传感器网络电子教案(全)完整版课件整套教学课件

1、1.1无线传感器网络的发展历程 无线传感器网络从最初的简单传感器系统到今天的智能传感器系统，其发展大致经历了三个阶段，如图所示。下面对每个阶段的特点分别进行介绍。1.1无线传感器网络的发展历程1.1无线传感器网络的发展历程 1. 第一阶段：简单的传感器系统 第一阶段从20世界70年代开始。 当年美越双方在密林覆盖的“胡志明小道”进行了一场血腥较量，“胡志明小道”是胡志明部队向南方游击队输送物资的秘密通道，美军对其进行了狂轰滥炸，但效果不大。后来，美军投放了2万多个“热带树”传感器。“热带树”实际上是由震动和声响传感器组成的系统，它由飞机投放，落地后插入泥土中，只露出伪装成树枝的无线电天线，因而

2、被称为“热带树”。只要对方车队经过，传感器探测出目标产生的震动和声响信息，自动发送到指挥中心，美机立即展开追杀，总共炸毁或炸坏4.6万辆卡车。 这个阶段的传感器节点具有简单的信息获取能力，节点之间初步实现了信息的传递。1.1无线传感器网络的发展历程 2. 第二阶段：节点集成化 第二阶段是20世纪80年代至90年代之间。 1978年，美国国防部高级研究计划局的分布式传感器网络项目，被看作是开启了现代传感器网络研究的先河。该项目的初步设想是建立低功耗传感器节点构成的网络，这些节点之间相互协作将信息发送到处理节点。这个阶段出现了美军研制的分布式传感器网络系统、海军协同交战能力系统、远程战场传感器系统

3、等。 这个阶段的特征是采用了现代微型化的传感器节点，节点具备感知能力、计算能力和通信能力，节点之间的通信能力也逐渐增强。因此在1999年，商业周刊将无线传感器网络列为21世纪最具影响的21项技术之一。1.1无线传感器网络的发展历程 3. 第三阶段：多跳自组网 第三阶段是21世纪开始至今。 美国在2001年发生了震惊世界的“911”事件。如何在地形及其复杂的山区找到恐怖分子，人们设想通过在山区投放各种微型低功耗的探测传感器，网络采用无线多跳自组织的方式，将传感器探测到信息传送给美国军方。因此，能够实现无线多跳自组织的无线传感器网络成为了当时的应用需求和后来的研究热潮。 第三阶段的传感器网络技术特

4、点在于网络传输自组织、节点设计低功耗。无线传感器网络除了应用于反恐活动以外，在其它领域也获得了很好的应用，所以2002年美国国家重点实验室橡树岭实验室提出了“网络就是传感器”的论断。1.1无线传感器网络的发展历程 由于无线传感器网络在国际上被认为是继互联网之后的第二大网络，2003年美国技术评论杂志评出对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术，无线传感器网络被列为第一。美国今日防务杂志认为无线传感器网络的应用和发展将会对未来战争的形式产生质的变化。同年，美国自然科学基金委员会对一项关于传感器及传感器网络的项目投入资金高达3400万美元。2004年，IEEE Spectrum杂志发表专集传感器的

5、国度，论述了无线传感器网络的广阔前景和巨大的社会生活推动力。随后，美国的一些大型公司（英特尔、微软、HP、Texas Instruments等）也纷纷加入到无线传感器网络的研发工作中。同时很多著名大学也纷纷开展关于无线传感器网络的研究，如加州大学伯克利分校、加州大学洛杉矶分校、南加州大学、斯坦福大学、麻省理工学院等院校。英国、意大利等国家也积极开展无线传感器网络领域的的研究工作，并将其研究成果产品化和产业化。1.1无线传感器网络的发展历程 我国也非常重视无线传感器网络的研究工作。我国的无线传感器网络研究与发达国家几乎同步启动，它已经成为我国信息领域位居世界前列的少数方向之一。在2001年，中国

6、科学院成立了中科院上海微系统所，开启了无线传感器网络的研究。从2002年开始，我国国家自然科学基金委员会部署和审批了多个无线传感器网络的相关课题。在2006年我国发布的国家中长期科学与技术发展规划纲要中，为信息技术确定了三个前沿方向，其中有两项就与传感器网络直接相关。2009年，我国提出“感知中国”的概念。2010年，“物联网”被写入我国“政府工作报告”。同年，“物联网”被正式列为国家五大新兴战略性产业之一。1.1无线传感器网络的发展历程 我国参与无线传感器网络研究的主体也非常丰富。哈尔滨工业大学、清华大学、北京邮电大学等率先开展了无线传感器网络的研究。2010年我国教育部首次批准开设物联网工

7、程专业，2011年正式招生。目前我国的绝大多数工科院校，都已经开展了与无线传感器网络相关的研究和教育工作。中国移动、华为、中兴等大型企业也纷纷加入了研发行列。 现实的应用需求推动了无线传感器网络技术的进步和发展。未来，无线传感器网络将对人们的生活工作产生巨大的影响。1.2无线传感器网络的概念 无线传感器网络最早由美国提出，它是不同学科之间相互交叉，知识高度集成形成的。无线传感器网络技术涉及到传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术、无线通信技术、微机电系统技术等多个技术领域，被认为是21世纪最有影响力的技术之一。 无线传感器网络是一个由大量廉价的传感器节点组成的无线自组织网，节点之间通过

