1、第二部分第二部分傳感器網絡的通信與組網技術傳感器網絡的通信與組網技術 做到做到目視千里、耳聽八方目視千里、耳聽八方是人類長久的夢想，現是人類長久的夢想，現代衛星技術的出現雖然使人們離這一目標前進了很多，代衛星技術的出現雖然使人們離這一目標前進了很多，但衛星高高在上，洞察全局在行，明察細微就勉為其但衛星高高在上，洞察全局在行，明察細微就勉為其難了。將大量的難了。將大量的傳感器結點傳感器結點遍撒指定區域，數據通過遍撒指定區域，數據通過無線電波傳回監控中心，監控區域內的所有信息就會無線電波傳回監控中心，監控區域內的所有信息就會盡收觀察者的眼中了。這就是人們對無線傳感器網絡盡收觀察者的眼中了。這就是人

2、們對無線傳感器網絡技術應用的美好展望，它的實現依賴于優秀的數據傳技術應用的美好展望，它的實現依賴于優秀的數據傳輸方法，需要新型的網絡通信技術。輸方法，需要新型的網絡通信技術。 通常通常傳感器結點傳感器結點的通信覆蓋范圍只有幾十米到幾的通信覆蓋范圍只有幾十米到幾百米，人們要考慮如何在有限的通信能力條件下，完百米，人們要考慮如何在有限的通信能力條件下，完成探測數據的傳輸。無線通信是傳感器網絡的關鍵技成探測數據的傳輸。無線通信是傳感器網絡的關鍵技術之一。術之一。2通信與組網通信與組網通信技術通信技術組網技術組網技術物理層物理層MACMAC層層網絡層網絡層傳輸層傳輸層解決如何實現點到點或解決如何實現點

3、到點或點到多點的數據傳輸點到多點的數據傳輸解決如何建立可靠且有解決如何建立可靠且有嚴格功耗預算的網絡通嚴格功耗預算的網絡通信體系信體系3主要內容主要內容4四路由協議路由協議一微型傳感器基本知識微型傳感器基本知識三MACMAC協議協議二物理層概述物理層概述一、微型傳感器一、微型傳感器1. 傳感器的定義和作用傳感器的定義和作用n傳感器網絡的終端探頭通常代表了用戶的功能傳感器網絡的終端探頭通常代表了用戶的功能需求，是實現信息測量、網絡互通和融合的關需求，是實現信息測量、網絡互通和融合的關鍵。提高終端傳感器的探測功能，是鍵。提高終端傳感器的探測功能，是WSNWSN實用實用化的重要手段。化的重要手段。n

4、傳感器的一般定義：傳感器的一般定義：n能夠把特定的被測量信息（物理量、化學量、生物能夠把特定的被測量信息（物理量、化學量、生物量等）按一定規律轉換成某種可用信號（電信號、量等）按一定規律轉換成某種可用信號（電信號、光信號等）的器件或裝置，我們把它稱為傳感器。光信號等）的器件或裝置，我們把它稱為傳感器。6 傳感器傳感器是生物體感官的工程模擬物；反過來，生物體的感官又是生物體感官的工程模擬物；反過來，生物體的感官又可以看作是天然的傳感器。隨著數字化和信息技術與機械裝置的融可以看作是天然的傳感器。隨著數字化和信息技術與機械裝置的融合，傳感器和執行器已經開始實現數據共享合，傳感器和執行器已經開始實現數

5、據共享、功能控制和參數控制、功能控制和參數控制一體化一體化，并通過現場總線與外部連接。隨著基礎自動化控制功能的，并通過現場總線與外部連接。隨著基礎自動化控制功能的重新分配，許多計算機控制功能下放到傳感器和執行器中完成，如重新分配，許多計算機控制功能下放到傳感器和執行器中完成，如參數檢測、控制、診斷和維護管理等。參數檢測、控制、診斷和維護管理等。 傳感器傳感器的作用類似于人的感覺器官，是實現測試與控制的首的作用類似于人的感覺器官，是實現測試與控制的首要環節。要環節。傳感器的定義和作用傳感器的定義和作用7 傳感器一般由敏感元件、轉換元件和基本轉換電路組成傳感器一般由敏感元件、轉換元件和基本轉換電路

6、組成。 2. 傳感器的組成傳感器的組成8感受或響感受或響應被測量應被測量將被測量轉換成適將被測量轉換成適于傳輸或測量的信于傳輸或測量的信號（一般指電信號）號（一般指電信號）對獲得的微弱對獲得的微弱電信號進行放電信號進行放大、運算調制大、運算調制 隨著半導體器件與集成技術在傳感器中的應用，傳感器的基本轉隨著半導體器件與集成技術在傳感器中的應用，傳感器的基本轉換電路可安裝在傳感器殼體里或與敏感元件一起集成在同一芯片上，換電路可安裝在傳感器殼體里或與敏感元件一起集成在同一芯片上，構成集成傳感器。如構成集成傳感器。如ADIADI公司的公司的AD22100AD22100模擬集成溫度傳感器。模擬集成溫度傳

7、感器。 傳感器接口技術傳感器接口技術是非常實用和重要的技術。各種物理是非常實用和重要的技術。各種物理量用傳感器將其變成電信號，經由諸如放大、濾波、干擾量用傳感器將其變成電信號，經由諸如放大、濾波、干擾抑制、多路轉換等信號檢測和預處理電路，將模擬量的電抑制、多路轉換等信號檢測和預處理電路，將模擬量的電壓或電流送壓或電流送A/DA/D轉換，變成數字量，供計算機或者微處理轉換，變成數字量，供計算機或者微處理器處理。器處理。3. 傳感器接口傳感器接口94. 4. 傳感器的主要性能參數傳感器的主要性能參數n了解傳感器性能參數是在選用傳感器時保證正了解傳感器性能參數是在選用傳感器時保證正確、不失真測量的首

