無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理及應(yīng)用第3章-無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)-課件

1、第3章 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù) 3.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由技術(shù) 3.2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的鏈路層技術(shù) 3.3 ZigBee 3.4 小結(jié) 3.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由技術(shù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的目的是將消息分組從源節(jié)點(diǎn)(通常為傳感節(jié)點(diǎn))發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)(通常為匯聚節(jié)點(diǎn))，因此需要完成兩大功能：一是選擇適合的優(yōu)化路徑，二是沿著選定的路徑正確轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。盡管傳統(tǒng)的無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)或者移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)基于提高服務(wù)質(zhì)量(QoS)和公平性提出了很多路由協(xié)議，但這些協(xié)議的主要任務(wù)不是考慮網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，而是追求使端到端的延遲最小、網(wǎng)絡(luò)利用率最高以及避免通信擁塞和均衡網(wǎng)絡(luò)流量的最優(yōu)路徑。而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有能

2、量限制，且考慮到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目通常很大，節(jié)點(diǎn)只能通過(guò)獲取的局部拓?fù)湫畔?lái)構(gòu)建路由，以及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 本身具有較強(qiáng)的應(yīng)用相關(guān)性，再考慮到數(shù)據(jù)的融合處理，因此不僅傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議不再適合，而且也很難設(shè)計(jì)一個(gè)適合的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通用路由協(xié)議。其中，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計(jì)的一個(gè)主要目標(biāo)就是在執(zhí)行數(shù)據(jù)通信功能的前提下盡可能地延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的壽命，并通過(guò)積極的能量管理技術(shù)避免網(wǎng)絡(luò)連接性因節(jié)點(diǎn)能量不足而造成的惡化。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議相比，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議具有以下特點(diǎn)：(1) 能量?jī)?yōu)先。傳統(tǒng)路由協(xié)議在選擇最優(yōu)路徑時(shí)，很少考慮節(jié)點(diǎn)的能量消耗問(wèn)題。而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量有限，如何延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的

3、生存期成為傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)，因此需要考慮節(jié)點(diǎn)的能量消耗以及網(wǎng)絡(luò)能量均衡使用的問(wèn)題。(2) 基于局部拓?fù)湫畔ⅰo(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)為了節(jié)省通信能量，通常采用多跳的通信模式，而節(jié)點(diǎn)有限的存儲(chǔ)資源和計(jì)算資源使得節(jié)點(diǎn)不能存儲(chǔ)大量的路由信息，不能進(jìn)行太復(fù)雜的路由計(jì)算。在節(jié)點(diǎn)只能獲取局部拓?fù)湫畔⒑唾Y源有限的情況下，如何實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、高效的路由機(jī)制是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)基本問(wèn)題。(3) 以數(shù)據(jù)為中心。傳統(tǒng)的路由協(xié)議通常以地址作為節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)和路由的依據(jù)，而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中大量的節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署，所關(guān)注地是監(jiān)測(cè)區(qū)域的感知數(shù)據(jù)，而不是具體由哪個(gè)節(jié)點(diǎn)獲取的信息，因此是不依賴于全網(wǎng)的唯一的標(biāo)識(shí)。傳感器網(wǎng)絡(luò)通常包含多

4、個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)到少數(shù)匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)流，按照對(duì)感知數(shù)據(jù)的需求、數(shù)據(jù)通信模式和流向等，形成以數(shù)據(jù)為中心的消息的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。(4) 應(yīng)用相關(guān)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用環(huán)境千差萬(wàn)別，數(shù)據(jù)通信模式各不相同，沒(méi)有一個(gè)路由機(jī)制適合所有的應(yīng)用，這是傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用相關(guān)性的一個(gè)體現(xiàn)。設(shè)計(jì)者需要針對(duì)每一個(gè)具體應(yīng)用的需求，設(shè)計(jì)與之適應(yīng)的特定路由機(jī)制。針對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)路由機(jī)制的上述特點(diǎn)，在根據(jù)具體應(yīng)用設(shè)計(jì)路由機(jī)制時(shí)，要滿足下面的傳感器網(wǎng)絡(luò)路由機(jī)制的要求：(1) 高效地使用能量。傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議不僅要選擇能量消耗小的消息傳輸路徑，而且要從整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的角度考慮，選擇使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能量均衡消耗的路由機(jī)制。傳感器節(jié)點(diǎn)的資源有限，傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由

5、機(jī)制要能夠簡(jiǎn)單而且高效地實(shí)現(xiàn)信息傳輸。(2) 可擴(kuò)展性。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，檢測(cè)區(qū)域范圍或節(jié)點(diǎn)密度不同，造成網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的大小不同；節(jié)點(diǎn)失敗、新節(jié)點(diǎn)加入以及節(jié)點(diǎn)移動(dòng)等，都會(huì)使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)發(fā)生變化，這就要求路由機(jī)制具有可擴(kuò)展性，能夠適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化。(3) 魯棒性。能量用盡或因環(huán)境因素造成傳感器節(jié)點(diǎn)信息傳輸?shù)氖?、周圍環(huán)境對(duì)無(wú)線鏈路的通信質(zhì)量的影響以及無(wú)線鏈路本身的缺點(diǎn)等，這些無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的不可靠特性要求路由機(jī)制具有一定的容錯(cuò)能力。(4) 快速收斂性。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化，節(jié)點(diǎn)能量和通信帶寬等資源有限，因此要求路由機(jī)制能夠快速收斂，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)變化，減少通信協(xié)議開(kāi)銷，提

6、高消息傳輸?shù)男省?.1.1 路由協(xié)議的分類在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的資源有限、應(yīng)用背景特殊，數(shù)據(jù)包的傳輸需要通過(guò)多跳通信方式到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)，因此路由協(xié)議的設(shè)計(jì)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的一項(xiàng)基本支撐技術(shù)。傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的路由設(shè)計(jì)以避免網(wǎng)絡(luò)沖突、保證網(wǎng)絡(luò)的連通性以及提供高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)為主要目的，在路由協(xié)議的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，首先利用網(wǎng)絡(luò)層定義的邏輯上的網(wǎng)絡(luò)地址來(lái)區(qū)別不同節(jié)點(diǎn)以便實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，然后通過(guò)路由選擇算法決定到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的最佳路徑。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不同，雖然無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)極為相似，但是在網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)、通信模式和數(shù)據(jù)傳輸要求等方面卻還是有較大差異。雖然當(dāng)前Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究相

7、對(duì)比較成熟了，但是傳統(tǒng)的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議不能適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。具體表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：(1) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)為中心進(jìn)行路由的網(wǎng)絡(luò)，類似于分布式網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)，要查詢的數(shù)據(jù)分布在全部或者部分節(jié)點(diǎn)中，而不同于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信模式。(2) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)隨應(yīng)用需求而變化，因此無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議是基于特點(diǎn)應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)的，所以很難設(shè)計(jì)出通用性強(qiáng)的路由協(xié)議。(3) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)鄰近節(jié)點(diǎn)間采集的數(shù)據(jù)具有相似性，存在冗余信息，需要經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)融合(Data Fusion)處理后再進(jìn)行路由。(4) 傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)(包括有線和無(wú)線網(wǎng)絡(luò))每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有唯一的標(biāo)識(shí)號(hào)(ID)。而無(wú)線傳感器網(wǎng)

8、絡(luò)是基于屬性進(jìn)行尋址(Attribute-Based Ad-Dressing)的，不需要給每一個(gè)節(jié)點(diǎn)分配唯一的地址。(5) 由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量有限，所以路由設(shè)計(jì)一般將“能效高”放在第一位，將“服務(wù)質(zhì)量(QoS)”放在第二位考慮，因此無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)必須設(shè)計(jì)新的講究高能效的路由協(xié)議。(6) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要特征就是資源受限，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)通常使用能量有限、不便于更換的電池，而且由于受節(jié)點(diǎn)規(guī)格大小的限制，節(jié)點(diǎn)的處理能力、存儲(chǔ)能力、通信能力均為有限。(7) 在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中由于能量有限及環(huán)境的干擾，節(jié)點(diǎn)本身比較脆弱易損，節(jié)點(diǎn)的失效概率比較大；再加上節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行無(wú)線通信也要消耗能

9、量，隨著能量的消耗，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信能力下降、通信范圍減小，因此無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不確定，而是動(dòng)態(tài)變化的。根據(jù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，要求路由協(xié)議的設(shè)計(jì)必須要以節(jié)能為首要目的，使用戶在延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命的同時(shí)獲得較優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)吞吐率，降低網(wǎng)絡(luò)的通信延遲。通過(guò)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議特點(diǎn)的分析可以看出，一個(gè)好的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中的網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議應(yīng)該滿足如下幾個(gè)條件：(1) 高效利用有限的節(jié)點(diǎn)能量，在滿足無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信的前提下，最大限度地延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命，使低網(wǎng)絡(luò)能耗均勻地分布在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上。(2) 滿足無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化，提高網(wǎng)絡(luò)的魯棒性，路由協(xié)議盡量分布式運(yùn)行。(3) 盡可能減少節(jié)點(diǎn)

