第2章无线传感器网络结构覆盖与拓扑

1、1第第2 2章章无线传感器网络结构、覆盖与连接无线传感器网络结构、覆盖与连接2 无线传感器网络结构、覆盖与连接无线传感器网络结构、覆盖与连接 一、网络体系结构的主要功能是组网与通信，是开展无一、网络体系结构的主要功能是组网与通信，是开展无线传感器网络研究的首要内容，是无线传感器网络得以正线传感器网络研究的首要内容，是无线传感器网络得以正常工作的基础。常工作的基础。 在无线传感器网络中，提高能量利用效率，研究和开发在无线传感器网络中，提高能量利用效率，研究和开发有效的、实用的无线传感器网络拓扑结构，开发专用的通有效的、实用的无线传感器网络拓扑结构，开发专用的通信协议和路由算法，设计有效的策略，延

2、长网络的生命周信协议和路由算法，设计有效的策略，延长网络的生命周期，是目前无线传感器网络研究的核心课题。期，是目前无线传感器网络研究的核心课题。2 二、无线传感器网络覆盖与连通问题是无线传感器网络二、无线传感器网络覆盖与连通问题是无线传感器网络的基本问题。无线传感器网络的覆盖面积是用于衡量无线的基本问题。无线传感器网络的覆盖面积是用于衡量无线传感器网络测量性能的一个重要指标。传感器网络测量性能的一个重要指标。2 无线传感器网络结构、覆盖与连接无线传感器网络结构、覆盖与连接3 2.1.1 应用需求与应用模式应用需求与应用模式2.1 无线传感器无线传感器网络体系结构网络体系结构 无线传感器网络是面

3、向应用的网络，它的体系结构设计无线传感器网络是面向应用的网络，它的体系结构设计应根据具体应用场景构建，体现在几个方面：应根据具体应用场景构建，体现在几个方面： 一、能量有效性需求一、能量有效性需求 二、智能化工作模式需求二、智能化工作模式需求 三、网络动态拓扑需求三、网络动态拓扑需求 四、低成本，通用性需求四、低成本，通用性需求4 2.1.2.1 无线传感器网络的布置无线传感器网络的布置2.1 无线传感器无线传感器网络体系结构网络体系结构 其生成过程分为随机类和固定类两种。随机类的生成一其生成过程分为随机类和固定类两种。随机类的生成一般有几步：般有几步： 一、投放一、投放 二、自检测和启动唤醒

4、状态二、自检测和启动唤醒状态 三、根据监测到周围节点的情况，采用相关的组网算法三、根据监测到周围节点的情况，采用相关的组网算法按预设的方式或规律结合形成网络按预设的方式或规律结合形成网络 四、根据路由算法选择合适的路径进行通信四、根据路由算法选择合适的路径进行通信5 生成过程图生成过程图：2.12.1 无线传感器无线传感器网络体系结构网络体系结构2.12.26 2.1.2.2 无线传感器网络功能结构无线传感器网络功能结构2.1 无线传感器无线传感器网络体系结构网络体系结构 （1）数据采集和计算）数据采集和计算 （6）设计和用法的多样性）设计和用法的多样性 （2） 通信通信 （7）兼容性）兼容性

5、 （3） 协同协同 （8）低能耗）低能耗 （4） 重配置重配置 （9）柔性功能的动态调整）柔性功能的动态调整 （5） 安全和保密安全和保密7 2.1.2.3 无线传感器网络逻辑结构无线传感器网络逻辑结构2.1 无线传感器无线传感器网络体系结构网络体系结构 （1）基础硬件层）基础硬件层 （2） 网络层网络层 （3） 中间件层中间件层 （4） 操作系统层操作系统层 （5） 应用层应用层8 2.1.2.4 典型的网络体系结构典型的网络体系结构2.1 无线传感器无线传感器网络体系结构网络体系结构 对于网状拓扑结构，节点通过选择最小传输功率对于网状拓扑结构，节点通过选择最小传输功率MTE路路径，通过多跳

6、将数据包中继到基站，而最小传输功率算法中，径，通过多跳将数据包中继到基站，而最小传输功率算法中，对于靠近基站的热点中继节点，容易过度使用从而造成能量对于靠近基站的热点中继节点，容易过度使用从而造成能量损耗过快，因此可以选用兼顾节点剩余功率的最小功率算法损耗过快，因此可以选用兼顾节点剩余功率的最小功率算法MTE2，在剩余功率超过平均剩余功率的节点中选择中继节，在剩余功率超过平均剩余功率的节点中选择中继节点，从而避免靠近基站的热点使用过度。点，从而避免靠近基站的热点使用过度。9 2.1.2.4 典型的网络体系结构典型的网络体系结构2.1 无线传感器无线传感器网络体系结构网络体系结构2.410传感器

