无线传感器网络与物联网通信技术 课件 第2章 无线传感器网络体系结构

第2章无线传感器网络体系结构2第2章无线传感器网络体系结构目录2.1体系结构概述2.2物理层2.3数据链路层2.4网络层2.5传输层2.6应用层2.7本章小结2.1体系结构概述2.1.1传感器节点结构传感器节点虽然在具体应用中存在一定的差异，但其基本结构形式是类似的。典型的传感器节点结构如图2-1所示，主要由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块4部分组成。1．传感器模块2．处理器模块3．无线通信模块4．电源模块2.1体系结构概述传感器模块传感器模块包含传感器、调理电路、模数（A/D）转换器，传感器用于感知、获取监测目标信息；如果传感器获取的信息因其微弱性、受干扰性等问题而难以被后续处理器模块处理，则需要设置调理电路，调理电路将传感器获取的信息进行调理，如放大、滤波等；A/D转换器将检测到的模拟信号转换成数字信号，便于后续处理和传输。2.1体系结构概述处理器模块处理器模块由嵌入式系统构成，包含微处理器和存储器等部件。微处理器主要用于协调、控制传感器节点的内部工作，存储器对传感器采集的数据和接收到的数据进行存储，并和微处理器一起实现对数据的本地化处理。处理器模块一般选用低功耗的嵌入式微处理器，如单片机；在某些特殊需求下，也可根据应用需求和节点能力要求选用高性能处理器件，如ARM、现场可编程门阵列（FieldProgrammableGateArray，FPGA）等，提升节点的硬件计算能力（也可描述为节点的边缘计算能力）。2.1体系结构概述无线通信模块无线通信模块主要由无线收发器、MAC协议及无线网络组成，主要负责与其他节点之间的通信，完成数据收发和信息交换的功能。2.1体系结构概述电源模块电源模块为传感器节点提供所需要的能量，一般采用微型电池供电。通常，传感器节点的电源是不方便替换的，因此，无线传感器网络中的电源节能控制就显得尤为重要了。在一些应用中，可采用再生能源方式在一定程度上解决传感器节点的电能供给问题，如太阳能电池板等。2.1体系结构概述传感器节点的功能无线传感器网络中传感器节点往往部署在监测区域现场内或附近位置，起到目标探测、事件检测、辨识分类、追踪及汇报等作用。一般情况下，传感器节点的功能大体上有：①动态配置功能，传感器节点可以动态配置成普通节点或网关节点，可以配置支持多种网络通信功能等；②远程可编程，支持增加新的处理功能，或调整完善现有处理功能；③支持低功耗的网络传输；④支持长距离的多跳通信；⑤支持定位功能，用于确定监测目标或传感器节点自身的地理位置信息；⑥支持移动功能，传感器节点具备适应位置改变的能力和移动侦测能力。2.1体系结构概述无线传感器网络的操作系统嵌入式操作系统是无线传感器网络节点软件中最重要的组成部分，嵌入式软件的设计和应用需要考虑到无线传感器网络中的节点能耗、节点计算能力、网络规模、网络分布与动态性等特征。目前，无线传感器网络的操作系统主要有TinyOS、MantisOS、Contiki、SOS、MagnetOS等。①TinyOS，由美国加州大学伯克利分校研发，是一种基于组件开发方式的开放源代码HYPERLINK操作系统，专为嵌入式HYPERLINK无线传感器网络设计，采用nesC编程语言且基于组件方式，能够快速实现各种应用。2.1体系结构概述无线传感器网络的操作系统②MantisOS，由美国科罗拉多大学研发，是以易用性和灵活性为主要特性的无线传感器网络操作系统，具备动态重新编程功能。该系统基于线程管理模型开发，支持C语言编程且提供线程控制应用编程接口。③Contiki，由瑞典计算机科学研究所研发，是一个开源的多任务HYPERLINK操作系统知识库"操作系统，适用于联网嵌入式系统和无线传感器网络，采用C语言开发，具有高度的可移植性、小代码量且支持IPv6协议栈等优点。一个典型的Contiki系统基本配置只需要2KB的RAM和40KB的ROM。2.1体系结构概述无线传感器网络的操作系统④SOS，由美国加州大学洛杉矶分校研发，是一个基于多线程机制的开源操作系统。SOS采用C语言编程，提供通用内核和动态装载模块来实现消息传递、动态内存管理、模块装载和卸载等服务功能。⑤MagnetOS，由美国康奈尔大学研发，作为一款无线分布式操作系统，可构成自组织网络，提供一个Java虚拟机系统映像，能够自动将应用程序分割成各种组件，并且以利于节能、延长网络寿命的方式将这些组件自动放置和迁移到最合适的节点上。2.1体系结构概述2.1.2无线传感器网络拓扑结构在无线传感器网络应用中，需要将传感器节点集合配置形成一个互联的网络，并能覆盖监测区域。传感器节点的网络部署问题是无线传感器网络运行的基础，一般来说，一个传感器节点的通信范围是有限的，多个传感器节点之间进行协同工作才能获取整个监测区域的信息，因此，传感器节点的部署效果直接影响无线传感器网络的感知范围，决定是否能够有效覆盖整个监测区域。所谓无线传感器网络的节点部署，就是采用某种方式将传感器节点放置在待监测区域内的适当位置。节点部署需要满足两个基本要求：一是感知范围需要覆盖整个监测区域；二是无线传感器网络需要满足具体应用所提出的关于组网代价、能耗及可靠性等方面的性能需求。2.1体系结构概述2.1.2无线传感器网络拓扑结构按照组网形态和组网方式来划分，无线传感器网络的拓扑结构可分为集中式、分布式和混合式3种形式。集中式结构是将网络中的传感器节点进行集中管理，类似于移动通信的蜂窝结构。分布式结构是指网络中的传感器节点可以自组织地接入网络，并且被分散管理，类似于AdHoc网络结构。混合式结构是指具有分布式结构和集中式结构的融合特征。2.1体系结构概述2.1.2无线传感器网络拓扑结构按照节点功能及结构层次来划分，无线传感器网络的拓扑结构可分为平面网络结构、层次网络结构、混合网络结构和Mesh网络结构。网络拓扑结构设计合理能够有效提高无线传感器网络工作的服务质量（QualityofService，QoS），如果网络拓扑结构不能很好地组织节点协同工作，那么就会导致整个网络的组网传输受到阻碍。这种划分方式也是较为常用的网络拓扑描述方式，分别介绍如下。2.1体系结构概述平面网络结构平面网络结构如图2-2所示，该结构是无线传感器网络中最简单的一种拓扑结构，每个节点的功能特性保持一致，均包含相同的MAC、路由、管理和安全等协议。这种网络拓扑结构没有中心管理节点，结构简单，维护方便，具有较好的健壮性。2.1体系结构概述层次网络结构层次网络结构如图2-3所示，又称为分级网络结构，该结构是平面网络结构的一种扩展形式。层次网络结构分为网络上层和网络下层两部分，网络上层包含的是骨干节点，这些骨干节点具有汇聚功能，通常也将骨干节点称为簇头节点，网络中可以有一个或多个骨干节点；网络下层包含的是一般传感器节点（一般节点），通常也将一般节点称为簇内节点。2.1体系结构概述混合网络结构混合网络结构如图2-4所示，该结构是一种将平面网络结构和层次网络结构混合的拓扑结构，也分为网络上层和网络下层两部分。与层次网络结构不同的是，在混合网络结构中网络下层的一般节点之间可以进行相互直接通信而不必通过骨干节点。因此，混合网络结构所支持的功能更强大，但所需要的网络及硬件成本也就更高。2.1体系结构概述Mesh网络结构Mesh网络结构如图2-5所示，该结构具有规则分布的特性。不同于完全连接的网络结构，Mesh网络通常只允许与节点最近的邻居节点通信，且由于网络中传感器节点的功能相同，也因此称为对等网络。从图2-5可以看出，由于节点之间存在多条路由路径，使得网络对于单点或单个链路故障具有较强的容错能力和鲁棒性。