10、間通信負(fù)載的冗余，節(jié)約有限的能量和通信資源；路由協(xié)議設(shè)計(jì)時(shí)以數(shù)據(jù)為中心，采用數(shù)據(jù)融合等技術(shù)降低通信負(fù)載。(4) 滿足無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性，由于無(wú)線傳感器的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目眾多、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)易損，要保證傳感器節(jié)點(diǎn)的隨時(shí)加入和退出不會(huì)影響到全局任務(wù)的執(zhí)行，路由協(xié)議的設(shè)計(jì)必須具備魯棒性和可擴(kuò)展性。(5) 在路由協(xié)議的設(shè)計(jì)中需要考慮網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)的安全，在提高網(wǎng)絡(luò)通信可靠性的同時(shí)，降低遭受攻擊的可能性。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)層中的路由協(xié)議非常重要。網(wǎng)絡(luò)層主要的目標(biāo)是尋找用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)高能效路由的建立和可靠的數(shù)據(jù)傳輸方法，從而使網(wǎng)絡(luò)壽命最長(zhǎng)。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)有幾個(gè)不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的特

11、點(diǎn)，因此它的路由協(xié)議設(shè)計(jì)非常具有挑戰(zhàn)性。首先，由于節(jié)點(diǎn)眾多，不可能建立一個(gè)全局的地址機(jī)制；其次，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流有顯著的冗余性，因此可以利用數(shù)據(jù)聚合來(lái)提高能量和帶寬的利用率；再次，節(jié)點(diǎn)能量和處理存儲(chǔ)能力有限，需要精細(xì)的資源管理；最后，由于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓l繁，需要路由協(xié)議有很好的魯棒性和可擴(kuò)展性。目前，從可以獲得的文獻(xiàn)資料來(lái)看，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)基本處于起步階段，從具體應(yīng)用出發(fā)，根據(jù)不同應(yīng)用對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的各種特性的敏感度不同，大致可將路由協(xié)議分為四種：(1) 能量感知路由協(xié)議。高效利用網(wǎng)絡(luò)能量是傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的一個(gè)顯著特征，早期提出的一些傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議往往僅考慮了能量因素。為了強(qiáng)調(diào)高效利用能量

12、的重要性，在此將它們劃分為能量感知路由協(xié)議。能量感知路由協(xié)議從數(shù)據(jù)傳輸中的能量消耗出發(fā)，討論最優(yōu)能量消耗路徑以及最長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存期等問(wèn)題。(2) 基于查詢的路由協(xié)議。在諸如環(huán)境檢測(cè)、戰(zhàn)場(chǎng)評(píng)估等應(yīng)用中，需要不斷地查詢傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，匯聚節(jié)點(diǎn)(查詢節(jié)點(diǎn))發(fā)出任務(wù)查詢命令，傳感器節(jié)點(diǎn)向查詢節(jié)點(diǎn)報(bào)告采集的數(shù)據(jù)。在這類應(yīng)用中，通信流量主要是查詢節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)之間的命令和數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)傳感器節(jié)點(diǎn)的采樣信息在傳輸路徑上通常要進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，由此通過(guò)減少通信流量來(lái)節(jié)省能量。(3) 地理位置路由協(xié)議。在諸如目標(biāo)跟蹤類應(yīng)用中，往往需要喚醒距離跟蹤目標(biāo)最近的傳感器節(jié)點(diǎn)，以得到關(guān)于目標(biāo)的更精確的位置等相關(guān)信息。在這

13、類應(yīng)用中，通常需要知道目的節(jié)點(diǎn)的精確或者大致地理位置。把節(jié)點(diǎn)的位置信息作為路由選擇的依據(jù)，不僅能夠完成節(jié)點(diǎn)路由功能，還可以降低系統(tǒng)專門維護(hù)路由協(xié)議的能耗。(4) 可靠的路由協(xié)議。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的某些應(yīng)用對(duì)通信的服務(wù)質(zhì)量有較高的要求，如可靠性高和實(shí)時(shí)性強(qiáng)等。但在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，鏈路的穩(wěn)定性難以保證，通信信道的質(zhì)量比較低，拓?fù)渥兓容^頻繁，因此要實(shí)現(xiàn)較高的服務(wù)質(zhì)量，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的可靠的路由協(xié)議。3.1.2 能量感知路由協(xié)議高效地利用網(wǎng)絡(luò)能量是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的最重要特征。能量感知路由協(xié)議從數(shù)據(jù)傳輸中的能量消耗出發(fā)，討論最優(yōu)能量消耗路徑以及最長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存期等問(wèn)題，其最終目的是實(shí)現(xiàn)能量的高效利用

14、。1能量路由能量路由的基本思想是根據(jù)節(jié)點(diǎn)的可用能量(Power Available，PA)，即根據(jù)節(jié)點(diǎn)的剩余能量或傳輸路徑上的能量需求來(lái)選擇數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。在圖3-1所示的網(wǎng)絡(luò)中，圓圈表示節(jié)點(diǎn)，括號(hào)內(nèi)的數(shù)據(jù)為該節(jié)點(diǎn)的可用能量。圖中雙向線段表示節(jié)點(diǎn)間的通信鏈路，鏈路上的數(shù)字表示在該鏈路上傳輸數(shù)據(jù)所消耗的能量。源節(jié)點(diǎn)可以選取下列任意一條路徑將數(shù)據(jù)傳送至匯聚節(jié)點(diǎn)。路徑一：源節(jié)點(diǎn)BA匯聚節(jié)點(diǎn)，此路徑的可用能量之和為4，所需要消耗的能量之和為3；路徑二：源節(jié)點(diǎn)CBA匯聚節(jié)點(diǎn)，此路徑的可用能量之和為6，所需要消耗的能量之和為6；路徑三：源節(jié)點(diǎn)D匯聚節(jié)點(diǎn)，此路徑的可用能量之和為3，所需要消耗的能量之和為4。

15、 路徑四：源節(jié)點(diǎn)FE匯聚節(jié)點(diǎn)，此路徑的可用能量之和為5，所需要消耗的能量之和為6。能量路由策略主要有以下幾種：(1) 最大可用能量路由。從源節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的所有路徑中選取節(jié)點(diǎn)的可用能量之和最大的路徑。在圖3-1中路徑二的可用能量之和最大，但路徑二包含了路徑一，因此不是高效的路徑，從而被排除，最終選擇路徑四。(2) 最小能量消耗路由。從源節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的所有路徑中選取節(jié)點(diǎn)耗能之和最小的路徑。在圖3-1中選擇路徑一。(3) 最少跳數(shù)路由。選取從源節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)跳數(shù)最少的路徑。在圖3-1中選擇路徑三。(4) 最大最小可用能量節(jié)點(diǎn)路由。每條路徑上有多個(gè)節(jié)點(diǎn)，且節(jié)點(diǎn)的可用能量不同，從中選取每條路徑中可用

16、能量最小的節(jié)點(diǎn)來(lái)表示這條路徑的可用能量。如路徑四中節(jié)點(diǎn)E的可用能量最小為1，所以該路徑的可用能量是1。最大最小可用能量節(jié)點(diǎn)路由策略就是在多條路徑中，選擇路徑可用能量最大的路徑。在圖3-1中選擇路徑三。上述能量路由算法需要節(jié)點(diǎn)知道整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的全局信息。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)存在資源約束，節(jié)點(diǎn)只能獲取局部信息，因此上述能量路由方法只是理想情況下的路由策略。2. 能量多路徑路由無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中如果頻繁使用同一路徑傳輸數(shù)據(jù)，會(huì)造成該路徑上的節(jié)點(diǎn)因能量消耗過(guò)快而提早失效，縮短了網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。為此，研究人員提出了一種能量多路徑路由機(jī)制。該機(jī)制在源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間建立多條路徑，根據(jù)路徑上節(jié)點(diǎn)的能量消耗以及節(jié)點(diǎn)的剩余

17、能量狀況，給每條路徑賦予一定的選擇概率，使得數(shù)據(jù)傳輸均衡地消耗整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量。能量多路徑路由協(xié)議包括路由建立、數(shù)據(jù)傳播和路由維護(hù)三個(gè)階段。(1) 路由建立階段：這一階段是該協(xié)議的重點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要知道到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的所有下一跳節(jié)點(diǎn)，并根據(jù)節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的通信代價(jià)來(lái)計(jì)算選擇每個(gè)下一跳節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的概率。記節(jié)點(diǎn)Nj發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)由本地路由表FTj中的節(jié)點(diǎn)Ni到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的通信代價(jià)為C(Nj，Ni)，則可以通過(guò)公式(3-1)計(jì)算節(jié)點(diǎn)Ni作為節(jié)點(diǎn)Nj的下一跳節(jié)點(diǎn)的選擇概率節(jié)點(diǎn)將下一跳節(jié)點(diǎn)選擇概率作為加權(quán)系數(shù)，根據(jù)路由表中每項(xiàng)的能量代價(jià)計(jì)算自身到目的節(jié)點(diǎn)的代價(jià)，并替代消息中原有的代價(jià)值，然后向鄰節(jié)點(diǎn)廣播該路

