（电力电子与电力传动专业论文）基于ieee802154标准的无线传感器网络组网研究与实现.pdf

一一 些壁型 a b s t r a c t w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki sas p e c i a la d h o cn e t w o r k i th a s t h er a p i d d e p l o y m e n t 。f a u l tt o l e r a n c e s e l f - o r g a n i z a t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c s t h ea b o v ed e s c r i b e df e a t u r e se n s u r eaw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n sf o r s e n s o rn e t w o r k ss u c ha sm i l i t a r y , e n v i r o n m e n t ，h e a l t h ，i n d u s t r yc e n t r e la n ds oo n r e c e n ta d v a n c e si n w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，m i r c o - e l e t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ( m e m s ) t e c h n o l o g y , i n t e g r a t e dc i r c u i th a v e e n a b l e dt h ed e v e l o p m e n to fl o w - c o s t ，l o w - p o w e r , m u l t i - f u n c t i o n a ls e n s o rn o d e st h a ta r es m a l li ns i z ea n d c o m m u n i c a t e di ns h o r td i s t a n c e s t h em a t u r ei nt e c h n i q u ea n dp o t e n t i a l i t yo f a p p l i c a t i o nn e e d sa t t r a c tm o r e a n dm o r ec o n c e r n ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s sb e c o m i n gt h ed o m e s t i ca n di n t e m a t i o n a lr e s e a r c hh o ti n w i r e l e s sn e t w o r k i e e e 8 0 2 1 5 4c o m m u n i c a t i o np r o t o c o li st h e1 e e e ( i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s ) s t a n d a r di nl o w - r a t ew i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ( l r w 队n ) f i e l d i ti sa ni m p l e m e n to fp h y s i c a ll a y e r a n dm a cl a y e ro fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，i t s 州n c i 蒯p u r p o s ei s t op r o v i d ea w i d e l ya c c e p t e dc o m m u n i c a t i o ns t a n d a r df o rd e v i c e sw o r k i n go np e r s o n a lo p e r a t i o ns p a c e ( p o s ) b a s e do n t h i ss t a n d a r d ，v a r i o u sk i n d so ft o p o l o g yc o n t r o l a l g o r i t h m ，r o u t i n ga l g o r i t h ma n da p p l i c a t i o nc a nb e i m p l e m e n t e d a st h es e a r c hh o ts p o to fc u r r e n ti n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y f i e l d ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki sa n i n t e r d i s c i p l l n ew h i c hc o n s i s t so fs e v e r a li m p l e m e n tt e c h n o l o g y w ic l 出ea p p l i c a t i o ng o a l t h i st h e s i s r e s e a r c h e da n di m p l e m e n t e ds e r e r a l k e yt h c h n o l o g ye n v o l v ei nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sb a s e do n i e e e 8 0 2 1 5 4s t a n d a r d ，a n de n s u r e st h e s et h c h n o l o g i e sc o u l dw o r kt o g e t h e ri no n eh a r d w a r ep l a t f o r m t h e 血e s i s sc o n t t i b u t i o n sl i ei n ： ( 1 ) t h ed e v e l o p m e n to f w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kn o d e aw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kn o d eb a s e do nt i ，sm i c r o c o n t r o l l e rm s p 4 3 0 f 1 6 9a n dr fr a d i oc h i pc c 2 4 2 0i sd e v e l o p e d t h i sk i n do fn o d ei s c o m p l e t e l y c o m p a t i b l ew i t hi e e e 8 0 2 1 5 4s t a n d a r da n dc o u l db eu s e da se x p e r i m e n tp l a t f o r mt ov e r i f yt h e s t a n d a r d t h eh a r d w a r ed e s i g ng o a l ，d e s i g nt h o u g h sa n dt h ed e v e l o p m e n to fs e v e r a lk e ym o d u l e si s d e s c r i b e di nt h i sc h a p t e r4 ( 2 ) t h ea n a l y s i sa n di m p l e m e n to fi e e e 8 0 2 ，1 5 4p r o t o c o ls t a c k t h ei e e e 8 0 2 1 5 4n e t w c l r kp r o t o c 0 1 i n c l u d i n gp h y s i c a ll a y e ra n dm a cl a y e ri sd e e p l ys t u d i e d t h ek e yp a r t st oi m p l e m e n tt h es t a c ka r e a n a l y z e da n dt h ed e s i g no f t h e s ep a r t si sp r o v i d e d t h ef u n o t i o n sa n dw o r k i n gf l o wo f e a c hl a y e ro f t h e s t a c ki sg i v e n ，i n c l u i n gh a r d w a r ea b s t r a c t e dl a y e r ( h a l ) ，p h y s i c a ll a y e ra n dm a c l a y e r t h ew o r k i n g o f t h es t a c ki sv e r i f i e dt h r o u g ht h en o d ew e d e s i g n e d ( 3 ) t h er e s e a r c ha n di m p l e m e n to ft o p o l o g yc o n t r o la n dr o u t i n gp r o t o c 0 1 ac o m m o na p p l i c a t i o n b a c k g r o u n gi sg i v e na n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h et o p o l o g yc o n t r o la n dr o u t i n gp r o t o c