无线传感器网络：网络层和路由协议
无线传感器网络中的路由协议
无线传感器网络中的路由协议随着科技的不断发展，无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）已经逐渐成为了一种被广泛研究和应用的技术。
无线传感器网络拥有广泛的应用领域，如军事、环境监测、智能家居、健康管理等。
在这些应用中，无线传感器网络的安全、可靠性和生命稳定性是至关重要的。
为了保证上述三个要素，需要一个高效、稳定且可扩展的路由协议来管理无线传感器网络中的数据传输和路由决策。
无线传感器网络与传统的局域网和广域网不同，它不具有结构上的中心，而是由大量分散的节点构成，这些节点协同工作来达到目标。
由于节点之间的距离很近，数据包在此类网络中往往是通过多跳传输。
一个好的路由协议应当考虑网络中所有节点的负载以及能源消耗，尽可能地减少数据包的延迟和数据包的丢失。
这是无线传感器网络中的路由协议需要考虑的主要问题。
在无线传感器网络中，有三种主要的路由协议：平面机制、分层机制和混合机制。
1. 平面机制平面机制是指所有节点都属于同一层次，没有层次结构。
节点之间通过广播协议（如Flooding protocol）相互传递数据。
节点只需知道自己的邻居节点，数据包的传输是由遍布整个网络的节点负责的。
这种方法简单且易于实现，但会导致网络不稳定，易出现死循环和数据洪泛问题。
因此，在实际应用中很少使用。
2. 分层机制分层机制是指将节点按照其功能和自己所处的位置划分为不同的层次。
分层机制将一个大的无线传感器网络划分为多个小的子网络，每个子网络都有一个负责节点。
子网络之间通过中继节点进行通信，可以减少数据的传播距离和提高传输速率。
分层机制通常由三层组成：传感器层、联络层和命令层。
传感器层负责数据的采集与传输，联络层负责中继和路由，命令层负责网络控制和管理。
分层机制的优点是可以有效降低网络负载和节点的能源消耗，提高网络的生存率和稳定性。
常见的分层机制路由协议有链路状态广告协议(LSP protocol)、电子飞秋协议(EFQ protocol)等。
无线传感器网络的分层结构设计与优化
无线传感器网络的分层结构设计与优化无线传感器网络（Wireless Sensor Networks, WSN）是指由大量分散的、具有可编程性、自适应性和自组织能力的微型感知器件组成的网络，可以实现对环境的感知、数据采集、信息处理和无线传输。
传感器节点之间通过无线通信进行交互和协同，构成一个具有分布式和协同处理能力的系统。
分层结构是传感器网络设计中的一种重要的指导思想，可以使得系统结构更为清晰、可实现性更高、维护和升级更为简单。
一、无线传感器网络的分层结构无线传感器网络中，为了实现数据的采集、处理、传输和应用，需要对网络结构进行分层。
根据不同的分层需求，可以将传感器网络分为物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。
1、物理层物理层是无线传感器网络中最基础的一层，主要用于连接传感器节点，完成数据的传输和收集。
物理层根据通信距离、信噪比、占用带宽和能量消耗等因素，选择合适的调制方式、频率和功率等参数，保证数据的可靠传输和接收。
2、数据链路层数据链路层主要解决节点之间的数据传输问题，完成数据帧的封装和解封，实现MAC协议的设计和实现。
数据链路层还可以通过冗余编码、多跳传输和节点协作技术，提高网络的容错能力和通信效率。
3、网络层网络层是无线传感器网络中用于节点寻址和路由的层次。
节点在网络层中分配唯一的地址，并可以通过网络拓扑结构进行数据的传输选择。
网络层的路由协议设计直接影响着无线传感器网络的性能和可扩展能力。
经典的路由协议包括SPIN、LEACH和TEEN等。
4、传输层传输层主要完成数据的分段和传输，保证数据传输的可靠性。
传输层协议包括传输控制协议（TCP）、用户数据报协议（UDP）和超时重传协议（TRP）等。
对于无线传感器网络，需要专门设计实现适合传感器网络的传输协议，以保证网络的稳定性和可靠性。
5、应用层应用层是无线传感器网络中用于实现具体应用的层级。
应用层根据不同的应用需求，选择对应的应用协议和数据格式。
深入解析无线传感器网络中的网络协议栈
深入解析无线传感器网络中的网络协议栈无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是一种由大量分布在空间中的无线传感器节点组成的网络系统。
这些节点可以感知环境中的各种物理量，并将其通过无线通信传输给中心节点进行处理和分析。
在WSN中，网络协议栈起着至关重要的作用，它负责管理和协调节点之间的通信，保证数据的可靠传输和网络的高效运行。
