第4章
無線傳感器網絡的網絡層

4.1　無線傳感器網絡網絡層概述

在無線傳感器網絡中，路由協議主要用于確定網絡中的路由，實現節點間的通信。由于受節點能量和最大通信范圍的限制，兩個節點之間往往不能直接進行數據交換，因而需要以多跳的形式進行數據交換。無線傳感器網絡的網絡層主要負責多跳路由的發現和維護，這一層的路由協議主要包括兩個方面：一是路由的選擇，即尋找一條從源節點到目的節點的最優路徑；二是路由的維護，保證數據能夠沿著這條最優路徑進行數據交換。

一般來說，無線傳感器網絡沒有中心節點，所有的節點所處的地位都是相同的，各節點之間通過自組織的方式來形成一個網絡，采用的算法是分布式算法。由于無線傳感器網絡的節點由電池供電，一般應用在無人值守的地區，電池不可替換，電池能量耗盡即節點失效，因此在無線傳感器網絡中能量的節省就成為協議設計的首要考慮問題。傳統的無線路由協議的主要目的是減小網絡擁塞，保持網絡的數據交換，提供高質量的網絡服務，主要專注于減小網絡延遲、提高網絡的利用率等。而無線傳感器網絡的節點能量有限，要在這種條件下完成傳統協議所要求的所有性能是不可能的，另外由于無線信道的不穩定性，無線信道之間的相互干擾，節點的移動或者失效都可能導致無線傳感器網絡的拓撲結構發生變化，而且這種變化具有隨機性，這些問題在傳統網絡中都不曾遇到過，因此傳統的無線路由協議不能直接用于無線傳感器網絡中。相對于傳統網絡，無線傳感器具有以下特征。

1）大規模分布式應用

一般來說，無線傳感器節點因為價格低廉，所以被大量應用在各種應用中，節點分布密集、數量巨大。由于給每個節點都配一個全局的ID來表示它的地址是無法現實的，因此傳統的以IP地址為基礎的路由協議無法運用在無線傳感器網絡中。

2）以數據為中心

無線傳感器網絡的特殊應用要求多個源節點能夠共同采集數據，將采集到的數據進行簡單的處理后傳送給Sink節點，不要求任意兩點之間能夠直接通信。按照對這種感知數據的要求，網絡采用的是基本單一的數據通信模式，這給設計高效的無線傳感器網絡帶來了可能。

3）基于局部拓撲信息

由于無線傳感器網絡節點的通信范圍有限，同時為了節省能量，所以一般采取多跳的方式來進行節點間的通信。對于硬件條件非常有限的無線傳感器網絡節點來說，存儲大量的路由信息是不可能的，復雜的協議計算顯然也不適用于這種網絡，因此無線傳感器網絡的路由協議要求節點能夠利用局部的拓撲信息來選擇合適的路徑。

4）基于應用

無線傳感器網絡的路由協議和應用密切相關，不同應用的應用背景不相同，對路由協議的要求也不相同，并沒有一種通用的路由協議。在設計路由協議時，應根據不同應用的需求，設計與之相對應的路由協議，這樣可以簡化協議、節省能量。

5）數據的融合

無線傳感器網絡旨在獲得Sink節點感興趣的一些數據，是基于事件的傳輸，不需要完全源端到目的端的可靠傳輸，只需保證有效數據被傳送到節點即可。在無線傳感器網絡中，同一事件的數據可能被多個節點采集到，或者同一事件的數據可能被多次傳輸，因此網絡中存在大量的冗余數據，路由協議的設計需要考慮這些冗余數據，盡可能簡化通信量，提高帶寬利用率。

上述特點使得無線傳感器網絡不能使用傳統的路由協議，在設計無線傳感器網絡的路由協議時要考慮的問題非常多，但最終的目的是建立一個滿足應用需求的網絡，一般要求網絡生存時間足夠長。因此，無線傳感器網絡不僅關心單個節點的能耗，更在意整個網絡能量消耗的平均情況，爭取實現節點剩余能量均衡，這樣就能夠最大限度地延長網絡的生命周期。另外，在無線傳感器網絡中還有特殊用途的協議，如基于地理位置的無線傳感器網絡，這種網絡就需要配合網絡的定位系統來實現。