传感器网络的通信与组网技术

1、第二部分第二部分传感器网络的通信与组网技术传感器网络的通信与组网技术 做到做到目视千里、耳听八方目视千里、耳听八方是人类长久的梦想，现是人类长久的梦想，现代卫星技术的出现虽然使人们离这一目标前进了很多，代卫星技术的出现虽然使人们离这一目标前进了很多，但卫星高高在上，洞察全局在行，明察细微就勉为其但卫星高高在上，洞察全局在行，明察细微就勉为其难了。将大量的难了。将大量的传感器结点传感器结点遍撒指定区域，数据通过遍撒指定区域，数据通过无线电波传回监控中心，监控区域内的所有信息就会无线电波传回监控中心，监控区域内的所有信息就会尽收观察者的眼中了。这就是人们对无线传感器网络尽收观察者的眼中了。这就是人

2、们对无线传感器网络技术应用的美好展望，它的实现依赖于优秀的数据传技术应用的美好展望，它的实现依赖于优秀的数据传输方法，需要新型的网络通信技术。输方法，需要新型的网络通信技术。 通常通常传感器结点传感器结点的通信覆盖范围只有几十米到几的通信覆盖范围只有几十米到几百米，人们要考虑如何在有限的通信能力条件下，完百米，人们要考虑如何在有限的通信能力条件下，完成探测数据的传输。无线通信是传感器网络的关键技成探测数据的传输。无线通信是传感器网络的关键技术之一。术之一。2通信与组网通信与组网通信技术通信技术组网技术组网技术物理层物理层MACMAC层层网络层网络层传输层传输层解决如何实现点到点或解决如何实现点

3、到点或点到多点的数据传输点到多点的数据传输解决如何建立可靠且有解决如何建立可靠且有严格功耗预算的网络通严格功耗预算的网络通信体系信体系3主要内容主要内容4四路由协议路由协议一微型传感器基本知识微型传感器基本知识三MACMAC协议协议二物理层概述物理层概述一、微型传感器一、微型传感器1. 传感器的定义和作用传感器的定义和作用n传感器网络的终端探头通常代表了用户的功能传感器网络的终端探头通常代表了用户的功能需求，是实现信息测量、网络互通和融合的关需求，是实现信息测量、网络互通和融合的关键。提高终端传感器的探测功能，是键。提高终端传感器的探测功能，是WSNWSN实用实用化的重要手段。化的重要手段。n

4、传感器的一般定义：传感器的一般定义：n能够把特定的被测量信息（物理量、化学量、生物能够把特定的被测量信息（物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换成某种可用信号（电信号、量等）按一定规律转换成某种可用信号（电信号、光信号等）的器件或装置，我们把它称为传感器。光信号等）的器件或装置，我们把它称为传感器。6 传感器传感器是生物体感官的工程模拟物；反过来，生物体的感官又是生物体感官的工程模拟物；反过来，生物体的感官又可以看作是天然的传感器。随着数字化和信息技术与机械装置的融可以看作是天然的传感器。随着数字化和信息技术与机械装置的融合，传感器和执行器已经开始实现数据共享合，传感器和执行器已经开始实现数

5、据共享、功能控制和参数控制、功能控制和参数控制一体化一体化，并通过现场总线与外部连接。随着基础自动化控制功能的，并通过现场总线与外部连接。随着基础自动化控制功能的重新分配，许多计算机控制功能下放到传感器和执行器中完成，如重新分配，许多计算机控制功能下放到传感器和执行器中完成，如参数检测、控制、诊断和维护管理等。参数检测、控制、诊断和维护管理等。 传感器传感器的作用类似于人的感觉器官，是实现测试与控制的首的作用类似于人的感觉器官，是实现测试与控制的首要环节。要环节。传感器的定义和作用传感器的定义和作用7 传感器一般由敏感元件、转换元件和基本转换电路组成传感器一般由敏感元件、转换元件和基本转换电路

6、组成。 2. 传感器的组成传感器的组成8感受或响感受或响应被测量应被测量将被测量转换成适将被测量转换成适于传输或测量的信于传输或测量的信号（一般指电信号）号（一般指电信号）对获得的微弱对获得的微弱电信号进行放电信号进行放大、运算调制大、运算调制 随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的基本转随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的基本转换电路可安装在传感器壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上，换电路可安装在传感器壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上，构成集成传感器。如构成集成传感器。如ADIADI公司的公司的AD22100AD22100模拟集成温度传感器。模拟集成温度传

7、感器。 传感器接口技术传感器接口技术是非常实用和重要的技术。各种物理是非常实用和重要的技术。各种物理量用传感器将其变成电信号，经由诸如放大、滤波、干扰量用传感器将其变成电信号，经由诸如放大、滤波、干扰抑制、多路转换等信号检测和预处理电路，将模拟量的电抑制、多路转换等信号检测和预处理电路，将模拟量的电压或电流送压或电流送A/DA/D转换，变成数字量，供计算机或者微处理转换，变成数字量，供计算机或者微处理器处理。器处理。3. 传感器接口传感器接口94. 4. 传感器的主要性能参数传感器的主要性能参数n了解传感器性能参数是在选用传感器时保证正了解传感器性能参数是在选用传感器时保证正确、不失真测量的首

8、要环节。确、不失真测量的首要环节。n主要性能指标主要性能指标n灵敏度灵敏度n频率响应特性频率响应特性n线性范围线性范围n精度精度n分辩力（率）分辩力（率）n稳定性稳定性n 10（1 1）灵敏度）灵敏度n指传感器达到稳定工作状态时，输出变化量与指传感器达到稳定工作状态时，输出变化量与引起变化的输入变化量之比。引起变化的输入变化量之比。nK=K=输出变化量输出变化量/ /输入变化量输入变化量n传感器的灵敏度越高，意味着传感器感应微弱传感器的灵敏度越高，意味着传感器感应微弱信号的能力越强。信号的能力越强。n但一般来讲，灵敏度越高，测量范围越窄，稳但一般来讲，灵敏度越高，测量范围越窄，稳定性越差。定性

