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1、第3章,传感器网络的通信与组网技术,目视千里、耳听八方是人类长久的梦想，现代卫星技术的出现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，明察细微就勉为其难了。将大量传感器节点遍撒指定区域，数据通过无线电传回监控中心，监控区域内信息尽收观察者的眼中。这是无线传感器网络技术应用的目标，其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。,通常传感器节点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。,通信与组网技术,通信处于传感器网络的最底层，包括物理层及MAC层；主要解决实现数据的点到点或则点到多点的
2、传输问题，为上层组网提供通信服务；同时满足传感器网络大规模、低成本、低功耗及鲁棒性等要求。,通信与组网技术,组网技术以底层通信技术为基础，建立一个可靠且具有严格功耗预算的通信网络，向用户提供服务支持；网络层负责数据的路由转发，传输层负责实现数据传输的服务质量保障；在资源消耗与网络服务性能之间平衡。,3.1 物理层,3.1.1 物理层概述,1、物理层的基本概念,在计算机网络中物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输介质上传输数据的比特流。国际标准化组织对开放系统互联(OSI)参考模型中物理层的定义如下：物理层为建立、维护和释放数据链路实体之间的二进制比特传输的物理连接，提供机械的、电气的、功
3、能的和规程性的特性。从定义可以看出，物理层的特点是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机械、电气、功能和规程的特性。,网络中物理设备与传输介质的种类很多，通信也有不同的方式；物理层要尽可能屏蔽掉这些差异，使数据链路层感觉不到这种差异；确保数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输介质。,物理层处于最底层，是整个开放系统的基础，向下直接与物理传输介质相连接;物理层协议是各网络设备互联时遵守的底层协议;实现网络物理设备之间的二进制比特流的透明传输;负责主机间传输数据位，为物理介质上传输的比特流建立规则，及需何种传送技术在传输介质上发
4、送数据;对数据链路层屏蔽物理传输介质的特性，以便对高层协议有最大的透明性，但定义了数据链路层所使用的访问方法,物理层的主要功能如下：,为数据终端设备(Data Terminal Equipment，DTE)提供传送数据的通路。数据通路可以是一个物理介质，也可由多个物理介质连接而成的。一次完整的数据传输包括激活物理连接、传送数据和终止物理链接。所谓“激活物理链接”就是不管有多少物理介质参与，都需将通信的两个数据终端设备连接起来，形成一通路。,物理层的主要功能如下：,传输数据。物理层要形成适合传输需要的实体，为数据传输服务，保证数据能在物理层正确通过，并提供足够的带宽，以减少信道的拥塞。数据传输的
5、方式能满足点到点、一点到多点、串行或并行、半双工或全双工、同步或异步传输的需要。,物理层的主要功能如下：,其他管理工作 如信道状态评估、能量检测等,具体的物理层协议比较复杂 物理链接的方式很多：可以是点到点的，也可以是多点连接或广播连接。传输介质种类非常多：如架空明线、平衡电缆、同轴电缆、光纤、双绞线和无线信道等。,通信所用的互连设备是指数据终端设备和数据电路终端设备间的互连设备。具有一定数据处理能力和发送、接收数据能力的设备称为“数据终端设备”，也称为“物理设备”，如计算机、IO设备终端等；介于数据终端设备和传输介质之间的数据通信设备或电路连接设备，称为“数据电路终端设备”，如调制解调器等。