18、由建立的消息。(3-1) (2) 數(shù)據(jù)傳播階段：對(duì)于接收數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)根據(jù)選擇概率從多個(gè)下一跳節(jié)點(diǎn)中選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給該節(jié)點(diǎn)。(3) 路由維護(hù)階段：周期性地從目的節(jié)點(diǎn)到源節(jié)點(diǎn)實(shí)施洪泛查詢，維持所有路徑的活動(dòng)性。能量多路徑協(xié)議綜合考慮了通信路徑上的消耗能量和剩余能量，節(jié)點(diǎn)根據(jù)選擇概率在路由表中選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為路由的下一跳節(jié)點(diǎn)。由于這個(gè)概率是與能量相關(guān)的，因此可以將通信能耗分散到多條路徑上，從而可實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量平穩(wěn)降級(jí)，最大限度地延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存期。3.1.3 基于查詢路由1. 定向擴(kuò)散路由基于查詢的路由通常是指目的節(jié)點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳播一個(gè)來(lái)自某個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)查詢消息(感應(yīng)任務(wù))，收到該查詢數(shù)據(jù)

19、消息的節(jié)點(diǎn)又將匹配該查詢消息的數(shù)據(jù)發(fā)回給原來(lái)的節(jié)點(diǎn)。一般這些查詢是以自然語(yǔ)言或者高級(jí)語(yǔ)言來(lái)描述的。定向擴(kuò)散(Directed Diffusion，DD)是一種基于查詢的路由機(jī)制。匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)興趣消息(Interest Message)發(fā)出查詢?nèi)蝿?wù)，采用洪泛方式將興趣消息傳播到整個(gè)區(qū)域或部分區(qū)域內(nèi)的所有傳感器節(jié)點(diǎn)。興趣消息用來(lái)表示查詢的任務(wù)，表達(dá)了網(wǎng)絡(luò)用戶對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)感興趣的信息，例如監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的溫度、濕度和光照等環(huán)境信息。在興趣消息的傳播過(guò)程中，協(xié)議逐跳地在每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)上建立反向的從數(shù)據(jù)源到匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸梯度(gradient)。傳感器節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)沿著梯度方向傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)。定向擴(kuò)

20、散路由機(jī)制可以分為周期性的興趣擴(kuò)散、數(shù)據(jù)傳播以及路徑加強(qiáng)三個(gè)階段。圖3-2顯示了這三個(gè)階段的數(shù)據(jù)傳播路徑和方向。圖3-2 定向擴(kuò)散路由機(jī)制 1) 興趣擴(kuò)散階段在興趣擴(kuò)散階段，匯聚節(jié)點(diǎn)周期性地向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播興趣消息。興趣消息中含有任務(wù)類型、目標(biāo)區(qū)域、數(shù)據(jù)發(fā)送速率、時(shí)間戳等參數(shù)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)在本地保存一個(gè)興趣列表，對(duì)于每一個(gè)興趣，列表中都有一個(gè)表項(xiàng)記錄發(fā)來(lái)該興趣消息的鄰居節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)發(fā)送速率和時(shí)間戳等相關(guān)信息，以建立該節(jié)點(diǎn)向匯聚節(jié)點(diǎn)傳遞數(shù)據(jù)的梯度關(guān)系。每個(gè)興趣可能對(duì)應(yīng)多個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)，每個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)梯度信息。通過(guò)定義不同的梯度相關(guān)參數(shù)，可以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。每個(gè)表項(xiàng)還有一個(gè)字段用來(lái)表示該表項(xiàng)的有效時(shí)

21、間值，超過(guò)這個(gè)時(shí)間后， 節(jié)點(diǎn)將刪除這個(gè)表項(xiàng)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到鄰居節(jié)點(diǎn)的興趣消息時(shí)，首先檢查興趣列表中是否存有參數(shù)類型與收到興趣相同的表項(xiàng)，而且對(duì)應(yīng)的發(fā)送節(jié)點(diǎn)是該鄰居節(jié)點(diǎn)。如果有對(duì)應(yīng)的表項(xiàng)，就更新表項(xiàng)的有效時(shí)間值；如果只是參數(shù)類型相同，但不包含發(fā)送該興趣消息的鄰居節(jié)點(diǎn)，就在相應(yīng)表項(xiàng)中添加這個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)；對(duì)于任何其他情況，都需要建立一個(gè)新表項(xiàng)來(lái)記錄這個(gè)新的興趣。如果收到的興趣消息和節(jié)點(diǎn)剛剛轉(zhuǎn)發(fā)的興趣消息一樣，為避免消息循環(huán)則丟棄該信息，否則，轉(zhuǎn)發(fā)收到的興趣消息。2) 數(shù)據(jù)傳播階段當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)采集到與興趣匹配的數(shù)據(jù)時(shí)，把數(shù)據(jù)發(fā)送到梯度上的鄰居節(jié)點(diǎn)，并按照梯度上的數(shù)據(jù)傳輸速率設(shè)定傳感器模塊采集數(shù)據(jù)的速率。由于

22、可能從多個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)收到興趣消息，節(jié)點(diǎn)也向多個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，匯聚節(jié)點(diǎn)可能收到經(jīng)過(guò)多個(gè)路徑的相同數(shù)據(jù)。中間節(jié)點(diǎn)收到其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)后，首先查詢興趣列表的表項(xiàng)，如果沒(méi)有匹配的興趣表項(xiàng)就丟棄數(shù)據(jù)；如果存在相應(yīng)的興趣表項(xiàng)，則檢查與這個(gè)興趣對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)緩沖池(Data Cach)，數(shù)據(jù)緩沖池用來(lái)保存最近轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)。如果在數(shù)據(jù)緩沖池中有與接收到的數(shù)據(jù)匹配的副本，說(shuō)明已經(jīng)轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)這個(gè)數(shù)據(jù)，為避免出現(xiàn)傳輸環(huán)路則丟棄這個(gè)數(shù)據(jù)；否則，檢查該興趣表項(xiàng)中的鄰居節(jié)點(diǎn)信息。如果設(shè)置的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送速率大于等于接收的數(shù)據(jù)速率，則全部轉(zhuǎn)發(fā)接收的數(shù)據(jù)；如果記錄的鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送速率小于接收的數(shù)據(jù)速率，則按照比例轉(zhuǎn)發(fā)。對(duì)于轉(zhuǎn)

23、發(fā)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)緩沖池保留一個(gè)副本，并記錄轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間。3) 路徑加強(qiáng)階段定向擴(kuò)散路由機(jī)制通過(guò)正向加強(qiáng)機(jī)制來(lái)建立優(yōu)化路徑，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓薷臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的梯度關(guān)系。興趣擴(kuò)散階段是為了建立源節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸路徑，數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)以較低的速率采集和發(fā)送數(shù)據(jù)，稱在這個(gè)階段建立的梯度為探測(cè)梯度(Probe Gradient)。匯聚節(jié)點(diǎn)在收到從源節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)后，啟動(dòng)建立到源節(jié)點(diǎn)的加強(qiáng)路徑，后續(xù)數(shù)據(jù)將沿著加強(qiáng)路徑以較高的數(shù)據(jù)速率進(jìn)行傳輸。加強(qiáng)后的梯度稱為數(shù)據(jù)梯度(Data Gradient)。假設(shè)以數(shù)據(jù)傳輸延遲作為路由加強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)，匯聚節(jié)點(diǎn)選擇首先發(fā)來(lái)最新數(shù)據(jù)的鄰居節(jié)點(diǎn)作為加強(qiáng)路徑的下一跳節(jié)點(diǎn)，并向該鄰居節(jié)

24、點(diǎn)發(fā)送路徑加強(qiáng)消息。 路徑加強(qiáng)消息中包含新設(shè)定的較高的發(fā)送數(shù)據(jù)速率值。鄰居節(jié)點(diǎn)收到消息后，經(jīng)過(guò)分析確定該消息描述的是一個(gè)已有的興趣，只是增加了數(shù)據(jù)發(fā)送速率，則斷定這是一條路徑加強(qiáng)消息，從而更新相應(yīng)興趣表項(xiàng)中的到鄰居節(jié)點(diǎn)的發(fā)送數(shù)據(jù)速率。同時(shí)，按照同樣的規(guī)則選擇加強(qiáng)路徑的下一跳鄰居節(jié)點(diǎn)。路由加強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)不是唯一的，可以選擇在一定的時(shí)間內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)最多的節(jié)點(diǎn)作為路徑加強(qiáng)的下一跳節(jié)點(diǎn)，也可以選擇數(shù)據(jù)傳輸最穩(wěn)定的節(jié)點(diǎn)作為路徑加強(qiáng)的下一跳節(jié)點(diǎn)。在加強(qiáng)路徑上的節(jié)點(diǎn)如果發(fā)現(xiàn)下一跳節(jié)點(diǎn)的發(fā)送數(shù)據(jù)速率明顯減小，或者收到來(lái)自其他節(jié)點(diǎn)的新位置的估計(jì)值，則推斷加強(qiáng)路徑的下一跳節(jié)點(diǎn)失效，這時(shí)就需要使用上述的路徑加強(qiáng)機(jī)制重新確