o li sa n a l y z e d a v i r t u a lg r i db a s e dm u t i - h o pw i t hc l u s t e r si sp r o p o s e d t h ef r a m e w o r ko f t h ep r o t o c 0 1 t h ei m p l e m e n to f c l u s t e rs e l e c t i o n ，r o u t i n gm a i n t a n c ea n dd a t at r a n s f e ra r ep r o p o s e d t h ep r o t o c o lw a se n v a l u a t e dw i t h o m n e t + + t h ef u n c t i o n a l i t yo f r o u t i n g a n dt h et o p o l o g yc o n t r o la r ed o n eo nt h et e s tb e d ；t h e r e f o r et h e a p p l i c a b i l i t yo f t h i sr o u t i n gp r o t o c o li sv e r i f i e d 【k e yw o r d s w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，1 e e e 8 0 2 1 5 4 ，r o u t i n gp r o t o c o l ，c l u s t e r ，g e o g r a p h i c a la n d e n e r g ya w a r er o u t i n g ，m s p 4 3 0 ，c c 2 4 2 0 1 1 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我 所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的 全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 躲肄新虢出粤期：一 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景 随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟，众多具有通信、计算能 力的传感器通过无线方式连接，相互协作，共同完成特定的应用任务，这些微型传感器构成的无线 传感器网络( w s n ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ) 引起了人们的极大关注。 2 0 0 0 年1 2 月i e e e 成立了i e e e s 0 2 1 5 4 工作组致力于定义一种供廉价的固定、便携或移动设 备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线连接技术。而传感器网络是i e e e8 0 2 1 5 4 标准的主 要市场对象。将传感器和i e e e 8 0 2 1 5 4 设备组合，进行数据收集、处理和分析，就可以决定是否需 要或何时需要用户操作。满足i e e e 8 0 2 1 5 4 标准的无线发射，接收机及网络被m o t o r o l a 、p h i l i p s 、e a t o n 、 i n v e n s y s 和h o n e y w e l l 这些国际通信与工业控制界巨头们极力推崇。 基于i e e e 8 0 2 1 5 4 标准的无线传感器网络的研究越来越多，因此对合适的实验平台的需求也就 越来越强烈。本课题基于上述背景致力于研制出一种适合于实验室环境使用的，符合i e e e s 0 2 1 5 4 标准的无线传感器网络组网验证平台，包括符合该标准的硬件设备和软件协议栈。该平台将主要用 于基于i e e e s 0 2 1 5 4 标准的无线传感器网络组网验证和应用开发，为了验证平台应用的普适性本 课题还提出了一种基于网格的分簇多跳路由协议，该协议适合实验室范围内的监测传感器使用，并 在实验平台上加以验证。 1 2 无线传感器网络的结构 1 2 1 网络结构 典型的无线传感器网络结构如图1 - 1 所示。它包含传感器节点( s e n s o r n o d e ) 、汇聚节点( s i n k n o d e ) 和管理节点( m a n a g e r n o d e ) h i 。 传感器节点随机分布于检测区域通过自组织的方式构成网络。传感器节点对探测到的数据进 行初步处理后，以多跳中继的方式将数据传送至汇聚节点，然后经过卫星或是互联网等途径达到最 终用户所在的管理节点。终端用户也可以通过管理节点对无线传感器网络进行管理和配置发送监 测任务或是收集回传信息。 监测区域 点 图l ，1 无线传感器网络体系结构 传感器节点通常是微型的嵌入式设备，其处理能力、存储能力和通信能力相对较弱。通过携带 能量有限的电池供电。