。這就是人

2、們對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用的美好展望，它的實現(xiàn)依賴于優(yōu)秀的數(shù)據(jù)傳技術(shù)應(yīng)用的美好展望，它的實現(xiàn)依賴于優(yōu)秀的數(shù)據(jù)傳輸方法，需要新型的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。輸方法，需要新型的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。 通常通常傳感器結(jié)點傳感器結(jié)點的通信覆蓋范圍只有幾十米到幾的通信覆蓋范圍只有幾十米到幾百米，人們要考慮如何在有限的通信能力條件下，完百米，人們要考慮如何在有限的通信能力條件下，完成探測數(shù)據(jù)的傳輸。無線通信是傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技成探測數(shù)據(jù)的傳輸。無線通信是傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。術(shù)之一。2通信與組網(wǎng)通信與組網(wǎng)通信技術(shù)通信技術(shù)組網(wǎng)技術(shù)組網(wǎng)技術(shù)物理層物理層MACMAC層層網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層傳輸層傳輸層解決如何實現(xiàn)點到點或解決如何實現(xiàn)點

3、到點或點到多點的數(shù)據(jù)傳輸點到多點的數(shù)據(jù)傳輸解決如何建立可靠且有解決如何建立可靠且有嚴(yán)格功耗預(yù)算的網(wǎng)絡(luò)通嚴(yán)格功耗預(yù)算的網(wǎng)絡(luò)通信體系信體系3主要內(nèi)容主要內(nèi)容4四路由協(xié)議路由協(xié)議一微型傳感器基本知識微型傳感器基本知識三MACMAC協(xié)議協(xié)議二物理層概述物理層概述一、微型傳感器一、微型傳感器1. 傳感器的定義和作用傳感器的定義和作用n傳感器網(wǎng)絡(luò)的終端探頭通常代表了用戶的功能傳感器網(wǎng)絡(luò)的終端探頭通常代表了用戶的功能需求，是實現(xiàn)信息測量、網(wǎng)絡(luò)互通和融合的關(guān)需求，是實現(xiàn)信息測量、網(wǎng)絡(luò)互通和融合的關(guān)鍵。提高終端傳感器的探測功能，是鍵。提高終端傳感器的探測功能，是WSNWSN實用實用化的重要手段?；闹匾侄?。n

4、傳感器的一般定義：傳感器的一般定義：n能夠把特定的被測量信息（物理量、化學(xué)量、生物能夠把特定的被測量信息（物理量、化學(xué)量、生物量等）按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號（電信號、量等）按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號（電信號、光信號等）的器件或裝置，我們把它稱為傳感器。光信號等）的器件或裝置，我們把它稱為傳感器。6 傳感器傳感器是生物體感官的工程模擬物；反過來，生物體的感官又是生物體感官的工程模擬物；反過來，生物體的感官又可以看作是天然的傳感器。隨著數(shù)字化和信息技術(shù)與機(jī)械裝置的融可以看作是天然的傳感器。隨著數(shù)字化和信息技術(shù)與機(jī)械裝置的融合，傳感器和執(zhí)行器已經(jīng)開始實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享合，傳感器和執(zhí)行器已經(jīng)開始實現(xiàn)數(shù)

5、據(jù)共享、功能控制和參數(shù)控制、功能控制和參數(shù)控制一體化一體化，并通過現(xiàn)場總線與外部連接。隨著基礎(chǔ)自動化控制功能的，并通過現(xiàn)場總線與外部連接。隨著基礎(chǔ)自動化控制功能的重新分配，許多計算機(jī)控制功能下放到傳感器和執(zhí)行器中完成，如重新分配，許多計算機(jī)控制功能下放到傳感器和執(zhí)行器中完成，如參數(shù)檢測、控制、診斷和維護(hù)管理等。參數(shù)檢測、控制、診斷和維護(hù)管理等。 傳感器傳感器的作用類似于人的感覺器官，是實現(xiàn)測試與控制的首的作用類似于人的感覺器官，是實現(xiàn)測試與控制的首要環(huán)節(jié)。要環(huán)節(jié)。傳感器的定義和作用傳感器的定義和作用7 傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和基本轉(zhuǎn)換電路組成傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和基本轉(zhuǎn)換電路

6、組成。 2. 傳感器的組成傳感器的組成8感受或響感受或響應(yīng)被測量應(yīng)被測量將被測量轉(zhuǎn)換成適將被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的信于傳輸或測量的信號（一般指電信號）號（一般指電信號）對獲得的微弱對獲得的微弱電信號進(jìn)行放電信號進(jìn)行放大、運(yùn)算調(diào)制大、運(yùn)算調(diào)制 隨著半導(dǎo)體器件與集成技術(shù)在傳感器中的應(yīng)用，傳感器的基本轉(zhuǎn)隨著半導(dǎo)體器件與集成技術(shù)在傳感器中的應(yīng)用，傳感器的基本轉(zhuǎn)換電路可安裝在傳感器殼體里或與敏感元件一起集成在同一芯片上，換電路可安裝在傳感器殼體里或與敏感元件一起集成在同一芯片上，構(gòu)成集成傳感器。如構(gòu)成集成傳感器。如ADIADI公司的公司的AD22100AD22100模擬集成溫度傳感器。模擬集成溫度傳

7、感器。 傳感器接口技術(shù)傳感器接口技術(shù)是非常實用和重要的技術(shù)。各種物理是非常實用和重要的技術(shù)。各種物理量用傳感器將其變成電信號，經(jīng)由諸如放大、濾波、干擾量用傳感器將其變成電信號，經(jīng)由諸如放大、濾波、干擾抑制、多路轉(zhuǎn)換等信號檢測和預(yù)處理電路，將模擬量的電抑制、多路轉(zhuǎn)換等信號檢測和預(yù)處理電路，將模擬量的電壓或電流送壓或電流送A/DA/D轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字量，供計算機(jī)或者微處理轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字量，供計算機(jī)或者微處理器處理。器處理。3. 傳感器接口傳感器接口94. 4. 傳感器的主要性能參數(shù)傳感器的主要性能參數(shù)n了解傳感器性能參數(shù)是在選用傳感器時保證正了解傳感器性能參數(shù)是在選用傳感器時保證正確、不失真測量的首

8、要環(huán)節(jié)。確、不失真測量的首要環(huán)節(jié)。n主要性能指標(biāo)主要性能指標(biāo)n靈敏度靈敏度n頻率響應(yīng)特性頻率響應(yīng)特性n線性范圍線性范圍n精度精度n分辯力（率）分辯力（率）n穩(wěn)定性穩(wěn)定性n 10（1 1）靈敏度）靈敏度n指傳感器達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)時，輸出變化量與指傳感器達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)時，輸出變化量與引起變化的輸入變化量之比。引起變化的輸入變化量之比。nK=K=輸出變化量輸出變化量/ /輸入變化量輸入變化量n傳感器的靈敏度越高，意味著傳感器感應(yīng)微弱傳感器的靈敏度越高，意味著傳感器感應(yīng)微弱信號的能力越強(qiáng)。信號的能力越強(qiáng)。n但一般來講，靈敏度越高，測量范圍越窄，穩(wěn)但一般來講，靈敏度越高，測量范圍越窄，穩(wěn)定性越差。定性

