1、第第3 3章章無線傳感器網絡通信無線傳感器網絡通信3.13.1無線傳感器網絡協議結構無線傳感器網絡協議結構3.1.13.1.1傳統網絡協議傳統網絡協議OSIOSI參考模型參考模型 開放式系統互聯網絡參考模型開放式系統互聯網絡參考模型( OSI )( OSI )共有共有7 7個層次，如圖個層次，如圖3-13-1所示。從所示。從底向上依次是物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層和底向上依次是物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層。除物理層和應用層外，其余每層都和相鄰上下兩層進行通信。應用層。除物理層和應用層外，其余每層都和相鄰上下兩層進行通信。3.1.23.1.2無

2、線傳感器網絡協議的分層結構無線傳感器網絡協議的分層結構n從無線聯網的角度來看，傳感器網絡結點的體系由分層的網絡通信協議從無線聯網的角度來看，傳感器網絡結點的體系由分層的網絡通信協議、網絡管理平臺和應用支撐平臺三個部分組成、網絡管理平臺和應用支撐平臺三個部分組成( (如圖如圖3-23-2所示所示) )。1. 1. 網絡通信協議網絡通信協議n類似于傳統類似于傳統InternetInternet網絡中的網絡中的TCP/IPTCP/IP協議體系，它由物理層、數據鏈路協議體系，它由物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層組成，如圖層、網絡層、傳輸層和應用層組成，如圖3-33-3所示。所示。MACMAC

3、層和物理層協議層和物理層協議采用的是國際電氣電子工程師協會采用的是國際電氣電子工程師協會(The Institute of Electrical and (The Institute of Electrical and Electronics EngineersElectronics Engineers，IEEE)IEEE)制定的制定的IEEE 802.15.4IEEE 802.15.4協議。協議。nIEEE 802.15.4IEEE 802.15.4是針對低速無線個域網是針對低速無線個域網(Low-Rate Wireless Personal (Low-Rate Wireless Perso

4、nal Area NetworkArea Network，LR-WPAN)LR-WPAN)制定的標準。該標準把低能量消耗、低速率制定的標準。該標準把低能量消耗、低速率傳輸、低成本作為重點目標，旨在為個人或家庭范圍內不同設備之間傳輸、低成本作為重點目標，旨在為個人或家庭范圍內不同設備之間低速互連提供統一標準。低速互連提供統一標準。IEEE 802.15.4IEEE 802.15.4的網絡特征與無線傳感器網絡的網絡特征與無線傳感器網絡存在很多相似之處，所以許多研究機構把它作為無線傳感器網絡的無存在很多相似之處，所以許多研究機構把它作為無線傳感器網絡的無線通信平臺。線通信平臺。1. 1. 網絡通信協

5、議網絡通信協議2. 2. 網絡管理平臺網絡管理平臺n網絡管理平臺主要是對傳感器結點自身的管理和用戶對傳感器網絡的管網絡管理平臺主要是對傳感器結點自身的管理和用戶對傳感器網絡的管理，包括拓撲控制、服務質量管理、能量管理、安全管理、移動管理、理，包括拓撲控制、服務質量管理、能量管理、安全管理、移動管理、網絡管理等。網絡管理等。n(1)(1)拓撲控制。拓撲控制。 一些傳感器結點為了節約能量會在某些時刻進入休眠狀一些傳感器結點為了節約能量會在某些時刻進入休眠狀態，這導致網絡的拓撲結構不斷變化，而需要通過拓撲控制技術管理各態，這導致網絡的拓撲結構不斷變化，而需要通過拓撲控制技術管理各結點狀態的轉換，使網

6、絡保持暢通，數據能夠有效傳輸。拓撲控制利用結點狀態的轉換，使網絡保持暢通，數據能夠有效傳輸。拓撲控制利用鏈路層、路由層完成拓撲生成，反過來又為它們提供基礎信息支持，優鏈路層、路由層完成拓撲生成，反過來又為它們提供基礎信息支持，優化化MACMAC協議和路由協議，降低能耗。協議和路由協議，降低能耗。n(2)(2)服務質量管理。服務質量管理。 服務質量管埋在各協議層設計隊列管理、優先級機服務質量管埋在各協議層設計隊列管理、優先級機制或者帶寬預留等機制，并對特定應用的數據給予特別處理。它是網絡制或者帶寬預留等機制，并對特定應用的數據給予特別處理。它是網絡與用戶之間以及網絡上互相通信的用戶之間關于信息傳

7、輸與共享的質量與用戶之間以及網絡上互相通信的用戶之間關于信息傳輸與共享的質量約定。為了滿足用戶的要求，傳感器網絡必須能夠為用戶提供足夠的資約定。為了滿足用戶的要求，傳感器網絡必須能夠為用戶提供足夠的資源，以用戶可接受的性能指標工作。源，以用戶可接受的性能指標工作。n(3)(3)能量管理。能量管理。 在傳感器網絡中電源能量是各個結點最寶貴的資源。為在傳感器網絡中電源能量是各個結點最寶貴的資源。為了使傳感器網絡的使用時間盡可能長，需要合理、有效地控制結點對能了使傳感器網絡的使用時間盡可能長，需要合理、有效地控制結點對能量的使用。每個協議層次中都要增加能量控制代碼，并提供給操作系統量的使用。每個協議

