无线传感器网络通信协议研究
目录
HYPERLINK \l "_Toc280313729" 第一章 前言 1
HYPERLINK \l "_Toc280313730" 1.1 研究目的和意义 1
HYPERLINK \l "_Toc280313731" 1.2 国内外研究现状 1
HYPERLINK \l "_Toc280313732" 1.3 研究内容 1
HYPERLINK \l "_Toc280313733" 第二章 无线传感器网络 2
HYPERLINK \l "_Toc280313734" 2.1 无线传感器网络及其特点 2
HYPERLINK \l "_Toc280313735" 2.2 无线传感器的拓扑结构 3
HYPERLINK \l "_Toc280313736" 2.3 无线传感器网络的应用 4
HYPERLINK \l "_Toc280313737" 第三章 无线传感器网络通信协议概述 6
HYPERLINK \l "_Toc280313738" 第四章 路由协议 7
HYPERLINK \l "_Toc280313739" 4.1路由协议的分类 7
HYPERLINK \l "_Toc280313740" 4.2典型路由协议的比较 11
HYPERLINK \l "_Toc280313741" 第五章 MAC协议 12
HYPERLINK \l "_Toc280313742" 5.1 MAC协议研究进展 12
HYPERLINK \l "_Toc280313743" 5.2 MAC协议的主要问题 12
HYPERLINK \l "_Toc280313744" 5.3 MAC协议的分类 14
HYPERLINK \l "_Toc280313745" 5.4 MAC协议的分析和比较 14
HYPERLINK \l "_Toc280313746" 第六章 总结和展望 18
HYPERLINK \l "_Toc280313747" 参考文献 19
第一章 前言
1.1 研究目的和意义
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，人们研制出了各种具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器。由许多微型传感器构成的无线传感器网络WSNs (wireless sensor networks)引起了人们的极大关注。WSNs综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，能够协作实时监测、感知、采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理，最终传送给用户。WSNs可以使人们在任何时间、任何地点和任何环境条件下获取大量详实可靠的物理世界的信息，并可以被广泛应用于国防军事、国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐抗灾等领域。WSNs是信息感知和采集的一场革命，在新一代网络中具有关键作用。美国《商业周刊》认为WSNs是全球未来四大高技术产业之一，是21世纪世界最具有影响力的21项技术之一。MIT新技术评论认为，WSNs是改变世界的十大新技术之一。
1.2 国内外研究现状
WSNs作为一种新的计算模式正在推动科技发展和社会进步，关系到国家经济和社会安全，已成为国际竞争的制高点，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2003年制定了WSNs研究计划，投资3400万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WSNs给予高度重视，把WSNs作为一个重要研究领域，设立了一系列的军事WSNs研究项目。英特尔公司、微软公司等信息工业界巨头也纷纷设立或启动相应的行动计划。世界很多国家都纷纷展开了该领域的研究工作。
我国最近几年也开始重视WSNs技术的研究。国家自然科学基金委员会资助了很多WSNs研究项目，包括重点项目和面上项目。在“中国未来20年技术预见研究”报告中，有7项技术课题直接论述了传感器网络。2006年初发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》为信息技术确定了3个前沿方向，其中有两个与WSNs研究直接相关。
1.3 研究内容
本课题在介绍无线传感器网络及其特点的基础上，对无线传感器网络通信协议进行研究。其中考虑到节能是无线传感器网络设计中最重要的方面，着重对影响能耗的网络层路由协议和数据链路层MAC协议进行了分析。
第二章 无线传感器网络
2.1 无线传感器网络及其特点
计算机网络自产生之日起，尤其是上世纪90年代初的迅猛发展，使人们的生活发生了极大的改变。通信技术日新月异。近年来，无线通信更是大行其道，各种无线通信应用层出不穷。无线通信和有线通信相比较，无需对网络通信的物理通道进行配置，具有很大的灵活性，并节约了网络设施的成本，这使得它比有线通信具有更光明的前景。全球无线通信应用的规模，将很快超过有线网络应用的规模。随着集成电路技术的发展，芯片越做越小，功能却越来越强。这为生产大量廉价的、体积很小的、具有多种功能的器件提供了保证。
在无线通信技术及芯片制造技术的双重作用下，同时伴随着各种实际应用的需求，无线传感器网络的产生也就很自然了。这是一种新型的无线通信架构。现在美国的UARPA和NSF都已经设立了专项的基金对无线传感器网络的研究进行资助。美国的许多大学都有针对无线传感器网络的研究小组，而其中又以UCB，UCLA，USC的研究最为领先。
以前的监控系统经常是将少量的大功率的，具有很强数据分析能力的传感装置安放在离目标有一定距离的观测点进行监控，这样获得的数据很不准确，需要传感装置具有较强的处理分析能力，从混杂的信号中分析出有用的信息。现在，可以将体积小、耗能少、造价低、但是功能却很强的传感器，高密度的分布在观测区域，从而获得全面的、精确度相当高的数据，这从根本上改变了传统监控系统的模式。
无线传感器网络就是由大量的能与物理环境进行交互，同时具有数据处理功能和无线通信功能的新型传感器构成的互连系统，该系统可以完成复杂的监控任务。这里的传感器，并不是传统意义上的单纯的对物理信号进行感知并转化为数字信号的传感器，它是将感应模块，数据处理模块和无线通信模块集成在一块很小的物理单元上，功能比传统的传感器大了许多，不仅能够对环境信息进行感知，而且具有数据处理及无线通信的功能。将这类传感器节点高密度的分散在某个环境里，通过无线通信进行连接，它们就从整体上构成了一种特殊的网络。每个节点都有自己控制的一个区域，通过感知设备，如声学光学设备，化学分析装置，电磁感应装置等，对它周围的物理环境进行监控，当然也可以通过配置一些功能单元来实现特定的与环境交互的功能。
