無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù) 課件 第2章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

第2章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)2第2章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)目錄2.1體系結(jié)構(gòu)概述2.2物理層2.3數(shù)據(jù)鏈路層2.4網(wǎng)絡(luò)層2.5傳輸層2.6應(yīng)用層2.7本章小結(jié)2.1體系結(jié)構(gòu)概述2.1.1傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)傳感器節(jié)點雖然在具體應(yīng)用中存在一定的差異，但其基本結(jié)構(gòu)形式是類似的。典型的傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，主要由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊4部分組成。1．傳感器模塊2．處理器模塊3．無線通信模塊4．電源模塊2.1體系結(jié)構(gòu)概述傳感器模塊傳感器模塊包含傳感器、調(diào)理電路、模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器，傳感器用于感知、獲取監(jiān)測目標(biāo)信息；如果傳感器獲取的信息因其微弱性、受干擾性等問題而難以被后續(xù)處理器模塊處理，則需要設(shè)置調(diào)理電路，調(diào)理電路將傳感器獲取的信息進(jìn)行調(diào)理，如放大、濾波等；A/D轉(zhuǎn)換器將檢測到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，便于后續(xù)處理和傳輸。2.1體系結(jié)構(gòu)概述處理器模塊處理器模塊由嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成，包含微處理器和存儲器等部件。微處理器主要用于協(xié)調(diào)、控制傳感器節(jié)點的內(nèi)部工作，存儲器對傳感器采集的數(shù)據(jù)和接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，并和微處理器一起實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的本地化處理。處理器模塊一般選用低功耗的嵌入式微處理器，如單片機；在某些特殊需求下，也可根據(jù)應(yīng)用需求和節(jié)點能力要求選用高性能處理器件，如ARM、現(xiàn)場可編程門陣列（FieldProgrammableGateArray，F(xiàn)PGA）等，提升節(jié)點的硬件計算能力（也可描述為節(jié)點的邊緣計算能力）。2.1體系結(jié)構(gòu)概述無線通信模塊無線通信模塊主要由無線收發(fā)器、MAC協(xié)議及無線網(wǎng)絡(luò)組成，主要負(fù)責(zé)與其他節(jié)點之間的通信，完成數(shù)據(jù)收發(fā)和信息交換的功能。2.1體系結(jié)構(gòu)概述電源模塊電源模塊為傳感器節(jié)點提供所需要的能量，一般采用微型電池供電。通常，傳感器節(jié)點的電源是不方便替換的，因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的電源節(jié)能控制就顯得尤為重要了。在一些應(yīng)用中，可采用再生能源方式在一定程度上解決傳感器節(jié)點的電能供給問題，如太陽能電池板等。2.1體系結(jié)構(gòu)概述傳感器節(jié)點的功能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點往往部署在監(jiān)測區(qū)域現(xiàn)場內(nèi)或附近位置，起到目標(biāo)探測、事件檢測、辨識分類、追蹤及匯報等作用。一般情況下，傳感器節(jié)點的功能大體上有：①動態(tài)配置功能，傳感器節(jié)點可以動態(tài)配置成普通節(jié)點或網(wǎng)關(guān)節(jié)點，可以配置支持多種網(wǎng)絡(luò)通信功能等；②遠(yuǎn)程可編程，支持增加新的處理功能，或調(diào)整完善現(xiàn)有處理功能；③支持低功耗的網(wǎng)絡(luò)傳輸；④支持長距離的多跳通信；⑤支持定位功能，用于確定監(jiān)測目標(biāo)或傳感器節(jié)點自身的地理位置信息；⑥支持移動功能，傳感器節(jié)點具備適應(yīng)位置改變的能力和移動偵測能力。2.1體系結(jié)構(gòu)概述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點軟件中最重要的組成部分，嵌入式軟件的設(shè)計和應(yīng)用需要考慮到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點能耗、節(jié)點計算能力、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、網(wǎng)絡(luò)分布與動態(tài)性等特征。目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)主要有TinyOS、MantisOS、Contiki、SOS、MagnetOS等。①TinyOS，由美國加州大學(xué)伯克利分校研發(fā)，是一種基于組件開發(fā)方式的開放源代碼HYPERLINK操作系統(tǒng)，專為嵌入式HYPERLINK無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，采用nesC編程語言且基于組件方式，能夠快速實現(xiàn)各種應(yīng)用。2.1體系結(jié)構(gòu)概述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)②MantisOS，由美國科羅拉多大學(xué)研發(fā)，是以易用性和靈活性為主要特性的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，具備動態(tài)重新編程功能。該系統(tǒng)基于線程管理模型開發(fā)，支持C語言編程且提供線程控制應(yīng)用編程接口。③Contiki，由瑞典計算機科學(xué)研究所研發(fā)，是一個開源的多任務(wù)HYPERLINK操作系統(tǒng)知識庫"操作系統(tǒng)，適用于聯(lián)網(wǎng)嵌入式系統(tǒng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，采用C語言開發(fā)，具有高度的可移植性、小代碼量且支持IPv6協(xié)議棧等優(yōu)點。一個典型的Contiki系統(tǒng)基本配置只需要2KB的RAM和40KB的ROM。2.1體系結(jié)構(gòu)概述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)④SOS，由美國加州大學(xué)洛杉磯分校研發(fā)，是一個基于多線程機制的開源操作系統(tǒng)。SOS采用C語言編程，提供通用內(nèi)核和動態(tài)裝載模塊來實現(xiàn)消息傳遞、動態(tài)內(nèi)存管理、模塊裝載和卸載等服務(wù)功能。⑤MagnetOS，由美國康奈爾大學(xué)研發(fā)，作為一款無線分布式操作系統(tǒng)，可構(gòu)成自組織網(wǎng)絡(luò)，提供一個Java虛擬機系統(tǒng)映像，能夠自動將應(yīng)用程序分割成各種組件，并且以利于節(jié)能、延長網(wǎng)絡(luò)壽命的方式將這些組件自動放置和遷移到最合適的節(jié)點上。2.1體系結(jié)構(gòu)概述2.1.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，需要將傳感器節(jié)點集合配置形成一個互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，并能覆蓋監(jiān)測區(qū)域。傳感器節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)部署問題是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)運行的基礎(chǔ)，一般來說，一個傳感器節(jié)點的通信范圍是有限的，多個傳感器節(jié)點之間進(jìn)行協(xié)同工作才能獲取整個監(jiān)測區(qū)域的信息，因此，傳感器節(jié)點的部署效果直接影響無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的感知范圍，決定是否能夠有效覆蓋整個監(jiān)測區(qū)域。所謂無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點部署，就是采用某種方式將傳感器節(jié)點放置在待監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的適當(dāng)位置。節(jié)點部署需要滿足兩個基本要求：一是感知范圍需要覆蓋整個監(jiān)測區(qū)域；二是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要滿足具體應(yīng)用所提出的關(guān)于組網(wǎng)代價、能耗及可靠性等方面的性能需求。2.1體系結(jié)構(gòu)概述2.1.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)按照組網(wǎng)形態(tài)和組網(wǎng)方式來劃分，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為集中式、分布式和混合式3種形式。集中式結(jié)構(gòu)是將網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點進(jìn)行集中管理，類似于移動通信的蜂窩結(jié)構(gòu)。分布式結(jié)構(gòu)是指網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點可以自組織地接入網(wǎng)絡(luò)，并且被分散管理，類似于AdHoc網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)?；旌鲜浇Y(jié)構(gòu)是指具有分布式結(jié)構(gòu)和集中式結(jié)構(gòu)的融合特征。2.1體系結(jié)構(gòu)概述2.1.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)按照節(jié)點功能及結(jié)構(gòu)層次來劃分，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為平面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、層次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計合理能夠有效提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作的服務(wù)質(zhì)量（QualityofService，QoS），如果網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不能很好地組織節(jié)點協(xié)同工作，那么就會導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)傳輸受到阻礙。這種劃分方式也是較為常用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涿枋龇绞剑謩e介紹如下。2.1體系結(jié)構(gòu)概述平面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)平面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2-2所示，該結(jié)構(gòu)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中最簡單的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個節(jié)點的功能特性保持一致，均包含相同的MAC、路由、管理和安全等協(xié)議。這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)沒有中心管理節(jié)點，結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便，具有較好的健壯性。2.1體系結(jié)構(gòu)概述層次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)層次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2-3所示，又稱為分級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是平面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的一種擴展形式。層次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為網(wǎng)絡(luò)上層和網(wǎng)絡(luò)下層兩部分，網(wǎng)絡(luò)上層包含的是骨干節(jié)點，這些骨干節(jié)點具有匯聚功能，通常也將骨干節(jié)點稱為簇頭節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)中可以有一個或多個骨干節(jié)點；網(wǎng)絡(luò)下層包含的是一般傳感器節(jié)點（一般節(jié)點），通常也將一般節(jié)點稱為簇內(nèi)節(jié)點。