第4章
無線傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)絡層

4.1　無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)絡層概述

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

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

1）大規(guī)模分布式應用

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

2）以數(shù)據(jù)為中心

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

3）基于局部拓撲信息

由于無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的通信范圍有限，同時為了節(jié)省能量，所以一般采取多跳的方式來進行節(jié)點間的通信。對于硬件條件非常有限的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點來說，存儲大量的路由信息是不可能的，復雜的協(xié)議計算顯然也不適用于這種網(wǎng)絡，因此無線傳感器網(wǎng)絡的路由協(xié)議要求節(jié)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(wǎng)絡的路由協(xié)議和應用密切相關，不同應用的應用背景不相同，對路由協(xié)議的要求也不相同，并沒有一種通用的路由協(xié)議。在設計路由協(xié)議時，應根據(jù)不同應用的需求，設計與之相對應的路由協(xié)議，這樣可以簡化協(xié)議、節(jié)省能量。

5）數(shù)據(jù)的融合

無線傳感器網(wǎng)絡旨在獲得Sink節(jié)點感興趣的一些數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)被傳送到節(jié)點即可。在無線傳感器網(wǎng)絡中，同一事件的數(shù)據(jù)可能被多個節(jié)點采集到，或者同一事件的數(shù)據(jù)可能被多次傳輸，因此網(wǎng)絡中存在大量的冗余數(shù)據(jù)，路由協(xié)議的設計需要考慮這些冗余數(shù)據(jù)，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(wǎng)絡不能使用傳統(tǒng)的路由協(xié)議，在設計無線傳感器網(wǎng)絡的路由協(xié)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(wǎng)絡，一般要求網(wǎng)絡生存時間足夠長。因此，無線傳感器網(wǎng)絡不僅關心單個節(jié)點的能耗，更在意整個網(wǎng)絡能量消耗的平均情況，爭取實現(xiàn)節(jié)點剩余能量均衡，這樣就能夠最大限度地延長網(wǎng)絡的生命周期。另外，在無線傳感器網(wǎng)絡中還有特殊用途的協(xié)議，如基于地理位置的無線傳感器網(wǎng)絡，這種網(wǎng)絡就需要配合網(wǎng)絡的定位系統(tǒng)來實現(xiàn)。