第2章无线传感器网络结构覆盖与拓扑

第2章无线传感器网络结构覆盖与拓扑第一页，共62页。2无线传感器网络结构、覆盖与连接一、网络体系结构的主要功能是组网与通信，是开展无线传感器网络研究的首要内容，是无线传感器网络得以正常工作的基础。在无线传感器网络中，提高能量利用效率，研究和开发有效的、实用的无线传感器网络拓扑结构，开发专用的通信协议和路由算法，设计有效的策略，延长网络的生命周期，是目前无线传感器网络研究的核心课题。2第二页，共62页。二、无线传感器网络覆盖与连通问题是无线传感器网络的基本问题。无线传感器网络的覆盖面积是用于衡量无线传感器网络测量性能的一个重要指标。2无线传感器网络结构、覆盖与连接3第三页，共62页。

2.1.1应用需求与应用模式2.1无线传感器网络体系结构无线传感器网络是面向应用的网络，它的体系结构设计应根据具体应用场景构建，体现在几个方面：一、能量有效性需求二、智能化工作模式需求三、网络动态拓扑需求四、低成本，通用性需求4第四页，共62页。

2.1.2.1无线传感器网络的布置2.1无线传感器网络体系结构其生成过程分为随机类和固定类两种。随机类的生成一般有几步：一、投放二、自检测和启动唤醒状态三、根据监测到周围节点的情况，采用相关的组网算法按预设的方式或规律结合形成网络四、根据路由算法选择合适的路径进行通信5第五页，共62页。生成过程图：2.12.1无线传感器网络体系结构2.12.26第六页，共62页。

2.1.2.2无线传感器网络功能结构2.1无线传感器网络体系结构（1）数据采集和计算（6）设计和用法的多样性（2）通信（7）兼容性（3）协同（8）低能耗（4）重配置（9）柔性功能的动态调整（5）安全和保密7第七页，共62页。

2.1.2.3无线传感器网络逻辑结构2.1无线传感器网络体系结构（1）基础硬件层（2）网络层（3）中间件层（4）操作系统层（5）应用层8第八页，共62页。

2.1.2.4典型的网络体系结构2.1无线传感器网络体系结构对于网状拓扑结构，节点通过选择最小传输功率MTE路径，通过多跳将数据包中继到基站，而最小传输功率算法中，对于靠近基站的热点中继节点，容易过度使用从而造成能量损耗过快，因此可以选用兼顾节点剩余功率的最小功率算法MTE2，在剩余功率超过平均剩余功率的节点中选择中继节点，从而避免靠近基站的热点使用过度。9第九页，共62页。

2.1.2.4典型的网络体系结构2.1无线传感器网络体系结构2.410第十页，共62页。传感器网络的分层拓扑协议，LEACH（Low-EnergyAdaptiveClusteringHicrarchy），最小化网络传感器能量损耗为目标的分层式协议。假设节点数为N，簇头数目的期望值为K，每个节点选择自己成为簇头的概率是：2.1无线传感器网络体系结构11第十一页，共62页。LEACH协议通过仿真验证的结果是5%的节点担任簇头是最优的，然后通过一定的机制使每一个传感器节点都有自己的归属簇，并建立相应的传输机制，当簇中某一个节点发送数据时，其他节点都可以进入睡眠状态，减少能量消耗。2.1无线传感器网络体系结构12第十二页，共62页。

2.1.2.4典型的网络体系结构2.1无线传感器网络体系结构2.513第十三页，共62页。目前无线传感器网络广泛借鉴一种细胞单元型网络结构进行体系结构的构建。所谓细胞单元型网络结构，首先在一些区域中配制一系列的基站，每个基站周围形成一个细胞单元并覆盖的区域，移动的无线网络节点和其他组件只要在该细胞单元的覆盖范围之内，就可以通过无线方式进行通信。其缺点主要是细胞单元必须固定于某区域中，同时各细胞单元必须经过精心设计，以便能够覆盖尽可能多的区域，并实现个细胞单元之间的通信。2.1无线传感器网络体系结构14第十四页，共62页。节点的设计在不同应用中各不相同，但其基本原则是采用尽量灵敏的传感器，尽量低功耗的器件，尽量节省的信号处理，和尽量持久使用的电源。在目前的多种节点设计方案中，各方案的实现原理有一定的类似性，只是采用了不同的微处理器及无线通信协议。2.1无线传感器网络体系结构