8、層次中都要增加能量控制代碼，并提供給操作系統進行能量分配決策。進行能量分配決策。2. 2. 網絡管理平臺網絡管理平臺n(4)(4)安全管理。安全管理。 由于結點隨機部署、網絡拓撲的動態性和無線信道的不由于結點隨機部署、網絡拓撲的動態性和無線信道的不穩定，傳統的安全機制無法在傳感器網絡中適用，因而需要設計新型的穩定，傳統的安全機制無法在傳感器網絡中適用，因而需要設計新型的傳感器網絡安全機制，采用諸如擴頻通信、接入認證傳感器網絡安全機制，采用諸如擴頻通信、接入認證/ /鑒權、數字水印和鑒權、數字水印和數據加密等技術。數據加密等技術。n(5)(5)移動管理。移動管理。 在某些傳感器網絡的應用環境中，

9、結點可以移動，移動在某些傳感器網絡的應用環境中，結點可以移動，移動管理用來監測和控制結點的移動，維護到匯聚結點的路由，還可以使傳管理用來監測和控制結點的移動，維護到匯聚結點的路由，還可以使傳感器結點跟蹤它的鄰居。感器結點跟蹤它的鄰居。2. 2. 網絡管理平臺網絡管理平臺n(6)(6)網絡管理。網絡管理。 網絡管理是對傳感器網絡上的設備和傳輸系統進行有效網絡管理是對傳感器網絡上的設備和傳輸系統進行有效監視、控制、診斷和測試所采用的技術和方法。它要求協議各層嵌入各監視、控制、診斷和測試所采用的技術和方法。它要求協議各層嵌入各種信息接口，并定時收集協議運行狀態和流量信息，協調控制網絡中各種信息接口，

10、并定時收集協議運行狀態和流量信息，協調控制網絡中各個協議組件的運行。個協議組件的運行。2. 2. 網絡管理平臺網絡管理平臺3. 3. 應用支撐平臺應用支撐平臺n應用支撐平臺建立在網絡通信協議和網絡管理技術的基礎之上，應用支撐平臺建立在網絡通信協議和網絡管理技術的基礎之上，包括一系列基于監測任務的應用層軟件，通過應用服務接口和網包括一系列基于監測任務的應用層軟件，通過應用服務接口和網絡管理接口來為終端用戶提供各種具體應用的支持。絡管理接口來為終端用戶提供各種具體應用的支持。3.23.2物理層物理層3.2.13.2.1物理層的概述物理層的概述 1 1物理層的基本概念物理層的基本概念 n在計算機網絡

11、中物理層考慮的是怎樣才能在連接各種計算機的傳輸介質在計算機網絡中物理層考慮的是怎樣才能在連接各種計算機的傳輸介質上傳輸數據的比特流。國際標準化組織上傳輸數據的比特流。國際標準化組織(International Organization (International Organization for Standardizationfor Standardization，ISO)ISO)對開放系統互聯對開放系統互聯(Open System (Open System InterconnectionInterconnection，OSI)OSI)參考模型中物理層的定義如下：物理層為建立參考模型中物理層

12、的定義如下：物理層為建立、維護和釋放數據鏈路實體之間的二進制比特傳輸的物理連接，提供機、維護和釋放數據鏈路實體之間的二進制比特傳輸的物理連接，提供機械的、電氣的、功能的和規程性的特性。從定義可以看出，物理層的特械的、電氣的、功能的和規程性的特性。從定義可以看出，物理層的特點是負責在物理鏈接上傳輸二進制比特流，并提供為建立、維護和釋放點是負責在物理鏈接上傳輸二進制比特流，并提供為建立、維護和釋放物理鏈接所需要的機械、電氣、功能和規程的特性。物理鏈接所需要的機械、電氣、功能和規程的特性。n物理層的主要功能如下：物理層的主要功能如下：(1)(1)為數據終端設備為數據終端設備(Data Termina

13、l Equipment(Data Terminal Equipment，DTE)DTE)提供傳送數據的提供傳送數據的通路。通路。 (2) (2)傳輸數據。傳輸數據。 (3) (3)其他管理工作。其他管理工作。1 1物理層的基本概念物理層的基本概念 n通常物理接口標準對物理接口的四個特性進行了描述，這四個特性的內通常物理接口標準對物理接口的四個特性進行了描述，這四個特性的內容是指：容是指：n(1)(1)機械特性。機械特性。n(2)(2)電氣特性。電氣特性。n(3)(3)功能特性。功能特性。n(4)(4)規程特性。規程特性。1 1物理層的基本概念物理層的基本概念 2. 2. 無線通信物理層的主要技

14、術無線通信物理層的主要技術n無線通信物理層的主要技術包括介質的選擇、頻段的選擇、調制技無線通信物理層的主要技術包括介質的選擇、頻段的選擇、調制技術和擴頻技術。術和擴頻技術。n(1)(1)介質和頻段選擇介質和頻段選擇 無線通信的介質包括電磁波和聲波。電磁波是最主要的無線通無線通信的介質包括電磁波和聲波。電磁波是最主要的無線通信介質，而聲波一般僅用于水下的無線通信。根據波長的不同，電信介質，而聲波一般僅用于水下的無線通信。根據波長的不同，電磁波分為無線電波、微波、紅外線和光波等，其中無線電波在無線磁波分為無線電波、微波、紅外線和光波等，其中無線電波在無線網絡中使用最廣泛。無線電波的傳播特性與頻率相