2.1體系結(jié)構(gòu)概述混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2-4所示，該結(jié)構(gòu)是一種將平面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和層次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)混合的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，也分為網(wǎng)絡(luò)上層和網(wǎng)絡(luò)下層兩部分。與層次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不同的是，在混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中網(wǎng)絡(luò)下層的一般節(jié)點之間可以進(jìn)行相互直接通信而不必通過骨干節(jié)點。因此，混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)所支持的功能更強大，但所需要的網(wǎng)絡(luò)及硬件成本也就更高。2.1體系結(jié)構(gòu)概述Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2-5所示，該結(jié)構(gòu)具有規(guī)則分布的特性。不同于完全連接的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，Mesh網(wǎng)絡(luò)通常只允許與節(jié)點最近的鄰居節(jié)點通信，且由于網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點的功能相同，也因此稱為對等網(wǎng)絡(luò)。從圖2-5可以看出，由于節(jié)點之間存在多條路由路徑，使得網(wǎng)絡(luò)對于單點或單個鏈路故障具有較強的容錯能力和魯棒性。2.1體系結(jié)構(gòu)概述2.1.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議結(jié)構(gòu)是在參考計算機通信網(wǎng)絡(luò)的OSI模型和TCP/IP協(xié)議架構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的?；镜臒o線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議由5層結(jié)構(gòu)組成，包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層，并通過3個功能管理平臺進(jìn)行協(xié)調(diào)工作管理，包括能量管理平臺、移動管理平臺和任務(wù)管理平臺，其結(jié)構(gòu)如圖2-6所示。2.1體系結(jié)構(gòu)概述2.1.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議結(jié)構(gòu)隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究與應(yīng)用的深入，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議結(jié)構(gòu)得以改進(jìn)和發(fā)展，在基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮了定位、時間同步等需求，其改進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖2-7所示。從圖中可以看出，該改進(jìn)結(jié)構(gòu)將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議結(jié)構(gòu)劃分成3個組成部分，即網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)管理平臺和應(yīng)用支撐平臺2.1體系結(jié)構(gòu)概述網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議部分與基本協(xié)議結(jié)構(gòu)類似，仍然由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層組成，其功能和作用也基本類似。物理層和數(shù)據(jù)鏈路層采用的是國際電氣和電子工程師協(xié)會（InstituteofElectricalandElectronicsEngineers，IEEE）制定的802.15.4協(xié)議，該協(xié)議是針對低速無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（Low-RateWirelessPersonalAreaNetwork，LR-WPAN）的應(yīng)用需求而制定的標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)把低能耗、低速率傳輸、低成本作為設(shè)計目標(biāo)，將個人或小區(qū)域范圍內(nèi)不同設(shè)備之間低速互聯(lián)方式進(jìn)行統(tǒng)一，是物聯(lián)網(wǎng)體系中最受歡迎、應(yīng)用最廣泛、核心的技術(shù)。由于該標(biāo)準(zhǔn)所提供的網(wǎng)絡(luò)特征與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)存在很多相似之處，故將其作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線通信平臺。2.1體系結(jié)構(gòu)概述網(wǎng)絡(luò)管理平臺網(wǎng)絡(luò)管理平臺實現(xiàn)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的管理及用戶對網(wǎng)絡(luò)的管理，主要包括拓?fù)淇刂品?wù)質(zhì)量管理能量/安全/移動管理網(wǎng)絡(luò)管理2.1體系結(jié)構(gòu)概述拓?fù)淇刂仆負(fù)淇刂剖菬o線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的一項重要技術(shù)，通過數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)節(jié)點發(fā)射功率配置和鄰居節(jié)點選取等，在保證網(wǎng)絡(luò)連通性和覆蓋性的前提下生成優(yōu)化的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時又反過來為數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層提供更新信息。在組網(wǎng)過程中，如果沒有拓?fù)淇刂?，傳感器?jié)點會以最大無線傳輸功率工作，從而導(dǎo)致節(jié)點能量因被快速消耗而降低網(wǎng)絡(luò)的生命周期；也會導(dǎo)致節(jié)點之間因無線信號產(chǎn)生沖突而影響節(jié)點的無線通信質(zhì)量。此外，還會導(dǎo)致形成大量的冗余網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔ⅲ沟寐酚捎嬎銖?fù)雜，浪費節(jié)點資源。因此，通過拓?fù)淇刂瓶蓭椭鷮崿F(xiàn)延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，降低網(wǎng)絡(luò)干擾和節(jié)約網(wǎng)絡(luò)資源。2.1體系結(jié)構(gòu)概述服務(wù)質(zhì)量管理服務(wù)質(zhì)量（QoS）的描述可以從應(yīng)用角度和網(wǎng)絡(luò)角度來分析。從應(yīng)用角度看，服務(wù)質(zhì)量表示用戶對網(wǎng)絡(luò)所提供服務(wù)的滿意程度；從網(wǎng)絡(luò)角度看，服務(wù)質(zhì)量表示網(wǎng)絡(luò)向用戶所提供的業(yè)務(wù)參數(shù)指標(biāo)。一般地，在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)概念中，服務(wù)質(zhì)量的典型指標(biāo)通常包含時延、吞吐量和丟包率等，這些指標(biāo)直接體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的相關(guān)性能。但是由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身的特點，使得與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量支持機制存在一定的差異，比如資源受限、網(wǎng)絡(luò)動態(tài)變化、存在大量冗余節(jié)點等。對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，其網(wǎng)絡(luò)并不僅僅需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，還承擔(dān)著監(jiān)測物理環(huán)境和目標(biāo)的任務(wù)，故無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量問題往往針對具體應(yīng)用來描述，比如網(wǎng)絡(luò)的覆蓋與能耗問題、事件的檢測能力等。對于用戶而言，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也需要向用戶提供足夠的資源，按照用戶可接受的性能指標(biāo)工作，以滿足用戶需求。2.1體系結(jié)構(gòu)概述能量/安全/移動管理能量管理方面，為了延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期，需要在網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議中增加能量控制代碼，合理地協(xié)調(diào)控制網(wǎng)絡(luò)節(jié)點對于能量的消耗。安全管理方面，由于存在節(jié)點部署的開放性、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭討B(tài)變化性、無線信道的不穩(wěn)定性等問題，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全問題受到諸多挑戰(zhàn)。比如，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能量有限，使得網(wǎng)絡(luò)容易受到資源消耗型攻擊；網(wǎng)絡(luò)節(jié)點部署區(qū)域一般是開放的，使得節(jié)點本身容易被捕獲而導(dǎo)致節(jié)點被破解或破壞；無線信道中，節(jié)點通過載波監(jiān)聽方式來確定自身是否可適用信道，容易受到拒絕服務(wù)攻擊等。因此，需要設(shè)計適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全機制，高效的加密算法、完全的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議與安全組播方式、密鑰管理等都是值得深入研究的方向。移動管理方面，針對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點移動應(yīng)用需求，通過移動管理來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點移動的監(jiān)測與協(xié)調(diào)控制，維護(hù)和跟蹤節(jié)點之間的路由及其變化。2.1體系結(jié)構(gòu)概述網(wǎng)絡(luò)管理在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)管理提供一系列相應(yīng)的技術(shù)和方法，完成對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各個組成要素和任務(wù)目標(biāo)的配置、控制、診斷與測試、管理與維護(hù)等工作需求，以提升無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的運行效率。2.1體系結(jié)構(gòu)概述應(yīng)用支撐平臺應(yīng)用支撐平臺以網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)管理平臺為基礎(chǔ)，并利用應(yīng)用服務(wù)接口和網(wǎng)絡(luò)管理接口為用戶提供針對不同具體應(yīng)用的支持，形成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的各種應(yīng)用軟件。2.2物理層2.2.1物理層簡介OSI參考模型給出了物理層的定義：物理層是指在物理傳輸介質(zhì)之間為二進(jìn)制比特流傳輸所需物理連接而建立、維護(hù)和釋放數(shù)據(jù)鏈路實體之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢磉B接，提供機械的、電氣的、功能的和規(guī)程的特性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)參照OSI模型，物理層位于網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議體系的最低層，與物理傳輸介質(zhì)直接連接，為設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信提供傳輸介質(zhì)和互聯(lián)設(shè)備，為數(shù)據(jù)傳輸提供可靠的物理環(huán)境，其協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備必須遵循的底層協(xié)議。