1、第第6章章 无线传感器网络技术无线传感器网络技术 6.1 无线传感器网络简介6.2 无线传感器网络的体系结构及协议系统结构6.3 无线传感器网络MAC协议6.4 无线传感器网络路由协议6.5 无线传感器网络的关键技术6.6 无线传感器网络系统设计与开发6.1 无线传感器网络简介无线传感器网络简介6.1.1 无线传感器网络概述无线传感器网络概述无线传感器网络(Wireless Sensor Network)是新一代的传感器网络，具有非常广泛的应用前景，其发展和应用将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。2001年1月MIT技术评论将无线传感器列于十种改变未来世界的新兴技术之首。2003年8
2、月，商业周刊预测：无线传感器网络将会在不远的将来掀起新的产业浪潮。2004年IEEE Spectrum杂志发表一期专集：传感器的国度，论述无线传感器网络的发展和可能的广泛应用。在我国未来20年预见技术的调查报告中，信息领域157项技术课题有七项与无线传感器网络直接相关。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三个前沿方向，其中两个与无线传感器的研究直接相关，即智能感知技术和自组织网络技术。可以预计，无线传感器网络的研究与应用是一种必然趋势，它的出现将会给人类社会带来极大的变革。无线传感器网络综合了微电子技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等
3、先进技术，能够协同地实时监测、感知和采集网络覆盖区域中各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理，处理后的信息通过无线方式发送，并以自组多跳的网络方式传送给观察者。无线传感器网络可以定义为：由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络的网络系统，其目的是协作感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。可以看出，传感器、感知对象和观察者是无线传感器网络的三个基本要素。这三个要素之间通过无线网络建立通信路径，协作地感知、采集、处理、发布感知信息。6.1.2 无线传感器网络的特点无线传感器网络的特点目前常见的无线网络包括移动通信网、无线局域
4、网、蓝牙网络、Ad-Hoc网络等，无线传感器网络在通信方式、动态组网以及多跳通信等方面有许多相似之处，但同时也存在很大的差别。无线传感器网络具有许多鲜明的特点：(1)电源能量有限。传感器节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池。由于传感器节点数目庞大，成本要求低廉，分布区域广，而且部署区域环境复杂，有些区域甚至人员不能到达，所以传感器节点通过更换电池的方式来补充能源是不现实的。如何在使用过程中节省能源，最大化网络的生命周期，是无线传感器网络面临的首要挑战。(2)通信能量有限。无线传感器网络的通信带宽窄而且经常变化，通信覆盖范围只有几十到几百米。由于无线传感器网络更多地受到高山、建筑物、障碍物等
5、地势、地貌以及风雨雷电等自然环境的影响，传感器可能会长时间脱离网络，离线工作。如何在有限通信能力的条件下高质量地完成感知信息的处理与传输，是无线传感器网络面临的挑战之一。(3)传感器节点的能量、计算能力和存储能力有限。传感器节点是一种微型嵌入式设备，要求它价格低、功耗小，这些限制必然导致其携带的处理器能力比较弱，存储器容量比较小。为了完成各种任务，传感器节点需要完成监测数据的采集和转换、数据的管理和处理、应答汇聚节点的任务请求和节点控制等多种工作。如何利用有限的计算和存储资源完成诸多协同任务已成为无线传感器网络设计的挑战。(4)网络规模大，分布广。无线传感器网络中的节点分布密集，数量巨大，可能
6、达到几百、几千万，甚至更多。此外，无线传感器网络可以分布在很广泛的地理区域。无线传感器网络的这一特点使得网络的维护十分困难甚至不可维护，因此无线传感器网络的软、硬件必须具有高强壮性和容错性，以满足无线传感器网络的功能要求。(5)自组织、动态性网络。在无线传感器网络应用中，节点通常被放置在没有基础结构的地方。传感器节点的位置不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预先也不知道，而是通过随机布撒的方式。这就要求传感器节点具有自组织能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监控数据的多跳无线网络系统。同时，由于部分传感器节点能量耗尽或环境因素造成失效，以及经常有新的节点加入
