1、第3章 無線傳感器網絡關鍵技術 3.1 無線傳感器網絡的路由技術 3.2 無線傳感器網絡的鏈路層技術 3.3 ZigBee 3.4 小結 3.1 無線傳感器網絡的路由技術無線傳感器網絡路由協議的目的是將消息分組從源節點(通常為傳感節點)發送到目的節點(通常為匯聚節點)，因此需要完成兩大功能：一是選擇適合的優化路徑，二是沿著選定的路徑正確轉發數據。盡管傳統的無線局域網絡或者移動Ad Hoc網絡基于提高服務質量(QoS)和公平性提出了很多路由協議，但這些協議的主要任務不是考慮網絡的能量消耗，而是追求使端到端的延遲最小、網絡利用率最高以及避免通信擁塞和均衡網絡流量的最優路徑。而無線傳感器網絡節點有能

2、量限制，且考慮到網絡節點數目通常很大，節點只能通過獲取的局部拓撲信息來構建路由，以及無線傳感器網絡 本身具有較強的應用相關性，再考慮到數據的融合處理，因此不僅傳統無線網絡路由協議不再適合，而且也很難設計一個適合的無線傳感器網絡的通用路由協議。其中，無線傳感器網絡路由協議設計的一個主要目標就是在執行數據通信功能的前提下盡可能地延長網絡的壽命，并通過積極的能量管理技術避免網絡連接性因節點能量不足而造成的惡化。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：(1) 能量優先。傳統路由協議在選擇最優路徑時，很少考慮節點的能量消耗問題。而無線傳感器網絡中節點的能量有限，如何延長整個網絡的

3、生存期成為傳感器網絡路由協議設計的重要目標，因此需要考慮節點的能量消耗以及網絡能量均衡使用的問題。(2) 基于局部拓撲信息。無線傳感器網絡為了節省通信能量，通常采用多跳的通信模式，而節點有限的存儲資源和計算資源使得節點不能存儲大量的路由信息，不能進行太復雜的路由計算。在節點只能獲取局部拓撲信息和資源有限的情況下，如何實現簡單、高效的路由機制是無線傳感器網絡的一個基本問題。(3) 以數據為中心。傳統的路由協議通常以地址作為節點的標識和路由的依據，而無線傳感器網絡中大量的節點隨機部署，所關注地是監測區域的感知數據，而不是具體由哪個節點獲取的信息，因此是不依賴于全網的唯一的標識。傳感器網絡通常包含多

4、個傳感器節點到少數匯聚節點的數據流，按照對感知數據的需求、數據通信模式和流向等，形成以數據為中心的消息的轉發路徑。(4) 應用相關。傳感器網絡的應用環境千差萬別，數據通信模式各不相同，沒有一個路由機制適合所有的應用，這是傳感器網絡應用相關性的一個體現。設計者需要針對每一個具體應用的需求，設計與之適應的特定路由機制。針對傳感器網絡路由機制的上述特點，在根據具體應用設計路由機制時，要滿足下面的傳感器網絡路由機制的要求：(1) 高效地使用能量。傳感器網絡路由協議不僅要選擇能量消耗小的消息傳輸路徑，而且要從整個網絡的角度考慮，選擇使整個網絡能量均衡消耗的路由機制。傳感器節點的資源有限，傳感器網絡的路由

5、機制要能夠簡單而且高效地實現信息傳輸。(2) 可擴展性。在無線傳感器網絡中，檢測區域范圍或節點密度不同，造成網絡規模的大小不同；節點失敗、新節點加入以及節點移動等，都會使得網絡拓撲結構動態發生變化，這就要求路由機制具有可擴展性，能夠適應網絡結構的變化。(3) 魯棒性。能量用盡或因環境因素造成傳感器節點信息傳輸的失敗、周圍環境對無線鏈路的通信質量的影響以及無線鏈路本身的缺點等，這些無線傳感器網絡的不可靠特性要求路由機制具有一定的容錯能力。(4) 快速收斂性。由于傳感器網絡的拓撲結構動態變化，節點能量和通信帶寬等資源有限，因此要求路由機制能夠快速收斂，以適應網絡拓撲的動態變化，減少通信協議開銷，提

6、高消息傳輸的效率。3.1.1 路由協議的分類在無線傳感器網絡中，由于網絡內節點的資源有限、應用背景特殊，數據包的傳輸需要通過多跳通信方式到達目的節點，因此路由協議的設計是無線傳感器網絡中的一項基本支撐技術。傳統無線網絡的路由設計以避免網絡沖突、保證網絡的連通性以及提供高質量的網絡服務為主要目的，在路由協議的實現過程中，首先利用網絡層定義的邏輯上的網絡地址來區別不同節點以便實現數據交換，然后通過路由選擇算法決定到達目的節點的最佳路徑。與傳統網絡不同，雖然無線傳感器網絡與Ad Hoc網絡極為相似，但是在網絡特點、通信模式和數據傳輸要求等方面卻還是有較大差異。雖然當前Ad Hoc網絡路由協議的研究相

7、對比較成熟了，但是傳統的Ad Hoc網絡路由協議不能適用于無線傳感器網絡。具體表現在如下幾個方面：(1) 無線傳感器網絡是以數據為中心進行路由的網絡，類似于分布式網絡數據庫，要查詢的數據分布在全部或者部分節點中，而不同于Ad Hoc網絡的點對點通信模式。(2) 無線傳感器網絡隨應用需求而變化，因此無線傳感器網絡的路由協議是基于特點應用進行設計的，所以很難設計出通用性強的路由協議。(3) 無線傳感器網絡鄰近節點間采集的數據具有相似性，存在冗余信息，需要經過數據融合(Data Fusion)處理后再進行路由。(4) 傳統網絡(包括有線和無線網絡)每一個節點都具有唯一的標識號(ID)。而無線傳感器網