2.1体系结构概述2.1.3无线传感器网络协议结构无线传感器网络的协议结构是在参考计算机通信网络的OSI模型和TCP/IP协议架构的基础上发展起来的。基本的无线传感器网络协议由5层结构组成，包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，并通过3个功能管理平台进行协调工作管理，包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台，其结构如图2-6所示。2.1体系结构概述2.1.3无线传感器网络协议结构随着无线传感器网络研究与应用的深入，无线传感器网络协议结构得以改进和发展，在基本结构的基础上进一步考虑了定位、时间同步等需求，其改进的网络协议结构如图2-7所示。从图中可以看出，该改进结构将无线传感器网络协议结构划分成3个组成部分，即网络通信协议、网络管理平台和应用支撑平台2.1体系结构概述网络通信协议网络通信协议部分与基本协议结构类似，仍然由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成，其功能和作用也基本类似。物理层和数据链路层采用的是国际电气和电子工程师协会（InstituteofElectricalandElectronicsEngineers，IEEE）制定的802.15.4协议，该协议是针对低速无线个人区域网络（Low-RateWirelessPersonalAreaNetwork，LR-WPAN）的应用需求而制定的标准。该标准把低能耗、低速率传输、低成本作为设计目标，将个人或小区域范围内不同设备之间低速互联方式进行统一，是物联网体系中最受欢迎、应用最广泛、核心的技术。由于该标准所提供的网络特征与无线传感器网络存在很多相似之处，故将其作为无线传感器网络的无线通信平台。2.1体系结构概述网络管理平台网络管理平台实现对无线传感器网络节点的管理及用户对网络的管理，主要包括拓扑控制服务质量管理能量/安全/移动管理网络管理2.1体系结构概述拓扑控制拓扑控制是无线传感器网络中的一项重要技术，通过数据链路层、网络层实现节点发射功率配置和邻居节点选取等，在保证网络连通性和覆盖性的前提下生成优化的无线传感器网络组网拓扑结构，同时又反过来为数据链路层和网络层提供更新信息。在组网过程中，如果没有拓扑控制，传感器节点会以最大无线传输功率工作，从而导致节点能量因被快速消耗而降低网络的生命周期；也会导致节点之间因无线信号产生冲突而影响节点的无线通信质量。此外，还会导致形成大量的冗余网络拓扑信息，使得路由计算复杂，浪费节点资源。因此，通过拓扑控制可帮助实现延长无线传感器网络的生命周期，提高网络吞吐量，降低网络干扰和节约网络资源。2.1体系结构概述服务质量管理服务质量（QoS）的描述可以从应用角度和网络角度来分析。从应用角度看，服务质量表示用户对网络所提供服务的满意程度；从网络角度看，服务质量表示网络向用户所提供的业务参数指标。一般地，在传统网络概念中，服务质量的典型指标通常包含时延、吞吐量和丢包率等，这些指标直接体现了网络传输数据的相关性能。但是由于无线传感器网络自身的特点，使得与传统网络的服务质量支持机制存在一定的差异，比如资源受限、网络动态变化、存在大量冗余节点等。对于无线传感器网络来说，其网络并不仅仅需要实现数据的传输，还承担着监测物理环境和目标的任务，故无线传感器网络的服务质量问题往往针对具体应用来描述，比如网络的覆盖与能耗问题、事件的检测能力等。对于用户而言，无线传感器网络也需要向用户提供足够的资源，按照用户可接受的性能指标工作，以满足用户需求。2.1体系结构概述能量/安全/移动管理能量管理方面，为了延长无线传感器网络的生命周期，需要在网络通信协议中增加能量控制代码，合理地协调控制网络节点对于能量的消耗。安全管理方面，由于存在节点部署的开放性、网络拓扑的动态变化性、无线信道的不稳定性等问题，无线传感器网络的安全问题受到诸多挑战。比如，网络节点能量有限，使得网络容易受到资源消耗型攻击；网络节点部署区域一般是开放的，使得节点本身容易被捕获而导致节点被破解或破坏；无线信道中，节点通过载波监听方式来确定自身是否可适用信道，容易受到拒绝服务攻击等。因此，需要设计适用于无线传感器网络的安全机制，高效的加密算法、完全的网络通信协议与安全组播方式、密钥管理等都是值得深入研究的方向。移动管理方面，针对网络节点移动应用需求，通过移动管理来实现网络中节点移动的监测与协调控制，维护和跟踪节点之间的路由及其变化。2.1体系结构概述网络管理在无线传感器网络中，网络管理提供一系列相应的技术和方法，完成对无线传感器网络各个组成要素和任务目标的配置、控制、诊断与测试、管理与维护等工作需求，以提升无线传感器网络的运行效率。2.1体系结构概述应用支撑平台应用支撑平台以网络通信协议和网络管理平台为基础，并利用应用服务接口和网络管理接口为用户提供针对不同具体应用的支持，形成无线传感器网络的各种应用软件。2.2物理层2.2.1物理层简介OSI参考模型给出了物理层的定义：物理层是指在物理传输介质之间为二进制比特流传输所需物理连接而建立、维护和释放数据链路实体之间数据传输的物理连接，提供机械的、电气的、功能的和规程的特性。无线传感器网络参照OSI模型，物理层位于网络通信协议体系的最低层，与物理传输介质直接连接，为设备之间的数据通信提供传输介质和互联设备，为数据传输提供可靠的物理环境，其协议是网络通信设备必须遵循的底层协议。概括上说，物理层主要负责信息的调制、发送与接收，是决定无线传感器网络的节点体积、成本与能耗的关键环节。2.2物理层2.2.1物理层简介物理层具有的功能主要体现在以下3个方面。①为数据终端设备提供数据传输通道。数据传输通道可以由一个或者多个传输介质构成，一次完整的数据传输包括物理连接的激活、数据的传送、物理连接的终止3个环节。②传输数据。物理层承担数据传输功能，需要为减少信道拥塞提供足够的通信带宽，保证数据的正确传输。③具有一定的管理能力。物理层涉及信号状态的评估、能量及消耗的检测、通信收发的管理及相关属性的管理等工作。2.2物理层2.2.2物理层设计技术针对无线传感器网络物理层设计，目前的研究与应用主要集中在：传输介质频率选择调制解调机制2.2物理层传输介质无线通信的传输介质主要包括无线电波、红外线、光波、声波等。无线电波便于产生，传播距离远，受建筑物等物体遮挡的影响小，通信机制灵活，是无线传感器网络采用的主流传输方式。红外线在传输过程中不受无线电波的影响，抗干扰能力强，但在存在非透明遮挡物的情况时难以进行有效通信，可适用于一些通信距离小、无遮挡的无线传感器组网应用中，另外红外线的应用不受国家无线电管委会的限制。光波与红外线类似，通信时不能被遮挡物阻挡，相对无线电波而言，光波传输不需要复杂的调制解调机制，接收器电路相对简单，单位数据传输的功耗较小。2.2物理层频率选择由于单一频率不能承载足够的信息容量，因此在无线通信系统中通信信号的电磁频谱需要占据一定的频带范围。无线电频谱是一种不可再生资源，其频段的使用及特定环境下的发射功率等都受到严格的规定。无线电频谱频段的分配见表2.1，无线电频谱划分为甚低频、低频、中频、高频、甚高频、超高频、特高频和极高频8个频段。序号名称符号频率波段波长传播特性1甚低频VLF3～30kHz超长波1000km～100km空间波为主2低频LF30～300kHz长波10km～1km地波为主3中频MF0.3～3MHz中波1km～100m地波与天波4高频HF3～30MHz短波100m～10m天波与地波5甚高频VHF30～300MHz米波10m～1m空间波6超高频UHF0.3～3GHz分米波1m～0.1m空间波7特高频SHF3～30GHz厘米波10cm～1cm空间波8极高频EHF30～300GHz毫米波10mm～1mm空间波2.2物理层频率选择无线传感器网络的频段使用也要按照相关的规范执行。