由于传感器节点通常部署在人类难以接近的区域，其电池能量无法补充或再 生，能量耗尽后就无法工作，导致了传感器网络的能量敏感性i j j 。从网络功能上，传感器节点兼顾 传统网络节点的终端和路由器的双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其他节点 转发的数据进行存储、管理、融合和转发等处理。 相对于普通的传感器节点，汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对较强，一般没有能 量限制。它发布管理节点的监测任务到整个网络中的传感器节点，同时收集监测到的数据，转发到 外部网络。汇聚节点可以是一个具有增强功能的传感器节点，有足够的能量供给和更多的内存与计 算资源；也可以是网关或基站，将无线传感器网络和外部网络连接起来，实现两种协议栈之间的通 信转换。 东南大学硕士学位论文 1 2 2 体系结构 无线传感器网络的体系结构由分层的网络通信协议、网络管理平台以及应用支撑平台组成，如 图l - 2 所示。 应用支棒平台 一匝囵 圃 卫 黼一 卫 一匹卫 琏 网络通信协议 同络管理平台 图l - 2 无线传感器网络的体系结构 ( 1 ) 分层的网络通信协议 类似于t c p i p 协议，它由物理层、数据链路层、网络层传输层和应用层组成1 4 】： l 物理层：提供简单健壮的信号调试和无线收发技术，为节点提供稳定的调制、传输 和接收系统。 i i 数据链路层：负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制，协调节点对无线媒质 的访问，减少相邻节点广播时的冲突。 i i i 网络层：负责路由生成和选择。 i v 传输层：负责数据流的传输控制，为传感器网络保持数据流或保证与互联网的连接。 从而保证通信服务质量。 v 应用层：为不同的应用提供了一个相对统一的高层接口。 ( 2 ) 网络管理平台 主要是对传感器节点自身的管理以及用户对传感器网络的管理，它包括了拓扑控制、 服务质量管理、能量管理、安全管理、网络管理等。 ( 3 ) 支撑应用平台 建立在分层网络通信协议和网络管理技术的基础之上，它包括一系列基于监测任务的 应用层软件，通过应用服务接口和网络管理来为终端用户提供各种具体应用的支持。 i 时间同步。通信协议和应用要求各节点间的时钟必须保持同步，这样多个传感器节 点才能相互配合工作，此外节点的休眠和唤醒也要求时钟同步。 i i 定位。节点定位是确定每个传感器节点的相对位置和绝对位置。 i i i 应用服务接口。无线传感器网络的应用是多种多样的。针对不同的应用环境，有各 种应用层的协议。 i v 网络管理接口。主要是传感器管理协议，用来将传感器数据传输到应用层。 1 2 3 节点结构 传感器节点由传感单元、处理单元、无线收发单元和电源单元等几部分组成如图1 3 所示 2 第一章绪论 图1 _ 3 传感器节点结构 ( 1 )传感单元。用于感知、获取监测区域内的信息，井将其转换为数字信号，它由传感器 和数模转换模块组成； ( 2 )处理单元。负责控制和协调节点各部分的工作，存储和处理自身采集的数据以及其他 节点发来的数据，它由嵌入式系统构成，包括处理器、存储器等： ( 3 ) 无线收发单元负责与其他传感器节点进行通信，交换控制信息和收发采集数据，它由 无线通信模块组成； ( 4 )电源单元能够为传感器节点提供正常工作所需的能源，通常采用微型电池。 此外，传感器节点还可以包括其他的辅助单元，如移动系统、定位系统和自供电系统等。由于 需要进行比较复杂的任务调度与管理，处理单元还需要包括一个功能较为完善的微型化嵌入式操作 系统。如美国u cb e r k e l e y 大学开发的t i n y o s 9 j 。 1 3 无线传感器网络的关键技术 作为当今信息领域的研究热点，无线传感器网络涉及多学科交叉的研究领域，所需研究的内容 可分为4 个部分：网络通信协议、核心支撑技术、自组织管理、开发与应用。每个部分都有许多关 键技术需要去研究和解决。 ( 1 )网络通信协议 无线传感器网络通信协议负责使各个独立的节点形成一个数据传输网络，研究重点是网络 层协议和数据链路层协议。网络层的路由协议决定观测信息的传输路径；数据链路层的介质访 问控制用来构建底层的基础结构，控制传感器节点的通信过程和工作模式。在无线传感器网络 中，路由协议不仅关心单个节点的能量消耗，更关心整个网络能量的均匀消耗，以延长网络的 生存期。传感器网络是应用相关的网络。网络协议的具体设计应根据应用特点和具体环境定制， 不存在适合所有应用的一般性协议 ( 2 ) 核心支撑技术 无线传感器网络的核心支撑技术使用网络通信协议提供的服务，并通过应用服务接口来屏 蔽底层网络的细节，使终端用户可以方便地对无线传感器网络进行操作。无线传感器网络依靠 这些丰富的核心支撑技术构成一个具体的面向特定应用的网络系统。 无线传感器网络主要包含的核心支撑技术有拓扑控制技术、节点定位技术，时间同步技术、 数据融台技术、网络安全技术等。 ( 3 ) 自组织管理 多变的网络状况及所在环境要求无线传感器网络具有自组织的能力，能够自动组网运行、 自行配置维护、适时转发监测数据。而自组织管理技术使终端用户可以方便地管理配置无线传 感器网络。 