无线传感器网络能量最优路由协议研究与仿真硕士学位论文.doc

中图分类号： TP393.01 密 级： 公开 UDC： 本校编号： 硕 士 学 位 论 文论文题目：无线传感器网络能量最优路由协议研究与仿真独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含获得 兰州交通大学 或其他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。学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解 兰州交通大学 有关保留、使用学位论文的规定。特授权 兰州交通大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名： 导师签名：签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日 硕 士 学 位 论 文无线传感器网络能量最优路由协议研究与仿真The Research and Simulation of Energy Optimal Routing Protocol for Wireless Sensor Network兰 州 交 通 大 学Lanzhou Jiaotong University兰州交通大学硕士学位论文学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日摘 要传感器、嵌入式计算、网络和无线通信四大技术孕育了无线传感器网络。无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理、传输技术，通常包含大量的自组织成多跳无线网络的分布式传感节点。由于无线传感器网络具有组网快捷、灵活，且不受有线网络约束的优点，无线传感器网络可以被广泛的应用于军事，商业，医疗救护，环境监测等多方面，具有广泛的应用前景。无线传感器网络作为现代通信技术中一个新的研究领域，引起了学术界和工业界的高度重视。由于无线传感器网络通常由大量密集的传感器节点构成，节点的能源、计算能力和带宽都非常有限，传统的无线路由协议不适合无线传感器网络。无线传感器网络路由协议设计的首要目标是有效节约能源，延长网络生命周期。本文主要对无线传感网络路由协议进行了研究，主要工作包括以下几个方面： (1)根据无线传感器网络路由协议设计的要求，对经典的路由协议进行分析比对分析。 (2)对经典的以数据为中心的路由协议定向扩散算法进行学习，分析了定向扩散协议的关键技术。 (3)针对定向扩散协议存在的一些问题，引入了具有能量感知系统的临时Sink节点，提出了改进的能量感知扩散协议（EADR）。 在EADR算法中，节点的兴趣是有规律的扩散，并采用递归方式进行梯度建立和路径加强。(4)在MATLAB仿真平台上，对原定向扩散协议与EADR能量感知扩散协议进行仿真比较。仿真结果表明，改进后的路由协议EADR使得整个网络在较低的能耗水平下获得了较长的生命周期，具有较好的能量优化特性，适合大规模网络。关键词:无线传感器网络，路由协议，定向扩散，EADR 论文类型：应用基础研究- I -AbstractWireless sensor network, a new generation of sensor network, was formed by the combination of sensors embedded calculation, network and wireless communication technology. The WSN is widely applied in military, commercial, medical and environment monitoring fields. Because it is flexible and convenient.The wireless sensor network consists of a large quantity of sensor nodes whose power, calculation ability and bandwidth are so limited that traditional wireless routing protocol is not suitable for wireless sensor network, it is the key point to save power and prolong the lifetime of network in the research of wireless sensor network. In the article, we deeply research the