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1、第3章 无线传感器网络关键技术,3.1 无线传感器网络的路由技术 3.2 无线传感器网络的链路层技术 3.3 ZigBee 3.4 小结,3.1 无线传感器网络的路由技术 无线传感器网络路由协议的目的是将消息分组从源节点(通常为传感节点)发送到目的节点(通常为汇聚节点)，因此需要完成两大功能：一是选择适合的优化路径，二是沿着选定的路径正确转发数据。尽管传统的无线局域网络或者移动Ad Hoc网络基于提高服务质量(QoS)和公平性提出了很多路由协议，但这些协议的主要任务不是考虑网络的能量消耗，而是追求使端到端的延迟最小、网络利用率最高以及避免通信拥塞和均衡网络流量的最优路径。而无线传感器网络节点有
2、能量限制，且考虑到网络节点数目通常很大，节点只能通过获取的局部拓扑信息来构建路由，以及无线传感器网络,本身具有较强的应用相关性，再考虑到数据的融合处理，因此不仅传统无线网络路由协议不再适合，而且也很难设计一个适合的无线传感器网络的通用路由协议。其中，无线传感器网络路由协议设计的一个主要目标就是在执行数据通信功能的前提下尽可能地延长网络的寿命，并通过积极的能量管理技术避免网络连接性因节点能量不足而造成的恶化。 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：,(1) 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，如何延长整个
3、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。 (2) 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。在节点只能获取局部拓扑信息和资源有限的情况下，如何实现简单、高效的路由机制是无线传感器网络的一个基本问题。,(3) 以数据为中心。传统的路由协议通常以地址作为节点的标识和路由的依据，而无线传感器网络中大量的节点随机部署，所关注地是监测区域的感知数据，而不是具体由哪个节点获取的信息，因此是不依赖于全网的唯一的标识。传感器网络
4、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，形成以数据为中心的消息的转发路径。 (4) 应用相关。传感器网络的应用环境千差万别，数据通信模式各不相同，没有一个路由机制适合所有的应用，这是传感器网络应用相关性的一个体现。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的要求： (1) 高效地使用能量。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机制。传感器节点的资源有限，
5、传感器网络的路由机制要能够简单而且高效地实现信息传输。 (2) 可扩展性。在无线传感器网络中，检测区域范围或节点密度不同，造成网络规模的大小不同；节点失败、新节点加入以及节点移动等，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，能够适应网络结构的变化。,(3) 鲁棒性。能量用尽或因环境因素造成传感器节点信息传输的失败、周围环境对无线链路的通信质量的影响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。由于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快速收敛，以适应网络拓扑的动态变化