8、絡是基于屬性進行尋址(Attribute-Based Ad-Dressing)的，不需要給每一個節點分配唯一的地址。(5) 由于無線傳感器網絡節點能量有限，所以路由設計一般將“能效高”放在第一位，將“服務質量(QoS)”放在第二位考慮，因此無線傳感器網絡必須設計新的講究高能效的路由協議。(6) 無線傳感器網絡的一個重要特征就是資源受限，網絡內的每個傳感器節點通常使用能量有限、不便于更換的電池，而且由于受節點規格大小的限制，節點的處理能力、存儲能力、通信能力均為有限。(7) 在無線傳感器網絡中由于能量有限及環境的干擾，節點本身比較脆弱易損，節點的失效概率比較大；再加上節點間進行無線通信也要消耗能

9、量，隨著能量的消耗，每個節點的通信能力下降、通信范圍減小，因此無線傳感器網絡的拓撲結構不確定，而是動態變化的。根據無線傳感器網絡的特點，要求路由協議的設計必須要以節能為首要目的，使用戶在延長網絡壽命的同時獲得較優的網絡吞吐率，降低網絡的通信延遲。通過對無線傳感器網絡路由協議特點的分析可以看出，一個好的無線傳感器網絡體系結構中的網絡層路由協議應該滿足如下幾個條件：(1) 高效利用有限的節點能量，在滿足無線傳感器網絡通信的前提下，最大限度地延長網絡壽命，使低網絡能耗均勻地分布在每個節點上。(2) 滿足無線傳感器網絡拓撲結構的動態變化，提高網絡的魯棒性，路由協議盡量分布式運行。(3) 盡可能減少節點

10、間通信負載的冗余，節約有限的能量和通信資源；路由協議設計時以數據為中心，采用數據融合等技術降低通信負載。(4) 滿足無線傳感器網絡的可擴展性，由于無線傳感器的網絡節點數目眾多、網絡規模大、網絡節點易損，要保證傳感器節點的隨時加入和退出不會影響到全局任務的執行，路由協議的設計必須具備魯棒性和可擴展性。(5) 在路由協議的設計中需要考慮網絡和數據的安全，在提高網絡通信可靠性的同時，降低遭受攻擊的可能性。在無線傳感器網絡的體系結構中，網絡層中的路由協議非常重要。網絡層主要的目標是尋找用于無線傳感器網絡高能效路由的建立和可靠的數據傳輸方法，從而使網絡壽命最長。由于無線傳感器網絡有幾個不同于傳統網絡的特

11、點，因此它的路由協議設計非常具有挑戰性。首先，由于節點眾多，不可能建立一個全局的地址機制；其次，產生的數據流有顯著的冗余性，因此可以利用數據聚合來提高能量和帶寬的利用率；再次，節點能量和處理存儲能力有限，需要精細的資源管理；最后，由于網絡拓撲變化頻繁，需要路由協議有很好的魯棒性和可擴展性。目前，從可以獲得的文獻資料來看，無線傳感器網絡基本處于起步階段，從具體應用出發，根據不同應用對無線傳感器網絡的各種特性的敏感度不同，大致可將路由協議分為四種：(1) 能量感知路由協議。高效利用網絡能量是傳感器網絡路由協議的一個顯著特征，早期提出的一些傳感器網絡路由協議往往僅考慮了能量因素。為了強調高效利用能量

12、的重要性，在此將它們劃分為能量感知路由協議。能量感知路由協議從數據傳輸中的能量消耗出發，討論最優能量消耗路徑以及最長網絡生存期等問題。(2) 基于查詢的路由協議。在諸如環境檢測、戰場評估等應用中，需要不斷地查詢傳感器節點采集的數據，匯聚節點(查詢節點)發出任務查詢命令，傳感器節點向查詢節點報告采集的數據。在這類應用中，通信流量主要是查詢節點和傳感器節點之間的命令和數據傳輸，同時傳感器節點的采樣信息在傳輸路徑上通常要進行數據融合，由此通過減少通信流量來節省能量。(3) 地理位置路由協議。在諸如目標跟蹤類應用中，往往需要喚醒距離跟蹤目標最近的傳感器節點，以得到關于目標的更精確的位置等相關信息。在這

13、類應用中，通常需要知道目的節點的精確或者大致地理位置。把節點的位置信息作為路由選擇的依據，不僅能夠完成節點路由功能，還可以降低系統專門維護路由協議的能耗。(4) 可靠的路由協議。無線傳感器網絡的某些應用對通信的服務質量有較高的要求，如可靠性高和實時性強等。但在無線傳感器網絡中，鏈路的穩定性難以保證，通信信道的質量比較低，拓撲變化比較頻繁，因此要實現較高的服務質量，需要設計相應的可靠的路由協議。3.1.2 能量感知路由協議高效地利用網絡能量是無線傳感器網絡路由協議的最重要特征。能量感知路由協議從數據傳輸中的能量消耗出發，討論最優能量消耗路徑以及最長網絡生存期等問題，其最終目的是實現能量的高效利用

14、。1能量路由能量路由的基本思想是根據節點的可用能量(Power Available，PA)，即根據節點的剩余能量或傳輸路徑上的能量需求來選擇數據的轉發路徑。在圖3-1所示的網絡中，圓圈表示節點，括號內的數據為該節點的可用能量。圖中雙向線段表示節點間的通信鏈路，鏈路上的數字表示在該鏈路上傳輸數據所消耗的能量。源節點可以選取下列任意一條路徑將數據傳送至匯聚節點。路徑一：源節點BA匯聚節點，此路徑的可用能量之和為4，所需要消耗的能量之和為3；路徑二：源節點CBA匯聚節點，此路徑的可用能量之和為6，所需要消耗的能量之和為6；路徑三：源節點D匯聚節點，此路徑的可用能量之和為3，所需要消耗的能量之和為4。

15、 路徑四：源節點FE匯聚節點，此路徑的可用能量之和為5，所需要消耗的能量之和為6。能量路由策略主要有以下幾種：(1) 最大可用能量路由。從源節點到匯聚節點的所有路徑中選取節點的可用能量之和最大的路徑。在圖3-1中路徑二的可用能量之和最大，但路徑二包含了路徑一，因此不是高效的路徑，從而被排除，最終選擇路徑四。(2) 最小能量消耗路由。從源節點到匯聚節點的所有路徑中選取節點耗能之和最小的路徑。在圖3-1中選擇路徑一。(3) 最少跳數路由。選取從源節點到匯聚節點跳數最少的路徑。在圖3-1中選擇路徑三。(4) 最大最小可用能量節點路由。每條路徑上有多個節點，且節點的可用能量不同，從中選取每條路徑中可用