8、要環節。確、不失真測量的首要環節。n主要性能指標主要性能指標n靈敏度靈敏度n頻率響應特性頻率響應特性n線性范圍線性范圍n精度精度n分辯力（率）分辯力（率）n穩定性穩定性n 10（1 1）靈敏度）靈敏度n指傳感器達到穩定工作狀態時，輸出變化量與指傳感器達到穩定工作狀態時，輸出變化量與引起變化的輸入變化量之比。引起變化的輸入變化量之比。nK=K=輸出變化量輸出變化量/ /輸入變化量輸入變化量n傳感器的靈敏度越高，意味著傳感器感應微弱傳感器的靈敏度越高，意味著傳感器感應微弱信號的能力越強。信號的能力越強。n但一般來講，靈敏度越高，測量范圍越窄，穩但一般來講，靈敏度越高，測量范圍越窄，穩定性越差。定性

9、越差。11（2 2）響應特性）響應特性n傳感器的動態性能是對于隨時間變化的輸入量的傳感器的動態性能是對于隨時間變化的輸入量的響應性能，即：響應性能，即：n傳感器的輸出值能真實再現變化著的輸入量的能力反傳感器的輸出值能真實再現變化著的輸入量的能力反映。映。n響應特性越好，表示輸出信號和輸入信號隨時間響應特性越好，表示輸出信號和輸入信號隨時間的變化曲線越接近。的變化曲線越接近。n一般地，利用物理特性的傳感器（光電效應，壓一般地，利用物理特性的傳感器（光電效應，壓電效應）的響應特性比結構型傳感器（電感、電電效應）的響應特性比結構型傳感器（電感、電容傳感器等）要好。容傳感器等）要好。12（3 3）線性

10、范圍）線性范圍n任何傳感器都有一定的線性范圍，在線性范圍內它的輸任何傳感器都有一定的線性范圍，在線性范圍內它的輸出與輸入成比例關系。線性范圍越寬，則表明傳感器的出與輸入成比例關系。線性范圍越寬，則表明傳感器的工作量程越大。工作量程越大。n傳感器工作在線性范圍內，是保證測量精確度的基本條傳感器工作在線性范圍內，是保證測量精確度的基本條件。例如：件。例如：n機械式傳感器中的彈性元件，它的材料彈性極限是決定測力量機械式傳感器中的彈性元件，它的材料彈性極限是決定測力量程的基本因素。當超過彈性極限時，傳感器就將產生非線性誤程的基本因素。當超過彈性極限時，傳感器就將產生非線性誤差。差。n線性度：線性度：1

11、3max100%LFSLey滿量程滿量程輸出輸出（4 4）精度）精度n表示測量結果和表示測量結果和“真值真值”的靠近程度。的靠近程度。n精度表示：精度表示：n傳感器在規定條件下，允許的最大絕對誤差相對傳傳感器在規定條件下，允許的最大絕對誤差相對傳感器滿量程輸出的百分數感器滿量程輸出的百分數14100%FSAy精度 分辨力是指分辨力是指能檢測出的輸入量的最小變化量能檢測出的輸入量的最小變化量，即傳感器能檢測到，即傳感器能檢測到的最小輸入增量。在輸入零點附近的分辨力稱為閾值，即產生可測輸的最小輸入增量。在輸入零點附近的分辨力稱為閾值，即產生可測輸出變化量時的最小輸入量值。下圖中的出變化量時的最小輸

12、入量值。下圖中的x x0 0表示可以開始檢測的的最小表示可以開始檢測的的最小輸出值。輸出值。（5 5）分辨率（力）分辨率（力）數字式傳感器一般用分辨率表示，數字式傳感器一般用分辨率表示，分辨率分辨率= =分辨力分辨力/ /滿量程輸入值。滿量程輸入值。5. 5. 傳感器的選型原則傳感器的選型原則n選擇傳感器通常需要考慮的因素包括：選擇傳感器通常需要考慮的因素包括：n測量對象和環境測量對象和環境n量程，傳感器體積，價格，。量程，傳感器體積，價格，。n靈敏度靈敏度n頻率響應特性頻率響應特性n傳感器的頻率響應越高，則可測的信號頻率范圍就越寬傳感器的頻率響應越高，則可測的信號頻率范圍就越寬n線性范圍線性

13、范圍n線性范圍越寬，則它的量程就越大。線性范圍越寬，則它的量程就越大。n穩定性穩定性n精度精度n精度越高，價格越昂貴。因此，只要滿足整個測量系統的精精度越高，價格越昂貴。因此，只要滿足整個測量系統的精度要求即可。度要求即可。166. 6. 常見傳感器類型常見傳感器類型n能量控制型傳感器能量控制型傳感器n將被測非電量轉換成電參量，工作過程中無換能作將被測非電量轉換成電參量，工作過程中無換能作用，需外供輔助能源，又稱作無源傳感器。如：用，需外供輔助能源，又稱作無源傳感器。如：n電阻式、電容式、電感式均屬這一類型。電阻式、電容式、電感式均屬這一類型。n能量轉換型傳感器能量轉換型傳感器n在感受外界機械

14、量變化后，輸出電壓、電流或電荷在感受外界機械量變化后，輸出電壓、電流或電荷量。可直接輸出或放大后輸出信號，本身相當于一量。可直接輸出或放大后輸出信號，本身相當于一個電壓源或電流源，又叫做有源傳感器。如：個電壓源或電流源，又叫做有源傳感器。如：n壓電式、磁電式和熱電式傳感器等。壓電式、磁電式和熱電式傳感器等。17常見傳感器類型常見傳感器類型n光敏傳感器光敏傳感器n用于檢測光線強弱。隨著光強度的變化，光敏探頭用于檢測光線強弱。隨著光強度的變化，光敏探頭內的電阻值會發生變化。內的電阻值會發生變化。n氣、濕敏傳感器氣、濕敏傳感器n氣敏傳感器可將探測到的氣體成分和濃度轉換為電氣敏傳感器可將探測到的氣體成

15、分和濃度轉換為電信號。常用于可燃氣體的探測和報警。信號。常用于可燃氣體的探測和報警。n智能傳感器智能傳感器n將敏感元件、測量電路、處理器、存儲器等集成在將敏感元件、測量電路、處理器、存儲器等集成在一快芯片上的傳感器。一快芯片上的傳感器。187. 7. 微型傳感器應用示例微型傳感器應用示例磁阻傳感器：磁阻傳感器： 磁性傳感器通常又稱為磁力計，當它探測出磁場磁性傳感器通常又稱為磁力計，當它探測出磁場發生變化時，會產生一個阻抗變化值，同時會改變發生變化時，會產生一個阻抗變化值，同時會改變電壓輸出值。電壓輸出值。 磁阻磁阻傳感器的用途較多，最典型的應用是用于傳感器的用途較多，最典型的應用是用于車輛探測