15、關。網絡中使用最廣泛。無線電波的傳播特性與頻率相關。 n調制和解調技術是無線通信系統的關鍵技術之一。通常信號源的編碼信調制和解調技術是無線通信系統的關鍵技術之一。通常信號源的編碼信息息( (即信源即信源) )含有直流分量和頻率較低的頻率分量，稱為基帶信號。基帶含有直流分量和頻率較低的頻率分量，稱為基帶信號。基帶信號往往不能作為傳輸信號，因而要將基帶信號轉換為相對基帶頻率而信號往往不能作為傳輸信號，因而要將基帶信號轉換為相對基帶頻率而言頻率非常高的帶通信號，以便于進行信道傳輸。通常將帶通信號稱為言頻率非常高的帶通信號，以便于進行信道傳輸。通常將帶通信號稱為已調信號，而基帶信號稱為調制信號。已調信

16、號，而基帶信號稱為調制信號。n調制技術通過改變高頻載波的幅度、相位或頻率，使其隨著基帶信號幅調制技術通過改變高頻載波的幅度、相位或頻率，使其隨著基帶信號幅度的變化而變化。解調是將基帶信號從載波中提取出來以便預定的接收度的變化而變化。解調是將基帶信號從載波中提取出來以便預定的接收者者( (信宿信宿) )處理和理解的過程。處理和理解的過程。(2) (2) 調制技術調制技術 n根據原始信號所控制參量的不同，調制分為幅度調制根據原始信號所控制參量的不同，調制分為幅度調制(Amplitude (Amplitude ModulationModulation，AM)AM)、頻率調制、頻率調制(Frequen

17、cy Modulation(Frequency Modulation，FM)FM)和相位調制和相位調制(Phase Modulation(Phase Modulation，PM)PM)。當數字調制信號為二進制矩形全占空脈沖序。當數字調制信號為二進制矩形全占空脈沖序列時，由于該序列只存在列時，由于該序列只存在“有電有電”和和“無電無電”兩種狀態，因而可以采用兩種狀態，因而可以采用電鍵控制，被稱為鍵控信號，所以上述數字信號的調幅、調頻、調相分電鍵控制，被稱為鍵控信號，所以上述數字信號的調幅、調頻、調相分別又被稱為幅移鍵控別又被稱為幅移鍵控(Amplitude Shift Keying(Amplit

18、ude Shift Keying，ASK)ASK)、頻移鍵控、頻移鍵控(Frequency Shift Keying(Frequency Shift Keying，FSK)FSK)和相移鍵控和相移鍵控(Phase Shift Keying(Phase Shift Keying，PSK)PSK)。(2) (2) 調制技術調制技術 n擴頻又稱為擴展頻譜，它的定義如下：擴頻通信技術是一種信息傳輸方式，擴頻又稱為擴展頻譜，它的定義如下：擴頻通信技術是一種信息傳輸方式，其信號所占有的頻帶寬度遠大于所傳信息必需的最小帶寬；頻帶的擴展是通其信號所占有的頻帶寬度遠大于所傳信息必需的最小帶寬；頻帶的擴展是通過一

19、個獨立的碼序列來完成，用編碼及調制的方法來實現，與所傳信息數據過一個獨立的碼序列來完成，用編碼及調制的方法來實現，與所傳信息數據無關；在接收端用同樣的碼進行相關同步接收、解擴和恢復所傳信息數據。無關；在接收端用同樣的碼進行相關同步接收、解擴和恢復所傳信息數據。n擴頻技術按照工作方式的不同，可以分為以下四種：直接序列擴頻擴頻技術按照工作方式的不同，可以分為以下四種：直接序列擴頻(Direct (Direct Sequence Spread SpectrumSequence Spread Spectrum，DSSS)DSSS)、跳頻、跳頻(Frequency Hopping Spread (Fre

20、quency Hopping Spread SpectrumSpectrum，FHSS)FHSS)、跳時、跳時(Time Hopping Spread Spectrum(Time Hopping Spread Spectrum，THSS)THSS)和寬帶線和寬帶線性調頻擴頻性調頻擴頻(chirp Spread Spectrum(chirp Spread Spectrum，chirp-SSchirp-SS，簡稱切普擴頻，簡稱切普擴頻) )。(3)(3)擴頻技術擴頻技術 n無線傳感器網絡的低能耗、低成本、微型化等特點，以及具體應用的特無線傳感器網絡的低能耗、低成本、微型化等特點，以及具體應用的特殊