16、能量最小的節點來表示這條路徑的可用能量。如路徑四中節點E的可用能量最小為1，所以該路徑的可用能量是1。最大最小可用能量節點路由策略就是在多條路徑中，選擇路徑可用能量最大的路徑。在圖3-1中選擇路徑三。上述能量路由算法需要節點知道整個網絡的全局信息。由于傳感器網絡存在資源約束，節點只能獲取局部信息，因此上述能量路由方法只是理想情況下的路由策略。2. 能量多路徑路由無線傳感器網絡中如果頻繁使用同一路徑傳輸數據，會造成該路徑上的節點因能量消耗過快而提早失效，縮短了網絡生存時間。為此，研究人員提出了一種能量多路徑路由機制。該機制在源節點和目的節點之間建立多條路徑，根據路徑上節點的能量消耗以及節點的剩余

17、能量狀況，給每條路徑賦予一定的選擇概率，使得數據傳輸均衡地消耗整個網絡的能量。能量多路徑路由協議包括路由建立、數據傳播和路由維護三個階段。(1) 路由建立階段：這一階段是該協議的重點。每個節點需要知道到達目的節點的所有下一跳節點，并根據節點到目的節點的通信代價來計算選擇每個下一跳節點傳輸數據的概率。記節點Nj發送的數據經由本地路由表FTj中的節點Ni到達目的節點的通信代價為C(Nj，Ni)，則可以通過公式(3-1)計算節點Ni作為節點Nj的下一跳節點的選擇概率節點將下一跳節點選擇概率作為加權系數，根據路由表中每項的能量代價計算自身到目的節點的代價，并替代消息中原有的代價值，然后向鄰節點廣播該路

18、由建立的消息。(3-1) (2) 數據傳播階段：對于接收數據，節點根據選擇概率從多個下一跳節點中選擇一個節點，并將數據轉發給該節點。(3) 路由維護階段：周期性地從目的節點到源節點實施洪泛查詢，維持所有路徑的活動性。能量多路徑協議綜合考慮了通信路徑上的消耗能量和剩余能量，節點根據選擇概率在路由表中選擇一個節點作為路由的下一跳節點。由于這個概率是與能量相關的，因此可以將通信能耗分散到多條路徑上，從而可實現整個網絡的能量平穩降級，最大限度地延長網絡的生存期。3.1.3 基于查詢路由1. 定向擴散路由基于查詢的路由通常是指目的節點通過網絡傳播一個來自某個節點的數據查詢消息(感應任務)，收到該查詢數據

19、消息的節點又將匹配該查詢消息的數據發回給原來的節點。一般這些查詢是以自然語言或者高級語言來描述的。定向擴散(Directed Diffusion，DD)是一種基于查詢的路由機制。匯聚節點通過興趣消息(Interest Message)發出查詢任務，采用洪泛方式將興趣消息傳播到整個區域或部分區域內的所有傳感器節點。興趣消息用來表示查詢的任務，表達了網絡用戶對監測區域內感興趣的信息，例如監測區域內的溫度、濕度和光照等環境信息。在興趣消息的傳播過程中，協議逐跳地在每個傳感器節點上建立反向的從數據源到匯聚節點的數據傳輸梯度(gradient)。傳感器節點將采集到的數據沿著梯度方向傳送到匯聚節點。定向擴

20、散路由機制可以分為周期性的興趣擴散、數據傳播以及路徑加強三個階段。圖3-2顯示了這三個階段的數據傳播路徑和方向。圖3-2 定向擴散路由機制 1) 興趣擴散階段在興趣擴散階段，匯聚節點周期性地向鄰居節點廣播興趣消息。興趣消息中含有任務類型、目標區域、數據發送速率、時間戳等參數。每個節點在本地保存一個興趣列表，對于每一個興趣，列表中都有一個表項記錄發來該興趣消息的鄰居節點、數據發送速率和時間戳等相關信息，以建立該節點向匯聚節點傳遞數據的梯度關系。每個興趣可能對應多個鄰居節點，每個鄰居節點對應一個梯度信息。通過定義不同的梯度相關參數，可以適應不同的應用需求。每個表項還有一個字段用來表示該表項的有效時

21、間值，超過這個時間后， 節點將刪除這個表項。當節點收到鄰居節點的興趣消息時，首先檢查興趣列表中是否存有參數類型與收到興趣相同的表項，而且對應的發送節點是該鄰居節點。如果有對應的表項，就更新表項的有效時間值；如果只是參數類型相同，但不包含發送該興趣消息的鄰居節點，就在相應表項中添加這個鄰居節點；對于任何其他情況，都需要建立一個新表項來記錄這個新的興趣。如果收到的興趣消息和節點剛剛轉發的興趣消息一樣，為避免消息循環則丟棄該信息，否則，轉發收到的興趣消息。2) 數據傳播階段當傳感器節點采集到與興趣匹配的數據時，把數據發送到梯度上的鄰居節點，并按照梯度上的數據傳輸速率設定傳感器模塊采集數據的速率。由于

22、可能從多個鄰居節點收到興趣消息，節點也向多個鄰居節點發送數據，匯聚節點可能收到經過多個路徑的相同數據。中間節點收到其他節點轉發的數據后，首先查詢興趣列表的表項，如果沒有匹配的興趣表項就丟棄數據；如果存在相應的興趣表項，則檢查與這個興趣對應的數據緩沖池(Data Cach)，數據緩沖池用來保存最近轉發的數據。如果在數據緩沖池中有與接收到的數據匹配的副本，說明已經轉發過這個數據，為避免出現傳輸環路則丟棄這個數據；否則，檢查該興趣表項中的鄰居節點信息。如果設置的鄰居節點數據發送速率大于等于接收的數據速率，則全部轉發接收的數據；如果記錄的鄰居節點的數據發送速率小于接收的數據速率，則按照比例轉發。對于轉