9、越差。11（2 2）響應(yīng)特性）響應(yīng)特性n傳感器的動態(tài)性能是對于隨時間變化的輸入量的傳感器的動態(tài)性能是對于隨時間變化的輸入量的響應(yīng)性能，即：響應(yīng)性能，即：n傳感器的輸出值能真實再現(xiàn)變化著的輸入量的能力反傳感器的輸出值能真實再現(xiàn)變化著的輸入量的能力反映。映。n響應(yīng)特性越好，表示輸出信號和輸入信號隨時間響應(yīng)特性越好，表示輸出信號和輸入信號隨時間的變化曲線越接近。的變化曲線越接近。n一般地，利用物理特性的傳感器（光電效應(yīng)，壓一般地，利用物理特性的傳感器（光電效應(yīng)，壓電效應(yīng)）的響應(yīng)特性比結(jié)構(gòu)型傳感器（電感、電電效應(yīng)）的響應(yīng)特性比結(jié)構(gòu)型傳感器（電感、電容傳感器等）要好。容傳感器等）要好。12（3 3）線性

10、范圍）線性范圍n任何傳感器都有一定的線性范圍，在線性范圍內(nèi)它的輸任何傳感器都有一定的線性范圍，在線性范圍內(nèi)它的輸出與輸入成比例關(guān)系。線性范圍越寬，則表明傳感器的出與輸入成比例關(guān)系。線性范圍越寬，則表明傳感器的工作量程越大。工作量程越大。n傳感器工作在線性范圍內(nèi)，是保證測量精確度的基本條傳感器工作在線性范圍內(nèi)，是保證測量精確度的基本條件。例如：件。例如：n機(jī)械式傳感器中的彈性元件，它的材料彈性極限是決定測力量機(jī)械式傳感器中的彈性元件，它的材料彈性極限是決定測力量程的基本因素。當(dāng)超過彈性極限時，傳感器就將產(chǎn)生非線性誤程的基本因素。當(dāng)超過彈性極限時，傳感器就將產(chǎn)生非線性誤差。差。n線性度：線性度：1

11、3max100%LFSLey滿量程滿量程輸出輸出（4 4）精度）精度n表示測量結(jié)果和表示測量結(jié)果和“真值真值”的靠近程度。的靠近程度。n精度表示：精度表示：n傳感器在規(guī)定條件下，允許的最大絕對誤差相對傳傳感器在規(guī)定條件下，允許的最大絕對誤差相對傳感器滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)感器滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)14100%FSAy精度 分辨力是指分辨力是指能檢測出的輸入量的最小變化量能檢測出的輸入量的最小變化量，即傳感器能檢測到，即傳感器能檢測到的最小輸入增量。在輸入零點附近的分辨力稱為閾值，即產(chǎn)生可測輸?shù)淖钚≥斎朐隽俊Ｔ谳斎肓泓c附近的分辨力稱為閾值，即產(chǎn)生可測輸出變化量時的最小輸入量值。下圖中的出變化量時的最小輸

12、入量值。下圖中的x x0 0表示可以開始檢測的的最小表示可以開始檢測的的最小輸出值。輸出值。（5 5）分辨率（力）分辨率（力）數(shù)字式傳感器一般用分辨率表示，數(shù)字式傳感器一般用分辨率表示，分辨率分辨率= =分辨力分辨力/ /滿量程輸入值。滿量程輸入值。5. 5. 傳感器的選型原則傳感器的選型原則n選擇傳感器通常需要考慮的因素包括：選擇傳感器通常需要考慮的因素包括：n測量對象和環(huán)境測量對象和環(huán)境n量程，傳感器體積，價格，。量程，傳感器體積，價格，。n靈敏度靈敏度n頻率響應(yīng)特性頻率響應(yīng)特性n傳感器的頻率響應(yīng)越高，則可測的信號頻率范圍就越寬傳感器的頻率響應(yīng)越高，則可測的信號頻率范圍就越寬n線性范圍線性

13、范圍n線性范圍越寬，則它的量程就越大。線性范圍越寬，則它的量程就越大。n穩(wěn)定性穩(wěn)定性n精度精度n精度越高，價格越昂貴。因此，只要滿足整個測量系統(tǒng)的精精度越高，價格越昂貴。因此，只要滿足整個測量系統(tǒng)的精度要求即可。度要求即可。166. 6. 常見傳感器類型常見傳感器類型n能量控制型傳感器能量控制型傳感器n將被測非電量轉(zhuǎn)換成電參量，工作過程中無換能作將被測非電量轉(zhuǎn)換成電參量，工作過程中無換能作用，需外供輔助能源，又稱作無源傳感器。如：用，需外供輔助能源，又稱作無源傳感器。如：n電阻式、電容式、電感式均屬這一類型。電阻式、電容式、電感式均屬這一類型。n能量轉(zhuǎn)換型傳感器能量轉(zhuǎn)換型傳感器n在感受外界機(jī)械

14、量變化后，輸出電壓、電流或電荷在感受外界機(jī)械量變化后，輸出電壓、電流或電荷量?？芍苯虞敵龌蚍糯蠛筝敵鲂盘?，本身相當(dāng)于一量?？芍苯虞敵龌蚍糯蠛筝敵鲂盘?，本身相當(dāng)于一個電壓源或電流源，又叫做有源傳感器。如：個電壓源或電流源，又叫做有源傳感器。如：n壓電式、磁電式和熱電式傳感器等。壓電式、磁電式和熱電式傳感器等。17常見傳感器類型常見傳感器類型n光敏傳感器光敏傳感器n用于檢測光線強(qiáng)弱。隨著光強(qiáng)度的變化，光敏探頭用于檢測光線強(qiáng)弱。隨著光強(qiáng)度的變化，光敏探頭內(nèi)的電阻值會發(fā)生變化。內(nèi)的電阻值會發(fā)生變化。n氣、濕敏傳感器氣、濕敏傳感器n氣敏傳感器可將探測到的氣體成分和濃度轉(zhuǎn)換為電氣敏傳感器可將探測到的氣體成

15、分和濃度轉(zhuǎn)換為電信號。常用于可燃?xì)怏w的探測和報警。信號。常用于可燃?xì)怏w的探測和報警。n智能傳感器智能傳感器n將敏感元件、測量電路、處理器、存儲器等集成在將敏感元件、測量電路、處理器、存儲器等集成在一快芯片上的傳感器。一快芯片上的傳感器。187. 7. 微型傳感器應(yīng)用示例微型傳感器應(yīng)用示例磁阻傳感器：磁阻傳感器： 磁性傳感器通常又稱為磁力計，當(dāng)它探測出磁場磁性傳感器通常又稱為磁力計，當(dāng)它探測出磁場發(fā)生變化時，會產(chǎn)生一個阻抗變化值，同時會改變發(fā)生變化時，會產(chǎn)生一個阻抗變化值，同時會改變電壓輸出值。電壓輸出值。 磁阻磁阻傳感器的用途較多，最典型的應(yīng)用是用于傳感器的用途較多，最典型的應(yīng)用是用于車輛探測

16、。如車輪速度、車輛出現(xiàn)和運(yùn)動方向等。車輛探測。如車輪速度、車輛出現(xiàn)和運(yùn)動方向等。 運(yùn)動車輛的每個部分都會產(chǎn)運(yùn)動車輛的每個部分都會產(chǎn)生一個可重復(fù)的對地球磁場的擾生一個可重復(fù)的對地球磁場的擾動，不管車輛向哪個方向行駛，動，不管車輛向哪個方向行駛，這個特征都會被可靠地檢測到。這個特征都會被可靠地檢測到。 檢測車輛存在檢測車輛存在的一的一種方法是種方法是觀察磁場變化的大小，磁場大小觀察磁場變化的大小，磁場大小的變化表明了對地磁場整體的干的變化表明了對地磁場整體的干擾程度。擾程度。磁阻傳感器用于車輛探測磁阻傳感器用于車輛探測 地球磁場可以地球磁場可以看作是均勻磁場。大的鐵磁物體會引起看作是均勻磁場。大的