21、需求給物理層的設計提出了挑戰，在設計時需要重點考慮以下問題：殊需求給物理層的設計提出了挑戰，在設計時需要重點考慮以下問題：n(1)(1)調制機制。調制機制。n(2)(2)與上層協議結合的跨層優化設計。與上層協議結合的跨層優化設計。n(3)(3)硬件設計。硬件設計。3. 3. 無線傳感器網絡物理層的特點無線傳感器網絡物理層的特點3.2.23.2.2傳感器網絡物理層的設計傳感器網絡物理層的設計1 1傳輸介質傳輸介質n目前無線傳感器網絡采用的主要傳輸介質包括無線電、紅外線和光目前無線傳感器網絡采用的主要傳輸介質包括無線電、紅外線和光波等。波等。n在無線電頻率選擇方面，在無線電頻率選擇方面，ISM I

22、SM 頻段是一個很好的選擇。因為頻段是一個很好的選擇。因為ISMISM頻頻段在大多數國家屬于無需注冊的公用頻段。段在大多數國家屬于無需注冊的公用頻段。n表表3.13.1列出了列出了ISM ISM 應用中的可用頻段。其中一些頻率已經用于無繩電話系應用中的可用頻段。其中一些頻率已經用于無繩電話系統和無線局域網。對于無線傳感器網絡來說，無線電接收機需要滿足體統和無線局域網。對于無線傳感器網絡來說，無線電接收機需要滿足體積小、成本低和功率小的要求。積小、成本低和功率小的要求。1 1傳輸介質傳輸介質n無線傳感器網絡結點之間通信的另一種手段是紅外技術。紅外通信的優無線傳感器網絡結點之間通信的另一種手段是紅

23、外技術。紅外通信的優點是無須注冊，并且抗干擾能力強。基于紅外線的接收機成本更低，也點是無須注冊，并且抗干擾能力強。基于紅外線的接收機成本更低，也很容易設計。目前很多便攜式電腦、很容易設計。目前很多便攜式電腦、PDAPDA和移動電話都提供紅外數據傳輸和移動電話都提供紅外數據傳輸的標準接口。紅外通信的主要缺點是穿透能力差，要求發送者和接收者的標準接口。紅外通信的主要缺點是穿透能力差，要求發送者和接收者之間存在視距關系。這導致了紅外難以成為無線傳感器網絡的主流傳輸之間存在視距關系。這導致了紅外難以成為無線傳感器網絡的主流傳輸介質，而只能在一些特殊場合得到應用。介質，而只能在一些特殊場合得到應用。1

24、1傳輸介質傳輸介質 2 2物理層幀結構物理層幀結構 n表表3-23-2描述了無線傳感器網絡結點普遍使用的一種物理層幀結構。由于目描述了無線傳感器網絡結點普遍使用的一種物理層幀結構。由于目前還沒有形成標準化的物理層結構，所以在實際設計時都是在該物理層前還沒有形成標準化的物理層結構，所以在實際設計時都是在該物理層幀結構的基礎上進行改進。幀結構的基礎上進行改進。n物理幀的第一個字段是前導碼，字節數一般取物理幀的第一個字段是前導碼，字節數一般取4 4，用于收發器進行碼片或，用于收發器進行碼片或者符號的同步。第二個字段是幀頭，長度通常為一個字節，表示同步結者符號的同步。第二個字段是幀頭，長度通常為一個字

25、節，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。束，數據包開始傳輸。幀頭與前導碼構成了同步頭。n幀長度字段通常由一個字節的低幀長度字段通常由一個字節的低7 7位表示，其值就是后續的物理層位表示，其值就是后續的物理層PHYPHY負負載的長度，因此它的后續載的長度，因此它的后續PHYPHY負載的長度不會超過負載的長度不會超過127127個字節。個字節。 n物理幀物理幀PHYPHY的負載長度可變，稱為物理服務數據單元的負載長度可變，稱為物理服務數據單元(PHY Service Data (PHY Service Data UniteUnite，PSDU)PSDU)，攜帶，攜帶PHYPHY

26、數據包的數據，數據包的數據，PSDUPSDU域是物理層的載荷。域是物理層的載荷。 2 2物理層幀結構物理層幀結構 3 3物理層設計技術物理層設計技術n物理層主要負責數據的硬件加密、調制解調、發送與接收，是決定傳物理層主要負責數據的硬件加密、調制解調、發送與接收，是決定傳感器網絡結點的體積、成本和能耗的關鍵環節。物理層的設計目標是感器網絡結點的體積、成本和能耗的關鍵環節。物理層的設計目標是以盡可能少的能量消耗獲得較大的鏈路容量。為了確保網絡運行的平以盡可能少的能量消耗獲得較大的鏈路容量。為了確保網絡運行的平穩性能，該層一般需要與穩性能，該層一般需要與MACMAC層進行密切交互。層進行密切交互。n

27、 物理層需要考慮編碼調制技術、通信速率和通信頻段等問題：物理層需要考慮編碼調制技術、通信速率和通信頻段等問題：n(1)(1)編碼調制技術影響占用頻率帶寬、通信速率、收發機結構和功率等一編碼調制技術影響占用頻率帶寬、通信速率、收發機結構和功率等一系列的技術參數。比較常見的編碼調制技術包括幅移鍵控、頻移鍵控、系列的技術參數。比較常見的編碼調制技術包括幅移鍵控、頻移鍵控、相移鍵控和各種擴頻技術。相移鍵控和各種擴頻技術。n(2)(2)提高數據傳輸速率可以減少數據收發的時間，對于節能具有意義，但提高數據傳輸速率可以減少數據收發的時間，對于節能具有意義，但需要同時考慮提高網絡速度對誤碼的影響。一般用單個比