router protocol of wireless sensor networks and do some work.According to wireless sensor network routing protocol design desire, we analysis the classic routing protocol.Study of the classic data-centric routing protocol Directed Diffusion proliferation, analysis the directional key technology of Directed Diffusion protocol.Directed Diffusion protocol exist some of the problems, the introduction of energy-aware systems with temporary Sink node to improve the proliferation of energy-aware protocol (EADR). At EADR, the interested data in there have disciplinarian way to diffusion, and use recursive manner to grads constitute and strengthen.In the MATLAB simulation platform, to comparison the Directed Diffusion protocol and Energy aware Diffusion Routing.The simulation results show that the improved routing protocol EADR make the entire network at a lower energy level to obtain a longer life cycle, with a better energy optimization of the characteristics, suitable large-scale network.Key Words：wireless sensor network；routing protocol；directed diffusion；EADR- 1 -目 录摘 要IAbstractII1 无线传感器网络概述11.1传感器网络体系结构11.1.1 传感器网络结构11.1.2 传感器网络节点21.2传感器网络的特征41.3传感器网络协议栈51.4 传感器网络的关键技术71.5本论文研究的目的和意义71.6本论文的主要工作和篇章结构82 无线传感器网络协议92.1传感器网络MAC层描述92.2典型的MAC层协议92.2.1 固定分配类MAC协议92.2.2 基于竞争类MAC层协议112.3路由协议132.4典型的路由协议142.4.1 泛洪路由协议142.4.2 以数据为中心的路由协议162.4.3 可靠路由协议182.4.4 分层次的路由协议192.5路由协议评价和设计中的考虑因素212.5.1 路由协议性能评价212.5.2路由协议设计中的考虑因素242.6本章小结253 定向扩散协议的研究与改进263.1定向扩散协议算法研究263.1.1 定向扩散协议的能耗模式263.1.2 定向扩散协议的算法细节273.2定向扩散协议算法关键技术283.2.1 兴趣扩散283.2.2 梯度建立283.2.3 路径加强293.3定向扩散协议算法的改进303.3.1 改进算法介绍303.3.2 原算法与改进算法的工作周期机制313.3.3 原算法与改进算法的功耗比对343.4本章小结364仿真测试与评价374.1仿真平台介绍384.2仿真参数设置394.3仿真条件假设394.4仿真场景生成394.5性能评价指标414.6仿真结果分析414.7本章小结50结 论52致 谢53参 考 文 献54附录一 58附录二 65攻读学位期间的研究成果73兰州交通大学硕士学位论文1 无线传感器网络概述传感器技术、通信技术和计算机技术是现代信息技术的三大支柱，它们分别完成被测量对象的信息提取、信息传输及信息处理工作1。目前，信息传输与处理技术已取得突破性进展，随着微电子技术的高速发展和工艺的日益成熟，传感器也朝着集成化、微型化、智能化的方向发展。在实际应用中，很多数据采集系统具有采集范围大、采集点众多、布线困难等特点，传统的传感器通过总线方式组网，很难满足各种应用要求。于是，融合了以上三大技术的无线传感器网络(Wireless Sensor Network)应运而生。