概括上說，物理層主要負(fù)責(zé)信息的調(diào)制、發(fā)送與接收，是決定無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點體積、成本與能耗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。2.2物理層2.2.1物理層簡介物理層具有的功能主要體現(xiàn)在以下3個方面。①為數(shù)據(jù)終端設(shè)備提供數(shù)據(jù)傳輸通道。數(shù)據(jù)傳輸通道可以由一個或者多個傳輸介質(zhì)構(gòu)成，一次完整的數(shù)據(jù)傳輸包括物理連接的激活、數(shù)據(jù)的傳送、物理連接的終止3個環(huán)節(jié)。②傳輸數(shù)據(jù)。物理層承擔(dān)數(shù)據(jù)傳輸功能，需要為減少信道擁塞提供足夠的通信帶寬，保證數(shù)據(jù)的正確傳輸。③具有一定的管理能力。物理層涉及信號狀態(tài)的評估、能量及消耗的檢測、通信收發(fā)的管理及相關(guān)屬性的管理等工作。2.2物理層2.2.2物理層設(shè)計技術(shù)針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層設(shè)計，目前的研究與應(yīng)用主要集中在：傳輸介質(zhì)頻率選擇調(diào)制解調(diào)機制2.2物理層傳輸介質(zhì)無線通信的傳輸介質(zhì)主要包括無線電波、紅外線、光波、聲波等。無線電波便于產(chǎn)生，傳播距離遠(yuǎn)，受建筑物等物體遮擋的影響小，通信機制靈活，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用的主流傳輸方式。紅外線在傳輸過程中不受無線電波的影響，抗干擾能力強，但在存在非透明遮擋物的情況時難以進(jìn)行有效通信，可適用于一些通信距離小、無遮擋的無線傳感器組網(wǎng)應(yīng)用中，另外紅外線的應(yīng)用不受國家無線電管委會的限制。光波與紅外線類似，通信時不能被遮擋物阻擋，相對無線電波而言，光波傳輸不需要復(fù)雜的調(diào)制解調(diào)機制，接收器電路相對簡單，單位數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓妮^小。2.2物理層頻率選擇由于單一頻率不能承載足夠的信息容量，因此在無線通信系統(tǒng)中通信信號的電磁頻譜需要占據(jù)一定的頻帶范圍。無線電頻譜是一種不可再生資源，其頻段的使用及特定環(huán)境下的發(fā)射功率等都受到嚴(yán)格的規(guī)定。無線電頻譜頻段的分配見表2.1，無線電頻譜劃分為甚低頻、低頻、中頻、高頻、甚高頻、超高頻、特高頻和極高頻8個頻段。序號名稱符號頻率波段波長傳播特性1甚低頻VLF3～30kHz超長波1000km～100km空間波為主2低頻LF30～300kHz長波10km～1km地波為主3中頻MF0.3～3MHz中波1km～100m地波與天波4高頻HF3～30MHz短波100m～10m天波與地波5甚高頻VHF30～300MHz米波10m～1m空間波6超高頻UHF0.3～3GHz分米波1m～0.1m空間波7特高頻SHF3～30GHz厘米波10cm～1cm空間波8極高頻EHF30～300GHz毫米波10mm～1mm空間波2.2物理層頻率選擇無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的頻段使用也要按照相關(guān)的規(guī)范執(zhí)行。目前，單信道無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點基本上采用的ISM（IndustrialScientificMedical）頻段，該頻段是特別為工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)應(yīng)用保留下來的頻帶范圍。ISM頻段要求面向所有無線電系統(tǒng)開放，原則上無須任何許可證便可使用，只需要遵守一定的發(fā)射功率（一般小于1W），并且不對其他頻段造成干擾即可，其分布情況見表2.2。序號頻率范圍中心頻率序號頻率范圍中心頻率16.765～6.795MHz6.780MHz82.4～2.5GHz2.450GHz213.553～13.567MHz13.560MHz95.725～5.875GHz5.800GHz326.957～27.283MHz27.120MHz1024～24.25GHz24.125GHz440.66～40.70MHz40.68MHz1161～61.5GHz61.25GHz5433.05～434.79MHz433.92MHz12122～123GHz122.5GHz6868～870MHz869MHz13244～246GHz245GHz7902～928MHz915MHz

2.2物理層調(diào)制解調(diào)機制調(diào)制與解調(diào)是通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。一般來說，基帶信號不能直接作為信號進(jìn)行傳輸，需要將基帶信號轉(zhuǎn)換為頻率相對較高的調(diào)制信號以適合信道傳輸。所謂調(diào)制，就是指將數(shù)字基帶信號轉(zhuǎn)換成適于信道傳輸?shù)臄?shù)字調(diào)制信號，即已調(diào)信號或頻帶信號；所謂解調(diào)，即調(diào)制的反過程，是指在接收端將收到的數(shù)字頻帶信號還原成數(shù)字基帶信號。根據(jù)基帶信號類型不同，可將調(diào)制分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制。模擬調(diào)制可分為幅度調(diào)制（AmplitudeModulation，AM）、頻率調(diào)制（FrequencyModulation，F(xiàn)M）和相位調(diào)制（PhaseModulation，PM）。數(shù)字調(diào)制可分為幅移鍵控（AmplitudeShiftKeying，ASK）、頻移鍵控（FrequencyShiftKeying，F(xiàn)SK）和相移鍵控（PhaseShiftKeying，PSK）。2.2物理層調(diào)制技術(shù)為了滿足無線傳感器組網(wǎng)最大化數(shù)據(jù)傳輸速率和最小化符號率的指標(biāo)要求，多進(jìn)制（M-ary）調(diào)制機制應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。與二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制不同的是，M-ary調(diào)制利用多進(jìn)制數(shù)字基帶信號調(diào)制載波信號的幅度、頻率或相位，可形成相應(yīng)的多進(jìn)制幅度調(diào)制、多進(jìn)制頻率調(diào)制和多進(jìn)制相位調(diào)制。其中，多進(jìn)制幅度調(diào)制可看成開關(guān)鍵控（On-OffKeying，OOK）方式的推廣，可獲得較高的傳輸速率，但抗噪聲能力和抗衰落能力較差，一般適合恒參或接近恒參的信道；多進(jìn)制頻率調(diào)制可看成二進(jìn)制頻率鍵控方式的推廣，其需要占據(jù)較寬的頻帶，信道頻率利用率不高，一般適合調(diào)制速率較低的應(yīng)用場所；多進(jìn)制相位調(diào)制利用載波的多種不同相位或相位差來表示數(shù)字信息。2.2物理層擴頻技術(shù)所謂擴頻技術(shù)，是指在傳輸數(shù)據(jù)之前，在發(fā)送端采用高速編碼技術(shù)將待發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜擴展，在接收端采用相同的擴頻碼序列對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解擴及相關(guān)處理，把展開的擴頻信號還原成原來的信號。通過擴頻處理后，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸拰⑦h(yuǎn)大于待傳輸數(shù)據(jù)本身所占的帶寬。直接序列擴頻（DirectSequenceSpreadSpectrum，DSSS）是一種典型的擴頻方式，其原理示意如圖2-8所示。2.2物理層擴頻技術(shù)與常規(guī)的窄帶通信方式相比，DSSS具有較好的通信性能優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下3個方面。①抗干擾能力強。輸入信息在頻譜擴展后形成寬帶信號傳輸，再在接收端通過解擴恢復(fù)成窄帶信號，由于干擾信號與擴頻碼不相關(guān)，在進(jìn)行擴頻處理后，通過窄帶濾波器使得干擾信號進(jìn)入有用頻帶內(nèi)的干擾功率得以降低，從而具有更好的抗干擾、抗噪聲、抗多徑干擾能力。②保密性好，截獲率低。由于通信信號被擴頻之后，因單位頻帶內(nèi)的功率很小而使有用信號將淹沒于噪聲之中，在無先驗知識的情況下很難檢測出信號的參數(shù)，一般不易被發(fā)現(xiàn)，也使得難以被截獲，從而達(dá)到安全保密通信的目的。③可以實現(xiàn)多址通信。由于擴頻通信具有較寬的頻帶，多個用戶可以公用這一寬頻帶，利用擴頻碼之間良好的相關(guān)性來區(qū)分不同的用戶，在接收端利用相關(guān)檢測進(jìn)行解擴，提取有用信號，使多個用戶在這一寬頻帶上可以同時通信而互不干擾。2.2物理層超寬帶無線通信調(diào)制技術(shù)超寬帶（Ultra-WideBand，UWB）是一種新型的無線通信技術(shù)，通過對持續(xù)時間非常短的沖激脈沖波進(jìn)行直接調(diào)制，使信號具有GHz量級的帶寬，適用于高速、近距離的無線個人局域網(wǎng)組網(wǎng)通信。美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）將超寬帶信號定義為任何相對帶寬大于20%或者絕對帶寬不小于500MHz并滿足一定功率譜限制的信號。超寬帶的主要信號形式可分為傳統(tǒng)的基帶窄脈沖形式和調(diào)制載波形式。基帶窄脈沖形式利用寬度在納秒、亞納秒級的基帶窄脈沖序列進(jìn)行通信。一般通過脈沖位置調(diào)制（PulsePositionModulation，PPM）、脈沖幅度調(diào)制（PulseAmplitudeModulation，PAM）等調(diào)制方式攜帶信息。窄脈沖可以采用多種波形，如高斯波形、升余弦波形等。因為脈沖寬度很窄，占空比較小，所以具有很好的多徑信道分辨能力。因為不需要調(diào)制載波，所以收發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本較低且功耗也很低?；谝陨咸攸c，目前采用基帶窄脈沖的UWB技術(shù)已廣泛應(yīng)用于雷達(dá)探測、透視、成像等領(lǐng)域。2.2物理層解調(diào)技術(shù)解調(diào)是從攜帶消息的已調(diào)信號中恢復(fù)消息的過程。發(fā)送端用需要傳送的消息對載波進(jìn)行調(diào)制，形成攜帶消息的調(diào)制信號，接收端需要恢復(fù)所傳送的消息才能加以利用，故解調(diào)是調(diào)制的逆過程，調(diào)制方式不同，解調(diào)方式也將隨之不同。由于噪聲、衰減及干擾的影響，所接收到的信號波形存在一定的失真，使得接收端不能全部接收到傳輸?shù)乃行畔?。為分析信息的發(fā)送與接收效果，一般通過誤碼率（SymbolErrorRate，SER）來描述數(shù)據(jù)接收出錯的程度，而對于用比特表示的數(shù)據(jù)，一般采用誤比特率（BitErrorRate，BER）來描述。2.2物理層2.2.3通信信道分配——無線信道通信信道是指數(shù)據(jù)傳輸所需要的通道。計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將通信信道分為物理信道和邏輯信道。其中，物理信道定義為用于傳輸數(shù)據(jù)信息的物理通道，由傳輸介質(zhì)和相關(guān)通信設(shè)備組成。根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)類型的不同，物理信道可分為模擬信道和數(shù)字信道；根據(jù)傳輸介質(zhì)的不同，物理信道可分為有線信道和無線信道。有線信道使用有形的介質(zhì)作為傳輸介質(zhì)信道，如電纜、雙絞線、光纖等；無線信道主要使用電磁波在空間中的傳播信道，如無線電、微波、紅外線等。邏輯信道定義為在物理信道的基礎(chǔ)上發(fā)送和接收數(shù)據(jù)信息的雙方通過中間節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)信息所形成的邏輯通道，邏輯信道可以是有連接的，也可以是無連接的。（1）自由空間信道（2）多徑信道（3）加性噪聲信道2.2物理層自由空間信道自由空間信道是一種理想化的無線傳播信道，具有無阻擋、無衰落、非時變的特點。根據(jù)電磁場理論，接收天線的增益代表了天線接收無線電波功率的能力，其與天線有效面積、電磁波波長有關(guān)?？紤]到無線電波在傳輸過程中，空間環(huán)境并不理想化，氣候等環(huán)境因素會引起無線電波傳輸?shù)膿p耗。如圖2-9所示，發(fā)射機產(chǎn)生無線電波，發(fā)射機天線的輻射功率為Pt，則在相對距離為d處的接收機的接收功率可表示為2.2物理層自由空間信道其中，Gt表示發(fā)射天線增益，Gr表示接收天線增益，λ為電磁波波長，L表示與傳播無關(guān)的系統(tǒng)損耗因子。從表達(dá)式中可以看出，接收天線的接收功率是關(guān)于發(fā)射機到接收機之間距離的函數(shù)，且隨距離的平方衰減。2.2物理層多徑信道在超短波、微波波段及無線電波在傳播過程中遇到障礙物時，無線電波會產(chǎn)生反射、繞射或散射等問題，那么，到達(dá)接收天線的信號就可能存在多種反射波，這種現(xiàn)象稱為多徑傳播。圖2-10示意了無線電波在地面反射后的多徑傳輸情況，圖中ht表示發(fā)射機高度，hr表示接收機高度，d表示發(fā)射機與接收機間的水平距離，r1表示發(fā)射機與接收機的直射波直接距離，r2表示經(jīng)過地面反射波達(dá)到接收機天線的總距離。從圖中可以看出，發(fā)射機與接收機之間有直射波和反射波兩條路徑，數(shù)據(jù)信息的傳輸將受到多徑信道的影響。2.2物理層加性噪聲信道對于通信信道受到噪聲干擾的情況，最簡單的數(shù)學(xué)模型是加性噪聲信道模型，如圖2-11所示。