目前，单信道无线传感器网络节点基本上采用的ISM（IndustrialScientificMedical）频段，该频段是特别为工业、科学、医学应用保留下来的频带范围。ISM频段要求面向所有无线电系统开放，原则上无须任何许可证便可使用，只需要遵守一定的发射功率（一般小于1W），并且不对其他频段造成干扰即可，其分布情况见表2.2。序号频率范围中心频率序号频率范围中心频率16.765～6.795MHz6.780MHz82.4～2.5GHz2.450GHz213.553～13.567MHz13.560MHz95.725～5.875GHz5.800GHz326.957～27.283MHz27.120MHz1024～24.25GHz24.125GHz440.66～40.70MHz40.68MHz1161～61.5GHz61.25GHz5433.05～434.79MHz433.92MHz12122～123GHz122.5GHz6868～870MHz869MHz13244～246GHz245GHz7902～928MHz915MHz

2.2物理层调制解调机制调制与解调是通信系统的关键技术之一。一般来说，基带信号不能直接作为信号进行传输，需要将基带信号转换为频率相对较高的调制信号以适合信道传输。所谓调制，就是指将数字基带信号转换成适于信道传输的数字调制信号，即已调信号或频带信号；所谓解调，即调制的反过程，是指在接收端将收到的数字频带信号还原成数字基带信号。根据基带信号类型不同，可将调制分为模拟调制和数字调制。模拟调制可分为幅度调制（AmplitudeModulation，AM）、频率调制（FrequencyModulation，FM）和相位调制（PhaseModulation，PM）。数字调制可分为幅移键控（AmplitudeShiftKeying，ASK）、频移键控（FrequencyShiftKeying，FSK）和相移键控（PhaseShiftKeying，PSK）。2.2物理层调制技术为了满足无线传感器组网最大化数据传输速率和最小化符号率的指标要求，多进制（M-ary）调制机制应用于无线传感器网络。与二进制数字调制不同的是，M-ary调制利用多进制数字基带信号调制载波信号的幅度、频率或相位，可形成相应的多进制幅度调制、多进制频率调制和多进制相位调制。其中，多进制幅度调制可看成开关键控（On-OffKeying，OOK）方式的推广，可获得较高的传输速率，但抗噪声能力和抗衰落能力较差，一般适合恒参或接近恒参的信道；多进制频率调制可看成二进制频率键控方式的推广，其需要占据较宽的频带，信道频率利用率不高，一般适合调制速率较低的应用场所；多进制相位调制利用载波的多种不同相位或相位差来表示数字信息。2.2物理层扩频技术所谓扩频技术，是指在传输数据之前，在发送端采用高速编码技术将待发送数据进行频谱扩展，在接收端采用相同的扩频码序列对接收到的数据进行解扩及相关处理，把展开的扩频信号还原成原来的信号。通过扩频处理后，数据传输的带宽将远大于待传输数据本身所占的带宽。直接序列扩频（DirectSequenceSpreadSpectrum，DSSS）是一种典型的扩频方式，其原理示意如图2-8所示。2.2物理层扩频技术与常规的窄带通信方式相比，DSSS具有较好的通信性能优势，主要体现在以下3个方面。①抗干扰能力强。输入信息在频谱扩展后形成宽带信号传输，再在接收端通过解扩恢复成窄带信号，由于干扰信号与扩频码不相关，在进行扩频处理后，通过窄带滤波器使得干扰信号进入有用频带内的干扰功率得以降低，从而具有更好的抗干扰、抗噪声、抗多径干扰能力。②保密性好，截获率低。由于通信信号被扩频之后，因单位频带内的功率很小而使有用信号将淹没于噪声之中，在无先验知识的情况下很难检测出信号的参数，一般不易被发现，也使得难以被截获，从而达到安全保密通信的目的。③可以实现多址通信。由于扩频通信具有较宽的频带，多个用户可以公用这一宽频带，利用扩频码之间良好的相关性来区分不同的用户，在接收端利用相关检测进行解扩，提取有用信号，使多个用户在这一宽频带上可以同时通信而互不干扰。2.2物理层超宽带无线通信调制技术超宽带（Ultra-WideBand，UWB）是一种新型的无线通信技术，通过对持续时间非常短的冲激脉冲波进行直接调制，使信号具有GHz量级的带宽，适用于高速、近距离的无线个人局域网组网通信。美国联邦通信委员会（FCC）将超宽带信号定义为任何相对带宽大于20%或者绝对带宽不小于500MHz并满足一定功率谱限制的信号。超宽带的主要信号形式可分为传统的基带窄脉冲形式和调制载波形式。基带窄脉冲形式利用宽度在纳秒、亚纳秒级的基带窄脉冲序列进行通信。一般通过脉冲位置调制（PulsePositionModulation，PPM）、脉冲幅度调制（PulseAmplitudeModulation，PAM）等调制方式携带信息。窄脉冲可以采用多种波形，如高斯波形、升余弦波形等。因为脉冲宽度很窄，占空比较小，所以具有很好的多径信道分辨能力。因为不需要调制载波，所以收发系统结构简单，成本较低且功耗也很低。基于以上特点，目前采用基带窄脉冲的UWB技术已广泛应用于雷达探测、透视、成像等领域。2.2物理层解调技术解调是从携带消息的已调信号中恢复消息的过程。发送端用需要传送的消息对载波进行调制，形成携带消息的调制信号，接收端需要恢复所传送的消息才能加以利用，故解调是调制的逆过程，调制方式不同，解调方式也将随之不同。由于噪声、衰减及干扰的影响，所接收到的信号波形存在一定的失真，使得接收端不能全部接收到传输的所有信息。为分析信息的发送与接收效果，一般通过误码率（SymbolErrorRate，SER）来描述数据接收出错的程度，而对于用比特表示的数据，一般采用误比特率（BitErrorRate，BER）来描述。2.2物理层2.2.3通信信道分配——无线信道通信信道是指数据传输所需要的通道。计算机网络技术将通信信道分为物理信道和逻辑信道。其中，物理信道定义为用于传输数据信息的物理通道，由传输介质和相关通信设备组成。根据传输数据类型的不同，物理信道可分为模拟信道和数字信道；根据传输介质的不同，物理信道可分为有线信道和无线信道。有线信道使用有形的介质作为传输介质信道，如电缆、双绞线、光纤等；无线信道主要使用电磁波在空间中的传播信道，如无线电、微波、红外线等。逻辑信道定义为在物理信道的基础上发送和接收数据信息的双方通过中间节点传输数据信息所形成的逻辑通道，逻辑信道可以是有连接的，也可以是无连接的。（1）自由空间信道（2）多径信道（3）加性噪声信道2.2物理层自由空间信道自由空间信道是一种理想化的无线传播信道，具有无阻挡、无衰落、非时变的特点。根据电磁场理论，接收天线的增益代表了天线接收无线电波功率的能力，其与天线有效面积、电磁波波长有关。考虑到无线电波在传输过程中，空间环境并不理想化，气候等环境因素会引起无线电波传输的损耗。如图2-9所示，发射机产生无线电波，发射机天线的辐射功率为Pt，则在相对距离为d处的接收机的接收功率可表示为2.2物理层自由空间信道其中，Gt表示发射天线增益，Gr表示接收天线增益，λ为电磁波波长，L表示与传播无关的系统损耗因子。从表达式中可以看出，接收天线的接收功率是关于发射机到接收机之间距离的函数，且随距离的平方衰减。2.2物理层多径信道在超短波、微波波段及无线电波在传播过程中遇到障碍物时，无线电波会产生反射、绕射或散射等问题，那么，到达接收天线的信号就可能存在多种反射波，这种现象称为多径传播。