7、网络的分层拓扑协议，传感器网络的分层拓扑协议，LEACH（Low-Energy Adaptive Clustering Hicrarchy），最小化网络传感器能），最小化网络传感器能量损耗为目标的分层式协议。假设节点数为量损耗为目标的分层式协议。假设节点数为N，簇头数目，簇头数目的期望值为的期望值为K，每个节点选择自己成为簇头的概率是：，每个节点选择自己成为簇头的概率是：2.1 无线传感器无线传感器网络体系结构网络体系结构mod/(*(/)( )0iKNKrNKP t( )1iC t ( )0iC t 11LEACH协议通过仿真验证的协议通过仿真验证的结果是结果是5%的节点担任簇头是的节点担任

8、簇头是最优的，然后通过一定的机最优的，然后通过一定的机制使每一个传感器节点都有制使每一个传感器节点都有自己的归属簇，并建立相应自己的归属簇，并建立相应的传输机制，当簇中某的传输机制，当簇中某一个一个节点发送数据时，其他节点节点发送数据时，其他节点都可以进入睡眠状态，减少都可以进入睡眠状态，减少能量消耗。能量消耗。2.1 无线传感器无线传感器网络体系结构网络体系结构12 2.1.2.4 典型的网络体系结构典型的网络体系结构2.1 无线传感器无线传感器网络体系结构网络体系结构2.513 目前无线传感器网络广泛借鉴一种细胞单元型网络结构目前无线传感器网络广泛借鉴一种细胞单元型网络结构进行体系结构的构

9、建。所谓细胞单元型网络结构，首先在一进行体系结构的构建。所谓细胞单元型网络结构，首先在一些区域中配制一系列的基站，每个基站周围形成一个细胞单些区域中配制一系列的基站，每个基站周围形成一个细胞单元并覆盖的区域，移动的无线网络节点和其他组件只要在该元并覆盖的区域，移动的无线网络节点和其他组件只要在该细胞单元的覆盖范围之内，就可以通过无线方式进行通信。细胞单元的覆盖范围之内，就可以通过无线方式进行通信。其缺点主要是细胞单元必须固定于某区域中，同时各细胞单其缺点主要是细胞单元必须固定于某区域中，同时各细胞单元必须经过精心设计，以便能够覆盖尽可能多的区域，并实元必须经过精心设计，以便能够覆盖尽可能多的区

10、域，并实现个细胞单元之间的通信。现个细胞单元之间的通信。2.1 无线传感器无线传感器网络体系结构网络体系结构14 节点的设计在不同应用中各不相同，但其基本原则是采节点的设计在不同应用中各不相同，但其基本原则是采用尽量灵敏的传感器，尽量低功耗的器件，尽量节省的信号用尽量灵敏的传感器，尽量低功耗的器件，尽量节省的信号处理，和尽量持久使用的电源。处理，和尽量持久使用的电源。 在目前的多种节点设计方案中，各方案的实现原理有一在目前的多种节点设计方案中，各方案的实现原理有一定的类似性，只是采用了不同的微处理器及无线通信协议。定的类似性，只是采用了不同的微处理器及无线通信协议。2.1 无线传感器无线传感器

11、网络体系结构网络体系结构 2.1.3网络节点体系结构网络节点体系结构152.1 无线传感器无线传感器网络体系结构网络体系结构2.6162.1 无线传感器无线传感器网络体系结构网络体系结构2.7172.1 无线传感器无线传感器网络体系结构网络体系结构2.8182.1 无线传感器无线传感器网络体系结构网络体系结构2.919 SinkSink节点的逻辑性是节点的逻辑性是SinkSink节点设计更具挑战性。仅作为节点设计更具挑战性。仅作为一个简单的路由器是不行的。一个简单的路由器是不行的。SinkSink节点需要设计成一个应用节点需要设计成一个应用级的网关，即对于应用级信息，级的网关，即对于应用级信息