无线传感器网络是由大量传感器节点通过无线通信技术组成的自组织网络，集数据的采集、传输、融合分析与一体，是信息技术的一个新领域，在军事侦察、环境监测、医疗监护、城市交通管理、仓储管理等领域具有广阔的应用前景2。 最早的传感器网络出现在上世纪七十年代，将传统传感器采用对点传输、连接传感控制器而构成传感器网络，我们称之为第一代传感器网络。随着传感器技术以及计算机技术的发展，传感器网络同时还具有了获取多种信息信号的综合处理能力，并通过传感控制器相联，组成了有信息综合和处理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络。而从上世纪末开始，现场总线技术开始应用于传感器网络，人们用其组建智能化传感器网络，大量多功能传感器被运用，并使用无线技术连接，无线传感器网络逐渐形成。 如果说因特网构成了逻辑上的信息世界，改变了人与人之间的沟通方式，那么无限传感器网络就是将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起，改变人类和自然界的交互方式。美国商业周刊和MIT技术评论在预测未来技术发展的报告中，已分别将无限传感器网络列为21世纪最有影响的21项技术和改变世界的10项技术之一3-4。1.1传感器网络体系结构1.1.1 传感器网络结构 无线传感器网络的定义：无线传感器网络是由一组传感器以Ad hoc方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发布给观察者5传感器网络结构如图1-1所示，传感器网络系统通常包括传感器网络节点（Sensor Node）、汇聚节点（Sink Node）和管理节点6。大量传感器网络节点随机部署在监测区域（Sensor Field）内部或附近，具有无线通信与计算能力的微小传感器网络节点通过自组织方式构成的能根据环境自主完成指定任务的分布式智能化网络系统，并以协作的方式实时感知、采集和处理网络覆盖区域中的信息，最后通过多跳网络将数据经由Sink节点链路将整个区域内的信息传送到远程控制管理节点。反之，远程管理节点也可以对网络节点进行实时控制和操纵。Internet/通信卫星任务管理节点用户传感区域传感器节点ABCDESink图1.1 一个典型的传感器网络的体系结构1.1.2 传感器网络节点传感器网络节点是无线传感器网络中部署到研究区域中孕育收集和转发信息、写作完成指定任务的对象。每个节点上运行的程序可以是完全相同的，唯一不同的是其ID。传感器网络节点由传感器模块，处理模块，无线通信模块和能量供应模块四部分组成7-9，如图1-2所示。存储器处理器收发器传感器数模转换定位系统能量模块移动系统图1.2 传感器网络节点结构（1）传感器模块：传感器模块是硬件平台中真正与外部信号量接触的模块，一般包括传感器探头和变送系统两部分，探头采集外部的温度、光度和磁场等需要传感的信息，将其送入变送系统，后者完成将上述物理量转化为系统可以识别的原始电信号，并且通过积分电路、放大电路的整形处理，最后经过A/D转换成数字信号送处理器模块。对于不同的探测物理量，传感器模块将采用不同的信号处理方式。因此，对于温度、湿度、光度、声音等不同的信号量，需要设计相应的检测与传感器电路，同时，需要预留相应的扩展接口，以便于扩展传感器等更多的物理信号量。（2）处理器模块：处理器模块是无线传感器网络节点的核心，负责整个节点的设备控制、任务分配与调度、数据整合与传输等多个关键任务，考虑无线传感器网络的实际特点，作为硬件平台的中心模块，除了应具备一般单片机的基本性能外，还应该有适合整个网络需要的特点。目前，处理器模块中使用较多的是ATMEL公司的AVR系列单片机，它采用RISC结构，吸取了PIC及8051单片机的优点，具有丰富的内部资源和外部接口。集成度方面，其内部集成了几乎所有关键部件；指令执行方面，微控制单元采用Harvard结构，因此，指令大多为单周期；能源管理方面，AVR单片机提供了多种电源管理方式，尽管节省节点能源，可扩展性方面，提供了多个I/O口，并且和通用单片机兼容，另外，AVR系列单片机提供的USART（通用同步异步收发器）控制器，SPI（串行外围接口）控制器，与无线收发模块相结合，实现了大吞吐量，高速率的数据收发。此外，TI公司的MSP430超低功耗处理器、Motorola公司和Renesas公司的处理器以及作为32位嵌入式处理器的ARM单片机，都在无线传感器网络方面得到了广泛应用。（3）无线手法模块：无线收发模块用于传感器节点间的数据通信，解决无线通信中载波频段选择、信号调制方式、数据传输速率，编码方式等，并通过天线进行节点间、节点与基站间数据的收发。目前，在无线通信领域应用较多的无线数传模块有Chipcon公司的CC1000、CC2420、CC1010，以及RFM公司的TR1000等，NORDICATMEL公司也有相关产品CC1000工作频带为315MHz，868MHz，915MHz，具有低电压、低功耗、可编程输出功率、高灵敏度、小尺寸、集成了位同步器等特点。