9、越差。11（2 2）响应特性）响应特性n传感器的动态性能是对于随时间变化的输入量的传感器的动态性能是对于随时间变化的输入量的响应性能，即：响应性能，即：n传感器的输出值能真实再现变化着的输入量的能力反传感器的输出值能真实再现变化着的输入量的能力反映。映。n响应特性越好，表示输出信号和输入信号随时间响应特性越好，表示输出信号和输入信号随时间的变化曲线越接近。的变化曲线越接近。n一般地，利用物理特性的传感器（光电效应，压一般地，利用物理特性的传感器（光电效应，压电效应）的响应特性比结构型传感器（电感、电电效应）的响应特性比结构型传感器（电感、电容传感器等）要好。容传感器等）要好。12（3 3）线性

10、范围）线性范围n任何传感器都有一定的线性范围，在线性范围内它的输任何传感器都有一定的线性范围，在线性范围内它的输出与输入成比例关系。线性范围越宽，则表明传感器的出与输入成比例关系。线性范围越宽，则表明传感器的工作量程越大。工作量程越大。n传感器工作在线性范围内，是保证测量精确度的基本条传感器工作在线性范围内，是保证测量精确度的基本条件。例如：件。例如：n机械式传感器中的弹性元件，它的材料弹性极限是决定测力量机械式传感器中的弹性元件，它的材料弹性极限是决定测力量程的基本因素。当超过弹性极限时，传感器就将产生非线性误程的基本因素。当超过弹性极限时，传感器就将产生非线性误差。差。n线性度：线性度：1

11、3max100%LFSLey满量程满量程输出输出（4 4）精度）精度n表示测量结果和表示测量结果和“真值真值”的靠近程度。的靠近程度。n精度表示：精度表示：n传感器在规定条件下，允许的最大绝对误差相对传传感器在规定条件下，允许的最大绝对误差相对传感器满量程输出的百分数感器满量程输出的百分数14100%FSAy精度 分辨力是指分辨力是指能检测出的输入量的最小变化量能检测出的输入量的最小变化量，即传感器能检测到，即传感器能检测到的最小输入增量。在输入零点附近的分辨力称为阈值，即产生可测输的最小输入增量。在输入零点附近的分辨力称为阈值，即产生可测输出变化量时的最小输入量值。下图中的出变化量时的最小输

12、入量值。下图中的x x0 0表示可以开始检测的的最小表示可以开始检测的的最小输出值。输出值。（5 5）分辨率（力）分辨率（力）数字式传感器一般用分辨率表示，数字式传感器一般用分辨率表示，分辨率分辨率= =分辨力分辨力/ /满量程输入值。满量程输入值。5. 5. 传感器的选型原则传感器的选型原则n选择传感器通常需要考虑的因素包括：选择传感器通常需要考虑的因素包括：n测量对象和环境测量对象和环境n量程，传感器体积，价格，。量程，传感器体积，价格，。n灵敏度灵敏度n频率响应特性频率响应特性n传感器的频率响应越高，则可测的信号频率范围就越宽传感器的频率响应越高，则可测的信号频率范围就越宽n线性范围线性

13、范围n线性范围越宽，则它的量程就越大。线性范围越宽，则它的量程就越大。n稳定性稳定性n精度精度n精度越高，价格越昂贵。因此，只要满足整个测量系统的精精度越高，价格越昂贵。因此，只要满足整个测量系统的精度要求即可。度要求即可。166. 6. 常见传感器类型常见传感器类型n能量控制型传感器能量控制型传感器n将被测非电量转换成电参量，工作过程中无换能作将被测非电量转换成电参量，工作过程中无换能作用，需外供辅助能源，又称作无源传感器。如：用，需外供辅助能源，又称作无源传感器。如：n电阻式、电容式、电感式均属这一类型。电阻式、电容式、电感式均属这一类型。n能量转换型传感器能量转换型传感器n在感受外界机械

14、量变化后，输出电压、电流或电荷在感受外界机械量变化后，输出电压、电流或电荷量。可直接输出或放大后输出信号，本身相当于一量。可直接输出或放大后输出信号，本身相当于一个电压源或电流源，又叫做有源传感器。如：个电压源或电流源，又叫做有源传感器。如：n压电式、磁电式和热电式传感器等。压电式、磁电式和热电式传感器等。17常见传感器类型常见传感器类型n光敏传感器光敏传感器n用于检测光线强弱。随着光强度的变化，光敏探头用于检测光线强弱。随着光强度的变化，光敏探头内的电阻值会发生变化。内的电阻值会发生变化。n气、湿敏传感器气、湿敏传感器n气敏传感器可将探测到的气体成分和浓度转换为电气敏传感器可将探测到的气体成

15、分和浓度转换为电信号。常用于可燃气体的探测和报警。信号。常用于可燃气体的探测和报警。n智能传感器智能传感器n将敏感元件、测量电路、处理器、存储器等集成在将敏感元件、测量电路、处理器、存储器等集成在一快芯片上的传感器。一快芯片上的传感器。187. 7. 微型传感器应用示例微型传感器应用示例磁阻传感器：磁阻传感器： 磁性传感器通常又称为磁力计，当它探测出磁场磁性传感器通常又称为磁力计，当它探测出磁场发生变化时，会产生一个阻抗变化值，同时会改变发生变化时，会产生一个阻抗变化值，同时会改变电压输出值。电压输出值。 磁阻磁阻传感器的用途较多，最典型的应用是用于传感器的用途较多，最典型的应用是用于车辆探测