8、相互的协作，对指定监测区域的对象实现数据感知、采集和处理，并将数据传输给用户，具有快速展开，安全可靠的良好性能，有着广阔的应用前景。无线传感器网络的部署极大的扩展了人类认知物理世界的能力，提高了人类获取数据的准确性和灵敏度，是物联网获取数据的重要手段。无线传感器网络很好的实现了物理世界、计算机世界和人类世界的连通。1.2无线传感器网络的概念 无线传感器网络可以使人们在任何时间、地点和环境下，获取大量可靠的信息，真正实现了“无处不在的计算”理念。无线传感器网络在军事国防、工业控制、环境监测、智能家居、医疗护理等方面已经表现出了巨大的潜力和应用价值。 一种普遍的关于无线传感器网络的定义是这样的：

9、无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是由大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，目的是协作的感知、处理和传输网络覆盖区域内的感知对象信息，并报告给观察者。1.2无线传感器网络的概念 传感器、感知对象和观察者共同构成了无线传感器网络的三个基本要素。感知对象是网络监测区域的被观察对象。无线传感器网络包含了类型丰富的传感器节点，例如温湿度传感器、红外传感器、烟雾传感器、压力传感器、电磁传感器等等。这些传感器负责采集感知对象的数据，然后经过多跳传输到汇聚节点，最后通过远程数据传输方式（英特网、卫星等）传递到观察者。观察者也可以对无线传感器网络进行

10、任务发布或配置管理。1.3无线传感器网络的特点 无线传感器网络技术，由大量的传感器节点以自组织多跳的的形式构成无线通信网络，实现对网络区域内监测对象的数据采集、处理和传输。1.3无线传感器网络的特点无线传感器网络具有以下特点： 1. 大规模 2. 自组织 3. 动态性 4. 可靠性 5. 应用相关性 6. 资源受限 7. 以数据为中心1.3无线传感器网络的特点 1. 大规模 无线传感器网络大规模的含义包括两层：一层是监测的区域一般比较大，传感器部署在很广的范围内；另一层的含义是部署的传感器节点的数量较多，目的是通过部署冗余节点，使网络系统具有很强的容错能力，提高监测的准确性，减少覆盖盲区。1.

11、3无线传感器网络的特点 2. 自组织 通常情况下，传感器节点被随机抛撒部署，节点的位置不能预先精确确定，节点之间的邻居关系也预先不知道。而且，在使用的过程中，部分传感器节点有可能由于能量耗尽或环境因素失效，也有一些节点后期可能会补充到网络中。这就要求无线传感器网络必须能够拥有自组织网络结构的能力，能够确保自动配置和管理，从而适应网络结构的变化。1.3无线传感器网络的特点 3. 动态性 无线传感器网络的拓扑结构可能会因为很多原因而发生变化，比如：能量耗尽，环境因素，节点故障，通信链路质量变化、节点移动或加入等等。无线传感器网络受到这些因素的影响导致网络拓扑结构发生变化，因此说无线传感器网络具有动

12、态性。这种特点要求无线传感器网络必须能够自行组织网络结构、自动配置和管理，适应动态性的变化。1.3无线传感器网络的特点 4. 可靠性 无线传感器网络通常部署在环境恶劣的地方，极易遭到损坏或破坏，而且还常被部署在人类不宜到达的地方，后期更换维护的难度增大。无线传感器网络的节点数目众多，分布的区域较大，这也大大增加了维护的难度。因此，要求无线传感器网络的软硬件都必须具有良好的鲁棒性和容错性。1.3无线传感器网络的特点 5. 应用相关性 不同的传感器网络关心不同的物理量，因此他们的应用系统也是多种多样的，比一般的网络系统更贴近实际的需求和应用。不同的应用背景，无线传感器网络的开发设计各不相同，系统的

13、硬件平台、软件系统和网络协议会有所差别。针对每一个具体的应用来研究传感器网络技术，这是传感器网络设计不同于传统网络的一个很重要的特征。1.3无线传感器网络的特点 6. 资源受限 由于无线传感器网络的节点数量多，所以一般情况下节点的价格低，而且无线传感器网络要求节点的体积小和功耗低，所以节点的计算能力、存储能力、通信能力和电源能量等都很有限。无线传感器网络在设计和开发时必须充分的考虑到其资源受限的特点。 1.3无线传感器网络的特点 7. 以数据为中心 传统的互联网是一个以IP地址为中心的网络，要想访问互联网中的资源，必须要知道存放资源的服务器的IP地址。 1.3无线传感器网络的特点 在传感器网络

14、中，大量节点随机部署在监测区域内，用户往往感兴趣的是某一个事件的发生，而不关心这个事件是由哪个传感器监测到目标。所以说，无线传感器网络是以数据为中心的。例如，在实现目标跟踪的无线传感器网络中，用户只关心目标出现的位置和事件，并不关心哪个节点监测到目标。事实上，在目标移动的过程中，必然是不同的节点提供目标的位置消息。1.4无线传感器网络体系结构 WSN的体系结构包括网络体系结构和感知节点结构组成两部分。典型的无线传感器网络体系结构包括感知节点（sensor node）、汇聚节点(sink node)、任务管理节点（manager node）；感知节点是无线传感器网络重要组成部分，起到采集信息和传

15、递信息的作用，其结构组成主要有四部分：传感器模块、处理器模块、无线通信模块和供电管理模块。1.4无线传感器网络体系结构典型的无线传感器网络体系结构如图所示，包括感知节点（sensor node）、汇聚节点(sink node)、任务管理节点（manager node）。1.4.1网络体系结构1.4无线传感器网络体系结构1.4.1网络体系结构1.4无线传感器网络体系结构无线传感器网络中，在实际的监测区域内部署了大量的感知节点，这些节点以自组织的方式构成网络，将实时采集的信息通过多跳中继的方式传送给汇聚节点，然后通过卫星或互联网到达任务管理节点。用户也可以通过任务管理节点对无线传感器网络进行远程配