25、定下一跳節(jié)點(diǎn)。定向擴(kuò)散路由是一種經(jīng)典的以數(shù)據(jù)為中心的路由機(jī)制。匯聚節(jié)點(diǎn)根據(jù)不同的應(yīng)用需求定義不同的任務(wù)類型、目標(biāo)區(qū)域等參數(shù)的興趣消息，通過(guò)向網(wǎng)絡(luò)中廣播興趣消息啟動(dòng)路由建立過(guò)程。中間傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)興趣表建立從數(shù)據(jù)源到匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸梯度，自動(dòng)形成數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩鄺l路徑。按照路徑優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)，定向擴(kuò)散路由使用路徑加強(qiáng)機(jī)制生成了一條優(yōu)化的數(shù)據(jù)傳輸路徑。為了動(dòng)態(tài)地適應(yīng)節(jié)點(diǎn)失效、拓?fù)渥兓惹闆r，定向擴(kuò)散路由周期性地進(jìn)行興趣擴(kuò)散、數(shù)據(jù)傳播和路徑加強(qiáng)三個(gè)階段的操作。但是，定向擴(kuò)散路由在路由建立時(shí)需要一個(gè)興趣擴(kuò)散的洪泛傳播，它的能量消耗和時(shí)間開(kāi)銷都比較大，尤其是當(dāng)?shù)讓覯AC協(xié)議采用休眠機(jī)制時(shí)可能造成興趣建立的不一

26、致。2. 謠傳路由在有些傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，數(shù)據(jù)傳輸量較少或者已知事件區(qū)域，如果采用定向擴(kuò)散路由，需要經(jīng)過(guò)查詢消息的洪泛傳播和路徑增強(qiáng)機(jī)制才能確定一條優(yōu)化的數(shù)據(jù)傳輸路徑。因此，在這類應(yīng)用中，定向擴(kuò)散路由并不是高效的路由機(jī)制。Boulis等人提出了謠傳路由(Rumor Routing)，適用于數(shù)據(jù)傳輸量較少的傳感器網(wǎng)絡(luò)。謠傳路由機(jī)制引入了查詢消息的單播隨機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)，克服了使用洪泛方式建立轉(zhuǎn)發(fā)路徑帶來(lái)的開(kāi)銷過(guò)大的問(wèn)題。它的基本思想是：事件區(qū)域中的傳感器節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生代理(agent)消息，代理消息沿隨機(jī)路徑向外擴(kuò)散傳播，同時(shí)匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送的查詢消息也沿隨機(jī)路徑在網(wǎng)絡(luò)中傳播。當(dāng)代理消息和查詢消息的傳輸路徑交叉在

27、一起時(shí)，會(huì)形成一條匯聚節(jié)點(diǎn)到事件區(qū)域的完整路徑。謠傳路由的原理如圖3-3所示，灰色區(qū)域表示發(fā)生事件的區(qū)域；圓點(diǎn)表示傳感器節(jié)點(diǎn)，其中黑色圓點(diǎn)表示代理消息經(jīng)過(guò)的傳感器節(jié)點(diǎn)，灰色圓點(diǎn)表示查詢消息經(jīng)過(guò)的傳感器節(jié)點(diǎn)；連接灰色圓點(diǎn)和部分黑色圓點(diǎn)的路徑表示事件區(qū)域到匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸路徑。圖3-3 謠傳路由原理圖 謠傳路由的工作過(guò)程如下：(1) 每一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個(gè)鄰居列表和一個(gè)事件列表。事件列表的每一個(gè)表項(xiàng)都記錄了與該事件相關(guān)的信息，包括事件名稱、到事件區(qū)域的跳數(shù)和到事件區(qū)域的下一跳鄰居等信息。當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)在本地監(jiān)測(cè)到一個(gè)事件發(fā)生時(shí)，在事件列表中增加一個(gè)表項(xiàng)，設(shè)置事件名稱、跳數(shù)(為零)等，同時(shí)根據(jù)一定

28、的概率產(chǎn)生一個(gè)代理消息。(2) 代理消息是一個(gè)包含生命期等事件相關(guān)信息的分組，用來(lái)將攜帶的事件信息通告給它傳輸經(jīng)過(guò)的每一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)。對(duì)于收到代理消息的節(jié)點(diǎn)，首先檢查事件列表中是否有與該事件相關(guān)的表項(xiàng)，列表中存在相關(guān)表項(xiàng)就比較代理消息和表項(xiàng)中的跳數(shù)值，如果代理消息中的跳數(shù)小，就更新表項(xiàng)中的跳數(shù)值，否則更新代理消息中的跳數(shù)值。如果事件列表中沒(méi)有與該事件相關(guān)的表項(xiàng)，就增加一個(gè)表項(xiàng)來(lái)記錄代理消息攜帶的事件信息，然后，節(jié)點(diǎn)將代理消息中的生存值減1，在網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)選擇鄰居節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)代理消息，直到它的生存值減小為0。通過(guò)代理消息在它的有限生存期的傳輸過(guò)程，形成一段到達(dá)事件區(qū)域的路徑。(3) 網(wǎng)絡(luò)中的任何節(jié)點(diǎn)都

29、可能生成一個(gè)對(duì)特定事件的查詢消息。如果節(jié)點(diǎn)的事件列表中保存有該事件的相關(guān)表項(xiàng)，則說(shuō)明該節(jié)點(diǎn)在到達(dá)事件區(qū)域的路徑上，它沿著這條路徑轉(zhuǎn)發(fā)查詢消息。否則，節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選擇鄰居節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)查詢消息。查詢消息經(jīng)過(guò)的節(jié)點(diǎn)按照同樣的方式轉(zhuǎn)發(fā)，并記錄查詢消息中的相關(guān)信息，形成查詢消息的路徑。查詢消息也具有一定的生存期，以解決環(huán)路問(wèn)題。(4) 如果查詢消息和代理消息的路徑交叉，交叉節(jié)點(diǎn)會(huì)沿查詢消息的反向路徑將事件信息傳送到查詢節(jié)點(diǎn)。如果查詢節(jié)點(diǎn)在一段時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到事件消息，就認(rèn)為查詢消息沒(méi)有到達(dá)事件區(qū)域，可以選擇重傳、放棄或者洪泛查詢消息。由于洪泛查詢機(jī)制的代價(jià)過(guò)高，一般作為最后的選擇。與定向擴(kuò)散路由相比，謠傳路由可以

30、有效地減少路由建立的開(kāi)銷。但是，由于謠傳路由使用隨機(jī)方式生成路徑，所以數(shù)據(jù)傳輸路徑不是最優(yōu)路徑，并且可能存在路由環(huán)路問(wèn)題。3.1.4 地理位置路由無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的許多應(yīng)用都需要傳感器節(jié)點(diǎn)的位置信息。例如，在森林防火的應(yīng)用里，消防人員不僅要知道森林中發(fā)生了火災(zāi)事件，而且還要知道火災(zāi)的具體位置。地理位置路由是假設(shè)節(jié)點(diǎn)知道自己的地理位置信息，以及目的節(jié)點(diǎn)或者目的區(qū)域的地理位置，利用這些地理位置信息作為路由選擇的依據(jù)，節(jié)點(diǎn)將按照一定的策略轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到目的節(jié)點(diǎn)。這樣，利用節(jié)點(diǎn)的位置信息，就能夠?qū)⑿畔l(fā)布到指定區(qū)域，有效地減少了數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_(kāi)銷。1. GEARGEAR(Geographic and Energ

31、y Aware Routing)是一種典型的地理位置路由協(xié)議。它根據(jù)實(shí)踐區(qū)域的地理位置信息，建立匯聚節(jié)點(diǎn)到事件區(qū)域的優(yōu)化路徑，由于只需要考慮向某個(gè)特定區(qū)域發(fā)送興趣消息，從而能夠避免洪泛傳播，減少路由建立的開(kāi)銷。GEAR路由假設(shè)已知事件區(qū)域的位置信息，每個(gè)節(jié)點(diǎn)知道自己的位置信息和剩余能量信息，并通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的“Hello”消息交換機(jī)制知道所有鄰居節(jié)點(diǎn)的位置信息和剩余能量信息。在GEAR路由中，節(jié)點(diǎn)間的無(wú)線鏈路是對(duì)稱的。GEAR要求每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個(gè)預(yù)估路徑代價(jià)(Estimated cost)和一個(gè)通過(guò)鄰節(jié)點(diǎn)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的實(shí)際路徑代價(jià)(Learned cost)。預(yù)估路徑代價(jià)要結(jié)合節(jié)點(diǎn)的剩余能量和到