16、。如车轮速度、车辆出现和运动方向等。车辆探测。如车轮速度、车辆出现和运动方向等。 运动车辆的每个部分都会产运动车辆的每个部分都会产生一个可重复的对地球磁场的扰生一个可重复的对地球磁场的扰动，不管车辆向哪个方向行驶，动，不管车辆向哪个方向行驶，这个特征都会被可靠地检测到。这个特征都会被可靠地检测到。 检测车辆存在检测车辆存在的一的一种方法是种方法是观察磁场变化的大小，磁场大小观察磁场变化的大小，磁场大小的变化表明了对地磁场整体的干的变化表明了对地磁场整体的干扰程度。扰程度。磁阻传感器用于车辆探测磁阻传感器用于车辆探测 地球磁场可以地球磁场可以看作是均匀磁场。大的铁磁物体会引起看作是均匀磁场。大的

17、铁磁物体会引起地球磁场的扰动。这些扰动在汽车发动机和车轮处尤为明地球磁场的扰动。这些扰动在汽车发动机和车轮处尤为明显，但也取决于在车辆内部、车顶或后备箱中有没有其它显，但也取决于在车辆内部、车顶或后备箱中有没有其它铁磁物质。铁磁物质。在道路中间和旁边放置磁阻传感器，可以探测在道路中间和旁边放置磁阻传感器，可以探测由于车辆经过而导致的畸变磁场，从而监测车辆的存在，由于车辆经过而导致的畸变磁场，从而监测车辆的存在，在此基础上推导车辆类型、行驶方向等交通参数。在此基础上推导车辆类型、行驶方向等交通参数。 运动车辆探测算法需要有足够的鲁棒性，保证在不同运动车辆探测算法需要有足够的鲁棒性，保证在不同工作

18、环境下的车辆能被可靠探测。同时探测需要的计算应工作环境下的车辆能被可靠探测。同时探测需要的计算应尽可能的简单。尽可能的简单。 简单的阈值检测方法探测运动车辆简单的阈值检测方法探测运动车辆二、物理层概述二、物理层概述1. 1. 物理层的主要功能物理层的主要功能n负责在物理连接上传输二进制比特流，并提供负责在物理连接上传输二进制比特流，并提供为建立、维护和释放物理连接所需要的为建立、维护和释放物理连接所需要的机械机械、电气电气、功能功能和和规程规程的特性。的特性。n为数据终端设备提供数据通路为数据终端设备提供数据通路n传输数据传输数据n其他管理工作（信道评估，能量检测等）其他管理工作（信道评估，能

19、量检测等）连接器尺寸、形状、引脚数、排列等信号电平高低、阻抗、传输率、传输距离限制等各信号线的工作规则和时序规定各信号线的功能和定义24尽可能屏蔽网络中的物理设备、传输介质、通信手段等尽可能屏蔽网络中的物理设备、传输介质、通信手段等存在的差异，为链路层的提供服务存在的差异，为链路层的提供服务2. 2. 物理层的主要技术物理层的主要技术n传输介质与传输介质与频段频段选择选择n编码调制技术编码调制技术n扩频技术扩频技术n扩频又称扩展频谱，是使信号所占有的频带宽度远扩频又称扩展频谱，是使信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽。大于所传信息必需的最小带宽。25无线通信介质无线通信介质n无线通

20、信介质无线通信介质主要为电磁波和声波主要为电磁波和声波n电磁波电磁波n根据波长的不同，可分为无线电波、微波、红外线、毫米根据波长的不同，可分为无线电波、微波、红外线、毫米波和光波等，其中无线电波在无线网络中使用最广泛。波和光波等，其中无线电波在无线网络中使用最广泛。n声波声波一般仅用于水下的无线通信。一般仅用于水下的无线通信。26无线电波无线电波n容易产生，传播距离远，可以穿过建筑物，被广泛地用容易产生，传播距离远，可以穿过建筑物，被广泛地用于室内或室外的无线通信。于室内或室外的无线通信。n是全方向传播信号，能向任意方向发送无线信号，发射是全方向传播信号，能向任意方向发送无线信号，发射方和接收

21、方的装置在位置上不要求精确对准。方和接收方的装置在位置上不要求精确对准。n传播特性与频率相关传播特性与频率相关n弱频率较低，能轻易通过障碍物，但电波能量随着与信号源距弱频率较低，能轻易通过障碍物，但电波能量随着与信号源距离离r r的增大而急剧减小，大致为的增大而急剧减小，大致为1/r1/r3 3。n若采用高频传输，则受障碍物阻挡的影响若采用高频传输，则受障碍物阻挡的影响n无线电波的传输距离较远，但易受干扰。每个国家和地无线电波的传输距离较远，但易受干扰。每个国家和地区都有关于无线频率管制方面的使用授权规定。区都有关于无线频率管制方面的使用授权规定。27 作为无线通信网络中的一种类型，作为无线通

22、信网络中的一种类型，WSNWSN包含了上述介绍包含了上述介绍的无线通信物理层技术的特点。的无线通信物理层技术的特点。 目前无线传感器网络的通信传输介质主要是目前无线传感器网络的通信传输介质主要是无线电波无线电波、红外线红外线和和光波光波三种类型。无线电波的通信限制较少，通常人三种类型。无线电波的通信限制较少，通常人们选择们选择IndustrialIndustrial，Scientific and MedicalScientific and Medical（ISMISM）频段。）频段。ISMISM频段的优点在于它是自由频段，无须注册，可选频谱范频段的优点在于它是自由频段，无须注册，可选频谱范围大

