無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)

1、1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)2目錄 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本概念 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)單節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) MAC協(xié)議（重點(diǎn)S-MAC） 路由協(xié)議（重點(diǎn)LEACH） Zigbee協(xié)議棧3一、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本概念 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network, WSN)：由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 目的：協(xié)作和感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。 4名詞解釋 無(wú)線：傳輸介質(zhì)為無(wú)線電 傳感器：將傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和無(wú)線通信模塊集成在一塊很小的物理單元上，不僅能對(duì)

2、環(huán)境信息進(jìn)行感知，而且還具有數(shù)據(jù)處理及無(wú)線通信的功能。 網(wǎng)絡(luò)：多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)5無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) 傳感器模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；處理器模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，存儲(chǔ)和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)；無(wú)線通信模塊負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；能量供應(yīng)模塊為傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能量，通常采用微型電池。6無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 大量傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)部或附近，能夠通過(guò)自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點(diǎn)逐跳地進(jìn)行傳輸，在傳輸過(guò)程中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可能被多個(gè)節(jié)點(diǎn)處理，經(jīng)過(guò)多跳后路由到匯聚節(jié)點(diǎn)，最后通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)

3、或衛(wèi)星到達(dá)管理節(jié)點(diǎn)。用戶通過(guò)管理節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測(cè)任務(wù)以及收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。 7無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn) 大規(guī)模網(wǎng)絡(luò) ：大區(qū)域，高密度 自組織網(wǎng)絡(luò) ：位置不能預(yù)先設(shè)定 動(dòng)態(tài)性網(wǎng)絡(luò) ：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)易改變 以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò) ：任務(wù)型 應(yīng)用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò) ：不同的傳感器 、不同的應(yīng)用背景 8無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 ：負(fù)責(zé)使各個(gè)獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)多跳的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，目前研究的重點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。 網(wǎng)絡(luò)安全 ：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)SPINS安全框架在機(jī)密性、點(diǎn)到點(diǎn)的消息認(rèn)證、數(shù)據(jù)完整性和新鮮性、認(rèn)證廣播等方面定義了完整有效的機(jī)制和算法。安全管理方面，目前以密鑰預(yù)分配模型作為安

4、全初始化和維護(hù)的主要機(jī)制，其中隨機(jī)密鑰對(duì)模型、基于多項(xiàng)式的密鑰對(duì)模型等是目前最有代表的算法。 9無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù) 時(shí)間同步 ：是需要協(xié)同工作的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵機(jī)制 。目前已提出了多個(gè)時(shí)間同步機(jī)制，其中RBS，TlNY/MINI-SYNC和TPSN被認(rèn)為是三個(gè)基本的同步機(jī)制。 數(shù)據(jù)融合 ：在傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)的過(guò)程中，利用節(jié)點(diǎn)本地的計(jì)算和存儲(chǔ)能力處理數(shù)據(jù)的融合，去除冗余信息，從而達(dá)到節(jié)省能量的目的。在應(yīng)用層中，可利用分布式數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)逐步篩選，達(dá)到融合的效果；網(wǎng)絡(luò)層很多路由協(xié)議均結(jié)合了數(shù)據(jù)融合的機(jī)制，減少數(shù)據(jù)傳輸量；還有研究者提出了通過(guò)減少M(fèi)AC層的發(fā)送沖突和頭

5、部開(kāi)銷(xiāo)達(dá)到節(jié)省能量的目的，同時(shí)又不損失時(shí)間性能和信息的完整性。 10無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù) 嵌入式操作系統(tǒng) ：傳感器節(jié)點(diǎn)是一個(gè)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?qū)Ω鞣N特定應(yīng)用提供最大的支持。 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂疲耗壳爸饕难芯渴窃跐M足網(wǎng)絡(luò)覆蓋和連通度的前提下，通過(guò)功率控制和骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)選擇，剔除節(jié)點(diǎn)間不必要的無(wú)線通信鏈路，生成一個(gè)高效率的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?？煞譃楣?jié)點(diǎn)功率控制和層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形成兩個(gè)方面。 11與無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別 無(wú)線自組網(wǎng)是一個(gè)由幾十到上百個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的、采用無(wú)線通信方式的、動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的多跳的移動(dòng)性對(duì)等網(wǎng)絡(luò)。 目的

6、是通過(guò)動(dòng)態(tài)路由和移動(dòng)管理技術(shù)傳輸具有服務(wù)質(zhì)量要求的多媒體信息流。通常節(jié)點(diǎn)具有持續(xù)的能量供給。 設(shè)計(jì)目標(biāo)：提供高服務(wù)質(zhì)量和高效帶寬利用，其次考慮節(jié)約能源。12與無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目更龐大 由于環(huán)境影響和能量耗盡，傳感器網(wǎng)絡(luò)更容易出故障 環(huán)境干擾和節(jié)點(diǎn)故障易造成傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化 傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)通常情況下是固定不動(dòng)的 傳感器網(wǎng)絡(luò)首要設(shè)計(jì)目標(biāo)是能源的高效使用13二、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用1.軍事應(yīng)用 傳感器網(wǎng)絡(luò)具有可快速部署，可自組織、隱蔽性強(qiáng)和高容錯(cuò)性的特點(diǎn)，因此非常適合在軍事上的應(yīng)用。利用傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)敵軍兵力和裝備的監(jiān)控、戰(zhàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、目標(biāo)的定位、戰(zhàn)場(chǎng)評(píng)估、核攻