6、，减少通信协议开销，提高消息传输的效率。,3.1.1 路由协议的分类 在无线传感器网络中，由于网络内节点的资源有限、应用背景特殊，数据包的传输需要通过多跳通信方式到达目的节点，因此路由协议的设计是无线传感器网络中的一项基本支撑技术。传统无线网络的路由设计以避免网络冲突、保证网络的连通性以及提供高质量的网络服务为主要目的，在路由协议的实现过程中，首先利用网络层定义的逻辑上的网络地址来区别不同节点以便实现数据交换，然后通过路由选择算法决定到达目的节点的最佳路径。与传统网络不同，虽然无线传感器网络与Ad Hoc网络极为相似，但是在网络特点、通信模式和数据传输要求等方面却还是有较大差异。,虽然当前Ad
7、 Hoc网络路由协议的研究相对比较成熟了，但是传统的Ad Hoc网络路由协议不能适用于无线传感器网络。具体表现在如下几个方面： (1) 无线传感器网络是以数据为中心进行路由的网络，类似于分布式网络数据库，要查询的数据分布在全部或者部分节点中，而不同于Ad Hoc网络的点对点通信模式。 (2) 无线传感器网络随应用需求而变化，因此无线传感器网络的路由协议是基于特点应用进行设计的，所以很难设计出通用性强的路由协议。,(3) 无线传感器网络邻近节点间采集的数据具有相似性，存在冗余信息，需要经过数据融合(Data Fusion)处理后再进行路由。 (4) 传统网络(包括有线和无线网络)每一个节点都具有
8、唯一的标识号(ID)。而无线传感器网络是基于属性进行寻址(Attribute-Based Ad-Dressing)的，不需要给每一个节点分配唯一的地址。 (5) 由于无线传感器网络节点能量有限，所以路由设计一般将“能效高”放在第一位，将“服务质量(QoS)”放在第二位考虑，因此无线传感器网络必须设计新的讲究高能效的路由协议。,(6) 无线传感器网络的一个重要特征就是资源受限，网络内的每个传感器节点通常使用能量有限、不便于更换的电池，而且由于受节点规格大小的限制，节点的处理能力、存储能力、通信能力均为有限。 (7) 在无线传感器网络中由于能量有限及环境的干扰，节点本身比较脆弱易损，节点的失效概率
9、比较大；再加上节点间进行无线通信也要消耗能量，随着能量的消耗，每个节点的通信能力下降、通信范围减小，因此无线传感器网络的拓扑结构不确定，而是动态变化的。,根据无线传感器网络的特点，要求路由协议的设计必须要以节能为首要目的，使用户在延长网络寿命的同时获得较优的网络吞吐率，降低网络的通信延迟。通过对无线传感器网络路由协议特点的分析可以看出，一个好的无线传感器网络体系结构中的网络层路由协议应该满足如下几个条件： (1) 高效利用有限的节点能量，在满足无线传感器网络通信的前提下，最大限度地延长网络寿命，使低网络能耗均匀地分布在每个节点上。 (2) 满足无线传感器网络拓扑结构的动态变化，提高网络的鲁棒性
10、，路由协议尽量分布式运行。,(3) 尽可能减少节点间通信负载的冗余，节约有限的能量和通信资源；路由协议设计时以数据为中心，采用数据融合等技术降低通信负载。 (4) 满足无线传感器网络的可扩展性，由于无线传感器的网络节点数目众多、网络规模大、网络节点易损，要保证传感器节点的随时加入和退出不会影响到全局任务的执行，路由协议的设计必须具备鲁棒性和可扩展性。 (5) 在路由协议的设计中需要考虑网络和数据的安全，在提高网络通信可靠性的同时，降低遭受攻击的可能性。,在无线传感器网络的体系结构中，网络层中的路由协议非常重要。网络层主要的目标是寻找用于无线传感器网络高能效路由的建立和可靠的数据传输方法，从而使
11、网络寿命最长。由于无线传感器网络有几个不同于传统网络的特点，因此它的路由协议设计非常具有挑战性。首先，由于节点众多，不可能建立一个全局的地址机制；其次，产生的数据流有显著的冗余性，因此可以利用数据聚合来提高能量和带宽的利用率；再次，节点能量和处理存储能力有限，需要精细的资源管理；最后，由于网络拓扑变化频繁，需要路由协议有很好的鲁棒性和可扩展性。目前，从可以获得的文献资料来看，无线传感器网络基本处于起步阶段，从具体应用出发，根据不同应用对无线传感器网络的各种特性的敏感度不同，大致可将路由协议分为四种：,(1) 能量感知路由协议。高效利用网络能量是传感器网络路由协议的一个显著特征，早期提出的一些传