16、。如車輪速度、車輛出現和運動方向等。車輛探測。如車輪速度、車輛出現和運動方向等。 運動車輛的每個部分都會產運動車輛的每個部分都會產生一個可重復的對地球磁場的擾生一個可重復的對地球磁場的擾動，不管車輛向哪個方向行駛，動，不管車輛向哪個方向行駛，這個特征都會被可靠地檢測到。這個特征都會被可靠地檢測到。 檢測車輛存在檢測車輛存在的一的一種方法是種方法是觀察磁場變化的大小，磁場大小觀察磁場變化的大小，磁場大小的變化表明了對地磁場整體的干的變化表明了對地磁場整體的干擾程度。擾程度。磁阻傳感器用于車輛探測磁阻傳感器用于車輛探測 地球磁場可以地球磁場可以看作是均勻磁場。大的鐵磁物體會引起看作是均勻磁場。大的

17、鐵磁物體會引起地球磁場的擾動。這些擾動在汽車發動機和車輪處尤為明地球磁場的擾動。這些擾動在汽車發動機和車輪處尤為明顯，但也取決于在車輛內部、車頂或后備箱中有沒有其它顯，但也取決于在車輛內部、車頂或后備箱中有沒有其它鐵磁物質。鐵磁物質。在道路中間和旁邊放置磁阻傳感器，可以探測在道路中間和旁邊放置磁阻傳感器，可以探測由于車輛經過而導致的畸變磁場，從而監測車輛的存在，由于車輛經過而導致的畸變磁場，從而監測車輛的存在，在此基礎上推導車輛類型、行駛方向等交通參數。在此基礎上推導車輛類型、行駛方向等交通參數。 運動車輛探測算法需要有足夠的魯棒性，保證在不同運動車輛探測算法需要有足夠的魯棒性，保證在不同工作

18、環境下的車輛能被可靠探測。同時探測需要的計算應工作環境下的車輛能被可靠探測。同時探測需要的計算應盡可能的簡單。盡可能的簡單。 簡單的閾值檢測方法探測運動車輛簡單的閾值檢測方法探測運動車輛二、物理層概述二、物理層概述1. 1. 物理層的主要功能物理層的主要功能n負責在物理連接上傳輸二進制比特流，并提供負責在物理連接上傳輸二進制比特流，并提供為建立、維護和釋放物理連接所需要的為建立、維護和釋放物理連接所需要的機械機械、電氣電氣、功能功能和和規程規程的特性。的特性。n為數據終端設備提供數據通路為數據終端設備提供數據通路n傳輸數據傳輸數據n其他管理工作（信道評估，能量檢測等）其他管理工作（信道評估，能

19、量檢測等）連接器尺寸、形狀、引腳數、排列等信號電平高低、阻抗、傳輸率、傳輸距離限制等各信號線的工作規則和時序規定各信號線的功能和定義24盡可能屏蔽網絡中的物理設備、傳輸介質、通信手段等盡可能屏蔽網絡中的物理設備、傳輸介質、通信手段等存在的差異，為鏈路層的提供服務存在的差異，為鏈路層的提供服務2. 2. 物理層的主要技術物理層的主要技術n傳輸介質與傳輸介質與頻段頻段選擇選擇n編碼調制技術編碼調制技術n擴頻技術擴頻技術n擴頻又稱擴展頻譜，是使信號所占有的頻帶寬度遠擴頻又稱擴展頻譜，是使信號所占有的頻帶寬度遠大于所傳信息必需的最小帶寬。大于所傳信息必需的最小帶寬。25無線通信介質無線通信介質n無線通

20、信介質無線通信介質主要為電磁波和聲波主要為電磁波和聲波n電磁波電磁波n根據波長的不同，可分為無線電波、微波、紅外線、毫米根據波長的不同，可分為無線電波、微波、紅外線、毫米波和光波等，其中無線電波在無線網絡中使用最廣泛。波和光波等，其中無線電波在無線網絡中使用最廣泛。n聲波聲波一般僅用于水下的無線通信。一般僅用于水下的無線通信。26無線電波無線電波n容易產生，傳播距離遠，可以穿過建筑物，被廣泛地用容易產生，傳播距離遠，可以穿過建筑物，被廣泛地用于室內或室外的無線通信。于室內或室外的無線通信。n是全方向傳播信號，能向任意方向發送無線信號，發射是全方向傳播信號，能向任意方向發送無線信號，發射方和接收

21、方的裝置在位置上不要求精確對準。方和接收方的裝置在位置上不要求精確對準。n傳播特性與頻率相關傳播特性與頻率相關n弱頻率較低，能輕易通過障礙物，但電波能量隨著與信號源距弱頻率較低，能輕易通過障礙物，但電波能量隨著與信號源距離離r r的增大而急劇減小，大致為的增大而急劇減小，大致為1/r1/r3 3。n若采用高頻傳輸，則受障礙物阻擋的影響若采用高頻傳輸，則受障礙物阻擋的影響n無線電波的傳輸距離較遠，但易受干擾。每個國家和地無線電波的傳輸距離較遠，但易受干擾。每個國家和地區都有關于無線頻率管制方面的使用授權規定。區都有關于無線頻率管制方面的使用授權規定。27 作為無線通信網絡中的一種類型，作為無線通

22、信網絡中的一種類型，WSNWSN包含了上述介紹包含了上述介紹的無線通信物理層技術的特點。的無線通信物理層技術的特點。 目前無線傳感器網絡的通信傳輸介質主要是目前無線傳感器網絡的通信傳輸介質主要是無線電波無線電波、紅外線紅外線和和光波光波三種類型。無線電波的通信限制較少，通常人三種類型。無線電波的通信限制較少，通常人們選擇們選擇IndustrialIndustrial，Scientific and MedicalScientific and Medical（ISMISM）頻段。）頻段。ISMISM頻段的優點在于它是自由頻段，無須注冊，可選頻譜范頻段的優點在于它是自由頻段，無須注冊，可選頻譜范圍大