无线传感器网络的特点具有以下几个特点：
1、无线传感器网络是通过无线方式连通的。无线的连接具有很强的灵活性，电磁波可以进行“无介质传输”，它不需要有固定的事先建立好的节点之间的连接，而且即便网络节点的位置发生了变化，也不会太大的影响网络的连通，适合于动态的网络环境。最重要的一点是在很多复杂的环境下，根本无法事先建立节点之间的连接。比如说某些恶劣的自然环境里，生物无法生存，人类不能亲自的深入到这些地方，只能通过飞机将大量的传感器节点随机的投放到监控区。这时，无线通信方式是唯一可用的方式。
2、无线传感器网络是一种分布式的传感系统。通过在某一区域分散了大量的传感器节点，各个节点对其附近的有限的区域进行观测，全部的节点从整体上实现了对整个区域的监控。一个区域的空间越大，它各个部分的环境信息的差异也会越咀显，这时，单单依靠一两个传感器在少量的几个点测得的环境信息根本不可能代表整个区域的情况。由于传感器节点的成本相对来说比较低，可以安置大量的传感器节点，使得它们覆盖了被测区域的各个角落，这样所获得的信息综合起来，就会比较精确的反映整个区域的情况。节点的冗余度越高，获得信息的精确度也会越高。
3、无线传感器网络通过广播的方式进行通信，不同于传统的网络应用的端到端的信息传送。
4、无线传感器网络应该是一种自组织网络。与传统的有线网络相比，对无线传感器网络进行人工干预的机会可能很少。很多情况下，比如说在复杂的环境里，无法对网络进行人工的配置，这就需要各个节点可以相互协调建立之间的连接，完成网络的初始化，启动监测的任务。而且由于各种不可预测的环境变化，网络节点的分布，节点之间的连接情况，甚至网络节点的工作状态都会发生不可知的变化。所有的这些，都要求无线传感器网络具有自我调节的能力，即各个传感器节点能够感知到网络结构的变化，通过相互协调，适应网络的这种动态性，维护应用的正常运行。
5、无线传感器网络对系统的能量以及带宽资源的利用率要求很高。当传感器节点被用于某个无线传感器网络应用任务之后，几乎没有机会对它们的能量进行更新，各个节点所携带的电池的容量是有限的，是不可再生的资源，电能势必将会慢慢的耗尽，系统将会失去工作能力。所以，无线传感器网络需要高效的利用这些能量，以延长网络的“生命”，完成更多的工作。
6、无线传感器网络是以数据为中心的。不同于传统的具有中央控制节点的系统，无线传感器网络里并不是将各个节点的数据都传送到中央节点统一处理。由于传感器网络是高密度网络，很多节点会探测同一个物理现象，因此传感器节点发送的数据就会存在冗余。每个节点都有数据处理的能力，把来自多条路由的数据进行聚合，消除冗余，让传输的数据最小化，从而达到节省能量的目的。
2.2 无线传感器的拓扑结构
图 2-1 无线传感器网络拓扑结构一
传统意义上的这种环境监控系统，大多采用c/s结构的，即存在着一个主要的数据处理中心控制节点，其他的各个监控点都和这个中心控制节点连接起来，所有的数据都直接传送到该节点，进行集中的分析处理。无线传感器网络不同于这种传统的网络结构，无线传感器网络里各个节点的地位都是相同的，它们只与邻近的节点进行通信。无线传感器网络所处的外部环境往往是复杂多变的，不是人类所能到达的，无线传感器网络所处各个节点能够根据网络结构的变化，自适应的维护网络的通信。网络中的大量的节点协调工作，实现较高层次的对环境的监控任务。
图2-1为无线传感器网络拓扑图，每个节点都对其附近的物理环境进行监控，节点在无线通信可以的范围内，与它的邻节点存在通信信道。实际中大量节点的控制范围将会覆盖整个区域。整个网络可以对整个监控区域进行复杂度很高的监控任务。
如上展示了目前大家比较认同的无线传感器网络的拓扑结构。大量的传感器节点分布在监控区域。用户利用任务管理节点，经过某些途径，如Internet或卫星通信等等，与传感器节点中的某些节点（sink）建立连接。通过这些Sink节点，向传感器集合发送监控任务，并接受返回信息。所有的节点都有能力采集数据并采用多跳的路由方式将数据返回给Sink节点。采用多跳方式的最大理由主要是短距离的数据传输最能节省节点能量。
随着研究的深入，许多学者对无线传感器网络的路由拓扑设计综合考虑之后提出各种路由以及组网方案，研究证明单纯多跳的方式未必是最佳的方式，要根据传感器网络的具体应用，具体情况，譬如网络规模，节点分布等等因素综合起来考虑。即传感器节点收集的数据既可通过单跳方式直接传送到 Sink 节点，也可通过多跳中继方式将监测数据传到Sink节点，或者通过上述介绍的本地数据收集节点传送给Sink节点。最终借助长距离或临时建立的Sink链路将整个区域内的数据传送到远程中心进行集中处理。
例如图2-2，监测区域中被划为分多个子控制区域，每个小区域中有一个本地处理节点，负责收集该控制区域节点的数据，再送往Sink节点。
图 2-2 无线传感器网络拓扑结构二
2.3 无线传感器网络的应用
无线传感器网络是一种基于特定应用的系统，针对不同的应用，要进行不同的系统设计。目前，实用的无线传感器网络系统不是很多，还没有一种统一的标准来定义无线传感器网络的架构，毕竟，从这个概念的提出到现在，才仅仅几年左右的时间。尽管如此，人们还是看到了无线传感器网络具有广阔的应用前景。由于它的成本低，适应性强，功能强大等特点，在军事、环保、生产、医药、智能空间等领域都将大有用武之地。
在军事领域，传感器节点由于具有的体积小的特点，隐蔽性较强，可以通过一些方法，比如利用飞机进行投放，将大量的具有侦察功能的传感器布置在敌军的控制区域，来对敌军的情况进行监控。
在环保方面，可以利用无线传感器网络来对某地区的环境数据进行采集，尤其是对于一些不适合生物生存，工作人员无法亲临进行观察的区域，如高温，高腐蚀，强烈的辐射等等不利的环境。比如，在被污染了的河流底部投放大量的具有化学分析功能的传感器节点，来对河水的污染情况进行数据采集；可以在被怀疑受到核辐射污染的地区安放大量的传感器，来对各个位置的辐射强度进行测量。
在对珍稀动物的保护方面，无线传感器网络也起到了很大的重用。比如可以利用飞机向充满着未知危险的热带雨林投放大量的传感器节点，这些节点都具有光学成像设备，并可以对某些珍惜物种进行识别，利用无线传感器网络，生物学家就可以无需进入危险的雨林，实现对珍稀物种的分布统计。
在工业生产领域，可以在生产线的各个环节安放传感器节点来对整个生产线过程进行监控。
目前，人们研究的较多的是在“智能空间”方面的应用。如“活动徽章系统”就体现了无线传感器网络的基本思想。它通过在每个建筑物里安放大量的传感器，这些节点构成了一个监控系统，而建筑物里的工作人员，每个人身上都佩戴了一个会周期性发送信号的徽章，传感器节点能够接收到这个徽章发送的信号。这样，当大楼里的接待员要将某个电话转接给某人时，就可以通过这个监控系统来确定某人的具体位置，将电话转接到离他最近的分机上。活动办公室系统里，设定好的无线传感器网络将监控物体定位在误差很低。“移动病人系统”应用于医院中，能够很好的监控病人的活动，尤其对于病情突发性很强的病人，可以避免意外的发生。