16、置和管理，发布监测任务。1.4.1网络体系结构1.4无线传感器网络体系结构1. 感知节点感知节点是无线传感器网络的基本单元，节点承担着信息采集和路由传递的双重功能。具体来讲，它的作用包括进行本地信息收集及数据处理、对其他节点转发来的数据进行管理和融合等处理、转发收到的数据、与其他节点协同完成特定任务。1.4.1网络体系结构1.4无线传感器网络体系结构2. 汇聚节点汇聚节点，通常是指传感器网络中的网关设备，其处理能力、存储能力及通信能力都相对较强。它连接传感器网络和Internet等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，可以将任务管理节点给出的任务发布出去，并把收集的数据转发至Intern

17、et等外网。1.4.1网络体系结构1.4无线传感器网络体系结构3. 任务管理节点任务管理节点，无线传感器网络的所有者通过任务管理节点访问无线传感器网络的资源，它通常为运行有网络管理软件的PC或者手持移动终端设备。1.4.1网络体系结构1.4无线传感器网络体系结构感知节点是无线传感器网络重要组成部分，起到采集信息和传递信息的作用。其结构组成主要有四部分：传感器模块、处理器模块、无线通信模块、供电管理模块。1.4.2感知节点结构1.4无线传感器网络体系结构1.4.2感知节点结构1.4无线传感器网络体系结构1. 传感器模块传感器模块包括传感器和AD/DC转换器，传感器部分负责采集信息，AD/DC转换

18、器负责模数信号转换。在实际应用中，要根据需要采集的信号，选择相应类型的传感器。常见的传感器有：感光传感器、加速度传感器、温度传感器、湿度传感器等等。1.4.2感知节点结构1.4无线传感器网络体系结构2. 处理器模块处理器模块是感知节点结构的核心，它包括处理器和存储器两部分，节点的所有功能及任务进度都需要它来协调完成。常见的处理器芯片有很多，比如TI公司研发的CC2530系列芯片等等。1.4.2感知节点结构1.4无线传感器网络体系结构3. 无线通信模块无线通信模块有信号接收器、信号发射器等部分构成。无线通信模块的主要功能是和其他无线网络传感器节点进行通信。这个模块是能耗最大的模块。1.4.2感知

19、节点结构1.4无线传感器网络体系结构4. 供电管理模块供电管理模块的作用是提供并管理电能。在具体应用中，要根据能耗情况选择供电设备，用电量小的则可以选择微型电池。1.4.2感知节点结构1.4无线传感器网络体系结构近年来，随着无线传感器网络技术的发展和研究的深入，已经陆续出现了很多种无线传感器网络节点。例如，Mica Mote系列传感器节点由美国加州大学伯克利分校支持研发，具有低功耗、自组织、可重构的特点，主要采用Atmel系列微控制器。该系列的传感器节点已经完成产业化，如Mica2、MicaDot、MicaZ等产品。SP-WSNCE15A平台的系列节点是由凌阳科技大学计划开发提供。该该平台中的

20、主控芯片采用TI公司的CC2530芯片。CC2530芯片能够提供一个用于2.4GHz的IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的片上系统解决方案，且外设资源丰富。单个ZigBee感知节点实物图如图所示。1.4.2感知节点结构1.4无线传感器网络体系结构1.4.2感知节点结构1.4无线传感器网络体系结构感知节点是无线传感器网络的基本单元，节点承担着信息采集和路由传递的双重功能。由于无线传感器网络是一个由大规模、低功耗的感知节点组成的协同工作网络，决定了单个感知节点的成本不会很高。由于成本的限制，导致了感知节点有如下限制条件：1.电源能量有限2.通信能力受限3.计算和存储能力有限1.

21、4.3感知节点的限制条件1.4无线传感器网络体系结构1.电源能量有限通常情况下，传感器感知节点体积很小，携带的能量有限。而且，大量的感知节点被部署在分布范围很广的区域内，有些地方甚至人都不能到达，导致感知节点不能及时有效的得到能量补充。因此，尽可能高效的使用能量来延长整个网络的生命周期是无线传感器网络的首要目标。感知节点消耗能量的模块包括传感器模块、处理器模块和无线通信模块。随着集成电路工艺的进步，传感器和处理器模块的功耗变得很低，绝大部分能量消耗集中在无线通信模块上。下图1-5所示为感知节点各个模块的能量消耗情况，从图中可以看出节点的绝大部分能量消耗集中在无线通信模块上。据了解，感知节点在1

22、00m的距离上传输1b信息需要的能量大约相当于执行3000条计算指令消耗的能量。1.4.3感知节点的限制条件1.4无线传感器网络体系结构1.电源能量有限一般，通信信道可以分四个状态：发送、接收、空闲和睡眠。无线通信模块在空闲状态会一直侦听无线信道的使用情况，检查是否有数据发送给自己，而在睡眠状态则关闭通信模块。从图中可以看出，无线通信模块在发送状态消耗的能量最大，睡眠状态消耗的能量最少。因此，为了达到高效使能能量的目标，让不需要通信的模块尽快进入睡眠状态，是传感器网络设计协议时需要重点考虑的问题。1.4.3感知节点的限制条件1.4无线传感器网络体系结构1.电源能量有限1.4.3感知节点的限制条