28、特的收發能耗需要同時考慮提高網絡速度對誤碼的影響。一般用單個比特的收發能耗來定義數據傳輸對能量的效率，單比特能耗越小越好。來定義數據傳輸對能量的效率，單比特能耗越小越好。3 3物理層設計技術物理層設計技術3.33.3數據鏈路層協議數據鏈路層協議n無線傳感網絡除了需要傳輸層機制實現高等級誤差和擁塞控制外，還需無線傳感網絡除了需要傳輸層機制實現高等級誤差和擁塞控制外，還需要數據鏈路層功能。總體而言，數據鏈路層主要負責多路數據流、數據要數據鏈路層功能。總體而言，數據鏈路層主要負責多路數據流、數據結構探測、媒體訪問和誤差控制，從而確保通信網絡中可靠的結構探測、媒體訪問和誤差控制，從而確保通信網絡中可靠

29、的Point-to-Point-to-PointPoint與與Point-to-MultipointPoint-to-Multipoint連接。然而，無線傳感網絡協作與面向應連接。然而，無線傳感網絡協作與面向應用的性質，以及無線傳感節點的物理約束用的性質，以及無線傳感節點的物理約束( (例如能量和處理能力約束例如能量和處理能力約束) )決決定了完成這些功能的方式。定了完成這些功能的方式。n多跳自組織無線傳感網絡多跳自組織無線傳感網絡MACMAC層協議需要實現兩個目標：層協議需要實現兩個目標：n（1)1)對于感知區域內密集布置節點的多跳無線通信，需要建立數據通信對于感知區域內密集布置節點的多跳無

30、線通信，需要建立數據通信鏈接以獲得基本的網絡基礎設施。鏈接以獲得基本的網絡基礎設施。n（2)2)為了使無線傳感節點公平有效地共享通信資源，需要對共享媒體的為了使無線傳感節點公平有效地共享通信資源，需要對共享媒體的訪問進行管理。訪問進行管理。1 1媒體訪問控制媒體訪問控制 n無線傳感網絡的無線傳感網絡的MACMAC協議必須具有固定能量保護、移動性管理和失效恢復協議必須具有固定能量保護、移動性管理和失效恢復策略。策略。 n考慮現有的考慮現有的MACMAC解決方案，主要包含以下幾種訪問方式：解決方案，主要包含以下幾種訪問方式：(1)(1)基于基于TDMATDMA的媒體訪問的媒體訪問 (2)(2)基于

31、混合基于混合TDMA/FDMATDMA/FDMA的媒體訪問的媒體訪問 (3)(3)基于基于CSMACSMA媒體訪問媒體訪問 1 1媒體訪問控制媒體訪問控制 n一般而基于一般而基于ARQARQ的誤差控制主要采用重新傳送恢復丟失的數據包的誤差控制主要采用重新傳送恢復丟失的數據包/ /幀。雖幀。雖然其他無線網絡的數據鏈路層利用了基于然其他無線網絡的數據鏈路層利用了基于ARQARQ的誤差控制方案，但由于無的誤差控制方案，但由于無線傳感節點能量與處理資源的不足，無線傳感網絡應用中線傳感節點能量與處理資源的不足，無線傳感網絡應用中ARQARQ的有效性受的有效性受到了限制。另外，到了限制。另外，FECFEC

32、方案具有固有的解碼復雜性，需要無線傳感節點消方案具有固有的解碼復雜性，需要無線傳感節點消耗大量處理資源。因此，具有低復雜度編碼與解碼方式的簡單誤差控制耗大量處理資源。因此，具有低復雜度編碼與解碼方式的簡單誤差控制碼可能是無線傳感網絡中誤差控制的最佳解決方案。碼可能是無線傳感網絡中誤差控制的最佳解決方案。2 2誤差控制誤差控制3.43.4網絡層協議網絡層協議無線傳感網絡的網絡層通常根據下列原則進行設計：無線傳感網絡的網絡層通常根據下列原則進行設計：n (1) (1) 能量有效性是必須考慮的關鍵問題；能量有效性是必須考慮的關鍵問題；n (2) (2) 多數無線傳感網絡以數據為中心；多數無線傳感網絡

33、以數據為中心；n (3) (3) 理想的無線傳感網絡采用基于屬性的尋址和位置感知方式；理想的無線傳感網絡采用基于屬性的尋址和位置感知方式；n (4) (4) 數據聚集僅在不妨礙無線傳感節點的協作效應時是有效的；數據聚集僅在不妨礙無線傳感節點的協作效應時是有效的；n (5) (5) 路由協議易于與其它網絡路由協議易于與其它網絡( (例如例如Internel)Internel)相結合。相結合。n網絡層設計原則之一是易于與其他網絡相結合，如圖網絡層設計原則之一是易于與其他網絡相結合，如圖3-53-5所示，所示，SinkSink節點節點作為其他網絡的網關，是通信中樞。用戶可根據查詢目的或應用類型通作為