7、擊的監(jiān)測(cè)和搜索等功能。 美國(guó)DARPA很早就啟動(dòng)了SensIT計(jì)劃，目的是將多種類(lèi)型傳感器、可重編程的通用處理器和無(wú)線通信技術(shù)組合起來(lái)，建立一個(gè)廉價(jià)的無(wú)處不在的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，用以監(jiān)測(cè)光學(xué)，聲學(xué)，振動(dòng)，污染等物理量。14無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用2.環(huán)境觀測(cè)和預(yù)報(bào)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(cè)，可用于行星探測(cè)，洪水監(jiān)測(cè)等，還可通過(guò)跟蹤鳥(niǎo)類(lèi)等進(jìn)行種群復(fù)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(lái)監(jiān)測(cè)降雨量、河水水位和土壤水分，并依此預(yù)測(cè)爆發(fā)山洪的可能性。15無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用3.醫(yī)療護(hù)理 可監(jiān)測(cè)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(dòng)，醫(yī)院的藥物管理

8、等。 人工視網(wǎng)膜是一項(xiàng)生物醫(yī)學(xué)的應(yīng)用項(xiàng)目。在SSIM計(jì)劃中，替代視網(wǎng)膜的芯片由100個(gè)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(fù)到一個(gè)可以接受的視力水平。16無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用4. 智能家居 在家電和家居中嵌入傳感器節(jié)點(diǎn)，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與Internet連接在一起，將會(huì)為人們提供更具人性化的智能家居環(huán)境。5. 建筑物狀態(tài)監(jiān)控 SHM是利用傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)監(jiān)控建筑物的安全狀態(tài)。17三、單節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu) 節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)必須滿足具體應(yīng)用的特殊要求，例如小型化、低成本、低功耗，并為節(jié)點(diǎn)配備合適的傳感器、必要的計(jì)算功能、內(nèi)存資源以及適當(dāng)?shù)耐ㄐ旁O(shè)備。 除了節(jié)點(diǎn)硬件之外，操作系統(tǒng)和程序模塊也

9、是一個(gè)需要考慮的重要因素。18節(jié)點(diǎn)的硬件組成一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)一般由五個(gè)主要部分組成： 處理器：處理所有相關(guān)數(shù)據(jù)，可以執(zhí)行任意代碼； 存儲(chǔ)器：有的存儲(chǔ)器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和中間節(jié)點(diǎn)。 傳感器：與外圍設(shè)備的真正接口，可觀測(cè)獲控制環(huán)境的物理參數(shù)。 通信模塊：實(shí)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(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的計(jì)算核心，要完成所有的設(shè)備控制、任務(wù)調(diào)度、能量計(jì)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(zhuǎn)儲(chǔ)。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的處理器應(yīng)滿足以下條件：1.外形盡量小，集成度盡量高2.功耗低且支持睡眠模式3.運(yùn)行速度要盡量快4.要有足夠的外部通用IO和通信接口5.成本要盡量低，有安全性保證。例如AT

10、MEL公司的AVR系列單片機(jī)，TI公司的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：1.被動(dòng)全向傳感器：溫度計(jì)、光傳感器、振動(dòng)測(cè)量器、傳聲器、濕度測(cè)量器、煙濃度檢測(cè)器、材料的機(jī)械應(yīng)力或張力測(cè)量器。2.被動(dòng)窄束傳感器：對(duì)測(cè)量方向有明確定義，如照相機(jī)。3.主動(dòng)傳感器：如聲納或雷達(dá)傳感器。權(quán)衡因素包括精度、可靠性、功耗、成本和尺寸。網(wǎng)絡(luò)化處理的傳感器系統(tǒng)可以減少單點(diǎn)測(cè)量可能造成的瞬態(tài)誤差和單點(diǎn)環(huán)境激變可能造成的系統(tǒng)測(cè)量錯(cuò)誤，降低了對(duì)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(chǎng)合的其他媒體。目前，射頻（RF）最合適，滿足W

11、SN應(yīng)用要求，如遠(yuǎn)程和高數(shù)據(jù)率，以及在合理功耗下容許的誤碼率，且不需要發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的視距路徑。 無(wú)線收發(fā)機(jī)：將微控制器的比特流（或字節(jié)序列或幀）轉(zhuǎn)換為無(wú)線電波。其特性為： 1、為MAC層服務(wù)；2、適用于不同的載波頻率；3、可在不同狀態(tài)下運(yùn)行；4、載波偵聽(tīng)；5、頻率穩(wěn)定等。224、電源設(shè)計(jì)電源時(shí)，主要考慮兩個(gè)方面：1. 按照要求的方式儲(chǔ)能供電2. 盡量隨時(shí)從節(jié)點(diǎn)外部的能源“提取能量”以補(bǔ)充消耗的能量。能量提取的方法有：光電池，溫度梯度，振動(dòng)，壓力變化，空氣/液體的流動(dòng)。23例如：SIA-MS-1.0SIA-MS-1.0是由中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所開(kāi)發(fā)的一種通用的、低成本、低功耗傳感器節(jié)點(diǎn)。主

12、要由數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、無(wú)線通信子系統(tǒng)和電源子系統(tǒng)構(gòu)成。a)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(chǔ)器、嵌入式操作系統(tǒng)及JTAG&UART接口構(gòu)成。b)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)：由麥克風(fēng)、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-1.0c)無(wú)線通信子系統(tǒng)：由天線連接器和無(wú)線射頻電路組成。無(wú)線射頻電路是利用Chipcon公司的CC1000超低功耗的無(wú)線射頻收發(fā)單芯片電路實(shí)現(xiàn)的。天線連接器是日本Hirose電氣公司的MMCX連接器。d)電源子系統(tǒng)： 由電源供電單元和動(dòng)態(tài)電源管理單元

13、組成。供電單元是兩節(jié)五號(hào)堿性電池，提供2.7-3.3VDC輸出，最大電流100mA。25SIA-MS-1.0的軟件環(huán)境 TinyOS：適用于網(wǎng)絡(luò)化嵌入式系統(tǒng)的編程框架，通過(guò)在這個(gè)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(yīng)用的操作系統(tǒng)，這對(duì)于存儲(chǔ)資源極為有限的系統(tǒng)非常重要。針對(duì)WSN內(nèi)節(jié)點(diǎn)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(qū)動(dòng)的體系結(jié)構(gòu)。 TinyOS由一系列軟件組件構(gòu)成，包括主組件、應(yīng)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(gè)完整的系統(tǒng)配置由一個(gè)調(diào)度器和組件表組成?，F(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(chǔ)服務(wù)組件，從而把用戶和底層