23、發的數據，數據緩沖池保留一個副本，并記錄轉發時間。3) 路徑加強階段定向擴散路由機制通過正向加強機制來建立優化路徑，并根據網絡拓撲的變化修改數據轉發的梯度關系。興趣擴散階段是為了建立源節點到匯聚節點的數據傳輸路徑，數據源節點以較低的速率采集和發送數據，稱在這個階段建立的梯度為探測梯度(Probe Gradient)。匯聚節點在收到從源節點發來的數據后，啟動建立到源節點的加強路徑，后續數據將沿著加強路徑以較高的數據速率進行傳輸。加強后的梯度稱為數據梯度(Data Gradient)。假設以數據傳輸延遲作為路由加強的標準，匯聚節點選擇首先發來最新數據的鄰居節點作為加強路徑的下一跳節點，并向該鄰居節

24、點發送路徑加強消息。 路徑加強消息中包含新設定的較高的發送數據速率值。鄰居節點收到消息后，經過分析確定該消息描述的是一個已有的興趣，只是增加了數據發送速率，則斷定這是一條路徑加強消息，從而更新相應興趣表項中的到鄰居節點的發送數據速率。同時，按照同樣的規則選擇加強路徑的下一跳鄰居節點。路由加強的標準不是唯一的，可以選擇在一定的時間內發送數據最多的節點作為路徑加強的下一跳節點，也可以選擇數據傳輸最穩定的節點作為路徑加強的下一跳節點。在加強路徑上的節點如果發現下一跳節點的發送數據速率明顯減小，或者收到來自其他節點的新位置的估計值，則推斷加強路徑的下一跳節點失效，這時就需要使用上述的路徑加強機制重新確

25、定下一跳節點。定向擴散路由是一種經典的以數據為中心的路由機制。匯聚節點根據不同的應用需求定義不同的任務類型、目標區域等參數的興趣消息，通過向網絡中廣播興趣消息啟動路由建立過程。中間傳感器節點通過興趣表建立從數據源到匯聚節點的數據傳輸梯度，自動形成數據傳輸的多條路徑。按照路徑優化的標準，定向擴散路由使用路徑加強機制生成了一條優化的數據傳輸路徑。為了動態地適應節點失效、拓撲變化等情況，定向擴散路由周期性地進行興趣擴散、數據傳播和路徑加強三個階段的操作。但是，定向擴散路由在路由建立時需要一個興趣擴散的洪泛傳播，它的能量消耗和時間開銷都比較大，尤其是當底層MAC協議采用休眠機制時可能造成興趣建立的不一

26、致。2. 謠傳路由在有些傳感器網絡的應用中，數據傳輸量較少或者已知事件區域，如果采用定向擴散路由，需要經過查詢消息的洪泛傳播和路徑增強機制才能確定一條優化的數據傳輸路徑。因此，在這類應用中，定向擴散路由并不是高效的路由機制。Boulis等人提出了謠傳路由(Rumor Routing)，適用于數據傳輸量較少的傳感器網絡。謠傳路由機制引入了查詢消息的單播隨機轉發，克服了使用洪泛方式建立轉發路徑帶來的開銷過大的問題。它的基本思想是：事件區域中的傳感器節點產生代理(agent)消息，代理消息沿隨機路徑向外擴散傳播，同時匯聚節點發送的查詢消息也沿隨機路徑在網絡中傳播。當代理消息和查詢消息的傳輸路徑交叉在

27、一起時，會形成一條匯聚節點到事件區域的完整路徑。謠傳路由的原理如圖3-3所示，灰色區域表示發生事件的區域；圓點表示傳感器節點，其中黑色圓點表示代理消息經過的傳感器節點，灰色圓點表示查詢消息經過的傳感器節點；連接灰色圓點和部分黑色圓點的路徑表示事件區域到匯聚節點的數據傳輸路徑。圖3-3 謠傳路由原理圖 謠傳路由的工作過程如下：(1) 每一個傳感器節點維護一個鄰居列表和一個事件列表。事件列表的每一個表項都記錄了與該事件相關的信息，包括事件名稱、到事件區域的跳數和到事件區域的下一跳鄰居等信息。當傳感器節點在本地監測到一個事件發生時，在事件列表中增加一個表項，設置事件名稱、跳數(為零)等，同時根據一定

28、的概率產生一個代理消息。(2) 代理消息是一個包含生命期等事件相關信息的分組，用來將攜帶的事件信息通告給它傳輸經過的每一個傳感器節點。對于收到代理消息的節點，首先檢查事件列表中是否有與該事件相關的表項，列表中存在相關表項就比較代理消息和表項中的跳數值，如果代理消息中的跳數小，就更新表項中的跳數值，否則更新代理消息中的跳數值。如果事件列表中沒有與該事件相關的表項，就增加一個表項來記錄代理消息攜帶的事件信息，然后，節點將代理消息中的生存值減1，在網絡中隨機選擇鄰居節點轉發代理消息，直到它的生存值減小為0。通過代理消息在它的有限生存期的傳輸過程，形成一段到達事件區域的路徑。(3) 網絡中的任何節點都

29、可能生成一個對特定事件的查詢消息。如果節點的事件列表中保存有該事件的相關表項，則說明該節點在到達事件區域的路徑上，它沿著這條路徑轉發查詢消息。否則，節點隨機選擇鄰居節點轉發查詢消息。查詢消息經過的節點按照同樣的方式轉發，并記錄查詢消息中的相關信息，形成查詢消息的路徑。查詢消息也具有一定的生存期，以解決環路問題。(4) 如果查詢消息和代理消息的路徑交叉，交叉節點會沿查詢消息的反向路徑將事件信息傳送到查詢節點。如果查詢節點在一段時間內沒有收到事件消息，就認為查詢消息沒有到達事件區域，可以選擇重傳、放棄或者洪泛查詢消息。由于洪泛查詢機制的代價過高，一般作為最后的選擇。與定向擴散路由相比，謠傳路由可以