32、目的節(jié)點(diǎn)的距離綜合計(jì)算，實(shí)際路徑代價(jià)則是對(duì)網(wǎng)絡(luò)中環(huán)繞在“洞(Hole)”周圍路由所需預(yù)估代價(jià)的改進(jìn)。所謂“洞”現(xiàn)象，是指某個(gè)節(jié)點(diǎn)的周圍沒(méi)有任何鄰節(jié)點(diǎn)比它到事件區(qū)域的路徑代價(jià)更大。如果沒(méi)有“洞”現(xiàn)象產(chǎn)生，那么預(yù)估路徑代價(jià)就等于實(shí)際路徑代價(jià)。每當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)包成功地到達(dá)目的地時(shí)，該節(jié)點(diǎn)的實(shí)際路徑代價(jià)就要被傳播到上一跳，以便對(duì)下一個(gè)數(shù)據(jù)包的路由建立調(diào)整。GEAR協(xié)議的運(yùn)行包括以下兩個(gè)階段：(1) 向事件區(qū)域傳送查詢消息。從匯聚節(jié)點(diǎn)開(kāi)始的路徑建立過(guò)程采用貪婪算法。節(jié)點(diǎn)在鄰節(jié)點(diǎn)中選擇到事件區(qū)域代價(jià)最小的節(jié)點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn)，并將自己的路徑代價(jià)設(shè)置為該下一跳節(jié)點(diǎn)的路徑代價(jià)加上到該節(jié)點(diǎn)一跳通信的代價(jià)。當(dāng)有“洞”現(xiàn)

33、象發(fā)生時(shí)，如圖3-4所示，節(jié)點(diǎn)C是節(jié)點(diǎn)S的鄰節(jié)點(diǎn)中到目的節(jié)點(diǎn)T代價(jià)最小的節(jié)點(diǎn)，但節(jié)點(diǎn)G、H、I為失效節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)C的所有鄰節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)T的代價(jià)都比節(jié)點(diǎn)C大，這就陷入了路由空洞?？捎萌缦罗k法解決這個(gè)問(wèn)題，節(jié)點(diǎn)C選擇鄰節(jié)點(diǎn)中代價(jià)最小的節(jié)點(diǎn)B作為下一跳節(jié)點(diǎn)，并將自己的代價(jià)值設(shè)為節(jié)點(diǎn)B的代價(jià)值加上節(jié)點(diǎn)C到節(jié)點(diǎn)B的一條通信代價(jià)，同時(shí)將這個(gè)新代價(jià)通知節(jié)點(diǎn)S。當(dāng)節(jié)點(diǎn)S再次轉(zhuǎn)發(fā)查詢命令到節(jié)點(diǎn)T時(shí)，就會(huì)選擇節(jié)點(diǎn)B而不是節(jié)點(diǎn)C作為下一跳節(jié)點(diǎn)。(2) 查詢消息在事件區(qū)域內(nèi)傳播。當(dāng)查詢消息傳送到事件區(qū)域后，采用迭代地理路由轉(zhuǎn)發(fā)策略。如圖3-5所示，事件區(qū)域內(nèi)首先受到查詢命令的節(jié)點(diǎn)將事件區(qū)域分為若干子區(qū)域，并向所有子區(qū)域的

34、中心位置轉(zhuǎn)發(fā)查詢命令。在每個(gè)子區(qū)域中，最靠近區(qū)域中心的節(jié)點(diǎn)(圖3-5中的節(jié)點(diǎn)N)接收查詢命令，并將自己所在的子區(qū)域再劃分為若干子區(qū)域并向各個(gè)子區(qū)域中心轉(zhuǎn)發(fā)查詢命令。該消息的傳播過(guò)程是一個(gè)迭代過(guò)程，當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)自己是某個(gè)子區(qū)域內(nèi)唯一的節(jié)點(diǎn)，或者某個(gè)子區(qū)域沒(méi)有節(jié)點(diǎn)存在時(shí)，則停止向這個(gè)子區(qū)域發(fā)送查詢命令。當(dāng)所有子區(qū)域轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程全部結(jié)束時(shí)，整個(gè)迭代過(guò)程終止。GEAR協(xié)議通過(guò)維護(hù)預(yù)估路徑代價(jià)和實(shí)際路徑代價(jià)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂竭M(jìn)行優(yōu)化，形成能量高效的路由。它所采用的貪婪算法是一個(gè)局部最優(yōu)算法，適合于節(jié)點(diǎn)只知道局部拓?fù)湫畔⒌那闆r。其缺點(diǎn)是由于缺乏足夠的拓?fù)湫畔?，路由過(guò)程可能遇到“洞”現(xiàn)象，反而降低了路由效率。另外，

35、GEAR假設(shè)節(jié)點(diǎn)的地理位置固定或者變化不頻繁，適用于節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性不強(qiáng)的應(yīng)用。 圖3-4 “洞”現(xiàn)象的解決辦法 圖3-5 事件區(qū)域內(nèi)的迭代地理轉(zhuǎn)發(fā) 2. GEM GEM(Graph Embedding)是一種適用于數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)方式的地理路由，其基本思想是建立一個(gè)虛擬極坐標(biāo)系統(tǒng)來(lái)表示實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于匯聚節(jié)點(diǎn)將角度范圍分配給每個(gè)子節(jié)點(diǎn)，例如0，90，每個(gè)子節(jié)點(diǎn)得到的角度范圍正比于以該節(jié)點(diǎn)為根的子樹(shù)大小。每個(gè)子節(jié)點(diǎn)按照同樣的方式將自己的角度范圍分配給它的子節(jié)點(diǎn)。這個(gè)過(guò)程一直持續(xù)進(jìn)行，直到每個(gè)葉節(jié)點(diǎn)都分配到一個(gè)角度范圍。這樣，節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)一個(gè)統(tǒng)一規(guī)則(如順時(shí)針?lè)较?為子節(jié)點(diǎn)設(shè)定角度范圍，使得同一級(jí)

36、節(jié)點(diǎn)的角度范圍順序遞增或遞減，于是到匯聚節(jié)點(diǎn)時(shí)，跳數(shù)相同的節(jié)點(diǎn)就形成了一個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)則形成一個(gè)以匯聚節(jié)點(diǎn)為根的帶環(huán)樹(shù)。GEM路由機(jī)制是當(dāng)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送消息時(shí)，如果目的節(jié)點(diǎn)位置的角度不在自己的角度范圍內(nèi)，就將消息傳送給父節(jié)點(diǎn)；父節(jié)點(diǎn)按照同樣的規(guī)則處理，直到該消息到達(dá)角度范圍包含目的節(jié)點(diǎn)位置的某個(gè)節(jié)點(diǎn)，這個(gè)節(jié)點(diǎn)是源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的共同祖先。消息再?gòu)倪@個(gè)節(jié)點(diǎn)向下傳送，直至到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)，如圖3-6(a)所示。上述算法需要上層節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)消息，開(kāi)銷比較大，因此可作適當(dāng)?shù)馗倪M(jìn)，即節(jié)點(diǎn)在向上傳送消息之前，首先檢查鄰節(jié)點(diǎn)是否包含目的節(jié)點(diǎn)位置的角度，如果包含，則直接將消息傳送給該鄰節(jié)點(diǎn)而不再向上傳送，如圖3-6

37、(b)所示。更進(jìn)一步的改進(jìn)算法是利用前面提到的帶環(huán)樹(shù)結(jié)構(gòu)，即節(jié)點(diǎn)檢查相鄰節(jié)點(diǎn)的角度范圍是否離目的地的位置更近，如果更近就將消息傳送給該鄰節(jié)點(diǎn)，否則才向上層傳送，如圖3-6(c)所示。圖3-6 GEM路由機(jī)制 GEM路由不依賴于節(jié)點(diǎn)精確的位置信息，所采用的虛擬極坐標(biāo)的方法能夠簡(jiǎn)單地將網(wǎng)絡(luò)實(shí)際拓?fù)湫畔⒂成涞揭粋€(gè)易于進(jìn)行路由處理的邏輯拓?fù)渲校也桓淖児?jié)點(diǎn)間的相對(duì)位置。但是由于采用了帶環(huán)樹(shù)結(jié)構(gòu)，實(shí)際網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化時(shí)，樹(shù)的調(diào)整比較復(fù)雜，因此GEM路由適用于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。3.1.5 基于QoS的路由無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的某些應(yīng)用對(duì)通信質(zhì)量有較高的要求，如可靠性高和實(shí)用性強(qiáng)等；而由于網(wǎng)絡(luò)鏈

