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1、 目录摘要IAbstractII第一章 前言11.1 研究目的和意义11.2 国内外研究现状11.3 研究内容1第二章 无线传感器网络22.1 无线传感器网络及其特点22.2 无线传感器的拓扑结构32.3 无线传感器网络的应用4第三章 无线传感器网络通信协议概述6第四章 路由协议84.1路由协议的分类84.2典型路由协议的比较134.2路由协议下一步研究方向14第五章 MAC协议155.1 MAC协议研究进展155.2 MAC协议的主要问题155.3 MAC协议的分类185.4 MAC协议的分析和比较185.5 MAC协议下一步研究方向27第六章 总结和展望28致谢错误！未定义书签。参考文献3
2、0摘要随着无线通信技术、低功耗处理器和芯片集成工艺的飞速发展，无线传感器网络应运而生了。由于其成本低、适应性强，功能强大等特点，无线传感器网络（WSNs）在军事、环保、生产、医药和智能空间等领域都具有广阔的应用前景，其通信协议研究面临许多新的挑战。本文着重分析了路由协议和MAC协议两大网络协议的分类，并提出未来的研究方向。 关键词：无线传感器网络，通信协议，路由协议，MAC协议AbstractWith the rapid development of radio technologies,low energetic consumption processor and chip integrat
3、ed technology, wireless sensor networks emerge. Due to its low cost, good adaptability, powerful function, wireless sensor networks have wide and will be applied in many fields such as prospect, military,environmental protection, production, medicine, intellectual space, and so on.The communication
4、protocol faces a lot of new challenges.This essay emphatically routing protocol and MAC(medium access control) protocol among the communication protocol,and raises research direction in the future.Key words：wireless sensor networks，communication protocol，routing protocol，MAC(medium access control) p
5、rotocol第一章 前言1.1 研究目的和意义随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟，人们研制出了各种具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器。由许多微型传感器构成的无线传感器网络WSNs (wireless sensor networks)引起了人们的极大关注。WSNs综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，能够协作实时监测、感知、采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理，最终传送给用户。WSNs可以使人们在任何时间、任何地点和任何环境条件下获取大量详实可靠的物理世界的信息，并可以被广泛应用于国防军事、国家安全、环境监测