图2-10示意了无线电波在地面反射后的多径传输情况，图中ht表示发射机高度，hr表示接收机高度，d表示发射机与接收机间的水平距离，r1表示发射机与接收机的直射波直接距离，r2表示经过地面反射波达到接收机天线的总距离。从图中可以看出，发射机与接收机之间有直射波和反射波两条路径，数据信息的传输将受到多径信道的影响。2.2物理层加性噪声信道对于通信信道受到噪声干扰的情况，最简单的数学模型是加性噪声信道模型，如图2-11所示。从图中可以看出，源信号S(t)通过通信信道传输时，通过附加随机噪声n(t)来模拟通信信道被噪声污染，结合信号衰减参数A，可方便地描述接收信号，即2.2物理层多信道通信多信道通信在传统的无线传感器网络中，节点之间采用单一通信信道进行数据传输，在无线电波的有效覆盖范围内，节点之间容易产生信道干扰。常用的IEEE802.11b/g工作在2.4～2.4835GHz的频段范围内。不同国家和地区对2.4GHz频段的使用和信道划分有所不同，北美、中美洲和南美洲国家支持分配为11个信道，多数欧洲国家支持分配为13个信道，日本支持分配为14个信道。如图2-12所示。2.2物理层多信道通信单信道通信模型如图2-13(a)所示，同一区域范围内4个节点使用相同的信道同时进行通信，当节点B和节点C的物理距离小于两者的干扰距离时，两个节点之间就会产生干扰。多信道通信模型如图2-13(b)所示，处于同一区域范围内的节点之间采用不同的信道同时进行通信，由于采用的是不同信道，节点之间就不易产生相互干扰。2.2物理层多信道通信相对于单信道通信而言，多信道通信具有明显的优点。首先，利用多个信道进行通信，可以提高整个无线传感器网络的信息吞吐量。其次，网络中节点通信功率一般均较低，节点间进行通信时的无线信号容易受到周围环境的干扰，对节点的正常数据传输将会造成影响。另外，当无线传感器网络所使用的信道与其他强干扰网络的信道发生重叠时，必然会造成节点间的通信失效。多信道通信产生了不同于单信道通信的如下附加问题。（1）多信道资源分配与协商问题（2）多信道广播问题（3）多信道频谱感知问题（4）安全与同步问题2.2物理层多信道资源分配与协商问题无线传感器网络在使用多信道通信时，要获得最大化的系统网络吞吐量，就需要对众多节点的多个信道进行合理配置。需要注意的是，虽然节点之间可以采用多个信道通信，但只有发送节点和接收节点双方处于同一个信道才能进行数据传输。那么，在进行通信传输之前，发送节点和接收节点之间需要协商，以解决相同信道使用的问题。2.2物理层多信道广播问题在多信道环境中，由于节点存在多个信道，各个节点当前所处信道可能不尽相同。当一个节点在某个信道上广播发送数据包时，处于其他不同信道上的节点无法收到广播数据包，从而引起不能有效组网通信的问题。2.2物理层多信道频谱感知问题当某个无线信道处于占用状态时，多信道通信可以实现通过搜寻空闲信道的方式来解决抗干扰通信的需求。利用信道频谱感知技术，可以智能地判断无线网络的信道使用状态，进而合理分配信道资源，达到提高网络通信稳定性能的目的。但是无线传感器网络的资源与计算能力有限，因此，如何设计适配的频谱感知方法是多信道通信在无线传感器网络应用时需要面临的难题。2.2物理层安全与同步问题目前，基于单信道通信的无线传感器网络时间同步技术已有相应的解决方案，但传统的时间同步技术对于安全问题考虑较少，使得无线传感器网络的时间同步协议存在一定的安全漏洞。在多信道通信中，更是增加了时间同步及其安全机制实现上的复杂度。2.3数据链路层2.3.1数据链路层简介数据链路层位于无线传感器网络基本协议结构中的第二层。位于底层的物理层提供的是关于数据传输的物理连接，数据链路层则是在物理层提供数据传输功能的基础上，进一步形成关于数据传输与控制的逻辑连接，以形成相应的没有差错的数据传输链路并确保该链路的可靠性；同时，数据链路层也为位于上层的网络层提供透明的数据传输服务。概括来说，数据链路层的目的是在无线传感器网络中建立起可靠的点到点或点到多点的通信链路，主要负责数据成帧、帧检测、介质访问控制和差错控制，其中，介质访问控制和差错控制是数据链路层主要的研究与设计内容。2.3数据链路层2.3.2数据链路层能效控制由于无线传感器网络自身条件的限制，特别是电源能量、资源与计算处理能力的约束，使数据链路层协议需要在受限的资源与计算能力条件下尽可能地降低网络的能耗，减少无效的能量使用，即在能耗与传输时延、网络吞吐量等性能之间进行必要的折中处理。因此，数据链路层协议是否设计合理，将直接影响无线传感器网络的组网效果。在数据链路层中，网络节点的多余无效能耗主要来自以下4个方面。1．空闲侦听2．碰撞重发3．控制开销4．串音2.3数据链路层空闲侦听所谓空闲侦听，是指网络中节点不能判断何时才能接收其他节点所传输的数据时，或者节点需要获取网络中各个节点间的数据传输拥塞情况时，节点必须保持在持续侦听状态。无线射频收发电路处于持续工作条件，将造成大量电源能量的无效消耗。空闲侦听是引起网络节点无效能耗的主要因素。因此，协调收发节点双方的同步工作，减少侦听时间是降低能量损耗的关键途径。2.3数据链路层碰撞重发所谓碰撞，是指在无线信道上两个或多个节点同时进行数据传输时，这些节点都因产生冲突而无法收发数据。碰撞发生时，发送和接收数据所消耗的能量也就被浪费了。发送和接收节点双方还需要重建数据传输链路，造成为实现一次数据传输任务而重复消耗能量的问题。碰撞重发也是引起节点无效能耗的重要因素。2.3数据链路层控制开销为了保障无线传感器网络的正常运行，数据链路层协议需要设计一些关于控制报文信息的相互交互功能，这些控制报文并不包含有用的数据信息，但这些控制报文又是无线传感器网络可靠运行所必需的。控制开销所形成的能耗是不能避免的，那么，在数据链路层协议设计时需要将控制报文信息尽量减少，以降低能耗。2.3数据链路层串音无线传感器网络的信道并非节点所独占，当使用一个共享无线信道进行数据传输时，接收节点获取的数据信息可能不是由目标发送节点所发出的，而是其他非相关节点的数据信息，这种情况下的数据收发也是无效的，从而形成串音（或串扰）问题。因串音导致的能耗即是一种无效能耗，为减少这种能耗，需要通过节点间的时间同步与协调机制来解决，以使节点在无数据收发时能够及时睡眠或关闭。由于存在这些多余的无效能耗问题，无线传感器网络MAC协议设计首先需要考虑的就是如何降低节点能耗，提高网络的生命周期。针对无线通信模块的发送、接收、空闲和睡眠4种状态，发送状态的能耗最高，其他状态的能耗依次降低，睡眠状态的能耗最低。要使无线传感器网络实现能量的最优化使用，并使节点能够及时高效地收发数据，就要求MAC协议能够优化无线通信模块的使用状态。2.3数据链路层串音MAC协议可实现侦听与睡眠状态的交替使用策略，当侦听到有数据传输任务时，节点就开启无线通信模块进行数据收发；当无数据传输任务时，节点就控制无线通信模块进入睡眠状态。需要注意的是，如果侦听时间太长，会浪费电源能量，但侦听时间太短又难以保证数据收发的实时性。因此，节点通信状态的调度、MAC协议的轻量化协调设计是数据链路层控制节点能效的关键。2.3数据链路层2.3.3数据链路层MAC协议分类数据链路层MAC协议在物理层的基础上构建了无线传感器网络的底层基础协议结构，主要实现节点无线通信时有限资源的分配并决定无线信道的使用方式。MAC协议的设计需要从节约能量、可扩展性和网络效率等方面着重考虑。节约能量方面，2.3.2节已经说明为尽可能地延长节点的生命周期，MAC协议需要在满足应用环境需求的前提下尽量节约节点能量。可扩展性方面，组网中的节点可能会因能量耗尽或损坏而退出网络，新节点的加入、节点移动等引起的网络环境变化也会造成节点间传输路径及其拓扑分布结构的动态变化，MAC协议需要具备适应网络拓扑结构动态变化的能力，以满足网络扩展需求。