30、有效地減少路由建立的開銷。但是，由于謠傳路由使用隨機方式生成路徑，所以數據傳輸路徑不是最優路徑，并且可能存在路由環路問題。3.1.4 地理位置路由無線傳感器網絡的許多應用都需要傳感器節點的位置信息。例如，在森林防火的應用里，消防人員不僅要知道森林中發生了火災事件，而且還要知道火災的具體位置。地理位置路由是假設節點知道自己的地理位置信息，以及目的節點或者目的區域的地理位置，利用這些地理位置信息作為路由選擇的依據，節點將按照一定的策略轉發數據到目的節點。這樣，利用節點的位置信息，就能夠將信息發布到指定區域，有效地減少了數據傳輸的開銷。1. GEARGEAR(Geographic and Energ

31、y Aware Routing)是一種典型的地理位置路由協議。它根據實踐區域的地理位置信息，建立匯聚節點到事件區域的優化路徑，由于只需要考慮向某個特定區域發送興趣消息，從而能夠避免洪泛傳播，減少路由建立的開銷。GEAR路由假設已知事件區域的位置信息，每個節點知道自己的位置信息和剩余能量信息，并通過一個簡單的“Hello”消息交換機制知道所有鄰居節點的位置信息和剩余能量信息。在GEAR路由中，節點間的無線鏈路是對稱的。GEAR要求每個節點維護一個預估路徑代價(Estimated cost)和一個通過鄰節點到達目的節點的實際路徑代價(Learned cost)。預估路徑代價要結合節點的剩余能量和到

32、目的節點的距離綜合計算，實際路徑代價則是對網絡中環繞在“洞(Hole)”周圍路由所需預估代價的改進。所謂“洞”現象，是指某個節點的周圍沒有任何鄰節點比它到事件區域的路徑代價更大。如果沒有“洞”現象產生，那么預估路徑代價就等于實際路徑代價。每當一個數據包成功地到達目的地時，該節點的實際路徑代價就要被傳播到上一跳，以便對下一個數據包的路由建立調整。GEAR協議的運行包括以下兩個階段：(1) 向事件區域傳送查詢消息。從匯聚節點開始的路徑建立過程采用貪婪算法。節點在鄰節點中選擇到事件區域代價最小的節點作為下一跳節點，并將自己的路徑代價設置為該下一跳節點的路徑代價加上到該節點一跳通信的代價。當有“洞”現

33、象發生時，如圖3-4所示，節點C是節點S的鄰節點中到目的節點T代價最小的節點，但節點G、H、I為失效節點，節點C的所有鄰節點到節點T的代價都比節點C大，這就陷入了路由空洞。可用如下辦法解決這個問題，節點C選擇鄰節點中代價最小的節點B作為下一跳節點，并將自己的代價值設為節點B的代價值加上節點C到節點B的一條通信代價，同時將這個新代價通知節點S。當節點S再次轉發查詢命令到節點T時，就會選擇節點B而不是節點C作為下一跳節點。(2) 查詢消息在事件區域內傳播。當查詢消息傳送到事件區域后，采用迭代地理路由轉發策略。如圖3-5所示，事件區域內首先受到查詢命令的節點將事件區域分為若干子區域，并向所有子區域的

34、中心位置轉發查詢命令。在每個子區域中，最靠近區域中心的節點(圖3-5中的節點N)接收查詢命令，并將自己所在的子區域再劃分為若干子區域并向各個子區域中心轉發查詢命令。該消息的傳播過程是一個迭代過程，當節點發現自己是某個子區域內唯一的節點，或者某個子區域沒有節點存在時，則停止向這個子區域發送查詢命令。當所有子區域轉發過程全部結束時，整個迭代過程終止。GEAR協議通過維護預估路徑代價和實際路徑代價對數據傳輸的路徑進行優化，形成能量高效的路由。它所采用的貪婪算法是一個局部最優算法，適合于節點只知道局部拓撲信息的情況。其缺點是由于缺乏足夠的拓撲信息，路由過程可能遇到“洞”現象，反而降低了路由效率。另外，

35、GEAR假設節點的地理位置固定或者變化不頻繁，適用于節點移動性不強的應用。 圖3-4 “洞”現象的解決辦法 圖3-5 事件區域內的迭代地理轉發 2. GEM GEM(Graph Embedding)是一種適用于數據中心存儲方式的地理路由，其基本思想是建立一個虛擬極坐標系統來表示實際的網絡拓撲結構。由于匯聚節點將角度范圍分配給每個子節點，例如0，90，每個子節點得到的角度范圍正比于以該節點為根的子樹大小。每個子節點按照同樣的方式將自己的角度范圍分配給它的子節點。這個過程一直持續進行，直到每個葉節點都分配到一個角度范圍。這樣，節點可以根據一個統一規則(如順時針方向)為子節點設定角度范圍，使得同一級

36、節點的角度范圍順序遞增或遞減，于是到匯聚節點時，跳數相同的節點就形成了一個環形結構，整個網絡則形成一個以匯聚節點為根的帶環樹。GEM路由機制是當節點在發送消息時，如果目的節點位置的角度不在自己的角度范圍內，就將消息傳送給父節點；父節點按照同樣的規則處理，直到該消息到達角度范圍包含目的節點位置的某個節點，這個節點是源節點和目的節點的共同祖先。消息再從這個節點向下傳送，直至到達目的節點，如圖3-6(a)所示。上述算法需要上層節點轉發消息，開銷比較大，因此可作適當地改進，即節點在向上傳送消息之前，首先檢查鄰節點是否包含目的節點位置的角度，如果包含，則直接將消息傳送給該鄰節點而不再向上傳送，如圖3-6

37、(b)所示。更進一步的改進算法是利用前面提到的帶環樹結構，即節點檢查相鄰節點的角度范圍是否離目的地的位置更近，如果更近就將消息傳送給該鄰節點，否則才向上層傳送，如圖3-6(c)所示。圖3-6 GEM路由機制 GEM路由不依賴于節點精確的位置信息，所采用的虛擬極坐標的方法能夠簡單地將網絡實際拓撲信息映射到一個易于進行路由處理的邏輯拓撲中，而且不改變節點間的相對位置。但是由于采用了帶環樹結構，實際網絡拓撲發生變化時，樹的調整比較復雜，因此GEM路由適用于拓撲結構相對穩定的無線傳感器網絡。3.1.5 基于QoS的路由無線傳感器網絡的某些應用對通信質量有較高的要求，如可靠性高和實用性強等；而由于網絡鏈