第三章 无线传感器网络通信协议概述
无线传感器网络协议包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层上的协议。
1、物理层
物理层的研究主要涉及无线传感器网络采用的物理媒体、频段选择以及调制方式。目前，无线传感器网络采用的传输媒体主要有：无线电、红外线、光波等。
无线电传输是目前无线传感器网络采用的主流传输方式，需要解决的问题有：频段选择、节能的编码方式、调制算法设计等。目前对无线传感器网络物理层的研究迫切需要解决的问题有：在降低硬件成本方面需要研究集成化，全数字化、通用化的电路设计方法；在节能方面需要设计需要具有高数据率、低符号率的编码、调制算法。
2、数据链路层
数据链路层用于建立可靠的点到点或点到多点的通信链路，主要涉及媒介访问控制(MAC)协议。现有的蜂窝电话网络 Ad-hoc 网络中的MAC协议主要关心如何满足用户的需求、节省带宽资源以及如何在节点告诉移动的环境中建立彼此的连接，功耗是第二位的，这些协议并不适合无线传感器网络。
3、网络层
针对无线传感器网络的特点与通信需求，国内外科研人员设计了多种路由协议。从网络拓扑结构的角度可以分为两类：平面路由协议和聚集型路由协议。同时对于无线的自组织的传感器网络而言，网络拓扑控制具有特别重要的意义，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，可为数据融合、时间同步和目标定位等很多方面奠定基础，有利于节省节点的能量来延长网络的生存期。拓扑控制可以分为节点功率控制和层次性拓扑结构形成两个方面。除了传统的功率控制和层次型拓扑控制，人们也提出了启发式的节点唤醒和休眠机制。同时传感器网络拓扑结构动态变化，网络资源也在不断变化，这些都对网络协议提出了更高的要求。传感器网络协议负责使各个独立的节点形成一个收集数据并传输的网络，因而在网络层相关技术的研究的同时，经常将网络拓扑设计以及网络层协议和数据链路层协议结合起来考虑进行研究。网络拓扑决定了网络的设计架构，网络层的路由协议决定监测信息的传输路径；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。
4、传输层
现阶段对传输控制的研究主要集中于错误恢复机制。目前对无线传感器网络传输控制的研究还很少，如何在拓扑结构、信道质量动态变化的条件下，为上层应用提供节能，可靠、实时性高的数据传输服务是今后研究的重点。
5、应用层
应用层与具体应用场合和环境密切相关，因此其设计不可能是通用的，必须针对具体应用的需求进行设计。尽管如此，应用层的主要任务是获取数据并进行初步处理，这一点是共同的。以数据为中心和面向特定应用的特点要求无线传感器网络能够脱离传统网络的寻址过程，快速有效地组织起各个节点的信息并融合提取出有用信息直接传送给用户。然而网络节点实现数据采集计算或传输功能，都需要消耗能量，所需消耗的能量和产生的数据量、采样频率、传感器类型以及应用需求有关。同时，在短时间产生大数据量如果不加处理直接传输，会造成网络拥塞，导致网络寿命缩短。所以，考虑采用能效高的网络通信协议和数据局部处理策略，如数据融合技术，是一种可行的解决思路。
由于节能是无线传感器网络设计中最重要的方面，而且大量的研究显示：网络层上的路由协议和数据链路层上的MAC协议对无线通信模块的能量消耗起着至关重要的影响。
第四章 路由协议
传统的无线网络路由协议设计的主要目的是为网络提供高的服务质量和高效的利用带宽，而对于节能的考虑只是一个次要的方面；但是传感器网络路由协议设计的首要目标是高效节能，延长整个的网络生命周期。路由协议的任务是在传感器节点和Sink节点之间建立路由，从而为用户可靠地传递数据。由于传感器网络资源严重受限，因此路由协议的设计必须遵守执行计算简单、节点保存信息少等原则。
4.1路由协议的分类
无线传感器路由协议从路由的表现形式、与应用的相关程度等不同的角度有以下两种分类方法：
(1) 单跳路由协议与多跳路由协议；
(2) 平面路由协议与层次路由协议；
几种典型路由协议与类别所属关系如表4-1：
表 4-1 典型路由协议研究
4.1.1 平面型路由协议
平面型协议多是以数据为中心的，基于数据查询服务的策略，对监测数据按照属性命名，对相同属性的数据在传输过程中进行融合，从而减少冗余数据的传输。这类协议同时集成了网络层路由任务和应用层数据管理任务。优点是不存在特殊节点，路由协议的鲁棒性较好，网络流量平均地分散在网络中。缺点是缺乏可扩展性，限制了网络的规模。只适用于规模较小的传感器网络。
平面型路由协议典型代表主要有：Flooding，Gossiping，SPIN，DD。
泛洪Flooding协议和Gossiping协议[1，2]是两个最为经典的传统网络路由协议，可以应用到WSNs中。这两个协议都不要求维护网络的拓扑结构，不需要维护路由信息，也不需要任何算法，但是扩展性很差。
1、泛洪 (Flooding)
泛洪Flooding是一种古老的传统泛洪式路由技术，它不需要维护网络的拓扑结构和路由计算， 接收到消息的节点以广播形式转发数据包给所有的邻节点，这个过程重复执行，直到数据包到达目的地或者预先设定的最大跳数。对于自组织的无线传感网络，泛洪法是一种较直接的简单的实现方法，但存在消息“内爆”(implosion) 和“重叠”(overlap) 的问题，也没有考虑能量方面的限制。
下面通过分析一些简单的例子说明泛洪法的能量效率很低。如图4-1中的“内爆”，源节点S只需要两次发送就能将消息传播到目的节点D，但是使用泛洪法将产生4次数据发送，而且目的节点D会收到3个数据副本。又如图4-1中的“重叠”，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做出反应，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将收到两个数据副本。
图 4-1 内爆与重叠
在Flooding协议中，节点产生或收到数据后向所有相邻节点广播。数据包直到过期或到达目的地才停止传播。因此，消息的“内爆”(implosion)(节点几乎同时从邻节点收到多份相同数据)和“重叠”(overlap)(节点先后收到监控同一区域的多个节点发送的相同数据)和资源利用盲目(节点不考虑自身资源限制，在任何情况下都转发数据)是其固有的缺陷为了克服这些缺陷[3]，文献提出了Gossiping策略[3]。节点随机选取一个相邻节点转发它接收到的分组，而不是采用广播形式。这种方法避免了消息“内爆”现象，但数据传输的时延增加了。
2、SPIN