网络效率方面，MAC协议需要具备支撑无线传感器网络高效运行的能力，以保障网络运行的公平性、实时性、吞吐率及带宽利用率等。2.3数据链路层2.3.3数据链路层MAC协议分类数据链路层MAC协议设计需要解决网络性能优化问题，无线传感器网络的关键性能指标之间相互关联影响，并不是孤立的。在提高某一种指标性能的同时，其他性能指标可能被降低。比如，要提高网络的动态适应等可扩展能力，就需要增加协议复杂程度和计算存储资源；要提高网络的实时响应能力，要求节点保持在侦听状态，就需要增加节点能耗。按照协议部署方式，MAC协议可分为集中式MAC协议和分布式MAC协议。集中式MAC协议的网络管理效率高，但需要系统具备严格的时钟同步机制；分布式MAC协议下的网络具有良好的扩展性，但系统的开销比较大。这种分类方式与无线传感器网络规模相关，一般情况下大规模网络采用分布式MAC协议。2.3数据链路层2.3.3数据链路层MAC协议分类按照信道共享方式，MAC协议可分为单信道MAC协议和多信道MAC协议。单信道MAC协议下的网络节点体积小、成本低，但通信效率受到影响且通信链路容易受到干扰；多信道MAC协议下信道利用率和通信效率高、抗干扰能力强，但存在硬件成本和协议复杂度相对较高的问题。目前，无线传感器网络主要采用单信道MAC协议按照信道分配策略，MAC协议可分为分配型MAC协议、竞争型MAC协议、混合型MAC协议及跨层型MAC协议。分配型MAC协议是将无线信道分成若干个子信道，用户根据策略分配一定数量的子信道，实现无冲突的信道分配。竞争型MAC协议利用无线信道的随机竞争方式，根据业务需求抢占信道资源。混合型MAC协议是将分配型和竞争型相融合，通过结合两种方式的优势实现性能的提升。跨层型MAC协议针对无线传感器网络的层次网络结构，实现相邻协议层之间的协调和性能优化。2.3数据链路层2.3.4分配型MAC协议分配型MAC协议利用无线信道的时分多址（TimeDivisionMultipleAccess，TDMA）、码分多址（CodeDivisionMultipleAccess，CDMA）、频分多址（FrequencyDivisionMultipleAccess，FDMA）等方式将信道分成若干个子信道，然后根据分配策略将这些子信道划分给收发节点。由于已经将无线传输信道进行了预先分配，也就直接避免了通信冲突发生的可能性。其中，TDMA方式是在时域上将时间划分为不同时隙，CDMA方式是生成多个彼此正交的伪随机码，FDMA方式是在频域上将无线信道划分为多个子信道。2.3数据链路层2.3.4分配型MAC协议在无线传感器网络的信道分配机制中，TDMA方式是一种相对比较简单且成熟的无线信道分配实现方案，它为每个节点分配独立的用于数据传输的时隙，而节点在其他空闲时隙内转入睡眠状态。该方式下的数据传输不需要过多的控制信息，也没有竞争机制中的碰撞重传问题，当节点处于空闲时能够及时睡眠，适合无线传感器网络的能耗控制要求。但该方式对节点间的时间同步指标要求严格，且在网络的可扩展性方面存在一定不足，比如，时间帧的长度和时隙的分配难以调整，对网络动态拓扑结构变化的适应性较差，对节点发送数据量的变化不敏感等。目前一些研究针对无线传感器网络中基于TDMA方式的MAC协议进行了改进和优化。1．基于分簇网络的MAC协议2．TRAMA协议2.3数据链路层基于分簇网络的MAC协议针对具有分簇结构的无线传感器网络（分簇网络），其所有传感器节点通过分配设置或自动形成多个簇，每个簇内拥有一个簇头节点。基于TDMA方式，簇头节点负责簇内节点的时隙分配，收集和处理簇内节点数据信息，并负责与汇聚节点间的数据传输，其MAC协议结构如图2-14所示。2.3数据链路层TRAMA协议TRAMA（TrafficAdaptiveMediumAccess）协议，即流量自适应介质访问协议。当无线传感器网络中节点失效或引入新节点时，网络拓扑结构随之发生变化，为适应这种变化，TRAMA协议在时隙划分的基础上定义交替的随机访问和调度访问两个周期，这两个周期的时隙个数需要根据具体应用情况设定。随机访问周期主要用于网络维护，如失效节点的退出、新节点的加入等是在随机访问周期内完成的。TRAMA协议的时隙分配如图2-15所示。2.3数据链路层TRAMA协议TRAMA协议包含3部分，即：邻居协议（NeighborProtocol，NP）调度交换协议（ScheduleExchangeProtocol，SEP）自适应选举算法（AdaptiveElectionAlgorithm，AEA）。2.3数据链路层邻居协议NP协议是在随机访问周期内执行的，其目的是使无线信道时隙的分配能够适应网络的动态变化。在随机访问周期内，节点采用随机竞争方式占用通告时隙来访问无线信道。NP协议要求节点周期性地通告相关信息，包括自身的ID编号，是否有数据需要发送，以及能够直接通信的邻居节点信息并实现节点间的时间同步。在NP协议支持下，节点之间可获得一致的两跳内的拓扑结构信息和节点流量信息，但要求所有节点在随机访问周期内均处于活动状态，同时要求多次广播通告信息。2.3数据链路层调度交换协议SEP协议的目的是以节点的业务流量信息为依据，建立并维护节点的调度任务。在调度访问周期内，节点周期性地向邻居节点广播其调度信息，如收发数据的节点信息，放弃所占用的时隙等。在调度信息的产生过程中，节点根据上层应用产生数据的分组速率，形成业务流量信息，计算所需的调度间隔（一次调度对应的时隙个数），进而节点获取在这个调度间隔中具有最高优先级的时隙，最后，节点在占用的时隙内发送数据，并通过调度消息告诉相应的接收节点。如果节点没有足够多的数据需要发送，则应及时通告放弃所占用的时隙，以便其他节点可以使用。为防止调度信息的不一致性和发送调度分组时产生冲突，节点需要在当前调度时隙内的最后一个占用时隙广播下一个调度间隔的调度信息。2.3数据链路层自适应选举算法发现邻居节点后，TRAMA协议采用自适应选举算法建立各个节点在当前时隙内的活动策略。该算法定义了节点的发送、接收、睡眠3种状态，在调度访问周期的给定时隙内，当且仅当节点有数据需要发送且在竞争中具有最高优先级时，节点处于发送状态；当且仅当节点是当前发送节点指定的接收者时，节点处于接收状态；其他情况下，节点处于睡眠状态。AEA算法根据当前两跳邻居节点内的节点优先级和一跳邻居的调度信息，决定节点在当前时隙的活动策略，即决定节点是发送、接收或睡眠中的何种活动情况。2.3数据链路层2.3.5竞争型MAC协议与分配型MAC协议不同的是，竞争型MAC协议采用的是按照当前需求使用信道的方式，即在有发送数据需求之前，需要先通过竞争方式获取无线信道，如果数据发送时发生碰撞问题，则按照某种策略进行数据重发，直到数据发送成功或放弃发送为止。该类协议能够较好地适应无线传感器网络节点数量及网络拓扑结构的动态变化，不需要复杂的集中控制调度算法且对时间同步算法的性能要求不高。典型的竞争型MAC协议是IEEE802.11MAC协议，该协议具有分布式协调（DistributedCoordinationFunction，DCF）和点协调（PointCoordinationFunction，PCF）两种访问控制模式。PCF模式实现基于优先级的无竞争访问，仅属于一种可选的访问控制方式。2.3数据链路层2.3.5竞争型MAC协议DIFS的具体长度取决于所采用的物理层特性及所要发送的数据帧类型，高优先级的数据帧需要等待的时间较短，可获得优先发送权，而低优先级的数据帧就需要等待较长的时间。需要注意的是，如果低优先级的数据帧还没来得及发送出去，但其他节点的高优先级数据帧已发送至无线信道，则信道就变为忙状态，那么低优先级的数据帧只能推迟发送。