38、路的穩定性難以保證，通信信道質量比較低，拓撲變化比較頻繁，要在無線傳感器網絡中實現一定服務質量的保證，需要設計基于QoS的路由協議。1. SPEEDSPEED協議是一種有效的可靠路由協議，在一定程度上實現了端到端的傳輸數率的保證、網絡擁塞的控制以及負載的平衡機制。該協議首先在相鄰節點之間交換傳輸延遲以得到網絡負載的情況；然后利用局部地理信息和傳輸速率信息選擇下一跳節點；同時通過鄰居反饋機制保證網絡傳輸暢通，并通過反向壓力路由變更機制避開延遲太長的鏈路和“洞”現象的發生。SPEED協議主要由四部分組成。(1) 延遲估計機制。在SPEED協議中，延遲估計機制用來得到網絡的負載狀況，判斷網絡是否發生

39、擁塞。節點記錄到鄰節點的通信延遲以表示網絡的局部通信負載。具體過程是，發送節點給數據分組并加上時間戳；接收節點計算從收到數據分組到發出ACK的時間間隔，并將其作為一個字段加入ACK報文；發送節點收到ACK后，從收發時間差中減去接收節點的處理時間，得到一跳的通信延遲。(2) SNGF算法。SNGF算法用來選擇滿足傳輸速率要求的下一跳節點。鄰節點分為兩類：比自己距離目標區域更近的節點和比自己距離目標區域更遠的節點，前者稱為“候選轉發節點集合(FCS)”。節點計算到FCS集合中的每個節點的傳輸速率。FCS集合中的節點又根據傳輸速率是否滿足預定的傳輸速率閾值，再分為兩類：大于速率閾值的鄰節點和小于速率

40、閾值的鄰節點。若FCS集合中有節點的傳輸速率大于速率閾值的，則在這些節點中按照一定的概率分布選擇下一跳節點。節點的傳輸速率越高，被選中的概率越大。(3) 鄰居反饋機制。當SNGF路由算法中找不到滿足傳輸速率要求的下一跳節點時，為了保證節點間的數據傳輸滿足一定的傳輸速率要求，引入鄰居反饋機制(NFL)，如圖3-7所示。由圖3-7可知，MAC層收集差錯信息，并把到鄰節點的傳輸差錯率通告給轉發比例控制器。轉發比例控制器根據這些差錯率計算出轉發概率，方法是節點首先查看FCS集合的節點，若某節點的傳輸差錯率為0(存在滿足傳輸要求的節點)，則設置轉發概率為1，即全部轉發；若FCS集合中所有節點的傳輸差錯率

41、大于0，則按一定的公式計算轉發概率。圖3-7 鄰居反饋機制 對于滿足傳輸速率閾值的數據，按照SNGF算法決定的路由傳輸給鄰節點，而不滿足傳輸速率閾值的數據則由鄰居反饋機制計算轉發概率。這個轉發概率表示網絡能夠滿足傳輸速率要求的程度，因此節點將按照這個概率進行數據轉發。(4) 反向壓力路由變更機制。反向壓力路由變更機制在SPEED協議中用來避免擁塞和出現“洞”現象。當網絡中某個區域發生事件時，若節點不能夠滿足傳輸速率的要求，則體現在通信數據量突然增多，傳輸負載突然加大，此時節點就會使用反向壓力信標消息向上一跳節點報告擁塞，以此表明擁塞后的傳輸延遲，上一跳節點則會按照上述機制重新選擇下一跳節點。2

42、. SAR有序分配路由SAR(Sequential Assignment Routing)協議33也是一個典型的具有QoS意識的路由協議。該協議通過構建以匯聚節點的單跳鄰節點為根節點的多播樹來實現傳感器節點到匯聚節點的多跳路徑，即匯聚節點的所有一跳鄰節點都以自己為根創建生成樹，在創建生成樹的過程中考慮節點的時延、丟包率等QoS參數的多條路徑。節點發送數據時選擇一條或多條路徑進行傳輸。SAR的特點是路由決策不僅要考慮每條路徑的能源，還要涉及端到端的延遲需求和待發送數據包的優先級。仿真結果表明，與只考慮路徑能量消耗的最小能量度量協議相比，SAR的能量消耗較少。該算法的缺點是不適用于大型的和拓撲頻繁

43、變化的網絡。3. ReInForMReInForM(Reliable Information Forwarding using Multiple paths)34路由從數據源節點開始，考慮到可靠性要求、信道質量以及傳感器節點到匯聚節點的跳數，決定需要的傳輸路徑數目，以及下一跳節點數目和相應的節點，實現滿足可靠性要求的數據傳輸。ReInForM路由的建立過程是，首先，源節點根據傳輸的可靠性要求計算需要的傳輸路徑數目；其次，在鄰節點中選擇若干節點作為下一跳轉發節點，并將每個節點按照一定的比例分配路徑數目；最后，源節點將分配的路徑作為數據報頭中的一個字段發給鄰節點，鄰節點在接收到源節點的數據后，將自

44、身視作源節點，重復上述源節點的選路過程。3.1.6 路由協議自主切換前面已經提到過，傳感器網絡中的路由協議和具體的應用緊密相關，沒有一個能適用于所有應用的路由協議。而傳感器網絡可能需要在相同的監測區域內完成不同的任務，此時如果為每種任務部署專門的傳感器網絡，將增加傳感器網絡的成本。為了能夠適用于多種任務，傳感器網絡需要根據應用環境和網絡條件自主選擇適用的路由協議，并在各個路由協議之間自主切換。路由協議自主切換正是為了這個目的引入的。路由協議自主切換機制是根據應用變化自主選擇合適的路由協議，并將這一過程封裝起來，向上層應用提供統一的可編程路由服務。一個路由服務的通信模型如圖3-8所示，上層通過路

45、由服務接口配置路由服務，路由服務根據此配置以及具體網絡情況自主選擇合適的協議。圖3-8 路由服務通信模型 Y.He等人提出了一個可編程的傳感器網絡框架，包括了目前的主流路由協議。這個框架的體系結構如圖3-9所示，路由服務將路由協議封裝為狀態收集模塊和數據轉發模塊，并提供給上層一個統一的網絡層接口。配置服務根據上層應用的要求為不同模塊選擇不同的路由協議，并將這些配置信息傳達到整個網絡，以保持路由協議在網絡中的一致性。在路由服務中通過定義三種組件來描述路由協議：狀態信息、訪問模式和選路標準。狀態信息用來搜集局部網絡信息；訪問模式描述路由的轉發方式；選路標準描述下一跳節點的選擇標準。這三種組件的具體