17、鐵磁物體會引起地球磁場的擾動。這些擾動在汽車發(fā)動機(jī)和車輪處尤為明地球磁場的擾動。這些擾動在汽車發(fā)動機(jī)和車輪處尤為明顯，但也取決于在車輛內(nèi)部、車頂或后備箱中有沒有其它顯，但也取決于在車輛內(nèi)部、車頂或后備箱中有沒有其它鐵磁物質(zhì)。鐵磁物質(zhì)。在道路中間和旁邊放置磁阻傳感器，可以探測在道路中間和旁邊放置磁阻傳感器，可以探測由于車輛經(jīng)過而導(dǎo)致的畸變磁場，從而監(jiān)測車輛的存在，由于車輛經(jīng)過而導(dǎo)致的畸變磁場，從而監(jiān)測車輛的存在，在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)車輛類型、行駛方向等交通參數(shù)。在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)車輛類型、行駛方向等交通參數(shù)。 運(yùn)動車輛探測算法需要有足夠的魯棒性，保證在不同運(yùn)動車輛探測算法需要有足夠的魯棒性，保證在不同工作

18、環(huán)境下的車輛能被可靠探測。同時探測需要的計算應(yīng)工作環(huán)境下的車輛能被可靠探測。同時探測需要的計算應(yīng)盡可能的簡單。盡可能的簡單。 簡單的閾值檢測方法探測運(yùn)動車輛簡單的閾值檢測方法探測運(yùn)動車輛二、物理層概述二、物理層概述1. 1. 物理層的主要功能物理層的主要功能n負(fù)責(zé)在物理連接上傳輸二進(jìn)制比特流，并提供負(fù)責(zé)在物理連接上傳輸二進(jìn)制比特流，并提供為建立、維護(hù)和釋放物理連接所需要的為建立、維護(hù)和釋放物理連接所需要的機(jī)械機(jī)械、電氣電氣、功能功能和和規(guī)程規(guī)程的特性。的特性。n為數(shù)據(jù)終端設(shè)備提供數(shù)據(jù)通路為數(shù)據(jù)終端設(shè)備提供數(shù)據(jù)通路n傳輸數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)n其他管理工作（信道評估，能量檢測等）其他管理工作（信道評估，能

19、量檢測等）連接器尺寸、形狀、引腳數(shù)、排列等信號電平高低、阻抗、傳輸率、傳輸距離限制等各信號線的工作規(guī)則和時序規(guī)定各信號線的功能和定義24盡可能屏蔽網(wǎng)絡(luò)中的物理設(shè)備、傳輸介質(zhì)、通信手段等盡可能屏蔽網(wǎng)絡(luò)中的物理設(shè)備、傳輸介質(zhì)、通信手段等存在的差異，為鏈路層的提供服務(wù)存在的差異，為鏈路層的提供服務(wù)2. 2. 物理層的主要技術(shù)物理層的主要技術(shù)n傳輸介質(zhì)與傳輸介質(zhì)與頻段頻段選擇選擇n編碼調(diào)制技術(shù)編碼調(diào)制技術(shù)n擴(kuò)頻技術(shù)擴(kuò)頻技術(shù)n擴(kuò)頻又稱擴(kuò)展頻譜，是使信號所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)擴(kuò)頻又稱擴(kuò)展頻譜，是使信號所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必需的最小帶寬。大于所傳信息必需的最小帶寬。25無線通信介質(zhì)無線通信介質(zhì)n無線通

20、信介質(zhì)無線通信介質(zhì)主要為電磁波和聲波主要為電磁波和聲波n電磁波電磁波n根據(jù)波長的不同，可分為無線電波、微波、紅外線、毫米根據(jù)波長的不同，可分為無線電波、微波、紅外線、毫米波和光波等，其中無線電波在無線網(wǎng)絡(luò)中使用最廣泛。波和光波等，其中無線電波在無線網(wǎng)絡(luò)中使用最廣泛。n聲波聲波一般僅用于水下的無線通信。一般僅用于水下的無線通信。26無線電波無線電波n容易產(chǎn)生，傳播距離遠(yuǎn)，可以穿過建筑物，被廣泛地用容易產(chǎn)生，傳播距離遠(yuǎn)，可以穿過建筑物，被廣泛地用于室內(nèi)或室外的無線通信。于室內(nèi)或室外的無線通信。n是全方向傳播信號，能向任意方向發(fā)送無線信號，發(fā)射是全方向傳播信號，能向任意方向發(fā)送無線信號，發(fā)射方和接收

21、方的裝置在位置上不要求精確對準(zhǔn)。方和接收方的裝置在位置上不要求精確對準(zhǔn)。n傳播特性與頻率相關(guān)傳播特性與頻率相關(guān)n弱頻率較低，能輕易通過障礙物，但電波能量隨著與信號源距弱頻率較低，能輕易通過障礙物，但電波能量隨著與信號源距離離r r的增大而急劇減小，大致為的增大而急劇減小，大致為1/r1/r3 3。n若采用高頻傳輸，則受障礙物阻擋的影響若采用高頻傳輸，則受障礙物阻擋的影響n無線電波的傳輸距離較遠(yuǎn)，但易受干擾。每個國家和地?zé)o線電波的傳輸距離較遠(yuǎn)，但易受干擾。每個國家和地區(qū)都有關(guān)于無線頻率管制方面的使用授權(quán)規(guī)定。區(qū)都有關(guān)于無線頻率管制方面的使用授權(quán)規(guī)定。27 作為無線通信網(wǎng)絡(luò)中的一種類型，作為無線通

22、信網(wǎng)絡(luò)中的一種類型，WSNWSN包含了上述介紹包含了上述介紹的無線通信物理層技術(shù)的特點。的無線通信物理層技術(shù)的特點。 目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信傳輸介質(zhì)主要是目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信傳輸介質(zhì)主要是無線電波無線電波、紅外線紅外線和和光波光波三種類型。無線電波的通信限制較少，通常人三種類型。無線電波的通信限制較少，通常人們選擇們選擇IndustrialIndustrial，Scientific and MedicalScientific and Medical（ISMISM）頻段。）頻段。ISMISM頻段的優(yōu)點在于它是自由頻段，無須注冊，可選頻譜范頻段的優(yōu)點在于它是自由頻段，無須注冊，可選頻譜范圍大

23、，實現(xiàn)靈活方便。缺點主要是功率受限，另外與現(xiàn)有多圍大，實現(xiàn)靈活方便。缺點主要是功率受限，另外與現(xiàn)有多種無線通信應(yīng)用存在相互干擾問題。種無線通信應(yīng)用存在相互干擾問題。3. WSN3. WSN物理層的特點物理層的特點28 盡管傳感器網(wǎng)絡(luò)可以通過其它方式實現(xiàn)通盡管傳感器網(wǎng)絡(luò)可以通過其它方式實現(xiàn)通信，譬如各種電磁波（如射頻和紅外）、聲波，信，譬如各種電磁波（如射頻和紅外）、聲波，但無線電波是當(dāng)前傳感器網(wǎng)絡(luò)的主流通信方式，但無線電波是當(dāng)前傳感器網(wǎng)絡(luò)的主流通信方式，在很多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用在很多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。293. 3. 無線傳感器網(wǎng)物理層設(shè)計無線傳感器網(wǎng)物理層設(shè)計傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)n無線電波是當(dāng)前

24、傳感器網(wǎng)絡(luò)的主流通信方式，在很多領(lǐng)無線電波是當(dāng)前傳感器網(wǎng)絡(luò)的主流通信方式，在很多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用域得到了廣泛應(yīng)用。在無線電頻率選擇方面，常選擇。在無線電頻率選擇方面，常選擇ISM (IndustrialISM (Industrial，Scientific and Medical)Scientific and Medical)頻段。頻段。因為因為ISMISM在大多數(shù)國家屬于無須注冊的公用頻段。在大多數(shù)國家屬于無須注冊的公用頻段。n在頻段選擇上主要集中在在頻段選擇上主要集中在433464MHz、902928MHz和和2.42.5GHz的的ISM波段。波段。n紅外通信的優(yōu)點是無須注冊，并且抗干擾能