34、其他網絡的網關，是通信中樞。用戶可根據查詢目的或應用類型通過過InternetInternet或衛星網絡查詢無線傳感網絡。或衛星網絡查詢無線傳感網絡。3.43.4網絡層協議網絡層協議n網絡技術領域的發展水平見表網絡技術領域的發展水平見表3-33-3，表中列舉的方案采用了上述的一些設，表中列舉的方案采用了上述的一些設計原則。計原則。SMECNSMECN生成了無線傳感網絡能量有效的分網圖，目的是在保持網生成了無線傳感網絡能量有效的分網圖，目的是在保持網絡節點連通性的條件下使能耗最小化。另外，定向擴散協議是一種數據絡節點連通性的條件下使能耗最小化。另外，定向擴散協議是一種數據中心的分發協議，采用基于

35、屬性的命名方案進行數據的查詢和收集。中心的分發協議，采用基于屬性的命名方案進行數據的查詢和收集。3.43.4網絡層協議網絡層協議3.5 3.5 傳輸層協議傳輸層協議一般而言，傳輸層的主要目標是：一般而言，傳輸層的主要目標是：n采用多路技術和分離技術作為應用層和網絡層的橋梁；采用多路技術和分離技術作為應用層和網絡層的橋梁；n根據應用層的特定可靠度需求在源節點和匯節點間提供帶有誤差控制根據應用層的特定可靠度需求在源節點和匯節點間提供帶有誤差控制機制的數據傳遞服務；機制的數據傳遞服務；n通過流動和擁塞機制調節注入網絡的信息量。通過流動和擁塞機制調節注入網絡的信息量。3.5.1 Event-to-Si

36、nk3.5.1 Event-to-Sink傳輸傳輸n無線傳感網絡傳輸層的無線傳感網絡傳輸層的Event-to-SinkEvent-to-Sink可靠度是必要的，包括了事件特可靠度是必要的，包括了事件特征到征到SinkSink節點的可靠通信，而不是針對區域內各節點生成的單個傳感報節點的可靠通信，而不是針對區域內各節點生成的單個傳感報告告/ /數據包進行基于數據包的可靠傳遞。圖數據包進行基于數據包的可靠傳遞。圖3-63-6說明了以收集事件到說明了以收集事件到SinkSink節點數據流的識別符為基礎的節點數據流的識別符為基礎的Event-to-SinkEvent-to-Sink可靠傳輸概念。可靠傳輸

37、概念。n與常規與常規End-to-EndEnd-to-End可靠度傳輸層協議不同，事件到中心節點可靠傳輸可靠度傳輸層協議不同，事件到中心節點可靠傳輸(ESRT(ESRT，Event-to-Sink Reliable Transport)Event-to-Sink Reliable Transport)協議以協議以Event-to-SinkEvent-to-Sink可可靠度概念為基礎，提供了不需要任何中介存儲的可靠事件探測。靠度概念為基礎，提供了不需要任何中介存儲的可靠事件探測。ESRTESRT是是一種新的數據解決方案，其目的是在無線傳感網絡中用最少的能量花費一種新的數據解決方案，其目的是在無線

38、傳感網絡中用最少的能量花費完成可靠事件探測。其中包括擁塞控制部分，可實現可靠和節能的雙重完成可靠事件探測。其中包括擁塞控制部分，可實現可靠和節能的雙重目標。同時，目標。同時，ESRTESRT不需要各個傳感器的標識符，僅需要事件不需要各個傳感器的標識符，僅需要事件IDID。十分重。十分重要的一點是，要的一點是，ESRTESRT算法主要在算法主要在SinkSink節點上運行，使資源有限的無線傳感節點上運行，使資源有限的無線傳感節點需要完成的工作量最小化。節點需要完成的工作量最小化。3.5.1 Event-to-Sink3.5.1 Event-to-Sink傳輸傳輸3.63.6應用層協議應用層協議3

39、.6.13.6.1傳感器管理協議傳感器管理協議n系統管理通過采用傳感器管理協議系統管理通過采用傳感器管理協議(SMP(SMP，Sensor Management Sensor Management Protocol)Protocol)與無線傳感網絡進行交互。無線傳感網絡與其他很多網絡不同與無線傳感網絡進行交互。無線傳感網絡與其他很多網絡不同，節點沒有全局，節點沒有全局IDID，而且一般缺少基礎設施。因此，而且一般缺少基礎設施。因此，SMPSMP需要采用基于屬需要采用基于屬性的命名和基于位置的選址對節點進行訪問。性的命名和基于位置的選址對節點進行訪問。SMPSMP是提供軟件操作的管理協議，這些軟

40、件操作是以下管理任務所必需的：是提供軟件操作的管理協議，這些軟件操作是以下管理任務所必需的：將與數據聚集、基于屬性的命名和聚類相關的規則引入無線傳感節點；將與數據聚集、基于屬性的命名和聚類相關的規則引入無線傳感節點；交換與位置搜尋相關的數據；交換與位置搜尋相關的數據；無線傳感節點的時鐘同步；無線傳感節點的時鐘同步；移動無線傳感節點；移動無線傳感節點；打開和關閉無線傳感節點；打開和關閉無線傳感節點；查詢無線傳感網絡設置和節點狀態，重新設置無線傳感網絡；查詢無線傳感網絡設置和節點狀態，重新設置無線傳感網絡；認證、密碼分配與數據通信安全。認證、密碼分配與數據通信安全。3.6.13.6.1傳感器管理協