23、，实现灵活方便。缺点主要是功率受限，另外与现有多围大，实现灵活方便。缺点主要是功率受限，另外与现有多种无线通信应用存在相互干扰问题。种无线通信应用存在相互干扰问题。3. WSN3. WSN物理层的特点物理层的特点28 尽管传感器网络可以通过其它方式实现通尽管传感器网络可以通过其它方式实现通信，譬如各种电磁波（如射频和红外）、声波，信，譬如各种电磁波（如射频和红外）、声波，但无线电波是当前传感器网络的主流通信方式，但无线电波是当前传感器网络的主流通信方式，在很多领域得到了广泛应用在很多领域得到了广泛应用。293. 3. 无线传感器网物理层设计无线传感器网物理层设计传输介质传输介质n无线电波是当前

24、传感器网络的主流通信方式，在很多领无线电波是当前传感器网络的主流通信方式，在很多领域得到了广泛应用域得到了广泛应用。在无线电频率选择方面，常选择。在无线电频率选择方面，常选择ISM (IndustrialISM (Industrial，Scientific and Medical)Scientific and Medical)频段。频段。因为因为ISMISM在大多数国家属于无须注册的公用频段。在大多数国家属于无须注册的公用频段。n在频段选择上主要集中在在频段选择上主要集中在433464MHz、902928MHz和和2.42.5GHz的的ISM波段。波段。n红外通信的优点是无须注册，并且抗干扰能

25、力强。穿透红外通信的优点是无须注册，并且抗干扰能力强。穿透能力差，要求发送者和接收者之间存在视距关系。只能能力差，要求发送者和接收者之间存在视距关系。只能在一些特殊场合得到应用。在一些特殊场合得到应用。30 对于一些特殊场合的应用情况，传感器网络对于一些特殊场合的应用情况，传感器网络对通信传输介质可能有特别的要求。例如，舰船对通信传输介质可能有特别的要求。例如，舰船应用可能要求使用水性传输介质，譬如能穿透水应用可能要求使用水性传输介质，譬如能穿透水面的长波。复杂地形和战场应用会遇到信道不可面的长波。复杂地形和战场应用会遇到信道不可靠和严重干扰等问题靠和严重干扰等问题。31 物理层帧结构物理层帧

26、结构n 前导码：用于收发器进行码片或者符号的同步。前导码：用于收发器进行码片或者符号的同步。n帧头：表示同步结束，数据包开始传输。帧头与前导码构成了同帧头：表示同步结束，数据包开始传输。帧头与前导码构成了同步头。步头。n帧长度：其值是后续的物理层帧长度：其值是后续的物理层PHYPHY负载的长度负载的长度n物理服务数据单元物理服务数据单元(PHY Service Data Unite, PSDU)(PHY Service Data Unite, PSDU)，携带，携带PHYPHY数数据包的数据，据包的数据，PSDUPSDU域是物理层的载荷域是物理层的载荷 。无线传感器网物理层设计无线传感器网物理

27、层设计32无线传感器网物理层设计无线传感器网物理层设计 IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.4标准标准nIEEE 802.15.4IEEE 802.15.4标准是针对低速无线个人区域网络标准是针对低速无线个人区域网络（Low-rate wireless personal area networkLow-rate wireless personal area network，LR-WPANLR-WPAN） 制定的标准。制定的标准。n以低能耗、低传输速率、低成本为目标，仅定义了以低能耗、低传输速率、低成本为目标，仅定义了物理层和物理层和MACMAC子层。物理层由射频收发器和底层控子

28、层。物理层由射频收发器和底层控制模块构成。制模块构成。MACMAC子层为高层访问物理信道提供点子层为高层访问物理信道提供点到点通信的服务接口。到点通信的服务接口。n适用于适用于WSNWSN。33 在低速无线个域网在低速无线个域网( (LR-WPANLR-WPAN) )的的802.15.4802.15.4标准中，定义标准中，定义的物理层是在的物理层是在868MHz868MHz、915MHz915MHz、2.4GHz2.4GHz三个载波频段收发三个载波频段收发数据数据。 IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.4标准非常适合无线传感器网络的特点，标准非常适合无线传感器网络的特点，是传感

29、器网络物理层协议标准的最有力竞争者之一。目前是传感器网络物理层协议标准的最有力竞争者之一。目前基于该标准的射频芯片也相继推出，例如基于该标准的射频芯片也相继推出，例如ChipconChipcon公司的公司的CC2420CC2420无线通信芯片。无线通信芯片。3435 总之，总之，针对无线传感器网络的特点，现有的针对无线传感器网络的特点，现有的物理层设计基本采用结构简单的调制方式，在频物理层设计基本采用结构简单的调制方式，在频段选择上主要集中在段选择上主要集中在433433464MHz464MHz、902902928MHz928MHz和和2.42.42.5GHz2.5GHz的的ISMISM波段。

30、波段。三、三、MACMAC协议协议37 在无线传感器网络中，无线信道作为通信介质属在无线传感器网络中，无线信道作为通信介质属于稀缺资源。于稀缺资源。可能有多可能有多个结点个结点设备同时接入信道设备同时接入信道，导，导致分组之间相互冲突，使接收方难以分辨出接收到的致分组之间相互冲突，使接收方难以分辨出接收到的数据，从而浪费了信道资源，导致网络吞吐量下降。数据，从而浪费了信道资源，导致网络吞吐量下降。为了解决这些问题，就需要设计介质访问控制为了解决这些问题，就需要设计介质访问控制(Medium Access Control(Medium Access Control，MAC)MAC)协议。协议。1