12、，SinkSink节点要对其动作作出决节点要对其动作作出决策。策。2.1 无线传感器无线传感器网络体系结构网络体系结构 2.1.3网络节点体系结构网络节点体系结构20 传感器传感器网络与外部因特网是一个异构网络，从应用层以网络与外部因特网是一个异构网络，从应用层以下各层的协议均不相同，下各层的协议均不相同，SinkSink节点作为无线传感器网络与与节点作为无线传感器网络与与外部通信网络的连接，须具备应用级网关的功能外部通信网络的连接，须具备应用级网关的功能 无线传感器网络结构包括平面和层次化两类。平面结构无线传感器网络结构包括平面和层次化两类。平面结构中，所有节点都是对等的，在形态和功能上都是

13、相同的。当中，所有节点都是对等的，在形态和功能上都是相同的。当节点形成层次化结构时，特定层次的节点针对下一层次的部节点形成层次化结构时，特定层次的节点针对下一层次的部分节点完成特定任务。分节点完成特定任务。2.1 无线传感器无线传感器网络体系结构网络体系结构 2.1.4 层次化网络结构层次化网络结构21 层次化网络的感知层次化网络的感知 计算和数据传递功能不均匀地分布于计算和数据传递功能不均匀地分布于节点中，最低层中需要完成所有的感知任务，中间层需要完节点中，最低层中需要完成所有的感知任务，中间层需要完成所有的计算，而最高层的需要实现所有的数据传递成所有的计算，而最高层的需要实现所有的数据传递

14、. .2.1 无线传感器无线传感器网络体系结构网络体系结构 2.1.4.1 层次化网络结构描述层次化网络结构描述22232.1 无线传感器无线传感器网络体系结构网络体系结构2.10 传感器网络的功能分解能反映节点的物理特性，或者也可传感器网络的功能分解能反映节点的物理特性，或者也可能是一个简单的逻辑区分，比如，其中具有大范围通信能力能是一个简单的逻辑区分，比如，其中具有大范围通信能力的节点子集可以形成一个物理的等级化覆盖网络拓扑逻辑的节点子集可以形成一个物理的等级化覆盖网络拓扑逻辑2.1 无线传感器无线传感器网络体系结构网络体系结构 2.1.4.1 层次化网络结构层次化网络结构242.11 网

15、络中的节点子集可以根据对其他节点的服务功能进行逻网络中的节点子集可以根据对其他节点的服务功能进行逻辑分类，这些服务可能是数据融合、主流通信和簇头节点路辑分类，这些服务可能是数据融合、主流通信和簇头节点路径整合等，逻辑角色分配可能形成一个逻辑性等级化结构。径整合等，逻辑角色分配可能形成一个逻辑性等级化结构。2.1 无线传感器无线传感器网络体系结构网络体系结构 2.1.4.1 层次化网络结构层次化网络结构252.12 为了使网络消耗更加平衡，为了使网络消耗更加平衡，逻辑角色逻辑角色可以在网络中循环可以在网络中循环替换替换. .当当某个节点具有更高的计算能力时，计算任务将从计某个节点具有更高的计算能

16、力时，计算任务将从计算能力较低的节点中转移至此。如果没有这样的计算服务器，算能力较低的节点中转移至此。如果没有这样的计算服务器，那么每个节点簇中都必须选择出一个节点来完成数据融合的那么每个节点簇中都必须选择出一个节点来完成数据融合的任务。任务。 只有具有某些特定物理资源的节点能够完成某些特定的只有具有某些特定物理资源的节点能够完成某些特定的工作，如具有工作，如具有GPSGPS接收器的节点需要在位置或时间同步的过接收器的节点需要在位置或时间同步的过程中扮演领导角色。程中扮演领导角色。2.1 无线传感器无线传感器网络体系结构网络体系结构 2.1.4.1 层次化网络结构层次化网络结构26 将网络划分

17、为不同层的简单方法是手动建立网络。网络将网络划分为不同层的简单方法是手动建立网络。网络设计者具体制定哪个节点参与哪一层的工作。设计者具体制定哪个节点参与哪一层的工作。 离散型传感网络：网络中几个节点密集的小型子网络相离散型传感网络：网络中几个节点密集的小型子网络相对布置较远以形成一个独立的网络。在每个子网络中，采用对布置较远以形成一个独立的网络。在每个子网络中，采用短距离通信方式，能耗少，采用全向天线。不同簇之间的传短距离通信方式，能耗少，采用全向天线。不同簇之间的传感器不能相互通信。每个子网络中包含一个或几个具有长距感器不能相互通信。每个子网络中包含一个或几个具有长距离通信能力的节点。离通信