從圖中可以看出，源信號S(t)通過通信信道傳輸時，通過附加隨機噪聲n(t)來模擬通信信道被噪聲污染，結(jié)合信號衰減參數(shù)A，可方便地描述接收信號，即2.2物理層多信道通信多信道通信在傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點之間采用單一通信信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在無線電波的有效覆蓋范圍內(nèi)，節(jié)點之間容易產(chǎn)生信道干擾。常用的IEEE802.11b/g工作在2.4～2.4835GHz的頻段范圍內(nèi)。不同國家和地區(qū)對2.4GHz頻段的使用和信道劃分有所不同，北美、中美洲和南美洲國家支持分配為11個信道，多數(shù)歐洲國家支持分配為13個信道，日本支持分配為14個信道。如圖2-12所示。2.2物理層多信道通信單信道通信模型如圖2-13(a)所示，同一區(qū)域范圍內(nèi)4個節(jié)點使用相同的信道同時進(jìn)行通信，當(dāng)節(jié)點B和節(jié)點C的物理距離小于兩者的干擾距離時，兩個節(jié)點之間就會產(chǎn)生干擾。多信道通信模型如圖2-13(b)所示，處于同一區(qū)域范圍內(nèi)的節(jié)點之間采用不同的信道同時進(jìn)行通信，由于采用的是不同信道，節(jié)點之間就不易產(chǎn)生相互干擾。2.2物理層多信道通信相對于單信道通信而言，多信道通信具有明顯的優(yōu)點。首先，利用多個信道進(jìn)行通信，可以提高整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息吞吐量。其次，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點通信功率一般均較低，節(jié)點間進(jìn)行通信時的無線信號容易受到周圍環(huán)境的干擾，對節(jié)點的正常數(shù)據(jù)傳輸將會造成影響。另外，當(dāng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所使用的信道與其他強干擾網(wǎng)絡(luò)的信道發(fā)生重疊時，必然會造成節(jié)點間的通信失效。多信道通信產(chǎn)生了不同于單信道通信的如下附加問題。（1）多信道資源分配與協(xié)商問題（2）多信道廣播問題（3）多信道頻譜感知問題（4）安全與同步問題2.2物理層多信道資源分配與協(xié)商問題無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在使用多信道通信時，要獲得最大化的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)吞吐量，就需要對眾多節(jié)點的多個信道進(jìn)行合理配置。需要注意的是，雖然節(jié)點之間可以采用多個信道通信，但只有發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點雙方處于同一個信道才能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。那么，在進(jìn)行通信傳輸之前，發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點之間需要協(xié)商，以解決相同信道使用的問題。2.2物理層多信道廣播問題在多信道環(huán)境中，由于節(jié)點存在多個信道，各個節(jié)點當(dāng)前所處信道可能不盡相同。當(dāng)一個節(jié)點在某個信道上廣播發(fā)送數(shù)據(jù)包時，處于其他不同信道上的節(jié)點無法收到廣播數(shù)據(jù)包，從而引起不能有效組網(wǎng)通信的問題。2.2物理層多信道頻譜感知問題當(dāng)某個無線信道處于占用狀態(tài)時，多信道通信可以實現(xiàn)通過搜尋空閑信道的方式來解決抗干擾通信的需求。利用信道頻譜感知技術(shù)，可以智能地判斷無線網(wǎng)絡(luò)的信道使用狀態(tài)，進(jìn)而合理分配信道資源，達(dá)到提高網(wǎng)絡(luò)通信穩(wěn)定性能的目的。但是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的資源與計算能力有限，因此，如何設(shè)計適配的頻譜感知方法是多信道通信在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用時需要面臨的難題。2.2物理層安全與同步問題目前，基于單信道通信的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步技術(shù)已有相應(yīng)的解決方案，但傳統(tǒng)的時間同步技術(shù)對于安全問題考慮較少，使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步協(xié)議存在一定的安全漏洞。在多信道通信中，更是增加了時間同步及其安全機制實現(xiàn)上的復(fù)雜度。2.3數(shù)據(jù)鏈路層2.3.1數(shù)據(jù)鏈路層簡介數(shù)據(jù)鏈路層位于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基本協(xié)議結(jié)構(gòu)中的第二層。位于底層的物理層提供的是關(guān)于數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢磉B接，數(shù)據(jù)鏈路層則是在物理層提供數(shù)據(jù)傳輸功能的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步形成關(guān)于數(shù)據(jù)傳輸與控制的邏輯連接，以形成相應(yīng)的沒有差錯的數(shù)據(jù)傳輸鏈路并確保該鏈路的可靠性；同時，數(shù)據(jù)鏈路層也為位于上層的網(wǎng)絡(luò)層提供透明的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。概括來說，數(shù)據(jù)鏈路層的目的是在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中建立起可靠的點到點或點到多點的通信鏈路，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)成幀、幀檢測、介質(zhì)訪問控制和差錯控制，其中，介質(zhì)訪問控制和差錯控制是數(shù)據(jù)鏈路層主要的研究與設(shè)計內(nèi)容。2.3數(shù)據(jù)鏈路層2.3.2數(shù)據(jù)鏈路層能效控制由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身條件的限制，特別是電源能量、資源與計算處理能力的約束，使數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議需要在受限的資源與計算能力條件下盡可能地降低網(wǎng)絡(luò)的能耗，減少無效的能量使用，即在能耗與傳輸時延、網(wǎng)絡(luò)吞吐量等性能之間進(jìn)行必要的折中處理。因此，數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議是否設(shè)計合理，將直接影響無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)效果。在數(shù)據(jù)鏈路層中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的多余無效能耗主要來自以下4個方面。1．空閑偵聽2．碰撞重發(fā)3．控制開銷4．串音2.3數(shù)據(jù)鏈路層空閑偵聽所謂空閑偵聽，是指網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點不能判斷何時才能接收其他節(jié)點所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)時，或者節(jié)點需要獲取網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點間的數(shù)據(jù)傳輸擁塞情況時，節(jié)點必須保持在持續(xù)偵聽狀態(tài)。無線射頻收發(fā)電路處于持續(xù)工作條件，將造成大量電源能量的無效消耗?？臻e偵聽是引起網(wǎng)絡(luò)節(jié)點無效能耗的主要因素。因此，協(xié)調(diào)收發(fā)節(jié)點雙方的同步工作，減少偵聽時間是降低能量損耗的關(guān)鍵途徑。2.3數(shù)據(jù)鏈路層碰撞重發(fā)所謂碰撞，是指在無線信道上兩個或多個節(jié)點同時進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時，這些節(jié)點都因產(chǎn)生沖突而無法收發(fā)數(shù)據(jù)。碰撞發(fā)生時，發(fā)送和接收數(shù)據(jù)所消耗的能量也就被浪費了。發(fā)送和接收節(jié)點雙方還需要重建數(shù)據(jù)傳輸鏈路，造成為實現(xiàn)一次數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)而重復(fù)消耗能量的問題。碰撞重發(fā)也是引起節(jié)點無效能耗的重要因素。2.3數(shù)據(jù)鏈路層控制開銷為了保障無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的正常運行，數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議需要設(shè)計一些關(guān)于控制報文信息的相互交互功能，這些控制報文并不包含有用的數(shù)據(jù)信息，但這些控制報文又是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠運行所必需的?？刂崎_銷所形成的能耗是不能避免的，那么，在數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議設(shè)計時需要將控制報文信息盡量減少，以降低能耗。2.3數(shù)據(jù)鏈路層串音無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信道并非節(jié)點所獨占，當(dāng)使用一個共享無線信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時，接收節(jié)點獲取的數(shù)據(jù)信息可能不是由目標(biāo)發(fā)送節(jié)點所發(fā)出的，而是其他非相關(guān)節(jié)點的數(shù)據(jù)信息，這種情況下的數(shù)據(jù)收發(fā)也是無效的，從而形成串音（或串?dāng)_）問題。因串音導(dǎo)致的能耗即是一種無效能耗，為減少這種能耗，需要通過節(jié)點間的時間同步與協(xié)調(diào)機制來解決，以使節(jié)點在無數(shù)據(jù)收發(fā)時能夠及時睡眠或關(guān)閉。由于存在這些多余的無效能耗問題，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議設(shè)計首先需要考慮的就是如何降低節(jié)點能耗，提高網(wǎng)絡(luò)的生命周期。針對無線通信模塊的發(fā)送、接收、空閑和睡眠4種狀態(tài)，發(fā)送狀態(tài)的能耗最高，其他狀態(tài)的能耗依次降低，睡眠狀態(tài)的能耗最低。要使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)能量的最優(yōu)化使用，并使節(jié)點能夠及時高效地收發(fā)數(shù)據(jù)，就要求MAC協(xié)議能夠優(yōu)化無線通信模塊的使用狀態(tài)。2.3數(shù)據(jù)鏈路層串音MAC協(xié)議可實現(xiàn)偵聽與睡眠狀態(tài)的交替使用策略，當(dāng)偵聽到有數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)時，節(jié)點就開啟無線通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)；當(dāng)無數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)時，節(jié)點就控制無線通信模塊進(jìn)入睡眠狀態(tài)。需要注意的是，如果偵聽時間太長，會浪費電源能量，但偵聽時間太短又難以保證數(shù)據(jù)收發(fā)的實時性。因此，節(jié)點通信狀態(tài)的調(diào)度、MAC協(xié)議的輕量化協(xié)調(diào)設(shè)計是數(shù)據(jù)鏈路層控制節(jié)點能效的關(guān)鍵。2.3數(shù)據(jù)鏈路層2.3.3數(shù)據(jù)鏈路層MAC協(xié)議分類數(shù)據(jù)鏈路層MAC協(xié)議在物理層的基礎(chǔ)上構(gòu)建了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的底層基礎(chǔ)協(xié)議結(jié)構(gòu)，主要實現(xiàn)節(jié)點無線通信時有限資源的分配并決定無線信道的使用方式。MAC協(xié)議的設(shè)計需要從節(jié)約能量、可擴展性和網(wǎng)絡(luò)效率等方面著重考慮。節(jié)約能量方面，2.3.2節(jié)已經(jīng)說明為盡可能地延長節(jié)點的生命周期，MAC協(xié)議需要在滿足應(yīng)用環(huán)境需求的前提下盡量節(jié)約節(jié)點能量?？蓴U展性方面，組網(wǎng)中的節(jié)點可能會因能量耗盡或損壞而退出網(wǎng)絡(luò)，新節(jié)點的加入、節(jié)點移動等引起的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境變化也會造成節(jié)點間傳輸路徑及其拓?fù)浞植冀Y(jié)構(gòu)的動態(tài)變化，MAC協(xié)議需要具備適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)變化的能力，以滿足網(wǎng)絡(luò)擴展需求。