7、，或是网络中的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性，这就要求无线传感器网络必须具有很强的动态性，以适应网络拓扑结构的动态变化。(6)传感器节点具有数据融合能力。与Mesh网络相比，无线传感器网络数据少、可移动、重能源；与无线Ad-Hoc网络相比，无线传感器网络数量多、密度大、易受损、拓扑结构频繁、广播式点对多通信、节点能量和计算能力受限。(7)应用相关的网络。无线传感器网络用来感知客观物理世界，获取物理世界的信息量。不同的无线传感器网络应用关心不同的物理量，因此对传感器的应用系统也有多种多样的要求。不同的应用背景对无线传感器网络的要求不同，其硬件平台、软件系统和网络协议必然有很大差
8、别，在开发无线传感器网络的应用中，更关心传感器网络的差异。针对每个具体应用来研究传感器网络技术，是传感器网络设计不同于传统网络的显著特征。6.2 无线传感器网络的体系结构无线传感器网络的体系结构及协议系统结构及协议系统结构6.2.1 无线传感器网络的体系结构无线传感器网络的体系结构1无线传感器网络的组成无线传感器网络的组成无线传感器网络的组成如图6.1所示。监测区域中随机分布着大量的传感器节点，这些节点以自组织的方式构成网络结构。每个节点既有数据采集又有路由功能，采集数据经过多跳传递给汇聚节点，连接到互联网。在网络的任务管理节点对信息进行管理、分类、处理，最后供用户进行集中处理。图6.1 无线
9、传感器网络的组成2无线传感器网络的节点结构无线传感器网络的节点结构节点同时具有传感、信息处理和进行无线通信及路由的功能。对于不同的应用环境，节点的结构也可能不一样，但它们的基本组成部分是一致的。一个节点通常包含传感器、微处理器、存储器、A/D转换接口、无线发射以及接收装置和电源等。概括之，可分为传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四个部分。无线传感器网络的节点结构如图6.2所示。传感器模块负责信息采集和数据转换；处理器模块控制整个传感器节点的操作，处理本身采集的数据和其他节点发来的数据，运行高层网络协议；无线通信模块负责与其他传感器节点进行通信；能量供应模块为传感器节点提供运行所
10、需的能量，通常是微型蓄电池。图6.2 无线传感器网络的节点结构3无线传感器网络应用系统结构无线传感器网络应用系统结构无线传感器网络应用系统结构如图6.3所示。无线传感器网络的应用支撑层、无线传感器网络的基础设施和基于无线传感器网络的应用业务层的一部分共性功能以及管理、信息安全等部分组成了无线传感器网络的中间件和平台软件。其中：应用支撑层支持应用业务层为各个应用领域服务，提供所需的各种通用服务，在这一层中核心的是中间件软件；管理和信息安全是贯穿各个层次的保障。无线传感器网络的中间件和平台软件主要分为四个层次：网络适配层、基础软件层、应用开发层和应用业务适配层，其中网络适配层和基础软件层组成无线传
11、感器网络节点嵌入式软件(部署在无线传感器网络节点中)的体系结构，应用开发层和基础软件层组成无线传感器网络应用支撑结构(支持应用业务的开发与实现)。在网络适配层中，网络适配器是对无线传感器网络底层(无线传感器网络的基础设施、无线传感器操作系统)的封装。基础软件层包含无线传感器网络的各种中间件。这些中间件构成无线传感器网络平台软件的公共基础，并提供了高度的灵活性、模块性和可移植性。图6.3 无线传感器网络应用系统结构无线传感器网络的中间件有如下几种：(1)网络中间件：完成无线传感器网络接入服务、网络生成服务、网络自愈合服务、网络连通服务等。(2)配置中间件：完成无线传感器网络的各种配置工作，例如路
12、由配置、拓扑结构的调整等。(3)功能中间件：完成无线传感器网络各种应用业务的共性功能，提供各种功能框架接口。(4)管理中间件：为无线传感器网络应用业务实现各种管理功能，例如目录服务、资源管理、能量管理和生命周期管理。(5)安全中间件：为无线传感器网络应用业务实现各种安全功能，例如安全管理、安全监控和安全审计。无线传感器网络的中间件和平台软件采用层次化、模块化的体系结构，使其更加适应无线传感器网络应用系统的要求，并用自身的复杂换取应用开发的简单，而中间件技术能够更简单、明了地满足应用的需要。一方面，中间件提供满足无线传感器网络个性化应用的解决方案，形成一种特别适用的支撑环境；另一方面，中间件通过