23、件1.4无线传感器网络体系结构2.通信能力受限无线通信的能量消耗E与通信距离d的关系如式所示：其中，k是系数，参数n满足关系2nC+R+T。2.2.2 介质访问控制技术2.2数据链路层1.基于竞争的MAC协议（3）T-MAC协议虽然，T-MAC协议可以相对的减少空闲侦听的时间，但这种提前结束活动周期从而减少空闲侦听的方式会带来“早睡”问题，即当某节点在其邻居节点正准备向自己发送数据时恰好进入了睡眠状态。T-MAC协议为解决“早睡”问题提出很多方法，但都不尽理想。2.2.2 介质访问控制技术2.2数据链路层2.基于固定分配的信道接入技术基于固定分配的信道接入技术，又被称为基于预约的信道接入技术，

24、它首先将一个物理信道划分成多个子信道，然后根据节点的需要分配给节点。其中，最常见的就是TDMA、CDMA、FDMA以及一些组合形式的接入技术。由于无线传感器网络能量受限，传统无线网络的信道接入技术都需要经过改进才能应用于我们的传感器网络。2.2.2 介质访问控制技术2.2数据链路层2.基于固定分配的信道接入技术（1）TDMA技术时分复用（Time Division Multiple Access，TDMA）机制是指为每一个无线传感器网络节点分配独立的用于数据收发的时隙，而节点在其他空闲时隙内转入睡眠状态。2.2.2 介质访问控制技术2.2数据链路层2.基于固定分配的信道接入技术（1）TDMA技

25、术与基于竞争的协议相比，采用时分复用的方式可以减少数据的碰撞，且更能节省能量，因为省去了碰撞重传所产生的能量消耗。然而，TDMA机制本身也存在着不足，它需要特别精准的时间同步，通常在拓扑结构不变的网络中，它不能很好的处理传感器节点移动和节点失效的情况，因此网络可扩展性方面有所欠缺。2.2.2 介质访问控制技术2.2数据链路层2.基于固定分配的信道接入技术（1）TDMA技术DEANA协议DEANA协议全称为分布式能量感知节点活动（Distributed Energy-Aware Node Activation，DEANA）协议。2.2.2 介质访问控制技术2.2数据链路层2.基于固定分配的信道接

26、入技术（1）TDMA技术DEANA协议2.2.2 介质访问控制技术2.2数据链路层2.基于固定分配的信道接入技术（1）TDMA技术DEANA协议它在TDMA机制的基础上做出了一些改进，在每一个节点的数据传输时隙之前加入了一段简短的控制时隙，这个控制时隙主要是用来通知在节点之间是否有数据需要收发，如果不需要进行收发，则进入睡眠状态，只有接收数据的节点保持活跃状态。2.2.2 介质访问控制技术2.2数据链路层2.基于固定分配的信道接入技术（1）TDMA技术TRAMA协议TRAMA（Traffic Adaptive Medium Access）协议，即流量自适应介质访问协议。2.2.2 介质访问控制

27、技术2.2数据链路层2.基于固定分配的信道接入技术（1）TDMA技术TRAMA协议2.2.2 介质访问控制技术2.2数据链路层2.基于固定分配的信道接入技术（1）TDMA技术TRAMA协议TRAMA将时间分成一个个时隙，传输时隙长度是固定的，信令时隙要小于传输时隙，网络内节点可交换一跳或者两跳邻居节点信息，采用基于各节点流量信息的分布式选举算法选出特定时隙进行传输，这种预定时隙的机制，能够给数据信息发送者提供无竞争时隙，给短周期控制信息提供随机接入，以此来达到一定的吞吐量和公平性。2.2.2 介质访问控制技术2.2数据链路层2.基于固定分配的信道接入技术（1）TDMA技术TRAMA协议TRAM

28、A协议主要由三部分的内容组成：邻居协议（Neighbor Protocol，NP）、调度交换协议（Schedule Exchange Protocol，SEP）自适应时槽选举算法（Adaptive Election Algorithm，AEA）2.2.2 介质访问控制技术2.2数据链路层2.基于固定分配的信道接入技术（1）TDMA技术DMAC协议DMAC（Data-gathering MAC）协议是针对竞争性MAC协议中的S-MAC和T-MAC协议的数据转发停顿问题而提出来的。DMAC协议特别适用于无线传感器网络中的树形拓扑网络，2.2.2 介质访问控制技术2.2数据链路层2.基于固定分配的信

29、道接入技术（1）TDMA技术DMAC协议2.2.2 介质访问控制技术2.2数据链路层2.基于固定分配的信道接入技术（1）TDMA技术DMAC协议DMAC协议的基本思想是：采用交错调度机制，能够有效减少数据在网络中传输延迟。采用自适应占空比机制、ACK应答机制，能够以网络流量为依据动态的调整占空比。采用预分配机制，可以有效避免休眠延迟。采用MTS帧机制、数据预测机制，能够降低不同父节点的邻居节点之间干扰造成的传输延迟。2.2.2 介质访问控制技术2.2数据链路层2.基于固定分配的信道接入技术（2）CDMA技术主要采用的是CDMA的伪随机码分配算法，所有传感器网络内的节点都与其两跳距离范围内的节点

30、所分配的伪随机码两两正交，以此来避免节点间无线通信的相互干扰。2.2.2 介质访问控制技术2.2数据链路层2.基于固定分配的信道接入技术（3）FDMA技术通常，在一条通信信道上，实际传送一段信息所需要的频带宽度远远小于信道所提供的频带宽度，因此，一条信道只传输一路信号较为浪费。为了可以充分利用频带宽度，所以提出了频分复用的概念。2.2.2 介质访问控制技术2.2数据链路层2.基于固定分配的信道接入技术（3）FDMA技术频分多址（Frequency Division Multiple Access，FDMA）是将传输频带分为N个部分，每个部分作为一个独立的传输信道使用。这样就可以实现在一个传输信