传感器协商SPIN(Sensor Protocols tor Information via Negotiation)协议[4]是以数据为中心的、具有能源调整功能的、自适应路由协议。SPIN使用三种类型的信息进行通信，即ADV．REQ和DATA信息。在传送DATA信息前，传感器节点仅广播该包含DATA数据描述机制的ADV信息，当接收到相应的REQ请求信息时，才有目的地发送DATA信息。使用基于数据描述的协商机制和能量自适应机制的SPIN协议，能够很好地解决传统的泛洪flooding和Gossiping协议所带来的信息内爆、信息冗余和资源浪费等问题。与flooding和Gossiping协议相比有效地节约了能量。但其缺点是：当产生或收到数据的节点的所有相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，当网络中大多节点都是潜在sink点时，问题并不严重。但当sink点较少时，则是一个很严重的问题：且当某sink点对任何数据都需要时，其周围节点的能量容易耗尽，虽然减轻了数据内爆，但在较大规模网络中，信息内爆仍然存在。
3、定向扩散协议DD
定向扩散(Directed Diffusion)是一种以数据为中心的信息传播协议，运行基于属性的命名机制来描述数据，并通过向所有节点发送对某个命名数据的“兴趣”(任务描述符)来完成数据收集。网络中的每个节点只了解给它发送请求的相邻节点，节点通过建立一个梯度来转发“兴趣”给它的相邻节点，梯度指向“兴趣”数据包来自的节点，当“兴趣”到达了源节点，一个临时的梯度场就建立了，传感器网络就会"加强"梯度最大的路径，一旦源节点采集到和“兴趣”相匹配的数据信息，就以事件驱动的方式，沿着梯度最大的方向传输数据到Sink节点。梯度最大的路径也就是功耗最低的路径。
兴趣的扩散：用命名机制描述的数据就构成了一个“兴趣”，首先由Sink节点产生，然后按照一定的数据率扩散到网络中的每个节点。每个节点都有一个“兴趣”缓存，缓存中的每项都对应着不同的“兴趣”。缓存中的每个“兴趣”包含如下几个字段：时间字段指示最近收到匹配“兴趣”的时间信息，梯度字段指示相邻节点所需的数据率和数据发送方向，持续时间字段指示“兴趣”大致的生存周期。当一个节点接收到一个“兴趣”时，它首先在缓存中检查是否存在相同的“兴趣”，如果没有相同的“兴趣”存在，那就根据接收到的“兴趣”信息在缓存中创建一个新的“兴趣”，包含的信息有数据率和一个指向“兴趣”来源的梯度；如果有相同的“兴趣”存在，但是没有“兴趣”来源的梯度信息，节点会以指定的数据率增加一个梯度，并更新“兴趣”的时间信息和持续字段；如果该节点都包含了“兴趣”的梯度信息，那么只是简单进行时间信息和持续字段的更新。节点接收到一个“兴趣”之后，把“兴趣”发送给与自己相邻的节点。如果一个节点是最近才收到过此"兴趣"，那么就不再予以接收。(如图4-2兴趣扩散)
梯度的建立：网络中的节点从相邻节点接收到一个“兴趣”时，它无法判断此“兴趣”是否自己已经处理过，或者是否和另一个方向的邻节点所发来的“兴趣”相同。因此，“兴趣”在整个网络扩散的时候，梯度的建立情况如图4-3梯度建立。
增强路径：梯度建立完之后，需要通过路径增强形成一条梯度值最大的路径用于数据传输，而其他路径作为备选路径以增加网络可靠性。Sink 节点以一个更高的数据率再次将“兴趣”发送给相邻节点。相邻节点收到“兴趣”后，通过查看“兴趣”缓存，发现自己已经接收过相同的“兴趣”，并且当前新数据率更高，该节点以同样的方法继续加强它的相邻节点，直到到达源节点，最后会形成一条梯度值最大的路径。如果已建立的路径出现断路，路径中加强过的节点会触发和启动路径加强以修复失败的路径。同时 Sink 节点可以用负加强的方式，降低冗余路径上节点和 Sink 节点之间的梯度值，从而切断冗余路径，数据以后就通过增强后的路径发往 Sink 节点( 如图4-4数据传输)。
图 4-4 数据传输
定向扩散采用相邻节点间通信的方式来避免维护全局拓扑，采用查询驱动数据传送模式和局部数据聚集而减少网络数据流，因此是一种能量效率高的协议。它的缺点是：在需要连续数据传送的应用中(如环境监测等)不能很好的应用；数据命名只能针对于特定的应用预先进行，初始查询的扩散开销大。
4.1.2 层次型路由协议
在层次型路由协议中，网络通常被划分为簇(cluster)，每个簇由一个簇首(cluster head)和多个簇成员(cluster member)组成。这些簇首形成高一级的网络，在高一级网络中又可以分簇，再次形成更高一级的网络，直至最高级。分级结构中，簇首不仅负责所管辖簇内信息的收集和融合处理，还负责簇间数据的转发。
层次型路由协议中每个簇的形成通常是基于传感器节点的保留能量和与簇首的接近程度，同时为了延长整个网络的生存期．簇头的选择需要周期更新。层次路由的优点是便于管理，适合大规模的传感器网络环境，可扩展性较好，能够有效的利用稀缺资源(比如：无线带宽等)，可以对系统变化做出快速反应，并提供高质量的通信服务。缺点是簇头的可靠性和稳定性对整个网络性能影响较大，簇的维护开销较大。
层次型路由协议典型代表主要有：LEACH，TEEN，PEGASIS。
1、低功耗自适应分簇路由算法(LEACH)
LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)算法是一种自组织、自适应的分簇协议，它通过随机选择簇首，将中继通信业务平均的分配到整个无线传感网络。LEACH定义了“轮”(round)的概念，每一轮由初始化和稳定工作两个阶段组成。在初始化阶段，随机地产生簇首，成为簇首的节点向周围广播信息，其他节点根据接受到广播信息的强度来选择它所要加入的簇，并告知相应的簇首，从而动态的形成簇。在稳定工作阶段，簇内节点把数据发给簇首，由簇首对数据进行必要的融合处理并把结果发送到 Sink 节点。由于簇首需要完成数据融合、与 Sink 节点通信等工作，因此簇首的能量消耗非常高。各节点需要等概率地轮流担任簇首，这样才能使网络中所有节点比较均衡地消耗能量，有利于延长整个网络的生存期。
在网络建立初期每个节点从 0 到 1 的随机数中任意选择一个数值，若当前轮中这个数值小于设定的阈值 T(n)( 如下)：
T(m)=
则该节点成为本轮的簇首节点。其中 p 为期望的簇首节点数在所有传感节点数的百分比；r 是当前轮数，G 是在最后的 1/p 轮中未成为簇首节点的节点集。根据这样的阈值，在整个 1/p 轮中每个节点都会成为簇首，并保证每轮的簇首节点数为 (n 为所有传感节点总数)。在第一个轮(round 0)中r=0，各个节点以 p 的概率成为簇首，成为簇首的节点在往后的 1/p- 1 次轮中不在担当簇首，未担当过簇首的节点成为簇首的概率增加。依次递推至第1/p- 1 轮，此前未担当过簇首的节点在本轮中阀值 T=1，将肯定成为簇首。之后，所有的节点再次恢复成为簇首的能力。