13、整合，使无线传感器网络应用只需面对一个可以解决问题的软件平台，因而以无线传感器网络的中间件和平台软件的灵活性、可扩展性保证了无线传感器网络的安全性，提高了无线传感器网络的数据管理能力和能量效率，降低了应用开发的复杂性。4无线传感器网络的通信体系结构无线传感器网络的通信体系结构无线传感器网络的实现需要自组织网络技术，相对于一般意义上的自组织网络，无线传感器网络有以下一些特色，需要在体系结构的设计中特殊考虑。(1)无线传感器网络中的节点数目众多，这就对传感器网络的可扩展性提出了要求，由于传感器节点的数目多、开销大，传感器网络通常不具备全球唯一的地址标识，这使得传感器网络的网络层和传输层相对于一般网
14、络而言有很大的简化。(2)自组织传感器网络最大的特点就是能量受限，传感器节点受环境的限制，通常由电量有限且不可更换的电池供电，所以在传感器网络体系结构以及各层协议设计时，节能是设计时的主要考虑目标之一。(3)由于传感器网络应用的环境的特殊性，无线信道不稳定以及能源受限的特点，传感器网络节点受损的概率远大于传统网络节点，因此自组织网络的健壮性保障是必须的，以保证部分传感器网络的损坏不会影响全局任务的进行。(4)传感器节点高密度部署，网络拓扑结构变化快。这对拓扑结构的维护也提出了挑战。根据以上特性分析，传感器网络需要根据用户对网络的需求设计适应自身特点的网络体系结构，为网络协议和算法的标准化提供统
15、一的技术规范，使其能够满足用户的需求。无线传感器网络的通信体系结构如图6.4所示。通信协议层可以划分为物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。而网络管理面则可以划分为能耗管理面、移动性管理面以及任务管理面，网络管理面的存在主要是用于协调不同层次的功能以求在能耗管理、移动性管理和任务管理方面获得综合考虑的最优设计。图6.4 无线传感器网络的通信体系结构6.2.2 无线传感器网络的通信协议栈无线传感器网络的通信协议栈与互联网的协议框架类似，无线传感器网络的协议框架也包括五层，如图6.5所示。各网络协议层功能如下：(1)物理层：物理层负责数据的调制、发送与接收。该层的设计将直接影响到电路的复杂度
16、和能耗。对于距离较远的无线通信来说，从实现的复杂性和能量的消耗来考虑，代价都是很高的。物理层的研究目标是设计低成本、低功耗、小体积的传感器节点。在物理层面上，无线传感器网络遵从的主要是IEEE 802.15.4标准(ZigBee)。(2)数据链路层：数据链路层负责数据成帧、帧检测、差错控制以及无线信道的使用控制，减少因邻居节点广播所引起的冲突，解决信道的多路传输问题。数据链路层的工作集中在数据流的多路技术、数据帧的监测、介质的访问和错误控制，它保证了无线传感器网络中点到点或一点到多点的可靠连接。(3)路由层(又称网络层)：路由层实现数据融合，负责路由生成和路由选择。它关心的是对传输层提供的数据
17、进行路由。大量的传感器节点散布在监测区域中，需要设计一套路由协议来供采集数据的传感器节点和基站节点之间的通信使用。(4)传输控制层：传输控制层负责数据流的传输控制，协作维护数据流，是保障通信质量的重要部分。TCP协议是Internet上通用的传输层协议。但无线传感器网络的资源受限、错误率高、拓扑结构动态变化的特点将严重影响TCP协议的性能。(5)应用层：基于检测任务，在应用层上开发和使用不同的应用层软件。无线传感器网络的应用支撑服务包括时间同步和节点定位。其中，时间同步服务为协同工作的节点同步本地时钟；节点定位服务依靠有限的位置已知节点(信标)，确定其他节点的位置，在系统中建立起一定的空间关系
18、。图6.5中右侧部分不是独立的模块，它们的功能渗透到各层中，如能量、安全、移动，在各层设计实现中都要考虑；而拓扑管理主要是为了节约能量，制定节点的休眠策略，保持网络畅通；网络管理主要是实现在传感器网络环境下对各种资源的管理，为上层应用服务的执行提供一个集成的网络环境；QoS支持是指为用户提供高质量的服务。通信协议中的各层都需要提供QoS支持。图6.5 无线传感器网络的通信协议栈6.3 无线传感器网络无线传感器网络MAC协议协议媒体访问控制协议简称MAC(Medium Access Control)协议，处于无线传感器网络协议的底层部分，以解决无线传感器网络中节点以怎样的规则共享媒体才能保证满意