31、道上可以有N部分对话信息进行传送，这样做的话可以大大提高频带利用率。2.2.2 介质访问控制技术2.2数据链路层2.基于固定分配的信道接入技术（3）FDMA技术信道复用率高是频分复用技术的最大优点，它容许复用的路数多，分路也方便。也因此，它成为模拟通信中最重要的一种复用方式，尤其是在有线和微博通信系统中应用十分广泛。但FDMA系统最大的缺点就是设备生产过程较为复杂，会因滤波器件的特性不够理想和信道内存在非线性而产生路间干扰。2.2.2 介质访问控制技术2.2数据链路层3.按需分配的信道接入技术按需分配是另一种在无线局域网中很重要的信道接入方式，这种技术的原则是网络按某种循环顺序询问每个终端是否

32、有数据发送，如果有的话则立即发送；如果没有，则网络立即转向下一个终端。轮询的特点就是可以使各终端可以公平的获得信道访问控制权，适用于通信业务量随时间变化，且这种变化是不可预测的情况。这种方式在一般的实时分布式测控系统中获得了广泛的应用。2.2.2 介质访问控制技术2.2数据链路层3.按需分配的信道接入技术（1）PCF方式PCF工作方式是基于优先级的无竞争访问，以轮询的方式查询当前有哪些节点需要进行数据发送，并在必要的时候给予该节点数据发送权。因此，PCF具有较小的延迟，能使网络吞吐量达到最佳化，可以更好地支持无竞争的限时业务，如语音、视频或多媒体业务等。2.2.2 介质访问控制技术2.2数据链

33、路层3.按需分配的信道接入技术（2）WTRP方式在无线自组织网络中有一种典型的MAC接入协议，称之为无线令牌环控制协议（Wireless Token Ring Protocol，WTRP），此协议是基于PCF方式建立的。2.2.2 介质访问控制技术2.2数据链路层3.按需分配的信道接入技术（2）WTRP方式系统按照某种分群算法将网络初始化为若干环形拓扑结构的子网络（令牌环），分群算法的目的就是获得一个相互联通、且可以覆盖所有节点的群。每个群则是由一个中心节点和若干个普通节点组成，该中心节点被选为群首，各群分别使用不同的信道。群首选择一个或多个节点作为网关用来进行本群与其他群之间的通信业务和中转

34、任务。这里的网关就是在多个信道上切换工作的节点。2.2.2 介质访问控制技术2.2数据链路层3.按需分配的信道接入技术（2）WTRP方式分群后的分布式无线网络可以通过多群间的业务中转而完成各节点间的通信。该协议最大的特点是将令牌与数据结合在一起传送，有数据要发送的站点在转发数据包时将令牌位进行置位并附上站点地址，当令牌回到源节点时，下一个令牌获得站点也就找到了。2.2.2 介质访问控制技术2.2数据链路层1.能量有效性和其他网络性能的良好平衡：虽然能量的高效利用是WSN网络的首要考虑问题，但是现有的MAC协议采用休眠的方式虽然在一定程度上延长了网络寿命，但是也牺牲了网络的其他性能，导致时延较长

35、，网络吞吐量比较低。因此，在不同的应用场合，必须综合考虑WSN网络的能量和其他网络性能参数的平衡关系。2.2.3 信道接入技术的发展趋势2.2数据链路层2.优化的跨层设计：WSN网络不同于传统的网络，跨层设计是WSN的重点。对于设计优化的MAC协议来说，必须综合物理层和网络层的信息来一起设计，以提高网络性能。2.2.3 信道接入技术的发展趋势2.2数据链路层3.安全性：WSN网络极易受到攻击，其安全问题十分复杂。对于安全问题的考虑，要渗透到协议栈的每一层，当然在设计MAC协议时也必须考虑WSN的安全问题。2.2.3 信道接入技术的发展趋势2.2数据链路层4.实时性：一些特殊的应用场合，如工业控

36、制、战场监测等，对无线传感器网络的实时性要求都比较高，因此，实时性的研究也将成为MAC协议研究的另一重点。2.2.3 信道接入技术的发展趋势本章小结本章主要介绍了传感器网络的物理层和数据链路层两个子层的基本内容。这两层主要解决如何实现数据的点到点或点到多点的传输问题，为上层组网提供通信服务。物理层讲了两大方面的内容，一个是物理层涉及到的关键技术，另一个是物理层设计时应该遵循的原则。数据链路层讲了三个内容，一是数据链路层的功能，二是数据链路层设计时应该着重考虑的关键技术，三是介质访问控制协议MAC的工作原理。传感器网络信工学院 郭晓玲18931310179175666832第3章 网络层3.1路

37、由协议的作用无线传感器网络路由协议是无线传感器网络的关键技术之一，对于整个网络的运行性能起着非常重要的作用。路由协议的作用是寻找一条或者多条从源节点到目的节点并且满足一定条件的路径，沿着所寻找的路径进行转发数据分组，它主要包括两个功能：一是寻找源节点和目的节点间的优化路径；二是沿着优化路径转发数据分组。3.1路由协议的作用Ad Hoc、无线局域网等传统无线网络的首要目标是提供高服务质量和公平高效的利用网络带宽。这些网络的路由协议的主要任务是寻找源节点到目的节点间通信延迟小的路径，同时提高整个网络的利用率，避免产生通信堵塞并均衡网络流量等。3.1路由协议的作用在无线传感器网络中，第一，结点的能量