31、. 1. 基本概念基本概念nMACMAC（Medium Access ControlMedium Access Control）协议：协议：n决定无线信道的使用方法，用于在传感器节点之间决定无线信道的使用方法，用于在传感器节点之间分配有限的无线通信资源。分配有限的无线通信资源。n通过一组规则和过程来有效、有序和公平地使用共通过一组规则和过程来有效、有序和公平地使用共享介质。享介质。n设置设置MACMAC协议的目的：协议的目的：n避免因可能存在的多个结点设备同时接入信道、导避免因可能存在的多个结点设备同时接入信道、导致分组之间相互冲突、使接收方难以分辨出接收到致分组之间相互冲突、使接收方难以分辨

32、出接收到的数据，从而造成信道资源浪费，导致网络吞吐量的数据，从而造成信道资源浪费，导致网络吞吐量下降。下降。38MACMAC协议设计应考虑的问题协议设计应考虑的问题n节省能量节省能量n为保证长时间有效工作，应尽量节省结点能耗。为保证长时间有效工作，应尽量节省结点能耗。n采用采用“侦听侦听/睡眠睡眠”交替的无线信道以策略。交替的无线信道以策略。n可扩展性可扩展性n因结点的数量、密度、位置常处于变化中，其拓扑因结点的数量、密度、位置常处于变化中，其拓扑结构具有动态性，因此结构具有动态性，因此MACMAC协议应有扩展性。协议应有扩展性。n网络效率网络效率n网络的公平性、实时性、吞吐量和带宽利用率等。

33、网络的公平性、实时性、吞吐量和带宽利用率等。392. MAC2. MAC协议的分类协议的分类n分时复用无竞争接入方式分时复用无竞争接入方式n给每个传感器结点分配固定的无线信道使用时段，给每个传感器结点分配固定的无线信道使用时段，避免节点之间相互干扰。避免节点之间相互干扰。n随机竞争接入方式随机竞争接入方式n结点在需要发送数据时随机使用无线信道，尽量减结点在需要发送数据时随机使用无线信道，尽量减少结点间的干扰。少结点间的干扰。n载波侦听多路访问载波侦听多路访问(Carrier Sense Multiple Access，CSMA)的的MAC协议。协议。n竞争与固定分配相结合的接入方式竞争与固定分

34、配相结合的接入方式4041 无线局域网无线局域网IEEE 802.11 MACIEEE 802.11 MAC协议的分布式协调工作模式中，采用协议的分布式协调工作模式中，采用带冲突避免的载波侦听多路访问协议（带冲突避免的载波侦听多路访问协议（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：在信号传输之前，发射机先侦听介质中是：在信号传输之前，发射机先侦听介质中是否有同信

35、道载波，若不存在，意味着信道空闲，将直接进入数据传输是否有同信道载波，若不存在，意味着信道空闲，将直接进入数据传输状态；若存在载波，则在随机退避一段时间后重新检测信道。状态；若存在载波，则在随机退避一段时间后重新检测信道。发前先侦听，空闲即发送，发前先侦听，空闲即发送，边发边检测，冲突时退避。边发边检测，冲突时退避。ABCDRTS数 据CTSA CKN A VN A V3. IEEE 802.11 MAC3. IEEE 802.11 MAC协议协议4. S-MAC4. S-MAC协议协议n适用条件适用条件n传感器网络的数据传输量不大，网络内部能够进传感器网络的数据传输量不大，网络内部能够进行数

36、据的处理和融合以减少数据通信量，网络能行数据的处理和融合以减少数据通信量，网络能容忍一定程度的通信延迟。它的设计目标是提供容忍一定程度的通信延迟。它的设计目标是提供良好的扩展性，减少节点能耗。良好的扩展性，减少节点能耗。42n无线传感器无线传感器网络结点网络结点通信模块的状态主要包括：通信模块的状态主要包括：n发送发送n接收接收n侦听侦听n睡眠睡眠n信息发送所需能耗最大，睡眠所需最小。信息发送所需能耗最大，睡眠所需最小。n无线传感器网络的无效能耗主要来源于如下四无线传感器网络的无效能耗主要来源于如下四种原因：种原因： 空闲侦听空闲侦听 数据冲突数据冲突 串扰串扰 控制开销控制开销43S-MAC

37、S-MAC协议机制协议机制n周期性侦听和睡眠机制周期性侦听和睡眠机制n流量自适应侦听机制流量自适应侦听机制n冲突和串音避免机制冲突和串音避免机制n消息传递机制消息传递机制44 S-MAC S-MAC协议将时间分为帧，帧长度由应用程序决定。协议将时间分为帧，帧长度由应用程序决定。帧内分监听工作阶段和睡眠阶段。帧内分监听工作阶段和睡眠阶段。“监听监听/ /睡眠睡眠”阶段的阶段的持续时间要根据应用情况进行调整。当结点处于睡眠阶段持续时间要根据应用情况进行调整。当结点处于睡眠阶段时，关闭无线电波。时，关闭无线电波。 调度周期：调度周期：结点的工作结点的工作/ /睡眠周期。睡眠周期。 每个结点独立调度其

38、工作状态，周期性转入睡眠状每个结点独立调度其工作状态，周期性转入睡眠状态，在苏醒后侦听信道，判断是否需要发送或接收数据。态，在苏醒后侦听信道，判断是否需要发送或接收数据。为便于通信，相邻结点应尽量维持睡眠为便于通信，相邻结点应尽量维持睡眠/ /侦听周期的同步。侦听周期的同步。（1 1）周期性侦听和睡眠机制）周期性侦听和睡眠机制45睡眠睡眠/ /侦听过程侦听过程n每个结点中都维护一个存有相邻结点调度信息的每个结点中都维护一个存有相邻结点调度信息的调度表。调度表。n在启动工作时：在启动工作时：n先侦听一段固定时间，若在此时间内收到其他结点的调先侦听一段固定时间，若在此时间内收到其他结点的调度信息，