6、、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐抗灾等领域。WSNs是信息感知和采集的一场革命，在新一代网络中具有关键作用。美国商业周刊认为WSNs是全球未来四大高技术产业之一，是21世纪世界最具有影响力的21项技术之一。MIT新技术评论认为，WSNs是改变世界的十大新技术之一。1.2 国内外研究现状WSNs作为一种新的计算模式正在推动科技发展和社会进步，关系到国家经济和社会安全，已成为国际竞争的制高点，引起了世界各国军事部门、工业界和学术界的极大关注。美国自然科学基金委员会2003年制定了WSNs研究计划，投资3400万美元支持相关基础理论的研究。美国国防部和各军事部门都对WSNs给予高度重视，把WSNs
7、作为一个重要研究领域，设立了一系列的军事WSNs研究项目。英特尔公司、微软公司等信息工业界巨头也纷纷设立或启动相应的行动计划。世界很多国家都纷纷展开了该领域的研究工作。我国最近几年也开始重视WSNs技术的研究。国家自然科学基金委员会资助了很多WSNs研究项目，包括重点项目和面上项目。在“中国未来20年技术预见研究”报告中，有7项技术课题直接论述了传感器网络。2006年初发布的国家中长期科学与技术发展规划纲要为信息技术确定了3个前沿方向，其中有两个与WSNs研究直接相关。1.3 研究内容本课题在介绍无线传感器网络及其特点的基础上，对无线传感器网络通信协议进行研究。其中考虑到节能是无线传感器网络设
8、计中最重要的方面，着重对影响能耗的网络层路由协议和数据链路层MAC协议进行了分析。第二章 无线传感器网络2.1 无线传感器网络及其特点计算机网络自产生之日起，尤其是上世纪90年代初的迅猛发展，使人们的生活发生了极大的改变。通信技术日新月异。近年来，无线通信更是大行其道，各种无线通信应用层出不穷。无线通信和有线通信相比较，无需对网络通信的物理通道进行配置，具有很大的灵活性，并节约了网络设施的成本，这使得它比有线通信具有更光明的前景。全球无线通信应用的规模，将很快超过有线网络应用的规模。随着集成电路技术的发展，芯片越做越小，功能却越来越强。这为生产大量廉价的、体积很小的、具有多种功能的器件提供了保
9、证。在无线通信技术及芯片制造技术的双重作用下，同时伴随着各种实际应用的需求，无线传感器网络的产生也就很自然了。这是一种新型的无线通信架构。现在美国的UARPA和NSF都已经设立了专项的基金对无线传感器网络的研究进行资助。美国的许多大学都有针对无线传感器网络的研究小组，而其中又以UCB，UCLA，USC的研究最为领先。以前的监控系统经常是将少量的大功率的，具有很强数据分析能力的传感装置安放在离目标有一定距离的观测点进行监控，这样获得的数据很不准确，需要传感装置具有较强的处理分析能力，从混杂的信号中分析出有用的信息。现在，可以将体积小、耗能少、造价低、但是功能却很强的传感器，高密度的分布在观测区域
10、，从而获得全面的、精确度相当高的数据，这从根本上改变了传统监控系统的模式。无线传感器网络就是由大量的能与物理环境进行交互，同时具有数据处理功能和无线通信功能的新型传感器构成的互连系统，该系统可以完成复杂的监控任务。这里的传感器，并不是传统意义上的单纯的对物理信号进行感知并转化为数字信号的传感器，它是将感应模块，数据处理模块和无线通信模块集成在一块很小的物理单元上，功能比传统的传感器大了许多，不仅能够对环境信息进行感知，而且具有数据处理及无线通信的功能。将这类传感器节点高密度的分散在某个环境里，通过无线通信进行连接，它们就从整体上构成了一种特殊的网络。每个节点都有自己控制的一个区域，通过感知设备
11、，如声学光学设备，化学分析装置，电磁感应装置等，对它周围的物理环境进行监控，当然也可以通过配置一些功能单元来实现特定的与环境交互的功能。无线传感器网络的特点具有以下几个特点：1、无线传感器网络是通过无线方式连通的。无线的连接具有很强的灵活性，电磁波可以进行“无介质传输”，它不需要有固定的事先建立好的节点之间的连接，而且即便网络节点的位置发生了变化，也不会太大的影响网络的连通，适合于动态的网络环境。最重要的一点是在很多复杂的环境下，根本无法事先建立节点之间的连接。比如说某些恶劣的自然环境里，生物无法生存，人类不能亲自的深入到这些地方，只能通过飞机将大量的传感器节点随机的投放到监控区。这时，无线通