38、是有限的并且一般情况下没有能量的补充，因而在路由协议的设计中，需要考虑如何高效的利用能量；第二，传感器网络节点的数目往往很大，节点只能获取局部拓扑结构信息，路由协议要能在局部网络信息的基础上选择合适的路径；第三，在传感器网络中，没有基站的支撑，由于节点失效、新节点的加入，导致网络拓扑结构的动态变化，使得网络路由协议必须能够支持自组织的动态网络。第四，传感器网络具有很强的应用相关性，不同路由协议反映的特点各有不同，没有一个通用的路由协议。第五，传感器网络的路由机制经常与数据融合技术联系在一起，通过减少通信量来节省能量。3.1路由协议的作用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

39、的特征：1.能量优先传统路由协议在选择最优路径时，很少考虑节点的能量消耗问题。由于无线传感器网络中节点的能量有限，传感器网络路由协议设计的重要目标是延长整个网络的生存期，因此首要考虑节点的能量消耗以及网络能量均衡使用的问题。3.1路由协议的作用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的特征：2.基于局部拓扑信息无线传感器网络为了节省通信能量，通常采用多跳的通信模式，而节点有限的存储资源和计算资源，使得节点不能存储大量的路由信息，因而不能进行太复杂的路由计算。所以，无线传感器网络的路由协议要能在局部网络信息的基础上选择合适的路径。3.1路由协议的作用与传统网络的路由协议相比，无

40、线传感器网络的路由协议具有以下的特征：3.以数据为中心无线传感器网络中大量节点是随机部署的，人们所关注的是监测区域的感知数据，而不是具体哪个节点获取的信息，网络运行不依赖于全网唯一的标识。传感器网络通常包含多个传感器节点到少数汇聚节点的数据流，按照对感知数据的需求、数据通信模式和流向等，以数据为中心形成消息的转发路径。3.1路由协议的作用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的特征：4.应用相关传感器网络应用环境的千差万别导致没有一个通用的路由协议适合所有的应用。设计者需要针对每一个具体应用的需求，设计与之适应的特定路由机制。3.1路由协议的作用与传统网络的路由协议相比，无

41、线传感器网络的路由协议具有以下的特征：5.与数据融合技术相结合 传感器网络的路由机制经常与数据融合技术联系在一起，通过减少通信量来节省能量，在考虑节能的首要问题上，寻找最优路径。3.2路由协议的类型在众多的无线传感网络路由协议中，按照不同的分类方法就会产生不同的结果，以下是常用的几种分类方式：3.2路由协议的类型1.按网络管理的逻辑结构来分类可分为：平面路由协议和分簇路由协议。平面路由协议中，各节点在路由功能上的地位相同，没有特殊节点，网络中流量均匀分布，实现简单，适用于小规模网络。但是由于其跳数较多，所以其能耗较大。典型的平面路由协议有Flooding、Gossiping、SPIN等。3.2

42、路由协议的类型分簇路由协议的关键是成簇协议，即在动态分布式网络环境下使移动节点高效地聚集成簇。每一个簇有一个簇首，簇与簇之间通过网关（可以使簇首，也可以是其他成员）通信。成簇协议、簇维护协议、簇内路由协议和簇间路由协议构成了层次路由协议。层次路由协议扩展性好，适用于大规模的无线传感网络，但需要有较大的开销来维护簇。典型的层次路由协议有LEACH、TEEN、PEGASIS等路由算法。3.2路由协议的类型2.按路由建立时机是否与查询有关来分类可分为：查询驱动的路由协议和非查询驱动的路由协议。对于查询驱动的路由协议，当有查询任务发生时，汇聚节点（查询节点）发出查询任务命令，传感器节点向汇聚节点报告采

43、集的数据，没有查询任务发生时，一般不进行数据汇报。对于非查询驱动的路由协议，与查询任务是否发生无关。典型的基于查询的路由协议有DD、Rumor等。3.2路由协议的类型3.按是否利用节点的地理位置信息来分类：可分为基于地理位置的路由协议和无需地理位置的路由协议。在一些特殊应用中，常需要知道探测事件发生的地理位置，这时候就需要用到基于地理位置的路由协议。无线传感网络中的节点通过GPS或者BDS定位系统确定自己的地理位置信息，然后合理利用这些地理信息，实现无线传感网络路由、传输路径的选择和控制等目标。典型的基于地理位置路由协议有GPSR、GAF、GEAR等。3.2路由协议的类型4.按传输过程中采用路

44、径的数目来分类可分为单路径路由协议和多路径路由协议。多路径路由协议通过增加的路径数，可以增加网络的等效带宽，能够在相同的数据量传输的前提下，缩短传输时延，增加了网络的可靠性。多路径路由容错性强，健壮性好，并且可以从众多路由中选择一条最优路由，提高了无线传感网络的可靠性和实时性，满足了对通信的QoS有较高要求的无线传感网络应用的需要。典型的基于QOS的多路径路由协议有SAR等。3.2路由协议的类型5.按路由发现策略来分类可分为主动路由和被动路由。主动路由的节点通过周期性地广播路由信息分组，交换路由信息，主动发现路由，节点必须维护去往全网所有节点的路由。被动路由是只有在去往目的节点的时候，才按需进

45、行路由发现。被动路由协议根据网络分组的传输请求，被动地搜索从源节点到目的节点的路由。其优点是节省了一定的网络资源，节点无需周期性地广播。缺点是增加了时延，数据分组需要等待路由发现。3.3路由协议设计的原则在无线传感器网络中，节点数目多而且资源有限，随机分配节点的位置，节点间自行组织网络，节点间的数据转发与交换通过多跳路径来实现。因此无线传感器网络协议具有：能量优先、基于局部拓扑信息、以数据为中心、应用相关性、与数据融合相结合的特征。3.3路由协议设计的原则在设计路由协议上需要遵循以下的原则：1.延长网络生存时间原则延长网络生存时间包括：优化能量消耗和均衡能量消耗两方面内容，避免频繁使用某条路径