38、路的穩(wěn)定性難以保證，通信信道質(zhì)量比較低，拓?fù)渥兓容^頻繁，要在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)一定服務(wù)質(zhì)量的保證，需要設(shè)計(jì)基于QoS的路由協(xié)議。1. SPEEDSPEED協(xié)議是一種有效的可靠路由協(xié)議，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了端到端的傳輸數(shù)率的保證、網(wǎng)絡(luò)擁塞的控制以及負(fù)載的平衡機(jī)制。該協(xié)議首先在相鄰節(jié)點(diǎn)之間交換傳輸延遲以得到網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的情況；然后利用局部地理信息和傳輸速率信息選擇下一跳節(jié)點(diǎn)；同時(shí)通過(guò)鄰居反饋機(jī)制保證網(wǎng)絡(luò)傳輸暢通，并通過(guò)反向壓力路由變更機(jī)制避開(kāi)延遲太長(zhǎng)的鏈路和“洞”現(xiàn)象的發(fā)生。SPEED協(xié)議主要由四部分組成。(1) 延遲估計(jì)機(jī)制。在SPEED協(xié)議中，延遲估計(jì)機(jī)制用來(lái)得到網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載狀況，判斷網(wǎng)絡(luò)是否發(fā)生

39、擁塞。節(jié)點(diǎn)記錄到鄰節(jié)點(diǎn)的通信延遲以表示網(wǎng)絡(luò)的局部通信負(fù)載。具體過(guò)程是，發(fā)送節(jié)點(diǎn)給數(shù)據(jù)分組并加上時(shí)間戳；接收節(jié)點(diǎn)計(jì)算從收到數(shù)據(jù)分組到發(fā)出ACK的時(shí)間間隔，并將其作為一個(gè)字段加入ACK報(bào)文；發(fā)送節(jié)點(diǎn)收到ACK后，從收發(fā)時(shí)間差中減去接收節(jié)點(diǎn)的處理時(shí)間，得到一跳的通信延遲。(2) SNGF算法。SNGF算法用來(lái)選擇滿足傳輸速率要求的下一跳節(jié)點(diǎn)。鄰節(jié)點(diǎn)分為兩類：比自己距離目標(biāo)區(qū)域更近的節(jié)點(diǎn)和比自己距離目標(biāo)區(qū)域更遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)，前者稱為“候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集合(FCS)”。節(jié)點(diǎn)計(jì)算到FCS集合中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳輸速率。FCS集合中的節(jié)點(diǎn)又根據(jù)傳輸速率是否滿足預(yù)定的傳輸速率閾值，再分為兩類：大于速率閾值的鄰節(jié)點(diǎn)和小于速率

40、閾值的鄰節(jié)點(diǎn)。若FCS集合中有節(jié)點(diǎn)的傳輸速率大于速率閾值的，則在這些節(jié)點(diǎn)中按照一定的概率分布選擇下一跳節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)的傳輸速率越高，被選中的概率越大。(3) 鄰居反饋機(jī)制。當(dāng)SNGF路由算法中找不到滿足傳輸速率要求的下一跳節(jié)點(diǎn)時(shí)，為了保證節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸滿足一定的傳輸速率要求，引入鄰居反饋機(jī)制(NFL)，如圖3-7所示。由圖3-7可知，MAC層收集差錯(cuò)信息，并把到鄰節(jié)點(diǎn)的傳輸差錯(cuò)率通告給轉(zhuǎn)發(fā)比例控制器。轉(zhuǎn)發(fā)比例控制器根據(jù)這些差錯(cuò)率計(jì)算出轉(zhuǎn)發(fā)概率，方法是節(jié)點(diǎn)首先查看FCS集合的節(jié)點(diǎn)，若某節(jié)點(diǎn)的傳輸差錯(cuò)率為0(存在滿足傳輸要求的節(jié)點(diǎn))，則設(shè)置轉(zhuǎn)發(fā)概率為1，即全部轉(zhuǎn)發(fā)；若FCS集合中所有節(jié)點(diǎn)的傳輸差錯(cuò)率

41、大于0，則按一定的公式計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)概率。圖3-7 鄰居反饋機(jī)制 對(duì)于滿足傳輸速率閾值的數(shù)據(jù)，按照SNGF算法決定的路由傳輸給鄰節(jié)點(diǎn)，而不滿足傳輸速率閾值的數(shù)據(jù)則由鄰居反饋機(jī)制計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)概率。這個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)概率表示網(wǎng)絡(luò)能夠滿足傳輸速率要求的程度，因此節(jié)點(diǎn)將按照這個(gè)概率進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。(4) 反向壓力路由變更機(jī)制。反向壓力路由變更機(jī)制在SPEED協(xié)議中用來(lái)避免擁塞和出現(xiàn)“洞”現(xiàn)象。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)區(qū)域發(fā)生事件時(shí)，若節(jié)點(diǎn)不能夠滿足傳輸速率的要求，則體現(xiàn)在通信數(shù)據(jù)量突然增多，傳輸負(fù)載突然加大，此時(shí)節(jié)點(diǎn)就會(huì)使用反向壓力信標(biāo)消息向上一跳節(jié)點(diǎn)報(bào)告擁塞，以此表明擁塞后的傳輸延遲，上一跳節(jié)點(diǎn)則會(huì)按照上述機(jī)制重新選擇下一跳節(jié)點(diǎn)。2

42、. SAR有序分配路由SAR(Sequential Assignment Routing)協(xié)議33也是一個(gè)典型的具有QoS意識(shí)的路由協(xié)議。該協(xié)議通過(guò)構(gòu)建以匯聚節(jié)點(diǎn)的單跳鄰節(jié)點(diǎn)為根節(jié)點(diǎn)的多播樹(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的多跳路徑，即匯聚節(jié)點(diǎn)的所有一跳鄰節(jié)點(diǎn)都以自己為根創(chuàng)建生成樹(shù)，在創(chuàng)建生成樹(shù)的過(guò)程中考慮節(jié)點(diǎn)的時(shí)延、丟包率等QoS參數(shù)的多條路徑。節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)選擇一條或多條路徑進(jìn)行傳輸。SAR的特點(diǎn)是路由決策不僅要考慮每條路徑的能源，還要涉及端到端的延遲需求和待發(fā)送數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級(jí)。仿真結(jié)果表明，與只考慮路徑能量消耗的最小能量度量協(xié)議相比，SAR的能量消耗較少。該算法的缺點(diǎn)是不適用于大型的和拓?fù)漕l繁

43、變化的網(wǎng)絡(luò)。3. ReInForMReInForM(Reliable Information Forwarding using Multiple paths)34路由從數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)開(kāi)始，考慮到可靠性要求、信道質(zhì)量以及傳感器節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)，決定需要的傳輸路徑數(shù)目，以及下一跳節(jié)點(diǎn)數(shù)目和相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)滿足可靠性要求的數(shù)據(jù)傳輸。ReInForM路由的建立過(guò)程是，首先，源節(jié)點(diǎn)根據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸笥?jì)算需要的傳輸路徑數(shù)目；其次，在鄰節(jié)點(diǎn)中選擇若干節(jié)點(diǎn)作為下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，并將每個(gè)節(jié)點(diǎn)按照一定的比例分配路徑數(shù)目；最后，源節(jié)點(diǎn)將分配的路徑作為數(shù)據(jù)報(bào)頭中的一個(gè)字段發(fā)給鄰節(jié)點(diǎn)，鄰節(jié)點(diǎn)在接收到源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，將自

44、身視作源節(jié)點(diǎn)，重復(fù)上述源節(jié)點(diǎn)的選路過(guò)程。3.1.6 路由協(xié)議自主切換前面已經(jīng)提到過(guò)，傳感器網(wǎng)絡(luò)中的路由協(xié)議和具體的應(yīng)用緊密相關(guān)，沒(méi)有一個(gè)能適用于所有應(yīng)用的路由協(xié)議。而傳感器網(wǎng)絡(luò)可能需要在相同的監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)完成不同的任務(wù)，此時(shí)如果為每種任務(wù)部署專門的傳感器網(wǎng)絡(luò)，將增加傳感器網(wǎng)絡(luò)的成本。為了能夠適用于多種任務(wù)，傳感器網(wǎng)絡(luò)需要根據(jù)應(yīng)用環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)條件自主選擇適用的路由協(xié)議，并在各個(gè)路由協(xié)議之間自主切換。路由協(xié)議自主切換正是為了這個(gè)目的引入的。路由協(xié)議自主切換機(jī)制是根據(jù)應(yīng)用變化自主選擇合適的路由協(xié)議，并將這一過(guò)程封裝起來(lái)，向上層應(yīng)用提供統(tǒng)一的可編程路由服務(wù)。一個(gè)路由服務(wù)的通信模型如圖3-8所示，上層通過(guò)路