12、信方式是唯一可用的方式。2、无线传感器网络是一种分布式的传感系统。通过在某一区域分散了大量的传感器节点，各个节点对其附近的有限的区域进行观测，全部的节点从整体上实现了对整个区域的监控。一个区域的空间越大，它各个部分的环境信息的差异也会越咀显，这时，单单依靠一两个传感器在少量的几个点测得的环境信息根本不可能代表整个区域的情况。由于传感器节点的成本相对来说比较低，可以安置大量的传感器节点，使得它们覆盖了被测区域的各个角落，这样所获得的信息综合起来，就会比较精确的反映整个区域的情况。节点的冗余度越高，获得信息的精确度也会越高。3、无线传感器网络通过广播的方式进行通信，不同于传统的网络应用的端到端的信
13、息传送。4、无线传感器网络应该是一种自组织网络。与传统的有线网络相比，对无线传感器网络进行人工干预的机会可能很少。很多情况下，比如说在复杂的环境里，无法对网络进行人工的配置，这就需要各个节点可以相互协调建立之间的连接，完成网络的初始化，启动监测的任务。而且由于各种不可预测的环境变化，网络节点的分布，节点之间的连接情况，甚至网络节点的工作状态都会发生不可知的变化。所有的这些，都要求无线传感器网络具有自我调节的能力，即各个传感器节点能够感知到网络结构的变化，通过相互协调，适应网络的这种动态性，维护应用的正常运行。5、无线传感器网络对系统的能量以及带宽资源的利用率要求很高。当传感器节点被用于某个无线
14、传感器网络应用任务之后，几乎没有机会对它们的能量进行更新，各个节点所携带的电池的容量是有限的，是不可再生的资源，电能势必将会慢慢的耗尽，系统将会失去工作能力。所以，无线传感器网络需要高效的利用这些能量，以延长网络的“生命”，完成更多的工作。6、无线传感器网络是以数据为中心的。不同于传统的具有中央控制节点的系统，无线传感器网络里并不是将各个节点的数据都传送到中央节点统一处理。由于传感器网络是高密度网络，很多节点会探测同一个物理现象，因此传感器节点发送的数据就会存在冗余。每个节点都有数据处理的能力，把来自多条路由的数据进行聚合，消除冗余，让传输的数据最小化，从而达到节省能量的目的。2.2 无线传感
15、器的拓扑结构 图 2-1 无线传感器网络拓扑结构一传统意义上的这种环境监控系统，大多采用c/s结构的，即存在着一个主要的数据处理中心控制节点，其他的各个监控点都和这个中心控制节点连接起来，所有的数据都直接传送到该节点，进行集中的分析处理。无线传感器网络不同于这种传统的网络结构，无线传感器网络里各个节点的地位都是相同的，它们只与邻近的节点进行通信。无线传感器网络所处的外部环境往往是复杂多变的，不是人类所能到达的，无线传感器网络所处各个节点能够根据网络结构的变化，自适应的维护网络的通信。网络中的大量的节点协调工作，实现较高层次的对环境的监控任务。图2-1为无线传感器网络拓扑图，每个节点都对其附近的
16、物理环境进行监控，节点在无线通信可以的范围内，与它的邻节点存在通信信道。实际中大量节点的控制范围将会覆盖整个区域。整个网络可以对整个监控区域进行复杂度很高的监控任务。如上展示了目前大家比较认同的无线传感器网络的拓扑结构。大量的传感器节点分布在监控区域。用户利用任务管理节点，经过某些途径，如Internet或卫星通信等等，与传感器节点中的某些节点（sink）建立连接。通过这些Sink节点，向传感器集合发送监控任务，并接受返回信息。所有的节点都有能力采集数据并采用多跳的路由方式将数据返回给Sink节点。采用多跳方式的最大理由主要是短距离的数据传输最能节省节点能量。 随着研究的深入，许多学者对无线传
17、感器网络的路由拓扑设计综合考虑之后提出各种路由以及组网方案，研究证明单纯多跳的方式未必是最佳的方式，要根据传感器网络的具体应用，具体情况，譬如网络规模，节点分布等等因素综合起来考虑。即传感器节点收集的数据既可通过单跳方式直接传送到 Sink 节点，也可通过多跳中继方式将监测数据传到Sink节点，或者通过上述介绍的本地数据收集节点传送给Sink节点。最终借助长距离或临时建立的Sink链路将整个区域内的数据传送到远程中心进行集中处理。 例如图2-2，监测区域中被划为分多个子控制区域，每个小区域中有一个本地处理节点，负责收集该控制区域节点的数据，再送往Sink节点。图 2-2 无线传感器网络拓扑结构
18、二2.3 无线传感器网络的应用 无线传感器网络是一种基于特定应用的系统，针对不同的应用，要进行不同的系统设计。目前，实用的无线传感器网络系统不是很多，还没有一种统一的标准来定义无线传感器网络的架构，毕竟，从这个概念的提出到现在，才仅仅几年左右的时间。尽管如此，人们还是看到了无线传感器网络具有广阔的应用前景。由于它的成本低，适应性强，功能强大等特点，在军事、环保、生产、医药、智能空间等领域都将大有用武之地。 在军事领域，传感器节点由于具有的体积小的特点，隐蔽性较强，可以通过一些方法，比如利用飞机进行投放，将大量的具有侦察功能的传感器布置在敌军的控制区域，来对敌军的情况进行监控。 在环保方面，可以