41、議傳感器管理協議3.6.23.6.2任務分派與數據廣播協議任務分派與數據廣播協議n無線傳感網絡的另一個重要操作是無線傳感網絡的另一個重要操作是“興趣興趣”分發。用戶向無線傳感節點、分發。用戶向無線傳感節點、節點的子集或整個網絡發送其節點的子集或整個網絡發送其“興趣興趣”內容。此內容。此“興趣興趣”內容可與觀察對內容可與觀察對象的某種屬性相關，或者與一個觸發事件相關。另一種方式是對可用數據象的某種屬性相關，或者與一個觸發事件相關。另一種方式是對可用數據進行廣播。無線傳感節點將可用數據廣播給用戶，而用戶查詢其感興趣的進行廣播。無線傳感節點將可用數據廣播給用戶，而用戶查詢其感興趣的數據。應用層協議為

42、用戶軟件提供了數據。應用層協議為用戶軟件提供了“興趣興趣”分發的有效接口的，對較低分發的有效接口的，對較低層操作層操作( (例如路由例如路由) )十分有用。十分有用。3.6.33.6.3傳感器查詢與數據分發協議傳感器查詢與數據分發協議n傳感器查詢和數據分發協議傳感器查詢和數據分發協議(SQDDP(SQDDP，Sensor Query and Data Sensor Query and Data Dissemination Protocol)Dissemination Protocol)為用戶應用提供了問題查詢、查詢響應和搜為用戶應用提供了問題查詢、查詢響應和搜集答復的接口。這些查詢一般不向特定

43、節點發送，而是采用了基于屬性集答復的接口。這些查詢一般不向特定節點發送，而是采用了基于屬性或位置的命名。或位置的命名。 n傳感器查詢和任務語言傳感器查詢和任務語言(SQTL(SQTL，Sensor Query and Tasking Language)Sensor Query and Tasking Language)提供了更多服務種類。提供了更多服務種類。 SQTLSQTL支持支持3 3種事件，這些事件用關鍵詞種事件，這些事件用關鍵詞receivereceive、everyevery和和expireexpire定義。定義。n關鍵詞關鍵詞receivereceive規定了收到一個消息時由無線傳

44、感節點生成的事件；規定了收到一個消息時由無線傳感節點生成的事件；n關鍵詞關鍵詞everyevery規定了采用計時器定時而周期性產生的事件；規定了采用計時器定時而周期性產生的事件；n關鍵詞關鍵詞expireexpire規定了計時器超時引發的事件。規定了計時器超時引發的事件。n若無線傳感節點收到預期消息，而且消息包含一個腳本，則運行此腳本若無線傳感節點收到預期消息，而且消息包含一個腳本，則運行此腳本。雖然已經定義了。雖然已經定義了SQTLSQTL，但可為各種應用開發不同類別的，但可為各種應用開發不同類別的SQDDPSQDDP。每種應。每種應用中，用中，SQDDPSQDDP都有特定的執行方式。都有特

45、定的執行方式。3.6.33.6.3傳感器查詢與數據分發協議傳感器查詢與數據分發協議3.73.7無線傳感器網絡跨層設計無線傳感器網絡跨層設計3.7.1.3.7.1.分層設計方法分層設計方法n有線因特網或者是傳統的無線網絡有線因特網或者是傳統的無線網絡( (如蜂窩和無線局域網，以及移動自如蜂窩和無線局域網，以及移動自組織網絡組織網絡) )中，大多數設計者都采用中，大多數設計者都采用分層設計指導思想分層設計指導思想 。圖。圖3-73-7給出了給出了一個采用分層設計方法實現的無線一個采用分層設計方法實現的無線網絡設計協議棧示意圖，其中每個網絡設計協議棧示意圖，其中每個相鄰層次之間可以實現一定的自適相鄰

46、層次之間可以實現一定的自適應調節，從而優化原有的網絡系統應調節，從而優化原有的網絡系統。 所謂跨層設計的定義，是針對特定的分層結構而言的，一切不符合參考分層所謂跨層設計的定義，是針對特定的分層結構而言的，一切不符合參考分層通信結構的協議設計稱為跨層設計。通信結構的協議設計稱為跨層設計。對于跨層設計的概念，再給出了三種補充解釋。對于跨層設計的概念，再給出了三種補充解釋。n不符合分層結構的例子包括創建協議層間新的接口，重新定義協議層不符合分層結構的例子包括創建協議層間新的接口，重新定義協議層的邊界，基于另外一個層設計的細節來設計一個協議層，以及聯合調節的邊界，基于另外一個層設計的細節來設計一個協議