其FSK数传可达72.8Kbit/s。具有250Hz步长可编程频率能力，适用于跳频协议，主要工作参数能通过串行总线接口编程改变，使用非常灵活，图1.3为CC1000的模块结构图。图1.3 CC1000的模块结构图（4）能量供应模块：能量供应模块作为整个无线传感器节点的基础模块，是节点正常顺利工作的保证。由于是无线网络，所以无法采用普通的工业电能，只能使用自己已存储的能源或者是自然界的给予。因此，采用什么能源，采取什么样的供电方式显得尤为重要，本模块中必须解决好能源消耗与网络运行可靠性的关系。1.2传感器网络的特征无线传感器网络是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，节点数目有时很庞大，节点分布密集，由于环境影响和能量耗尽，节点很容易出现故障。环境干扰和节点故障容易造成网络拓扑结构的变化。通常情况下，大多数传感器网络节点是固定不动的。此外，传感器网络节点的能量、信息处理能力、存储能力和通信能力等都十分有限。传感器网络节点使得无线传感网网络具有以下与传统网络不同的特点10-11。(1)通信能力有限。传感器网络的传感器的通信带宽有限而且经常变化，通信覆盖范围只有几十到几百米。传感器之间的通信断接频繁，经常导致通信失败。 (2)电源能量有限。电源能量约束是阻碍传感器网络应用的严重问题。在传感器网络设计过程中，任何技术和协议的使用都要以节能为前提，最大网络的生命周期。 (3)硬件资源有限。在无线传感器网络中，节点的计算能力与内存空间受到种种限制，如价格、体积、能耗，因此，相对于普通计算机，它们的功能要弱很多。 (4)传感器数量大、分布范围广。这个特点使得网络的维护十分困难甚至不可维护，传感器网络的软、硬件必须具有高强壮性和容错性。 (5)网络动态性强。网络的拓扑结构动态变化，节点加入网络或者从网络中分离的情况可以随时发生，使传感器、感知对象和观察者三者之间的路径也随之变化，但是不会对整个网络产生影响。传感器网络具有动态拓扑可重构和自调整性。(6) 多跳路由。由于网络中节点通信半径有限，故要想与更多的节点交换信息，就必须通过中间节点进行路由。无线传感器网络的路由无法像固定网络一样通过网关与路由器，而只能通过普通节点对信息的发送与转发完成。(7) 节点数量众多，分布密集。为保证对目标区域的监控任务能够完成，同一时间段内会有大量传感器被投入目标区域，传感器节点的分布相当密集，利用节点之间的高连通度保证系统的容错性和抗毁性。1.3传感器网络协议栈与传统互联网协议栈的5层协议相对应，传感器网络也提出了一个包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层的5层协议栈12-13，如图1.4所示。 上层应用定位系统管理时间同步QoS传输控制路由数据链路物理层系统管理应用系统管理与基础服务通信与组网图1.4传感器网络协议（1）物理层：以发送接收信号为主要功能的物理层首先要考虑的是信号的传输介质。目前游泳的无限传感器网络大部分是基于无线电通信的，在个别应用中也使用红外线和声波等方式。无线电通信面临的主要问题主要是无线频段的选择、信号调制技术和扩展频技术等。能耗和成本是无限传感器网络中必须首先考虑的性能指标，而物理层是解决无线传感器网络节点体积、成本及能耗的关键，因此物理层是无线传感器网络的研究重点之一。（2）数据链路层：数据链路层关注的重点是介质访问控制（MAC，Medium Access Control）。MAC协议负责在竞争的用户中分配信道资源。在传统网络中，主要有预置信道和随机分配信道两种基本信道分配原则。预置信道包括频分多址接入（FDMA，Frequency Division Multiple Access）、时分多址接入（TDMA，Time Division Multiple Access）、码分多址接入（CDMA，Code Division Multiple Access）和空分多址接入等（SDMA，Space Division Multiple Access）；随机分配信道包括802.11中使用的载波侦听多点接入（CSMA，Carrier Sense Multiple Access）和面向无线的（MACAW，Multiple Access with Collision Avoidance for Wireless）等。（3）网络层：网络层路由协议是网络中任意需要通信的两点间建立并维护数据传输路径的重要协议。无线传感器网络资源严格受限，没有全局统一的逻辑地址，且网络拓扑结构频繁发生变化，所以要求路由协议必须尽量简单且能够在网络整体上达到节能，延长网络生存时间。