19、的网络性能问题。MAC协议对传感器网络的性能有较大影响，是保证无线传感器网络高效通信的关键网络协议之一。传感器网络的性能(如吞吐量、延迟性能等)完全取决于所采用的MAC协议。蜂窝电话网络和Ad-Hoc是当前主流的无线网络技术，但它们各自的MAC协议不适合无线传感器网络。GSM和CDMA中的介质访问控制主要关心如何满足用户的QoS要求和节省带宽资源，功耗则是第二位要考虑的；Ad-Hoc网络则考虑如何在节点具有高度移动性的环境中建立彼此间的链接，同时兼顾一定的QoS要求，功耗也不是其首要关心的。而无线传感器网络的MAC协议首要考虑的因素就是节省能量。这意味着传统网络的MAC协议不适用于传感器网络，
20、需要提出新的适用于传感器网络的MAC协议。目前的MAC协议主要有如下三类：(1)无线信道随机竞争接入方式(CSMA)：节点需要发送数据时采用随机方式使用无线信道，典型的如采用载波监听多路访问(CSMA)的MAC协议，需要注意隐藏终端和暴露终端问题，尽量减少节点间的干扰。(2)无线信道时分复用无竞争接入方式(TDMA)：采用时分复用(TDMA)方式给每个节点分配了一个固定的无线信道使用时段，可以有效避免节点间的干扰。(3)无线信道时分/频分/码分等混合复用接入方式(TDMA/FDMA/CDMA)：通过混合采用时分和频分或码分等复用方式，实现节点间的无冲突信道分配策略。6.3.1 基于竞争的无线传
21、感器网络基于竞争的无线传感器网络MAC协议协议基于竞争的无线传感器网络MAC协议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(如IEEE 802.11 MAC协议的分布式协调工作模式DCF采用的是二进制退避重传机制)重发数据，直到数据发送成功或彻底放弃发送数据。IEEE 802.11作为典型的竞争型介质访问控制协议，广泛应用在无线网络环境以作为无线节点的MAC协议。由于无线网络使用的传输媒介属于开放式共享资源，移动节点要传输时必须完全占用传输媒介才能运作，因此，IEEE 802.11采用了载波监听多路访问/冲突检测(CSMA/CA)的方式
22、来争夺传输媒介，只有获得信道的节点才能进行数据传输。但是CSMA/CA的运作方式需要节点长期监听信道，显然，对于传感器节点来说会消耗相当多的能源，另外CSMA/CA倾向支持独立的点到点通信业务，容易导致临近网关的节点获得更多的通信机会，而抑制多跳业务流量，因此，IEEE 802.11协议不能直接应用于无线传感器网络领域。在各种类型的WSN MAC协议中，对基于IEEE 802.11竞争型协议的研究和改进居多，各学者也不断提出新的改进思路。基于竞争的MAC协议具有良好的扩展性，且不要求严格的时钟同步，但它们对接收节点的考虑相对较少。在节省节点能量和增大消息延迟之间需要权衡。基于竞争的MAC协议在
23、保证一定的节能性的前提下，在各种性能指标之间进行折中。竞争型的WSN MAC协议很多，研究人员从不同的应用环境和不同的性能需求角度提出了许多竞争型MAC协议，如S-MAC、T-MAC、WiseMAC、AC-MAC/DPM、CB-MAC、PMAC(Pattern MAC)、PCS-MAC、TEEM(Traffic aware Energy Efficient MAC)和PAMAS(Power Aware Multiple Access protocol with Signaling)协议等。下面介绍几种常用的基于竞争的MAC协议。1带冲突避免的载波监听多路访问MAC层协议CSMA/CA协议为尽量
24、减少数据的传输碰撞和重试发送，防止各节点无序地争用无线信道，提出了CSMA/CA协议，它主要是应用于无线局域网IEEE 802.11 MAC协议的分布式协调工作模式下的一种协议。在节点监听到无线信道忙之后，采用CSMA/CA机制和随机退避时间，实现无线信道的共享。为了使各种MAC操作互相配合，IEEE 802.11推荐使用三种帧间隔(IFS)，以便提供基于优先级的访问控制。这三种帧间隔如下：(1)DIFS(分布式协调IFS)：最长的IFS，优先级最低，用于异步帧竞争访问的时延。(2)PIFS(点协调IFS)：中等长度的IFS，优先级居中，在PCF操作中使用。(3)SIFS(短IFS)：最短的I
25、FS，优先级最高，用于需要立即响应的操作。传统的载波监听多路访问(CSMA)协议不适合传感器，当一个节点要传输一个分组时，它首先监听信道状态。如果信道空闲，而且经过一个帧间隔DIFS后，信道仍然空闲，则站点开始发送信息。如果信道忙，要一直监听到信道的空闲时间超过DIFS。当信道最终空闲下来时，节点进一步使用二进制退避算法，来避免发生碰撞。节点进入退避状态时，启动一个退避计时器，当计时到达退避时间后结束退避状态。IEEE 802.11 MAC协议中通过立即主动确认机制和预留机制来提高性能。2S-MAC协议 S-MAC(Self-organizing MAC)协议是由Wei Ye和Heideman