46、或某些节点，使节点的能耗不均衡，出现网络残缺覆盖，监测数据不完整等问题。3.3路由协议设计的原则在设计路由协议上需要遵循以下的原则：2.可扩展性原则在无线传感器网络中，由于各种原因，会导致网络拓扑结构发生动态变化，这就要求路由机制具有可扩展性，能够适应节点的失效或加入。3.3路由协议设计的原则在设计路由协议上需要遵循以下的原则：3.稳健性原则在数据传输的过程中可能会因为外界的环境影响、节点能量用尽、物理损坏等原因造成节点的失效，另外无线链路本身也存在一些缺陷。应该避免让节点的失效或链路的缺陷对网络的传输任务产生影响，这就需要路由协议拥有一定的容错能力，使得网络运行具有良好的稳健性。3.3路由协

47、议设计的原则在设计路由协议上需要遵循以下的原则：4.异构性原则由于应用的不同，传感接节点也会执行不同的功能，节点与链路的异构会在计算、通信与能量上出现差异。另外，特殊的传感器需要独立的配置。由于多种服务质量的需求，及时的数据采集与报告可能无法以相同速率传输，还可能遵循多种数据报告的模型。因此，节点与链路的异构问题再设计路由协议时需要认真考虑。3.3路由协议设计的原则在设计路由协议上需要遵循以下的原则：5.数据的汇聚与融合原则数据的汇聚，就是指根据某种汇聚的功能，将不同源节点的的数据进行综合处理；而数据的融合是指采用信号的处理方法，实现更精确的信号。无线传感器网路在工作过程中会产生大量的冗余数据

48、，因此大量的无线传感器网络路由协议采用了数据的汇聚与融合技术。3.3路由协议设计的原则在设计路由协议上需要遵循以下的原则：6.快速收敛原则传感器网络的拓扑结构动态变化，节点能量和通信带宽等资源有限，因此要求路由机制能够快速收敛，以适应网络拓扑的动态变化，同时减少通信协议的开销，提高信息传输的效率。3.4典型的路由协议 典型的路由协议包括平面路由协议、基于分簇的路由协议、基于查询的路由协议、基于地理位置的路由协议和基于QOS的路由协议五大类。3.4典型的路由协议常见的平面路由协议有Flooding、Gossiping、SPIN等。那么平面路由指的是什么呢？平面路由指的是在网络中各节点的路由功能地

49、位相同，并且不引入分层管理机制。它的优点是易于实现，健壮性强，无特殊节点，网络流量均匀分散在网络中。它的缺点是能耗高，实现数据传输的跳数较多，在一定程度限制了网络的规模。因此，平面路由的适用范围是小规模网络。3.4.1平面路由协议3.4典型的路由协议1.Flooding协议Flooding协议，又称洪泛协议，是一种以数据为中心的平面路由协议。Flooding协议在传感器网络应用时间较早，相应的它也是较为经典的一种平面路由协议。3.4.1平面路由协议3.4典型的路由协议1.Flooding协议Flooding协议极易实现，它不需要维护网络拓扑结构和路由算法，且每个节点地位是等价的，节点只要将所收

50、到的数据包广播出去，如此循环，直到数据包到达目的节点，或者直到数据包的传输达到最大跳TTL，亦或是所有节点都有此数据包副本时结束。3.4.1平面路由协议3.4典型的路由协议1.Flooding协议以下图为例，简单描述Flooding协议的工作过程：假设源节点A需要将数据包p发送至汇聚节点D，则节点A首先将p的副本广播，则其邻居节点B接收到p的副本，然后节点B将p的副本通过广播的形式转发给E、F、C，以此类推，直到数据包到达汇聚节点D。3.4.1平面路由协议3.4典型的路由协议1.Flooding协议3.4.1平面路由协议3.4典型的路由协议1.Flooding协议通过上述工作过程描述不难发现，

51、Flooding协议存在一个节点接收到多个同一数据包副本的问题。那么就可以窥见，洪泛协议在易于实现的同时，也存在很大的不足：3.4.1平面路由协议3.4典型的路由协议1.Flooding协议（1）信息内爆：即Implosion，是指网络中的一个节点接收到多个同一数据包副本的现象。在上述例子的工作过程中，节点CEF会同时收到多个同一数据包副本P。这种现象就是信息内爆。3.4.1平面路由协议3.4典型的路由协议1.Flooding协议（2）部分重迭：即Overlap，在实际的无线传感器网络环境中，往往有密集的网络节点分布，那么则不免出现一些节点对同一事件做出相同反应，很显然地，这些节点的邻居节点也

52、会收到相同的数据副本。这样的现象就称为部分重迭现象。3.4.1平面路由协议3.4典型的路由协议1.Flooding协议（3）资源盲目利用：每个节点只负责数据的接收和广播，不考虑各节点实际能耗和可用状况，同时也不能预知下一跳的可行性，从而浪费了大量的资源。3.4.1平面路由协议3.4典型的路由协议2.Gossiping协议Gossiping协议，也称闲聊路由协议。它是由Flooding协议改变而来的。那么，Gossiping协议相较于Flooding协议，优点是什么呢？与Flooding协议不同，Gossiping协议不采用广播形式将数据包转发给所有节点的形式，而是通过一定概率随机选择一个节点或

53、几个节点进行数据转发，而不是所有节点。每个节点都以这种方式转发数据直至数据到达汇聚节点。3.4.1平面路由协议3.4典型的路由协议2.Gossiping协议Gossiping协议可以避免信息内爆现象，并在一定程度上解决节点的能耗问题。很显然，Gossiping协议在得到改进的同时，也存在了一定的弊端。在数据转发过程中，每个节点在进行下一跳时，都是随机的，没有使用路径最优算法，因此会大大增加数据包的端到端传输的时延，或者在生命周期结束之前没有到达目的节点。同时，Gossiping协议也无法解决Flooding协议遗留下来的部分重迭和资源盲目利用的问题。3.4.1平面路由协议3.4典型的路由协议2