46、內容見表3-1。圖3-9 可編程路由體系結構 表3-1 路由配置組件及內容 匯聚節點首先完成路由服務的配置，然后利用配置服務將路由配置信息傳播到整個網絡。配置服務通過洪泛或者受限洪泛的方法傳送配置信息。為了減少傳輸的數據量，同時也為了減少其他節點配置路由的計算量，可將路由服務的一些公共部分，如狀態信息收集、選路標準等做到操作系統中，這樣只需要傳送少量的配置信息即可，而且生成的路由協議代碼量也比較少。由于無線傳感器網絡的信道錯誤率較高，同時MAC層的延遲比較長，所以如何保證路由配置在網絡中的一致性也是一個重要的問題，可以通過使用配置版本機制實現一致性控制。3.1.7 小結由于無線傳感器網絡資源有

47、限且與應用高度相關，研究人員采用多種策略來設計路由協議，其中較好的協議應具有以下特點：針對能量高度受限的特點，高效利用能量幾乎是設計的第一策略；針對包頭開銷大、通信能耗高、節點有合作關系、數據有相關性、節點能量有限等特點，采用數據聚合、過濾等技術；針對流量特征、通信耗能等特點，采用通信量負責平衡技術；針對節點少移動的特點，不維護其移動性；針對網絡相對封閉、不提供計算等待點，只在Sink節點考慮與其他網絡互連；針對網絡節點不常編址的特點，采用基于數據或基于位置的通信機制；針對節點易失效的特點，采用多路徑機制。通過對當前的各種路由協議進行的分析與總結，可以看出將來無線傳感器網絡路由協議采用的某些研

48、究策略與發展趨勢：(1) 減少通信量以節約能量。由于無線傳感器網絡中數據通信最為耗能，因此應在協議中盡量減少數據通信量。例如，可在數據查詢或者數據上報中采用某種過濾機制，抑制節點上傳不必要的數據；采用數據聚合機制，在數據傳輸到Sink節點前就完成可能的數據計算。(2) 保持通信量負載平衡。通過更加靈活地使用路由策略讓各個節點分擔數據傳輸，平衡節點的剩余能量，提高整個網絡的生存時間。例如，可在分層路由中采用動態簇頭；在路由選擇中采用隨機路由而非穩定路由；在路徑選擇中考慮節點的剩余能量。(3) 路由協議應具有容錯性。由于無線傳感器網絡節點容易發生故障，因此應盡量利用節點容易獲得的網絡信息計算路由，

49、以確保在路由出現故障時能夠盡快地得到恢復，并可采用多路徑傳輸來提高數據傳輸的可靠性。(4) 路由協議應具有安全機制。由于無線傳感器網絡的固有特性，其路由協議極易受到安全威脅，尤其是在軍事應用中。目前路由協議很少考慮安全問題，因此在一些應用中必須考慮設計具有安全機制的路由協議。(5) 無線傳感器網絡路由協議將繼續向基于數據、基于位置的方向發展。這是無線傳感器網絡一般不統一編址和以數據、位置為中心的特點決定的。3.2 無線傳感器網絡的鏈路層技術無線傳感器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、數據結構探測、媒體訪問和誤差控制，

50、從而確保通信網絡中可靠的點對點(Point-to-Point)與點對多點(Point-to-Multipoint)連接。由于傳感器網絡通常具有低數據吞吐量、多跳信道共享、能量受限等特點，因此其數據鏈路層主要研究媒體接入和差錯控制的問題。在無線傳感器網絡中，差錯控制通常采用自動重發請求(ARQ)和前向糾錯(FEC)兩種方式。ARQ和FEC等糾錯方式已有非常成熟的理論，現在主要需要研究的是差錯控制方案的比較和選擇問題。由于傳感器節點密集、傳輸距離短，即使采用無線傳輸，受信道衰落等特性的影響也比較小；同時，為了節省傳感器節點的處理開銷，目前廣泛使用ARQ方式。無線傳感器網絡數據鏈路層研究的重點是介質

51、訪問控制(Media Access Control，MAC)協議，因為它要靠大量節點協同工作實現某種特定應用目標。作為一種能量受限的自組織網絡，無線傳感器網絡的MAC協議設計主要需要解決三個方面的問題。(1) 能量受限帶來的問題。傳感器節點通常靠干電池、紐扣電池等供電，從降低成本和系統易維護性的角度出發，網絡設計中通常要以節能降耗作為重要的設計目標。對無線傳感器網絡的MAC層設計而言，能量受限帶來的主要影響包括節點休眠調度和協議設計的復雜度。傳感器節點無線通信模塊通常具有發送(Tx)、接收(Rx)、空閑(Idle)和休眠(Sleep)四種工作狀態，其能耗依次遞減。其中，休眠狀態的能耗遠低于其他

52、狀態，因此為了節能起見，通常希望節點盡可能地處于休眠狀態。為了保證節點能夠及時接收到發送給它的數據，MAC協議通常要采用“偵聽/休眠”交替的策略，而如果偵聽時間過長，就會造成能量浪費；偵聽時間過短，又會增長消息延遲時間。對于一個大規模密集自組織網絡而言，休眠時間長短的合理選擇是比較困難的。另外，在休眠策略中還需要考慮收發同步問題，如果在目地節點處于休眠狀態或喚醒狀態后還未準備就緒時，源節點就開始發送信息，則接收端將無法正常接收，這會造成源節點的能量浪費，稱之為“over emitting”。此外，能量受限及其他一些因素(如節點通信、計算、存儲能力有限)決定了傳感器網絡的MAC層不能使用過于復雜