6、,物理层通信过程中，数据终端设备和数据电路终端设备之间应该既有数据信息传输，也有控制信息传输；制定相互之间的接口标准来协调工作。这些标准就是物理接口标准。,通常物理接口标准对物理接口的四个特性进行了描述：机械特性。它规定了物理连接时使用的可接插连接器的形状和尺寸，连接器中的引脚数量和排列情况等。电气特性。它规定了在物理连接上传输二进制比特流时，线路上信号电平高低、阻抗以及阻抗匹配、传输速率与距离限制。功能特性。它规定了物理接口上各条信号线的功能分配和确切定义。物理接口信号线一般分为数据线、控制线、定时线和地线。规程特性。它定义了信号线进行二进制比特流传输线的一组操作过程，包括各信号线的工作规则
7、和时序。,2、无线通信物理层的主要技术 无线通信物理层的主要技术包括介质的选择、频段的选择、调制技术和扩频技术。(1)介质和频段选择 无线通信的介质包括电磁波和声波。电磁波是最主要的无线通信介质，而声波一般仅用于水下的无线通信。根据波长的不同，电磁波分为无线电波、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。,无线电波是容易产生，可以传播很远，可以穿过建筑物，因而被广泛地用于室内或室外的无线通信。无线电波是全方向传播信号的，它能向任意方向发送无线信号，所以发射方和接收方的装置在位置上不必要求很精确的对准。,无线电波的传播特性与频率相关。如果采用较低频率，则它能轻易地通过障碍
8、物，但电波能量随着与信号源距离r的增大而急剧减小，大致为1/r3。如果采用高频传输，则它趋于直线传播，且受障碍物阻挡的影响。无线电波易受发动机和其它电子设备的干扰。另外，由于无线电波的传输距离较远，用户之间的相互串扰也是需要关注的问题，所以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。,(2)调制技术 调制和解调技术是无线通信系统的关键技术之一。通常信号源的编码信息（即信源）含有直流分量和频率较低的频率分量，称为基带信号。基带信号往往不能作为传输信号，因而要将基带信号转换为相对基带频率而言频率非常高的带通信号，以便于进行信道传输。通常将带通信号称为已调信号，而基带信号称为调制信号。,调
9、制技术通过改变高频载波的幅度、相位或频率，使其随着基带信号幅度的变化而变化。解调是将基带信号从载波中提取出来以便预定的接收者(信宿)处理和理解的过程。,调制对通信系统的有效性和可靠性有很大的影响，采用什么方法调制和解调往往在很大程度上决定着通信系统的质量。根据调制中采用的基带信号的类型，可以将调制分为模拟调制和数字调制。,模拟调制是用模拟基带信号对高频载波的某一参量进行控制，使高频载波随着模拟基带信号的变化而变化。数字调制是用数字基带信号对高频载波的某一参量进行控制，使高频载波随着数字基带信号的变化而变化。目前通信系统都在由模拟制式向数字制式过渡，因此数字调制已经成为了主流的调制技术。,根据原
10、始信号所控制参量的不同，调制分为幅度调制（Amplitude Modulation,AM）、频率调制（Frequency Modulation,FM）和相位调制（Phase Modulation,PM）。当数字调制信号为二进制矩形全占空脉冲序列时，由于该序列只存在“有电”和“无电”两种状态，因而可以采用电键控制，被称为键控信号，所以上述数字信号的调幅、调频、调相分别又被称为幅移键控(Amplitude Shift Keying,ASK)、频移键控(Frequency Shift Keying,FSK)和相移键控(Phase Shift Keying,PSK)。,20世纪80年代以来，人们十分重
11、视调制技术在无线通信系统中的应用，以寻求频谱利用率更高、频谱特性更好的数字调制方式。由于振幅键控信号的抗噪声性能不够理想，因而目前在无线通信中广泛应用的调制方法是频率键控和相位键控。,(3)扩频技术 扩频又称为扩展频谱，定义如下：是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现，与所传信息数据无关；在接收端用同样的码进行相关同步接收、解扩和恢复所传信息数据。,扩频技术按照工作方式的不同，可以分为以下四种：直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum,DSSS)；跳频(Freq