網(wǎng)絡(luò)效率方面，MAC協(xié)議需要具備支撐無線傳感器網(wǎng)絡(luò)高效運行的能力，以保障網(wǎng)絡(luò)運行的公平性、實時性、吞吐率及帶寬利用率等。2.3數(shù)據(jù)鏈路層2.3.3數(shù)據(jù)鏈路層MAC協(xié)議分類數(shù)據(jù)鏈路層MAC協(xié)議設(shè)計需要解決網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化問題，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵性能指標(biāo)之間相互關(guān)聯(lián)影響，并不是孤立的。在提高某一種指標(biāo)性能的同時，其他性能指標(biāo)可能被降低。比如，要提高網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)適應(yīng)等可擴展能力，就需要增加協(xié)議復(fù)雜程度和計算存儲資源；要提高網(wǎng)絡(luò)的實時響應(yīng)能力，要求節(jié)點保持在偵聽狀態(tài)，就需要增加節(jié)點能耗。按照協(xié)議部署方式，MAC協(xié)議可分為集中式MAC協(xié)議和分布式MAC協(xié)議。集中式MAC協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)管理效率高，但需要系統(tǒng)具備嚴(yán)格的時鐘同步機制；分布式MAC協(xié)議下的網(wǎng)絡(luò)具有良好的擴展性，但系統(tǒng)的開銷比較大。這種分類方式與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)規(guī)模相關(guān)，一般情況下大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)采用分布式MAC協(xié)議。2.3數(shù)據(jù)鏈路層2.3.3數(shù)據(jù)鏈路層MAC協(xié)議分類按照信道共享方式，MAC協(xié)議可分為單信道MAC協(xié)議和多信道MAC協(xié)議。單信道MAC協(xié)議下的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點體積小、成本低，但通信效率受到影響且通信鏈路容易受到干擾；多信道MAC協(xié)議下信道利用率和通信效率高、抗干擾能力強，但存在硬件成本和協(xié)議復(fù)雜度相對較高的問題。目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要采用單信道MAC協(xié)議按照信道分配策略，MAC協(xié)議可分為分配型MAC協(xié)議、競爭型MAC協(xié)議、混合型MAC協(xié)議及跨層型MAC協(xié)議。分配型MAC協(xié)議是將無線信道分成若干個子信道，用戶根據(jù)策略分配一定數(shù)量的子信道，實現(xiàn)無沖突的信道分配。競爭型MAC協(xié)議利用無線信道的隨機競爭方式，根據(jù)業(yè)務(wù)需求搶占信道資源?；旌闲蚆AC協(xié)議是將分配型和競爭型相融合，通過結(jié)合兩種方式的優(yōu)勢實現(xiàn)性能的提升?？鐚有蚆AC協(xié)議針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的層次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)相鄰協(xié)議層之間的協(xié)調(diào)和性能優(yōu)化。2.3數(shù)據(jù)鏈路層2.3.4分配型MAC協(xié)議分配型MAC協(xié)議利用無線信道的時分多址（TimeDivisionMultipleAccess，TDMA）、碼分多址（CodeDivisionMultipleAccess，CDMA）、頻分多址（FrequencyDivisionMultipleAccess，F(xiàn)DMA）等方式將信道分成若干個子信道，然后根據(jù)分配策略將這些子信道劃分給收發(fā)節(jié)點。由于已經(jīng)將無線傳輸信道進(jìn)行了預(yù)先分配，也就直接避免了通信沖突發(fā)生的可能性。其中，TDMA方式是在時域上將時間劃分為不同時隙，CDMA方式是生成多個彼此正交的偽隨機碼，F(xiàn)DMA方式是在頻域上將無線信道劃分為多個子信道。2.3數(shù)據(jù)鏈路層2.3.4分配型MAC協(xié)議在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信道分配機制中，TDMA方式是一種相對比較簡單且成熟的無線信道分配實現(xiàn)方案，它為每個節(jié)點分配獨立的用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r隙，而節(jié)點在其他空閑時隙內(nèi)轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)。該方式下的數(shù)據(jù)傳輸不需要過多的控制信息，也沒有競爭機制中的碰撞重傳問題，當(dāng)節(jié)點處于空閑時能夠及時睡眠，適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗控制要求。但該方式對節(jié)點間的時間同步指標(biāo)要求嚴(yán)格，且在網(wǎng)絡(luò)的可擴展性方面存在一定不足，比如，時間幀的長度和時隙的分配難以調(diào)整，對網(wǎng)絡(luò)動態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化的適應(yīng)性較差，對節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)量的變化不敏感等。目前一些研究針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于TDMA方式的MAC協(xié)議進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化。1．基于分簇網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議2．TRAMA協(xié)議2.3數(shù)據(jù)鏈路層基于分簇網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議針對具有分簇結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（分簇網(wǎng)絡(luò)），其所有傳感器節(jié)點通過分配設(shè)置或自動形成多個簇，每個簇內(nèi)擁有一個簇頭節(jié)點?；赥DMA方式，簇頭節(jié)點負(fù)責(zé)簇內(nèi)節(jié)點的時隙分配，收集和處理簇內(nèi)節(jié)點數(shù)據(jù)信息，并負(fù)責(zé)與匯聚節(jié)點間的數(shù)據(jù)傳輸，其MAC協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖2-14所示。2.3數(shù)據(jù)鏈路層TRAMA協(xié)議TRAMA（TrafficAdaptiveMediumAccess）協(xié)議，即流量自適應(yīng)介質(zhì)訪問協(xié)議。當(dāng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點失效或引入新節(jié)點時，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨之發(fā)生變化，為適應(yīng)這種變化，TRAMA協(xié)議在時隙劃分的基礎(chǔ)上定義交替的隨機訪問和調(diào)度訪問兩個周期，這兩個周期的時隙個數(shù)需要根據(jù)具體應(yīng)用情況設(shè)定。隨機訪問周期主要用于網(wǎng)絡(luò)維護(hù)，如失效節(jié)點的退出、新節(jié)點的加入等是在隨機訪問周期內(nèi)完成的。TRAMA協(xié)議的時隙分配如圖2-15所示。2.3數(shù)據(jù)鏈路層TRAMA協(xié)議TRAMA協(xié)議包含3部分，即：鄰居協(xié)議（NeighborProtocol，NP）調(diào)度交換協(xié)議（ScheduleExchangeProtocol，SEP）自適應(yīng)選舉算法（AdaptiveElectionAlgorithm，AEA）。2.3數(shù)據(jù)鏈路層鄰居協(xié)議NP協(xié)議是在隨機訪問周期內(nèi)執(zhí)行的，其目的是使無線信道時隙的分配能夠適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)變化。在隨機訪問周期內(nèi)，節(jié)點采用隨機競爭方式占用通告時隙來訪問無線信道。NP協(xié)議要求節(jié)點周期性地通告相關(guān)信息，包括自身的ID編號，是否有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，以及能夠直接通信的鄰居節(jié)點信息并實現(xiàn)節(jié)點間的時間同步。在NP協(xié)議支持下，節(jié)點之間可獲得一致的兩跳內(nèi)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息和節(jié)點流量信息，但要求所有節(jié)點在隨機訪問周期內(nèi)均處于活動狀態(tài)，同時要求多次廣播通告信息。2.3數(shù)據(jù)鏈路層調(diào)度交換協(xié)議SEP協(xié)議的目的是以節(jié)點的業(yè)務(wù)流量信息為依據(jù)，建立并維護(hù)節(jié)點的調(diào)度任務(wù)。在調(diào)度訪問周期內(nèi)，節(jié)點周期性地向鄰居節(jié)點廣播其調(diào)度信息，如收發(fā)數(shù)據(jù)的節(jié)點信息，放棄所占用的時隙等。在調(diào)度信息的產(chǎn)生過程中，節(jié)點根據(jù)上層應(yīng)用產(chǎn)生數(shù)據(jù)的分組速率，形成業(yè)務(wù)流量信息，計算所需的調(diào)度間隔（一次調(diào)度對應(yīng)的時隙個數(shù)），進(jìn)而節(jié)點獲取在這個調(diào)度間隔中具有最高優(yōu)先級的時隙，最后，節(jié)點在占用的時隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，并通過調(diào)度消息告訴相應(yīng)的接收節(jié)點。如果節(jié)點沒有足夠多的數(shù)據(jù)需要發(fā)送，則應(yīng)及時通告放棄所占用的時隙，以便其他節(jié)點可以使用。為防止調(diào)度信息的不一致性和發(fā)送調(diào)度分組時產(chǎn)生沖突，節(jié)點需要在當(dāng)前調(diào)度時隙內(nèi)的最后一個占用時隙廣播下一個調(diào)度間隔的調(diào)度信息。2.3數(shù)據(jù)鏈路層自適應(yīng)選舉算法發(fā)現(xiàn)鄰居節(jié)點后，TRAMA協(xié)議采用自適應(yīng)選舉算法建立各個節(jié)點在當(dāng)前時隙內(nèi)的活動策略。該算法定義了節(jié)點的發(fā)送、接收、睡眠3種狀態(tài)，在調(diào)度訪問周期的給定時隙內(nèi)，當(dāng)且僅當(dāng)節(jié)點有數(shù)據(jù)需要發(fā)送且在競爭中具有最高優(yōu)先級時，節(jié)點處于發(fā)送狀態(tài)；當(dāng)且僅當(dāng)節(jié)點是當(dāng)前發(fā)送節(jié)點指定的接收者時，節(jié)點處于接收狀態(tài)；其他情況下，節(jié)點處于睡眠狀態(tài)。AEA算法根據(jù)當(dāng)前兩跳鄰居節(jié)點內(nèi)的節(jié)點優(yōu)先級和一跳鄰居的調(diào)度信息，決定節(jié)點在當(dāng)前時隙的活動策略，即決定節(jié)點是發(fā)送、接收或睡眠中的何種活動情況。2.3數(shù)據(jù)鏈路層2.3.5競爭型MAC協(xié)議與分配型MAC協(xié)議不同的是，競爭型MAC協(xié)議采用的是按照當(dāng)前需求使用信道的方式，即在有發(fā)送數(shù)據(jù)需求之前，需要先通過競爭方式獲取無線信道，如果數(shù)據(jù)發(fā)送時發(fā)生碰撞問題，則按照某種策略進(jìn)行數(shù)據(jù)重發(fā)，直到數(shù)據(jù)發(fā)送成功或放棄發(fā)送為止。該類協(xié)議能夠較好地適應(yīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動態(tài)變化，不需要復(fù)雜的集中控制調(diào)度算法且對時間同步算法的性能要求不高。典型的競爭型MAC協(xié)議是IEEE802.11MAC協(xié)議，該協(xié)議具有分布式協(xié)調(diào)（DistributedCoordinationFunction，DCF）和點協(xié)調(diào)（PointCoordinationFunction，PCF）兩種訪問控制模式。PCF模式實現(xiàn)基于優(yōu)先級的無競爭訪問，僅屬于一種可選的訪問控制方式。2.3數(shù)據(jù)鏈路層2.3.5競爭型MAC協(xié)議DIFS的具體長度取決于所采用的物理層特性及所要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀類型，高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)幀需要等待的時間較短，可獲得優(yōu)先發(fā)送權(quán)，而低優(yōu)先級的數(shù)據(jù)幀就需要等待較長的時間。需要注意的是，如果低優(yōu)先級的數(shù)據(jù)幀還沒來得及發(fā)送出去，但其他節(jié)點的高優(yōu)先級數(shù)據(jù)幀已發(fā)送至無線信道，則信道就變?yōu)槊顟B(tài)，那么低優(yōu)先級的數(shù)據(jù)幀只能推遲發(fā)送。如此協(xié)調(diào)，就在一定程度上降低了無線信道發(fā)生碰撞沖突的概率。