25、力強(qiáng)。穿透紅外通信的優(yōu)點是無須注冊，并且抗干擾能力強(qiáng)。穿透能力差，要求發(fā)送者和接收者之間存在視距關(guān)系。只能能力差，要求發(fā)送者和接收者之間存在視距關(guān)系。只能在一些特殊場合得到應(yīng)用。在一些特殊場合得到應(yīng)用。30 對于一些特殊場合的應(yīng)用情況，傳感器網(wǎng)絡(luò)對于一些特殊場合的應(yīng)用情況，傳感器網(wǎng)絡(luò)對通信傳輸介質(zhì)可能有特別的要求。例如，艦船對通信傳輸介質(zhì)可能有特別的要求。例如，艦船應(yīng)用可能要求使用水性傳輸介質(zhì)，譬如能穿透水應(yīng)用可能要求使用水性傳輸介質(zhì)，譬如能穿透水面的長波。復(fù)雜地形和戰(zhàn)場應(yīng)用會遇到信道不可面的長波。復(fù)雜地形和戰(zhàn)場應(yīng)用會遇到信道不可靠和嚴(yán)重干擾等問題靠和嚴(yán)重干擾等問題。31 物理層幀結(jié)構(gòu)物理層幀

26、結(jié)構(gòu)n 前導(dǎo)碼：用于收發(fā)器進(jìn)行碼片或者符號的同步。前導(dǎo)碼：用于收發(fā)器進(jìn)行碼片或者符號的同步。n幀頭：表示同步結(jié)束，數(shù)據(jù)包開始傳輸。幀頭與前導(dǎo)碼構(gòu)成了同幀頭：表示同步結(jié)束，數(shù)據(jù)包開始傳輸。幀頭與前導(dǎo)碼構(gòu)成了同步頭。步頭。n幀長度：其值是后續(xù)的物理層幀長度：其值是后續(xù)的物理層PHYPHY負(fù)載的長度負(fù)載的長度n物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元(PHY Service Data Unite, PSDU)(PHY Service Data Unite, PSDU)，攜帶，攜帶PHYPHY數(shù)數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)，據(jù)包的數(shù)據(jù)，PSDUPSDU域是物理層的載荷域是物理層的載荷 。無線傳感器網(wǎng)物理層設(shè)計無線傳感器網(wǎng)物理

27、層設(shè)計32無線傳感器網(wǎng)物理層設(shè)計無線傳感器網(wǎng)物理層設(shè)計 IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)nIEEE 802.15.4IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)是針對低速無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)是針對低速無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（Low-rate wireless personal area networkLow-rate wireless personal area network，LR-WPANLR-WPAN） 制定的標(biāo)準(zhǔn)。制定的標(biāo)準(zhǔn)。n以低能耗、低傳輸速率、低成本為目標(biāo)，僅定義了以低能耗、低傳輸速率、低成本為目標(biāo)，僅定義了物理層和物理層和MACMAC子層。物理層由射頻收發(fā)器和底層控子

28、層。物理層由射頻收發(fā)器和底層控制模塊構(gòu)成。制模塊構(gòu)成。MACMAC子層為高層訪問物理信道提供點子層為高層訪問物理信道提供點到點通信的服務(wù)接口。到點通信的服務(wù)接口。n適用于適用于WSNWSN。33 在低速無線個域網(wǎng)在低速無線個域網(wǎng)( (LR-WPANLR-WPAN) )的的802.15.4802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中，定義標(biāo)準(zhǔn)中，定義的物理層是在的物理層是在868MHz868MHz、915MHz915MHz、2.4GHz2.4GHz三個載波頻段收發(fā)三個載波頻段收發(fā)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)。 IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)非常適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點，標(biāo)準(zhǔn)非常適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點，是傳感

29、器網(wǎng)絡(luò)物理層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的最有力競爭者之一。目前是傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的最有力競爭者之一。目前基于該標(biāo)準(zhǔn)的射頻芯片也相繼推出，例如基于該標(biāo)準(zhǔn)的射頻芯片也相繼推出，例如ChipconChipcon公司的公司的CC2420CC2420無線通信芯片。無線通信芯片。3435 總之，總之，針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點，現(xiàn)有的針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點，現(xiàn)有的物理層設(shè)計基本采用結(jié)構(gòu)簡單的調(diào)制方式，在頻物理層設(shè)計基本采用結(jié)構(gòu)簡單的調(diào)制方式，在頻段選擇上主要集中在段選擇上主要集中在433433464MHz464MHz、902902928MHz928MHz和和2.42.42.5GHz2.5GHz的的ISMISM波段。

30、波段。三、三、MACMAC協(xié)議協(xié)議37 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，無線信道作為通信介質(zhì)屬在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，無線信道作為通信介質(zhì)屬于稀缺資源。于稀缺資源?？赡苡卸嗫赡苡卸鄠€結(jié)點個結(jié)點設(shè)備同時接入信道設(shè)備同時接入信道，導(dǎo)，導(dǎo)致分組之間相互沖突，使接收方難以分辨出接收到的致分組之間相互沖突，使接收方難以分辨出接收到的數(shù)據(jù)，從而浪費了信道資源，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)吞吐量下降。數(shù)據(jù)，從而浪費了信道資源，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)吞吐量下降。為了解決這些問題，就需要設(shè)計介質(zhì)訪問控制為了解決這些問題，就需要設(shè)計介質(zhì)訪問控制(Medium Access Control(Medium Access Control，MAC)MAC)協(xié)議。協(xié)議。1

31、. 1. 基本概念基本概念nMACMAC（Medium Access ControlMedium Access Control）協(xié)議：協(xié)議：n決定無線信道的使用方法，用于在傳感器節(jié)點之間決定無線信道的使用方法，用于在傳感器節(jié)點之間分配有限的無線通信資源。分配有限的無線通信資源。n通過一組規(guī)則和過程來有效、有序和公平地使用共通過一組規(guī)則和過程來有效、有序和公平地使用共享介質(zhì)。享介質(zhì)。n設(shè)置設(shè)置MACMAC協(xié)議的目的：協(xié)議的目的：n避免因可能存在的多個結(jié)點設(shè)備同時接入信道、導(dǎo)避免因可能存在的多個結(jié)點設(shè)備同時接入信道、導(dǎo)致分組之間相互沖突、使接收方難以分辨出接收到致分組之間相互沖突、使接收方難以分辨

32、出接收到的數(shù)據(jù)，從而造成信道資源浪費，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)吞吐量的數(shù)據(jù)，從而造成信道資源浪費，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)吞吐量下降。下降。38MACMAC協(xié)議設(shè)計應(yīng)考慮的問題協(xié)議設(shè)計應(yīng)考慮的問題n節(jié)省能量節(jié)省能量n為保證長時間有效工作，應(yīng)盡量節(jié)省結(jié)點能耗。為保證長時間有效工作，應(yīng)盡量節(jié)省結(jié)點能耗。n采用采用“偵聽偵聽/睡眠睡眠”交替的無線信道以策略。交替的無線信道以策略。n可擴(kuò)展性可擴(kuò)展性n因結(jié)點的數(shù)量、密度、位置常處于變化中，其拓?fù)湟蚪Y(jié)點的數(shù)量、密度、位置常處于變化中，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有動態(tài)性，因此結(jié)構(gòu)具有動態(tài)性，因此MACMAC協(xié)議應(yīng)有擴(kuò)展性。協(xié)議應(yīng)有擴(kuò)展性。n網(wǎng)絡(luò)效率網(wǎng)絡(luò)效率n網(wǎng)絡(luò)的公平性、實時性、吞吐量和帶寬利用率等。