12、uency Hopping Spread Spectrum,FHSS)；跳时(Time Hopping Spread Spectrum,THSS)；宽带线性调频扩频(chirp Spread Spectrum,chirp-SS，简称切普扩频)。,扩频通信与一般无线通信系统相比，主要是在发射端增加了扩频调制，而在接收端增加了扩频解调。扩频技术的优点包括：易于重复使用频率，提高了无线频谱利用率;抗干扰性强，误码率低;隐蔽性好，对各种窄带通信系统的干扰很小;可以实现码分多址;抗多径干扰;能精确地定时和测距;适合数字话音和数据传输，以及开展多种通信业务;安装简便，易于维护。,3、无线传感器网络物理层的
13、特点 无线传感器网络作为无线通信网络中的一种类型，因此它包含了上述介绍的无线通信物理层技术的特点。由于传感器网络的主要设计参数是成本和功耗，因而物理层的设计对整个网络的成功运行来说是至关重要的。采用了不适宜的调制方式、工作频带和编码方案，即使设计出的网络能够勉强完成预定的功能，也未必满足推广应用所需的成本和电池寿命方面的要求。,3、无线传感器网络物理层的特点 目前无线传感器网络的通信传输介质主要是无线电波、红外线和光波三种类型。无线电波的通信限制较少，通常人们选择“工业、科学和医疗”(Industrial，Scientific and Medical,ISM)频段。ISM频段的优点：自由频段，
14、无须注册，可选频谱范围大，实现起来灵活方便。ISM频段的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。,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，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。,调制是无线通信系统的重要技术，它使得信号与信道匹配，增强电波的有效辐射，可以方便频率分配、减小信号干扰；扩频通信具有很强的抗干扰能力，可进行多址通信，安全性强，难以被敌方窃听；对于传感器网络来说，选择适当的调制解调和扩频机制是实现可靠通信传输的关键。,物理层设计的重点问题,调制机制：低能耗和低成本的特点要求调制机制尽量设计简单，
15、使得能量消耗最低。但另一方面无线通信本身的不可靠性，传感器网络与现有无线设备之间的无线电干扰，以及具体应用的特殊需要使得调制机制必须具有较强的抗干扰能力。与上层协议结合的跨层优化设计：物理层位于协议最底层，是整个协议栈的基础。它的设计对各上层内容的跨层优化设计具有重要的影响，而跨层优化设计是传感器网络协议设计的主要内容。硬件设计：在传感器网络的整个协议栈中，物理层与硬件的关系最为密切，微型化、低功耗、低成本的传感器单元、处理器单元和通信单元的有机集成是非常必要的。,3.1.2 传感器网络物理层的设计,1、传输介质,目前无线传感器网络采用的主要传输介质包括无线电、红外线和光波等。在无线电频率选择
16、方面，ISM频段是一个很好的选择。因为ISM频段在大多数国家属于无须注册的公用频段。,ISM频段的主要优点,ISM是自由频段，可用频带宽，并且在全球范围内都具有可用性；没有特定的标准，给设计适合无线传感器网络的节能策略带来了更多的设计灵活性和空间。ISM频段存在一些使用上的问题，例如功率限制以及与现有的其他无线电应用之间存在相互干扰等。,ISM可用频段,无线传感器网络节点之间通信的另一种手段是红外技术。红外通信的优点是无须注册，并且抗干扰能力强。红外通信的主要缺点是穿透能力差，要求发送者和接收者之间存在视距关系。这导致红外难以成为无线传感器网络的主流传输介质，而只能在一些特殊场合得到应用。,对
17、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靠和严重干扰等问题。另外，一些传感器节点的天线可能在高度和发射功率方面比不上周围的其它无线设备，为了保证这些低发射功率的传感器网络节点正常完成通信任务，要求所选择的传输介质能支持健壮的编码和调制机制。,2、物理层帧结构,物理帧的第一个字段是前导码，字节数一般取4，用于收发器进行码片或者符号的同步。第二个字段是帧头，长度通常为一个字节，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。帧长度字段通常由一个字节的低7位表示，其值就是