14、硬件隔離開(kāi)來(lái)。26四、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 物理層提供簡(jiǎn)單但健壯的信號(hào)調(diào)制和無(wú)線收發(fā)技術(shù)； 數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)成幀、幀檢測(cè)、媒體訪問(wèn)和差錯(cuò)控制； 網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)路由生成與路由選擇 傳輸層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制，是保證通信服務(wù)質(zhì)量的重要部分； 應(yīng)用層包括一系列基于監(jiān)測(cè)任務(wù)的應(yīng)用層軟件。傳輸層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層應(yīng)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(gè)網(wǎng)絡(luò)的物理設(shè)備之間提供透明的二進(jìn)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(shè)備，也不是指信號(hào)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(gè)傳輸原始比特流的物理連接。28WSN的物理層 WSN的物

15、理層需要考慮編碼調(diào)制技術(shù)、通信速率和通信頻段等。 編碼調(diào)制技術(shù)：影響占用頻率帶寬、通信速率、收發(fā)功率等一系列技術(shù)參數(shù)。比較常見(jiàn)的技術(shù)包括開(kāi)發(fā)鍵控、幅移鍵控、頻移鍵控、相控鍵控和各種擴(kuò)頻技術(shù)，如跳頻、直接序列擴(kuò)頻等。 通信速率要求不高。 2.4GHz頻段在大多數(shù)國(guó)家都無(wú)需申請(qǐng)?jiān)S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?，然后通過(guò)該層對(duì)網(wǎng)絡(luò)層顯示為一條無(wú)錯(cuò)誤的線路，進(jìn)而解決了兩個(gè)相鄰結(jié)點(diǎn)之間的通信問(wèn)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(luò)層接收到的數(shù)據(jù)分割成能被物理層

16、傳輸?shù)膸瑥亩鴮?shí)現(xiàn)系統(tǒng)實(shí)體間二進(jìn)制信息塊的正確傳輸，同時(shí)通過(guò)必要的同步控制、差錯(cuò)控制、流量控制，為網(wǎng)絡(luò)層提供可靠的、無(wú)差錯(cuò)的數(shù)據(jù)信息。 OSI參考模型中，MAC被認(rèn)為是DLL的一部分。30WSN的DLL的MAC子層 MAC性能收到物理層的強(qiáng)烈影響。 MAC協(xié)議的基本任務(wù)是節(jié)點(diǎn)共享網(wǎng)絡(luò)媒體的接入問(wèn)題。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)接入媒體時(shí)，MAC協(xié)議主要用于該節(jié)點(diǎn)向另外一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)（多播或廣播方式）發(fā)送數(shù)據(jù)，進(jìn)行控制或?qū)?shù)據(jù)分組進(jìn)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(kāi)銷(xiāo)可能來(lái)自每個(gè)分組的開(kāi)銷(xiāo)，碰撞或額外的控制分組。31WSN的DLL D

17、LL擔(dān)負(fù)著保證相鄰節(jié)點(diǎn)之間可靠可靠通信的任務(wù)，可分解為以下幾個(gè)方面：組幀：將用戶數(shù)據(jù)構(gòu)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(guān)的鏈路層信息（以及MAC層的信息）。分組的格式和大笑對(duì)于系統(tǒng)的性能有很大影響。差錯(cuò)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(shè)置并拆除相鄰節(jié)點(diǎn)之間的鏈路問(wèn)題?？勺鳛楦邔訁f(xié)議的參考。32IEEE 802.15.4 IEEE于2002年開(kāi)始研究制定低速無(wú)線個(gè)域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.4，它主要關(guān)于物理層和MAC層的標(biāo)準(zhǔn)。 物理層由射頻收發(fā)器以及底層的控制模塊構(gòu)成，MAC子層為高層訪問(wèn)物

18、理信道提供點(diǎn)到點(diǎn)通信的服務(wù)接口。33IEEE 802.15.4定義的PHY層IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定物理層負(fù)責(zé)如下工作：1.激活和去活無(wú)線收發(fā)器；2.當(dāng)前信道的能量檢測(cè)：測(cè)量接收信號(hào)的功率強(qiáng)度，檢測(cè)結(jié)果是有效信號(hào)功率和噪聲信號(hào)功率之和；3.發(fā)送鏈路質(zhì)量提示：對(duì)信號(hào)解碼，生成信噪比指標(biāo)，與物理層數(shù)據(jù)單元一起提交給上層處理；4.CSMA/CA的空閑信道評(píng)估：定義了三種空閑信道評(píng)估模式；5.信道頻率的選擇；6.數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。34IEEE 802.15.4定義的PHY層 IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)工作頻段和速率的具體參數(shù)如下表：物理層 頻段/MHz 擴(kuò)頻參數(shù) 數(shù)據(jù)參數(shù) 調(diào)制方式 比特率

19、/（kbps）波特率/（ksymbol/s）符號(hào)特征868/915 868868.6 BPSK 2020二進(jìn)制 902928 BPSK4040二進(jìn)制 2450 24002483.5OQPSK 25062.5 十六進(jìn)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(shí)或低作業(yè)周期的場(chǎng)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(chǎng)合。 IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了27個(gè)信道，編號(hào)026，跨越3個(gè)頻段，具體包括2.4GHz ISM頻段的16個(gè)信