19、利用无线传感器网络来对某地区的环境数据进行采集，尤其是对于一些不适合生物生存，工作人员无法亲临进行观察的区域，如高温，高腐蚀，强烈的辐射等等不利的环境。比如，在被污染了的河流底部投放大量的具有化学分析功能的传感器节点，来对河水的污染情况进行数据采集；可以在被怀疑受到核辐射污染的地区安放大量的传感器，来对各个位置的辐射强度进行测量。 在对珍稀动物的保护方面，无线传感器网络也起到了很大的重用。比如可以利用飞机向充满着未知危险的热带雨林投放大量的传感器节点，这些节点都具有光学成像设备，并可以对某些珍惜物种进行识别，利用无线传感器网络，生物学家就可以无需进入危险的雨林，实现对珍稀物种的分布统计。在工业
20、生产领域，可以在生产线的各个环节安放传感器节点来对整个生产线过程进行监控。目前，人们研究的较多的是在“智能空间”方面的应用。如“活动徽章系统”就体现了无线传感器网络的基本思想。它通过在每个建筑物里安放大量的传感器，这些节点构成了一个监控系统，而建筑物里的工作人员，每个人身上都佩戴了一个会周期性发送信号的徽章，传感器节点能够接收到这个徽章发送的信号。这样，当大楼里的接待员要将某个电话转接给某人时，就可以通过这个监控系统来确定某人的具体位置，将电话转接到离他最近的分机上。活动办公室系统里，设定好的无线传感器网络将监控物体定位在误差很低。“移动病人系统”应用于医院中，能够很好的监控病人的活动，尤其对
21、于病情突发性很强的病人，可以避免意外的发生。第三章 无线传感器网络通信协议概述无线传感器网络协议包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层上的协议。1、物理层物理层的研究主要涉及无线传感器网络采用的物理媒体、频段选择以及调制方式。目前，无线传感器网络采用的传输媒体主要有：无线电、红外线、光波等。无线电传输是目前无线传感器网络采用的主流传输方式，需要解决的问题有：频段选择、节能的编码方式、调制算法设计等。目前对无线传感器网络物理层的研究迫切需要解决的问题有：在降低硬件成本方面需要研究集成化，全数字化、通用化的电路设计方法；在节能方面需要设计需要具有高数据率、低符号率的编码、调制算法。2、数据
22、链路层数据链路层用于建立可靠的点到点或点到多点的通信链路，主要涉及媒介访问控制(MAC)协议。现有的蜂窝电话网络 Ad-hoc 网络中的MAC协议主要关心如何满足用户的需求、节省带宽资源以及如何在节点告诉移动的环境中建立彼此的连接，功耗是第二位的，这些协议并不适合无线传感器网络。3、网络层针对无线传感器网络的特点与通信需求，国内外科研人员设计了多种路由协议。从网络拓扑结构的角度可以分为两类：平面路由协议和聚集型路由协议。同时对于无线的自组织的传感器网络而言，网络拓扑控制具有特别重要的意义，通过拓扑控制自动生成的良好的网络拓扑结构，能够提高路由协议和MAC协议的效率，可为数据融合、时间同步和目标
23、定位等很多方面奠定基础，有利于节省节点的能量来延长网络的生存期。拓扑控制可以分为节点功率控制和层次性拓扑结构形成两个方面。除了传统的功率控制和层次型拓扑控制，人们也提出了启发式的节点唤醒和休眠机制。同时传感器网络拓扑结构动态变化，网络资源也在不断变化，这些都对网络协议提出了更高的要求。传感器网络协议负责使各个独立的节点形成一个收集数据并传输的网络，因而在网络层相关技术的研究的同时，经常将网络拓扑设计以及网络层协议和数据链路层协议结合起来考虑进行研究。网络拓扑决定了网络的设计架构，网络层的路由协议决定监测信息的传输路径；数据链路层的介质访问控制用来构建底层的基础结构，控制传感器节点的通信过程和工
24、作模式。 4、传输层现阶段对传输控制的研究主要集中于错误恢复机制。目前对无线传感器网络传输控制的研究还很少，如何在拓扑结构、信道质量动态变化的条件下，为上层应用提供节能，可靠、实时性高的数据传输服务是今后研究的重点。5、应用层应用层与具体应用场合和环境密切相关，因此其设计不可能是通用的，必须针对具体应用的需求进行设计。尽管如此，应用层的主要任务是获取数据并进行初步处理，这一点是共同的。以数据为中心和面向特定应用的特点要求无线传感器网络能够脱离传统网络的寻址过程，快速有效地组织起各个节点的信息并融合提取出有用信息直接传送给用户。然而网络节点实现数据采集计算或传输功能，都需要消耗能量，所需消耗的能