LEACH协议的特点是分层和数据融合，相对泛洪、定向扩散等平面式路由协议它是第一个在无线传感器网络中提出的层次式路由协议，其后的大部分层次式路由协议都是在它的基础上发展而来的。采用LEACH协议可以使因能量耗尽而失效的节点呈随机分布状态，因而与一般的多跳路由协议和静态聚类算法相比，LEACH可以将网络生存周期延长15%。但是LEACH协议中动态分簇也带来了拓扑变换和大量广播等额外开销。
2、基于能量效率的阈值敏感传感器网络协议(TEEN)
节能的阈值敏感路由协议TEEN(Thresholdsensitive Energy Eficient sensor Network protocol)用类似LEACH的初始化簇的算法，只是在数据传送阶段使用不同的策略。TEEN中定义了硬、软两个门限值，以确定是否需要发送监测数据。在每轮簇头轮换的时候将两个阈值广播出去，当监测数据第一次超过设置的硬阈值时，节点把这次数据设为新的硬阈值，并在接下来的时隙内发送它。之后，只有监测数据超过硬阈值并且监测数据的变化幅度大于软阈值时，节点才会传送最新的监测数据，并将它设为新的硬阈值。通过调节两个阈值的大小，可以在监测精度和系统能耗之间取得合理的平衡TEEN。利用过滤的方式大大地减少数据传送的次数，从而达到比LEACH算法更节能的目的。
TEEN 协议的优点是：第一，对于突发事件能够及时响应；第二，对于持续的突发事件，相邻两次数据之差在不大于阈值时，无需不断地发送数据，从而得以减少通信流量。缺点是不适用于需要持续采集数据的应用环境。
3、PEGASIS
PEGASIS(Power Eficient Gathering in Sensor Information Systems)协议是使用动态选举簇头的方式，在LEACH基础上改进而来的。为避免频繁选举簇头的通信开销，采用无通信量的簇头选举方法，且网络中所有节点只形成一个簇，称为链。采集到的数据以点到点的方式传送、融合。并最终被送到sink该协议假定WSNs中的所有节点是静态、同构的，要求每个节点都知道网络中其他节点的位置。通过贪心算法选择最近的邻节点形成链。因为PEGASIS中每个节点都以最小功率发送数据分组，并且通过数据融合降低了收发过程的次数，从而降低了整个网络的功耗。研究结果表明，PEGASIS支持的传感器网络的生命周期是LEACH的近两倍。PEGASIS的缺点是链中远距离的节点会引起过多的数据延迟，而且簇头的惟一性使得簇头会成为瓶颈，且要求节点都具有与sink点通信的能力；如果链过长，数据传输时延将会增大，不适合实时应用；成链算法要求节点知道其他节点位置，开销非常大。
4.1.3 直接(单跳)和多跳传输协议
单跳协议：是一种最原始的协议，它不需要维护网络的拓扑结构和路由计算，所有节点以单跳方式将数据包发给Sink节点，是最直接的实现方法。远离Sink节点的节点需要较大的传输功率，这将迅速耗费该节点的能量并导致整个网络生存周期的缩短。
多跳协议：实际的运用中发射机的功率是固定的，即数据单跳的传输距离是固定的。此时远离Sink节点的节点发送的数据按照预定的路由经过中间结点到达Sink节点。如图4-5多跳网络拓扑n个节点按直线排列，节点间距为r，数据从源节点穿过n个中继节点到达Sink节点。
图 4-5 多跳网络拓扑
在多跳传输协议中节点将数据发送至下一跳相邻节点直至Sink节点，需要经过n次发送和接收。只有在源节点与Sink节点之间距离较长，或者数据处理耗能较小的情况下多跳传输协议才能体现出更好的能量有效性。在多跳传输协议中，靠近Sink节点的节点成为其它节点向Sink节点传输数据的中继节点，导致自身能量容易耗尽。一旦某个中继节点能量耗尽，会加重其余中继节点的能量负荷，造成Sink节点周围节点雪崩式死亡，导致网络割裂，大幅缩短整个网络的生存期。
4.2典型路由协议的比较
定向扩散、LEACH 和 TEEN 协议在设计中充分考虑了能源的有效利用，成倍地提高了整个网络的生存周期，但是无线传感器网络的应用千差万别，不同的路由协议在不同的环境表现出各自的特色和优势，因此不能绝对的判断哪种协议最优。从信息处理、路由优化方式和网络体系结构等不同方面对前述几种典型的路由协议进行了一个综合比较，如表4-2所示：
表 4-2 典型路由协议综合比较
第五章 MAC协议
5.1 MAC协议研究进展
近年来，无线传感器网络(WSNs)作为国内外一个新兴的研究方向，引了许多研究者和机构的广泛关注，无线传感器网络具有与传统无线网络不同的特点，且与应用高度相关。无线传感器网络主要的一个设计目标是有效地使用网络节点的受限资源(能量、内存和计算能力)，以最大化网络的服务寿命，传统网络的介质访问控制(MAC)协议，并不能直接应用于无线传感器网络。随着无线通信、微电子机械制造技术和传感技术的发展，无线传感器网络引起了人们的广泛关注WSNs、由部署在监测区域内，大量集成有感知、数据处理和无线通信及能量供应模块的微型传感器节点所组成。在目标入侵监测、日标跟踪、环境监测、战场侦察、生物医疗、抢险救灾以及工业加工过程的监控等领域，WSNs都具有广阔的应用前景。
5.2 MAC协议的主要问题
为了研究和比较现有WSNs网络MAC协议的性能，对WSNs网络MAC协议的性能指标、节点间通信时造成能量浪费的潜在因素以及WSNs网络中可能的通信模式等问题进行分析。
5.2.1 MAC协议的性能指标
WSNs网络的强大功能，是通过众多资源受限的网络节点协作实现的。由于节点无线通信的广播特征，节点间信息传递在局部范围，需要MAC协议协调其间的无线信道分配；在整个网络范围内，需要路由协议选择通信路径。WSNs网络的MAC协议设计，需要根据应用的要求考虑以下的网络性能指标[6]。
l)能量有效性：能量有效性是WSNs网络MAC协议最重要的一项性能指标。由于WSNs网络的节点一般采用电池提供能量，并且电池能量难以补充和更换。因此，在设计WSNs网络时，有效利用节点的能量，尽量延长网络节点的生存时间，是设计网络各层协议都要考虑的一个重要问题。在节点的能量消耗中，无线收发装置的能量消耗占绝大部分，而MAC层协议直接控制无线收发信装置的行为，因此MAC协议的能量有效性直接影响网络节点的生存时间和网络寿命。
2)可扩展性：可扩展性是指一个MAC协议适应网络大小、拓扑结构、节点密度不断变化的能力。由于节点数目、节点分布密度等在WSNs网络生存过程中不断变化，节点位置也可能移动，还有新节点加入网络的问题，所以WSNs网络的拓扑结构具有动态性。一个好的MAC协议也应具有可扩展性，以很好地适应这种动态变化的拓扑结构。
3)冲突避免：冲突避免是MAC协议的一项基本任务。它决定网络中的节点何时、以何种方式访问共享的传输媒体和发送数据。在WSNs网络中，冲突避免的能力直接影响节点的能量消耗和网络性能。