33、網(wǎng)絡(luò)的公平性、實時性、吞吐量和帶寬利用率等。392. MAC2. MAC協(xié)議的分類協(xié)議的分類n分時復(fù)用無競爭接入方式分時復(fù)用無競爭接入方式n給每個傳感器結(jié)點分配固定的無線信道使用時段，給每個傳感器結(jié)點分配固定的無線信道使用時段，避免節(jié)點之間相互干擾。避免節(jié)點之間相互干擾。n隨機(jī)競爭接入方式隨機(jī)競爭接入方式n結(jié)點在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時隨機(jī)使用無線信道，盡量減結(jié)點在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時隨機(jī)使用無線信道，盡量減少結(jié)點間的干擾。少結(jié)點間的干擾。n載波偵聽多路訪問載波偵聽多路訪問(Carrier Sense Multiple Access，CSMA)的的MAC協(xié)議。協(xié)議。n競爭與固定分配相結(jié)合的接入方式競爭與固定分

34、配相結(jié)合的接入方式4041 無線局域網(wǎng)無線局域網(wǎng)IEEE 802.11 MACIEEE 802.11 MAC協(xié)議的分布式協(xié)調(diào)工作模式中，采用協(xié)議的分布式協(xié)調(diào)工作模式中，采用帶沖突避免的載波偵聽多路訪問協(xié)議（帶沖突避免的載波偵聽多路訪問協(xié)議（CSMA/CACSMA/CA，Carrier Sense Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance Multiple Access/Collision Avoidance ）。）。 CSMA/CA的的工作原理工作原理是：在信號傳輸之前，發(fā)射機(jī)先偵聽介質(zhì)中是：在信號傳輸之前，發(fā)射機(jī)先偵聽介質(zhì)中是否有同信

35、道載波，若不存在，意味著信道空閑，將直接進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸是否有同信道載波，若不存在，意味著信道空閑，將直接進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)；若存在載波，則在隨機(jī)退避一段時間后重新檢測信道。狀態(tài)；若存在載波，則在隨機(jī)退避一段時間后重新檢測信道。發(fā)前先偵聽，空閑即發(fā)送，發(fā)前先偵聽，空閑即發(fā)送，邊發(fā)邊檢測，沖突時退避。邊發(fā)邊檢測，沖突時退避。ABCDRTS數(shù) 據(jù)CTSA CKN A VN A V3. IEEE 802.11 MAC3. IEEE 802.11 MAC協(xié)議協(xié)議4. S-MAC4. S-MAC協(xié)議協(xié)議n適用條件適用條件n傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸量不大，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部能夠進(jìn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸量不大，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部能夠進(jìn)行數(shù)

36、據(jù)的處理和融合以減少數(shù)據(jù)通信量，網(wǎng)絡(luò)能行數(shù)據(jù)的處理和融合以減少數(shù)據(jù)通信量，網(wǎng)絡(luò)能容忍一定程度的通信延遲。它的設(shè)計目標(biāo)是提供容忍一定程度的通信延遲。它的設(shè)計目標(biāo)是提供良好的擴(kuò)展性，減少節(jié)點能耗。良好的擴(kuò)展性，減少節(jié)點能耗。42n無線傳感器無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)點網(wǎng)絡(luò)結(jié)點通信模塊的狀態(tài)主要包括：通信模塊的狀態(tài)主要包括：n發(fā)送發(fā)送n接收接收n偵聽偵聽n睡眠睡眠n信息發(fā)送所需能耗最大，睡眠所需最小。信息發(fā)送所需能耗最大，睡眠所需最小。n無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無效能耗主要來源于如下四無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無效能耗主要來源于如下四種原因：種原因： 空閑偵聽空閑偵聽 數(shù)據(jù)沖突數(shù)據(jù)沖突 串?dāng)_串?dāng)_ 控制開銷控制開銷43S-MAC

37、S-MAC協(xié)議機(jī)制協(xié)議機(jī)制n周期性偵聽和睡眠機(jī)制周期性偵聽和睡眠機(jī)制n流量自適應(yīng)偵聽機(jī)制流量自適應(yīng)偵聽機(jī)制n沖突和串音避免機(jī)制沖突和串音避免機(jī)制n消息傳遞機(jī)制消息傳遞機(jī)制44 S-MAC S-MAC協(xié)議將時間分為幀，幀長度由應(yīng)用程序決定。協(xié)議將時間分為幀，幀長度由應(yīng)用程序決定。幀內(nèi)分監(jiān)聽工作階段和睡眠階段。幀內(nèi)分監(jiān)聽工作階段和睡眠階段。“監(jiān)聽監(jiān)聽/ /睡眠睡眠”階段的階段的持續(xù)時間要根據(jù)應(yīng)用情況進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)結(jié)點處于睡眠階段持續(xù)時間要根據(jù)應(yīng)用情況進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)結(jié)點處于睡眠階段時，關(guān)閉無線電波。時，關(guān)閉無線電波。 調(diào)度周期：調(diào)度周期：結(jié)點的工作結(jié)點的工作/ /睡眠周期。睡眠周期。 每個結(jié)點獨立調(diào)度其

38、工作狀態(tài)，周期性轉(zhuǎn)入睡眠狀每個結(jié)點獨立調(diào)度其工作狀態(tài)，周期性轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)，在蘇醒后偵聽信道，判斷是否需要發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。態(tài)，在蘇醒后偵聽信道，判斷是否需要發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。為便于通信，相鄰結(jié)點應(yīng)盡量維持睡眠為便于通信，相鄰結(jié)點應(yīng)盡量維持睡眠/ /偵聽周期的同步。偵聽周期的同步。（1 1）周期性偵聽和睡眠機(jī)制）周期性偵聽和睡眠機(jī)制45睡眠睡眠/ /偵聽過程偵聽過程n每個結(jié)點中都維護(hù)一個存有相鄰結(jié)點調(diào)度信息的每個結(jié)點中都維護(hù)一個存有相鄰結(jié)點調(diào)度信息的調(diào)度表。調(diào)度表。n在啟動工作時：在啟動工作時：n先偵聽一段固定時間，若在此時間內(nèi)收到其他結(jié)點的調(diào)先偵聽一段固定時間，若在此時間內(nèi)收到其他結(jié)點的調(diào)度信息，

39、則將其調(diào)度周期設(shè)置為與鄰居結(jié)點相同，并等度信息，則將其調(diào)度周期設(shè)置為與鄰居結(jié)點相同，并等待一段隨機(jī)時間后廣播其調(diào)度信息。待一段隨機(jī)時間后廣播其調(diào)度信息。n若在此期間收到多個鄰居結(jié)點不同的調(diào)度周期信息，可若在此期間收到多個鄰居結(jié)點不同的調(diào)度周期信息，可選擇收到的第一個信息，并記錄其他全部信息。選擇收到的第一個信息，并記錄其他全部信息。n若在此期間沒有收到其他結(jié)點的調(diào)度信息，則產(chǎn)生自己若在此期間沒有收到其他結(jié)點的調(diào)度信息，則產(chǎn)生自己的調(diào)度周期并廣播。的調(diào)度周期并廣播。46 具有相同調(diào)度的結(jié)點形成一個具有相同調(diào)度的結(jié)點形成一個虛擬簇，邊界結(jié)點記錄兩個或多個虛擬簇，邊界結(jié)點記錄兩個或多個調(diào)度。調(diào)度。