53、的協議。MAC幀頭和控制消息包(ACK/RTS/CTS)中沒有包含有效的數據，因此可以認為是一種能量消耗。這往往使得在那些數據吞吐量較低的無線傳感器網絡的應用(如某些環境監測應用，甚至可能低至每天僅幾比特)中，MAC地址、MAC控制消息等協議開銷相對而言可能非常的大。(2) 由多跳共享帶來的問題。通信網絡的信道共享方式有三種：點對點(如兩個節點以半雙工方式共享一個信道)、點對多點(如蜂窩移動通信系統中的基站與移動臺)、多點共享(如以太網)。無線傳感器網絡的信道共享方式為多跳共享方式，源節點覆蓋范圍外的節點不受發射節點的影響，它們也可以同時發射信號，這實際上是一種信道的空間復用方式。由信道共享帶

54、來的首要問題是數據包碰撞沖突，即如果網絡中的兩個節點在同一時間利用同一信道發送數據時，它們會互相干擾，導致數據包被破壞。數據包沖突也是造成巨大能耗的重要原因之一。因此，有效地避免碰撞沖突是無線傳感器網絡MAC協議的基本任務。不僅如此，無線傳感器網絡的多跳共享信道的使用方式還會帶來隱蔽終端和暴露終端的問題，這是由多跳共享帶來的報文沖突和節點所處的地理位置相關造成的。在單跳廣播信道中，報文沖突是全局事件，所有節點都能正確地感知信道狀態并做出合理的信道訪問決策。而在傳感器網絡中，當某個節點發送報文時，并非所有的其他節點都能感知到該事件，這就會帶來隱蔽終端和暴露終端的問題。隱蔽終端是指在目的節點覆蓋范

55、圍之內而在源節點覆蓋范圍之外的節點。暴露終端指在源節點覆蓋范圍之內而在目的節點覆蓋范圍之外的節點。隱蔽終端和暴露終端會帶來消息延遲和不必要的重發，從而造成信道利用率降低和節點能量浪費， 那么可以采用RTS-CTS(請求發送-清除發送)握手機制、時分復用、功率控制等方法來解決該問題。解決隱蔽終端和暴露終端的問題是無線傳感器網絡MAC協議的重要任務之一。由多跳共享帶來的另一個問題是串音(overhearing)問題。當使用共享信道進行通信時，某個節點可能接收到的不是發送給它的數據，從而造成“串音”。串音過程中的射頻信號在接收和解碼過程中會造成節點能量的浪費，無線傳感器網絡的MAC協議必須設法協調各

56、節點的收發，降低發生“串音”的概率。(3) 由大規模自組織要求帶來的問題。與其他無線個域網(WPAN)相比，傳感器網絡的規模更大，甚至多達成千上萬個節點，如大型超市中的無線價格標簽；當然也可能只有為數不多的節點，如家庭電燈開關控制網絡。同時，由于節點可能由于各種原因退出網絡，節點位置也可能移動，新節點隨時加入等等，網絡的拓撲結構會呈現動態性的變化。因此，無線傳感器網絡的MAC協議必須具備可擴展性、分布性和自組織性。至于網絡的公平性，在無線傳感器網絡中實現公平性的目的，一方面是為了賦予每個節點相同的信道訪問機會，另一方面可以起到控制所有節點的能量均勻消耗，從而延長整個網絡壽命的作用。無線傳感器網

57、絡的無中心特征使得公平性的實現比較困難。除了上述各種問題之外，無線傳感器網絡中還存在消息延遲問題、信道利用率問題和數據吞吐量問題，這三者的重要程度與具體的應用緊密相關。面對上述諸多問題，往往需要進行某些折中處理。例如，為了降低功耗，可以采用犧牲信道利用率和數據吞吐量等方法。一般認為，無線傳感器網絡的功耗性能和可擴展性是其最主要的性能指標。另外，MAC協議的設計還應該根據不同應用的特點和需求進行參數和方法上的優化。3.2.1 無線傳感器網絡MAC協議目前針對不同的傳感器網絡應用，研究人員從不同方面提出了多個MAC協議，但對傳感器網絡MAC協議還缺乏一個統一的分類方式。可以按照下列條件對MAC協議

58、進行分類：第一，采用分布式控制還是集中式控制；第二，使用單一共享信道還是多個信道；第三，采用固定分配信道方式還是隨機訪問信道方式。本書中采用第三種分類方法，將傳感器網絡的MAC協議分為三類：(1) 采用無線信道的時分復用方式(Time Division Multiple Access，TDMA)，給每個傳感器節點分配固定的無線信道的使用時段，從而避免節點之間的相互干擾；(2) 采用無線信道的隨機競爭方式，節點在需要發送數據時隨機使用無線信道，重點考慮盡量減少節點間的干擾；(3) 其他MAC協議，如通過采用頻分復用或者碼分復用等方式，實現節點間無沖突的無線信道的分配。下面按照上述傳感器網絡MAC

59、協議分類，介紹目前已提出的主要傳感器網絡MAC協議，在說明其基本工作原理的基礎上，分析協議在節約能量、可擴展性和網絡效率等方面的性能。3.2.2 基于競爭的MAC協議基于無線信道隨機競爭方式的MAC協議采用按需使用信道的方式，主要思想就是當節點有數據發送請求時，通過競爭方式占用無線信道；當發送數據產生沖突時，按照某種策略(如IEEE802.11 MAC協議的分布式協調工作模式DCF采用的是二進制退避重傳機制)重發數據，直到數據發送成功或徹底放棄發送數據。由于在IEEE802.11MAC協議基礎上，研究者們提出了多個適合無線傳感器網絡的基于競爭的MAC協議，故在此重點介紹IEEE802.11MA

60、C協議及近期提出改進的無線傳感器網絡MAC協議。1. IEEE802.11MAC協議IEEE802.11MAC協議有分布式協調(Distributed Coordination Function，DCF)和點協調(Point Coordination Function，PCF)兩種訪問控制方式，其中DCF方式是IEEE802.11協議的基本訪問控制方式。由于在無線信道中難以檢測到信號的碰撞，因而只能采用隨機退避的方式來減少數據碰撞的概率。在DCF工作方式下，節點在偵聽到無線信道忙之后，采用CSMA/CA機制和隨機退避時間，實現無線信道的共享。另外，所有定向通信都采用立即的主動確認(ACK幀)機