20、道，以及868MHz頻段的1個(gè)信道。這些信道的頻段定義如下 其中，k為信道編號(hào)。26,12,11,115240510,2,1,)1(29060,3.868 kMHzkFkMHzkFkMHzFCCC）（，36IEEE 802.15.4定義的PHY層 IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)工作頻段和速率的具體參數(shù)如下表：物理層 頻段/MHz 擴(kuò)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(hào)特征868/915 868868.6 BPSK 2020二進(jìn)制 902928 BPSK4040二進(jìn)制 2450 24002483.5OQPSK 25062.5 十六進(jìn)制 37IEEE

21、802.15.4定義的PHY層 物理層的幀結(jié)構(gòu)前導(dǎo)碼：由32個(gè)0組成，用于收發(fā)器進(jìn)行碼片或者符號(hào)的同步。SFD：由8個(gè)比特組成，表示同步結(jié)束，數(shù)據(jù)包開(kāi)始傳輸。幀長(zhǎng)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(zhǎng)度可變前導(dǎo)碼（preamble）SFD（0 xA7） 幀長(zhǎng)度（7比特）保留位PSDU同步頭物理幀頭PHY負(fù)載38IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)考慮了能量受限的情況，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備由電池供電。電池供電的設(shè)備在大部分時(shí)間內(nèi)可以處于睡眠狀態(tài)，通過(guò)周期性地監(jiān)聽(tīng)無(wú)線信道來(lái)確定是否有消息等待處理。這種機(jī)制允許應(yīng)用設(shè)計(jì)者平衡能量消耗和消息延遲，保證

22、低功耗的電源管理。 采用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，在低耗電待機(jī)模式下，兩節(jié)普通5號(hào)干電池可使用6個(gè)月以上。39網(wǎng)絡(luò)層 網(wǎng)絡(luò)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(luò)地址翻譯成對(duì)應(yīng)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?，從而為傳輸層提供整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)兩個(gè)中戶之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐贰?路由是把信息從源穿過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳遞到目的的行為。路由技術(shù)有兩項(xiàng)基本活動(dòng)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(shè)計(jì)需滿足的條件： 簡(jiǎn)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(yùn)行方式； 為適應(yīng)WSN節(jié)點(diǎn)數(shù)量多，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、易受損的特點(diǎn)，需具備

23、魯棒性和可擴(kuò)展性； 在可能的條件下，使設(shè)計(jì)的路由協(xié)議具有安全性，降低遭受攻擊的可能。41傳輸層 傳輸層是建立在網(wǎng)絡(luò)層和會(huì)話層之間，實(shí)質(zhì)上它是網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中高低層之間銜接的一個(gè)接口層。 功能是在網(wǎng)絡(luò)層的基礎(chǔ)上完成端對(duì)端的差錯(cuò)糾正和流量控制，并實(shí)現(xiàn)兩個(gè)終端系統(tǒng)間傳送的分組無(wú)差錯(cuò)、無(wú)丟失、無(wú)重復(fù)、無(wú)順序錯(cuò)亂。 傳輸層提供的服務(wù)可歸納為兩類(lèi)：一類(lèi)是傳輸連接管理，負(fù)責(zé)建立傳輸連接和在通信完畢時(shí)釋放傳輸連接；另一類(lèi)是數(shù)據(jù)傳送。 鑒于WSN節(jié)點(diǎn)的資源和運(yùn)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(diǎn)到點(diǎn)或點(diǎn)到多點(diǎn)通信鏈路，主要由介質(zhì)訪問(wèn)控制組成。 就實(shí)現(xiàn)機(jī)制而言，MAC協(xié)議分3類(lèi)：

24、確定性分配、競(jìng)爭(zhēng)占用和隨機(jī)訪問(wèn)。前兩者不是傳感器網(wǎng)絡(luò)的理想選擇，因?yàn)門(mén)DMA固定時(shí)隙的發(fā)送模式功耗過(guò)大；競(jìng)爭(zhēng)占用方案需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信道狀態(tài)，也不是一種合理的選擇；隨機(jī)介質(zhì)訪問(wèn)模式比較適合于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能要求。43MAC協(xié)議蜂窩電話網(wǎng)絡(luò)、Ad-hoc和藍(lán)牙技術(shù)是當(dāng)前主流的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),但它們各自的MAC協(xié)議不適合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。 GSM和CDMA中的介質(zhì)訪問(wèn)控制主要關(guān)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(luò)則考慮如何在節(jié)點(diǎn)具有高度移動(dòng)性的環(huán)境中建立彼此間的鏈接，同時(shí)兼顧一定的QoS要求，功耗也不是其首要關(guān)心的； 藍(lán)牙采用了主從式的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這本身就不適合傳

25、感器網(wǎng)絡(luò)自組織的特點(diǎn)。44SMAC協(xié)議 SMACS是分布式的MAC協(xié)議,無(wú)須任何局部或全局主節(jié)點(diǎn)的調(diào)度便能讓傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)相鄰節(jié)點(diǎn)，并安排合理信道占用時(shí)間。在具體實(shí)現(xiàn)中,相鄰節(jié)點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)和信道的分配是一起完成的，因此，當(dāng)節(jié)點(diǎn)聽(tīng)到它所有的相鄰節(jié)點(diǎn)時(shí)，也就意味著已經(jīng)建立相應(yīng)的通信子網(wǎng)，鏈路由固定頻率、隨機(jī)選擇的時(shí)隙組成。SMACS無(wú)須全網(wǎng)的時(shí)間同步機(jī)制，但在各子網(wǎng)內(nèi)部保持同步是必要的.在競(jìng)爭(zhēng)信道資源時(shí)，帶延時(shí)的隨機(jī)喚醒機(jī)制有效地減小了能量的損耗。 SMACS的缺點(diǎn)是時(shí)隙分配方案不夠嚴(yán)密,屬于不同子網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)之間有可能永遠(yuǎn)得不到通信機(jī)會(huì).45CSMA協(xié)議 傳統(tǒng)的載波偵聽(tīng)/多路訪問(wèn)(CSMA)機(jī)制不適合傳