（4）传输层：传输层主要负责数据流的传输控制，在网络层的基础上为应用层提供一个可靠、高质量的数据传输任务。无线传感器网络长期工作在未知环境下，资源严格受限制，数据传输时采用多跳的通信机制，且多采用以数据为中心的工作模式，因此无线传感器网络中的传输层必须对传统的传输层协议进行改进。（5）应用层：应用层包括一系列基于监测任务的应用软件，由于远程测控是无线传感器网络目前主要应用，所以目前的研究热点之一是对大量传感器采集信息的分布式处理，以及其他面向应用的处理等。除了互联网协议栈相对应的5层协议外，协议栈还包括如下特殊子层。（1）定位和时间同步子层：由于不同节点的晶体振荡器频率存在偏差，以及应用环境温度和周围电磁波等的影响，即使一些节点从某一时刻开始达到精确的同步，但是，随着时间的推移，它们的误差会逐渐增加。实际应用中精确同步很难做到，分布式系统物理时钟服务定义了一个洗头中所允许的时钟偏移最大值，只要2个时钟之间的差值小于所定义的最大时钟偏移量，就认为2个时钟保持了同步。（2）系统管理子层：由于许多实际的无限传感器网络系统是在长期无人值守的条件下工作的，因此，需要对网络各个性能指标进行实时监测和对节点能力耗尽、功能失效等不正常现象提前报警，从而为及时排除网络故障或追加布设节点提供帮助。（3）拓扑生成子层：拓扑控制利用物理层、链路层或路由层完成拓扑生成，反过来又为它们提供信息支持，优化MAC协议和路由协议的协议过程，提高网络协议的整体效率，减少网络能力消耗。1.4 传感器网络的关键技术（1）网络拓扑控制14：通过拓扑控制自动生成的良好的网络拓扑结构，能够提高路由协议和MAC协议的效率，为数据融合、时间同步和目标定位等奠定基础，有利于节省能量来延长网络生存期。（2）网络协议：由于传感器网络节点计算能力、存储能力、通信能力以及携带的能力都十分有限，每个节点只能获取局部网络的拓扑信息，其上运行的网络协议也不能太复杂。同时，传感器网络除结构动态变化外，网络资源也在不断的变化，这些都对网络协议提出更高的要求。传感器网络协议负责使各个独立的节点形成一个多跳的数据传输网络，目前研究的重点是网络层路由协议和数据链路层协议。（3）时间同步：实现时间同步是传感器网络系统协同工作的一个关键机制。目前，已提出了多个时间同步机制，其中RBSTINY/MINI-SYNC和TPSN被认为是3个基本的同步机制。（4）定位技术：确定事件发生的位置或采集数据的节点位置是传感器网络最基本的功能之一，根据无线传感器网络的自身特点，定位机制必须满足自组织性、健壮性、能量高效性和分布式计算等要求。（5）数据融合：数据融合技术可以与无线传感器网络的多个协议层进行结合。因此，在设计无线传感器网络时，必须面向需求设计针对性强的数据融合方法，才能使系统最大限度的获益。（6）网络安全：传感器网络通常部署在无人维护、不可控制的环境中，除了具有一般无线传感器网络所面临的信息泄露、信息篡改、重防攻击、拒绝服务等多种威胁外，还面临传感器节点容易被攻击者物理操纵，并获取存储在传感器节点中的重要信息，甚至控制部分或全部网络的威胁。1.5本论文研究的目的和意义无线传感器网络的构想最初是由美国军方提出的，美国国防部高级研究所计划署（DARPA）于1978年开始资助卡耐基-梅隆大学进行分布式传感器网络的研究，这被看成是无线传感器网络的雏形。如今美国国防部远景计划研究局已投入几千万美元，帮助大学进行无线传感器网络技术的研发。美国所有著名的院校几乎都有研究小组从事传感器网络相关技术的研究，著名的有UC Berkeley的Smart Dusut项目、UCLA的WINS项目，以及多所研究机构联合攻关的SensIT计划等15。研究初期，人们一度认为成熟的Internet技术加上Ad-hoc路由机制对无线传感器网络的设计是足够充分的，但深入的研究表明16：传感器网络与传统网络有明显不同的技术要求。前者以数据为中心，后者以传输数据为目的。目前，对于无线传感器网络的研究主要集中在网络层和链路层，而网络数据传输离不开路由协议。由于无线传感器节点能量有限，且只具有局部网络信息，传感器网络中的路由协议具有很多传统网络路由协议所没有的特点。目前，学者们己经提出了大量针对无线传感器网络的特有路由协议，这些协议有着统一的目标就是建立高能效的路由以进行可靠的数据传输，从而使网络生命周期最大化。但是现有的无线传感器网络路由协议都存在一定的缺陷，本文的研究目的就是对现有无线传感器网络路由协议中的分级路由协议进行研究并改进，设计出新的、更适合于无线传感器网络特点的路由协议。1.6本论文的主要工作和篇章结构 本文在对无线传感器网络及各种路由协议学习和研究的基础之上，对其中一种分级路由算法定向扩散路由协议进行研究并改进，将改进前后的算法进行性能上的仿真比较，看改进后的算法是否达到了降低传感器节点的功耗，延长网络生存周期的目的。