45、由服務(wù)接口配置路由服務(wù)，路由服務(wù)根據(jù)此配置以及具體網(wǎng)絡(luò)情況自主選擇合適的協(xié)議。圖3-8 路由服務(wù)通信模型 Y.He等人提出了一個(gè)可編程的傳感器網(wǎng)絡(luò)框架，包括了目前的主流路由協(xié)議。這個(gè)框架的體系結(jié)構(gòu)如圖3-9所示，路由服務(wù)將路由協(xié)議封裝為狀態(tài)收集模塊和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊，并提供給上層一個(gè)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)層接口。配置服務(wù)根據(jù)上層應(yīng)用的要求為不同模塊選擇不同的路由協(xié)議，并將這些配置信息傳達(dá)到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，以保持路由協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)中的一致性。在路由服務(wù)中通過(guò)定義三種組件來(lái)描述路由協(xié)議：狀態(tài)信息、訪問(wèn)模式和選路標(biāo)準(zhǔn)。狀態(tài)信息用來(lái)搜集局部網(wǎng)絡(luò)信息；訪問(wèn)模式描述路由的轉(zhuǎn)發(fā)方式；選路標(biāo)準(zhǔn)描述下一跳節(jié)點(diǎn)的選擇標(biāo)準(zhǔn)。這三種組件的具體

46、內(nèi)容見(jiàn)表3-1。圖3-9 可編程路由體系結(jié)構(gòu) 表3-1 路由配置組件及內(nèi)容 匯聚節(jié)點(diǎn)首先完成路由服務(wù)的配置，然后利用配置服務(wù)將路由配置信息傳播到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。配置服務(wù)通過(guò)洪泛或者受限洪泛的方法傳送配置信息。為了減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，同時(shí)也為了減少其他節(jié)點(diǎn)配置路由的計(jì)算量，可將路由服務(wù)的一些公共部分，如狀態(tài)信息收集、選路標(biāo)準(zhǔn)等做到操作系統(tǒng)中，這樣只需要傳送少量的配置信息即可，而且生成的路由協(xié)議代碼量也比較少。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信道錯(cuò)誤率較高，同時(shí)MAC層的延遲比較長(zhǎng)，所以如何保證路由配置在網(wǎng)絡(luò)中的一致性也是一個(gè)重要的問(wèn)題，可以通過(guò)使用配置版本機(jī)制實(shí)現(xiàn)一致性控制。3.1.7 小結(jié)由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)資源有

47、限且與應(yīng)用高度相關(guān)，研究人員采用多種策略來(lái)設(shè)計(jì)路由協(xié)議，其中較好的協(xié)議應(yīng)具有以下特點(diǎn)：針對(duì)能量高度受限的特點(diǎn)，高效利用能量幾乎是設(shè)計(jì)的第一策略；針對(duì)包頭開(kāi)銷大、通信能耗高、節(jié)點(diǎn)有合作關(guān)系、數(shù)據(jù)有相關(guān)性、節(jié)點(diǎn)能量有限等特點(diǎn)，采用數(shù)據(jù)聚合、過(guò)濾等技術(shù)；針對(duì)流量特征、通信耗能等特點(diǎn)，采用通信量負(fù)責(zé)平衡技術(shù)；針對(duì)節(jié)點(diǎn)少移動(dòng)的特點(diǎn)，不維護(hù)其移動(dòng)性；針對(duì)網(wǎng)絡(luò)相對(duì)封閉、不提供計(jì)算等待點(diǎn)，只在Sink節(jié)點(diǎn)考慮與其他網(wǎng)絡(luò)互連；針對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不常編址的特點(diǎn)，采用基于數(shù)據(jù)或基于位置的通信機(jī)制；針對(duì)節(jié)點(diǎn)易失效的特點(diǎn)，采用多路徑機(jī)制。通過(guò)對(duì)當(dāng)前的各種路由協(xié)議進(jìn)行的分析與總結(jié)，可以看出將來(lái)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議采用的某些研

48、究策略與發(fā)展趨勢(shì)：(1) 減少通信量以節(jié)約能量。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)通信最為耗能，因此應(yīng)在協(xié)議中盡量減少數(shù)據(jù)通信量。例如，可在數(shù)據(jù)查詢或者數(shù)據(jù)上報(bào)中采用某種過(guò)濾機(jī)制，抑制節(jié)點(diǎn)上傳不必要的數(shù)據(jù)；采用數(shù)據(jù)聚合機(jī)制，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊ink節(jié)點(diǎn)前就完成可能的數(shù)據(jù)計(jì)算。(2) 保持通信量負(fù)載平衡。通過(guò)更加靈活地使用路由策略讓各個(gè)節(jié)點(diǎn)分擔(dān)數(shù)據(jù)傳輸，平衡節(jié)點(diǎn)的剩余能量，提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。例如，可在分層路由中采用動(dòng)態(tài)簇頭；在路由選擇中采用隨機(jī)路由而非穩(wěn)定路由；在路徑選擇中考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量。(3) 路由協(xié)議應(yīng)具有容錯(cuò)性。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)容易發(fā)生故障，因此應(yīng)盡量利用節(jié)點(diǎn)容易獲得的網(wǎng)絡(luò)信息計(jì)算路由，

49、以確保在路由出現(xiàn)故障時(shí)能夠盡快地得到恢復(fù)，并可采用多路徑傳輸來(lái)提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?4) 路由協(xié)議應(yīng)具有安全機(jī)制。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的固有特性，其路由協(xié)議極易受到安全威脅，尤其是在軍事應(yīng)用中。目前路由協(xié)議很少考慮安全問(wèn)題，因此在一些應(yīng)用中必須考慮設(shè)計(jì)具有安全機(jī)制的路由協(xié)議。(5) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議將繼續(xù)向基于數(shù)據(jù)、基于位置的方向發(fā)展。這是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般不統(tǒng)一編址和以數(shù)據(jù)、位置為中心的特點(diǎn)決定的。3.2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的鏈路層技術(shù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)除了需要傳輸層機(jī)制實(shí)現(xiàn)高等級(jí)誤差和擁塞控制外，還需要數(shù)據(jù)鏈路層功能。總體而言，數(shù)據(jù)鏈路層主要負(fù)責(zé)多路數(shù)據(jù)流、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)探測(cè)、媒體訪問(wèn)和誤差控制，

50、從而確保通信網(wǎng)絡(luò)中可靠的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(Point-to-Point)與點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)(Point-to-Multipoint)連接。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)通常具有低數(shù)據(jù)吞吐量、多跳信道共享、能量受限等特點(diǎn)，因此其數(shù)據(jù)鏈路層主要研究媒體接入和差錯(cuò)控制的問(wèn)題。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，差錯(cuò)控制通常采用自動(dòng)重發(fā)請(qǐng)求(ARQ)和前向糾錯(cuò)(FEC)兩種方式。ARQ和FEC等糾錯(cuò)方式已有非常成熟的理論，現(xiàn)在主要需要研究的是差錯(cuò)控制方案的比較和選擇問(wèn)題。由于傳感器節(jié)點(diǎn)密集、傳輸距離短，即使采用無(wú)線傳輸，受信道衰落等特性的影響也比較??；同時(shí)，為了節(jié)省傳感器節(jié)點(diǎn)的處理開(kāi)銷，目前廣泛使用ARQ方式。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層研究的重點(diǎn)是介質(zhì)

51、訪問(wèn)控制(Media Access Control，MAC)協(xié)議，因?yàn)樗看罅抗?jié)點(diǎn)協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)某種特定應(yīng)用目標(biāo)。作為一種能量受限的自組織網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議設(shè)計(jì)主要需要解決三個(gè)方面的問(wèn)題。(1) 能量受限帶來(lái)的問(wèn)題。傳感器節(jié)點(diǎn)通?？扛呻姵?、紐扣電池等供電，從降低成本和系統(tǒng)易維護(hù)性的角度出發(fā)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中通常要以節(jié)能降耗作為重要的設(shè)計(jì)目標(biāo)。對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC層設(shè)計(jì)而言，能量受限帶來(lái)的主要影響包括節(jié)點(diǎn)休眠調(diào)度和協(xié)議設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。傳感器節(jié)點(diǎn)無(wú)線通信模塊通常具有發(fā)送(Tx)、接收(Rx)、空閑(Idle)和休眠(Sleep)四種工作狀態(tài)，其能耗依次遞減。其中，休眠狀態(tài)的能耗遠(yuǎn)低于其他

52、狀態(tài)，因此為了節(jié)能起見(jiàn)，通常希望節(jié)點(diǎn)盡可能地處于休眠狀態(tài)。為了保證節(jié)點(diǎn)能夠及時(shí)接收到發(fā)送給它的數(shù)據(jù)，MAC協(xié)議通常要采用“偵聽(tīng)/休眠”交替的策略，而如果偵聽(tīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，就會(huì)造成能量浪費(fèi)；偵聽(tīng)時(shí)間過(guò)短，又會(huì)增長(zhǎng)消息延遲時(shí)間。對(duì)于一個(gè)大規(guī)模密集自組織網(wǎng)絡(luò)而言，休眠時(shí)間長(zhǎng)短的合理選擇是比較困難的。另外，在休眠策略中還需要考慮收發(fā)同步問(wèn)題，如果在目地節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)或喚醒狀態(tài)后還未準(zhǔn)備就緒時(shí)，源節(jié)點(diǎn)就開(kāi)始發(fā)送信息，則接收端將無(wú)法正常接收，這會(huì)造成源節(jié)點(diǎn)的能量浪費(fèi)，稱之為“over emitting”。此外，能量受限及其他一些因素(如節(jié)點(diǎn)通信、計(jì)算、存儲(chǔ)能力有限)決定了傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC層不能使用過(guò)于復(fù)雜