18、后续的物理层PHY负载的长度，因此它的后续PHY负载的长度不会超过127个字节。物理帧PHY的负载长度可变，称为物理服务数据单元(PHY Service Data Unite,PSDU)，携带PHY数据包的数据，PSDU域是物理层的载荷。,3、物理层设计技术,物理层需要考虑编码调制技术、通信速率和通信频段等问题：编码调制技术影响占用频率带宽、通信速率、收发机结构和功率等一系列的技术参数。比较常见的编码调制技术包括幅移键控、频移键控、相移键控和各种扩频技术。提高数据传输速率可减少数据收发的时间，对于节能具有意义，但需要同时考虑提高网络速度对误码的影响。一般用单个比特的收发能耗来定义数据传输对能量
19、的效率，单比特能耗越小越好。,在低速无线个域网(LR-PAN)的标准中，定义的物理层是在868MHz、915MHz、2.4GHz三个载波频段收发数据。在这三个频段都使用了直接序列扩频方式。标准非常适合无线传感器网络的特点，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Chipcon公司的CC2420无线通信芯片。,总的来看，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，在频段选择上主要集中在433464MHz、902928MHz和2.42.5GHz的ISM波段。,3.2 MAC协议,3.2.1 MAC协议概述,无线频谱是无线通信的
20、介质，这种广播介质属于稀缺资源。在无线传感器网络中，可能有多个节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的数据，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(Medium Access Control，MAC)协议。所谓MAC协议就是通过一组规则和过程来有效、有序和公平地使用共享介质。,无线传感器网络中，MAC协议决定着无线信道的使用方式，用来在传感器结点之间分配有限的无线通信资源，构建传感器网络系统的底层基础结构。MAC协议处于传感器网络协议的底层部分，对网络性能有较大影响，是保证传感器网络高效通信的关键网络协议之一。,传感器结点
21、的能量、存储、计算和通信带宽等资源有限，单个结点的功能比较弱，而传感器网络的丰富功能是由众多结点协作实现的；多点通信在局部范围需要MAC协议协调相互之间的无线信道分配，在设计传感器网络的MAC协义时，需要着重考虑以下几个问题：,节省能量：结点一般以干电池等提供能量，能量通常难以补充，为长时间保证网络有效工作，MAC协议在满足应用要求前提下，应尽量节省使用结点的能量。可扩展性：传感器结点数目、分布密度等在网络生存过程中不断变化，结点位置也可能移动，还有新结点加入网络的问题，网络的拓扑结构具有动态性。MAC协议应具有可扩展性，适应动态变化的拓扑结构。网络效率：网络效率包括网络的公平性、实时性、网络
22、吞吐量和带宽利用率等。上述问题重要性依次递减。由于传感器结点本身不能自动补充能量或能量补充不足，节约能量成为传感器网络MAC协议设计的首要考虑因素。,与传统网络MAC协议的差异,传统网络中，结点能连续获得能量供应，整个网络的拓扑结构相对稳定，网络的变化范围和变化频率都比较小，MAC协议重点考虑结点使用带宽的公平性，提高带宽的利用率和增加网络的实时性。传感器网络的MAC协议与传统网络的MAC协议所注重的因素不同，传统网络的MAC协议不适用于传感器网络，需要设计适用于传感器网络的MAC协议。,网络结点无线通信模块的状态,发送状态、接收状态、侦听状态和睡眠状态；单位时间内消耗能量按照上述顺序依次减少
23、，无线通信模块在发送状态消耗能量最多，在睡眠状态消耗能量最少，接收状态和侦听状态下的能量消耗稍小于发送状态。,传感器网络MAC协议无线信道使用策略,为减少能量消耗，采用“侦听/睡眠”交替策略，有数据收发时，开启通信模块进行发送或侦听；没有数据需要收发，控制通信模块进入睡眠状态，减少空闲侦听造成的能量消耗。为使结点睡眠时不错过发送给它的数据，或减少结点的过度侦听，结点间需协调它们的侦听和睡眠周期。采用基于竞争的MAC协议，要考虑发送数据产生碰撞的可能，根据信道使用信息调整发送时机。MAC协议应简单高效，避免协议本身开销大、消耗过多能量。,(1)采用分布式控制还是集中控制；(2)使用单一共享信道还