23、，實現靈活方便。缺點主要是功率受限，另外與現有多圍大，實現靈活方便。缺點主要是功率受限，另外與現有多種無線通信應用存在相互干擾問題。種無線通信應用存在相互干擾問題。3. WSN3. WSN物理層的特點物理層的特點28 盡管傳感器網絡可以通過其它方式實現通盡管傳感器網絡可以通過其它方式實現通信，譬如各種電磁波（如射頻和紅外）、聲波，信，譬如各種電磁波（如射頻和紅外）、聲波，但無線電波是當前傳感器網絡的主流通信方式，但無線電波是當前傳感器網絡的主流通信方式，在很多領域得到了廣泛應用在很多領域得到了廣泛應用。293. 3. 無線傳感器網物理層設計無線傳感器網物理層設計傳輸介質傳輸介質n無線電波是當前

24、傳感器網絡的主流通信方式，在很多領無線電波是當前傳感器網絡的主流通信方式，在很多領域得到了廣泛應用域得到了廣泛應用。在無線電頻率選擇方面，常選擇。在無線電頻率選擇方面，常選擇ISM (IndustrialISM (Industrial，Scientific and Medical)Scientific and Medical)頻段。頻段。因為因為ISMISM在大多數國家屬于無須注冊的公用頻段。在大多數國家屬于無須注冊的公用頻段。n在頻段選擇上主要集中在在頻段選擇上主要集中在433464MHz、902928MHz和和2.42.5GHz的的ISM波段。波段。n紅外通信的優點是無須注冊，并且抗干擾能

25、力強。穿透紅外通信的優點是無須注冊，并且抗干擾能力強。穿透能力差，要求發送者和接收者之間存在視距關系。只能能力差，要求發送者和接收者之間存在視距關系。只能在一些特殊場合得到應用。在一些特殊場合得到應用。30 對于一些特殊場合的應用情況，傳感器網絡對于一些特殊場合的應用情況，傳感器網絡對通信傳輸介質可能有特別的要求。例如，艦船對通信傳輸介質可能有特別的要求。例如，艦船應用可能要求使用水性傳輸介質，譬如能穿透水應用可能要求使用水性傳輸介質，譬如能穿透水面的長波。復雜地形和戰場應用會遇到信道不可面的長波。復雜地形和戰場應用會遇到信道不可靠和嚴重干擾等問題靠和嚴重干擾等問題。31 物理層幀結構物理層幀

26、結構n 前導碼：用于收發器進行碼片或者符號的同步。前導碼：用于收發器進行碼片或者符號的同步。n幀頭：表示同步結束，數據包開始傳輸。幀頭與前導碼構成了同幀頭：表示同步結束，數據包開始傳輸。幀頭與前導碼構成了同步頭。步頭。n幀長度：其值是后續的物理層幀長度：其值是后續的物理層PHYPHY負載的長度負載的長度n物理服務數據單元物理服務數據單元(PHY Service Data Unite, PSDU)(PHY Service Data Unite, PSDU)，攜帶，攜帶PHYPHY數數據包的數據，據包的數據，PSDUPSDU域是物理層的載荷域是物理層的載荷 。無線傳感器網物理層設計無線傳感器網物理

27、層設計32無線傳感器網物理層設計無線傳感器網物理層設計 IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.4標準標準nIEEE 802.15.4IEEE 802.15.4標準是針對低速無線個人區域網絡標準是針對低速無線個人區域網絡（Low-rate wireless personal area networkLow-rate wireless personal area network，LR-WPANLR-WPAN） 制定的標準。制定的標準。n以低能耗、低傳輸速率、低成本為目標，僅定義了以低能耗、低傳輸速率、低成本為目標，僅定義了物理層和物理層和MACMAC子層。物理層由射頻收發器和底層控子

28、層。物理層由射頻收發器和底層控制模塊構成。制模塊構成。MACMAC子層為高層訪問物理信道提供點子層為高層訪問物理信道提供點到點通信的服務接口。到點通信的服務接口。n適用于適用于WSNWSN。33 在低速無線個域網在低速無線個域網( (LR-WPANLR-WPAN) )的的802.15.4802.15.4標準中，定義標準中，定義的物理層是在的物理層是在868MHz868MHz、915MHz915MHz、2.4GHz2.4GHz三個載波頻段收發三個載波頻段收發數據數據。 IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.4標準非常適合無線傳感器網絡的特點，標準非常適合無線傳感器網絡的特點，是傳感

29、器網絡物理層協議標準的最有力競爭者之一。目前是傳感器網絡物理層協議標準的最有力競爭者之一。目前基于該標準的射頻芯片也相繼推出，例如基于該標準的射頻芯片也相繼推出，例如ChipconChipcon公司的公司的CC2420CC2420無線通信芯片。無線通信芯片。3435 總之，總之，針對無線傳感器網絡的特點，現有的針對無線傳感器網絡的特點，現有的物理層設計基本采用結構簡單的調制方式，在頻物理層設計基本采用結構簡單的調制方式，在頻段選擇上主要集中在段選擇上主要集中在433433464MHz464MHz、902902928MHz928MHz和和2.42.42.5GHz2.5GHz的的ISMISM波段。

30、波段。三、三、MACMAC協議協議37 在無線傳感器網絡中，無線信道作為通信介質屬在無線傳感器網絡中，無線信道作為通信介質屬于稀缺資源。于稀缺資源。可能有多可能有多個結點個結點設備同時接入信道設備同時接入信道，導，導致分組之間相互沖突，使接收方難以分辨出接收到的致分組之間相互沖突，使接收方難以分辨出接收到的數據，從而浪費了信道資源，導致網絡吞吐量下降。數據，從而浪費了信道資源，導致網絡吞吐量下降。為了解決這些問題，就需要設計介質訪問控制為了解決這些問題，就需要設計介質訪問控制(Medium Access Control(Medium Access Control，MAC)MAC)協議。協議。1