26、n于2003年在IEEE 802.11 MAC协议基础上，采纳了其DCF节能模式的设计思想，针对传感器网络的节省能量需求而提出的传感器网络MAC协议。S-MAC以多跳网络环境为应用平台，节点周期性地在监听状态和休眠状态之间转换。S-MAC协议的主要设计目标是提供良好的扩展性，减少能量的消耗。S-MAC协议的工作原理如图6.6所示，图中Normal标识一般情况(IEEE 802.11 MAC协议下)的数据交换，S-MAC标识S-MAC的数据间歇交换过程。图6.6 S-MAC协议的工作原理对碰撞重传、串音、空闲监听和控制消息等可能造成传感器网络的消耗更多能量的主要因素，S-MAC协议采用以下机制：
27、周期性监听/睡眠的低占空比工作方式，控制节点尽可能处于睡眠状态来降低节点的能量消耗；邻居节点通过协商一致性睡眠调度机制形成虚拟簇，减少节点的空闲监听时间；通过流量自适应的监听机制，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监听不必要的数据；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。S-MAC协议的优点是形成了一个使相邻节点都能彼此自由通信的平面拓扑结构，同步节点形成了一个簇内无冲突的虚拟簇，很容易适应拓扑结构的改变。但节点周期性休眠增加了通信时延，而且时延会在每跳中积累；各节点的休眠时长固定，不能动态改变，当传感/转发事件的发生间隔较长时，会导致不必要的能量
28、消耗。3T-MAC协议 T-MAC(Timeout MAC)协议的工作原理如图6.7所示。T-MAC协议是在S-MAC协议的基础上提出来的。S-MAC协议通过采用周期性监听/睡眠工作方式来减少空闲监听，周期长度是固定不变的，节点的监听活动时间也是固定的。而周期长度受限于延迟要求和缓存大小，活动时间主要依赖于消息速率。这样就存在一个问题：延迟要求和缓存大小是固定的，而消息速率通常是变化的。如果要保证可靠、及时的消息传输，节点的活动时间必须适应最高通信负载。当负载动态较小时，节点处于空闲监听的时间相对增加。针对这个问题，T-MAC协议在保持周期长度不变的基础上，根据通信流量动态地调整活动时间，用突
29、发方式发送消息，减少空闲监听时间。T-MAC协议相对S-MAC协议减少了处于活动状态的时间。图6.7 T-MAC协议的基本机制在T-MAC协议中，发送数据时仍采用RTS/CTS/DATA/ACK的通信过程，节点周期性被唤醒进行监听，如果在一个给定时间TA内没有发生下面任何一个激活事件，则活动结束：周期时间定时器溢出；在无线信道上收到数据；通过接收信号强度指示RSSI感知存在无线通信；通过监听RTS/CTS分组，确认邻居的数据交换已经结束。T-MAC协议根据当前的网络通信情况，通过提前结束活动周期来减少空闲监听，但带来了早睡问题。为解决这个问题，提出了未来请求发送和满缓冲区优先两种方法。4Wis
30、eMAC协议 WiseMAC协议是基于竞争的MAC协议，采用了np-CSMA机制，并通过先序采样(Preamble Sampling)技术达到减少节点空闲监听时间的目的。所谓先序采样，即节点发送数据包之前先发送一个先序(Preamble)，网络中的节点周期性地对媒介进行采样。如果发现媒介忙(即监听到此先序数据)，则继续监听并接收可能的数据。B-MAC协议采用的先序数据的长度与采样的周期相同，而WiseMAC协议则根据接收者的采样调度动态地调整先序数据的长度。当节点要传送数据至其邻居时，先检查该邻居的采样调度，并在该邻居采样之前发送一个较短的先序，则邻居活动后将检测到此先序并很快进入接收数据状态
31、。因此，适中长度的先序不仅节约了发送方的能量，也缩短了接收方等待接收数据的时间。但由于节点的睡眠调度是相互独立的，节点邻居的睡眠、活动时间各不相同，这对消息的广播非常不利。广播的数据包将在每个邻居苏醒时发送，因此广播数据包需要进行缓存并要发送多次，这些冗余的传送将带来较高的延迟和能量消耗；此外，WiseMAC协议不能处理隐藏终端问题。6.3.2 基于时分复用的无线传感器网络基于时分复用的无线传感器网络MAC协议协议基于时分复用的无线传感器网络MAC协议主要指TDMA时间调度型的协议。时分复用TDMA是实现信道分配的简单、成熟的机制。TDMA机制具有下列特点：没有竞争机制的碰撞重传问题；数据传输