2.1.3网络节点体系结构15第十五页，共62页。2.1无线传感器网络体系结构2.616第十六页，共62页。2.1无线传感器网络体系结构2.717第十七页，共62页。2.1无线传感器网络体系结构2.818第十八页，共62页。2.1无线传感器网络体系结构2.919第十九页，共62页。

Sink节点的逻辑性是Sink节点设计更具挑战性。仅作为一个简单的路由器是不行的。Sink节点需要设计成一个应用级的网关，即对于应用级信息，Sink节点要对其动作作出决策。2.1无线传感器网络体系结构

2.1.3网络节点体系结构传感器网络与外部因特网是一个异构网络，从应用层以下各层的协议均不相同，Sink节点作为无线传感器网络与与外部通信网络的连接，须具备应用级网关的功能20第二十页，共62页。无线传感器网络结构包括平面和层次化两类。平面结构中，所有节点都是对等的，在形态和功能上都是相同的。当节点形成层次化结构时，特定层次的节点针对下一层次的部分节点完成特定任务。2.1无线传感器网络体系结构

2.1.4层次化网络结构21第二十一页，共62页。层次化网络的感知\计算和数据传递功能不均匀地分布于节点中，最低层中需要完成所有的感知任务，中间层需要完成所有的计算，而最高层的需要实现所有的数据传递.2.1无线传感器网络体系结构

2.1.4.1层次化网络结构描述22第二十二页，共62页。2.1无线传感器网络体系结构2.1023第二十三页，共62页。传感器网络的功能分解能反映节点的物理特性，或者也可能是一个简单的逻辑区分，比如，其中具有大范围通信能力的节点子集可以形成一个物理的等级化覆盖网络拓扑逻辑2.1无线传感器网络体系结构

2.1.4.1层次化网络结构2.1124第二十四页，共62页。网络中的节点子集可以根据对其他节点的服务功能进行逻辑分类，这些服务可能是数据融合、主流通信和簇头节点路径整合等，逻辑角色分配可能形成一个逻辑性等级化结构。2.1无线传感器网络体系结构

2.1.4.1层次化网络结构2.1225第二十五页，共62页。为了使网络消耗更加平衡，逻辑角色可以在网络中循环替换.当某个节点具有更高的计算能力时，计算任务将从计算能力较低的节点中转移至此。如果没有这样的计算服务器，那么每个节点簇中都必须选择出一个节点来完成数据融合的任务。

只有具有某些特定物理资源的节点能够完成某些特定的工作，如具有GPS接收器的节点需要在位置或时间同步的过程中扮演领导角色。2.1无线传感器网络体系结构

2.1.4.1层次化网络结构26第二十六页，共62页。将网络划分为不同层的简单方法是手动建立网络。网络设计者具体制定哪个节点参与哪一层的工作。

离散型传感网络：网络中几个节点密集的小型子网络相对布置较远以形成一个独立的网络。在每个子网络中，采用短距离通信方式，能耗少，采用全向天线。不同簇之间的传感器不能相互通信。每个子网络中包含一个或几个具有长距离通信能力的节点。2.1无线传感器网络体系结构

2.1.4.2层次化网络结构的建立27第二十七页，共62页。层次化路由有两种形式：一、查询到达目标节点的路由过程可以根据网络的层次特性发生变化二、节点的层次位置与节点地址可以相互编码得到。引入了常变的节点地址简化了路由的探寻过程。2.1无线传感器网络体系结构

2.1.4.2层次化网络结构的建立28第二十八页，共62页。无线传感器网络的设计都面向应用，网络结构较为简单，但对网络的功能结构很难在比较详细的级别上给出。基于智能检测的应用需求、网络规模和无线传感器网络的特点，参考OSI7层体系结构，结合无线传感器网络的组织构成，提出了一种带协议栈的层次式网络通信体系结构模型。2.1无线传感器网络体系结构

2.1.4.3层次化网络通信体系结构29第二十九页，共62页。图2.13网络通信体系结构模型2.1无线传感器网络体系结构

2.1.4.3层次化网络通信体系结构30第三十页，共62页。

1.基础层体系结构的底层，研究问题的核心是网络节点的硬、软件资源，研究的主要内容包括：2.1无线传感器网络体系结构

2.1.4.3层次化网络通信体系结构新型传感器概念、理论和技术的研究新型传感器材料和信息传感器装置的研究恶劣环境下可操作的传感器技术的研究单集成电路片的微型传感器技术的研究缩小传感器体积和重量的研究传感器电源技术的研究31第三十一页，共62页。

