无线传感器网络原理及应用第3章无线传感器网络关键技术

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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3.3ZigBee3.4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AdHoc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能量限制，且考虑

2、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，如何延长整个网络的生

3、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。传感器网络通常包

4、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，传感器

5、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，减少通

6、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AdHoc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AdHoc网

7、络路由协议的研究相对比较成熟了，但是传统的AdHoc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AdHoc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