25、量和产生的数据量、采样频率、传感器类型以及应用需求有关。同时，在短时间产生大数据量如果不加处理直接传输，会造成网络拥塞，导致网络寿命缩短。所以，考虑采用能效高的网络通信协议和数据局部处理策略，如数据融合技术，是一种可行的解决思路。由于节能是无线传感器网络设计中最重要的方面，而且大量的研究显示：网络层上的路由协议和数据链路层上的MAC协议对无线通信模块的能量消耗起着至关重要的影响。第四章 路由协议传统的无线网络路由协议设计的主要目的是为网络提供高的服务质量和高效的利用带宽，而对于节能的考虑只是一个次要的方面；但是传感器网络路由协议设计的首要目标是高效节能，延长整个的网络生命周期。路由协议的任务是
26、在传感器节点和Sink节点之间建立路由，从而为用户可靠地传递数据。由于传感器网络资源严重受限，因此路由协议的设计必须遵守执行计算简单、节点保存信息少等原则。4.1路由协议的分类无线传感器路由协议从路由的表现形式、与应用的相关程度等不同的角度有以下两种分类方法：(1) 单跳路由协议与多跳路由协议；(2) 平面路由协议与层次路由协议；几种典型路由协议与类别所属关系如表4-1：表 4-1 典型路由协议研究分类方式直接传输泛洪定向扩散LEACHTEEN单跳 多跳 平面式 层次式 4.1.1 平面型路由协议平面型协议多是以数据为中心的，基于数据查询服务的策略，对监测数据按照属性命名，对相同属性的数据在传
27、输过程中进行融合，从而减少冗余数据的传输。这类协议同时集成了网络层路由任务和应用层数据管理任务。优点是不存在特殊节点，路由协议的鲁棒性较好，网络流量平均地分散在网络中。缺点是缺乏可扩展性，限制了网络的规模。只适用于规模较小的传感器网络。平面型路由协议典型代表主要有：Flooding，Gossiping，SPIN，DD。泛洪Flooding协议和Gossiping协议1，2是两个最为经典的传统网络路由协议，可以应用到WSNs中。这两个协议都不要求维护网络的拓扑结构，不需要维护路由信息，也不需要任何算法，但是扩展性很差。1、泛洪 (Flooding) 泛洪Flooding是一种古老的传统泛洪式路由
28、技术，它不需要维护网络的拓扑结构和路由计算， 接收到消息的节点以广播形式转发数据包给所有的邻节点，这个过程重复执行，直到数据包到达目的地或者预先设定的最大跳数。对于自组织的无线传感网络，泛洪法是一种较直接的简单的实现方法，但存在消息“内爆”(implosion) 和“重叠”(overlap) 的问题，也没有考虑能量方面的限制。下面通过分析一些简单的例子说明泛洪法的能量效率很低。如图4-1中的“内爆”，源节点S只需要两次发送就能将消息传播到目的节点D，但是使用泛洪法将产生4次数据发送，而且目的节点D会收到3个数据副本。又如图4-1中的“重叠”，处于同一观测环境的两个相邻的同类传感器节点A和B同时
29、对一个事件C做出反应，二者采集的数据性质相同，数值相近，这两个节点的邻居节点C将收到两个数据副本。图 4-1 内爆与重叠在Flooding协议中，节点产生或收到数据后向所有相邻节点广播。数据包直到过期或到达目的地才停止传播。因此，消息的“内爆”(implosion)(节点几乎同时从邻节点收到多份相同数据)和“重叠”(overlap)(节点先后收到监控同一区域的多个节点发送的相同数据)和资源利用盲目(节点不考虑自身资源限制，在任何情况下都转发数据)是其固有的缺陷为了克服这些缺陷3，文献提出了Gossiping策略3。节点随机选取一个相邻节点转发它接收到的分组，而不是采用广播形式。这种方法避免了消
30、息“内爆”现象，但数据传输的时延增加了。2、SPIN传感器协商SPIN(Sensor Protocols tor Information via Negotiation)协议4是以数据为中心的、具有能源调整功能的、自适应路由协议。SPIN使用三种类型的信息进行通信，即ADVREQ和DATA信息。在传送DATA信息前，传感器节点仅广播该包含DATA数据描述机制的ADV信息，当接收到相应的REQ请求信息时，才有目的地发送DATA信息。使用基于数据描述的协商机制和能量自适应机制的SPIN协议，能够很好地解决传统的泛洪flooding和Gossiping协议所带来的信息内爆、信息冗余和资源浪费等问题。