18、能力的节点。2.1 无线传感器无线传感器网络体系结构网络体系结构 2.1.4.2 层次化网络结构的建立层次化网络结构的建立27 层次化路由有两种形式：层次化路由有两种形式：一、查询到达目标节点的路由过程可以根据网络的层次特性一、查询到达目标节点的路由过程可以根据网络的层次特性发生变化发生变化二、节点的层次位置与节点地址可以相互编码得到。引入了二、节点的层次位置与节点地址可以相互编码得到。引入了常变的节点地址简化了路由的探寻过程。常变的节点地址简化了路由的探寻过程。 2.1 无线传感器无线传感器网络体系结构网络体系结构 2.1.4.2 层次化网络结构的建立层次化网络结构的建立28 无线传感器网络

19、的设计都面向应用，网络结构较为简单，无线传感器网络的设计都面向应用，网络结构较为简单，但对网络的功能结构很难在比较详细的级别上给出。基于智但对网络的功能结构很难在比较详细的级别上给出。基于智能检测的应用需求、网络规模和无线传感器网络的特点，参能检测的应用需求、网络规模和无线传感器网络的特点，参考考OSI7OSI7层体系结构，结合无线传感器网络的组织构成，提出层体系结构，结合无线传感器网络的组织构成，提出了一种带协议栈的层次式网络通信体系结构模型。了一种带协议栈的层次式网络通信体系结构模型。2.1 无线传感器无线传感器网络体系结构网络体系结构 2.1.4.3 层次化网络层次化网络通信体系结构通信

20、体系结构2930图2.13 网络通信体系结构模型2.1 无线传感器无线传感器网络体系结构网络体系结构 2.1.4.3 层次化网络层次化网络通信体系结构通信体系结构 1.1.基础层基础层 体系结构的底层，研究问题的核心是网络节体系结构的底层，研究问题的核心是网络节点的硬、软件资源，研究的主要内容包括：点的硬、软件资源，研究的主要内容包括：2.1 无线传感器无线传感器网络体系结构网络体系结构 2.1.4.3 层次化网络层次化网络通信体系结构通信体系结构31 新型传感器概念、理论和技术的研究新型传感器概念、理论和技术的研究 新型传感器材料和信息传感器装置的研究新型传感器材料和信息传感器装置的研究 恶

21、劣环境下可操作的传感器技术的研究恶劣环境下可操作的传感器技术的研究 单集成电路片的微型传感器技术的研究单集成电路片的微型传感器技术的研究 缩小传感器体积和重量的研究缩小传感器体积和重量的研究 传感器电源技术的研究传感器电源技术的研究 1.1.基础层基础层 体系结构的底层，研究问题的核心是网络节体系结构的底层，研究问题的核心是网络节点的硬、软件资源，研究的主要内容包括：点的硬、软件资源，研究的主要内容包括：2.1 无线传感器无线传感器网络体系结构网络体系结构 2.1.4.3 层次化网络层次化网络通信体系结构通信体系结构32 增强传感器计算能力、感知能力和感知精度的研究增强传感器计算能力、感知能力

22、和感知精度的研究 提高传感器健壮性和容错性的研究；提高传感器健壮性和容错性的研究； 传感器自校准与自测试技术的研究传感器自校准与自测试技术的研究 传感器制造和封装技术的研究传感器制造和封装技术的研究 嵌入式容错操作系统等软件系统研究嵌入式容错操作系统等软件系统研究 2.2.数据链路层数据链路层 研究的重点是研究的重点是MACMAC层：层：2.1 无线传感器无线传感器网络体系结构网络体系结构 2.1.4.3 层次化网络层次化网络通信体系结构通信体系结构33 考虑到网络环境存在噪声和传感器节点的移动性，其主考虑到网络环境存在噪声和传感器节点的移动性，其主要功能包括组帧、物理编址、帧检测、流量控制、

23、差错控制，要功能包括组帧、物理编址、帧检测、流量控制、差错控制，介质访问和数据流的多路技术等。介质访问和数据流的多路技术等。 该层协议的目标是向网络层提供可靠支持单播和多播的该层协议的目标是向网络层提供可靠支持单播和多播的软件接口，用于建立可靠的点到点或点到多点通信链路。软件接口，用于建立可靠的点到点或点到多点通信链路。 2.2.数据链路层数据链路层 研究的重点是研究的重点是MACMAC层：层：2.1 无线传感器无线传感器网络体系结构网络体系结构 2.1.4.3 层次化网络层次化网络通信体系结构通信体系结构34 无线传感器网络传输过程中不必要的能量损失主要包括：无线传感器网络传输过程中不必要的