无线传感器的自组织管理技术包括节点管理、资源和任务管理、数据管理、初始化与系统 维护管理等。 ( 4 )应用层技术 应用层主要研究各种传感器网络应用系统的开发和多任务之间的协调。例如，为应用系统 开发提供有效的软件环境和软件工具，传感器网络程序设计语言，程序设计方法学，软件测试 工具。面向应用的系统服务，基于感知数据的理解，决策和举动的理论等等。 3 东南大学硕士学位论文 1 4 无线传感器网络的研究现状 传感器网络涉及传感器技术、网络通信技术、无线传输技术、嵌入式计算技术、分布式信息处 理技术、微电子制造技术、软件编程技术等多学科交叉的研究领域，具有鲜明的跨学科研究特点。 由于传感器网络的巨大应用价值，引起了世界各国军事部门、工业界和学术界的极大关注【”。 美国自然科学基金委员会于2 0 0 3 年制定了传感器网络研究计划，投资3 4 0 0 万美元支持相关基 础理论的研究。美国国防部和各军事部门都对传感器网络给予了高度重视，在c 4 i s r t 7 1 的基础上提 出了c 4 k i s r i j 计划、s m a r ts e n s o r - w e b 、灵巧传感器网络通信、无人值守地面传感器群、传感器组 网系统、网状传感器系统c e c 等，强调战场情报的感知能力、信息的综合能力和信息的利用能力， 把传感器网络作为个重要研究领域，设立了一系列的军事传感器网络研究项目。美国英特尔公司、 美国微软公司等信息工业界巨头也开始了传感器网络方面的工作，设立或启动了相应的行动计划。 日本、英国、意大利、巴西等国家也对传感器网络表现出了极大的兴趣，纷纷展开了该领域的研究 工作。 在国内，研究机构如中科院、清华大学、国防科技大学、电子科技大学、哈尔滨工业大学以及 浙江大学等学术团体也对传感器网络进行了跟踪研究。具体内容包括无线传感器结点的硬件设计、 操作系统、网络路由技术、节能技术、覆盖控制技术等。目前正处于研究和开发阶段，这是一个很 有意义的课题，是从理论到实践都需要大量研究的课题。 1 5 本文的组织安排 本文共分六章，具体组织安排如下： 第一章简要介绍无线传感器网络的体系结构和特点，分析无线传感器网络近期研究热点，对关 键技术做了简单叙述。介绍本文的工作，阐述全文组织安排。 第二章简要介绍了作为本文描述路由协议基础的i e e e8 0 2 1 5 4 协议，包括其主要功能、关键技 术和支持网络拓扑结构等。 第三章介绍无线传感器网络中拓扑控制技术和路由协议已有的成果，阐述这些协议的基本思想， 阐明其各自的优点与缺陷。详细分析了实验室应用场合特点，并提出了适合这些特点的基于网格的 分簇多跳路由协议并进行协议仿真分析。 第四章介绍了传感器节点硬件平台的构建，着重介绍了符合i e e e8 0 2 1 5 4 标准的2 4 g 无线收 发芯片c c 2 4 2 0 以及n 的低功耗单片机m s p 4 3 0 。 第五章详细介绍协议栈的设计思路和主要流程。包括i e e e8 0 2 1 5 4 的物理层和m a c 层、使用 第三章提出的路由协议的网络层以及涉及具体应用场合的应用层。 第六章介绍了i e e e 8 0 2 1 5 4 协议栈以及第三章提出的路由算法在第四章描述的硬件平台之上运 行的结果，验证了软、硬件系统设计的正确性。 第七章是对全文的总结，探讨今后进一步研究的方向。 4 第二章i e e e s 0 2 1 54 标准 第二章i e e e 8 0 2 1 5 4 标准 2 1i e e e 8 0 2 1 5 4 标准简介 i e e e $ 0 2 1 5 4 通信协议是短距离无线通信的i e e e 标准，它是无线传感器网络通信协议中物理层 与m a c 层的一个具体实现。 i e e e 于2 0 0 2 年开始研究制定低速无线个域网( w p a n ) 标准i e e e 8 0 2 1 5 4 1 9 】a 该标准规定 了在个域网( p a n ) 中设各之间的无线通信协议和接e l 。该标准采用载波监听多点接入冲突避免 ( c s m a c a ) 的媒体接入方式形成星形和点对点的网络拓扑结构。虽然采用基于竞争的接入方式， 但p a n 协调器可以通过超帧结构为所需要发送的即时消息的设备提供时隙。整个网络可以通过p a n 协调器接入其他高性能网络。 2 2 网络设备类型和网络拓扑 i e e e 8 0 2 1 5 4 网络州是指在一个个人操作空间( p o s ，p e r s o n a lo p e r a t i n gs p a c e ) 内使用相同无线 信道并通过i e e e 8 0 2 + 1 5 4 标准相互通信的一组设备的集合，又名l r - w p a n 网络。在这个网络中， 根据设备所具有的通信能力，可以分为全功能设备( f u l l f u n c t i o nd e v i c e ，f f d ) 和精简功能设备 ( m d u c e d - f u n c t i o nd e v i c e ，r f d ) 。f f d 设备之间以及f f d 设备与r f d 设备之间都可以通信。r f d 设 备之间不能直接通信，只能与f f d 设备通信，或者通过一个f f d 向外发送数据。