40、為了適應(yīng)新加入結(jié)點，每個結(jié)為了適應(yīng)新加入結(jié)點，每個結(jié)點要定期廣播自己的調(diào)度信息，使點要定期廣播自己的調(diào)度信息，使新結(jié)點可以與已經(jīng)存在的相鄰結(jié)點新結(jié)點可以與已經(jīng)存在的相鄰結(jié)點保持同步。如果結(jié)點同時收到兩種保持同步。如果結(jié)點同時收到兩種不同的調(diào)度，如圖所示的處于兩個不同的調(diào)度，如圖所示的處于兩個不同調(diào)度區(qū)域重合部分的結(jié)點，那不同調(diào)度區(qū)域重合部分的結(jié)點，那么這個結(jié)點可以選擇先收到的調(diào)度，么這個結(jié)點可以選擇先收到的調(diào)度，并記錄另一個調(diào)度信息。并記錄另一個調(diào)度信息。 如果傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署范圍較如果傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署范圍較廣，可能形成眾多不同的虛擬簇，廣，可能形成眾多不同的虛擬簇，使得使得S-MACS-MA

41、C協(xié)議具有良好的可擴(kuò)展性。協(xié)議具有良好的可擴(kuò)展性。4748通過采用周期性睡眠通過采用周期性睡眠/ /偵聽，降低了能量消耗；偵聽，降低了能量消耗；通過定期廣播自己的周期調(diào)度信息，使通過定期廣播自己的周期調(diào)度信息，使新結(jié)點新結(jié)點可與已可與已存存相鄰結(jié)點相鄰結(jié)點保持同步，形成虛擬簇，提高了可擴(kuò)展性。保持同步，形成虛擬簇，提高了可擴(kuò)展性。 基本思想基本思想是在一次通信過程中，是在一次通信過程中，通信結(jié)點的鄰居在通通信結(jié)點的鄰居在通信結(jié)束后不立即進(jìn)入睡眠狀態(tài)，而是保持偵聽一段時間信結(jié)束后不立即進(jìn)入睡眠狀態(tài)，而是保持偵聽一段時間。 如果結(jié)點在這段時間內(nèi)接收到如果結(jié)點在這段時間內(nèi)接收到RTSRTS（Requ

42、est to SendRequest to Send）分組，則可以立刻接收數(shù)據(jù)，無須等到下一次調(diào)度偵聽周分組，則可以立刻接收數(shù)據(jù)，無須等到下一次調(diào)度偵聽周期，從而減少了數(shù)據(jù)分組的傳輸延遲。如果在這段時間內(nèi)期，從而減少了數(shù)據(jù)分組的傳輸延遲。如果在這段時間內(nèi)沒有接收到?jīng)]有接收到RTSRTS分組，則轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)直到下一次調(diào)度偵聽分組，則轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)直到下一次調(diào)度偵聽周期。周期。（2 2）流量自適應(yīng)偵聽機(jī)制）流量自適應(yīng)偵聽機(jī)制49流量自適應(yīng)偵聽機(jī)制減少了因周期性睡眠而導(dǎo)致的通信延流量自適應(yīng)偵聽機(jī)制減少了因周期性睡眠而導(dǎo)致的通信延遲的累加遲的累加n串音：串音：結(jié)點接收并處理不必要的數(shù)據(jù)結(jié)點接收并處理不必

43、要的數(shù)據(jù) n為了減少沖突和避免串音，為了減少沖突和避免串音，S-MACS-MAC協(xié)議采用了與協(xié)議采用了與802.11 802.11 MACMAC協(xié)議類似的載波監(jiān)聽機(jī)制，以及協(xié)議類似的載波監(jiān)聽機(jī)制，以及RTS/CTS/DATA/ACKRTS/CTS/DATA/ACK握握手交互機(jī)制。手交互機(jī)制。兩者的區(qū)別在于當(dāng)源和目標(biāo)結(jié)點處于通信兩者的區(qū)別在于當(dāng)源和目標(biāo)結(jié)點處于通信過程時，其鄰居點能夠偵聽到其傳輸剩余時間過程時，其鄰居點能夠偵聽到其傳輸剩余時間，并在數(shù)，并在數(shù)據(jù)傳輸過程中處于休眠狀態(tài)結(jié)點進(jìn)入睡眠狀態(tài)據(jù)傳輸過程中處于休眠狀態(tài)結(jié)點進(jìn)入睡眠狀態(tài)。n執(zhí)行執(zhí)行S-MACS-MAC協(xié)議的結(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)時，需先

44、進(jìn)行載波偵聽。協(xié)議的結(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)時，需先進(jìn)行載波偵聽。僅當(dāng)偵聽到信道空閑時，才能競爭通信過程。僅當(dāng)偵聽到信道空閑時，才能競爭通信過程。（3 3）沖突和串音避免機(jī)制）沖突和串音避免機(jī)制50 因無線信道的傳輸差錯與消息長度成正比，故短消息因無線信道的傳輸差錯與消息長度成正比，故短消息傳輸成功的概率要大于長消息。傳輸成功的概率要大于長消息。 消息傳遞機(jī)制是消息傳遞機(jī)制是將長消息分為若干個短消息將長消息分為若干個短消息，采用一，采用一次次RTS/CTSRTS/CTS交互的握手機(jī)制預(yù)約這個長消息發(fā)送的時間，交互的握手機(jī)制預(yù)約這個長消息發(fā)送的時間，集中連續(xù)發(fā)送全部短消息。這樣既可以集中連續(xù)發(fā)送全部短消息

45、。這樣既可以減少控制報文的開減少控制報文的開銷銷，又可以提高消息發(fā)送的成功率。，又可以提高消息發(fā)送的成功率。（4 4）消息傳遞機(jī)制）消息傳遞機(jī)制51S-MACS-MAC協(xié)議的突發(fā)分組傳送協(xié)議的突發(fā)分組傳送RTS 21Data 19Data 17CTS 20Data1ACK 18ACK 16 ACK0S-M AC52 為使為使鄰居結(jié)點鄰居結(jié)點及時獲取通信過程剩余時間，每個分組及時獲取通信過程剩余時間，每個分組都帶有長消息傳送還需要的剩余時間，以使都帶有長消息傳送還需要的剩余時間，以使鄰居結(jié)點鄰居結(jié)點知道知道正在進(jìn)行的通信過程。正在進(jìn)行的通信過程。目的結(jié)點目的結(jié)點對每個短消息都發(fā)送一個對每個短消息

46、都發(fā)送一個應(yīng)答信號，若應(yīng)答信號，若發(fā)送結(jié)點發(fā)送結(jié)點沒有收到應(yīng)答消息，則立刻重發(fā)短沒有收到應(yīng)答消息，則立刻重發(fā)短消息。消息。四、路由協(xié)議四、路由協(xié)議1. 1. 路由路由n路由選擇路由選擇（RoutingRouting）n從源結(jié)點通過至少一個中間結(jié)點向目標(biāo)結(jié)點傳輸信從源結(jié)點通過至少一個中間結(jié)點向目標(biāo)結(jié)點傳輸信息的行為。息的行為。n路由協(xié)議路由協(xié)議n負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)分組從源結(jié)點通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的結(jié)點負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)分組從源結(jié)點通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的結(jié)點n路由協(xié)議的路由協(xié)議的功能：功能：n尋找源結(jié)點和目的結(jié)點間的優(yōu)化路徑；尋找源結(jié)點和目的結(jié)點間的優(yōu)化路徑；n將數(shù)據(jù)分組沿著優(yōu)化路徑正確轉(zhuǎn)發(fā)。將數(shù)據(jù)分組沿著優(yōu)化路徑正確轉(zhuǎn)