24、能量损失主要包括：（1 1）数据帧的传输冲突）数据帧的传输冲突（2 2）射频通信媒体造成的冗余接收，即节点会接收目的地）射频通信媒体造成的冗余接收，即节点会接收目的地址不是自己的数据帧址不是自己的数据帧（3 3）节点间控制信息的交互。）节点间控制信息的交互。（4 4）即使在不可能有数据传输的时间内，空闲的监听状态）即使在不可能有数据传输的时间内，空闲的监听状态依然运行依然运行 2.2.数据链路层数据链路层 研究的重点是研究的重点是MACMAC层：层：2.1 无线传感器无线传感器网络体系结构网络体系结构 2.1.4.3 层次化网络层次化网络通信体系结构通信体系结构35 因此，因此，MACMAC协

25、议的设计重点是：防止通信冲突。协议的设计重点是：防止通信冲突。（1 1）控制主体的方式只能采用分布式控制，所有的工作站）控制主体的方式只能采用分布式控制，所有的工作站共同完成介质访问控制的功能，动态地决定发送数据的顺序共同完成介质访问控制的功能，动态地决定发送数据的顺序（2 2）控制手段宜选择异步式控制，根据工作站请求的容量）控制手段宜选择异步式控制，根据工作站请求的容量分配带宽，可采用循环、预约和竞争分配带宽，可采用循环、预约和竞争3 3种方式。种方式。 2.2.数据链路层数据链路层 研究的重点是研究的重点是MACMAC层：层：2.1 无线传感器无线传感器网络体系结构网络体系结构 2.1.4

26、.3 层次化网络层次化网络通信体系结构通信体系结构36 因此，因此，MACMAC协议的设计重点是：防止通信冲突。协议的设计重点是：防止通信冲突。在无线自组传感器网络中，在无线自组传感器网络中，MAC MAC 协议必须达到两个目标：协议必须达到两个目标：一、建立网络基础，一、建立网络基础，二、传感器节点间建立公平、有效的共享通信资源。二、传感器节点间建立公平、有效的共享通信资源。 3.3.网络层网络层 该层协议的功能是在网络中任意需要通信的该层协议的功能是在网络中任意需要通信的两点间建立并维护数据传输路径。两点间建立并维护数据传输路径。2.1 无线传感器无线传感器网络体系结构网络体系结构 2.1

27、.4.3 层次化网络层次化网络通信体系结构通信体系结构37 主要目标：以网络节能为基础，建立并维护多跳通信路主要目标：以网络节能为基础，建立并维护多跳通信路由表，根据本地地址信息和路由信息决定是否转发收到的数由表，根据本地地址信息和路由信息决定是否转发收到的数据帧，同时向应用层提供一个简单易用的软件接口，实现传据帧，同时向应用层提供一个简单易用的软件接口，实现传感器节点与用户之间的通信。感器节点与用户之间的通信。 4.4.数据融合层数据融合层 数据融合成遵循对感知信息数据融合成遵循对感知信息“先融合先融合后传输后传输”的原则，通过简单有效的算法，将簇头节点接收到的原则，通过简单有效的算法，将簇

28、头节点接收到的多源感知信息进行融合（关联、组合、分类、统计）已形的多源感知信息进行融合（关联、组合、分类、统计）已形成更小、更确定的出口帧转发给下一跳。成更小、更确定的出口帧转发给下一跳。2.1 无线传感器无线传感器网络体系结构网络体系结构 2.1.4.3 层次化网络层次化网络通信体系结构通信体系结构38 最终目的是利用多个传感器共同联合操作的优势，提高最终目的是利用多个传感器共同联合操作的优势，提高整个系统的有效性。整个系统的有效性。 4.4.数据融合层数据融合层2.1 无线传感器无线传感器网络体系结构网络体系结构 2.1.4.3 层次化网络层次化网络通信体系结构通信体系结构39 信息融合的