CSMA/CA協(xié)議相對比較簡單，運行較為穩(wěn)定，其實質(zhì)是在發(fā)送數(shù)據(jù)幀之前先預(yù)約無線信道，但是該協(xié)議下節(jié)點的空閑偵聽時間會比較長，使得節(jié)點將產(chǎn)生大量的能耗，因此不能直接應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。目前，在IEEE802.11MAC協(xié)議的基礎(chǔ)上，發(fā)展了多種能夠適應(yīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境的競爭型MAC協(xié)議，如S-MAC協(xié)議、T-MAC協(xié)議、Sift協(xié)議等，該類協(xié)議還在不斷地改進(jìn)完善，以下進(jìn)行基本介紹。2.3數(shù)據(jù)鏈路層S-MAC協(xié)議S-MAC（SensorMAC）協(xié)議是針對IEEE802.11MAC協(xié)議存在的能耗控制問題并以此為基礎(chǔ)而改進(jìn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議。該協(xié)議是一種具有分布式的MAC協(xié)議，根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信負(fù)載量、節(jié)點公平性及通信時延等特征來設(shè)計。S-MAC協(xié)議圍繞無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的主要能耗因素，涉及空閑偵聽、碰撞重傳、串音、控制開銷等，構(gòu)建協(xié)議工作機制，減少這些因素對能量的消耗，延長節(jié)點的生命周期。S-MAC協(xié)議的工作機制主要包括周期性偵聽與睡眠、虛擬簇、自適應(yīng)偵聽、串音與沖突避免、消息傳遞等。2.3數(shù)據(jù)鏈路層周期性偵聽與睡眠機制S-MAC協(xié)議針對能耗控制的基本方式是通過讓網(wǎng)絡(luò)節(jié)點盡可能地處于睡眠狀態(tài)來實現(xiàn)的。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點調(diào)度其工作狀態(tài)，周期性地控制節(jié)點進(jìn)入睡眠狀態(tài)，減少空閑偵聽的時間，從而達(dá)到節(jié)能的目的。S-MAC協(xié)議的周期性偵聽與睡眠機制將時間劃分為多個時隙，每個時隙包括偵聽、睡眠兩種狀態(tài)，偵聽和睡眠的一個完整時間周期為一幀，如圖2-16所示。2.3數(shù)據(jù)鏈路層虛擬簇機制S-MAC協(xié)議要求相鄰節(jié)點要最大可能地使用相同的調(diào)度信息表，即相鄰節(jié)點執(zhí)行相同的調(diào)度任務(wù)。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，相鄰的各個節(jié)點通過定期廣播同步包（SYNC）來交換調(diào)度信息，同時維護(hù)一個調(diào)度信息表，保存所有相鄰節(jié)點的調(diào)度信息，以維持相鄰節(jié)點之間在偵聽與睡眠調(diào)度時間周期上的同步，即相鄰節(jié)點要在相同的時間上喚醒或睡眠。虛擬簇機制有利于保障無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中相鄰節(jié)點之間能夠及時進(jìn)行通信，降低消息傳輸時的控制開銷。擁有相同調(diào)度信息的相鄰節(jié)點構(gòu)成一個虛擬簇（VirtualCluster）。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，可以形成多個不同的虛擬簇，各個節(jié)點定期廣播自己的調(diào)度信息，當(dāng)有新節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)時，新節(jié)點與已經(jīng)存在的相鄰節(jié)點保持調(diào)度同步，這樣使S-MAC協(xié)議具備良好的網(wǎng)絡(luò)擴展性。2.3數(shù)據(jù)鏈路層虛擬簇機制如果某個節(jié)點附近存在不同的虛擬簇，且該節(jié)點能夠接收到兩種以上不同的調(diào)度信息，這種節(jié)點處于虛擬簇的邊界，故稱其為邊界節(jié)點（BorderNode），如圖2-17所示。為使邊界節(jié)點能夠與虛擬簇節(jié)點同步，通常的處理方式是邊界節(jié)點可以優(yōu)先選擇先收到調(diào)度信息的虛擬簇，并將其他的調(diào)度信息記錄下來。2.3數(shù)據(jù)鏈路層自適應(yīng)偵聽機制無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般采用多跳傳輸方式，節(jié)點在周期性地進(jìn)入偵聽與睡眠狀態(tài)過程中會導(dǎo)致時延的增加，并且在多跳傳輸過程中，這種時延會進(jìn)一步形成累積，S-MAC協(xié)議通過自適應(yīng)偵聽機制來降低這種時延累積問題。在自適應(yīng)偵聽機制中，某通信范圍內(nèi)一個當(dāng)前節(jié)點的鄰居節(jié)點要開始傳輸信息時，該當(dāng)前節(jié)點就進(jìn)入睡眠狀態(tài)（當(dāng)前節(jié)點不是目標(biāo)節(jié)點），當(dāng)鄰居節(jié)點此次的信息傳輸結(jié)束后蘇醒并偵聽一段時間，查看信道的狀態(tài)信息，判斷信道是否空閑或被占用。如果在這段時間內(nèi)剛好有信息傳輸至該節(jié)點，則該節(jié)點可以立刻接收信息，不需要等到該節(jié)點睡眠結(jié)束后的下一個調(diào)度偵聽周期，從而降低信息傳輸時延。如果在這段時間內(nèi)沒有信息接收，則該節(jié)點就繼續(xù)睡眠，直到下一個調(diào)度偵聽周期。2.3數(shù)據(jù)鏈路層串音與沖突避免機制S-MAC協(xié)議繼承了IEEE802.11MAC協(xié)議中的虛擬載波偵聽和物理載波偵聽方法，采用“請求發(fā)送/清除發(fā)送”（RequestToSend/ClearToSend，RTS/CTS）方式來解決碰撞和沖突問題。在S-MAC協(xié)議中，收發(fā)節(jié)點通過RTS/CTS方式來占用無線信道，干擾節(jié)點在收到RTS/CTS包后進(jìn)入睡眠狀態(tài)，這樣就可以避免串音。在數(shù)據(jù)收發(fā)期間，如果當(dāng)前節(jié)點不是收發(fā)節(jié)點，當(dāng)前節(jié)點就轉(zhuǎn)入睡眠；如果蘇醒后有信息發(fā)送，就競爭無線信道，無信息發(fā)送就偵聽當(dāng)前節(jié)點是否是下一個信息傳輸?shù)慕邮展?jié)點。2.3數(shù)據(jù)鏈路層消息傳遞機制一般地，在無線傳輸過程中，數(shù)據(jù)信息包的長度越長，形成的輸出誤碼率就會越高。為降低無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率，S-MAC協(xié)議利用RTS/CTS方式預(yù)約消息發(fā)送的時間，將長消息分割成多個短消息后在預(yù)約的時間內(nèi)進(jìn)行發(fā)送。接收節(jié)點對于短消息的接收都要回復(fù)一個應(yīng)答消息（ACK），如果發(fā)送節(jié)點沒有收到應(yīng)答消息，則重傳該短消息。由于只使用一次RTS/CTS，協(xié)議的控制開銷得以降低，同時又能保障數(shù)據(jù)發(fā)送的成功率。2.3數(shù)據(jù)鏈路層T-MAC協(xié)議T-MAC（TimeoutMAC）協(xié)議是在S-MAC協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展起來的。在S-MAC協(xié)議的周期性偵聽與睡眠機制中，其周期長度、偵聽活動時間被設(shè)置為固定不變，不能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載調(diào)整調(diào)度周期。針對S-MAC協(xié)議的不足，T-MAC協(xié)議可保持S-MAC協(xié)議的周期，利用自適應(yīng)占空比分配方式，根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載流量，動態(tài)調(diào)整偵聽與睡眠狀態(tài)的時間占空比，采用突發(fā)方式發(fā)送信息，減少空閑偵聽的時間，如圖2-18所示，以實現(xiàn)節(jié)點能耗控制的目的。2.3數(shù)據(jù)鏈路層Sift協(xié)議Sift協(xié)議是一種新穎的競爭型MAC協(xié)議，該協(xié)議融合了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于事件驅(qū)動的業(yè)務(wù)特征，能夠適應(yīng)具有冗余、競爭與空間相關(guān)特性的應(yīng)用場景。Sift協(xié)議充分考慮了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的3個應(yīng)用特點。（1）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的空間相關(guān)性和時間相關(guān)性（2）基于事件的報告方式（3）感知事件的節(jié)點密度自適應(yīng)調(diào)整2.3數(shù)據(jù)鏈路層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的空間相關(guān)性和時間相關(guān)性為保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測應(yīng)用的可靠性和容錯性，一般在監(jiān)測區(qū)域布置多個甚至大量的傳感器節(jié)點，多個相鄰節(jié)點因監(jiān)測到同一事件而形成空間相關(guān)性；這些監(jiān)測節(jié)點又因為相互臨近，會導(dǎo)致對共享無線信道的競爭關(guān)系，形成事件傳遞的時間相關(guān)性?；谑录膱蟾娣绞皆跓o線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，并不是所有監(jiān)測到事件發(fā)生的節(jié)點都需要向外發(fā)送信息，只要這些節(jié)點中有一部分節(jié)點能夠發(fā)送監(jiān)測信息到匯聚節(jié)點就可以了。感知事件的節(jié)點密度自適應(yīng)調(diào)整在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測區(qū)域中，隨著監(jiān)測對象的移動或時間的變化，能夠監(jiān)測到事件發(fā)生的傳感器節(jié)點數(shù)量也會隨之產(chǎn)生動態(tài)變化，因此，感知事件的節(jié)點密度需要自適應(yīng)調(diào)整。2.3數(shù)據(jù)鏈路層2.3.6混合型MAC協(xié)議混合型MAC協(xié)議綜合了分配型MAC協(xié)議和競爭型MAC協(xié)議的要素，旨在保持兩類協(xié)議各自優(yōu)點的同時能夠克服各自的缺點，在網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)發(fā)生改變時，能夠表現(xiàn)為以其中的一類協(xié)議為主、另一類協(xié)議為輔的特性，可更好地滿足網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、業(yè)務(wù)流量動態(tài)變化的需求。由于混合型MAC協(xié)議綜合了兩種協(xié)議機制，使得該協(xié)議的設(shè)計相對比較復(fù)雜，因此，需要在保障協(xié)議性能的基礎(chǔ)上盡可能降低協(xié)議的復(fù)雜度和控制開銷，以提升協(xié)議效能。隨著研究的深入，混合型MAC協(xié)議根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點和應(yīng)用需求也還在不斷地完善和改進(jìn)，這里簡單介紹經(jīng)典的Z-MAC協(xié)議和發(fā)展的TC2-MAC協(xié)議。2.3數(shù)據(jù)鏈路層Z-MAC協(xié)議Z-MAC協(xié)議是一種基于CSMA/TDMA機制的混合型MAC協(xié)議，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較低時采用CSMA機制使用無線信道，以降低時延并提高信道利用率；在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較高時采用TDMA機制來解決無線信道的碰撞問題，以避免沖突和串音。Z-MAC協(xié)議把時間幀概念引入?yún)f(xié)議設(shè)計中，一個時間幀又可劃分為多個時隙。該協(xié)議利用分布式隨機時隙分配算法（DRAND）為兩跳范圍內(nèi)的相鄰節(jié)點分配時隙，分配了時隙的節(jié)點成為該時隙的所有者，時隙所有者在對應(yīng)的時隙中具有最高的優(yōu)先使用權(quán)。時隙分配完成后，各個節(jié)點都會在時間幀中擁有一個時隙。在低網(wǎng)絡(luò)流量、低競爭情況下，節(jié)點在自身的時隙內(nèi)可優(yōu)先發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)時隙內(nèi)所有者節(jié)點沒有數(shù)據(jù)發(fā)送時，其他節(jié)點可通過競爭偵聽方式來使用信道發(fā)送數(shù)據(jù)，提高了信道的利用率。2.3數(shù)據(jù)鏈路層TC2-MAC協(xié)議TC2-MAC協(xié)議是一種新的自適應(yīng)混合型MAC協(xié)議。該協(xié)議以分簇網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)為對象，融合基于二叉樹結(jié)構(gòu)的時隙塊分配策略和基于時隙約束的CSMA/CA競爭接入方式，通過靈活的信息調(diào)度機制來改善無線信道接入的公平性，能夠較好地自適應(yīng)跟蹤網(wǎng)絡(luò)流量及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，并能夠提升網(wǎng)絡(luò)效率。