31、. 1. 基本概念基本概念nMACMAC（Medium Access ControlMedium Access Control）協議：協議：n決定無線信道的使用方法，用于在傳感器節點之間決定無線信道的使用方法，用于在傳感器節點之間分配有限的無線通信資源。分配有限的無線通信資源。n通過一組規則和過程來有效、有序和公平地使用共通過一組規則和過程來有效、有序和公平地使用共享介質。享介質。n設置設置MACMAC協議的目的：協議的目的：n避免因可能存在的多個結點設備同時接入信道、導避免因可能存在的多個結點設備同時接入信道、導致分組之間相互沖突、使接收方難以分辨出接收到致分組之間相互沖突、使接收方難以分辨

32、出接收到的數據，從而造成信道資源浪費，導致網絡吞吐量的數據，從而造成信道資源浪費，導致網絡吞吐量下降。下降。38MACMAC協議設計應考慮的問題協議設計應考慮的問題n節省能量節省能量n為保證長時間有效工作，應盡量節省結點能耗。為保證長時間有效工作，應盡量節省結點能耗。n采用采用“偵聽偵聽/睡眠睡眠”交替的無線信道以策略。交替的無線信道以策略。n可擴展性可擴展性n因結點的數量、密度、位置常處于變化中，其拓撲因結點的數量、密度、位置常處于變化中，其拓撲結構具有動態性，因此結構具有動態性，因此MACMAC協議應有擴展性。協議應有擴展性。n網絡效率網絡效率n網絡的公平性、實時性、吞吐量和帶寬利用率等。

33、網絡的公平性、實時性、吞吐量和帶寬利用率等。392. MAC2. MAC協議的分類協議的分類n分時復用無競爭接入方式分時復用無競爭接入方式n給每個傳感器結點分配固定的無線信道使用時段，給每個傳感器結點分配固定的無線信道使用時段，避免節點之間相互干擾。避免節點之間相互干擾。n隨機競爭接入方式隨機競爭接入方式n結點在需要發送數據時隨機使用無線信道，盡量減結點在需要發送數據時隨機使用無線信道，盡量減少結點間的干擾。少結點間的干擾。n載波偵聽多路訪問載波偵聽多路訪問(Carrier Sense Multiple Access，CSMA)的的MAC協議。協議。n競爭與固定分配相結合的接入方式競爭與固定分

34、配相結合的接入方式4041 無線局域網無線局域網IEEE 802.11 MACIEEE 802.11 MAC協議的分布式協調工作模式中，采用協議的分布式協調工作模式中，采用帶沖突避免的載波偵聽多路訪問協議（帶沖突避免的載波偵聽多路訪問協議（CSMA/CACSMA/CA，Carrier Sense Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance Multiple Access/Collision Avoidance ）。）。 CSMA/CA的的工作原理工作原理是：在信號傳輸之前，發射機先偵聽介質中是：在信號傳輸之前，發射機先偵聽介質中是否有同信

35、道載波，若不存在，意味著信道空閑，將直接進入數據傳輸是否有同信道載波，若不存在，意味著信道空閑，將直接進入數據傳輸狀態；若存在載波，則在隨機退避一段時間后重新檢測信道。狀態；若存在載波，則在隨機退避一段時間后重新檢測信道。發前先偵聽，空閑即發送，發前先偵聽，空閑即發送，邊發邊檢測，沖突時退避。邊發邊檢測，沖突時退避。ABCDRTS數 據CTSA CKN A VN A V3. IEEE 802.11 MAC3. IEEE 802.11 MAC協議協議4. S-MAC4. S-MAC協議協議n適用條件適用條件n傳感器網絡的數據傳輸量不大，網絡內部能夠進傳感器網絡的數據傳輸量不大，網絡內部能夠進行數

36、據的處理和融合以減少數據通信量，網絡能行數據的處理和融合以減少數據通信量，網絡能容忍一定程度的通信延遲。它的設計目標是提供容忍一定程度的通信延遲。它的設計目標是提供良好的擴展性，減少節點能耗。良好的擴展性，減少節點能耗。42n無線傳感器無線傳感器網絡結點網絡結點通信模塊的狀態主要包括：通信模塊的狀態主要包括：n發送發送n接收接收n偵聽偵聽n睡眠睡眠n信息發送所需能耗最大，睡眠所需最小。信息發送所需能耗最大，睡眠所需最小。n無線傳感器網絡的無效能耗主要來源于如下四無線傳感器網絡的無效能耗主要來源于如下四種原因：種原因： 空閑偵聽空閑偵聽 數據沖突數據沖突 串擾串擾 控制開銷控制開銷43S-MAC

37、S-MAC協議機制協議機制n周期性偵聽和睡眠機制周期性偵聽和睡眠機制n流量自適應偵聽機制流量自適應偵聽機制n沖突和串音避免機制沖突和串音避免機制n消息傳遞機制消息傳遞機制44 S-MAC S-MAC協議將時間分為幀，幀長度由應用程序決定。協議將時間分為幀，幀長度由應用程序決定。幀內分監聽工作階段和睡眠階段。幀內分監聽工作階段和睡眠階段。“監聽監聽/ /睡眠睡眠”階段的階段的持續時間要根據應用情況進行調整。當結點處于睡眠階段持續時間要根據應用情況進行調整。當結點處于睡眠階段時，關閉無線電波。時，關閉無線電波。 調度周期：調度周期：結點的工作結點的工作/ /睡眠周期。睡眠周期。 每個結點獨立調度其

38、工作狀態，周期性轉入睡眠狀每個結點獨立調度其工作狀態，周期性轉入睡眠狀態，在蘇醒后偵聽信道，判斷是否需要發送或接收數據。態，在蘇醒后偵聽信道，判斷是否需要發送或接收數據。為便于通信，相鄰結點應盡量維持睡眠為便于通信，相鄰結點應盡量維持睡眠/ /偵聽周期的同步。偵聽周期的同步。（1 1）周期性偵聽和睡眠機制）周期性偵聽和睡眠機制45睡眠睡眠/ /偵聽過程偵聽過程n每個結點中都維護一個存有相鄰結點調度信息的每個結點中都維護一個存有相鄰結點調度信息的調度表。調度表。n在啟動工作時：在啟動工作時：n先偵聽一段固定時間，若在此時間內收到其他結點的調先偵聽一段固定時間，若在此時間內收到其他結點的調度信息，