29、典型方法：信息融合的典型方法：（1 1）加权平均法。）加权平均法。（2 2）投票法。）投票法。（3 3）贝叶斯融合方法）贝叶斯融合方法（4 4）统计决策理论）统计决策理论（5 5）证据融合方法）证据融合方法（6 6）模糊逻辑方法）模糊逻辑方法 5.5.传感应用层传感应用层2.1 无线传感器无线传感器网络体系结构网络体系结构 2.1.4.3 层次化网络层次化网络通信体系结构通信体系结构40 传感器网络的应用层为用户接入网络提供了接口，同时传感器网络的应用层为用户接入网络提供了接口，同时也提供了对多种服务的支持。也提供了对多种服务的支持。 传感应用层将传感器节点感知的各种信号转为网络可用传感应用层

30、将传感器节点感知的各种信号转为网络可用的比特字节流，并根据不同的监测任务，开发和使用不同的的比特字节流，并根据不同的监测任务，开发和使用不同的应用软件。应用软件。 典型任务包括：感知信息的采用处理和发送任务、网络典型任务包括：感知信息的采用处理和发送任务、网络节点状态管理、网络节点任务管理等。节点状态管理、网络节点任务管理等。 6.6.传输层传输层2.1 无线传感器无线传感器网络体系结构网络体系结构 2.1.4.3 层次化网络层次化网络通信体系结构通信体系结构41 按照传感器网络的需求产生数据流，负责数据流的传输按照传感器网络的需求产生数据流，负责数据流的传输控制。当传感器网络需要和因特网或其

31、他外部网络连接时需控制。当传感器网络需要和因特网或其他外部网络连接时需要传输层作用。要传输层作用。 分层管理平台分层管理平台2.1 无线传感器无线传感器网络体系结构网络体系结构 2.1.4.3 层次化网络层次化网络通信体系结构通信体系结构42（1 1）能量管理平台）能量管理平台能量有效管理平台管理网络节点如何有效使用能量，在各个能量有效管理平台管理网络节点如何有效使用能量，在各个协议层都需要考虑节省能量。例如，传感节点在接收数据帧协议层都需要考虑节省能量。例如，传感节点在接收数据帧后立刻关闭自己的接收装置，同样发送数据帧后关闭发送装后立刻关闭自己的接收装置，同样发送数据帧后关闭发送装置。当一个

32、节点的能量比较低时，广播告知相邻节点它的能置。当一个节点的能量比较低时，广播告知相邻节点它的能量很低不参加路由信息，剩余的能量用于保留感知信息。量很低不参加路由信息，剩余的能量用于保留感知信息。 分层管理平台分层管理平台2.1 无线传感器无线传感器网络体系结构网络体系结构 2.1.4.3 层次化网络层次化网络通信体系结构通信体系结构43（2 2）任务管理平台）任务管理平台任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度监测任务，为任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度监测任务，为某一特殊区域的传感器节点安排任务和时间计划。因此节点某一特殊区域的传感器节点安排任务和时间计划。因此节点是否执行任务就取决

33、于节点能源级别和任务管理平台对当前是否执行任务就取决于节点能源级别和任务管理平台对当前状态的判决。状态的判决。 分层管理平台分层管理平台2.1 无线传感器无线传感器网络体系结构网络体系结构 2.1.4.3 层次化网络层次化网络通信体系结构通信体系结构44（3 3）节点管理平台）节点管理平台 节点管理平台用来执行节点发现，探测邻居节点状态变迁、节点管理平台用来执行节点发现，探测邻居节点状态变迁、移动等任务管理，知道了他们的相邻节点，就能平衡地利用移动等任务管理，知道了他们的相邻节点，就能平衡地利用能量和完成任务。同时维护到能量和完成任务。同时维护到SinkSink节点的路由，并保证节点节点的路由

34、，并保证节点获得邻居状态信息，以平衡网络能量消耗和任务管理。获得邻居状态信息，以平衡网络能量消耗和任务管理。2.1 无线传感器无线传感器网络体系结构网络体系结构45图2.14 无线传感器网络分层结构模型与OSI模型对比2.1 无线传感器无线传感器网络体系结构网络体系结构46图2.15 无线传感器网络分层结构TCP/IP协议对比2.1 无线传感器无线传感器网络体系结构网络体系结构47图2.15 无线传感器网络分层结构TCP/IP协议对比482.2 无线无线传感器传感器网络拓扑结构及控制网络拓扑结构及控制 无线传感器网络与传统的无线网络有着不同的特点和技术无线传感器网络与传统的无线网络有着不同的特