在時隙分配中，TC2-MAC協(xié)議采用以時間幀為周期的時間調(diào)度機制，結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)中周期性感知數(shù)據(jù)、突發(fā)數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)等不同的業(yè)務(wù)類型，將時間幀中的時隙分成3個時隙組，再將各個時隙組中的時隙進(jìn)行交叉編排，并引入二叉樹時隙分割方法來改善無線信道使用的公平性。TC2-MAC協(xié)議中的時間幀和時隙長度可以根據(jù)系統(tǒng)具體的服務(wù)質(zhì)量要求來設(shè)定，且可以在網(wǎng)絡(luò)運行過程中進(jìn)行靈活配置，并不是固定不變的，其時間幀與時隙的關(guān)系為2.3數(shù)據(jù)鏈路層TC2-MAC協(xié)議其中，Tframe表示時間幀長度；Tslot表示時隙長度，該值與數(shù)據(jù)分組大小、數(shù)據(jù)傳輸速率、時鐘漂移等參數(shù)有關(guān)；k為每個時隙組中時隙個數(shù)的對數(shù)。圖2-19(a)所示即為數(shù)據(jù)的兩組時隙混合傳輸模式。如果簇頭節(jié)點在第三組時隙也采用CSMA/CA機制向匯聚節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，那么下一個第三組時隙內(nèi)繼續(xù)采用CSMA/CA機制發(fā)送數(shù)據(jù)，圖2-19(b)即為簇頭節(jié)點向匯聚節(jié)點的競爭傳輸模式。2.3數(shù)據(jù)鏈路層2.3.7跨層型MAC協(xié)議所謂跨層協(xié)議設(shè)計，是指實現(xiàn)邏輯上相鄰的協(xié)議層之間的設(shè)計互動和性能優(yōu)化，具體實施中主要通過不同層級之間的參數(shù)綜合選擇與優(yōu)化來達(dá)到提高整個系統(tǒng)性能的目的。針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)鏈路層，其跨層型MAC協(xié)議設(shè)計通過數(shù)據(jù)鏈路層與其他層級之間的優(yōu)化設(shè)計來提升MAC協(xié)議效率，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能耗的有效控制和網(wǎng)絡(luò)生命周期的有效延長?？鐚有蚆AC協(xié)議是目前關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一大研究熱點，下面圍繞數(shù)據(jù)鏈路層及其上下相鄰的網(wǎng)絡(luò)層、物理層間的通信協(xié)議結(jié)構(gòu)和共享信息，簡要介紹兩類跨層型MAC協(xié)議，即基于數(shù)據(jù)鏈路層與物理層（PHY-MAC）的跨層型MAC協(xié)議基于數(shù)據(jù)鏈路層與網(wǎng)絡(luò)層（MAC-NTW）的跨層型MAC協(xié)議2.3數(shù)據(jù)鏈路層2.3.7跨層型MAC協(xié)議1．基于數(shù)據(jù)鏈路層與物理層（PHY-MAC）的跨層型MAC協(xié)議早期的跨層型MAC協(xié)議以數(shù)據(jù)鏈路層與物理層為基礎(chǔ)，將信息包收發(fā)的源地址和目標(biāo)地址寫入物理層協(xié)議的標(biāo)頭信息中，通過在其載波監(jiān)聽階段使用這些地址信息，能夠大幅度降低節(jié)點的隱藏或暴露等不良情況，從而形成基于MAC地址的物理載波監(jiān)聽機制，該機制在一定程度上提升了網(wǎng)絡(luò)傳輸效率。2.3數(shù)據(jù)鏈路層2.3.7跨層型MAC協(xié)議2．基于數(shù)據(jù)鏈路層與網(wǎng)絡(luò)層（MAC-NTW）的跨層型MAC協(xié)議在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)鏈路層為網(wǎng)絡(luò)層提供服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)層中的路由信息又可為數(shù)據(jù)鏈路層的MAC協(xié)議提供性能支撐。將路由信息融入MAC協(xié)議的設(shè)計，能夠進(jìn)一步提升無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的效率，比如，在兩層協(xié)議中同時考慮節(jié)點睡眠因素，可實現(xiàn)能耗的有效控制。這里簡單介紹基于路由信息和基于事件驅(qū)動的跨層型MAC協(xié)議的基本原理。2.3數(shù)據(jù)鏈路層基于路由信息的跨層型MAC協(xié)議針對S-MAC協(xié)議的時延問題，基于路由信息的跨層型MAC協(xié)議（Cross-layerMACProtocolbasedonRoutingInformation，RC-MAC）將網(wǎng)絡(luò)層中的路由信息嵌入MAC協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)中，在RTS/CTS幀結(jié)構(gòu)中加入傳輸路徑的路由信息，即在RTS幀結(jié)構(gòu)中加入?yún)R聚節(jié)點地址，在CTS幀結(jié)構(gòu)中加入?yún)R聚節(jié)點地址和下一跳節(jié)點地址，其中，下一跳節(jié)點地址可以通過查詢當(dāng)前節(jié)點的路由緩存表來獲取。這樣，節(jié)點在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸之前就可以提前知道相應(yīng)的路徑信息，也就可以提前預(yù)約保留無線信道，使得該路徑上的節(jié)點可以在自身接收數(shù)據(jù)之前就喚醒，而不用等到下一個調(diào)度周期，提高了網(wǎng)絡(luò)傳輸效率。2.3數(shù)據(jù)鏈路層基于事件驅(qū)動的跨層型MAC協(xié)議在以事件監(jiān)測響應(yīng)處理的應(yīng)用場景中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點需要及時向匯聚節(jié)點上報事件發(fā)生信息。在此應(yīng)用需求下，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯崟r性提出了較高要求。針對S-MAC、Sift等協(xié)議存在的網(wǎng)絡(luò)吞吐量、時延或能耗控制不足的問題，基于事件驅(qū)動的跨層型MAC協(xié)議（EventDrivenCross-layerMAC，EDC-MAC）采用跨層優(yōu)化方法，融合網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議結(jié)構(gòu)與共享信息，優(yōu)化MAC協(xié)議性能。EDC-MAC協(xié)議根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的事件驅(qū)動業(yè)務(wù)特點，將網(wǎng)絡(luò)工作狀態(tài)分為非事件狀態(tài)和事件激活狀態(tài)兩種形式。2.3數(shù)據(jù)鏈路層2.3.8差錯控制一個典型的無線通信系統(tǒng)如圖2-20所示。信源編碼將獲取的信源消息轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)據(jù)（比特，Bit）序列，信道編碼再將這些數(shù)據(jù)序列變換為數(shù)字編碼序列，然后通過調(diào)制設(shè)備將數(shù)字編碼序列調(diào)制為適合信道傳輸?shù)男问剑M(jìn)而發(fā)射出去。解調(diào)設(shè)備在接收端獲取信息序列，信道譯碼將接收到的信息序列變換為二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列，通過信源譯碼再變換為對信源輸出消息的估計，并將該估計結(jié)果傳送至信宿。2.3數(shù)據(jù)鏈路層2.3.8差錯控制所謂差錯控制，就是利用編碼技術(shù)對數(shù)字通信傳輸過程中形成的差錯進(jìn)行控制，達(dá)到提高傳輸正確性和可靠性的目的。其基本做法是：利用信道編碼在發(fā)送端按照某種約束規(guī)則對所傳輸?shù)男畔⑿蛄羞M(jìn)行編碼，附加一定的監(jiān)督碼元；在接收端通過既定的約束規(guī)則來檢驗接收到的信息碼元與監(jiān)督碼元之間的關(guān)系，如果出現(xiàn)傳輸錯誤，就要求對其進(jìn)行糾錯。常用的差錯控制技術(shù)有自動請求重傳（AutoRepeatRequest，ARQ）、前向糾錯（ForwardErrorCorrection，F(xiàn)EC）和混合自動請求重傳（Hybrid-ARQ，HARQ）。2.3數(shù)據(jù)鏈路層自動請求重傳技術(shù)自動請求重傳技術(shù)是通信過程中處理因信道出現(xiàn)傳輸差錯的一種常用方法，包含3種基本處理方式，即停等式ARQ、退N步ARQ和選擇性重傳ARQ。在停等式ARQ中，發(fā)送端向接收端發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，并等待接收端的狀態(tài)報告。如果收到接收端的肯定應(yīng)答，說明該數(shù)據(jù)包已經(jīng)被成功接收，可以繼續(xù)發(fā)送下一個數(shù)據(jù)包；如果收到否定應(yīng)答，說明接收端收到的數(shù)據(jù)包出現(xiàn)錯誤，需要重傳該數(shù)據(jù)包。在退N步ARQ中，發(fā)送端發(fā)出一個數(shù)據(jù)包后，不必等待接收端應(yīng)答，可以直接發(fā)送下一個數(shù)據(jù)包。從數(shù)據(jù)包發(fā)送到發(fā)送端收到該數(shù)據(jù)包狀態(tài)應(yīng)答信息的過程中存在往返時延，需要經(jīng)歷一段時間間隔。假設(shè)在這個時延中傳輸了后續(xù)的N-1個數(shù)據(jù)包，如果發(fā)送端收到的是肯定應(yīng)答，則對傳輸沒有影響；如果發(fā)送端收到的是否定應(yīng)答，就需要退回到否定應(yīng)答所對應(yīng)的錯誤數(shù)據(jù)包，重傳該數(shù)據(jù)包及其后續(xù)N-1個數(shù)據(jù)包。2.3數(shù)據(jù)鏈路層前向糾錯技術(shù)前向糾錯技術(shù)采用數(shù)據(jù)編解碼方式來改善系統(tǒng)的誤碼性能，基本原理是：發(fā)送端對原始的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行信道編碼，利用信息符號之間嚴(yán)格的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)關(guān)系有控制地加入冗余信息，構(gòu)建一個包含冗余信息的新數(shù)據(jù)包；當(dāng)傳輸過程中因信道噪聲產(chǎn)生誤碼時，接收端收到數(shù)據(jù)包后，利用冗余信息和編碼規(guī)律通過譯碼自動發(fā)現(xiàn)差錯，并確定碼元出錯位置從而予以糾正，其基本結(jié)構(gòu)如圖2-21所示。2.3數(shù)據(jù)鏈路層混合自動請求重傳技術(shù)混合自動請求重傳技術(shù)將前向糾錯模塊作為一個子系統(tǒng)融入自動請求重傳系統(tǒng)框架中，利用前向糾錯子系統(tǒng)自動糾正傳輸過程中引入的誤碼，當(dāng)接收端不能正確譯碼時，則利用應(yīng)答重傳機制來實現(xiàn)消息的正確傳輸。混合自動請求重傳技術(shù)是一種折中的差錯控制方案，即在糾錯能力范圍內(nèi)自動糾正錯誤，超出糾錯范圍則要求發(fā)送端重新發(fā)送，能夠很好地補償無線信道噪聲干擾對信號傳輸?shù)挠绊?，在確保系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)上提高了系統(tǒng)的傳輸效率。2.4網(wǎng)絡(luò)層4.1網(wǎng)絡(luò)層簡介在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)層通過路由協(xié)議實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中路由的確定，主要涉及多跳路由的發(fā)現(xiàn)和維護(hù)。所謂路由的發(fā)現(xiàn)，即是尋找并選擇一條從源節(jié)點到目標(biāo)節(jié)點的最優(yōu)路徑；所謂路由的維護(hù)，即是保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠沿著所選擇的路徑進(jìn)行信息的有效轉(zhuǎn)發(fā)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的特征主要體現(xiàn)在以下幾個方面。（1）能量優(yōu)先（2）以數(shù)據(jù)為中心（3）基于局部拓?fù)湫畔ⅲ?）應(yīng)用相關(guān)（5）數(shù)據(jù)融合2.4網(wǎng)絡(luò)層能量優(yōu)先無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點能量有限，其路由協(xié)議的設(shè)計需要考慮節(jié)點的能耗控制及網(wǎng)絡(luò)能耗的均衡使用問題，以延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。2.4網(wǎng)絡(luò)層以數(shù)據(jù)為中心一般情況下，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)注的是監(jiān)測區(qū)域目標(biāo)對象的感知信息，形成從傳感器節(jié)點到匯聚節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸流向，并不是需要具體到哪個節(jié)點采集信息，從而區(qū)別于傳統(tǒng)路由協(xié)議通常采用以地址為節(jié)點的標(biāo)識及路由的依據(jù)。其中，感知目標(biāo)對象信息的傳感器節(jié)點可能是多個。