如此协调，就在一定程度上降低了无线信道发生碰撞冲突的概率。CSMA/CA协议相对比较简单，运行较为稳定，其实质是在发送数据帧之前先预约无线信道，但是该协议下节点的空闲侦听时间会比较长，使得节点将产生大量的能耗，因此不能直接应用于无线传感器网络。目前，在IEEE802.11MAC协议的基础上，发展了多种能够适应无线传感器网络应用环境的竞争型MAC协议，如S-MAC协议、T-MAC协议、Sift协议等，该类协议还在不断地改进完善，以下进行基本介绍。2.3数据链路层S-MAC协议S-MAC（SensorMAC）协议是针对IEEE802.11MAC协议存在的能耗控制问题并以此为基础而改进的无线传感器网络MAC协议。该协议是一种具有分布式的MAC协议，根据无线传感器网络的通信负载量、节点公平性及通信时延等特征来设计。S-MAC协议围绕无线传感器网络中的主要能耗因素，涉及空闲侦听、碰撞重传、串音、控制开销等，构建协议工作机制，减少这些因素对能量的消耗，延长节点的生命周期。S-MAC协议的工作机制主要包括周期性侦听与睡眠、虚拟簇、自适应侦听、串音与冲突避免、消息传递等。2.3数据链路层周期性侦听与睡眠机制S-MAC协议针对能耗控制的基本方式是通过让网络节点尽可能地处于睡眠状态来实现的。网络节点调度其工作状态，周期性地控制节点进入睡眠状态，减少空闲侦听的时间，从而达到节能的目的。S-MAC协议的周期性侦听与睡眠机制将时间划分为多个时隙，每个时隙包括侦听、睡眠两种状态，侦听和睡眠的一个完整时间周期为一帧，如图2-16所示。2.3数据链路层虚拟簇机制S-MAC协议要求相邻节点要最大可能地使用相同的调度信息表，即相邻节点执行相同的调度任务。在无线传感器网络中，相邻的各个节点通过定期广播同步包（SYNC）来交换调度信息，同时维护一个调度信息表，保存所有相邻节点的调度信息，以维持相邻节点之间在侦听与睡眠调度时间周期上的同步，即相邻节点要在相同的时间上唤醒或睡眠。虚拟簇机制有利于保障无线传感器网络中相邻节点之间能够及时进行通信，降低消息传输时的控制开销。拥有相同调度信息的相邻节点构成一个虚拟簇（VirtualCluster）。在无线传感器网络中，可以形成多个不同的虚拟簇，各个节点定期广播自己的调度信息，当有新节点加入网络时，新节点与已经存在的相邻节点保持调度同步，这样使S-MAC协议具备良好的网络扩展性。2.3数据链路层虚拟簇机制如果某个节点附近存在不同的虚拟簇，且该节点能够接收到两种以上不同的调度信息，这种节点处于虚拟簇的边界，故称其为边界节点（BorderNode），如图2-17所示。为使边界节点能够与虚拟簇节点同步，通常的处理方式是边界节点可以优先选择先收到调度信息的虚拟簇，并将其他的调度信息记录下来。2.3数据链路层自适应侦听机制无线传感器网络一般采用多跳传输方式，节点在周期性地进入侦听与睡眠状态过程中会导致时延的增加，并且在多跳传输过程中，这种时延会进一步形成累积，S-MAC协议通过自适应侦听机制来降低这种时延累积问题。在自适应侦听机制中，某通信范围内一个当前节点的邻居节点要开始传输信息时，该当前节点就进入睡眠状态（当前节点不是目标节点），当邻居节点此次的信息传输结束后苏醒并侦听一段时间，查看信道的状态信息，判断信道是否空闲或被占用。如果在这段时间内刚好有信息传输至该节点，则该节点可以立刻接收信息，不需要等到该节点睡眠结束后的下一个调度侦听周期，从而降低信息传输时延。如果在这段时间内没有信息接收，则该节点就继续睡眠，直到下一个调度侦听周期。2.3数据链路层串音与冲突避免机制S-MAC协议继承了IEEE802.11MAC协议中的虚拟载波侦听和物理载波侦听方法，采用“请求发送/清除发送”（RequestToSend/ClearToSend，RTS/CTS）方式来解决碰撞和冲突问题。在S-MAC协议中，收发节点通过RTS/CTS方式来占用无线信道，干扰节点在收到RTS/CTS包后进入睡眠状态，这样就可以避免串音。在数据收发期间，如果当前节点不是收发节点，当前节点就转入睡眠；如果苏醒后有信息发送，就竞争无线信道，无信息发送就侦听当前节点是否是下一个信息传输的接收节点。2.3数据链路层消息传递机制一般地，在无线传输过程中，数据信息包的长度越长，形成的输出误码率就会越高。为降低无线传感器网络数据传输的误码率，S-MAC协议利用RTS/CTS方式预约消息发送的时间，将长消息分割成多个短消息后在预约的时间内进行发送。接收节点对于短消息的接收都要回复一个应答消息（ACK），如果发送节点没有收到应答消息，则重传该短消息。由于只使用一次RTS/CTS，协议的控制开销得以降低，同时又能保障数据发送的成功率。2.3数据链路层T-MAC协议T-MAC（TimeoutMAC）协议是在S-MAC协议的基础上进一步发展起来的。在S-MAC协议的周期性侦听与睡眠机制中，其周期长度、侦听活动时间被设置为固定不变，不能根据网络负载调整调度周期。针对S-MAC协议的不足，T-MAC协议可保持S-MAC协议的周期，利用自适应占空比分配方式，根据无线传感器网络的负载流量，动态调整侦听与睡眠状态的时间占空比，采用突发方式发送信息，减少空闲侦听的时间，如图2-18所示，以实现节点能耗控制的目的。2.3数据链路层Sift协议Sift协议是一种新颖的竞争型MAC协议，该协议融合了无线传感器网络基于事件驱动的业务特征，能够适应具有冗余、竞争与空间相关特性的应用场景。Sift协议充分考虑了无线传感器网络的3个应用特点。（1）无线传感器网络的空间相关性和时间相关性（2）基于事件的报告方式（3）感知事件的节点密度自适应调整2.3数据链路层无线传感器网络的空间相关性和时间相关性为保证无线传感器网络监测应用的可靠性和容错性，一般在监测区域布置多个甚至大量的传感器节点，多个相邻节点因监测到同一事件而形成空间相关性；这些监测节点又因为相互临近，会导致对共享无线信道的竞争关系，形成事件传递的时间相关性。基于事件的报告方式在无线传感器网络应用中，并不是所有监测到事件发生的节点都需要向外发送信息，只要这些节点中有一部分节点能够发送监测信息到汇聚节点就可以了。感知事件的节点密度自适应调整在无线传感器网络的监测区域中，随着监测对象的移动或时间的变化，能够监测到事件发生的传感器节点数量也会随之产生动态变化，因此，感知事件的节点密度需要自适应调整。2.3数据链路层2.3.6混合型MAC协议混合型MAC协议综合了分配型MAC协议和竞争型MAC协议的要素，旨在保持两类协议各自优点的同时能够克服各自的缺点，在网络状态发生改变时，能够表现为以其中的一类协议为主、另一类协议为辅的特性，可更好地满足网络拓扑、业务流量动态变化的需求。由于混合型MAC协议综合了两种协议机制，使得该协议的设计相对比较复杂，因此，需要在保障协议性能的基础上尽可能降低协议的复杂度和控制开销，以提升协议效能。随着研究的深入，混合型MAC协议根据无线传感器网络的特点和应用需求也还在不断地完善和改进，这里简单介绍经典的Z-MAC协议和发展的TC2-MAC协议。2.3数据链路层Z-MAC协议Z-MAC协议是一种基于CSMA/TDMA机制的混合型MAC协议，在网络负载较低时采用CSMA机制使用无线信道，以降低时延并提高信道利用率；在网络负载较高时采用TDMA机制来解决无线信道的碰撞问题，以避免冲突和串音。Z-MAC协议把时间帧概念引入协议设计中，一个时间帧又可划分为多个时隙。该协议利用分布式随机时隙分配算法（DRAND）为两跳范围内的相邻节点分配时隙，分配了时隙的节点成为该时隙的所有者，时隙所有者在对应的时隙中具有最高的优先使用权。时隙分配完成后，各个节点都会在时间帧中拥有一个时隙。