24、是多个信道；(3)采用固定分配信道方式还是随机访问信道方式。,传感器网络MAC协议可以按照下列条件进行分类：,本书根据上述的第三种分类方法，将传感器网络的MAC协议分为以下三种：(1)时分复用无竞争接入方式。无线信道时分复用(TDMA)方式给每个传感器节点分配固定的无线信道使用时段，避免节点之间相互干扰。,(2)随机竞争接入方式。如果采用无线信道的随机竞争接入方式，节点在需要发送数据时随机使用无线信道，尽量减少节点间的干扰。典型的方法是采用载波侦听多路访问(CSMA)的MAC协议。,(3)竞争与固定分配相结合的接入方式。通过混合采用频分复用或者码分复用等方式，实现节点间无冲突的无线信道分配。,
25、基于竞争的随机访问MAC协议采用按需使用信道的方式，它的基本思想是当节点需要发送数据时，通过竞争方式使用无线信道；如果发送的数据产生了碰撞，就按照某种策略重发数据，直到数据发送成功或放弃发送。,典型的基于竞争的随机访问MAC协议是载波侦听多路访问(CSMA)接入方式。在无线局域网IEEE 802.11 MAC协议的分布式协调工作模式中，就采用了带冲突避免的载波侦听多路访问(CSMA/CA)协议，它是基于竞争的无线网络MAC协议的典型代表。,CSMA/CA机制：在信号传输之前，发射机先侦听介质中是否有同信道载波，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
26、重新检测信道。这种介质访问控制层的方案简化了实现自组织网络应用的过程。,在IEEE 802.11 MAC协议基础上，设计出适用于传感器网络的多种MAC协议。,3.2.2 IEEE 802.11 MAC协议,IEEE 802.11 MAC协议分为分布式协调功能(Distributed Coordination Function,DCF)和点协调功能(Point Coordination Function，PCF)两种访问控制方式，其中DCF方式是IEEE 802.11协议的基本访问控制方式。,由于无线信道中难以检测到信号的碰撞，只能采用随机退避的方式来减少数据碰撞的概率;在DCF工作方式下，结点
27、侦听到无线信道忙之后，采用CSMACA机制和随机退避时间，实现无线信道的共享;定向通信采用立即的主动确认(ACK帧)机制，如果没有收到ACK帧，发送方会重传数据。,在DCF工作方式下，载波侦听机制通过物理载波侦听和虚拟载波侦听来确定无线信道的状态。物理载波侦听由物理层提供，虚拟载波侦听由MAC层提供。,IEEE 802.11 MAC协议规定了三种基本帧间间隔(InterFrame Space，IFS)，用来提供访问无线信道的优先级：（1）SIFS(short IFS)：最短帧间间隔。（2）PIFS(PCF IFS)：PCF方式下节点使用的帧间间隔。（3）DIFS(DCF IFS)：DCF方式下
28、节点使用的帧间问隔。,根据CSMA/CA协议，当节点要传输一个分组时，它首先侦听信道状态。如果信道空闲，而且经过一个帧间间隔时间DIFS后，信道仍然空闲，则站点立即开始发送信息。如果信道忙，则站点始终侦听信道，直到信道的空闲时间超过DIFS。当信道最终空闲下来的时候，节点进一步使用二进制退避算法，进入退避状态来避免发生碰撞。,随机退避时间按下面公式进行计算：退避时间=Random()aSlottime 其中，Random()是在竞争窗口0，CW内均匀分布的伪随机整数；CW是整数随机数，它的数值位于标准规定的aCWmin和aCWmax之间；aSlottime是一个时槽时间，包括发射启动时间、介质
29、传播时延、检测信道的响应时间等。,网络节点在进入退避状态时，启动一个退避计时器，当计时达到退避时间后结束退避状态。在退避状态下，只有当检测到信道空闲时才进行计时。如果信道忙，退避计时器中止计时，直到检测到信道空闲时间大于DIFS后才继续计时。当多个节点推迟且进入随机退避时，利用随机函数选择最小退避时间的节点作为竞争优胜者。,802.11 MAC协议通过立即主动确认机制和预留机制业提高性能。在主动确认机制中，当目标节点收到一个发送给它的有效数据帧(DATA)时，必须向源节点发送一个应答帧(ACK)，确认数据已被正确接收到。为了保证目标节点在发送ACK过程中不与其它节点发生冲突，目标节点使用SIF