4)信道利用率：信道利用率反映了网络通信中信道带宽如何被使用。在蜂窝移动通信系统和无线局域网中，信道利用率是一项非常重要的性能指标。因为在这样的系统中，带宽是非常重要的资源，系统需要尽可能地容纳更多的用户通信，相比之下，WSNs网络中处于通信中的节点数量是由一定的应用任务所决定的，信道利用率在WSNs网络中处于次要的位置。
5)延迟：延迟是指从发送端开始向接收端发送一个数据包，直到接收端成功接收这一数据包所经历的时间。在WSNs网络中，延迟的重要性取决于网络的应用。
6)吞吐量：吞吐量是指在给定的时间内发送端能够成功发送给接收端的数据量，网络的吞吐量受到许多因素的影响，如冲突避免机制的有效性、信道利用率、延迟、控制开销等。和数据传输的延迟一样，吞吐量的重要性也取决于WSNs网络的应用。在WSNs网络的许多应用中，为了获得更长的节点生存时间，允许适当牺牲数据传输的延迟和吞吐量等性能指标。
7)公平性：公平性通常指网络中各节点、用户、应用，平等地共享信道的能力。在传统的语音、数据通信网络中，它是一项很重要的性能指标，因为网络中每一个用户，都希望拥有平等发送、接收数据的能力。但是在WSNs网络中，所有的节点为了一个共同的任务相互协作，在某个特定的时刻，存在一个节点相比于其他节点拥有大量的数据需要传送。因此，公平性往往用网络中某一应用是否成功实现来评价，而不是以每个节点平等发送、接收数据的能力来评价。
以上性能指标反映了一个MAC协议的特性，与传统网络的MAC协议重点考虑节点使用带宽的公平性、提高带宽利用率以及增加网络的实时性等注重的因素正好相反，能量有效性是设计WSNs网络MAC协议首要考虑的性能指标，其次是协议的可扩展性和适应网络拓扑变化的能力。而其他的网络性能指标如延迟、信道利用率等，需要根据应用进行折中。所以传统网络的MAC协议，并不适用于WSNs网络。
5.2.2 能量浪费的主要原因
为了分析和评价MAC协议的能量有效性，需要分析是哪些因素导致了能量损耗。WSNs网络中造成能量浪费的主要因素有以下几个方面[6，7]：
1)空闲侦听(Idle listening) 网络中的节点，由于不能预知它的邻节点什么时候会向其发送数据，所以将其无线收发模块始终保持在接收模式，这是节点能量浪费的主要来源。原因在于典型的无线收发模块处于接收模式时消耗的能量，比其处于睡眠模式时要多几个数量级。
2)消息碰撞(Message collision) 当两个节点传送的数据包发生冲突时，两个数据包被损坏。这时节点消耗在发送和接收数据上的能量被浪费掉了，这就需要重传发送的数据，从而消耗节点更多的能量。
3)窃听(Overhearing) 无线信道是一个共享媒体，一个节点可能会接收到发送给其他节点的消息，这时节点消耗在接收数据上的能量被浪费掉了。因此从节能考虑，这时应将其无线传输模块关闭。
4)控制报文开销(ControlPacketOvethead) 在MAC协议的头字段和控制消息包(ACK/RTS/CTS)中没有包含有效的数据，因此可认为是一种损耗，为了提高能效应该尽可能减少控制消息。
5)发送失效(Overemitting) 在目的节点没有准备好接收时，发送节点发送了消息，造成能量的浪费。
5.2.3 通信模式
传感器网络是与应用高度相关的，不同的网络结构、不同的应用场景和目的，其业务特征呈现多样性，需要采用不同的通信模式，以更有效地交换业务。基于不同的业务特征，MAC协议对不同通信模式的支持，可以有效减少节点能耗。所以对不同通信模式的支持与否，也是衡量MAC协议能量有效性的重要因素。Kulkarni等定义了WSNs网络的三种通信模式[7]：广播(Broadeast)、会聚(Converge-east)和本地通信(Loeal，ssip)；Demirkol等定义了多播(Multicast)的通信模式[8]。上述各种通信模式的基本定义如下[6，7]：
l)广播模式 通常在由基站向整个网络节点发送消息时使用。广播的消息可能为查询信息、节点的程序更新信息和控制信息等。注意，广播模式和广播分组不同，广播分组的接收节点是仅在发送节点通信范围内的节点；而广播模式要求所有的网络节点都能处于接收状态。
2)会聚模式 指的是WSNs网络中的节点在感知到感兴趣的事件时，所有监测到事件的节点都把所感知的信息发送给信息中心，即一组节点同一个特定的节点进行通信，这个特定的日的节点可以是一个簇头节点、数据融合中心或基站。
3)本地通信 指的是监测到同一个事件的节点之间，在本地的相互通信，即节点把信息发送给通信范围内的邻居节点，这种模式主要用于本地的信息处理。
4)多播模式 指的是节点把信息发送给一组特定的节点，例如在簇头节点发送信息时，通信的接收者往往只是整个簇成员的一部分节点。
5.3 MAC协议的分类
MAC协议主要负责协调网络节点对信道的共享。研究人员从不同方面提出了多种MAC协议，对MAC协议的严格分类是非常困难的，采用不同的条件MAC协议有不同的分类方法。综合对目前提出的MAC协议的研究，WSNs网络的MAC协议可以按以下儿种不同的方式进行分类。注意，由于研究人员采用不同的策略或多种策略组合来设计MAC层协议，故同一MAC协议可分属不同的类型。
l)根据采用分布式控制还是集中控制，可分为分布式执行的协议和集中控制的协议。这类协议与网络的规模直接有关，在大规模网络中通常采用分布式的协议。
2)根据使用的信道数，即物理层所使用的信道数，可分为单信道、双信道和多信道，如S-MAC，LEEM分别为单信道和双信道的MAC协议。使用单信道的MAC协议，虽然节点的结构简单，但无法解决能量有效性和时延的矛盾；而多信道的MAC协议可以解决这个问题，但增加了节点结构的复杂性。
3)根据信道的分配方式，可分为基于TDMA的时分复用固定式、基于CSMA的随机竞争式和混合式三种。基TDMA的固定分配类MAC层协议，通过把时分复用(TDMA)和频分复用(FDMA)或者码分复用(CDMA)的方式相结合，实现无冲突的强制信道分配，如下面要讨论的C-TDMA协议；以竞争为基础的MAC协议，通过竞争机制，保证节点随机使用信道，并且不受其他节点的干扰，如S-MAC。混合式是把基于TDMA的固定分配方式和基于CSMA的竞争方式相结合，以适应网络拓扑、节点业务流量的变化等。
4)根据接收节点的工作方式，可分为侦听、唤醒和调度三种。在发送节点有数据需要传递时，接收节点的不同工作方式直接影响数据传递的能效性和接入信道的时延等性能，接收节点的持续侦听。在低业务的WSNs网络中，造成节点能量的严重浪费，通常采用周期性的侦听睡眠机制以减少能量消耗，但引入了时延，为了进一步减少空闲侦听的开销，发送节点可以采用低能耗的辅助唤醒信道发送唤醒信号，以唤醒一跳的邻居节点。如STEM协议，在基于调度的MAC协议中。接收节点接入信道的时机是确定的，知道何时应该打开其无线通信模块，避免了能量的浪费。
5.4 MAC协议的分析和比较
通过对当前WSNs网络MAC协议的研究，并基于以上WSNs网络的分类方法的考虑，选取了以下较为重要的不同类型MAC协议，对其核心实现机制、特点以及优缺点等进行了分析。