1.基础层体系结构的底层，研究问题的核心是网络节点的硬、软件资源，研究的主要内容包括：2.1无线传感器网络体系结构

2.1.4.3层次化网络通信体系结构增强传感器计算能力、感知能力和感知精度的研究提高传感器健壮性和容错性的研究；传感器自校准与自测试技术的研究传感器制造和封装技术的研究嵌入式容错操作系统等软件系统研究32第三十二页，共62页。

2.数据链路层研究的重点是MAC层：2.1无线传感器网络体系结构

2.1.4.3层次化网络通信体系结构考虑到网络环境存在噪声和传感器节点的移动性，其主要功能包括组帧、物理编址、帧检测、流量控制、差错控制，介质访问和数据流的多路技术等。该层协议的目标是向网络层提供可靠支持单播和多播的软件接口，用于建立可靠的点到点或点到多点通信链路。33第三十三页，共62页。

2.数据链路层研究的重点是MAC层：2.1无线传感器网络体系结构

2.1.4.3层次化网络通信体系结构无线传感器网络传输过程中不必要的能量损失主要包括：（1）数据帧的传输冲突（2）射频通信媒体造成的冗余接收，即节点会接收目的地址不是自己的数据帧（3）节点间控制信息的交互。（4）即使在不可能有数据传输的时间内，空闲的监听状态依然运行34第三十四页，共62页。

2.数据链路层研究的重点是MAC层：2.1无线传感器网络体系结构

2.1.4.3层次化网络通信体系结构因此，MAC协议的设计重点是：防止通信冲突。（1）控制主体的方式只能采用分布式控制，所有的工作站共同完成介质访问控制的功能，动态地决定发送数据的顺序（2）控制手段宜选择异步式控制，根据工作站请求的容量分配带宽，可采用循环、预约和竞争3种方式。35第三十五页，共62页。

2.数据链路层研究的重点是MAC层：2.1无线传感器网络体系结构

2.1.4.3层次化网络通信体系结构因此，MAC协议的设计重点是：防止通信冲突。在无线自组传感器网络中，MAC协议必须达到两个目标：一、建立网络基础，二、传感器节点间建立公平、有效的共享通信资源。36第三十六页，共62页。

3.网络层该层协议的功能是在网络中任意需要通信的两点间建立并维护数据传输路径。2.1无线传感器网络体系结构

2.1.4.3层次化网络通信体系结构主要目标：以网络节能为基础，建立并维护多跳通信路由表，根据本地地址信息和路由信息决定是否转发收到的数据帧，同时向应用层提供一个简单易用的软件接口，实现传感器节点与用户之间的通信。37第三十七页，共62页。

4.数据融合层数据融合成遵循对感知信息“先融合后传输”的原则，通过简单有效的算法，将簇头节点接收到的多源感知信息进行融合（关联、组合、分类、统计）已形成更小、更确定的出口帧转发给下一跳。2.1无线传感器网络体系结构

2.1.4.3层次化网络通信体系结构最终目的是利用多个传感器共同联合操作的优势，提高整个系统的有效性。38第三十八页，共62页。

4.数据融合层2.1无线传感器网络体系结构

2.1.4.3层次化网络通信体系结构信息融合的典型方法：（1）加权平均法。（2）投票法。（3）贝叶斯融合方法（4）统计决策理论（5）证据融合方法（6）模糊逻辑方法39第三十九页，共62页。

5.传感应用层2.1无线传感器网络体系结构

2.1.4.3层次化网络通信体系结构传感器网络的应用层为用户接入网络提供了接口，同时也提供了对多种服务的支持。

传感应用层将传感器节点感知的各种信号转为网络可用的比特字节流，并根据不同的监测任务，开发和使用不同的应用软件。

典型任务包括：感知信息的采用处理和发送任务、网络节点状态管理、网络节点任务管理等。40第四十页，共62页。

6.传输层2.1无线传感器网络体系结构

2.1.4.3层次化网络通信体系结构按照传感器网络的需求产生数据流，负责数据流的传输控制。当传感器网络需要和因特网或其他外部网络连接时需要传输层作用。41第四十一页，共62页。分层管理平台2.1无线传感器网络体系结构