39、则将其调度周期设置为与邻居结点相同，并等度信息，则将其调度周期设置为与邻居结点相同，并等待一段随机时间后广播其调度信息。待一段随机时间后广播其调度信息。n若在此期间收到多个邻居结点不同的调度周期信息，可若在此期间收到多个邻居结点不同的调度周期信息，可选择收到的第一个信息，并记录其他全部信息。选择收到的第一个信息，并记录其他全部信息。n若在此期间没有收到其他结点的调度信息，则产生自己若在此期间没有收到其他结点的调度信息，则产生自己的调度周期并广播。的调度周期并广播。46 具有相同调度的结点形成一个具有相同调度的结点形成一个虚拟簇，边界结点记录两个或多个虚拟簇，边界结点记录两个或多个调度。调度。

40、为了适应新加入结点，每个结为了适应新加入结点，每个结点要定期广播自己的调度信息，使点要定期广播自己的调度信息，使新结点可以与已经存在的相邻结点新结点可以与已经存在的相邻结点保持同步。如果结点同时收到两种保持同步。如果结点同时收到两种不同的调度，如图所示的处于两个不同的调度，如图所示的处于两个不同调度区域重合部分的结点，那不同调度区域重合部分的结点，那么这个结点可以选择先收到的调度，么这个结点可以选择先收到的调度，并记录另一个调度信息。并记录另一个调度信息。 如果传感器网络的部署范围较如果传感器网络的部署范围较广，可能形成众多不同的虚拟簇，广，可能形成众多不同的虚拟簇，使得使得S-MACS-MA

41、C协议具有良好的可扩展性。协议具有良好的可扩展性。4748通过采用周期性睡眠通过采用周期性睡眠/ /侦听，降低了能量消耗；侦听，降低了能量消耗；通过定期广播自己的周期调度信息，使通过定期广播自己的周期调度信息，使新结点新结点可与已可与已存存相邻结点相邻结点保持同步，形成虚拟簇，提高了可扩展性。保持同步，形成虚拟簇，提高了可扩展性。 基本思想基本思想是在一次通信过程中，是在一次通信过程中，通信结点的邻居在通通信结点的邻居在通信结束后不立即进入睡眠状态，而是保持侦听一段时间信结束后不立即进入睡眠状态，而是保持侦听一段时间。 如果结点在这段时间内接收到如果结点在这段时间内接收到RTSRTS（Requ

42、est to SendRequest to Send）分组，则可以立刻接收数据，无须等到下一次调度侦听周分组，则可以立刻接收数据，无须等到下一次调度侦听周期，从而减少了数据分组的传输延迟。如果在这段时间内期，从而减少了数据分组的传输延迟。如果在这段时间内没有接收到没有接收到RTSRTS分组，则转入睡眠状态直到下一次调度侦听分组，则转入睡眠状态直到下一次调度侦听周期。周期。（2 2）流量自适应侦听机制）流量自适应侦听机制49流量自适应侦听机制减少了因周期性睡眠而导致的通信延流量自适应侦听机制减少了因周期性睡眠而导致的通信延迟的累加迟的累加n串音：串音：结点接收并处理不必要的数据结点接收并处理不必

43、要的数据 n为了减少冲突和避免串音，为了减少冲突和避免串音，S-MACS-MAC协议采用了与协议采用了与802.11 802.11 MACMAC协议类似的载波监听机制，以及协议类似的载波监听机制，以及RTS/CTS/DATA/ACKRTS/CTS/DATA/ACK握握手交互机制。手交互机制。两者的区别在于当源和目标结点处于通信两者的区别在于当源和目标结点处于通信过程时，其邻居点能够侦听到其传输剩余时间过程时，其邻居点能够侦听到其传输剩余时间，并在数，并在数据传输过程中处于休眠状态结点进入睡眠状态据传输过程中处于休眠状态结点进入睡眠状态。n执行执行S-MACS-MAC协议的结点在发送数据时，需先

44、进行载波侦听。协议的结点在发送数据时，需先进行载波侦听。仅当侦听到信道空闲时，才能竞争通信过程。仅当侦听到信道空闲时，才能竞争通信过程。（3 3）冲突和串音避免机制）冲突和串音避免机制50 因无线信道的传输差错与消息长度成正比，故短消息因无线信道的传输差错与消息长度成正比，故短消息传输成功的概率要大于长消息。传输成功的概率要大于长消息。 消息传递机制是消息传递机制是将长消息分为若干个短消息将长消息分为若干个短消息，采用一，采用一次次RTS/CTSRTS/CTS交互的握手机制预约这个长消息发送的时间，交互的握手机制预约这个长消息发送的时间，集中连续发送全部短消息。这样既可以集中连续发送全部短消息

45、。这样既可以减少控制报文的开减少控制报文的开销销，又可以提高消息发送的成功率。，又可以提高消息发送的成功率。（4 4）消息传递机制）消息传递机制51S-MACS-MAC协议的突发分组传送协议的突发分组传送RTS 21Data 19Data 17CTS 20Data1ACK 18ACK 16 ACK0S-M AC52 为使为使邻居结点邻居结点及时获取通信过程剩余时间，每个分组及时获取通信过程剩余时间，每个分组都带有长消息传送还需要的剩余时间，以使都带有长消息传送还需要的剩余时间，以使邻居结点邻居结点知道知道正在进行的通信过程。正在进行的通信过程。目的结点目的结点对每个短消息都发送一个对每个短消息