30、S帧间隔。主动确认机制只能用于有明确目标地址的帧，不能用于组播和广播报文传输。,3.2.3 典型MAC协议：S-MAC协议,一种适用于无线传感器网络的比较典型的MAC协议，即S-MAC协议(Sensor MAC)。这种协议是在802.1l MAC协议的基础上，针对传感器网络的节省能量需求而提出的。S-MAC协议适用条件：传感器网络的数据传输量不大，网络内部能够进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良好的扩展性，减少节点能耗。,通常无线传感器网络的无效能耗主要来源于如下四种原因：空闲监听 数据冲突 串扰 控制开销,空闲监听,如果MAC协议采用竞争方
31、式使用共享的无线信道，结点发送数据过程中，可能引起多个结点间发送的数据产生碰撞，这就需要重传发送。结点不知道它的邻居结点在何时会向自己发送数据，因而通信模块始终处于接收状态，从而消耗无用的能量。,数据冲突,邻居结点同时向同一结点发送多个数据帧，信号相互干扰，导致接收方无法准确接收，重发数据行为造成了能量浪费。,串扰,网络结点会接收和处理无关的数据，这种串音现象造成结点的无线接收模块和处理器模块消耗较多的能量。,控制开销,控制报文不传送有效数据，消耗了结点能量。如果控制消息过多，将消耗较多的网络能量。,S-MAC机制,针对碰撞重传、串音、空闲侦听和控制消息等可能造成较多能耗的因素S-MAC采用如
32、下机制：周期性侦听睡眠的低占空比工作方式，控制结点尽可能处于睡眠状态来降低结点能量的消耗；邻居结点通过协商的一致性睡眠调度机制形成虚拟簇，减少结点的空闲侦听时间；通过流量自适应的侦听机制，减少消息在网络中的传输延迟；采用带内信令来减少重传和避免侦听不必要的数据；通过消息分割和突发传递机制来减少控制消息的开销和消息的传递延迟。,（1）周期性侦听和睡眠机制 S-MAC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。监听/睡眠阶段的持续时间根据应用情况进行调整。节点处于睡眠阶段时，关闭无线电波，以节省能量。当然节点需要缓存这期间收到的数据，以便工作阶段集中发送。,为减少能量消耗
33、，结点尽量处于低功耗的睡眠状态；每个结点独立地调度它的工作状态，周期性地转入睡眠状态，在苏醒后侦听信道，判断是否需要发送或接收数据；为了便于相互通信，相邻结点之间应该尽量维持睡眠侦听调度周期的同步。,各结点用SYNC消息通告自己的调度信息，同时维护一个调度表，保存所有相邻结点的调度信息；结点启动工作时，先侦听一段固定长度时间，如在这段侦听时间内收到其他结点的调度信息，则将它的调度周期设置为与邻居结点相同，并在等待一段随机时间后广播它的调度信息；结点收到多个邻居结点的不同调度信息时，可选择第一个收到的调度信息，并记录收到的所有调度信息；结点在侦听时间内没有收到其他结点的调度信息，则产生自己的调度
34、周期并广播。,结点产生和通告自己的调度后，如果收到邻居的不同调度，下面分两种情况进行处理：如没有收到过与自己调度相同的邻居的通告，则采纳邻居的调度，丢弃自己生成的调度；如果结点已经收到过与自己调度相同的其他邻居的通告，则在调度表中记录该调度信息，以便能够与非同步的相邻结点进行通信。,具有相同调度的节点形成一个所谓的虚拟簇，边界节点记录两个或多个调度。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，使得S-MAC协议具有良好的可扩展性。为了适应新加入节点，每个节点要定期广播自己的调度信息，使新节点可以与已经存在的相邻节点保持同步。如果节点同时收到两种不同的调度，如图所示的处于两个不同调度
35、区域重合部分的节点，那么这个节点可以选择先收到的调度，并记录另一个调度信息。,（2）流量自适应侦听机制 传感器网络通常采用多跳通信进行组网，而结点的周期性睡眠会导致通信延迟的累加。S-MAC协议采用了流量自适应的侦听机制，减少通信延迟的累加效应。,流量自适应侦听机制基本思想在一次通信过程中，通信节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。如果节点在这段时间内接收到RTS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。如果在这段时间内没有接收到RTS分组，则转入睡眠状态直到下一次调度侦听周期。,（3）冲突和串音避免机制 为减少冲突和避免串音