32、时不需要过多的控制信息；节点在空闲时隙能够及时进入睡眠状态。但是TDMA机制需要节点之间比较严格的时间同步。基于TDMA的MAC协议将时间区分为连续的时隙，每个时隙分配给某个特定的节点，每个节点只能在分配的时隙内发送消息。这样，节点可以在非发送或接收的时隙内及时进入睡眠状态，从而有效地减少能量消耗。下面介绍几种基于时分复用的MAC协议。1DMAC协议 S-MAC和T-MAC协议采用周期性监听/睡眠策略减少能量消耗，但是存在数据通信停顿问题，从而引起数据的传输延迟。而在无线传感器网络中，经常采用的通信模式是数据采集树，针对这种结构，为减少网络的能量消耗和数据的传输延迟，提出了DMAC协议。DMA
33、C协议采用不同深度节点之间的活动/睡眠的交错调度机制，数据能够沿着多跳路径连续传播，减少睡眠带来的通信延迟。该协议通过自适应占空比机制，根据网络流量变化动态调整整条路径上节点的活动时间，通过数据预测机制解决相同父节点的不同子节点间的相互干扰问题，通过MTS机制解决不同父节点的邻居节点之间干扰带来的睡眠延迟问题。但是，该协议实现复杂。2DEANA协议 分布式能量感知节点活动(Distributed Energy-Aware Node Activation，DEANA)协议将时间帧分为周期性的调度访问阶段和随机访问阶段。调度访问阶段由多个连续的数据传输时隙组成，某个时隙分配给特定节点，用来发送数据
34、。除相应的接收节点外，其他节点在此时隙处于睡眠状态。随机访问阶段由多个连续的信令交换时隙组成，用于处理节点的添加、删除以及时间同步等。与传统的TDMA协议相比，DEANA协议在数据传输时隙前加入了一个控制时隙，使节点在得知不需要接收数据时进入睡眠状态，从而能够部分解决串音问题。但是，DEANA协议对时隙分配考虑较少。3TRAMA协议 流量自适应介质访问(TRAMA)协议将时间划分为连续时隙，根据局部两跳内的邻居节点信息，采用分布选举机制确定每个时隙的无冲突发送者。同时，通过避免把时隙分配给无流量的节点，并让非发送和接收节点处于睡眠状态达到节省能量的目的。为适应因节点失败或节点增加等所引起的网络
35、拓扑结构变化，将时间划分为交替的随机访问周期和调度访问周期。随机访问周期和调度访问周期的时隙个数根据具体应用情况而定。随机访问周期主要用于网络维护。TRAMA协议根据两跳范围内的邻居节点信息，由节点独立确定自己发送消息的时隙，同时避免把时隙分配给没有信息发送的节点，由此提高了网络吞吐量，克服了基于TDMA的MAC协议扩展性差的不足。但是TRAMA协议相对比较复杂，为了建立节点间一致的调度消息，计算和通信开销都比较大。6.3.3 混合型的无线传感器网络混合型的无线传感器网络MAC协议协议采用单纯的竞争型或调度型机制很难在各种指标中获得较平衡的优良性能，它们往往用较大的某些性能损失代价去换取另一种
36、性能的提高，如S-MAC用较大的时延代价来获取可接受的节能效率。而竞争性MAC机制与TDMA调度机制的有机结合可以平衡两者的优势和不足，取得较好的性能。下面介绍几种常用的“混合型”的MAC协议。1SMACS/EAR协议 SMACS/EAR(Self-organizing Medium Access Control/for Sensor networks/Eavesdrop and Register)协议是一种结合时分复用和频分复用的基于固定信道分配的MAC协议。其主要思想是为每一对邻居节点分配一个特有频率进行数据传输，不同节点对时间的频率互不干扰，从而避免同时传输的数据之间产生碰撞。SMACS
37、协议主要用于静止节点间链路的建立，而EAR协议则用于建立少量运动节点与静止节点之间的通信链路。SMACS/EAR协议不要求所有节点之间进行时间同步，只需要两个通信节点间保持相对的帧同步。它不能完全避免碰撞，因为多个节点在协商过程中可能同时发出“邀请”消息或“应答”消息。由于每个节点要支持多种通信频率，这对节点硬件提出了很高的要求，同时，由于每个节点需要建立的通信链路数无法事先预计，使得整个网络的利用率不高。2Z-MAC综合CSMA和TDMA二者各自的优点，由Rhee等提出了一种混合机制的Z-MAC(Zebra MAC)协议。Z-MAC协议将信道使用划分为时间帧的同时，使用CSMA作为基本机制，