本文的主要篇章结构如下：第一章为绪论，首先对无线传感器网络作了概述，介绍了无线传感器网络的结构、特征、协议栈和关键技术等。然后阐述了本课题的研究目的、意义以及本文的主要工作。第二章对无线传感器网络的MAC层协议做了描述，重点对无线传感器网络的路由协议进行介绍，对比分析了现有的多种无线传感器网络路由协议和算法，归纳出了无线传感器网络路由的特点以及设计无线传感器网络路由协议时应该考虑的因素。第三章针对无线传感器网络中的定向扩散路由协议进行研究，并在原有算法的基础之上使用递归迭代进行改进，同时研究了原算法和改进算法的工作周期机制和能耗比对。第四章在是仿真测试与评价，将两种路由协议置于不同的网络规模下，观察改进后的算法在性能、功耗、吞吐量等方面是否优于原有的定向扩散算法。2 无线传感器网络协议2.1传感器网络MAC层描述传统MAC层协议的设计目标是最大化吞吐量、最小化时延并且提供公平性。而为传感器网络设计的MAC层协议关注的是最小化能耗，这就决定了它需要在某些性能方面进行折中，如通过适度的减小吞吐量和增加时延来保证低功耗要求等17。由于传感器网络的节点往往是通过多节点之间的协作来完成某些应用任务，为保证节点能耗均衡，从而使网络获得最大的生存周期，公平性也是需要考虑的问题。传感器网络节点无线通信模块的状态包括发送状态、接收状态、侦听状态和睡眠状态等，单位时间内消耗的能量按照上述顺序依次减少。所以，无线传感器网络MAC协议为了减少能量的消耗，通常采用“侦听/睡眠”交替的无线信道使用策略。当有数据收发时，节点就开启无线通信模块进行发送或侦听；如果没有数据收发，节点就控制无线通信模块进入睡眠状态，从而减少空闲侦听所造成的能量消耗。为了使节点在无线睡眠时不错过发送给它的数据，或减少空闲侦听，邻居节点间必须协调侦听和睡眠的周期，保证同时睡眠或唤醒。根据不同的应用，可以采用不同的协调机制。对MAC层协议的设计根据不同的无线网络的要求还有不同的问题存在，例如能量有限、实时性、分布式算法、灵活性、各性能间的平衡等。2.2典型的MAC层协议2.2.1 固定分配类MAC协议原有的固定分配类MAC层协议主要有频分多址接入（FDMA，Frequency Division Multiple Access）、时分多址接入（TDMA，Time Division Multiple Access）和码分多址接入（CDMA，Code Division Multiple Access）三种18-21。（1）SMACS/EAR协议SMACS/EAR（Self-Organizing Medium Access Control for Sensor Networks/Eavesdrop And Register）协议是结合TDMA和FDMA的基于固定信道分配的MAC协议。其基本思想是为每一对邻居节点分配一个特有的频率进行数据传输，不同节点对间的频率互不干扰，从而避免同时传输的数据之间产生碰撞。SMACS/EAR协议无需任何全局或局部主节点，就能发现邻节点并建立传输/接收调度表。链路由随即选择的时隙和固定的频率组成。虽然各子网内邻节点通信需要时间同步，但全网并不需要同步。在链接阶段使用一个随即唤醒机制，在空闲时关掉无线收发装置，来达到节能的目的。（2）TDM-FDM协议TDM-FDM协议是一个时分复用TDMA和频分复用FDMA的混合方案，每个节点都维护一个特殊的结构帧，类似于TDMA中的时隙分配表，节点据此调度它与相邻节点间的通信。FDMA技术提供多信道，使多个节点之间可以同时通信，有效地避免了冲突。由于预先定义的信道和时隙分配方案限制了对空闲时隙的有效利用，使得当业务量较小时信道利用率较低。（3）DEANA分布式能量感知节点活动协议（DEANA，Distributed Energy-Aware Node Activation）中将帧分为调度访问部分和随机访问部分。调度访问部分由多个时隙组成，某个时隙协商为特定节点发送数据的时间，其他节点在该时隙内处于接收状态或者睡眠状态。为了进一步节省能量，每个时隙又细分为前部的控制部分和后部的数据部分。如果节点在其发送时隙内有数据需要发送，则在时隙的控制部分发出控制消息，指出接收数据的节点ID，然后在时隙的数据部分发送出数据。在控制部分，所有节点都处于接收状态，如果节点不是数据接受者，则可以在随后的数据发送部分进入睡眠状态，以便减少接收不必要的数据。DEANA协议的时间帧分配如图2.1所示。控制 数 据调度访问随机访问图2.1DEANA协议的时间帧分配（4）TRAMA流量自适应介质访问协议（TRAMA，Traffic-Adaptive Medium Access）用基于流量的传输调度表来避免可能在接受者发生的数据表冲突，使节点在无接收要求时进入低能耗模式。TRAMA将时间分成时隙，用基于各节点流量信息的分布式选举算法来决定哪个节点可以在某个特定的时隙传输，以此来达到一定的吞吐量和公平性。