l) C-TDMA协议[8] Arisha等人针对分簇结构的WSNs网络，提出了基于TDMA机制的MAC协议(C-TDMA)。支持C-TDMA协议的网络是一种墓于分簇结构的网络，在多个传感器节点形成的簇中，有一个簇头节点(Clusterhead)，簇头节点收集和处理簇内节点发来的数据，并把处理后的数据发送到汇聚节点，同时负责为簇内成员节点分配时隙。C-TDMA协议将WSNs网络的节点划分为四种状态：感应、转发、感应并转发、非活动。节点在感应状态时，收集数据并向其相邻节点发送；在转发状态时，接收其他节点发送的数据，再转发给下个节点；而感应并转发状态的节点，则要完成上述两项功能；节点没有接收和发送数据时，就自动进入非活动状态，由于传输数据、接收数据、转发数据以及侦听信道，节点消耗的能量各不相同，各节点在簇内扮演的角色也不一样，因此簇内节点的状态随时都在变化为了高效地使用网络(如让能量相对高的节点转发数据、及时发现新的节点等)，该协议将时间帧分为四个阶段：a)数据传输阶段：各节点在各自被分配的时隙内，向网关发送数据；b)刷新阶段：节点周期性的向簇头报告其状态；c)刷新引起的重组阶段：紧跟在刷新阶段之后，簇头节点根据簇内节点的情况，重新分配时隙；d)事件触发的重组阶段：节点能量小于特定值、网络拓扑发生变化等都是需耍重组的事件。若有以上事件触发，网关就重新分配时隙，C-TDMA协议能够减少空闲侦听，避免信道冲突，也考虑了可扩展性；但是区域内簇头节点和成员节点需要严格的时钟同步，对簇头节点的处理能力、能量和放置方式都有较高的要求。
2) SMACS/EAR协议[9] Sohrabi等提出的SMACS/EAR(Self-organizing medium access control/Eavesdrop and register，具有监听/注册功能的WSNs网络自组织MAC协议)协议，是结合TDMA和FDMA的基于固定信道分配的分布式MAC协议，用来建立一个对等的网络结构。SMACS协议主要用于静止的节点之间连接的建立，而对于静止节点与运动节点之间的通信，则需要通过EAR协议进行管理。其基本思想是，为每一对邻居节点分配一个特有频率进行数据传输，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协议假设节点静止，节点在启动时广播一个“邀请”消息，通知附近节点与本节点建立连接，接收到“邀请”消息的邻居节点，与发出“邀请”消息的节点交换信息，在二者之间分配一对时隙，供二者以后通信。EAR协议用于少量运动节点与静止节点之间进行通信，运动节点侦听固定节点发出的“邀请”消息，根据消息的信号强度、节点ID号等信息，决定是否建立连接。如果运动节点认为需要建立连接，则与对方交换信息，分配一对时隙和通信频率。SMACS/EAR不需要所有节点的帧同步，可以避免复杂的高能耗同步操作，但不能完全避免碰撞，多个节点在协商过程中，可能同时发出“邀请”消息或应答消息，从而出现冲突。在可扩展性方面，SMACS/EAR协议可以为变化慢的移动节点，提供持续的服务，但并不适用于拓扑结构变化较快的WSNs网络。在网络效率方面，由于协议要求两节点间使用不同的频率通信，固定节点还需要为移动节点预留可以通信的频率，因此网络需要有充足的带宽以保证侮对节点间建立可能的连接。但是由于无法事先预计并且很难动态调整侮个节点需要建立的通信链路数，因此整个网络的带宽利用率不高。
3)S-MAC协议 S-MAC(Sensor medium access control)协议[10]是Wei等在IEEE802.11协议的基础上，针对WSNs网络的能量有效性而提出的专用于WSNs网络的节能MAC协议。S-MAC协议设计的主要目标是减少能量消耗，提供良好的可扩展性。它针对WSNs网络消耗能量的主要环节，采用了以下三方面的技术措施来减少能耗：a)周期性侦听和休眠。每个节点周期性地转入休眠状态，周期长度是固定的，节点的侦听活动时间也是固定的。如图5-1所示，图中向上的箭头表示发送消息，向下的箭头表示接收消息。上面部分的信息流，表示节点一直处于侦听方式下的消息收发序；下面部分的信息流，表示采用S-MAC协议时的消息收发序列。节点苏醒后进行侦听，判断是否需要通信。为了便于通信，相邻节点之间，应该尽量维持调度周期同步，从而形成虚拟的同步簇。同时每个节点需要维护一个调度表，保存所有相邻节点的调度情况。在向相邻节点发送数据时唤醒自己。每个节点定期广播自己的调度，使新接入节点可以与已有的相邻节点保持同步/如果一个节点处于两个不同调度区域的重合部分，则会接收到两种不同的调度，节点应该选择先收到的调度周期；b)消息分割和突发传输。考虑到WSNs网络的数据融合和无线信道的易出错等特点，将一个长消息分割成儿个短消息，利用RTS/CTS机制一次预约发送整个长消息的时间，然后突发性地发送由长消息分割的多个短消息。发送的每个短消息都需要一个应答ACK，如果发送方对某一个短消息的应答没有收到，则立刻重传该短消息；c)避免接收不必要消息。采用类似于802.11的虚拟物理载波监听和RTS/CTS握手机制，使不收发信息的节点及时进入睡眠状态。
图 5-1 S-MAC协议
S-MAC协议同IEEE802.11相比，具有明显的节能效果，但是由于睡眠方式的引入，节点不一定能及时传递数据，使网络的时延增加、吞吐量下降；而且S-MAC采用固定周期的侦听/睡眠方式，不能很好地适应网络业务负载的变化。针对S-MAC协议的不足，其研究者又进一步提出了自适应睡眠的S-MAC协议[11]。在保留消息传递、虚拟同步簇等方式的基础上，引入了如下的白适应睡眠机制。如果节点在进入睡眠之前，侦听到了邻居节点的传输，则根据侦听到的RTS或CTS消息，判断此次传输所需要的时间；然后在相应的时间后醒来一小段时间(称为自适应侦听间隔)，如果这时发现自己恰好是此次传输的下一跳节点，则邻居节点的此次传输就可以立即进行，而不必等待；如果节点在白适应侦听间隔时间内，没有侦听到任何消息，即不是当前传输的下一跳节点，则该节点立即返问睡眠状态，直到调度表中的侦听时间到来。自适应睡眠的S-MAC在性能上通常优于S-MAC，特别是在多跳网络中，可以大大减小数据传递的时延。S-MAC和白适应睡眠的S-MAC协议的可扩展性都较好，能适应网络拓扑结构的动态变化。缺点是协议的实现较复杂，需要占用节点大量的存储空间，这对资源受限的传感器节点，显得尤为突出。