46、都发送一个应答信号，若应答信号，若发送结点发送结点没有收到应答消息，则立刻重发短没有收到应答消息，则立刻重发短消息。消息。四、路由协议四、路由协议1. 1. 路由路由n路由选择路由选择（RoutingRouting）n从源结点通过至少一个中间结点向目标结点传输信从源结点通过至少一个中间结点向目标结点传输信息的行为。息的行为。n路由协议路由协议n负责将数据分组从源结点通过网络转发到目的结点负责将数据分组从源结点通过网络转发到目的结点n路由协议的路由协议的功能：功能：n寻找源结点和目的结点间的优化路径；寻找源结点和目的结点间的优化路径；n将数据分组沿着优化路径正确转发。将数据分组沿着优化路径正确转

47、发。542.2.传感器网络路由协议特点传感器网络路由协议特点n与传统网络的路由协议相比，无线传感器网络与传统网络的路由协议相比，无线传感器网络的路由协议具有以下特点：的路由协议具有以下特点：n能量优先能量优先n基于局部拓扑信息基于局部拓扑信息n因采用多跳通信方式及结点资源受限，无法存储大量路由因采用多跳通信方式及结点资源受限，无法存储大量路由信息。信息。n以数据为中心以数据为中心n传感器结点多为随机部署，且传感器结点多为随机部署，且WSN关心的是监测区域的关心的是监测区域的感知数据。感知数据。552.2.传感器网络路由协议特点和类型传感器网络路由协议特点和类型n与传统网络相比，与传统网络相比，

48、WSNWSN路由机制应满足：路由机制应满足：n能量高效能量高效n选择能耗小的消息传输路径及使整个网络能耗均衡的路由选择能耗小的消息传输路径及使整个网络能耗均衡的路由n可扩展可扩展n针对动态变化的网络拓扑，要求路由机制具有可扩展性针对动态变化的网络拓扑，要求路由机制具有可扩展性n鲁棒性鲁棒性n对可能存在的传感器节点失效、无线链路通信质量下降等对可能存在的传感器节点失效、无线链路通信质量下降等网络的不可靠性，路由机制要具有一定的容错能力网络的不可靠性，路由机制要具有一定的容错能力n快速收敛快速收敛n路由机制要能快速收敛（避免路由环路），以减少通信协路由机制要能快速收敛（避免路由环路），以减少通信协

49、议开销，提高传输效率。议开销，提高传输效率。56路由协议类型路由协议类型n能量感知路由协议能量感知路由协议n基于查询的路由协议基于查询的路由协议n地理位置路由协议地理位置路由协议n可靠的路由协议可靠的路由协议573. 3. 能量感知路由协议能量感知路由协议 能量感知路由协议能量感知路由协议是最早提出的传感器网络是最早提出的传感器网络路由协议之一。它从数据传输的能量消耗出发，路由协议之一。它从数据传输的能量消耗出发，讨论最少能量消耗和最长网络生存期等问题。讨论最少能量消耗和最长网络生存期等问题。58 能量感知路由协议能量感知路由协议根据节点的当前剩余能量根据节点的当前剩余能量（Power ava

50、ilablePower available，PAPA）或传输路径上的能量需或传输路径上的能量需求，选择数据的转发路径求，选择数据的转发路径。R1：源源 B A B A 汇聚点汇聚点 PA=4，发送能耗发送能耗= =3R2：源源 C B A C B A 汇汇 聚点聚点 PA=6，发送能耗，发送能耗= =6R3：源源 D D 汇聚点汇聚点 PA=3，发送能耗发送能耗= =4R4：源源 F E F E 汇聚点汇聚点 PA=5，发送能耗，发送能耗= =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源结点源结点汇聚结点汇聚结点可用能量发送能耗n针对该例的路由策略主要可以有以下几种：针对该例的路由策略主要可以有以下几种：n最大可用能源（最大可用能源（PAPA）路由）路由n在所有路径中选取结点在所有路径中选取结点PA之和最大的路径。之和最大的路径。n本例中本例中R2（源（源-C-B-A-汇）的汇）的PA之和最大，但之和最大，但R2包含了包含了R1（源（源-B-A-汇）汇） ，不是最高效的路径。，不是最高效的路径。n最小能耗路由最小能耗路由n在所有路径中选取发送能耗之和最少的路径。本例中为在所有路径中选取发送能耗之和最少的路径。本例中为R

52、1n最少条数路由最少条数路由n选择条数最少的路径。本例中为选择条数最少的路径。本例中为R3（源（源-D-汇）汇）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源结点源结点汇聚结点汇聚结点n传统网络路由机制通常选择跳数最小的路径传统网络路由机制通常选择跳数最小的路径n对对WSNWSN，如果频繁使用同一条路径，将造成该，如果频繁使用同一条路径，将造成该路径上的节点因能量消耗过快而过早失效。易路径上的节点因能量消耗过快而过早失效。易在网络中形

53、成在网络中形成“孤立区孤立区”。n能量多路径路由机制：能量多路径路由机制：n在源和汇聚点之间建立多条路径，根据结点的通信在源和汇聚点之间建立多条路径，根据结点的通信能耗和能耗和PAPA情况，为每条路径赋予选择概率，使网络情况，为每条路径赋予选择概率，使网络中的能量消耗均衡。中的能量消耗均衡。61能量感知路由协议小结能量感知路由协议小结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源结点源结点汇聚结点汇聚结点4.4.基于查询的路由协议基于查询的路由协议 在诸如环境检测、战场评估