31、与flooding和Gossiping协议相比有效地节约了能量。但其缺点是：当产生或收到数据的节点的所有相邻节点都不需要该数据时，将导致数据不能继续转发，以致较远节点无法得到数据，当网络中大多节点都是潜在sink点时，问题并不严重。但当sink点较少时，则是一个很严重的问题：且当某sink点对任何数据都需要时，其周围节点的能量容易耗尽，虽然减轻了数据内爆，但在较大规模网络中，信息内爆仍然存在。3、定向扩散协议DD定向扩散(Directed Diffusion)是一种以数据为中心的信息传播协议，运行基于属性的命名机制来描述数据，并通过向所有节点发送对某个命名数据的“兴趣”(任务描述符)来完成数据
32、收集。网络中的每个节点只了解给它发送请求的相邻节点，节点通过建立一个梯度来转发“兴趣”给它的相邻节点，梯度指向“兴趣”数据包来自的节点，当“兴趣”到达了源节点，一个临时的梯度场就建立了，传感器网络就会加强梯度最大的路径，一旦源节点采集到和“兴趣”相匹配的数据信息，就以事件驱动的方式，沿着梯度最大的方向传输数据到Sink节点。梯度最大的路径也就是功耗最低的路径。兴趣的扩散：用命名机制描述的数据就构成了一个“兴趣”，首先由Sink节点产生，然后按照一定的数据率扩散到网络中的每个节点。每个节点都有一个“兴趣”缓存，缓存中的每项都对应着不同的“兴趣”。缓存中的每个“兴趣”包含如下几个字段：时间字段指示
33、最近收到匹配“兴趣”的时间信息，梯度字段指示相邻节点所需的数据率和数据发送方向，持续时间字段指示“兴趣”大致的生存周期。当一个节点接收到一个“兴趣”时，它首先在缓存中检查是否存在相同的“兴趣”，如果没有相同的“兴趣”存在，那就根据接收到的“兴趣”信息在缓存中创建一个新的“兴趣”，包含的信息有数据率和一个指向“兴趣”来源的梯度；如果有相同的“兴趣”存在，但是没有“兴趣”来源的梯度信息，节点会以指定的数据率增加一个梯度，并更新“兴趣”的时间信息和持续字段；如果该节点都包含了“兴趣”的梯度信息，那么只是简单进行时间信息和持续字段的更新。节点接收到一个“兴趣”之后，把“兴趣”发送给与自己相邻的节点。如
34、果一个节点是最近才收到过此兴趣，那么就不再予以接收。(如图4-2兴趣扩散)源节点sink源节点sink 驱动 事件图4-2 兴趣扩散图4-3 梯度建立梯度的建立：网络中的节点从相邻节点接收到一个“兴趣”时，它无法判断此“兴趣”是否自己已经处理过，或者是否和另一个方向的邻节点所发来的“兴趣”相同。因此，“兴趣”在整个网络扩散的时候，梯度的建立情况如图4-3梯度建立。增强路径：梯度建立完之后，需要通过路径增强形成一条梯度值最大的路径用于数据传输，而其他路径作为备选路径以增加网络可靠性。Sink 节点以一个更高的数据率再次将“兴趣”发送给相邻节点。相邻节点收到“兴趣”后，通过查看“兴趣”缓存，发现自
35、己已经接收过相同的“兴趣”，并且当前新数据率更高，该节点以同样的方法继续加强它的相邻节点，直到到达源节点，最后会形成一条梯度值最大的路径。如果已建立的路径出现断路，路径中加强过的节点会触发和启动路径加强以修复失败的路径。同时 Sink 节点可以用负加强的方式，降低冗余路径上节点和 Sink 节点之间的梯度值，从而切断冗余路径，数据以后就通过增强后的路径发往 Sink 节点( 如图4-4数据传输)。图 4-4 数据传输定向扩散采用相邻节点间通信的方式来避免维护全局拓扑，采用查询驱动数据传送模式和局部数据聚集而减少网络数据流，因此是一种能量效率高的协议。它的缺点是：在需要连续数据传送的应用中(如环
36、境监测等)不能很好的应用；数据命名只能针对于特定的应用预先进行，初始查询的扩散开销大。4.1.2 层次型路由协议在层次型路由协议中，网络通常被划分为簇(cluster)，每个簇由一个簇首(cluster head)和多个簇成员(cluster member)组成。这些簇首形成高一级的网络，在高一级网络中又可以分簇，再次形成更高一级的网络，直至最高级。分级结构中，簇首不仅负责所管辖簇内信息的收集和融合处理，还负责簇间数据的转发。层次型路由协议中每个簇的形成通常是基于传感器节点的保留能量和与簇首的接近程度，同时为了延长整个网络的生存期簇头的选择需要周期更新。层次路由的优点是便于管理，适合大规模的传