36、，S-MAC协议采用与802.11 MAC协议类似的虚拟和物理载波监听机制，以及RTS/CTS握手交互机制。两者的区别在于当邻居节点处于通信过程时，执行S-MAC协议的节点进入睡眠状态。每个结点在发送数据时，都要先进行载波侦听。只有虚拟或物理载波侦听表示无线信道空闲时，才可以竞争通信过程。,（4）消息传递机制 S-MAC协议采用了消息传递机制，可以很好地支持长消息的发送。由于无线信道的传输差错与消息长度成正比，短消息传输成功的概率要大于长消息。消息传递机制根据这一原理，将长消息分为若干个短消息，采用一次RTS/CTS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。这样既可以减少
37、控制报文的开销，又可以提高消息发送的成功率。,S-MAC与IEEE 802.11 MAC协议的突发分组传送,S-MAC与IEEE 802.11 MAC协议的差异,S-MAC协议的RTSCTS控制消息和数据消息携带的时间是整个长消息传输的剩余时间;其他结点只要接收到一个消息，就能够知道整个长消息的剩余时间，然后进入睡眠状态直至长消息发送完成。,S-MAC与IEEE 802.11 MAC协议的差异,IEEE 802.11 MAC协议考虑了网络的公平性，RTSCTS只预约下一个发送短消息的时间;其他结点在每个短消息发送完成后都不必醒来进入侦听状态;只要发送方没有收到某个短消息的应答，连接就会断开，其
38、他结点就可以开始竞争信道的使用权。,3.3 路由协议,3.3.1 路由协议概述,路由选择是指选择互连网络从源节点向目的节点传输信息的行为，并且信息至少通过一个中间节点。路由协议负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点，它包括两个功能：寻找源节点和目的节点间的优化路径；将数据分组沿着优化路径正确转发。,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：,（1）能量优先（2）基于局部拓扑信息（3）以数据为中心（4）应用相关,（1）能量优先,由于传感器节点的能量非常有限，无线传感器网络路由协议设计的一个重要目标便是延长整个网络的生存时间，因此必须考虑节点的能量消耗和网络能量均衡使用
39、的问题。,（2）基于局部拓扑信息,为了尽量节省通信能量，无线传感器网络路由协议通常采用多跳的通信模式，而网络中节点数目通常较多，节点资源有限，使得节点无法存储大量的路由信息。无线传感器网络的一个基本问题就是，如何在节点只能获取局部拓扑信息和能量有限的情况下，实现简单高效的路由机制。,（3）以数据为中心,无线传感器网络关注的是监测区域内的感知数据及其位置，而不是具体由哪个节点获取的信息。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。,（4）应用相关,无线传感器网络是和应用相关的网络，其应用环境千差万别，数据通信
40、模式不同，没有一个路由机制能够适合所有的应用；在设计路由协议时需要针对每一个具体应用的需求，设计出合适应用的特定路由。,在根据具体应用设计路由协议时，必须满足如下要求：,（1）能量高效（2）可扩展性（3）稳健性（4）快速收敛性,1）能量高效,传感器网络路由协议设计最重要的优化目标是能量高效性，路由过程中不仅要选择能量消耗小的消息传输路径，而且要针对整个网络的情况选择使整个网络能量均衡消耗的路径。传感器节点能量有限，传感器网络的路由机制要能够简单而且高效地实现信息传输。,2）可靠性,传感器网络中，链路稳定性难于保证，通信信道质量较低，拓扑变化较频繁，路由协议会遇到各种非正常或不可预料的网络环境，