12、感器网络路由协议往往仅考虑了能量因素。为了强调高效利用能量的重要性，在此将它们划分为能量感知路由协议。能量感知路由协议从数据传输中的能量消耗出发，讨论最优能量消耗路径以及最长网络生存期等问题。 (2) 基于查询的路由协议。在诸如环境检测、战场评估等应用中，需要不断地查询传感器节点采集的数据，汇聚节点(查询节点)发出任务查询命令，传感器节点向查询节点报告采集的数据。在这类应用中，通信流量主要是查询节点和传感器节点之间的命令和数据传输，同时传感器节点的采样信息在传输路径上通常要进行数据融合，由此通过减少通信流量来节省能量。,(3) 地理位置路由协议。在诸如目标跟踪类应用中，往往需要唤醒距离跟踪目标
13、最近的传感器节点，以得到关于目标的更精确的位置等相关信息。在这类应用中，通常需要知道目的节点的精确或者大致地理位置。把节点的位置信息作为路由选择的依据，不仅能够完成节点路由功能，还可以降低系统专门维护路由协议的能耗。 (4) 可靠的路由协议。无线传感器网络的某些应用对通信的服务质量有较高的要求，如可靠性高和实时性强等。但在无线传感器网络中，链路的稳定性难以保证，通信信道的质量比较低，拓扑变化比较频繁，因此要实现较高的服务质量，需要设计相应的可靠的路由协议。,3.1.2 能量感知路由协议 高效地利用网络能量是无线传感器网络路由协议的最重要特征。能量感知路由协议从数据传输中的能量消耗出发，讨论最优
14、能量消耗路径以及最长网络生存期等问题，其最终目的是实现能量的高效利用。 1能量路由 能量路由的基本思想是根据节点的可用能量(Power Available，PA)，即根据节点的剩余能量或传输路径上的能量需求来选择数据的转发路径。,在图3-1所示的网络中，圆圈表示节点，括号内的数据为该节点的可用能量。图中双向线段表示节点间的通信链路，链路上的数字表示在该链路上传输数据所消耗的能量。源节点可以选取下列任意一条路径将数据传送至汇聚节点。 路径一：源节点BA汇聚节点，此路径的可用能量之和为4，所需要消耗的能量之和为3； 路径二：源节点CBA汇聚节点，此路径的可用能量之和为6，所需要消耗的能量之和为6；
15、 路径三：源节点D汇聚节点，此路径的可用能量之和为3，所需要消耗的能量之和为4。 路径四：源节点FE汇聚节点，此路径的可用能量之和为5，所需要消耗的能量之和为6。,能量路由策略主要有以下几种： (1) 最大可用能量路由。从源节点到汇聚节点的所有路径中选取节点的可用能量之和最大的路径。在图3-1中路径二的可用能量之和最大，但路径二包含了路径一，因此不是高效的路径，从而被排除，最终选择路径四。 (2) 最小能量消耗路由。从源节点到汇聚节点的所有路径中选取节点耗能之和最小的路径。在图3-1中选择路径一。 (3) 最少跳数路由。选取从源节点到汇聚节点跳数最少的路径。在图3-1中选择路径三。,(4) 最
16、大最小可用能量节点路由。每条路径上有多个节点，且节点的可用能量不同，从中选取每条路径中可用能量最小的节点来表示这条路径的可用能量。如路径四中节点E的可用能量最小为1，所以该路径的可用能量是1。最大最小可用能量节点路由策略就是在多条路径中，选择路径可用能量最大的路径。在图3-1中选择路径三。 上述能量路由算法需要节点知道整个网络的全局信息。由于传感器网络存在资源约束，节点只能获取局部信息，因此上述能量路由方法只是理想情况下的路由策略。,2. 能量多路径路由 无线传感器网络中如果频繁使用同一路径传输数据，会造成该路径上的节点因能量消耗过快而提早失效，缩短了网络生存时间。为此，研究人员提出了一种能量多路径路由机制。该机制在源节点和目的节点之间建立多条路径，根据路径上节点的能量消耗以及节点的剩余能量状况，给每条路径赋予一定的选择概率，使得数据传输均衡地消耗整个网络的能量。 能量多路径路由协议包括路由建立、数据传播和路由维护三个阶段。,(1) 路由建立阶段：这一阶段