这个与r f d 相关 联的f f d 设备称为该r f d 的协调器( c o o r d i n a t o r ) 。r f d 设备主要用于简单的控制应用，如灯的开 关、被动式红外传感器等，传输的数据量较少。对传输资源和通信资源占用不多，这样的r f d 设备 可以采用非常低廉的实现方案。 如图2 1 所示，在不同的应用场合下，l r - w p a n 可以有两种拓扑结构：星型拓扑( s t a r t o p o l o p y ) 或者点对点拓扑结构( p e e r _ t o p e e r t o p o l o p y ) 。在星型拓扑下，所有的网络设备都与一个中央控制器进 行通信，该中央控制器称为p a n 协调者。p a n 协调者是整个p a n 的主要控制者。p a n 协调者可能 使用稳定电源供电，而网络设备则是电池供电。星型拓扑主要用于家庭自动化，p c 外围设备，玩具 以及游戏，健康护理等。 氯受阉鬻对肆阉雉 同缮蜘 瓣睁谢 鸯葫簿薯尊 精僖琦蘸翟鲁 一簟馈送 图2 - 1 星形和点对点拓扑 点对点拓扑结构也具有p a n 协调者，但与星型结构不同的是，只要两个网络设备处于彼此的通 信范围内它们就可以互相通信而不需经p a n 协调者转发。点对点拓扑可以实现更加复杂的网络结 构，如簇型拓扑( c l u s t e rf r e et o p o l o g y ) 。这种拓扑结构适用于工业控制和监测，无线传感器网络智 能农业等应用场合。点对点网络可以自我组织和自我调整，也支持将来自一个网络中的设备发送的 消息多跳路由到另一个网络的设备上。 2 3i e e e 8 0 2 1 5 4 标准的体系结构 i e e e s 0 2 1 5 4 标准的体系结构基于o s l 的7 层模型，每一层都实现一部分通信功能，并向高层 提供服务。 如图2 - 2 所示。l r w p a n 设备主要由物理( p h y ) 层和数据链路层( m a c ) 层组成。物理层包括射 频收发器和对收发器的底层管理控制模块。m a c 层向上层提供物理信道的访问服务以及保证帧可靠 传输。上层包括提供网络配置，消息路由等服务的网络层和实现特定功能的应用层。在m a c 子层 和上层之间是逻辑链路控制( l l c ) 子层，该层通过服务汇聚子层( s s c s ) 接口使用1 e e e s 0 2 1 5 4 网络， 东南大学硕士学位论文 为应用层提供链路层服务。 l u p p e f l a y e r s 串i 匿j 黧：纛。j = 翟 ii 慝”；? 习 图2 - 2i e e e 8 0 2 1 5 4 协议层次图 有关每层的结构和完成功能将在以下章节详细介绍。 2 3 1 物理层 2 3 1 1 物理层功能概述 i e e e 8 0 2 1 5 4 标准规定物理层负责如下工作： 1 )激活和去活无线电收发器 2 )当前信道的能量检测 3 ) 发送链路质量指示 4 ) c s m a c a 的空闲信道评估 5 ) 信道频率的选择 6 ) 数据的发送与接收 i e e e 8 0 2 1 5 4 标准规定了2 7 个信道编号为o 2 6 ，跨越3 个频段具体包括2 4 g h z 频段的 1 6 个信道，9 1 5 m h z 频段的1 0 个信道，以及8 6 8 m h z 频段的1 个信道。这些信道的频段中心定义如 下 正= 8 6 8 3 m h z 正= 9 0 6 + 2 ( k 一1 ) m h z z = 2 4 0 5 + 5 ( k 一1 i ) m h z 其中k 表示信道编号。 2 3 1 2 物理层服务规范 扫；0 扣l ，2 ，l o l 刮l ，1 2 ，2 6 物理层( p h y ) 通过射频连接件和硬件提供m a c 层和无线物理信道之间的接口。 物理层在概念上提供了一个称为“p l m e ( p h y s i c a ll a y e rm a n a g e m e me n t i t y ) ”的管理实体，该 实体提供了用于调用物理层管理功能的管理服务接口。p l m e 还负责维护属于物理层的管理对象数 据库，该数据库被称为“物理层的个域网信息库( p a ni n f o r m a t i o nb a s e ，p i b ) ”。物理层的组件和接 口如图2 - 3 所示。 6 第二章i e e e 8 0 2 1 5 4 标准 图2 - 3 物理层参考模型 如图2 - 3 所示，i e e e s 0 2 1 5 4 标准中物理层提供两种服务：物理层数据服务和与物理层管理实 体接口的物理层管理服务。物理层数据服务确保在物理层无线电信道上物理层协议数据单元( p h y p r o t o c o ld a t au n i t s ，p p d u s ) 的接收和发送。物理层各功能实体和s a p 的具体描述如f ： p l m e ：p h y 层管理实体，处理与物理层管理相关的原语。 p h yp i b ：p h y 层p a n 信息数据库，存储物理层p a n 相关属性。 p d - s a p ：p h y 数据服务访问点，物理层与m a c 层的数据接口。