37、感器网络环境，可扩展性较好，能够有效的利用稀缺资源(比如：无线带宽等)，可以对系统变化做出快速反应，并提供高质量的通信服务。缺点是簇头的可靠性和稳定性对整个网络性能影响较大，簇的维护开销较大。层次型路由协议典型代表主要有：LEACH，TEEN，PEGASIS。1、低功耗自适应分簇路由算法(LEACH)LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)算法是一种自组织、自适应的分簇协议，它通过随机选择簇首，将中继通信业务平均的分配到整个无线传感网络。LEACH定义了“轮”(round)的概念，每一轮由初始化和稳定工作两个阶段组成。在初始化阶段，随机地产
38、生簇首，成为簇首的节点向周围广播信息，其他节点根据接受到广播信息的强度来选择它所要加入的簇，并告知相应的簇首，从而动态的形成簇。在稳定工作阶段，簇内节点把数据发给簇首，由簇首对数据进行必要的融合处理并把结果发送到 Sink 节点。由于簇首需要完成数据融合、与 Sink 节点通信等工作，因此簇首的能量消耗非常高。各节点需要等概率地轮流担任簇首，这样才能使网络中所有节点比较均衡地消耗能量，有利于延长整个网络的生存期。在网络建立初期每个节点从 0 到 1 的随机数中任意选择一个数值，若当前轮中这个数值小于设定的阈值 T(n)( 如下)：T(m)=则该节点成为本轮的簇首节点。其中 p 为期望的簇首节点
39、数在所有传感节点数的百分比；r 是当前轮数，G 是在最后的 1/p 轮中未成为簇首节点的节点集。根据这样的阈值，在整个 1/p 轮中每个节点都会成为簇首，并保证每轮的簇首节点数为 (n 为所有传感节点总数)。在第一个轮(round 0)中r=0，各个节点以 p 的概率成为簇首，成为簇首的节点在往后的 1/p- 1 次轮中不在担当簇首，未担当过簇首的节点成为簇首的概率增加。依次递推至第1/p- 1 轮，此前未担当过簇首的节点在本轮中阀值 T=1，将肯定成为簇首。之后，所有的节点再次恢复成为簇首的能力。LEACH协议的特点是分层和数据融合，相对泛洪、定向扩散等平面式路由协议它是第一个在无线传感器网
40、络中提出的层次式路由协议，其后的大部分层次式路由协议都是在它的基础上发展而来的。采用LEACH协议可以使因能量耗尽而失效的节点呈随机分布状态，因而与一般的多跳路由协议和静态聚类算法相比，LEACH可以将网络生存周期延长15%。但是LEACH协议中动态分簇也带来了拓扑变换和大量广播等额外开销。2、基于能量效率的阈值敏感传感器网络协议(TEEN)节能的阈值敏感路由协议TEEN(Thresholdsensitive Energy Eficient sensor Network protocol)用类似LEACH的初始化簇的算法，只是在数据传送阶段使用不同的策略。TEEN中定义了硬、软两个门限值，以确
41、定是否需要发送监测数据。在每轮簇头轮换的时候将两个阈值广播出去，当监测数据第一次超过设置的硬阈值时，节点把这次数据设为新的硬阈值，并在接下来的时隙内发送它。之后，只有监测数据超过硬阈值并且监测数据的变化幅度大于软阈值时，节点才会传送最新的监测数据，并将它设为新的硬阈值。通过调节两个阈值的大小，可以在监测精度和系统能耗之间取得合理的平衡TEEN。利用过滤的方式大大地减少数据传送的次数，从而达到比LEACH算法更节能的目的。TEEN 协议的优点是：第一，对于突发事件能够及时响应；第二，对于持续的突发事件，相邻两次数据之差在不大于阈值时，无需不断地发送数据，从而得以减少通信流量。缺点是不适用于需要持
42、续采集数据的应用环境。3、PEGASISPEGASIS(Power Eficient Gathering in Sensor Information Systems)协议是使用动态选举簇头的方式，在LEACH基础上改进而来的。为避免频繁选举簇头的通信开销，采用无通信量的簇头选举方法，且网络中所有节点只形成一个簇，称为链。采集到的数据以点到点的方式传送、融合。并最终被送到sink该协议假定WSNs中的所有节点是静态、同构的，要求每个节点都知道网络中其他节点的位置。通过贪心算法选择最近的邻节点形成链。因为PEGASIS中每个节点都以最小功率发送数据分组，并且通过数据融合降低了收发过程的次数，从而降