47、層，以及聯合調節跨層參數等。跨層參數等。n分層結構的破壞也意味著放棄在不同層獨立設計協議的奢望。跨層設分層結構的破壞也意味著放棄在不同層獨立設計協議的奢望。跨層設計的協議提供了其他層處理的一些條件。計的協議提供了其他層處理的一些條件。n跨層設計是定義為一種協議設計的方法。然而，采用這種方法設計的跨層設計是定義為一種協議設計的方法。然而，采用這種方法設計的協議大家通常稱為跨層設計。協議大家通常稱為跨層設計。3.7.23.7.2跨層設計方法跨層設計方法通常，實現無線網絡的跨層設計的信息交互主要有以下三個途徑。通常，實現無線網絡的跨層設計的信息交互主要有以下三個途徑。n協議層之間直接進行通信；協議層

48、之間直接進行通信；n通過共享信息或數據庫來進行信息交互；通過共享信息或數據庫來進行信息交互；n采用全新的數據抽象結構，如采用與分層協議棧結構完全不同的堆結采用全新的數據抽象結構，如采用與分層協議棧結構完全不同的堆結構來組織協議。構來組織協議。3.7.23.7.2跨層設計方法跨層設計方法n圖圖3-83-8給出了一個無線傳感器網絡的理給出了一個無線傳感器網絡的理想跨層設計模型。各個協議層之間相互想跨層設計模型。各個協議層之間相互依賴，彼此協作，目標就是盡系統所能依賴，彼此協作，目標就是盡系統所能，最大限度地滿足用戶應用的需求。可，最大限度地滿足用戶應用的需求。可以看出，跨層設計除了包括各個協議層以

49、看出，跨層設計除了包括各個協議層間的自適應問題，而且還包括了各個層間的自適應問題，而且還包括了各個層之間相互協作和共享信息和資源，以便之間相互協作和共享信息和資源，以便獲取最佳性能準則，如最小的連接鏈路獲取最佳性能準則，如最小的連接鏈路維護成本、更低的延遲和最長的系統壽維護成本、更低的延遲和最長的系統壽命等。命等。3.7.23.7.2跨層設計方法跨層設計方法nB.RamanB.Raman等人提出了幾種不同的跨層設計組合解決方案，并且證實了對于等人提出了幾種不同的跨層設計組合解決方案，并且證實了對于特定的應用，如藍牙無線傳感器網絡，相比傳統的分層設計方法，跨層特定的應用，如藍牙無線傳感器網絡，相

50、比傳統的分層設計方法，跨層優化確實帶來了更好的系統性能。它們采用的跨層設計成功的關鍵就是優化確實帶來了更好的系統性能。它們采用的跨層設計成功的關鍵就是把握了四個要素：采用按需操作；對高層需求的感知；緩存了業務的描把握了四個要素：采用按需操作；對高層需求的感知；緩存了業務的描述以及采用了相同范圍內的操作。圖述以及采用了相同范圍內的操作。圖3-93-9就是跨層設計和組合優化前后的就是跨層設計和組合優化前后的協議棧對比圖。協議棧對比圖。3.7.23.7.2跨層設計方法跨層設計方法3.7.33.7.3跨層設計的必要性跨層設計的必要性n1 1無線信道的動態性無線信道的動態性n2 2無線傳感器網絡節點的能

51、量受限無線傳感器網絡節點的能量受限n3 3傳統通信系統分層參考模型的弊端傳統通信系統分層參考模型的弊端n圖圖3-103-10給出了一個采用分層和跨層設計的無線傳感器網絡協議體系結構給出了一個采用分層和跨層設計的無線傳感器網絡協議體系結構對比。對比。3.7.33.7.3跨層設計的必要性跨層設計的必要性3.7.43.7.4無線傳感器網絡跨層設計主要技術無線傳感器網絡跨層設計主要技術 根據優化參數選取的不同和系統優化的目標和應用的不同，常見的跨層根據優化參數選取的不同和系統優化的目標和應用的不同，常見的跨層設計技術主要理論方法分為以下幾種。設計技術主要理論方法分為以下幾種。n分析法：通過拉格朗日乘子

52、法、凸優化等把問題近似簡化，得到快速分析法：通過拉格朗日乘子法、凸優化等把問題近似簡化，得到快速收斂算法和分析結果。收斂算法和分析結果。n最優控制法：通過最優控制，可以將無線通信系統的跨層優化轉化為最優控制法：通過最優控制，可以將無線通信系統的跨層優化轉化為約束優化類問題。約束優化類問題。n博弈論法：在多用戶的無線傳感器網絡中，單個節點并不了解其它節博弈論法：在多用戶的無線傳感器網絡中，單個節點并不了解其它節點的狀態，因而無法協同共享網絡資源，只能以分布式方式從自身利益點的狀態，因而無法協同共享網絡資源，只能以分布式方式從自身利益角度出發來競爭網絡的有限資源。可以通過博弈論中的納氏均衡理論來角度出發來競爭網絡的有限資源。可以通過博弈論中的納氏均衡理論來協調各個傳感器網絡節點的行為，從而達到網絡的最佳性能。協調各個傳感器網絡節點的行為，從而達到網絡的最佳性能。n動態規劃法：由于無線通信環境的動態時變性，可通過動態規劃法實動態規劃法：由于無線通信環境的動態時變性，可通過動態規劃法實時選擇最優策略，如無線傳感器網絡的動態路由的跨層設計。時選