接收将要发送的m a c 帧、向 m a c 层报告收到的m a c 帧，为m a c 层提供p h y 数据服务。 p l m e s a p ：p l m e 服务访问点，物理层与m a c 层的管理接口。接收m a c 的管理请求原语， 向m a c 层报告管理指示原语和确认原语，为上层m a c 层提供p h y 管理服务。 r f s a p , 射频服务访问点，为p h y 层提供射频收发服务。 2 3 2m a c 子层 2 3 2 1m a c 层功能概述 m a c 层用来处理所有对物理层的访问，并负责完成以下任务： ( 1 ) 如果设备是协调器，那么就需要产生网络信标 ( 2 )信标的同步 ( 3 )支持个域网络关联和去关联 ( 4 )支持设备安全规范 ( 5 )执行信道接入的c s m a c a 机制 ( 6 )处理和维护g t s 机制 ( 7 )提供等m a c 实体间的可靠链接 2 3 2 2m a c 层服务规范 m a c 层为s s c s 和p h y 提供了接口。m a c 层在概念上提供了一个称为“m l m e ( m a cl a y e r m a n a g e m e n te n t i t y ) ”的管理实体，该实体提供了用于调用m a c 等管理功能的管理服务接口。m l m e 还负责为维护属于m a c 层的管理对象数据库，该数据库被称为“m a c 层的个域网信息库( p a n i n f o r m a t i o n b a s e , p i b ) ”。m a c 层的组件和接口如图2 - 4 所示。 7 东南大学硕士学位论文 图2 - 4 m a c 层组件接口 如图2 4 所示，m a c 子层提供两种服务：m a c 层数据服务和m a c 层管理服务。前者保证m a c 协议数据单元在物理层数据服务中正确收发，后者维护一个存储m a c 子层协议状态相关信息的数 据库。 图2 - 4 中m a c 层各功能实体和s a p 的具体描述如下： m a cc o m m o np a r ts u b l a y c r ：m a c 公共部分子层( m c p s ) ，实现m a c 层一般功能。包括m a c 帧的封装、解封装、执行c s m m c a 算法共享物理信道。 m l m e ：m a c 层管理实体，处理除数据原语之外的所有管理原语以实现标准规定的m a c 层 功能，如超帧管理、信标帧同步、创建网络、建立释放网络关联等。 m a c p i b ：m a c 层p a n 信息数据库，存储m a c 层p a n 相关属性。 m c p s s a p ：m c p s 服务访问点，m a c 层与网络层的数据接日。接收上层的协议数据单元、向 上层报告m a c 层服务数据单元。为上层提供m a c 数据服务。 m l m e s a p ：m l m e 服务访问点，m a c 层与网络层的管理接口。接收发送数据原语以外的管 理服务原语，为上层提供m a c 管理服务。 2 4 本章小结 本章主要介绍了i e e e 8 0 2 1 5 4 标准的体系结构和支持的网络类型，并对i e e e s 0 2 1 5 4 标准主要 描述的物理层和m a c 层的基本结构、网络实体和功能做了介绍，为以后针对i e e e 8 0 2 1 5 4 标准进 行软硬件平台开发做了准备。 8 第三章基于网格的分簇多跳路由协议 第三章基于网格的分簇多跳路由协议 3 1 无线传感器网络的路由协议概述 3 1 1 无线传感器网络路由协议特征 路由协议的任务是在传感器节点和汇聚节点之间建立路由，从而可靠地传递数据。由于传感器 网络是资源受限的网络，因此路由协议的设计不能太复杂，不能在节点上保存太多信息，节点间不 能交换太多报文，等等。为有效完成上述任务，已有的很多路由协议大都利用了以下特征： ( 1 ) 由于传感器网络中节点众多，无法为每一个节点建立一个能在网络中唯一区别的标识，因 此传感器节点按数据属性寻址，而非传统的基于i p 的寻址； ( 2 ) 无线传感器网络需要从多个源节点向一个汇节点传送数据； ( 3 ) 原始监测数据中有大量冗余信息，路由协议往往合并数据减少冗余性，进而降低能量消 耗和发射功耗； ( 4 ) 传感器节点的传输能力、能量、处理能力和内存都非常有限，同时网络又具有节点数量众 多、动态性强、感知数据量大等特点，所以需要很好地对网络资源进行管理。 3 1 2 无线传感器网络路由协议分类 现有的对无线传感器网络路由协议分类方法主要有三种，一是按照获取路由信息的时机分类， 可以分为主动式路由协议和按需式路由协议；二是根据应用要求，传感器网络中的路由协议可分为 能量感知路由、基于查询的路由、地理位置路由和可靠性路由：三是根据路由是否考虑q o s 约束， 可分为保证q o s 的路由与不保证q o s 的路由；第四种，也是最常用的路由协议分类方法，就是根据 节点的组织关系是否有层次结构，又可分为平面路由和层次路由。 平面路由协议中，节点间地位平等，通过局部操作和反馈信息来生成路由。平面路由的优点是 网络中没有特殊的节点，网络流量均匀的分布在网络中，路由算法易于实现，但缺乏对通信资源的 优化管理，对网络动态变化的反应速度较慢。 