2.1.4.3层次化网络通信体系结构（1）能量管理平台能量有效管理平台管理网络节点如何有效使用能量，在各个协议层都需要考虑节省能量。例如，传感节点在接收数据帧后立刻关闭自己的接收装置，同样发送数据帧后关闭发送装置。当一个节点的能量比较低时，广播告知相邻节点它的能量很低不参加路由信息，剩余的能量用于保留感知信息。42第四十二页，共62页。分层管理平台2.1无线传感器网络体系结构

2.1.4.3层次化网络通信体系结构（2）任务管理平台任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度监测任务，为某一特殊区域的传感器节点安排任务和时间计划。因此节点是否执行任务就取决于节点能源级别和任务管理平台对当前状态的判决。43第四十三页，共62页。分层管理平台2.1无线传感器网络体系结构

2.1.4.3层次化网络通信体系结构（3）节点管理平台节点管理平台用来执行节点发现，探测邻居节点状态变迁、移动等任务管理，知道了他们的相邻节点，就能平衡地利用能量和完成任务。同时维护到Sink节点的路由，并保证节点获得邻居状态信息，以平衡网络能量消耗和任务管理。44第四十四页，共62页。2.1无线传感器网络体系结构图2.14无线传感器网络分层结构模型与OSI模型对比45第四十五页，共62页。2.1无线传感器网络体系结构图2.15无线传感器网络分层结构TCP/IP协议对比46第四十六页，共62页。2.1无线传感器网络体系结构图2.15无线传感器网络分层结构TCP/IP协议对比47第四十七页，共62页。2.2无线传感器网络拓扑结构及控制无线传感器网络与传统的无线网络有着不同的特点和技术要求。

无线传感器的目标是提供能量利用效率，研究和开发有效的实用的无线传感器网络拓扑结构，开发专用的通信协议和路由算法，设计有效的策略，延长网络的生命周期。48第四十八页，共62页。2.2无线传感器网络拓扑结构及控制

2.2.1拓扑结构分类按组网形态和方式：集中式、分布式和混合式。按节点功能及结构层次：平面网络结构、分级网络结构、混合网络结构以及Mesh网络结构。49第四十九页，共62页。2.2无线传感器网络拓扑结构及控制

2.2.1拓扑结构分类（1）平面网络结构图2.16无线传感器网络平面网络结构50第五十页，共62页。2.2无线传感器网络拓扑结构及控制

2.2.1拓扑结构分类（2）分级网络结构图2.17无线传感器网络分级网络结构51第五十一页，共62页。2.2无线传感器网络拓扑结构及控制

2.2.1拓扑结构分类（3）混合网络结构图2.18无线传感器网络混合网络结构52第五十二页，共62页。2.2无线传感器网络拓扑结构及控制

2.2.1拓扑结构分类（4）Mesh网络结构图2.19-20完全连接网络结构和Mesh结构53第五十三页，共62页。2.2无线传感器网络拓扑结构及控制

2.2.1拓扑结构分类（4）Mesh网络结构图2.21采用分级网络结构的Mesh结构结构54第五十四页，共62页。2.2无线传感器网络拓扑结构及控制

2.2.2拓扑发现

拓扑发现一般指网络管理员利用专用的网络管理软件自动生成网络的拓扑结构。

无线传感器网络是自组织网络，形成由节点自主完成，在建立的初始阶段，需要采取一定的拓扑生成机制。

类似于晶体生成，成簇方式一般有单晶方式和多晶方式两种。55第五十五页，共62页。2.2无线传感器网络拓扑结构及控制

2.2.2拓扑发现图2.22单晶方式生成的簇状树结构56第五十六页，共62页。2.2无线传感器网络拓扑结构及控制

2.2.3无线传感器网络拓扑控制（1）降低节点能量消耗，延长网络生存时间（2）位路由协议提供基础（3）利于分布式算法的应用（4）有利于数据融合（5）降低节点通信干扰，提高网络吞吐量。57第五十七页，共62页。2.2无线传感器网络拓扑结构及控制

2.2.3无线传感器网络拓扑控制算法（1）基于节点度数的LMA和