54、等应用中，在诸如环境检测、战场评估等应用中，需要不断查询需要不断查询传传感器结点感器结点采集的数据采集的数据。由。由汇聚结点汇聚结点（查询结点查询结点）发出查询命）发出查询命令，令，WSNWSN的终端的终端探测结点探测结点向监控中心报告采集的数据。向监控中心报告采集的数据。 在这类监控和检测的应用问题中，在这类监控和检测的应用问题中，通信流量通信流量主要是主要是查询查询结点结点和和探测结点探测结点之间的命令和数据传输，同时对之间的命令和数据传输，同时对探测结点探测结点采采集的信息通常要进行数据融合，通过减少通信流量来节省能集的信息通常要进行数据融合，通过减少通信流量来节省能量，即数据融合技术与

55、路由协议的设计相结合。量，即数据融合技术与路由协议的设计相结合。 基于查询的路由协议常见的有：基于查询的路由协议常见的有：定向扩散路由协议，谣定向扩散路由协议，谣传路由协议传路由协议等。等。62定向扩散路由协议总体原理定向扩散路由协议总体原理 定向扩散定向扩散（Directed DiffusionDirected Diffusion，DDDD）路由协议是一种基于查）路由协议是一种基于查询的路由机制。询的路由机制。 汇聚节点通过兴趣消息（汇聚节点通过兴趣消息（InterestInterest）发出查询任务，采用洪泛）发出查询任务，采用洪泛方式传播兴趣消息到整个区域或部分区域内的所有方式传播兴趣消

56、息到整个区域或部分区域内的所有传感器结点传感器结点。 兴趣兴趣消息消息表示查询任务表示查询任务，表达了网络用户对监测区域内感兴趣，表达了网络用户对监测区域内感兴趣的具体信息。例如监测区域内的温度、湿度和光照等数据。的具体信息。例如监测区域内的温度、湿度和光照等数据。 在兴趣消息的传播过程中，协议逐跳地在每个在兴趣消息的传播过程中，协议逐跳地在每个传感器结点传感器结点上建上建立反向的从数据源到汇聚节点的立反向的从数据源到汇聚节点的数据传输梯度数据传输梯度（GradientGradient），传感），传感器器探测结点将探测结点将采集到的数据沿着梯度方向传送给采集到的数据沿着梯度方向传送给汇聚结点汇

57、聚结点。63定向扩散路由协议定向扩散路由协议n定向扩散路由机制的三个工作阶段：定向扩散路由机制的三个工作阶段：n周期性兴趣扩散周期性兴趣扩散n梯度建立梯度建立n路径加强路径加强64（1 1）兴趣扩散阶段）兴趣扩散阶段 在兴趣扩散阶段在兴趣扩散阶段，汇聚汇聚结点结点周期性地向周期性地向邻居结点邻居结点广广播兴趣消息。兴趣消息中含播兴趣消息。兴趣消息中含有任务类型、目标区域、数有任务类型、目标区域、数据发送速率、时间戳等参数据发送速率、时间戳等参数。65源结点源结点汇聚结点汇聚结点ABCDEn每个结点在本地保存一个兴趣列表每个结点在本地保存一个兴趣列表，对于每一，对于每一个兴趣，列表中都有一个表项

58、，用于记录发来个兴趣，列表中都有一个表项，用于记录发来该兴趣消息的该兴趣消息的邻居结点邻居结点、数据发送的速率数据发送的速率和和时时间戳间戳等任务相关信息，以建立该结点向汇聚结等任务相关信息，以建立该结点向汇聚结点传递数据的梯度关系。点传递数据的梯度关系。66兴趣兴趣ID任务类型任务类型目标区域目标区域发送速率发送速率有效时间有效时间兴趣来源兴趣来源n当结点收到邻居结点转发来的兴趣消息时，先当结点收到邻居结点转发来的兴趣消息时，先检查兴趣列表中是否存有参数类型与收到的兴检查兴趣列表中是否存有参数类型与收到的兴趣及来源相同的表项。趣及来源相同的表项。n若有，则更新有效时间值；若有，则更新有效时间

59、值；n若虽有，但来源不同，则将相应邻居结点信息加入若虽有，但来源不同，则将相应邻居结点信息加入表项；表项；n否则，建立新表项。否则，建立新表项。67（2 2）数据传播（梯度建立）阶段）数据传播（梯度建立）阶段 当探测结点当探测结点采集到与兴趣匹采集到与兴趣匹配的数据时，把数据发送到梯度配的数据时，把数据发送到梯度上的上的邻居结点邻居结点，并按照梯度上的，并按照梯度上的数据传输速率，设定传感器模块数据传输速率，设定传感器模块采集数据的速率。采集数据的速率。 由于可能从多个由于可能从多个邻居结点收邻居结点收到兴趣消息到兴趣消息，结点，结点向多个邻居发向多个邻居发送数据，送数据，汇聚结点汇聚结点可能

60、收到经过可能收到经过多个路径的相同数据。多个路径的相同数据。68源结点源结点汇聚结点汇聚结点数据传播数据传播n当中间结点收到其他结点转发的数据后，查询当中间结点收到其他结点转发的数据后，查询兴趣列表中的表项：兴趣列表中的表项：n若无匹配项，则丢弃；若无匹配项，则丢弃；n若有，则检查与该兴趣对应的数据缓冲池，缓冲池若有，则检查与该兴趣对应的数据缓冲池，缓冲池中保存最近转发的数据。中保存最近转发的数据。n若数据缓冲池中存在与接收的数据匹配的样本，则若数据缓冲池中存在与接收的数据匹配的样本，则说明该数据已转发，丢弃当前接收的数据；否则检说明该数据已转发，丢弃当前接收的数据；否则检查兴趣表该表项中的邻