39、則將其調度周期設置為與鄰居結點相同，并等度信息，則將其調度周期設置為與鄰居結點相同，并等待一段隨機時間后廣播其調度信息。待一段隨機時間后廣播其調度信息。n若在此期間收到多個鄰居結點不同的調度周期信息，可若在此期間收到多個鄰居結點不同的調度周期信息，可選擇收到的第一個信息，并記錄其他全部信息。選擇收到的第一個信息，并記錄其他全部信息。n若在此期間沒有收到其他結點的調度信息，則產生自己若在此期間沒有收到其他結點的調度信息，則產生自己的調度周期并廣播。的調度周期并廣播。46 具有相同調度的結點形成一個具有相同調度的結點形成一個虛擬簇，邊界結點記錄兩個或多個虛擬簇，邊界結點記錄兩個或多個調度。調度。

40、為了適應新加入結點，每個結為了適應新加入結點，每個結點要定期廣播自己的調度信息，使點要定期廣播自己的調度信息，使新結點可以與已經存在的相鄰結點新結點可以與已經存在的相鄰結點保持同步。如果結點同時收到兩種保持同步。如果結點同時收到兩種不同的調度，如圖所示的處于兩個不同的調度，如圖所示的處于兩個不同調度區域重合部分的結點，那不同調度區域重合部分的結點，那么這個結點可以選擇先收到的調度，么這個結點可以選擇先收到的調度，并記錄另一個調度信息。并記錄另一個調度信息。 如果傳感器網絡的部署范圍較如果傳感器網絡的部署范圍較廣，可能形成眾多不同的虛擬簇，廣，可能形成眾多不同的虛擬簇，使得使得S-MACS-MA

41、C協議具有良好的可擴展性。協議具有良好的可擴展性。4748通過采用周期性睡眠通過采用周期性睡眠/ /偵聽，降低了能量消耗；偵聽，降低了能量消耗；通過定期廣播自己的周期調度信息，使通過定期廣播自己的周期調度信息，使新結點新結點可與已可與已存存相鄰結點相鄰結點保持同步，形成虛擬簇，提高了可擴展性。保持同步，形成虛擬簇，提高了可擴展性。 基本思想基本思想是在一次通信過程中，是在一次通信過程中，通信結點的鄰居在通通信結點的鄰居在通信結束后不立即進入睡眠狀態，而是保持偵聽一段時間信結束后不立即進入睡眠狀態，而是保持偵聽一段時間。 如果結點在這段時間內接收到如果結點在這段時間內接收到RTSRTS（Requ

42、est to SendRequest to Send）分組，則可以立刻接收數據，無須等到下一次調度偵聽周分組，則可以立刻接收數據，無須等到下一次調度偵聽周期，從而減少了數據分組的傳輸延遲。如果在這段時間內期，從而減少了數據分組的傳輸延遲。如果在這段時間內沒有接收到沒有接收到RTSRTS分組，則轉入睡眠狀態直到下一次調度偵聽分組，則轉入睡眠狀態直到下一次調度偵聽周期。周期。（2 2）流量自適應偵聽機制）流量自適應偵聽機制49流量自適應偵聽機制減少了因周期性睡眠而導致的通信延流量自適應偵聽機制減少了因周期性睡眠而導致的通信延遲的累加遲的累加n串音：串音：結點接收并處理不必要的數據結點接收并處理不必

43、要的數據 n為了減少沖突和避免串音，為了減少沖突和避免串音，S-MACS-MAC協議采用了與協議采用了與802.11 802.11 MACMAC協議類似的載波監聽機制，以及協議類似的載波監聽機制，以及RTS/CTS/DATA/ACKRTS/CTS/DATA/ACK握握手交互機制。手交互機制。兩者的區別在于當源和目標結點處于通信兩者的區別在于當源和目標結點處于通信過程時，其鄰居點能夠偵聽到其傳輸剩余時間過程時，其鄰居點能夠偵聽到其傳輸剩余時間，并在數，并在數據傳輸過程中處于休眠狀態結點進入睡眠狀態據傳輸過程中處于休眠狀態結點進入睡眠狀態。n執行執行S-MACS-MAC協議的結點在發送數據時，需先

44、進行載波偵聽。協議的結點在發送數據時，需先進行載波偵聽。僅當偵聽到信道空閑時，才能競爭通信過程。僅當偵聽到信道空閑時，才能競爭通信過程。（3 3）沖突和串音避免機制）沖突和串音避免機制50 因無線信道的傳輸差錯與消息長度成正比，故短消息因無線信道的傳輸差錯與消息長度成正比，故短消息傳輸成功的概率要大于長消息。傳輸成功的概率要大于長消息。 消息傳遞機制是消息傳遞機制是將長消息分為若干個短消息將長消息分為若干個短消息，采用一，采用一次次RTS/CTSRTS/CTS交互的握手機制預約這個長消息發送的時間，交互的握手機制預約這個長消息發送的時間，集中連續發送全部短消息。這樣既可以集中連續發送全部短消息

45、。這樣既可以減少控制報文的開減少控制報文的開銷銷，又可以提高消息發送的成功率。，又可以提高消息發送的成功率。（4 4）消息傳遞機制）消息傳遞機制51S-MACS-MAC協議的突發分組傳送協議的突發分組傳送RTS 21Data 19Data 17CTS 20Data1ACK 18ACK 16 ACK0S-M AC52 為使為使鄰居結點鄰居結點及時獲取通信過程剩余時間，每個分組及時獲取通信過程剩余時間，每個分組都帶有長消息傳送還需要的剩余時間，以使都帶有長消息傳送還需要的剩余時間，以使鄰居結點鄰居結點知道知道正在進行的通信過程。正在進行的通信過程。目的結點目的結點對每個短消息都發送一個對每個短消息