47、發(fā)。542.2.傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議特點傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議特點n與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議具有以下特點：的路由協(xié)議具有以下特點：n能量優(yōu)先能量優(yōu)先n基于局部拓?fù)湫畔⒒诰植客負(fù)湫畔因采用多跳通信方式及結(jié)點資源受限，無法存儲大量路由因采用多跳通信方式及結(jié)點資源受限，無法存儲大量路由信息。信息。n以數(shù)據(jù)為中心以數(shù)據(jù)為中心n傳感器結(jié)點多為隨機(jī)部署，且傳感器結(jié)點多為隨機(jī)部署，且WSN關(guān)心的是監(jiān)測區(qū)域的關(guān)心的是監(jiān)測區(qū)域的感知數(shù)據(jù)。感知數(shù)據(jù)。552.2.傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議特點和類型傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議特點和類型n與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比，與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比，

48、WSNWSN路由機(jī)制應(yīng)滿足：路由機(jī)制應(yīng)滿足：n能量高效能量高效n選擇能耗小的消息傳輸路徑及使整個網(wǎng)絡(luò)能耗均衡的路由選擇能耗小的消息傳輸路徑及使整個網(wǎng)絡(luò)能耗均衡的路由n可擴(kuò)展可擴(kuò)展n針對動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，要求路由機(jī)制具有可擴(kuò)展性針對動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌舐酚蓹C(jī)制具有可擴(kuò)展性n魯棒性魯棒性n對可能存在的傳感器節(jié)點失效、無線鏈路通信質(zhì)量下降等對可能存在的傳感器節(jié)點失效、無線鏈路通信質(zhì)量下降等網(wǎng)絡(luò)的不可靠性，路由機(jī)制要具有一定的容錯能力網(wǎng)絡(luò)的不可靠性，路由機(jī)制要具有一定的容錯能力n快速收斂快速收斂n路由機(jī)制要能快速收斂（避免路由環(huán)路），以減少通信協(xié)路由機(jī)制要能快速收斂（避免路由環(huán)路），以減少通信協(xié)

49、議開銷，提高傳輸效率。議開銷，提高傳輸效率。56路由協(xié)議類型路由協(xié)議類型n能量感知路由協(xié)議能量感知路由協(xié)議n基于查詢的路由協(xié)議基于查詢的路由協(xié)議n地理位置路由協(xié)議地理位置路由協(xié)議n可靠的路由協(xié)議可靠的路由協(xié)議573. 3. 能量感知路由協(xié)議能量感知路由協(xié)議 能量感知路由協(xié)議能量感知路由協(xié)議是最早提出的傳感器網(wǎng)絡(luò)是最早提出的傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議之一。它從數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰肯某霭l(fā)，路由協(xié)議之一。它從數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰肯某霭l(fā)，討論最少能量消耗和最長網(wǎng)絡(luò)生存期等問題。討論最少能量消耗和最長網(wǎng)絡(luò)生存期等問題。58 能量感知路由協(xié)議能量感知路由協(xié)議根據(jù)節(jié)點的當(dāng)前剩余能量根據(jù)節(jié)點的當(dāng)前剩余能量（Power ava

50、ilablePower available，PAPA）或傳輸路徑上的能量需或傳輸路徑上的能量需求，選擇數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)路徑求，選擇數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。R1：源源 B A B A 匯聚點匯聚點 PA=4，發(fā)送能耗發(fā)送能耗= =3R2：源源 C B A C B A 匯匯 聚點聚點 PA=6，發(fā)送能耗，發(fā)送能耗= =6R3：源源 D D 匯聚點匯聚點 PA=3，發(fā)送能耗發(fā)送能耗= =4R4：源源 F E F E 匯聚點匯聚點 PA=5，發(fā)送能耗，發(fā)送能耗= =659能量感知路由算法例能量感知路由算法例A(PA=2)B(PA=2)C(PA=2)D(PA=3)E(PA=1)F(PA=4)a1=1a2=1a8=2a

51、3=2a4=2a5=2a6=2a7=1a9=2a10=2源結(jié)點源結(jié)點匯聚結(jié)點匯聚結(jié)點可用能量發(fā)送能耗n針對該例的路由策略主要可以有以下幾種：針對該例的路由策略主要可以有以下幾種：n最大可用能源（最大可用能源（PAPA）路由）路由n在所有路徑中選取結(jié)點在所有路徑中選取結(jié)點PA之和最大的路徑。之和最大的路徑。n本例中本例中R2（源（源-C-B-A-匯）的匯）的PA之和最大，但之和最大，但R2包含了包含了R1（源（源-B-A-匯）匯） ，不是最高效的路徑。，不是最高效的路徑。n最小能耗路由最小能耗路由n在所有路徑中選取發(fā)送能耗之和最少的路徑。本例中為在所有路徑中選取發(fā)送能耗之和最少的路徑。本例中為R

52、1n最少條數(shù)路由最少條數(shù)路由n選擇條數(shù)最少的路徑。本例中為選擇條數(shù)最少的路徑。本例中為R3（源（源-D-匯）匯）60能量感知路由算法例能量感知路由算法例A(PA=2)B(PA=2)C(PA=2)D(PA=3)E(PA=1)F(PA=4)a1=1a2=1a8=2a3=2a4=2a5=2a6=2a7=1a9=2a10=2源結(jié)點源結(jié)點匯聚結(jié)點匯聚結(jié)點n傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)路由機(jī)制通常選擇跳數(shù)最小的路徑傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)路由機(jī)制通常選擇跳數(shù)最小的路徑n對對WSNWSN，如果頻繁使用同一條路徑，將造成該，如果頻繁使用同一條路徑，將造成該路徑上的節(jié)點因能量消耗過快而過早失效。易路徑上的節(jié)點因能量消耗過快而過早失效。易在網(wǎng)絡(luò)中形

53、成在網(wǎng)絡(luò)中形成“孤立區(qū)孤立區(qū)”。n能量多路徑路由機(jī)制：能量多路徑路由機(jī)制：n在源和匯聚點之間建立多條路徑，根據(jù)結(jié)點的通信在源和匯聚點之間建立多條路徑，根據(jù)結(jié)點的通信能耗和能耗和PAPA情況，為每條路徑賦予選擇概率，使網(wǎng)絡(luò)情況，為每條路徑賦予選擇概率，使網(wǎng)絡(luò)中的能量消耗均衡。中的能量消耗均衡。61能量感知路由協(xié)議小結(jié)能量感知路由協(xié)議小結(jié)A(PA=2)B(PA=2)C(PA=2)D(PA=3)E(PA=1)F(PA=4)a1=1a2=1a8=2a3=2a4=2a5=2a6=2a7=1a9=2a10=2源結(jié)點源結(jié)點匯聚結(jié)點匯聚結(jié)點4.4.基于查詢的路由協(xié)議基于查詢的路由協(xié)議 在諸如環(huán)境檢測、戰(zhàn)場評估

54、等應(yīng)用中，在諸如環(huán)境檢測、戰(zhàn)場評估等應(yīng)用中，需要不斷查詢需要不斷查詢傳傳感器結(jié)點感器結(jié)點采集的數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)。由。由匯聚結(jié)點匯聚結(jié)點（查詢結(jié)點查詢結(jié)點）發(fā)出查詢命）發(fā)出查詢命令，令，WSNWSN的終端的終端探測結(jié)點探測結(jié)點向監(jiān)控中心報告采集的數(shù)據(jù)。向監(jiān)控中心報告采集的數(shù)據(jù)。 在這類監(jiān)控和檢測的應(yīng)用問題中，在這類監(jiān)控和檢測的應(yīng)用問題中，通信流量通信流量主要是主要是查詢查詢結(jié)點結(jié)點和和探測結(jié)點探測結(jié)點之間的命令和數(shù)據(jù)傳輸，同時對之間的命令和數(shù)據(jù)傳輸，同時對探測結(jié)點探測結(jié)點采采集的信息通常要進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，通過減少通信流量來節(jié)省能集的信息通常要進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，通過減少通信流量來節(jié)省能量，即數(shù)據(jù)融合技術(shù)與