26、感器網(wǎng)絡(luò)的原因有二:其一,持續(xù)偵聽(tīng)信道的過(guò)量功耗;其二,傾向支持獨(dú)立的點(diǎn)到點(diǎn)通信業(yè)務(wù),這樣容易導(dǎo)致臨近網(wǎng)關(guān)的節(jié)點(diǎn)獲得更多的通信機(jī)會(huì),而抑制多跳業(yè)務(wù)流量,造成不公平.為了彌補(bǔ)這些缺陷,Woo和Culler從兩個(gè)方面對(duì)傳統(tǒng)的CSMA進(jìn)行了改進(jìn),以適應(yīng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)要求: (1) 采用固定時(shí)間間隔的周期性偵聽(tīng)方案節(jié)省功耗; (2) 設(shè)計(jì)自適應(yīng)傳輸速率控制(adaptive transmission rate control,簡(jiǎn)稱ARC)策略,有針對(duì)性地抑制單跳通信業(yè)務(wù)量,為中繼業(yè)務(wù)提供更多的服務(wù)機(jī)會(huì),提高公平性.相似的工作還有Wei Ye等人設(shè)計(jì)的SMAC(sensor media access

27、control)協(xié)議。它也是利用周期性偵聽(tīng)機(jī)制節(jié)省功耗,但沒(méi)有考慮公平性問(wèn)題,而是在PAMAS(power aware multi-access protocol with signalling)的啟發(fā)下,精簡(jiǎn)了用于同步和避免沖突的信令機(jī)制.46TDMA/FDMA組合方案 Sohrabi和Pottie設(shè)計(jì)的傳感器網(wǎng)絡(luò)自組織MAC協(xié)議是一種時(shí)分復(fù)用和頻分復(fù)用的混合方案,具有一定的代表性.節(jié)點(diǎn)上維護(hù)著一個(gè)特殊的結(jié)構(gòu)幀,類(lèi)似于TDMA中的時(shí)隙分配表,節(jié)點(diǎn)據(jù)此調(diào)度它與相鄰節(jié)點(diǎn)間的通信.FDMA技術(shù)提供的多信道,使多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間可以同時(shí)通信,有效地避免了沖突.只是在業(yè)務(wù)量較小的傳感器網(wǎng)絡(luò)中,該組合協(xié)議的信

28、道利用率較低,因?yàn)槭孪榷x的信道和時(shí)隙分配方案限制了對(duì)空閑時(shí)隙的有效利用.47六、路由協(xié)議48路由包括兩個(gè)基本的動(dòng)作：確定最佳路徑和通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸信息。在路由的過(guò)程，后者也稱為（數(shù)據(jù)）交換。1. 路徑選擇。為了幫助選路，路由算法初始化并維護(hù)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(guò)交換路由信息維護(hù)其路由表，路由更新信息通常包含全部或部分路由表，通過(guò)分析來(lái)自其他路由器的路由更新信息，每個(gè)路由器都可以建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。路由器間還發(fā)送鏈接狀態(tài)廣播信息來(lái)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?fù)鋱D，使路由器可以確定最佳路徑。1. 交

29、換交換算法相對(duì)而言較簡(jiǎn)單，對(duì)大多數(shù)路由協(xié)議而言是相同的。多數(shù)情況下，某主機(jī)決定向另一個(gè)主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，通過(guò)某些方法獲得路由器的地址后，源主機(jī)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(jī)。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(zhuǎn)發(fā)該包。如果路由器不知道如何轉(zhuǎn)發(fā)，通常就將之丟棄；如果路由器知道如何轉(zhuǎn)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(jī)或另一個(gè)路由器。當(dāng)數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中流動(dòng)時(shí)，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(guān)重要的作用，采用何種算法往往決定了最終的尋徑結(jié)果。通常需要綜合考慮以下幾個(gè)設(shè)

30、計(jì)指標(biāo)： 最優(yōu)化 簡(jiǎn)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(dòng)態(tài)：靜態(tài)路由是依靠手工輸入的信息來(lái)配置路由表的方法。動(dòng)態(tài)路由是指路由協(xié)議可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)際情況自動(dòng)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(gè)路由器與其他所有路由器是對(duì)等的；在分層次的路由系統(tǒng)中，一些路由器構(gòu)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(guò)路由主干到達(dá)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(guò)一個(gè)或多個(gè)非主干路由器到達(dá)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(shuō)，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(luò)各處，而距離向量算法發(fā)送大量更新信息至

31、鄰接路由器。鏈路狀態(tài)算法要求每個(gè)路由器將路由信息發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)，但僅發(fā)送路由表中描述自身鏈路狀態(tài)的部分；距離向量算法（也稱Bellman-Ford算法）則要求每個(gè)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(diǎn)。51路徑選擇算法 最短路徑選擇算法：該算法的目標(biāo)就是查找出源節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間最短的一條傳輸路徑。 獨(dú)立路徑選擇：按網(wǎng)絡(luò)中各結(jié)點(diǎn)和線路當(dāng)前運(yùn)行變化的情況動(dòng)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(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)存放一張事先定好的路徑表，當(dāng)信息需要從此結(jié)點(diǎn)出發(fā)時(shí)，根據(jù)要到達(dá)的目的結(jié)點(diǎn)從路徑中能找到一條最短路徑。 擴(kuò)散式路徑選擇：將到達(dá)的報(bào)文分組送到每個(gè)輸出線

32、上，不考慮報(bào)文目的節(jié)點(diǎn)的方向。 分布式路徑選擇：每個(gè)接口報(bào)文處理器周期地與相鄰的每個(gè)IMP交換精確的路徑選擇信息。每個(gè)IMP都保留一個(gè)可接子網(wǎng)中所有其他IMP檢索的路徑表，通過(guò)相鄰IMP信息交換來(lái)不斷修改IMP中的路由表，以反映相鄰IMP的變化，找出到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的最佳路徑。52 傳感器網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)和易移動(dòng)的sink節(jié)點(diǎn)之間建立連接.Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)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