53、的協(xié)議。MAC幀頭和控制消息包(ACK/RTS/CTS)中沒(méi)有包含有效的數(shù)據(jù)，因此可以認(rèn)為是一種能量消耗。這往往使得在那些數(shù)據(jù)吞吐量較低的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用(如某些環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用，甚至可能低至每天僅幾比特)中，MAC地址、MAC控制消息等協(xié)議開(kāi)銷相對(duì)而言可能非常的大。(2) 由多跳共享帶來(lái)的問(wèn)題。通信網(wǎng)絡(luò)的信道共享方式有三種：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(如兩個(gè)節(jié)點(diǎn)以半雙工方式共享一個(gè)信道)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)(如蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中的基站與移動(dòng)臺(tái))、多點(diǎn)共享(如以太網(wǎng))。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信道共享方式為多跳共享方式，源節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍外的節(jié)點(diǎn)不受發(fā)射節(jié)點(diǎn)的影響，它們也可以同時(shí)發(fā)射信號(hào)，這實(shí)際上是一種信道的空間復(fù)用方式。由信道共享帶

54、來(lái)的首要問(wèn)題是數(shù)據(jù)包碰撞沖突，即如果網(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在同一時(shí)間利用同一信道發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，它們會(huì)互相干擾，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包被破壞。數(shù)據(jù)包沖突也是造成巨大能耗的重要原因之一。因此，有效地避免碰撞沖突是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的基本任務(wù)。不僅如此，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多跳共享信道的使用方式還會(huì)帶來(lái)隱蔽終端和暴露終端的問(wèn)題，這是由多跳共享帶來(lái)的報(bào)文沖突和節(jié)點(diǎn)所處的地理位置相關(guān)造成的。在單跳廣播信道中，報(bào)文沖突是全局事件，所有節(jié)點(diǎn)都能正確地感知信道狀態(tài)并做出合理的信道訪問(wèn)決策。而在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文時(shí)，并非所有的其他節(jié)點(diǎn)都能感知到該事件，這就會(huì)帶來(lái)隱蔽終端和暴露終端的問(wèn)題。隱蔽終端是指在目的節(jié)點(diǎn)覆蓋范

55、圍之內(nèi)而在源節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍之外的節(jié)點(diǎn)。暴露終端指在源節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍之內(nèi)而在目的節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍之外的節(jié)點(diǎn)。隱蔽終端和暴露終端會(huì)帶來(lái)消息延遲和不必要的重發(fā)，從而造成信道利用率降低和節(jié)點(diǎn)能量浪費(fèi)， 那么可以采用RTS-CTS(請(qǐng)求發(fā)送-清除發(fā)送)握手機(jī)制、時(shí)分復(fù)用、功率控制等方法來(lái)解決該問(wèn)題。解決隱蔽終端和暴露終端的問(wèn)題是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的重要任務(wù)之一。由多跳共享帶來(lái)的另一個(gè)問(wèn)題是串音(overhearing)問(wèn)題。當(dāng)使用共享信道進(jìn)行通信時(shí)，某個(gè)節(jié)點(diǎn)可能接收到的不是發(fā)送給它的數(shù)據(jù)，從而造成“串音”。串音過(guò)程中的射頻信號(hào)在接收和解碼過(guò)程中會(huì)造成節(jié)點(diǎn)能量的浪費(fèi)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議必須設(shè)法協(xié)調(diào)各

56、節(jié)點(diǎn)的收發(fā)，降低發(fā)生“串音”的概率。(3) 由大規(guī)模自組織要求帶來(lái)的問(wèn)題。與其他無(wú)線個(gè)域網(wǎng)(WPAN)相比，傳感器網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模更大，甚至多達(dá)成千上萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)，如大型超市中的無(wú)線價(jià)格標(biāo)簽；當(dāng)然也可能只有為數(shù)不多的節(jié)點(diǎn)，如家庭電燈開(kāi)關(guān)控制網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，由于節(jié)點(diǎn)可能由于各種原因退出網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)位置也可能移動(dòng)，新節(jié)點(diǎn)隨時(shí)加入等等，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)性的變化。因此，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議必須具備可擴(kuò)展性、分布性和自組織性。至于網(wǎng)絡(luò)的公平性，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)公平性的目的，一方面是為了賦予每個(gè)節(jié)點(diǎn)相同的信道訪問(wèn)機(jī)會(huì)，另一方面可以起到控制所有節(jié)點(diǎn)的能量均勻消耗，從而延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)壽命的作用。無(wú)線傳感器網(wǎng)

57、絡(luò)的無(wú)中心特征使得公平性的實(shí)現(xiàn)比較困難。除了上述各種問(wèn)題之外，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中還存在消息延遲問(wèn)題、信道利用率問(wèn)題和數(shù)據(jù)吞吐量問(wèn)題，這三者的重要程度與具體的應(yīng)用緊密相關(guān)。面對(duì)上述諸多問(wèn)題，往往需要進(jìn)行某些折中處理。例如，為了降低功耗，可以采用犧牲信道利用率和數(shù)據(jù)吞吐量等方法。一般認(rèn)為，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的功耗性能和可擴(kuò)展性是其最主要的性能指標(biāo)。另外，MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)還應(yīng)該根據(jù)不同應(yīng)用的特點(diǎn)和需求進(jìn)行參數(shù)和方法上的優(yōu)化。3.2.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議目前針對(duì)不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，研究人員從不同方面提出了多個(gè)MAC協(xié)議，但對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議還缺乏一個(gè)統(tǒng)一的分類方式?？梢园凑障铝袟l件對(duì)MAC協(xié)議

58、進(jìn)行分類：第一，采用分布式控制還是集中式控制；第二，使用單一共享信道還是多個(gè)信道；第三，采用固定分配信道方式還是隨機(jī)訪問(wèn)信道方式。本書(shū)中采用第三種分類方法，將傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議分為三類：(1) 采用無(wú)線信道的時(shí)分復(fù)用方式(Time Division Multiple Access，TDMA)，給每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)分配固定的無(wú)線信道的使用時(shí)段，從而避免節(jié)點(diǎn)之間的相互干擾；(2) 采用無(wú)線信道的隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)方式，節(jié)點(diǎn)在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)隨機(jī)使用無(wú)線信道，重點(diǎn)考慮盡量減少節(jié)點(diǎn)間的干擾；(3) 其他MAC協(xié)議，如通過(guò)采用頻分復(fù)用或者碼分復(fù)用等方式，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間無(wú)沖突的無(wú)線信道的分配。下面按照上述傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC

59、協(xié)議分類，介紹目前已提出的主要傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議，在說(shuō)明其基本工作原理的基礎(chǔ)上，分析協(xié)議在節(jié)約能量、可擴(kuò)展性和網(wǎng)絡(luò)效率等方面的性能。3.2.2 基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議基于無(wú)線信道隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)方式的MAC協(xié)議采用按需使用信道的方式，主要思想就是當(dāng)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)發(fā)送請(qǐng)求時(shí)，通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)方式占用無(wú)線信道；當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)產(chǎn)生沖突時(shí)，按照某種策略(如IEEE802.11 MAC協(xié)議的分布式協(xié)調(diào)工作模式DCF采用的是二進(jìn)制退避重傳機(jī)制)重發(fā)數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)發(fā)送成功或徹底放棄發(fā)送數(shù)據(jù)。由于在IEEE802.11MAC協(xié)議基礎(chǔ)上，研究者們提出了多個(gè)適合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議，故在此重點(diǎn)介紹IEEE802.11MA

60、C協(xié)議及近期提出改進(jìn)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議。1. IEEE802.11MAC協(xié)議IEEE802.11MAC協(xié)議有分布式協(xié)調(diào)(Distributed Coordination Function，DCF)和點(diǎn)協(xié)調(diào)(Point Coordination Function，PCF)兩種訪問(wèn)控制方式，其中DCF方式是IEEE802.11協(xié)議的基本訪問(wèn)控制方式。由于在無(wú)線信道中難以檢測(cè)到信號(hào)的碰撞，因而只能采用隨機(jī)退避的方式來(lái)減少數(shù)據(jù)碰撞的概率。在DCF工作方式下，節(jié)點(diǎn)在偵聽(tīng)到無(wú)線信道忙之后，采用CSMA/CA機(jī)制和隨機(jī)退避時(shí)間，實(shí)現(xiàn)無(wú)線信道的共享。另外，所有定向通信都采用立即的主動(dòng)確認(rèn)(ACK幀)機(jī)