4)T-MAC协议[12] T-MAC(Timeout MAC)协议，实际上是S-MAC协议的一种改进。S-MAC协议的周期长度受限于延迟要求和缓存大小，而侦听时间主要依赖于消息速率。因此，为了保证消息的可靠传输，节点的周期活动时间必须适应最高的通信负载，从而造成网络负载较小时，节点空闲侦听时间的相对增加。针对这一不足，该协议在保持周期侦听长度不变的情况下，根据通信流量动态调整节点活动时间，用突发方式发送消息，减少空闲侦听时间。其主要特点是引入了一个TA时隙。若TA期间没有任何事件发生，则节点进入睡眠状态以实现节能。与S-MAC相比，主要的不同点是：T-MAC同样引入串音避免机制，但在T-MAC协议中，作为一个选择项，可以设置也可以不设置。T-MAC与传统无占空比的CSMA和占空比固定的S-MAC比较，在负载不变的情况下，T-MAC和S-MAC节能相仿，而在可变负载的场景中，T-MAC要优于S-MAC。但T-MAC协议的执行，会出现早睡眠问题，引起网络的吞吐量降低。为此，它采用了两种方法来提高早睡眠引起的数据吞吐量下降：a)未来请求发送机制；b)满缓冲区优先机制，但效果井不是很理想。总之，T-MAC协议在节能方面优于S-MAC，但要牺牲网络的时延和吞吐量，T-MAC的其他性能与S-MAC相似。
图 5-2 T-MAC协议
5)PMAC [13](pattern-MAC)协议是Zheng在文献[9]中提出的WSNs网络MAC协议，目的是在S-MAC和T-MAC协议的基础上，进一步减少空闲侦听的能量消耗。PMAC协议的主要思想是：用一串二进制字符来代表某一节点所处的模式(即负载的轻重状况)，节点把各自的模式信息通告给其相邻节点，根据收到的邻居节点模式信息(Pattern information)节点调整其睡眠与工作时间。假设用界表示节点的模式，这里J为某一节点，N为一个周期帧的时隙数。则表示在一个周期帧的五个时隙内，节点j在l、3、5时隙转入睡眠状态，而在2、4时隙转入工作状态。再定义一种模式，m大表示负载轻，j小表示负载重。节点J能够根据周围节点发出的模式信息和自身的信息，在每一个时隙更新玲，以达到自适应调节节点睡眠时间与工作时间的目的。图5-3给出了S-MAC、T-MAC和PMAC协议的周期侦听/睡眠执行过程，比较发现：PMAC进一步减少了空闲侦听的时间，若忽略传输状态信息所消耗的能量，理论上节点在没有任何数据传输时，执行PMAC协议的能耗可以降为零。研究表明，同S-MAC、T-MAC协议相比，PMAC协议具有很好的能效性和可扩展性，但协议的执行非常复杂，并进一步增加了控制开销和对节点存储能力的要求。
图 5-3 网络无负载时三种MAC协议空闲侦听时间比较
6)低功耗前导载波周期侦听协议LPL.CSMA/CA。协议的主要缺点在于节点在空闲侦听时浪费了大量的能源，文献[14]和[15]各自独立提出了一种载波检测机制，通过使节点的无线收发装置有规律地处于“工作”、“待命”状态，而不丢失发送给该节点的数据，以减少空闲侦听的能量消耗。这种机制工作在物理层，它在每个无线数据包的前面附加了一个前导载波Preamble，这个前导载波Preamble的主要作用是：通知接收节点将有数据发送过来，使其调整电路准备接收数据。这种机制的主要思想是：将接收节点消耗在空闲侦听上的能量，转移到发送数据节点消耗在发送前导载波Preamble的能量消耗上去，从而使接收节点能周期性地开启无线收发装置、侦听是否有发送过来的数据和检测是否有前导载波Preamble。如果接收节点在工作状态检测到前导载波Preamble，它就会一直侦听信道，直到数据被正确地接收；如果节点没有检测到前导载波，节点的无线装置将被置于“待命”状态，直到下一个前导载波检测周期到来。
这种有效的载波侦听方法可以和任何一种基于竞争的MAC协议相结合，文献[14]将其与ALOHA协议结合，提出了前导字段侦听(Preajrnble sampling)协议；文献[15]将其与CSMA协议结合，提出了低功耗侦听(Low power listening)协议。这两种协议统称为LPL协议。LPL协议通过周期性关闭无线装置节省节点的能耗，对节点的存储能力要求很低，并且不需要周期性的信息交换和维护邻居节点的状态信息，节省了协议的控制开销，具有良好的可扩展性，但减小了数据成功发送的概率。前导Preamble的长度与节点的无线模块关断时间有关。节点周期睡眠的时间越长，发送节点发送数据时前导Preamble的长度就需耍越长，所以前导长度的增加，又增加了发送节点的能量消耗。
第六章 总结和展望
无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术，能够协调地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理，传送给用户。
到目前为止，对无线传感器网络的研究可大致分为两个主要部分。其一主要侧重于利用微机电系统技术设计小型化的节点设备；另一个就是对传感器网络协议栈设计的研究，目前也是一个热点，从网络分层模型的角度分析，每一层都有需要结合网络自身特点进行细致研究的问题，但就已有的研究而言，主要还是集中在网络层和链路层，即找到适合无线传感器网络的路由协议和MAC协议。
本论文重要研究了无线传感器网络的路由协议和MAC协议。对于路由协议，大致做了一个分类和比较。其中包括直接（单跳）传输协议，多跳传输协议；泛洪法Flooding，定向扩散DD，基于数据收集的路由协议包括LEACH、TEEN、PEGASIS等。对于MAC协议，讨论了其性能指标、节点间通信时造成能量浪费的潜在因素，以及WSNs网络中可能的通信模式等问题。由于MAC协议采用不同的策略或多种策略组合来设计，本文从中选取了几个较为重要的MAC协议(C-TDMA、SMACS/EAR、S-MAC、T-MAC、PMAC、低功耗前导载波周期侦听协议LPL、LMAC、Z-MAC、LEEM、GERAF)，对其核心实现机制、特点以及优缺点等进行了分析、对其特征进行了比较。
要强调的是，无线传感器网络的运行环境恶劣，能源一般无法代替，网络的能源问题无疑是限制网络技术应用的一个瓶颈。如何在给定传感器节点能量的前提下充分发挥电源有效性，延长网络寿命，选择一种最优化的路由通信协议是一个关键问题，有着非常重大的意义。
无线传感器的前景是美好的，随着大家的努力，无线传感器网络将更多、更快、更好地应用在现实生活中。
参考文献
[1]徐文龙.王利存.无线传感器网络.工业控制计算机:2005,18(4),24-26.
[2]刘敏钰.吴泳.伍卫国.无线传感器网络（WSN）研究.微电子学与计算机:2005,22(7),58-61.
[3]黄玲.无线传感器网络简述.传感器世界.2005:36-40.
[4]夏俐.陈曦.赵千川等.无线传感器网络及应用简介.自动化博览:2004.1.33-35.
[5]任丰原，黄海宁，林闯，无线传感器网络，软件学报，2003
[6]李建中，陈渝，朱红松，无线传感器网络，北京：清华大学出版社，2005
[7]唐勇，周明天，张欣，无线传感器网络路由协议研究进展。软件学报，2006
[8]于海斌，曾鹏，王忠锋，梁英，尚志军，分布式无线传感器网络通信协议研究，通信学报，2004
无线传感器网络通信协议研究.doc