43、低了整个网络的功耗。研究结果表明，PEGASIS支持的传感器网络的生命周期是LEACH的近两倍。PEGASIS的缺点是链中远距离的节点会引起过多的数据延迟，而且簇头的惟一性使得簇头会成为瓶颈，且要求节点都具有与sink点通信的能力；如果链过长，数据传输时延将会增大，不适合实时应用；成链算法要求节点知道其他节点位置，开销非常大。4.1.3 直接(单跳)和多跳传输协议单跳协议：是一种最原始的协议，它不需要维护网络的拓扑结构和路由计算，所有节点以单跳方式将数据包发给Sink节点，是最直接的实现方法。远离Sink节点的节点需要较大的传输功率，这将迅速耗费该节点的能量并导致整个网络生存周期的缩短。多跳协
44、议：实际的运用中发射机的功率是固定的，即数据单跳的传输距离是固定的。此时远离Sink节点的节点发送的数据按照预定的路由经过中间结点到达Sink节点。如图4-5多跳网络拓扑n个节点按直线排列，节点间距为r，数据从源节点穿过n个中继节点到达Sink节点。图 4-5 多跳网络拓扑在多跳传输协议中节点将数据发送至下一跳相邻节点直至Sink节点，需要经过n次发送和接收。只有在源节点与Sink节点之间距离较长，或者数据处理耗能较小的情况下多跳传输协议才能体现出更好的能量有效性。在多跳传输协议中，靠近Sink节点的节点成为其它节点向Sink节点传输数据的中继节点，导致自身能量容易耗尽。一旦某个中继节点能量耗
45、尽，会加重其余中继节点的能量负荷，造成Sink节点周围节点雪崩式死亡，导致网络割裂，大幅缩短整个网络的生存期。4.2典型路由协议的比较定向扩散、LEACH 和 TEEN 协议在设计中充分考虑了能源的有效利用，成倍地提高了整个网络的生存周期，但是无线传感器网络的应用千差万别，不同的路由协议在不同的环境表现出各自的特色和优势，因此不能绝对的判断哪种协议最优。从信息处理、路由优化方式和网络体系结构等不同方面对前述几种典型的路由协议进行了一个综合比较，如表4-2所示：表 4-2 典型路由协议综合比较典型协议性能指标直接传输泛洪定向扩散LEACHTEEN路由优化能力无无有 无无网络生存周期短短长 长 长
46、路由健壮性差好好较好较好资源有效性不好 不好 较好 好 好数据融合无 无 有 有 有元数据描述 无 无 有 无 无4.3路由协议下一步研究方向针对不同的无线传感器网络应用，目前还缺乏一种普遍适用的路由算法。定向扩散和LEACH 协议分别从“以数据为中心”和“聚类分簇”两个方面给出了提高能量使用效率从而提高无线传感器网络生存周期的方向。如本文介绍的TEEN和PEGASIS协议，就是在LEACH协议的基础上研究出的。LEACH协议可以将网络生存周期延长15%。但是LEACH协议中动态分簇也带来了拓扑变换和大量广播等额外开销。TEEN协议便利用过滤的方式大大地减少数据传送的次数，比LEACH算法更节
47、能。而PEGASIS协议通过数据融合降低了收发过程的次数，降低了整个网络的功耗，其支持的传感器网络的生命周期又是LEACH的近两倍，PEGASIS的缺点是开销大。所以设计者需要针对不同的应用环境，根据不同的数据通信模式和组网结构，设置相适应的特定路由协议。第五章 MAC协议5.1 MAC协议研究进展近年来，无线传感器网络(WSNs)作为国内外一个新兴的研究方向，引了许多研究者和机构的广泛关注，无线传感器网络具有与传统无线网络不同的特点，且与应用高度相关。无线传感器网络主要的一个设计目标是有效地使用网络节点的受限资源(能量、内存和计算能力)，以最大化网络的服务寿命，传统网络的介质访问控制(MAC)协议，并不能直接应用于无线传感器网络。随着无线通信、微电子机械制造技术和传感技术的发展，无线传感器网络引起了人们的广泛关注WSNs、由部署在监测区域内，大量集成有感知、数据处理和无线通信及能量供应模块的微型传感器节点所组成。在目标入侵监测、日标跟踪、环境监测、战场侦察、生物医疗、抢险救灾以及工业加工过程的监控等领域，WSNs都具有广阔的应用前景5。WSNs网络是一种特定的Ad hoc网络，网络中的节点自组织成网络，不需要任