33、感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和要求.傳感器中的大部分節(jié)點(diǎn)不像Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)一樣快速移動(dòng),因此沒(méi)有必要花費(fèi)很大的代價(jià)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(shù),不要求維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),并進(jìn)行路由計(jì)算,接收到消息的節(jié)點(diǎn)以廣播形式轉(zhuǎn)發(fā)分組.對(duì)于自組織的傳感器網(wǎng)絡(luò),泛洪路由是一種較直接的實(shí)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(diǎn)隨機(jī)選取一個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)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

34、增加端到端的傳輸延時(shí).54SPIN協(xié)議(2) SPIN (sensor protocol for information via negotiation)SPIN是以數(shù)據(jù)為中心的自適應(yīng)路由協(xié)議,通過(guò)協(xié)商機(jī)制來(lái)解決泛洪算法中的“內(nèi)爆”和“重疊”問(wèn)題.傳感器節(jié)點(diǎn)僅廣播采集數(shù)據(jù)的描述信息,當(dāng)有相應(yīng)的請(qǐng)求時(shí),才有目的地發(fā)送數(shù)據(jù)信息.SPIN協(xié)議中有3種類(lèi)型的消息,即ADV,REQ和DATA.節(jié)點(diǎn)用ADV宣布有數(shù)據(jù)發(fā)送,用REQ請(qǐng)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(diǎn)到點(diǎn)的通信模式,并假定兩節(jié)點(diǎn)間的通信不受其他節(jié)點(diǎn)的干擾,分組不會(huì)丟失,功率沒(méi)有任何限制

35、.要發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)通過(guò)ADV向它的相鄰節(jié)點(diǎn)廣播消息,感興趣的節(jié)點(diǎn)通過(guò)REQ發(fā)送請(qǐng)求,數(shù)據(jù)源向請(qǐng)求者發(fā)送數(shù)據(jù).接收到數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)再向它的相鄰節(jié)點(diǎn)廣播ADV消息,如此重復(fù),使所有節(jié)點(diǎn)都有機(jī)會(huì)接收到任何數(shù)據(jù). SPIN-EC.在SPIN-PP的基礎(chǔ)上考慮了節(jié)點(diǎn)的功耗,只有能夠順利完成所有任務(wù)且能量不低于設(shè)定閾值的節(jié)點(diǎn)才可參與數(shù)據(jù)交換. SPIN-BC.設(shè)計(jì)了廣播信道,使所有在有效半徑內(nèi)的節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)完成數(shù)據(jù)交換.為了防止產(chǎn)生重復(fù)的REQ請(qǐng)求,節(jié)點(diǎn)在聽(tīng)到ADV消息以后,設(shè)定一個(gè)隨機(jī)定時(shí)器來(lái)控制REQ請(qǐng)求的發(fā)送,其他節(jié)點(diǎn)聽(tīng)到該請(qǐng)求,主動(dòng)放棄請(qǐng)求權(quán)利. SPIN-RL.它是對(duì)SPIN-BC的完善,主要考慮如

36、何恢復(fù)無(wú)線鏈路引入的分組差錯(cuò)與丟失.記錄ADV消息的相關(guān)狀態(tài),如果在確定時(shí)間間隔內(nèi)接收不到請(qǐng)求數(shù)據(jù),則發(fā)送重傳請(qǐng)求,重傳請(qǐng)求的次數(shù)有一定的限制.55 (3) SAR (sequential assignment routing) 在選擇路徑時(shí),有序分配路由(SAR)策略充分考慮了功耗、QoS和分組優(yōu)先權(quán)等特殊要求,采用局部路徑恢復(fù)和多路經(jīng)備份策略,避免節(jié)點(diǎn)或鏈路失敗時(shí)進(jìn)行路由重計(jì)算需要的過(guò)量計(jì)算開(kāi)銷(xiāo).為了在每個(gè)節(jié)點(diǎn)與sink節(jié)點(diǎn)間生成多條路經(jīng),需要維護(hù)多個(gè)樹(shù)結(jié)構(gòu),每個(gè)樹(shù)以落在sink節(jié)點(diǎn)有效傳輸半徑內(nèi)的節(jié)點(diǎn)為根向外生長(zhǎng),枝干的選擇需滿足一定QoS要求并要有一定的能量?jī)?chǔ)備.這一處理使大多數(shù)傳感器

37、節(jié)點(diǎn)可能同時(shí)屬于多個(gè)樹(shù),可任選其一將采集數(shù)據(jù)回傳到sink節(jié)點(diǎn).56 (4) 定向擴(kuò)散(directed diffusion) 定向擴(kuò)散模型是Estrin等人專(zhuān)門(mén)為傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的路由策略,與已有的路由算法有著截然不同的實(shí)現(xiàn)機(jī)制.節(jié)點(diǎn)用一組屬性值來(lái)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T(mén)ype=seismic,id=12, timestamp=02.01.22/21:10:23,location=7580S/100120E.Sink節(jié)點(diǎn)發(fā)出的查詢業(yè)務(wù)也用屬性的組合表示,逐級(jí)擴(kuò)散,最終遍歷全網(wǎng),找到所有匹配的原始數(shù)據(jù).有一個(gè)稱為“梯度”的變量與整個(gè)業(yè)務(wù)請(qǐng)求的擴(kuò)散過(guò)程相聯(lián)系,反映了