在低网络流量、低竞争情况下，节点在自身的时隙内可优先发送数据，当时隙内所有者节点没有数据发送时，其他节点可通过竞争侦听方式来使用信道发送数据，提高了信道的利用率。2.3数据链路层TC2-MAC协议TC2-MAC协议是一种新的自适应混合型MAC协议。该协议以分簇网络体系结构为对象，融合基于二叉树结构的时隙块分配策略和基于时隙约束的CSMA/CA竞争接入方式，通过灵活的信息调度机制来改善无线信道接入的公平性，能够较好地自适应跟踪网络流量及拓扑结构的变化，并能够提升网络效率。在时隙分配中，TC2-MAC协议采用以时间帧为周期的时间调度机制，结合无线传感器网络数据业务中周期性感知数据、突发数据和转发数据等不同的业务类型，将时间帧中的时隙分成3个时隙组，再将各个时隙组中的时隙进行交叉编排，并引入二叉树时隙分割方法来改善无线信道使用的公平性。TC2-MAC协议中的时间帧和时隙长度可以根据系统具体的服务质量要求来设定，且可以在网络运行过程中进行灵活配置，并不是固定不变的，其时间帧与时隙的关系为2.3数据链路层TC2-MAC协议其中，Tframe表示时间帧长度；Tslot表示时隙长度，该值与数据分组大小、数据传输速率、时钟漂移等参数有关；k为每个时隙组中时隙个数的对数。图2-19(a)所示即为数据的两组时隙混合传输模式。如果簇头节点在第三组时隙也采用CSMA/CA机制向汇聚节点发送数据，那么下一个第三组时隙内继续采用CSMA/CA机制发送数据，图2-19(b)即为簇头节点向汇聚节点的竞争传输模式。2.3数据链路层2.3.7跨层型MAC协议所谓跨层协议设计，是指实现逻辑上相邻的协议层之间的设计互动和性能优化，具体实施中主要通过不同层级之间的参数综合选择与优化来达到提高整个系统性能的目的。针对无线传感器网络的数据链路层，其跨层型MAC协议设计通过数据链路层与其他层级之间的优化设计来提升MAC协议效率，实现网络能耗的有效控制和网络生命周期的有效延长。跨层型MAC协议是目前关于无线传感器网络的一大研究热点，下面围绕数据链路层及其上下相邻的网络层、物理层间的通信协议结构和共享信息，简要介绍两类跨层型MAC协议，即基于数据链路层与物理层（PHY-MAC）的跨层型MAC协议基于数据链路层与网络层（MAC-NTW）的跨层型MAC协议2.3数据链路层2.3.7跨层型MAC协议1．基于数据链路层与物理层（PHY-MAC）的跨层型MAC协议早期的跨层型MAC协议以数据链路层与物理层为基础，将信息包收发的源地址和目标地址写入物理层协议的标头信息中，通过在其载波监听阶段使用这些地址信息，能够大幅度降低节点的隐藏或暴露等不良情况，从而形成基于MAC地址的物理载波监听机制，该机制在一定程度上提升了网络传输效率。2.3数据链路层2.3.7跨层型MAC协议2．基于数据链路层与网络层（MAC-NTW）的跨层型MAC协议在无线传感器网络协议结构中，数据链路层为网络层提供服务，网络层中的路由信息又可为数据链路层的MAC协议提供性能支撑。将路由信息融入MAC协议的设计，能够进一步提升无线传感器网络的效率，比如，在两层协议中同时考虑节点睡眠因素，可实现能耗的有效控制。这里简单介绍基于路由信息和基于事件驱动的跨层型MAC协议的基本原理。2.3数据链路层基于路由信息的跨层型MAC协议针对S-MAC协议的时延问题，基于路由信息的跨层型MAC协议（Cross-layerMACProtocolbasedonRoutingInformation，RC-MAC）将网络层中的路由信息嵌入MAC协议的帧结构中，在RTS/CTS帧结构中加入传输路径的路由信息，即在RTS帧结构中加入汇聚节点地址，在CTS帧结构中加入汇聚节点地址和下一跳节点地址，其中，下一跳节点地址可以通过查询当前节点的路由缓存表来获取。这样，节点在进行数据传输之前就可以提前知道相应的路径信息，也就可以提前预约保留无线信道，使得该路径上的节点可以在自身接收数据之前就唤醒，而不用等到下一个调度周期，提高了网络传输效率。2.3数据链路层基于事件驱动的跨层型MAC协议在以事件监测响应处理的应用场景中，无线传感器网络的传感器节点需要及时向汇聚节点上报事件发生信息。在此应用需求下，无线传感器网络对数据传输的可靠性和实时性提出了较高要求。针对S-MAC、Sift等协议存在的网络吞吐量、时延或能耗控制不足的问题，基于事件驱动的跨层型MAC协议（EventDrivenCross-layerMAC，EDC-MAC）采用跨层优化方法，融合网络层和数据链路层协议结构与共享信息，优化MAC协议性能。EDC-MAC协议根据无线传感器网络的事件驱动业务特点，将网络工作状态分为非事件状态和事件激活状态两种形式。2.3数据链路层2.3.8差错控制一个典型的无线通信系统如图2-20所示。信源编码将获取的信源消息转化为二进制数据（比特，Bit）序列，信道编码再将这些数据序列变换为数字编码序列，然后通过调制设备将数字编码序列调制为适合信道传输的形式，进而发射出去。解调设备在接收端获取信息序列，信道译码将接收到的信息序列变换为二进制数据序列，通过信源译码再变换为对信源输出消息的估计，并将该估计结果传送至信宿。2.3数据链路层2.3.8差错控制所谓差错控制，就是利用编码技术对数字通信传输过程中形成的差错进行控制，达到提高传输正确性和可靠性的目的。其基本做法是：利用信道编码在发送端按照某种约束规则对所传输的信息序列进行编码，附加一定的监督码元；在接收端通过既定的约束规则来检验接收到的信息码元与监督码元之间的关系，如果出现传输错误，就要求对其进行纠错。常用的差错控制技术有自动请求重传（AutoRepeatRequest，ARQ）、前向纠错（ForwardErrorCorrection，FEC）和混合自动请求重传（Hybrid-ARQ，HARQ）。2.3数据链路层自动请求重传技术自动请求重传技术是通信过程中处理因信道出现传输差错的一种常用方法，包含3种基本处理方式，即停等式ARQ、退N步ARQ和选择性重传ARQ。在停等式ARQ中，发送端向接收端发送一个数据包，并等待接收端的状态报告。如果收到接收端的肯定应答，说明该数据包已经被成功接收，可以继续发送下一个数据包；如果收到否定应答，说明接收端收到的数据包出现错误，需要重传该数据包。在退N步ARQ中，发送端发出一个数据包后，不必等待接收端应答，可以直接发送下一个数据包。从数据包发送到发送端收到该数据包状态应答信息的过程中存在往返时延，需要经历一段时间间隔。假设在这个时延中传输了后续的N-1个数据包，如果发送端收到的是肯定应答，则对传输没有影响；如果发送端收到的是否定应答，就需要退回到否定应答所对应的错误数据包，重传该数据包及其后续N-1个数据包。2.3数据链路层前向纠错技术前向纠错技术采用数据编解码方式来改善系统的误码性能，基本原理是：发送端对原始的数据信息进行信道编码，利用信息符号之间严格的数据结构关系有控制地加入冗余信息，构建一个包含冗余信息的新数据包；当传输过程中因信道噪声产生误码时，接收端收到数据包后，利用冗余信息和编码规律通过译码自动发现差错，并确定码元出错位置从而予以纠正，其基本结构如图2-21所示。2.3数据链路层混合自动请求重传技术混合自动请求重传技术将前向纠错模块作为一个子系统融入自动请求重传系统框架中，利用前向纠错子系统自动纠正传输过程中引入的误码，当接收端不能正确译码时，则利用应答重传机制来实现消息的正确传输。混合自动请求重传技术是一种折中的差错控制方案，即在纠错能力范围内自动纠正错误，超出纠错范围则要求发送端重新发送，能够很好地补偿无线信道噪声干扰对信号传输的影响，在确保系统可靠性的基础上提高了系统的传输效率。2.4网络层4.1网络层简介在无线传感器网络协议结构中，网络层通过路由协议实现网络中路由的确定，主要涉及多跳路由的发现和维护。