54、.Gossiping协议如下图所示，节点S传递数据包到节点D，数据包的最大传输跳数TTL设置为6，(a)图是数据包正确到达节点D的可能路线之一，但是如果选择的路径是图(b)，则数据包就不能到达目的节点D。3.4.1平面路由协议3.4典型的路由协议2.Gossiping协议3.4.1平面路由协议3.4典型的路由协议3.SPIN协议SPIN，即Sensor Protocols for Information via Negotiation，信息协商的传感器协议。它是一种以数据为中心的自适应路由协议，以节点之间的协商来确立传输路径。SPIN协议相较于Flooding协议和Gossiping协议而言，

55、它完美地解决了信息内爆，部分重迭以及资源盲目利用等问题。3.4.1平面路由协议3.4典型的路由协议3.SPIN协议SPIN协议的主要思想是：用ADV、REQ和DATA三种类型的消息进行节点之间的协商。ADV消息用于新数据广播，其大小远小于DATA；REQ消息表示请求发送数据；DATA消息表示真实要传输的数据。当一个节点有新数据需要转发时，首先向邻居节点广播ADV消息，根据ADV消息中对新数据的描述，对该数据感兴趣的邻居节点则会向该节点发送REQ消息，表示请求发送数据，然后该节点根据收到的REQ消息，向需要新数据的邻居节点发送DATA消息。3.4.1平面路由协议3.4典型的路由协议3.SPIN协

56、议下图表示了SPIN协议的数据转发过程3.4.1平面路由协议3.4典型的路由协议基于分簇的路由协议，即将监测区域内的节点按照一定的算法划分为若干个小区域，每个小区域称为簇，在每个小区域中选择一个节点作为簇首，负责组织簇内成员的通信。通常情况下，簇内成员只与簇首进行通信。簇首负责接收簇内成员的数据并进行数据融合，然后发送给基站节点，这样减少了向基站节点传送的数据量，从而达到节省能量的目的。分簇路由协议相对于平面路由协议来说有更好的可扩展性，能满足大型无线传感器网络的需求。3.4.2基于分簇的路由协议3.4典型的路由协议1.LEACH路由LEACH（Low Energy Adaptive Clus

57、tering Hierarchy）的全称是低功耗自适应集簇分层型路由，由美国麻省理工学院Henizelman等人于2000年提出，是最早的分簇路由协议，许多后续的其他分簇路由算法都是基于LEACH改进的。3.4.2基于分簇的路由协议3.4典型的路由协议1.LEACH路由LEACH的基本思想是：周期性的循环随机选择簇头节点，簇头节点接收簇内节点的数据后，将数据融合转发给基站节点，从而将整个网络的能量负载均衡分配到每个传感器节点上，以实现最大化网络生存时间、降低网络能耗的目的。3.4.2基于分簇的路由协议3.4典型的路由协议1.LEACH路由LEACH的分簇结构图如图所示3.4.2基于分簇的路由协

58、议3.4典型的路由协议1.LEACH路由LEACH协议是周期性进行的，一个周期称为一轮。每一轮分为：（1）簇的建立；（2）稳定的数据传输。一般来说，数据传输的时间远远长于簇建立的时间，以减少成簇的消耗。3.4.2基于分簇的路由协议3.4典型的路由协议1.LEACH路由（1）簇的建立簇的建立过程又分为两步，第一步是簇头选举；第二步是簇的形成。3.4.2基于分簇的路由协议3.4典型的路由协议1.LEACH路由（1）簇的建立簇头选举：簇头节点的选举采用随机方式，意味着网络中的每个节点均可被选举为簇头（以相同概率），这对均衡网络能耗起到了一定的作用。具体过程如下：每个节点生成一个01之间的随机数，若该

59、随机数小于本轮循环的阈值T(n)，则该节点就当选为本轮的簇头。使用T(n)作为阈值，可以保证节点在近1/p轮内一定当选为簇头。3.4.2基于分簇的路由协议3.4典型的路由协议1.LEACH路由（1）簇的建立T(n)的计算公式如下图所示：其中，p是簇头节点占全部节点的百分比，r是当前轮数，G是前1/p轮中还没有被选举为簇头的节点集合。3.4.2基于分簇的路由协议3.4典型的路由协议1.LEACH路由（1）簇的建立在本轮中，若某节点已经作为簇头节点，则将T(n)赋值0，该节点不会再次被选为簇头。随着r的增大，T(n)越来越大，产生的随机数小于T(n)的概率也越来越大，还未当选过簇头的节点成为簇头的

60、概率也随着增加。3.4.2基于分簇的路由协议3.4典型的路由协议1.LEACH路由（1）簇的建立簇的形成：当簇头节点全部选举完成后，它们会通过广播方式告知整个网络它们是本轮的簇头节点。其它节点收到信息后，根据收到信号的强弱来决定加入哪个簇（加入离它最近的簇），并向相应的簇头发送加入信息。簇头节点收到这些信息后，就可以确定本簇的成员。基于簇的规模，簇头节点创建一个TDMA时隙表并广播给簇内成员，告诉它们什么时候开始传输数据，让其分别在对应的时间内传输，这样就可以保证簇内成员传输数据时不会发生冲突，完成簇的建立。3.4.2基于分簇的路由协议3.4典型的路由协议1.LEACH路由（2）稳定的数据传输