38、網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點(diǎn)對(duì)匹配請(qǐng)求條件的數(shù)據(jù)源的近似判斷.更直接的方法是節(jié)點(diǎn)用一組標(biāo)量值表示它的選擇,值越大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(huì)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中為sink節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求建立一個(gè)臨時(shí)的“梯度”場(chǎng),匹配數(shù)據(jù)可以沿“梯度”最大的方向中繼回sink節(jié)點(diǎn).57 定向擴(kuò)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的低功耗自適應(yīng)聚類(lèi)路由算法.與一般的平面多跳路由協(xié)議和靜態(tài)聚類(lèi)算法相比,LEACH可以將網(wǎng)絡(luò)生命周期延長(zhǎng)15%,主要通

39、過(guò)隨機(jī)選擇聚類(lèi)首領(lǐng),平均分擔(dān)中繼通信業(yè)務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn).LEACH定義了“輪”(round)的概念,一輪由初始化和穩(wěn)定工作兩個(gè)階段組成.為了避免額外的處理開(kāi)銷(xiāo),穩(wěn)定態(tài)一般持續(xù)相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間.在初始化階段,聚類(lèi)首領(lǐng)是通過(guò)下面的機(jī)制產(chǎn)生的.傳感器節(jié)點(diǎn)生成0,1之間的隨機(jī)數(shù),如果大于閾值T,則選該節(jié)點(diǎn)為聚類(lèi)首領(lǐng).T的計(jì)算方法如下: ,)/1( mod 1prppT=其中p為節(jié)點(diǎn)中成為聚類(lèi)首領(lǐng)的百分?jǐn)?shù),r是當(dāng)前的輪數(shù).一旦聚類(lèi)首領(lǐng)被選定,它們便主動(dòng)向所有節(jié)點(diǎn)廣播這一消息.依據(jù)接收信號(hào)的強(qiáng)度,節(jié)點(diǎn)選擇它所要加入的組,并告知相應(yīng)的聚類(lèi)首領(lǐng).基于時(shí)分復(fù)用的方式,聚類(lèi)首領(lǐng)為其中的每個(gè)成員分配通信時(shí)隙.在穩(wěn)定工作階段,

40、節(jié)點(diǎn)持續(xù)采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),傳與聚類(lèi)首領(lǐng),進(jìn)行必要的融合處理之后,發(fā)送到sink節(jié)點(diǎn),這是一種減小通信業(yè)務(wù)量的合理工作模式.持續(xù)一段時(shí)間以后,整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入下一輪工作周期,重新選擇聚類(lèi)首領(lǐng).59(2) TEEN (threshold sensitive energy efficient sensor network protocol)依照應(yīng)用模式的不同,通常可以簡(jiǎn)單地將無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)(包括傳感器網(wǎng)絡(luò)和Ad-hoc網(wǎng)絡(luò))分為主動(dòng)(proactive)和響應(yīng)(reactive)兩種類(lèi)型.主動(dòng)型傳感器網(wǎng)絡(luò)持續(xù)監(jiān)測(cè)周?chē)奈镔|(zhì)現(xiàn)象,并以恒定速率發(fā)送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù);而響應(yīng)型傳感器網(wǎng)絡(luò)只是在被觀測(cè)變量發(fā)生突變時(shí)才傳送數(shù)據(jù)

41、.相比之下,響應(yīng)型傳感器網(wǎng)絡(luò)更適合應(yīng)用在敏感時(shí)間的應(yīng)用中.TEEN和LEACH的實(shí)現(xiàn)機(jī)制非常相似,只是前者是響應(yīng)型的,而后者屬于主動(dòng)型傳感器網(wǎng)絡(luò).在TEEN中定義了硬、軟兩個(gè)門(mén)限值,以確定是否需要發(fā)送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù).當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)第一次超過(guò)設(shè)定的硬門(mén)限時(shí),節(jié)點(diǎn)用它作為新的硬門(mén)限,并在接著到來(lái)的時(shí)隙內(nèi)發(fā)送它.在接下來(lái)的過(guò)程中,如果監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化幅度大于軟門(mén)限界定的范圍,則節(jié)點(diǎn)傳送最新采集的數(shù)據(jù),并將它設(shè)定為新的硬門(mén)限.通過(guò)調(diào)節(jié)軟門(mén)限值的大小,可以在監(jiān)測(cè)精度和系統(tǒng)能耗之間取得合理的平衡.NS2平臺(tái)上的仿真研究結(jié)果表明:TEEN比LEACH更有效.60 (3) PEGAGIS (power-efficient

42、 gathering in sensor information system) PEGASIS由LEACH發(fā)展而來(lái).它假定組成網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn)是同構(gòu)且靜止的.節(jié)點(diǎn)發(fā)送能量遞減的測(cè)試信號(hào),通過(guò)檢測(cè)應(yīng)答來(lái)確定離自己最近的相鄰節(jié)點(diǎn).通過(guò)這種方式,網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)能夠了解彼此的位置關(guān)系,進(jìn)而每個(gè)節(jié)點(diǎn)依據(jù)自己的位置選擇所屬的聚類(lèi),聚類(lèi)的首領(lǐng)參照位置關(guān)系優(yōu)化出到sink節(jié)點(diǎn)的最佳鏈路.因?yàn)镻EGASIS中每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(wù)流量.因此,整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的功耗較小.研究結(jié)果表明,PEGASIS支持的傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期是LEACH的近兩倍.PEGASIS協(xié)議的不足

43、之處在于節(jié)點(diǎn)維護(hù)位置信息(相當(dāng)于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的拓?fù)湫畔?需要額外的資源.61（4）多層聚類(lèi)算法多層聚類(lèi)算法是Estrin為傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的一種新的聚類(lèi)實(shí)現(xiàn)機(jī)制.工作在網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)均在最低層,通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)獲得提升高層的機(jī)會(huì).新的工作周期開(kāi)始時(shí),每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都廣播自己的狀態(tài)信息,包括儲(chǔ)備能量、所在層次和首領(lǐng)的ID(如果有)等,然后進(jìn)入等待狀態(tài)以便相互了解信息,等待時(shí)間與所在層次成正比.處在最低層的節(jié)點(diǎn)如果沒(méi)有首領(lǐng),等待狀態(tài)結(jié)束后,立刻啟動(dòng)一個(gè)“晉升定時(shí)器”,定時(shí)時(shí)間與自身能量以及接收到同層其他節(jié)點(diǎn)廣播消息的數(shù)目成反比,目的是為能量較高且在密集