一、物理层物理层是WSN网络协议栈的最底层，主要负责将数字信号转换为模拟信号并进行无线传输。
在物理层中，常用的调制技术有频移键控（FSK）、相移键控（PSK）和正交频分多址（OFDM）等。
此外，物理层还需要考虑能量消耗的问题，因为无线传感器节点通常由电池供电，能量是非常有限的资源。
二、链路层链路层位于网络协议栈的第二层，主要负责节点之间的数据帧传输。
在WSN 中，由于节点之间的通信距离较近，链路层通常采用低功耗的无线通信技术，如低功耗蓝牙（Bluetooth Low Energy，BLE）和Zigbee等。
链路层还需要解决无线信道的共享和冲突问题，以保证数据的可靠传输。
三、网络层网络层是WSN网络协议栈的第三层，主要负责节点之间的寻址和路由。
在WSN中，网络层需要解决节点拓扑结构的建立和维护问题，以及数据包的转发和路由选择问题。
为了降低能量消耗，网络层通常采用分层路由协议，将网络划分为多个层次，每个层次的节点负责转发和处理相应的数据。
四、传输层传输层位于网络协议栈的第四层，主要负责节点之间的可靠数据传输。
在WSN中，由于节点之间的通信距离较近，传输层通常采用无连接的传输协议，如用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）。
传输层还需要解决数据包的分段和重组问题，以保证数据的完整性和可靠性。
五、应用层应用层是WSN网络协议栈的最顶层，主要负责节点之间的应用数据交互。
在WSN中，应用层需要根据具体的应用需求设计相应的协议和算法，以实现对环境中各种物理量的感知和监测。
无线传感器网络中的数据传输协议
无线传感器网络中的数据传输协议一、引言随着物联网和智能化技术的快速发展，无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）因其低功耗、低成本、易部署等优点而得到广泛应用。
数据传输是WSN中的关键问题，其质量和效率直接影响整个网络的运行效果。
本文将从协议设计、数据传输过程和优化角度探讨无线传感器网络中的数据传输协议。
二、协议设计WSN中的数据传输协议主要分为以下几种：（一）传输层协议传输层协议是指在WSN中实现数据传输的基本协议，包括传输控制协议（TCP）和用户数据报协议（UDP）两种。
UDP协议的传输效率高，但可靠性不够，适用于需要快速传输数据且对数据完整性要求不高的场合；TCP协议则通常用于重要数据的传输，通过重传、校验等功能提高数据传输的可靠性，但传输效率略有降低。
（二）MAC层协议MAC层协议是指定义数据包发送和接收的规则和方式，以及控制无线传感器网络内节点之间的通信协议。
目前常见的MAC层协议有能量受限的媒体接入控制（Energy-Limited Media Access Control，ELMAC）和低能耗媒体访问控制（Low-Energy Media Access Control，LEMMA）两种，它们通过不同的方式控制节点的发送和接收规则，保证数据在传输过程中的准确性和实时性。
（三）路由协议路由协议是指无线传感器网络中节点之间传输数据的路径规划和选择协议，以保证数据可靠传输。
常见的路由协议有基于距离的路由协议、基于分层的路由协议和基于能量的路由协议。
其中基于能量的路由协议因其在保证数据可靠传输的同时，考虑了节点的能量消耗，具有较高的适用性和可靠性。
三、数据传输过程WSN中的数据传输过程需要经过以下几个阶段：（一）数据采集数据采集是指节点通过传感器采集到环境中的各种数据，如温度、湿度等信息，并将其存储在节点内部的缓存区中，待传输时一并打包发送。
（二）数据编码数据编码是指将数据通过特定的编码方式转换成能够在无线传感器网络中传输的格式，如决策树结构、压缩编码、嵌入式编码等。
无线传感器网络路由协议
无线传感器网络路由协议无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是由大量低成本、低功耗的传感器节点组成的网络系统，用于感知和收集环境信息。
无线传感器网络的路由协议起着关键作用，它决定了数据在网络中的传输路径和方式，影响着整个网络的性能、能耗以及生存时间。
1. LEACH（Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy）是一种经典的层次化路由协议。
它将网络中的节点划分为若干个簇（Cluster），每个簇有一个簇首节点（Cluster Head）。
簇首节点负责收集和聚合簇内节点的数据，并将聚合后的数据传输给基站节点，从而减少了网络中节点之间的通信量，节省了能耗。