55、路由協(xié)議的設(shè)計相結(jié)合。量，即數(shù)據(jù)融合技術(shù)與路由協(xié)議的設(shè)計相結(jié)合。 基于查詢的路由協(xié)議常見的有：基于查詢的路由協(xié)議常見的有：定向擴(kuò)散路由協(xié)議，謠定向擴(kuò)散路由協(xié)議，謠傳路由協(xié)議傳路由協(xié)議等。等。62定向擴(kuò)散路由協(xié)議總體原理定向擴(kuò)散路由協(xié)議總體原理 定向擴(kuò)散定向擴(kuò)散（Directed DiffusionDirected Diffusion，DDDD）路由協(xié)議是一種基于查）路由協(xié)議是一種基于查詢的路由機(jī)制。詢的路由機(jī)制。 匯聚節(jié)點通過興趣消息（匯聚節(jié)點通過興趣消息（InterestInterest）發(fā)出查詢?nèi)蝿?wù)，采用洪泛）發(fā)出查詢?nèi)蝿?wù)，采用洪泛方式傳播興趣消息到整個區(qū)域或部分區(qū)域內(nèi)的所有方式傳播興趣消

56、息到整個區(qū)域或部分區(qū)域內(nèi)的所有傳感器結(jié)點傳感器結(jié)點。 興趣興趣消息消息表示查詢?nèi)蝿?wù)表示查詢?nèi)蝿?wù)，表達(dá)了網(wǎng)絡(luò)用戶對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)感興趣，表達(dá)了網(wǎng)絡(luò)用戶對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)感興趣的具體信息。例如監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的溫度、濕度和光照等數(shù)據(jù)。的具體信息。例如監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的溫度、濕度和光照等數(shù)據(jù)。 在興趣消息的傳播過程中，協(xié)議逐跳地在每個在興趣消息的傳播過程中，協(xié)議逐跳地在每個傳感器結(jié)點傳感器結(jié)點上建上建立反向的從數(shù)據(jù)源到匯聚節(jié)點的立反向的從數(shù)據(jù)源到匯聚節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸梯度數(shù)據(jù)傳輸梯度（GradientGradient），傳感），傳感器器探測結(jié)點將探測結(jié)點將采集到的數(shù)據(jù)沿著梯度方向傳送給采集到的數(shù)據(jù)沿著梯度方向傳送給匯聚結(jié)點匯

57、聚結(jié)點。63定向擴(kuò)散路由協(xié)議定向擴(kuò)散路由協(xié)議n定向擴(kuò)散路由機(jī)制的三個工作階段：定向擴(kuò)散路由機(jī)制的三個工作階段：n周期性興趣擴(kuò)散周期性興趣擴(kuò)散n梯度建立梯度建立n路徑加強(qiáng)路徑加強(qiáng)64（1 1）興趣擴(kuò)散階段）興趣擴(kuò)散階段 在興趣擴(kuò)散階段在興趣擴(kuò)散階段，匯聚匯聚結(jié)點結(jié)點周期性地向周期性地向鄰居結(jié)點鄰居結(jié)點廣廣播興趣消息。興趣消息中含播興趣消息。興趣消息中含有任務(wù)類型、目標(biāo)區(qū)域、數(shù)有任務(wù)類型、目標(biāo)區(qū)域、數(shù)據(jù)發(fā)送速率、時間戳等參數(shù)據(jù)發(fā)送速率、時間戳等參數(shù)。65源結(jié)點源結(jié)點匯聚結(jié)點匯聚結(jié)點ABCDEn每個結(jié)點在本地保存一個興趣列表每個結(jié)點在本地保存一個興趣列表，對于每一，對于每一個興趣，列表中都有一個表項

58、，用于記錄發(fā)來個興趣，列表中都有一個表項，用于記錄發(fā)來該興趣消息的該興趣消息的鄰居結(jié)點鄰居結(jié)點、數(shù)據(jù)發(fā)送的速率數(shù)據(jù)發(fā)送的速率和和時時間戳間戳等任務(wù)相關(guān)信息，以建立該結(jié)點向匯聚結(jié)等任務(wù)相關(guān)信息，以建立該結(jié)點向匯聚結(jié)點傳遞數(shù)據(jù)的梯度關(guān)系。點傳遞數(shù)據(jù)的梯度關(guān)系。66興趣興趣ID任務(wù)類型任務(wù)類型目標(biāo)區(qū)域目標(biāo)區(qū)域發(fā)送速率發(fā)送速率有效時間有效時間興趣來源興趣來源n當(dāng)結(jié)點收到鄰居結(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)來的興趣消息時，先當(dāng)結(jié)點收到鄰居結(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)來的興趣消息時，先檢查興趣列表中是否存有參數(shù)類型與收到的興檢查興趣列表中是否存有參數(shù)類型與收到的興趣及來源相同的表項。趣及來源相同的表項。n若有，則更新有效時間值；若有，則更新有效時間

59、值；n若雖有，但來源不同，則將相應(yīng)鄰居結(jié)點信息加入若雖有，但來源不同，則將相應(yīng)鄰居結(jié)點信息加入表項；表項；n否則，建立新表項。否則，建立新表項。67（2 2）數(shù)據(jù)傳播（梯度建立）階段）數(shù)據(jù)傳播（梯度建立）階段 當(dāng)探測結(jié)點當(dāng)探測結(jié)點采集到與興趣匹采集到與興趣匹配的數(shù)據(jù)時，把數(shù)據(jù)發(fā)送到梯度配的數(shù)據(jù)時，把數(shù)據(jù)發(fā)送到梯度上的上的鄰居結(jié)點鄰居結(jié)點，并按照梯度上的，并按照梯度上的數(shù)據(jù)傳輸速率，設(shè)定傳感器模塊數(shù)據(jù)傳輸速率，設(shè)定傳感器模塊采集數(shù)據(jù)的速率。采集數(shù)據(jù)的速率。 由于可能從多個由于可能從多個鄰居結(jié)點收鄰居結(jié)點收到興趣消息到興趣消息，結(jié)點，結(jié)點向多個鄰居發(fā)向多個鄰居發(fā)送數(shù)據(jù)，送數(shù)據(jù)，匯聚結(jié)點匯聚結(jié)點可能

60、收到經(jīng)過可能收到經(jīng)過多個路徑的相同數(shù)據(jù)。多個路徑的相同數(shù)據(jù)。68源結(jié)點源結(jié)點匯聚結(jié)點匯聚結(jié)點數(shù)據(jù)傳播數(shù)據(jù)傳播n當(dāng)中間結(jié)點收到其他結(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)后，查詢當(dāng)中間結(jié)點收到其他結(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)后，查詢興趣列表中的表項：興趣列表中的表項：n若無匹配項，則丟棄；若無匹配項，則丟棄；n若有，則檢查與該興趣對應(yīng)的數(shù)據(jù)緩沖池，緩沖池若有，則檢查與該興趣對應(yīng)的數(shù)據(jù)緩沖池，緩沖池中保存最近轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)。中保存最近轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)。n若數(shù)據(jù)緩沖池中存在與接收的數(shù)據(jù)匹配的樣本，則若數(shù)據(jù)緩沖池中存在與接收的數(shù)據(jù)匹配的樣本，則說明該數(shù)據(jù)已轉(zhuǎn)發(fā)，丟棄當(dāng)前接收的數(shù)據(jù)；否則檢說明該數(shù)據(jù)已轉(zhuǎn)發(fā)，丟棄當(dāng)前接收的數(shù)據(jù)；否則檢查興趣表該表項中的鄰