44、區(qū)的節(jié)點(diǎn)獲得較多的提升機(jī)會(huì).一旦定時(shí)時(shí)間到,節(jié)點(diǎn)升入高層,將有發(fā)給自己廣播消息的節(jié)點(diǎn)視為潛在的子節(jié)點(diǎn),并廣播自己新的狀態(tài)信息,低層節(jié)點(diǎn)選擇響應(yīng)這些準(zhǔn)首領(lǐng)的廣播消息,最終確定惟一的通信關(guān)系.選擇了首領(lǐng)的節(jié)點(diǎn),自己的“晉升定時(shí)器”將停止工作,也就意味著本輪放棄了晉升機(jī)會(huì).在每一個(gè)工作周期結(jié)束以后,高層節(jié)點(diǎn)將視自己的狀態(tài)信息(如有無(wú)子節(jié)點(diǎn),功率是否充足)決定是否讓出首領(lǐng)位置.上述的多層聚類(lèi)算法具有遞歸性,Estrin等人用兩層模型驗(yàn)證了它在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的有效性.62七、ZigBee ZigBee是一種近年來(lái)才興起的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。它出現(xiàn)的時(shí)間較短，2004年底才由ZigBee聯(lián)盟發(fā)布了1.0版

45、本規(guī)范，尚未進(jìn)入大規(guī)模的商業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用。但是，它的上升勢(shì)頭十分明顯，已有TI（Chipcon），F(xiàn)reescale，Ember等三家公司在05年4月通過(guò)了ZigBee聯(lián)盟對(duì)其產(chǎn)品所作的測(cè)試和兼容性驗(yàn)證。63 ZigBee是一種新興的短距離、低速率無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是介于無(wú)線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)方案。它此前被稱作HomeRF Lite或FireFly無(wú)線技術(shù)，主要用于近距離無(wú)線連接。它有自己的無(wú)線電標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)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(guò)無(wú)線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)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(jìn)入計(jì)算機(jī)，用于

46、分析或者被另外一種無(wú)線技術(shù)如WiMax、GPRS等收集。 ZigBee的基礎(chǔ)是IEEE 802.15.4，這是IEEE無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)（PAN, Personal Area Network）工作組的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，被稱作IEEE 802.15.4（ZigBee）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。64 ZigBee不僅只是IEEE 802.15.4的名字。IEEE僅處理低級(jí)MAC層和物理層協(xié)議，所以ZigBee聯(lián)盟對(duì)其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，同時(shí)開(kāi)發(fā)了安全層，以保證這種便攜設(shè)備不會(huì)意外泄漏其標(biāo)識(shí)，而且這種利用網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離傳輸不會(huì)被其他節(jié)點(diǎn)捕獲。 IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)可以工作于信標(biāo)使能方式或非信標(biāo)使能方式。在信

47、標(biāo)使能方式中，協(xié)調(diào)器定期廣播信標(biāo)，以達(dá)到相關(guān)器件同步及其他目的。在非信標(biāo)使能方式中，協(xié)調(diào)器不廣播信標(biāo)，而是在器件請(qǐng)求信標(biāo)時(shí)向它單播信標(biāo)。在信標(biāo)使能方式中使用超幀結(jié)構(gòu)，超幀結(jié)構(gòu)的格式由協(xié)調(diào)器來(lái)定義，一般包括工作部分和任選的不工作部分。65 一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)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(gè)信道中選擇一個(gè)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(yīng)用提供較好的選擇。例如，對(duì)于有些計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備與互動(dòng)式玩具，可能需要250kb/s的速率；而對(duì)于其他許多應(yīng)用，如各種傳感器、智能標(biāo)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(diǎn)低功耗。在

48、低耗電待機(jī)模式下，2節(jié)5號(hào)干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6-24個(gè)月，甚至更長(zhǎng)。這是ZigBee的突出優(yōu)勢(shì)。相比較，藍(lán)牙只能工作數(shù)周、WiFi只可工作數(shù)小時(shí)。 低成本。通過(guò)大幅簡(jiǎn)化協(xié)議(不到藍(lán)牙的1/10)，降低了對(duì)通信控制器的要求，按預(yù)測(cè)分析，以8051的8位微控制器測(cè)算，全功能的主節(jié)點(diǎn)需要32KB代碼，子功能節(jié)點(diǎn)少至4KB代碼，而且ZigBee免協(xié)議專(zhuān)利費(fèi)。 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(yīng)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(diǎn)間的距離。如果通過(guò)路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力，傳

49、輸距離將可以更遠(yuǎn)。 短時(shí)延。ZigBee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，進(jìn)一步節(jié)省了電能。相比較，藍(lán)牙需要3-10s，WiFi需要3s。 高容量。ZigBee可采用星形、樹(shù)形和Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理255個(gè)子節(jié)點(diǎn)；同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可組成65536個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)。 高安全。ZigBee提供了三級(jí)安全模式，包括無(wú)安全設(shè)定、使用接入控制清單(ACL)防止非法獲取數(shù)據(jù)，同時(shí)采用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AES-128)的對(duì)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(kuò)頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(ISM)段，2.4GHz(全球)、918MHz(美國(guó))和868MHz(歐洲)。67 一般而言，滿足如下一些特點(diǎn)的應(yīng)用場(chǎng)合，是ZigBee應(yīng)用極具優(yōu)勢(shì)的地方： 需要無(wú)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，