2.4網(wǎng)絡(luò)層基于局部拓?fù)湫畔⒂捎跓o線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用多跳傳輸來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，各個節(jié)點的無線通信范圍和能量有限，且受到節(jié)點有限的存儲、計算等硬件條件的約束，使得節(jié)點無法存儲大量的路由信息，也不能進(jìn)行過于復(fù)雜的路由計算。因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由設(shè)計需要節(jié)點能夠利用局部的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒃谟邢薜馁Y源條件下實現(xiàn)簡單高效的路由機制。2.4網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)用相關(guān)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與具體的應(yīng)用環(huán)境密切相關(guān)，不同的應(yīng)用需求對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⑼ㄐ拍Ｊ降鹊囊笫遣灰粯拥?，?yán)格來說，沒有一種通用的路由協(xié)議能夠滿足所有的應(yīng)用場景。因此，需要根據(jù)不用的應(yīng)用需求，設(shè)計與之相適應(yīng)的路由協(xié)議。2.4網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)融合由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)為中心的，針對目標(biāo)對象的同一個事件信息，可能會被多個傳感器節(jié)點所獲取，同一個事件信息也可能會被多次傳輸，使得在網(wǎng)絡(luò)中形成大量的冗余信息。因此，還需要從冗余信息的壓縮消除方面來考慮路由協(xié)議的設(shè)計，以提高網(wǎng)絡(luò)帶寬的利用率和通信效率?？偟膩碚f，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計原則是需要結(jié)合具體應(yīng)用場景需求和路由協(xié)議特征進(jìn)行設(shè)計，滿足能量高效的要求，具備能夠適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化的可擴展性和快速收斂性，具備適應(yīng)因無線通信環(huán)境或無線鏈路不可靠而形成的具備容錯能力的魯棒性要求等，以確保整個網(wǎng)絡(luò)的正常運行。2.4網(wǎng)絡(luò)層2.4.2網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議分類無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由過程可以描述為這樣的建立過程：當(dāng)某一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點發(fā)出路由請求時，啟動路由發(fā)現(xiàn)過程；對應(yīng)的接收節(jié)點收到該請求后，回復(fù)應(yīng)答信息；對潛在的各條路徑開銷進(jìn)行評估分析和對比，這些開銷主要包括跳轉(zhuǎn)次數(shù)、時延等；將評估確定之后的最佳路由信息添加到此路徑上各個節(jié)點的路由表中。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點都會記錄一個路由表。路由表由目標(biāo)節(jié)點和下一跳地址組成，當(dāng)節(jié)點收到一個路由數(shù)據(jù)分組信息時，該節(jié)點將先檢查這個分組信息的目的地址，并將此地址與路由表中的目的地址進(jìn)行比對，如果匹配，則找出下一跳地址，再將此分組信息轉(zhuǎn)發(fā)給對應(yīng)的節(jié)點。節(jié)點之間相互通信，通過交換路由信息來維護(hù)和更新路由表。研究人員針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由特征，研究出了多種路由協(xié)議，可以根據(jù)采用的能量感知、網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)、源節(jié)點獲取路徑方法、路由發(fā)現(xiàn)過程、服務(wù)質(zhì)量等多種策略進(jìn)行分類，但并不僅限于此。2.4網(wǎng)絡(luò)層按能量感知分類能耗控制是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)運作的重要因素，早期的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議通常以能耗作為路由選擇的依據(jù)，分為能量感知路由協(xié)議和非能量感知路由協(xié)議。能量感知路由協(xié)議從網(wǎng)絡(luò)能耗出發(fā)，根據(jù)節(jié)點的可用能量或傳輸路徑上的能量需求情況，主要以最優(yōu)能耗控制傳輸路徑和網(wǎng)絡(luò)最長生命周期為目標(biāo)，選擇轉(zhuǎn)發(fā)路徑。2.4網(wǎng)絡(luò)層按網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)分類根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由過程中的層次結(jié)構(gòu)關(guān)系，可將路由協(xié)議分為平面路由協(xié)議和層次路由協(xié)議。在平面路由協(xié)議中，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的地位平等，各自的路由功能大致相同，其路由結(jié)構(gòu)簡單，但建立和維護(hù)路由的開銷較大，傳輸過程中的轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)相對較多，適合小規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。在層次路由協(xié)議中，網(wǎng)絡(luò)被劃分為多個簇，每個簇包含簇頭節(jié)點和簇內(nèi)節(jié)點，簇內(nèi)節(jié)點獲取信息并傳輸給簇頭節(jié)點，最后傳輸至終端節(jié)點。層次路由協(xié)議的優(yōu)勢是擴展性好，適合大規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，但簇頭節(jié)點的維護(hù)開銷遠(yuǎn)大于其他節(jié)點，所以一般采用符合網(wǎng)絡(luò)條件的節(jié)點來輪流擔(dān)任簇頭節(jié)點，以均衡簇頭節(jié)點能耗，降低簇頭節(jié)點因能耗而失效的可能性。2.4網(wǎng)絡(luò)層按源節(jié)點獲取路徑方法分類按源節(jié)點獲取路徑的方法，根據(jù)路由建立時機與數(shù)據(jù)發(fā)送的關(guān)系，可將路由協(xié)議分為主動路由協(xié)議、按需路由協(xié)議和混合路由協(xié)議。主動路由協(xié)議是根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸要求先創(chuàng)建好相應(yīng)的路徑，然后進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)傳輸。網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點需要周期性地向其他節(jié)點發(fā)送最新的路由信息，且各個節(jié)點可以根據(jù)需要構(gòu)建一個或多個路由表，以存儲更多的路由信息。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，節(jié)點就在整個網(wǎng)絡(luò)中廣播路由更新信息。按需路由協(xié)議是根據(jù)源節(jié)點要發(fā)送數(shù)據(jù)信息到目標(biāo)節(jié)點的需求條件下才在源節(jié)點發(fā)起建立路由任務(wù)，即根據(jù)需要創(chuàng)建路由表?；旌下酚蓞f(xié)議綜合利用了主動路由和按需路由兩種協(xié)議方式。通常情況下，針對網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)常使用且拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化不大的組成部分，采用主動路由協(xié)議；針對拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化較快或傳輸數(shù)據(jù)量較少的組成部分，采用按需路由協(xié)議。2.4網(wǎng)絡(luò)層按路由發(fā)現(xiàn)過程分類根據(jù)路由發(fā)現(xiàn)方式及其過程的不同，可將路由協(xié)議分為以位置為中心的路由協(xié)議和以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議。以位置為中心的路由協(xié)議即地理位置路由協(xié)議，將節(jié)點位置信息作為路由選擇的依據(jù)，在某個需求區(qū)域間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可實現(xiàn)縮減傳輸范圍，降低路由的能耗，延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議，不依賴于網(wǎng)絡(luò)中的特定節(jié)點，而是通過數(shù)據(jù)查詢方式進(jìn)行傳輸，可實現(xiàn)降低網(wǎng)絡(luò)中大量冗余數(shù)據(jù)信息的傳輸，從而減少網(wǎng)絡(luò)開銷，延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。2.4網(wǎng)絡(luò)層考慮服務(wù)質(zhì)量的路由選擇在某些應(yīng)用中，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠性、實時性等通信服務(wù)質(zhì)量有較高的要求，那么，就需要建立能夠保證服務(wù)質(zhì)量（QoS）的路由協(xié)議。一般根據(jù)時延、丟包率等QoS參數(shù)的分析計算，從而選擇一條最符合QoS應(yīng)用要求的路由；或者根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的具體業(yè)務(wù)需求，設(shè)計滿足相應(yīng)業(yè)務(wù)要求的QoS路由協(xié)議。路由協(xié)議的研究與設(shè)計是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的重要內(nèi)容，根據(jù)不同的應(yīng)用需求，已經(jīng)形成了多種路由協(xié)議。目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究還在不斷地發(fā)展，下面介紹幾種典型的路由協(xié)議。2.4網(wǎng)絡(luò)層2.4.3能量感知路由協(xié)議如何能夠長期穩(wěn)定地運行是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的關(guān)鍵問題，能耗控制是最基本的解決方法，早期的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議主要利用能量因素來考慮路由的建立。1．能量消耗2．能量感知路由3．能量多路徑路由2.4網(wǎng)絡(luò)層能量消耗在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，能量的消耗主要體現(xiàn)在節(jié)點及系統(tǒng)的運行上。分析無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的運行過程，其能耗主要包含計算相關(guān)和通信相關(guān)兩大因素。（1）計算相關(guān)因素的能耗（2）通信相關(guān)因素的能耗2.4網(wǎng)絡(luò)層計算相關(guān)因素的能耗計算相關(guān)因素的能耗是指對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、信號與信息等進(jìn)行處理時消耗的能量，主要涉及節(jié)點電路中CPU、存儲器等相關(guān)器件運行時所需要的能量。信息處理的復(fù)雜度是影響計算相關(guān)因素能耗的重要因素，復(fù)雜度越高，所需要的計算量也就越大，相應(yīng)的能耗也就越多。比如，數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)能夠減小信息傳輸或存儲時的數(shù)據(jù)包長度，但因為計算量的增加而加大了能耗。2.4網(wǎng)絡(luò)層通信相關(guān)因素的能耗無線通信模塊是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中的關(guān)鍵器件，其運動時的能耗較為明顯。無線通信模塊存在發(fā)送、接收、空閑和睡眠4種狀態(tài)，其中，發(fā)送狀態(tài)下消耗能量最大，接收狀態(tài)和空閑狀態(tài)下消耗能量次之，睡眠狀態(tài)下消耗能量最小。在考察節(jié)點能耗時，一般來說，計算量的降低可能會增加無線通信模塊的負(fù)擔(dān)，減小無線通信模塊的能耗也有可能導(dǎo)致計算能耗的增加。因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于能量感知的路由協(xié)議需要在能耗的兩類相關(guān)因素之間形成一個相互協(xié)調(diào)的平衡關(guān)系，從而達(dá)到提高節(jié)點能量使用效率的目的。2.4網(wǎng)絡(luò)層能量感知路由所謂能量感知路由，是根據(jù)無線傳