TRAMA协议包括邻居协议（NP，Neighbor Protocol）、调度交换协议（SEP，Schedule Exchange Protocol）和自适应时隙选择算法（AEA，Adaptive Election Algorithm）。仿真显示22，由于节点最多可以睡眠87%，所以TRAMA节能效果明显。在于基于竞争类的协议比较时，TRAMA也达到了更高的吞吐量，因为它有效地避免了隐藏终端引起的竞争，但TRAMA的延迟较长，更适用于对时延要求不高的应用。2.2.2 基于竞争类MAC层协议“竞争”的含义是，链接到信道上的节点咨询某种规则征用信道，得到使用权的节点可以进行通信。基于竞争类的MAC协议一般使用广播式信道，连接到这条信道上的节点都可以向信道发送广播信息。传统的基于竞争类的MAC协议包括ALOHA和带有冲突监测的载波侦听多路存取CSMA23-25等。（1）S-MAC2002年提出的S-MAC（Sensor-MAC）是在IEEE802.11MAC协议基础上，针对传感器网络的节省能量需求而提出的传感器网络MAC层协议。S-MAC仍采用类似IEEE802.11中的方式来避免冲突，包括虚拟与物理的载波监听和RTS/CTS交换。S-MAC协议假设通常情况下传感器网络的数据传输量少，节点协作完成共同的任务，网络内部能够进行数据的处理和融合以减少数据通信量，网络能够容忍一定程度的通信延迟。它的主要设计目标是提供良好的扩展性，减少节点能量的消耗（2）T-MACT-MAC(Timeout-MAC)在S-MAC的基础上引入适应性占空比，来应付不同时间和位置上负载的变化。S-MAC协议通过周期性侦听/睡眠的工作方式来减少空闲侦听，因此，S-MAC中周期长度是不变的，节点的侦听时间也是固定的。这就意味着，为了保证可靠、及时地通信，节点的活动时间必须适应最高通信负载。这样，在负载较小的情况下，节点将在空闲侦听上耗费更多的时间。为了解决这个问题，T-MAC在保持整个周期长度不变的基础上，根据消息流量动态地终止了节点活动，通过设定细微的超时间隔（Fine-Grained Timeouts）来动态地选择占空比。在T-MAC协议中，仍采用S-MAC的RTS/CTS/DATA/ACK通信方式，节点按固定周期唤醒侦听一段时间TA，TA中若在信道上需要进行数据传送，则执行数据传送，此后再侦听时间TA；若在TA时间内未侦听到数据传送指令，则TA时间到时转入睡眠状态。通过这种动态改变活动时间的方式，减少了闲时监听浪费的能量，但仍可以保持合理的吞吐量。（3）MD对于很多应用，运行能耗远大于待机能耗，故Edgar H. Callaway提出通过减少占空比来获得低能耗和高电池寿命的MD（Mediation Device）协议。其中，节点在99.9%的时间处于睡眠，在醒来时发出询问信标。MD作为一个不停活动的仲裁者，通过接收有信息传输节点发出的RTS和目标节点的询问信标，协调2个节点暂时同步来传输数据。现有的几种主要的MAC层协议主要优缺点比较如表2.1所列。 表2.1 几种主要的MAC层协议主要优缺点比较MAC协议类型优点缺点适 用 场 景SMACS/EAR固定分配类无需全局范围内的时间同步，避免冲突，降低网络负载，并可实现移动节点和固定节点间的通信节点复杂性高，成本较高，不易实现，适用范围也有一定的局限性适用于子网较少或者移动节点较少，且移动节点周围静止节点较多的网络TDM-FDM固定分配类有效地避免了冲突业务量较小时信道利用率较低适用于业务量较大的应用场景DEANA固定分配类部分解决接收不必要数据的过度监听问题可扩展性差，不能很好地支持节点移动，对同步要求高适用于规模较小，且节点静止的应用场景TRAMA固定分配类具有较高吞吐率及较好的节能效果时延较大适用于对延时要求不高的应用场景S-MAC基于竞争类避免了冲突造成的能量浪费不易实现适用于拓扑变化频繁的网络T-MAC基于竞争类减少了空闲侦听功耗不易实现适用于可变负载的场景MD基于竞争类整个网络保持低功耗、低成本时延、能耗较大适用于大规模、节点低占空比运行且不需要高精度时钟的应用场景总的来说，基于固定分配类协议提供了可公平使用的信道，并且如果配备一个适当的调度算法，也可以很好地避免冲突。但许多协议需要使用全局信息来进行调度，这使得它们在大多数传感器网络中不可用，基于竞争的协议可以大幅度的减少冲突的机会，从而节约了能源，但它们通常很难保证实时性要求，适用于一些对可预见性要求不高的网络。2.3路由协议路由协议负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点，它主要包括两个方面的功能：寻找源节点和目的节点间的优化路径，将数据分组沿着优化路径正确转发。但在无线传感器网络中，由于节点能量有限且一般没有能量补充，因此路由协议需要高效利用能力，同时传感器网络节点数目往往很大，节点只能获取局部拓扑信息，路由协议要能在局部网络信息的基础上选择何时的路径。