41、路由器节点一旦出现故障将可能会影响整个网络。好的路由协议应该具备较强可靠性，能够通过各种网络环境下的测试验证。,3）快速收敛性,传感器节点能量和通信带宽资源有限，网络拓扑结构动态变化等这些不确定因素要求路由机制能够快速收敛；适应网络拓扑动态变化，减少通信协议开销，提高消息传输的效率。,4）数据处理技术,为了减少数据通信量，转发结点在传输数据过程中经常将不同的入口报文融合成数目更少的出口报文转发给下一跳，这就是数据融合的基本涵义。采用数据融合技术意味着路由协议需要做出相应的调整。,5）鲁棒性,能量限制、环境干扰和人为破坏等因素造成传感器节点的损坏，周围环境造成无线链路信号干扰以及无线链路本身的缺
42、点等这些无线传感器网络的不可靠特性要求传感器网络路由机制需要具备一定的容错能力。,6）优化能力,网络资源状况随时会发生变化，传感器网络路由协议需要具备能够依据当前网络资源状况选择最合适路径的能力。,我们从各种应用的角度出发，将路由协议分为四类：,（1）能量感知路由协议,高效利用网络能量是传感器网络路由协议的一个显著特征。为了强调高效利用能量的重要性，这里将它们划分为能量感知路由协议。能量感知的路由协议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。,路由协议分类,（2）基于查询的路由协议,在环境检测、战场评估等应用中，需要不断查询传感器节点采集的数据。在汇聚节点（查询节点）发
43、出任务查询命令，传感器网络的终端探测节点向监控中心报告采集的数据。这类应用中，通信流量主要是查询节点和传感器探测节点间的命令和数据传输，传感器探测节点的采集信息通常要进行数据融合，通过减少通信流量来节省能量，即数据融合技术与路由协议的设计相结合。,（3）地理位置路由协议,在目标跟踪的应用问题中，需要唤醒距离被跟踪目标最近的传感器节点，以便得到关于目标的更精确位置等相关信息。这类与坐标位置有关的应用问题中，需要知道目的节点的精确或者大致地理位置。把节点的位置信息作为路由选择的依据，不仅能够完成节点的路由选择功能，还可以降低系统专门维护路由协议的能耗。,（4）可靠的路由协议,传感器网络的某些应用对
44、通信的服务质量有较高要求，可能在可靠性和实时性等方面有特别要求。采用视频传感器进行战场环境监测时，希望传输的视频图像能够尽可能的流畅些。传感器网络的无线链路稳定性一般难以保证，通信信道质量比较低，网络拓扑变化频繁，要考虑可靠的路由协议设计技术来满足这些的服务质量指标。,3.3.2 典型路由协议：定向扩散路由,定向扩散（Directed Diffusion，DD）路由协议是一种基于查询的路由机制。扩散节点通过兴趣信息发出查询任务，采用洪泛方式传播兴趣信息到整个区域或部分区域内的所有传感器节点。兴趣信息用来表示查询的任务，表达了网络用户对监测区域内感兴趣的具体内容，例如监测区域内的温度、湿度和光照
45、等数据。在兴趣信息的传播过程中，协议将逐跳地在每个传感器节点上建立反向的从数据源到汇聚节点的数据传输梯度，传感器探测节点将采集到的数据沿着梯度方向传送给汇聚节点。,定向扩散路由机制可以分为周期性的兴趣扩散、梯度建立和路径加强三个阶段:,（a）路径建立（b）数据传播（c）路径增强,（1）兴趣扩散阶段,兴趣扩散阶段，汇聚节点周期性地向邻居节点广播兴趣消息。兴趣消息中含有任务类型、目标区域、数据发送速率、时间戳等参数。各节点在本地保存一个兴趣列表，对每个兴趣内容，列表中都有一个表项记录发来该兴趣消息的邻居节点、数据发送速率和时间戳等任务相关信息，以建立该节点向汇聚节点传递数据的梯度关系。每个兴趣可能
46、对应多个邻居节点，每个邻居节点对应一个梯度信息。,（2）数据传播阶段,当传感器探测节点采集到与兴趣匹配的数据时，把数据发送到梯度上的邻居节点，并按照梯度上的数据传输速率，设定传感器模块采集数据的速率。由于可能从多个邻居节点收到兴趣消息，节点向多个邻居发送数据，汇聚节点可能收到经过多个路径的相同数据。,（3）路径加强阶段,定向扩散路由机制通过正向加强机制来建立优化路径，并根据网络拓扑的变化来修改数据转发的梯度关系。兴趣扩散阶段是为了建立源节点到汇聚节点的数据传输路径，数据源节点以较低速率来采集和发送数据，称这个阶段建立的梯度为探测梯度。,定向扩散路由在路由建立时需要一个兴趣扩散的洪泛传播，在能量和时间方面开销较大；尤其是当底层MAC协议采用休眠机制时，有时可能造成兴趣建立的不一致，因而在网络设计时需要注意避免这些问题。,其他路由协议,小结,