典型的平面路由算法有：泛洪( f l o o d i n g ) 、闲聊l l “( g o s s i p i n g ) 、s p i n ”1 ( s e n s o r p r o t o c o l s f o r i n f o r m a t i o n v i a n e g o t i a t i o n ) 、定向扩散”“( d i r e c t e d d i f f u s i o n ) 、s a r 0 3 j ( s e q u e n t i a l a s s i g n m e n t r o u t i n g ) 等。 层次型路由协议与层次型拓扑有类似的结构，网络通常被划分为簇( c l u s t e r ) ，每个簇由一个簇 头和多个簇成员组成，低一级网络的簇头是高一级网络中的簇成员。在这种分级结构中，簇头节点 不仅负责簇内信息的收集和融合处理，还负责簇间数据转发。层次路由扔议中簇的形成通常是基于 节点的能量和其与簇头问的距离。 l e a c h i l 4 1 ( l o w - e n e r g y a d a p t i v ec l u s t e r i n gh i e r a r c h y ) 是第一个基于多簇结构的集群路由协议， 其成簇方法贯穿于其后提出的很多层次型路由协议中，如t e e n l l ”( t h r e s h o l ds e n s i t i v ee n e r g y e f f i c i e n ts e n s o r n e t w o r k ) 、p e g a s i s l l 6 1 等。 在下一节中，将对一些较为重要的路由协议，并对其核心路由机制、特点和优缺点等进行分析。 3 2 现有路由协议分析 3 2 1 平面型路由协议 ( 1 ) f l o o d i n g h g o s s i p i n g l l 0 1 f l o o d i n g 和g o s s i p i n g 协议是无线传感器网络中的两个经典的路由协议，与其它路由协议相比，它 们对网络拓扑的依赖性小。f l o o d i n g 是一种古老的洪泛式路由技术，它不需要维护网络的拓扑结构和 路由计算，每一个接收到数据包的节点都会把这个数据包广播给它所有的邻居节点，该过程重复执 行，直到数据包到达目的节点或到达最大跳数。g o s s i p i n g 协议则对f l o o d i n g 协议进行了改进，接收到 数据包的节点随机地选择一个没有发送数据的邻居节点，把数据包传送过去通过持续执行这个过 程达到传播数据的目的。 虽然f l o o d i n g 协议很容易执行，是一种较直接简单的实现方法但它有几个缺点。首先是信息的 9 东南大学硕士学位论文 内爆( i m p u l s i o n ) ，即一个信息会出现多个副本( 图3 1 ( a ) ) 。当节点a 广播信息后，节点b 和节点c 接收信息并广播，从而使节点d 接收到同一信息的两个副本。其次是会出现信息重叠( o v e r l a p ) 现 象，即两个相邻节点搜集的信息会有相似部分( 图3 一l ( b ) ) 。节点a 和节点b 收集的信息有相同的部 分a ，它们把信息传送给节点c 的时候，c 会接收到信，g a 的两个副本。最后是资源盲点( r e s o u m e b l i n d n e s s ) 的问题，无计划的盲目利用网络中有限的资源，会大大的降低网络生命周期。 ( a ) i m p u l s i o n( b ) o v e r l a p 图3 lf l o o d i n g 协议的缺陷 ( 2 ) s p i n l ”1 ( s e n s o rp r o t o c o l sf o ri n f o r m a t i o nv i a n e g o t i a t i o n ) 该协议以抽象的元数据对数据进行命名。节点产生或收到数据后，为避免盲目传播，用包含元 数据的a d v 消息向邻节点通告，需要数据的邻节点用r e q 消息提出请求，数据通过d a t a 消息发送 到请求节点。协议的优点是：d x a d v 消息减轻了内爆问题 通过数据命名解决了重叠问题；节点根 据自身资源和应用信息决定是否进行a d v 通告，避免了资源盲点问题。其缺点是：当产生或收到数 据的节点的所有邻节点都不需要该数据时，将导致数据不能继续转发以致较远节点无法得到数据。 ( 3 ) d i r e c t e dd i f f u s i o n f l 2 j 这是一个重要的基于数据的、查询驱动的路由协议，算法的主要思想是对网络中的数据用一组 属性对命名。当汇聚节点对某事件发出查询命令时就开始一个新的定向扩散过程，它由查询扩散， 初始梯度建立和数据传送三个阶段构成。汇聚节点广播包含属性列表、上报间隔、持续时间、地理 区域等信息的查询请求i n t e r e s t ( 本质上是设置一个监测任务) 。沿途节点按需对各i n t e r e s t 进行缓存与 合并，并根据i n t e r e s t 计算、创建包含数据上报率、下一跳等信息的梯度( g r a d i e n t ) ，从而建立多条 指向汇聚节点的路径。i n t