38、时隙的占有者只有数据发送的优先权，其他节点也可以在该时隙发送信息帧，当节点之间产生碰撞之后，时隙占有者的回退时间短，从而真正获得时隙的信道使用权。Z-MAC使用竞争状态标示来转换MAC机制，节点在ACK重复丢失和碰撞回退频繁的情况下，将由低竞争状态转为高竞争状态，由CSMA机制转为TDMA机制。可以说，Z-MAC在低网络负载下类似CSMA，在网络进入高竞争的信道状态之后类似TDMA。Z-MAC并不需要精确的时间同步，有着较好的信道利用率和网络扩展性。协议达到即时适应网络负载变化的同时，TDMA和CSMA机制的互换会产生大量的能耗，对于网络负载的突发波动会造成网络延迟问题。总体而言，Z-MAC在
39、较低竞争情况下性能像CSMA，在较高竞争情况下性能像TDMA。Z-MAC的优点是比较好地结合了CSMA和TDMA的优点，节点在任何时隙都可以发送数据，信道利用率得到了提高；缺点是网络开始的时候，花费大量的开销来初始化网络，造成网络能量大量消耗，且协议实现过于复杂，虽然设计思想非常新颖和有效，但实用性不高。3TRAMA流量自适应介质访问(TRaffic Adaptive Medium Access，TRAMA)协议在某些文献中归为TDMA型的MAC协议，TRAMA已经在协议运行过程中使用了关键的竞争策略来动态地建立网络拓扑、选举节点、分配时隙，且将时间划分为交替的随机访问周期和调度访问周期，有别
40、于一般的TDMA型协议，属于典型的混合型的MAC协议。TRAMA包含两种接入模式：随机接入(采用分时段CSMA)和定期接入(采用TDMA方式)。TRAMA的主要应用场合为周期性数据采集和监控。它将时间划分为连续时槽，根据局部两跳内的邻居节点信息，采用分布式选举机制确定每个时槽的无冲突发送者。同时，通过避免把时槽分配给无流量的节点，并让非发送和接收节点处于睡眠状态达到节省能量的目的。TRAMA协议包括邻居协议(Neighbor Protocol，NP)、调度交换协议(Schedule Exchange Protocol，SEP)和自适应时槽选择算法(Adaptive Election Algor
41、ithm，AEA)。TRAMA协议中，节点间通过NP协议获得一致的两跳内的拓扑信息，通过SEP协议建立和维护发送者和接收者的调度信息，通过AEA算法决定节点在当前时槽的活动策略。TRAMA通过分布式协商保证节点无冲突地发送数据，无数据收发的节点处于睡眠状态，同时避免把时槽分配给没有信息发送的节点，在节省能量消耗的同时，保证网络的高数据传输率。但该协议要求节点有较大的存储空间来保存拓扑信息和邻居调度信息，需要计算两跳内邻居的所有节点的优先级，运行AEA算法。TRAMA将时间分成时槽，用基于各节点流量信息的分布式选举算法来决定哪个节点可以在某个特定的时槽传输，以此来达到一定的吞吐量和公平性，并能有
42、效地避免隐藏终端引起的竞争。但TRAMA的缺点是实现太复杂，而且AEA算法要经常运行，算法复杂，运行代价大。TRAMA的延迟较大，更适用于对延迟要求不高的应用。6.4 无线传感器网络路由协议无线传感器网络路由协议1路由协议的衡量标准路由协议的衡量标准针对无线传感器网络的特点与通信需求，网络层需要解决通过局部信息来决策并优化全局行为(路由生成与路由选择)的问题。无线传感器网络的路由协议不同于传统路由协议，它具有能量优先、基于局部的拓扑信息、以数据为中心和应用相关四个特点，因而，根据具体的应用设计路由机制时，应从以下四个方面衡量路由协议的优劣。(1)能量高效。传统路由协议在选择最优路径时，很少考虑
43、节点的能量问题。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不仅要选择能量消耗小的信息传输路径，更要能量均衡消耗，实现简单且高效的传输，尽可能地延长整个网络的生存期。(2)可扩展性。无线传感器网络的应用决定了它的网络规模不是一成不变的，而且很容易造成拓扑结构动态发生变化，因而要求路由协议有可扩展性，能够适应结构的变化。具体体现在传感器的数量、网络覆盖区域、网络生命周期、网络时间延迟和网络感知精度等方面。(3)鲁棒性。无线传感器网络中，由于环境和节点的能量耗尽造成传感器的失效、通信质量的降低使网络变得不可靠，所以在路由协议的设计过程中必须考虑软硬件的高容错性，保障网络的鲁棒性。(4)快
44、速收敛性。由于网络拓扑结构的动态变化，要求路由协议能够快速收敛，以适应拓扑的动态变化，提高带宽和节点能量等有限资源的利用率和消息传输效率。2路由协议的分类路由协议的分类针对不同传感器网络的应用，研究人员提出了不同的路由协议，目前已有的分类方式主要包括按网络结构划分和按协议的应用特征划分。按网络结构可以分为基于平面的路由协议、基于位置的路由协议和基于分级的路由协议；按协议的应用特征可以分为基于多径的路由协议、基于可靠性的路由协议、基于协商的路由协议、基于查询的路由协议、基于位置的路由协议和基于QoS的路由协议。基于平面的路由协议，其所有节点通常都具有相同的功能和对等的角色。基于分级的路由协议，其