35、点和技术要求。要求。 无线传感器的目标是提供能量利用效率，研究和开发有效无线传感器的目标是提供能量利用效率，研究和开发有效的实用的无线传感器网络拓扑结构，开发专用的通信协议和的实用的无线传感器网络拓扑结构，开发专用的通信协议和路由算法，设计有效的策略，延长网络的生命周期。路由算法，设计有效的策略，延长网络的生命周期。492.2 无线无线传感器传感器网络拓扑结构及控制网络拓扑结构及控制 2.2.1 2.2.1 拓扑结构分类拓扑结构分类 按组网形态和方式：集中式、分布式和混合式。按组网形态和方式：集中式、分布式和混合式。 按节点功能及结构层次：平面网络结构、分级网络结构、按节点功能及结构层次：平面

36、网络结构、分级网络结构、混合网络结构以及混合网络结构以及MeshMesh网络结构。网络结构。502.2 无线无线传感器传感器网络拓扑结构及控制网络拓扑结构及控制 2.2.1 2.2.1 拓扑结构分类拓扑结构分类 （1 1）平面网络结构）平面网络结构 图2.16 无线传感器网络平面网络结构512.2 无线无线传感器传感器网络拓扑结构及控制网络拓扑结构及控制 2.2.1 2.2.1 拓扑结构分类拓扑结构分类 （2 2）分级网络结构）分级网络结构 图2.17 无线传感器网络分级网络结构522.2 无线无线传感器传感器网络拓扑结构及控制网络拓扑结构及控制 2.2.1 2.2.1 拓扑结构分类拓扑结构分

37、类 （3 3）混合网络结构）混合网络结构 图2.18 无线传感器网络混合网络结构532.2 无线无线传感器传感器网络拓扑结构及控制网络拓扑结构及控制 2.2.1 2.2.1 拓扑结构分类拓扑结构分类 （4 4）MeshMesh网络结构网络结构 图2.19-20 完全连接网络结构和Mesh结构542.2 无线无线传感器传感器网络拓扑结构及控制网络拓扑结构及控制 2.2.1 2.2.1 拓扑结构分类拓扑结构分类 （4 4）MeshMesh网络结构网络结构 图2.21 采用分级网络结构的Mesh结构结构552.2 无线无线传感器传感器网络拓扑结构及控制网络拓扑结构及控制 2.2.2 2.2.2 拓扑

38、发现拓扑发现 拓扑发现一般指网络管理员利用专用的网络管理软件自拓扑发现一般指网络管理员利用专用的网络管理软件自动生成网络的拓扑结构。动生成网络的拓扑结构。 无线传感器网络是自组织网络，形成由节点自主完成，无线传感器网络是自组织网络，形成由节点自主完成，在建立的初始阶段，需要采取一定的拓扑生成机制。在建立的初始阶段，需要采取一定的拓扑生成机制。 类似于晶体生成，成簇方式一般有单晶方式和多晶方式类似于晶体生成，成簇方式一般有单晶方式和多晶方式两种。两种。562.2 无线无线传感器传感器网络拓扑结构及控制网络拓扑结构及控制 2.2.2 2.2.2 拓扑发现拓扑发现 图2.22 单晶方式生成的簇状树结

39、构572.2 无线无线传感器传感器网络拓扑结构及控制网络拓扑结构及控制 2.2.3 2.2.3 无线传感器网络拓扑控制无线传感器网络拓扑控制（1）降低节点能量消耗，延长网络生存时间（2）位路由协议提供基础（3）利于分布式算法的应用（4）有利于数据融合（5）降低节点通信干扰，提高网络吞吐量。582.2 无线无线传感器传感器网络拓扑结构及控制网络拓扑结构及控制 2.2.3 2.2.3 无线传感器网络拓扑控制算法无线传感器网络拓扑控制算法（1 1）基于节点度数的）基于节点度数的LMALMA和和LMNLMN算法算法 限定节点度数的上限和下限，通过动态调整节点的发射限定节点度数的上限和下限，通过动态调整节点的发射功率，使得节点度数处于上下限之间。功率，使得节点度数处于上下限之间。 保证网络连通的同时，使得节点之间的链路具有一定的保证网络连通的同时，使得节点之间的链路具有一定的冗余性和可扩展性。冗余性和可扩展性。（2 2）基于临近图的）基于临近图的DRNGDRNG和和DLMSTDLMST算法算法