46、都發送一個應答信號，若應答信號，若發送結點發送結點沒有收到應答消息，則立刻重發短沒有收到應答消息，則立刻重發短消息。消息。四、路由協議四、路由協議1. 1. 路由路由n路由選擇路由選擇（RoutingRouting）n從源結點通過至少一個中間結點向目標結點傳輸信從源結點通過至少一個中間結點向目標結點傳輸信息的行為。息的行為。n路由協議路由協議n負責將數據分組從源結點通過網絡轉發到目的結點負責將數據分組從源結點通過網絡轉發到目的結點n路由協議的路由協議的功能：功能：n尋找源結點和目的結點間的優化路徑；尋找源結點和目的結點間的優化路徑；n將數據分組沿著優化路徑正確轉發。將數據分組沿著優化路徑正確轉

47、發。542.2.傳感器網絡路由協議特點傳感器網絡路由協議特點n與傳統網絡的路由協議相比，無線傳感器網絡與傳統網絡的路由協議相比，無線傳感器網絡的路由協議具有以下特點：的路由協議具有以下特點：n能量優先能量優先n基于局部拓撲信息基于局部拓撲信息n因采用多跳通信方式及結點資源受限，無法存儲大量路由因采用多跳通信方式及結點資源受限，無法存儲大量路由信息。信息。n以數據為中心以數據為中心n傳感器結點多為隨機部署，且傳感器結點多為隨機部署，且WSN關心的是監測區域的關心的是監測區域的感知數據。感知數據。552.2.傳感器網絡路由協議特點和類型傳感器網絡路由協議特點和類型n與傳統網絡相比，與傳統網絡相比，

48、WSNWSN路由機制應滿足：路由機制應滿足：n能量高效能量高效n選擇能耗小的消息傳輸路徑及使整個網絡能耗均衡的路由選擇能耗小的消息傳輸路徑及使整個網絡能耗均衡的路由n可擴展可擴展n針對動態變化的網絡拓撲，要求路由機制具有可擴展性針對動態變化的網絡拓撲，要求路由機制具有可擴展性n魯棒性魯棒性n對可能存在的傳感器節點失效、無線鏈路通信質量下降等對可能存在的傳感器節點失效、無線鏈路通信質量下降等網絡的不可靠性，路由機制要具有一定的容錯能力網絡的不可靠性，路由機制要具有一定的容錯能力n快速收斂快速收斂n路由機制要能快速收斂（避免路由環路），以減少通信協路由機制要能快速收斂（避免路由環路），以減少通信協

49、議開銷，提高傳輸效率。議開銷，提高傳輸效率。56路由協議類型路由協議類型n能量感知路由協議能量感知路由協議n基于查詢的路由協議基于查詢的路由協議n地理位置路由協議地理位置路由協議n可靠的路由協議可靠的路由協議573. 3. 能量感知路由協議能量感知路由協議 能量感知路由協議能量感知路由協議是最早提出的傳感器網絡是最早提出的傳感器網絡路由協議之一。它從數據傳輸的能量消耗出發，路由協議之一。它從數據傳輸的能量消耗出發，討論最少能量消耗和最長網絡生存期等問題。討論最少能量消耗和最長網絡生存期等問題。58 能量感知路由協議能量感知路由協議根據節點的當前剩余能量根據節點的當前剩余能量（Power ava

50、ilablePower available，PAPA）或傳輸路徑上的能量需或傳輸路徑上的能量需求，選擇數據的轉發路徑求，選擇數據的轉發路徑。R1：源源 B A B A 匯聚點匯聚點 PA=4，發送能耗發送能耗= =3R2：源源 C B A C B A 匯匯 聚點聚點 PA=6，發送能耗，發送能耗= =6R3：源源 D D 匯聚點匯聚點 PA=3，發送能耗發送能耗= =4R4：源源 F E F E 匯聚點匯聚點 PA=5，發送能耗，發送能耗= =659能量感知路由算法例能量感知路由算法例A(PA=2)B(PA=2)C(PA=2)D(PA=3)E(PA=1)F(PA=4)a1=1a2=1a8=2a

51、3=2a4=2a5=2a6=2a7=1a9=2a10=2源結點源結點匯聚結點匯聚結點可用能量發送能耗n針對該例的路由策略主要可以有以下幾種：針對該例的路由策略主要可以有以下幾種：n最大可用能源（最大可用能源（PAPA）路由）路由n在所有路徑中選取結點在所有路徑中選取結點PA之和最大的路徑。之和最大的路徑。n本例中本例中R2（源（源-C-B-A-匯）的匯）的PA之和最大，但之和最大，但R2包含了包含了R1（源（源-B-A-匯）匯） ，不是最高效的路徑。，不是最高效的路徑。n最小能耗路由最小能耗路由n在所有路徑中選取發送能耗之和最少的路徑。本例中為在所有路徑中選取發送能耗之和最少的路徑。本例中為R

52、1n最少條數路由最少條數路由n選擇條數最少的路徑。本例中為選擇條數最少的路徑。本例中為R3（源（源-D-匯）匯）60能量感知路由算法例能量感知路由算法例A(PA=2)B(PA=2)C(PA=2)D(PA=3)E(PA=1)F(PA=4)a1=1a2=1a8=2a3=2a4=2a5=2a6=2a7=1a9=2a10=2源結點源結點匯聚結點匯聚結點n傳統網絡路由機制通常選擇跳數最小的路徑傳統網絡路由機制通常選擇跳數最小的路徑n對對WSNWSN，如果頻繁使用同一條路徑，將造成該，如果頻繁使用同一條路徑，將造成該路徑上的節點因能量消耗過快而過早失效。易路徑上的節點因能量消耗過快而過早失效。易在網絡中形

53、成在網絡中形成“孤立區孤立區”。n能量多路徑路由機制：能量多路徑路由機制：n在源和匯聚點之間建立多條路徑，根據結點的通信在源和匯聚點之間建立多條路徑，根據結點的通信能耗和能耗和PAPA情況，為每條路徑賦予選擇概率，使網絡情況，為每條路徑賦予選擇概率，使網絡中的能量消耗均衡。中的能量消耗均衡。61能量感知路由協議小結能量感知路由協議小結A(PA=2)B(PA=2)C(PA=2)D(PA=3)E(PA=1)F(PA=4)a1=1a2=1a8=2a3=2a4=2a5=2a6=2a7=1a9=2a10=2源結點源結點匯聚結點匯聚結點4.4.基于查詢的路由協議基于查詢的路由協議 在諸如環境檢測、戰場評估