45、网络节点通常扮演不同的角色。基于位置的路由协议，其网络节点利用传感器节点的位置来路由数据。但这种分类方式太过分散，没有整体概念，本书就各个协议的不同侧重点提出一种新的分类方法，把现有的代表性路由协议按节点的传播方式划分为广播式路由协议、坐标式路由协议和分簇式路由协议。下面进行详细介绍和分析。6.4.1 广播式路由协议广播式路由协议1扩散法(Flooding)扩散法是一种传统的网络通信路由协议。它实现简单，不需要为保持网络拓扑信息和实现复杂的路由算法消耗计算资源，适用于健壮性要求高的场合。但是，扩散法存在信息爆炸问题，即会出现一个节点可能得到数据的多个副本的情况，而且也会出现部分重叠的现象，此外
46、，扩散法没有考虑各节点的能量，无法作出相应的自适应路由选择，当一个节点能量耗尽后，网络就会瘫痪。具体实现：节点A希望发送数据给节点B，节点A首先通过网络将数据的副本传给其每一个邻居节点，每一个邻居节点又将其传给除A外的其他的邻居节点，直到将数据传到B为止或者为该数据设定的生命期限变为零为止或者所有节点拥有此副本为止。2定向路由扩散(Directed Diffusion)C.Intanagonwiwat等人为传感器网络提出了一种数据采集模型，即定向路由扩散。它通过泛洪方式广播兴趣消息给所有的传感器节点，随着兴趣消息在整个网络中传播，协议逐跳地在每个传感器节点上建立反向的从数据源节点到基站或者汇聚
47、节点的传输梯度。该协议通过将来自不同源节点的数据聚集起来再重新路由来达到消除冗余和最大程度降低数据传输量的目的，因而可以节约网络能量，延长系统生存期。然而，路径建立时的兴趣消息扩散要执行一个泛洪广播操作，时间和能量开销大。具体实现：首先是兴趣消息扩散，每个节点都在本地保存一个兴趣列表，其中专门存在一个表项用来记录发送该兴趣消息的邻居节点、数据发送速率和时间戳等相关信息；之后建立传输梯度，数据沿着建立好的梯度路径传输。3谣传路由(Rumor Routing)D.Braginsky等人提出了适用于数据传输量较小的无线传感器网络高效路由协议。其基本思想是时间监测区域的感应节点产生代理消息，代理消息沿
48、着随机路径向邻居节点扩散传播。同时，基站或汇聚节点发送的查询消息也沿着随机路径在网络中传播。当查询消息和代理消息的传播路径交叉在一起时就会形成一条基站或汇聚节点到时间监测区域的完整路径。具体实现：每个传感器节点维护一个邻居列表和一个事件列表，当传感器节点监测到一个事件发生时，在事件列表中增加一个表项并根据概率产生一个代理消息。代理消息是一个包含事件相关信息的分组，将事件传给经过的节点。收到代理消息的节点检查表项，进行更新和增加表项的操作。节点随机选择邻居转发查询消息。4SPIN(Sensor Protocols for Information via Negotiation)W.Heinzel
49、man等人提出了一种自适应的SPIN路由协议。该协议假定网络中所有节点都是Sink节点，每一个节点都有用户需要的信息，而且相邻的节点拥有类似的数据，所以只需发送其他节点没有的数据。SPIN 协议通过协商完成资源自适应算法，即在发送真正数据之前，通过协商压缩重复的信息，避免了冗余数据的发送；此外，SPIN协议有权访问每个节点的当前能量水平，根据节点剩余能量水平调整协议，所以可以在一定程度上延长网络的生存期。SPIN采用了三种数据包来通信：ADV用于新数据的广播，当节点有数据要发送时，利用该数据包向外广播；REQ用于请求发送数据，当节点希望接收数据时，发送该报文；DATA包含带有Meta-data
50、头部数据的数据报文。具体实现：当一个传感器节点在发送一个DATA数据包之前，首先向其邻居节点广播式地发送ADV数据包，如果一个邻居节点希望接收该DATA数据包，则向该节点发送REQ数据包，接着节点向其邻居节点发送DATA数据包。5GEAR(Geographical and Energy Aware Routing)Y.Yu等人提出了GEAR路由协议，即根据时间区域的地址位置，建立基站或者汇聚节点到时间区域的优化路径。把GEAR划分为广播式路由协议有点牵强，但是由于它是在利用地理信息的基础上将数据发送到合适区域，而且又是基于定向路由扩散提出，这里仍然作为广播式的一种。具体实现：首先向目标区域传递