另外，传感器网络具有很强的应用相关性，所以不同应用中的路由协议可能差别很大，没有一个通用的路由协议。与传统网络的路由协议相比，无线传感器网络的路由协议具有以下特点26-27。第一，能量优先。传统路由协议在选择最优路径时，很少考虑节点的能量消耗问题。而无线传感器网络中节点的能量有限，延长整个网络的生存期成为传感器网络路由协议设计的重要目标，因此需要考虑节点的能量消耗以及网络能量均衡使用的问题。第二，基于局部拓扑信息。无线传感器网络为了节省通信能量，通常采用多跳的通信模式，而节点有限的存储资源和计算资源，使得节点不能存储大量的路由信息，不能进行太复杂的路由计算。因此，无线传感器网络的一个基本问题就是，如何在节点只能获取局部拓扑信息和资源有限的情况下，实现简单高效的路由机制。第三，以数据为中心。无线传感器网络中大量节点随机部署，所关注的是监测区域的感知数据，而不是具体哪个节点获取的信息，不依赖于全网唯一的标识。传感器网络通常包含多个传感器节点到少数汇聚节点的数据流，按照对感知数据的需求、数据通信模式和流向等，以数据为中心形成消息的转发路径。第四，应用相关。传感器网络的应用环境千差万别，没有一个路由机制适合所有的应用，设计者需要针对每一个具体应用的需求，设计与之适应的特定路由机制。针对传感器网络路由机制的上述特点，在根据具体应用设计路由机制时，要满足下面的传感器网络路由机制要求28-29。（1）能量高效。传感器网络路由协议不仅要选择能量消耗小的消息传输路径，而且要从整个网络的角度考虑，选择使整个网络能量均衡消耗的路由。在传感器网络中，不优化的路由不仅能消耗更多节点的能量，而且使某些节点过早失效，从而会把网络分割成多个孤立的部分。即使网络有比较充足的能量，有些节点的数据也不能传送到汇聚点。衡量传感器网络路由性能的一个重要指标，就是合理地使用网络中各个传感器网络节点的有限能量，使得网络保持连通性的时间更长的能力（2）可扩展性。在无线传感器网络中，监测区域范围或节点密度不同，都会造成网络规模大小不同；节点失败、新节点加人以及节点移动等，都会使得网络拓扑结构动态发生变化，这就要求路由机制具有可扩展性，以便适应网络结构的变化。（3）鲁棒性。能量用尽或环境因素造成传感器节点的失败，周围环境影响无线链路的通信质量以及无线链路本身的缺点等，这些无线传感器网络的不可靠特性要求路由机制具有一定的容错能力。（4）快速收敛性。传感器网络的拓扑结构动态变化，节点能量和通信带宽等资源有限，因此要求路由机制能够怏速收敛，以适应网络拓扑的动态变化，减少通信协议开销，提高消息传输的效率。2.4典型的路由协议相对于传统无线通信网络而言，传统无线通信网络研究的重点放在无线通信的服务质量（QoS）上，而无线传感器网络节点是随机分布，电池供电，因此目前无线传感器网络路由协议的研究重点是如何提高能量效率上，当前流行的几个无线传感器网络的路由协议可简单分为以下几个类别。2.4.1 泛洪路由协议（1）泛洪协议泛洪（Flooding）30协议是一种传统的无线通信路由协议。该协议规定，每个节点接受来自其他节点的信息，并以广播的形式发送给其他邻居节点。如此继续下去，最后将信息数据发送给目的节点。泛洪路由不进行维护网络拓扑和相关路由计算，只负责以广播形式转发数据包，因此效率不高。而且这个协议容易引起信息的“内爆”（Implosion），即一个节点可能得到一个数据多个副本的现象，传感器节点A将采集到的数据沿着不同的节点B, C传输，最终传给了同一个节点D，节点D对同一个数据收到了两次，如图2.2；还会引起消息“重置”（Overlap），即处于同一观测环境的两个相邻的同类传感器节点A和B同时对一个事件C作出反应，二者采集的数据性质相同，数值相近，这两个节点的邻居节点C将收到双份数据副本，造成资源的浪费，如图2.3。因此，在泛洪协议的基础上，提出了闲聊（Gossiping）协议。ACBDDataDataDataData图2.2 内爆CBAb,ca,cacb图2.3重叠（2）Gossiping协议Gossiping31协议是在泛洪协议的基础上进行改进而提出的。它传播信息的途径是通过随机的选择一个邻居节点，而不是用广播。获得信息的邻居节点以同样的方式随机地选择下一个节点进行信息的传递。如果一个节点第二次收到它的邻居节点的数据副本，则将此数据发回邻居节点，如图2.4。这种方式避免了以广播形式进行信息传播的能量消耗，节约能量，在一定程度上解决了信息“内爆”问题，但其代价是延长了信息的数据传输平均时延，传输速度变慢，并且无法解决部分重置现象和盲目使用资源问题。ECBDDSDataDataDataData图2.4数据重发现象2.4.2 以数据为中心的路由协议以数据为中心的路由协议是基于查询和对目标数据的命名之上的，通过数据聚合减少重复的数据传送。以数据为中心路由还可分为事