所谓路由的发现，即是寻找并选择一条从源节点到目标节点的最优路径；所谓路由的维护，即是保证无线传感器网络能够沿着所选择的路径进行信息的有效转发。无线传感器网络路由协议的特征主要体现在以下几个方面。（1）能量优先（2）以数据为中心（3）基于局部拓扑信息（4）应用相关（5）数据融合2.4网络层能量优先无线传感器网络中节点能量有限，其路由协议的设计需要考虑节点的能耗控制及网络能耗的均衡使用问题，以延长网络的生命周期。2.4网络层以数据为中心一般情况下，无线传感器网络关注的是监测区域目标对象的感知信息，形成从传感器节点到汇聚节点的数据传输流向，并不是需要具体到哪个节点采集信息，从而区别于传统路由协议通常采用以地址为节点的标识及路由的依据。其中，感知目标对象信息的传感器节点可能是多个。2.4网络层基于局部拓扑信息由于无线传感器网络采用多跳传输来实现网络通信，各个节点的无线通信范围和能量有限，且受到节点有限的存储、计算等硬件条件的约束，使得节点无法存储大量的路由信息，也不能进行过于复杂的路由计算。因此，无线传感器网络的路由设计需要节点能够利用局部的网络拓扑信息在有限的资源条件下实现简单高效的路由机制。2.4网络层应用相关无线传感器网络的设计与具体的应用环境密切相关，不同的应用需求对网络拓扑、通信模式等的要求是不一样的，严格来说，没有一种通用的路由协议能够满足所有的应用场景。因此，需要根据不用的应用需求，设计与之相适应的路由协议。2.4网络层数据融合由于无线传感器网络是以数据为中心的，针对目标对象的同一个事件信息，可能会被多个传感器节点所获取，同一个事件信息也可能会被多次传输，使得在网络中形成大量的冗余信息。因此，还需要从冗余信息的压缩消除方面来考虑路由协议的设计，以提高网络带宽的利用率和通信效率。总的来说，无线传感器网络的网络层设计原则是需要结合具体应用场景需求和路由协议特征进行设计，满足能量高效的要求，具备能够适应网络拓扑结构变化的可扩展性和快速收敛性，具备适应因无线通信环境或无线链路不可靠而形成的具备容错能力的鲁棒性要求等，以确保整个网络的正常运行。2.4网络层2.4.2网络层路由协议分类无线传感器网络的路由过程可以描述为这样的建立过程：当某一个网络节点发出路由请求时，启动路由发现过程；对应的接收节点收到该请求后，回复应答信息；对潜在的各条路径开销进行评估分析和对比，这些开销主要包括跳转次数、时延等；将评估确定之后的最佳路由信息添加到此路径上各个节点的路由表中。无线传感器网络中各个节点都会记录一个路由表。路由表由目标节点和下一跳地址组成，当节点收到一个路由数据分组信息时，该节点将先检查这个分组信息的目的地址，并将此地址与路由表中的目的地址进行比对，如果匹配，则找出下一跳地址，再将此分组信息转发给对应的节点。节点之间相互通信，通过交换路由信息来维护和更新路由表。研究人员针对无线传感器网络的路由特征，研究出了多种路由协议，可以根据采用的能量感知、网络通信结构、源节点获取路径方法、路由发现过程、服务质量等多种策略进行分类，但并不仅限于此。2.4网络层按能量感知分类能耗控制是无线传感器网络运作的重要因素，早期的无线传感器网络路由协议通常以能耗作为路由选择的依据，分为能量感知路由协议和非能量感知路由协议。能量感知路由协议从网络能耗出发，根据节点的可用能量或传输路径上的能量需求情况，主要以最优能耗控制传输路径和网络最长生命周期为目标，选择转发路径。2.4网络层按网络通信结构分类根据无线传感器网络路由过程中的层次结构关系，可将路由协议分为平面路由协议和层次路由协议。在平面路由协议中，网络中所有节点的地位平等，各自的路由功能大致相同，其路由结构简单，但建立和维护路由的开销较大，传输过程中的转发跳数相对较多，适合小规模的无线传感器网络。在层次路由协议中，网络被划分为多个簇，每个簇包含簇头节点和簇内节点，簇内节点获取信息并传输给簇头节点，最后传输至终端节点。层次路由协议的优势是扩展性好，适合大规模的无线传感器网络，但簇头节点的维护开销远大于其他节点，所以一般采用符合网络条件的节点来轮流担任簇头节点，以均衡簇头节点能耗，降低簇头节点因能耗而失效的可能性。2.4网络层按源节点获取路径方法分类按源节点获取路径的方法，根据路由建立时机与数据发送的关系，可将路由协议分为主动路由协议、按需路由协议和混合路由协议。主动路由协议是根据数据传输要求先创建好相应的路径，然后进行转发传输。网络中每个节点需要周期性地向其他节点发送最新的路由信息，且各个节点可以根据需要构建一个或多个路由表，以存储更多的路由信息。当网络拓扑结构发生变化时，节点就在整个网络中广播路由更新信息。按需路由协议是根据源节点要发送数据信息到目标节点的需求条件下才在源节点发起建立路由任务，即根据需要创建路由表。混合路由协议综合利用了主动路由和按需路由两种协议方式。通常情况下，针对网络中经常使用且拓扑结构变化不大的组成部分，采用主动路由协议；针对拓扑结构变化较快或传输数据量较少的组成部分，采用按需路由协议。2.4网络层按路由发现过程分类根据路由发现方式及其过程的不同，可将路由协议分为以位置为中心的路由协议和以数据为中心的路由协议。以位置为中心的路由协议即地理位置路由协议，将节点位置信息作为路由选择的依据，在某个需求区域间进行数据传输，可实现缩减传输范围，降低路由的能耗，延长网络的生命周期。以数据为中心的路由协议，不依赖于网络中的特定节点，而是通过数据查询方式进行传输，可实现降低网络中大量冗余数据信息的传输，从而减少网络开销，延长网络的生命周期。2.4网络层考虑服务质量的路由选择在某些应用中，对无线传感器网络的可靠性、实时性等通信服务质量有较高的要求，那么，就需要建立能够保证服务质量（QoS）的路由协议。一般根据时延、丢包率等QoS参数的分析计算，从而选择一条最符合QoS应用要求的路由；或者根据网络的具体业务需求，设计满足相应业务要求的QoS路由协议。路由协议的研究与设计是无线传感器网络中的重要内容，根据不同的应用需求，已经形成了多种路由协议。目前，无线传感器网络路由协议的研究还在不断地发展，下面介绍几种典型的路由协议。2.4网络层2.4.3能量感知路由协议如何能够长期稳定地运行是无线传感器网络面临的关键问题，能耗控制是最基本的解决方法，早期的无线传感器网络路由协议主要利用能量因素来考虑路由的建立。1．能量消耗2．能量感知路由3．能量多路径路由2.4网络层能量消耗在无线传感器网络中，能量的消耗主要体现在节点及系统的运行上。分析无线传感器网络的运行过程，其能耗主要包含计算相关和通信相关两大因素。（1）计算相关因素的能耗（2）通信相关因素的能耗2.4网络层计算相关因素的能耗计算相关因素的能耗是指对无线传感器网络协议、信号与信息等进行处理时消耗的能量，主要涉及节点电路中CPU、存储器等相关器件运行时所需要的能量。信息处理的复杂度是影响计算相关因素能耗的重要因素，复杂度越高，所需要的计算量也就越大，相应的能耗也就越多。比如，数据压缩技术能够减小信息传输或存储时的数据包长度，但因为计算量的增加而加大了能耗。2.4网络层通信相关因素的能耗无线通信模块是无线传感器网络节点中的关键器件，其运动时的能耗较为明显。无线通信模块存在发送、接收、空闲和睡眠4种状态，其中，发送状态下消耗能量最大，接收状态和空闲状态下消耗能量次之，睡眠状态下消耗能量最小。在考察节点能耗时，一般来说，计算量的降低可能会增加无线通信模块的负担，减小无线通信模块的能耗也有可能导致计算能耗的增加。因此，无线传感器网络基于能量感知的路由协议需要在能耗的两类相关因素之间形成一个相互协调的平衡关系，从而达到提高节点能量使用效率的目的。2.4网络层能量感知路由所谓能量感知路由，是根据无线传