54、等應用中，在諸如環境檢測、戰場評估等應用中，需要不斷查詢需要不斷查詢傳傳感器結點感器結點采集的數據采集的數據。由。由匯聚結點匯聚結點（查詢結點查詢結點）發出查詢命）發出查詢命令，令，WSNWSN的終端的終端探測結點探測結點向監控中心報告采集的數據。向監控中心報告采集的數據。 在這類監控和檢測的應用問題中，在這類監控和檢測的應用問題中，通信流量通信流量主要是主要是查詢查詢結點結點和和探測結點探測結點之間的命令和數據傳輸，同時對之間的命令和數據傳輸，同時對探測結點探測結點采采集的信息通常要進行數據融合，通過減少通信流量來節省能集的信息通常要進行數據融合，通過減少通信流量來節省能量，即數據融合技術與

55、路由協議的設計相結合。量，即數據融合技術與路由協議的設計相結合。 基于查詢的路由協議常見的有：基于查詢的路由協議常見的有：定向擴散路由協議，謠定向擴散路由協議，謠傳路由協議傳路由協議等。等。62定向擴散路由協議總體原理定向擴散路由協議總體原理 定向擴散定向擴散（Directed DiffusionDirected Diffusion，DDDD）路由協議是一種基于查）路由協議是一種基于查詢的路由機制。詢的路由機制。 匯聚節點通過興趣消息（匯聚節點通過興趣消息（InterestInterest）發出查詢任務，采用洪泛）發出查詢任務，采用洪泛方式傳播興趣消息到整個區域或部分區域內的所有方式傳播興趣消

56、息到整個區域或部分區域內的所有傳感器結點傳感器結點。 興趣興趣消息消息表示查詢任務表示查詢任務，表達了網絡用戶對監測區域內感興趣，表達了網絡用戶對監測區域內感興趣的具體信息。例如監測區域內的溫度、濕度和光照等數據。的具體信息。例如監測區域內的溫度、濕度和光照等數據。 在興趣消息的傳播過程中，協議逐跳地在每個在興趣消息的傳播過程中，協議逐跳地在每個傳感器結點傳感器結點上建上建立反向的從數據源到匯聚節點的立反向的從數據源到匯聚節點的數據傳輸梯度數據傳輸梯度（GradientGradient），傳感），傳感器器探測結點將探測結點將采集到的數據沿著梯度方向傳送給采集到的數據沿著梯度方向傳送給匯聚結點匯

57、聚結點。63定向擴散路由協議定向擴散路由協議n定向擴散路由機制的三個工作階段：定向擴散路由機制的三個工作階段：n周期性興趣擴散周期性興趣擴散n梯度建立梯度建立n路徑加強路徑加強64（1 1）興趣擴散階段）興趣擴散階段 在興趣擴散階段在興趣擴散階段，匯聚匯聚結點結點周期性地向周期性地向鄰居結點鄰居結點廣廣播興趣消息。興趣消息中含播興趣消息。興趣消息中含有任務類型、目標區域、數有任務類型、目標區域、數據發送速率、時間戳等參數據發送速率、時間戳等參數。65源結點源結點匯聚結點匯聚結點ABCDEn每個結點在本地保存一個興趣列表每個結點在本地保存一個興趣列表，對于每一，對于每一個興趣，列表中都有一個表項

58、，用于記錄發來個興趣，列表中都有一個表項，用于記錄發來該興趣消息的該興趣消息的鄰居結點鄰居結點、數據發送的速率數據發送的速率和和時時間戳間戳等任務相關信息，以建立該結點向匯聚結等任務相關信息，以建立該結點向匯聚結點傳遞數據的梯度關系。點傳遞數據的梯度關系。66興趣興趣ID任務類型任務類型目標區域目標區域發送速率發送速率有效時間有效時間興趣來源興趣來源n當結點收到鄰居結點轉發來的興趣消息時，先當結點收到鄰居結點轉發來的興趣消息時，先檢查興趣列表中是否存有參數類型與收到的興檢查興趣列表中是否存有參數類型與收到的興趣及來源相同的表項。趣及來源相同的表項。n若有，則更新有效時間值；若有，則更新有效時間

59、值；n若雖有，但來源不同，則將相應鄰居結點信息加入若雖有，但來源不同，則將相應鄰居結點信息加入表項；表項；n否則，建立新表項。否則，建立新表項。67（2 2）數據傳播（梯度建立）階段）數據傳播（梯度建立）階段 當探測結點當探測結點采集到與興趣匹采集到與興趣匹配的數據時，把數據發送到梯度配的數據時，把數據發送到梯度上的上的鄰居結點鄰居結點，并按照梯度上的，并按照梯度上的數據傳輸速率，設定傳感器模塊數據傳輸速率，設定傳感器模塊采集數據的速率。采集數據的速率。 由于可能從多個由于可能從多個鄰居結點收鄰居結點收到興趣消息到興趣消息，結點，結點向多個鄰居發向多個鄰居發送數據，送數據，匯聚結點匯聚結點可能

60、收到經過可能收到經過多個路徑的相同數據。多個路徑的相同數據。68源結點源結點匯聚結點匯聚結點數據傳播數據傳播n當中間結點收到其他結點轉發的數據后，查詢當中間結點收到其他結點轉發的數據后，查詢興趣列表中的表項：興趣列表中的表項：n若無匹配項，則丟棄；若無匹配項，則丟棄；n若有，則檢查與該興趣對應的數據緩沖池，緩沖池若有，則檢查與該興趣對應的數據緩沖池，緩沖池中保存最近轉發的數據。中保存最近轉發的數據。n若數據緩沖池中存在與接收的數據匹配的樣本，則若數據緩沖池中存在與接收的數據匹配的樣本，則說明該數據已轉發，丟棄當前接收的數據；否則檢說明該數據已轉發，丟棄當前接收的數據；否則檢查興趣表該表項中的鄰