2. AODV（Ad Hoc On-Demand Distance Vector）是一种平面路由协议，适用于无线传感器网络中节点数量较少且网络拓扑较稳定的情况。
AODV协议通过维护路由表来选择最短路径，当节点需要发送数据时，它会向周围节点发起路由请求，并根据收到的响应建立起路由路径。
3. GPSR（Greedy Perimeter Stateless Routing）是一种基于地理位置的路由协议。
它通过利用节点的地理位置信息来进行路由选择，具有低能耗和高效的特点。
GPSR协议将整个网络划分为若干个区域，每个节点知道自己的位置以及周围节点的位置，当需要发送数据时，节点会选择最近的邻居节点来进行转发，直到达到目的节点。
除了以上几种常见的路由协议，还有很多其他的无线传感器网络路由协议，如HEED（Hybrid Energy-Efficient Distributed clustering）、PEGASIS（Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems）等，它们各自具备不同的优势和适用场景。
总之，无线传感器网络的路由协议在保证数据传输可靠性和网络能耗方面起着重要的作用。
无线传感器网络路由协议分析
南京邮电大学硕士研究生学位论文术语表术语表Adaptive Threshold sensitive Energy APTEEN 自适应敏感阀值节能型传感网络协议CDMA码分多址Code Division Multiple AccessCSMA 载波侦听多路访问Carrier Sense Multiple AccessDD 定向扩散Directed DiffusionGEAR 地理和能量感知路由Geographic and Energy Routing LEACH 低功耗自适应分簇协议介质访问控制Media Access ControlMCU 微控制单元Micro-Controller UnitPEGASIS Po-Efficient Gathering in SensorInformation System服务质量Quality of Service信息协商传感协议Sensor Protocol for Information viaNegotiationTCP 传输控制协议Transfer Control ProtocolTDMA 时分多址Time Division Multiple AccessTEEN 敏感阀值节能型传感网络协议Threshold sensitive Energy Efficient sensorNetwork protocol用户数据包协议User Datagram ProtocolWSN 无线传感器网络Wireless Sensor Network南京邮电大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
无线传感器网络网络层和路由协议
无线传感器网络网络层和路由协议无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，简称WSN）是由多个分布式无线传感器节点组成的网络系统，用于对环境进行监测、采集和传输数据。
在WSN中，网络层和路由协议起到了关键作用，负责实现传感器节点之间的数据传输和网络通信。
一、网络层的功能网络层是无线传感器网络的核心组成部分，它提供一种机制来确保数据在网络中的可靠传输。
网络层的主要功能如下：1.数据分组：网络层负责将应用层产生的数据分成多个独立的数据包，并为每个数据包分配一个唯一的标识符。
2.网络编址：网络层为每个传感器节点分配唯一的标识符，以便其他节点可以识别和定位特定的节点。
3.数据路由：网络层通过选择最佳的数据传输路径以实现数据的有效传输。
这种路由选择可能是基于节点之间的距离、能量消耗和网络拓扑。
4.拥塞控制：网络层负责监测和调整网络中数据传输的速率，以避免网络拥塞和资源浪费。
二、常见的路由协议1. 平面分布式网络（Flat Distributed Network）：在这种网络中，每个传感器节点具有相同的地位和角色，节点之间通过广播的方式进行通信。
这种路由协议适用于节点分布均匀的小型网络，但随着网络规模的增大，广播的开销会大大增加。
2. 分级网络（Hierarchical Network）：在分级网络中，网络节点被分为若干个级别的集群，并指定一些节点作为聚集器和中心节点。
这些聚集器负责收集、聚合和传输其他节点的数据。
这种路由协议可以减少节点之间的通信开销和能量消耗，提高网络的生命周期。
3. 基于链路状态的路由协议（Link-State Routing Protocol）：这种路由协议基于网络中节点之间的链路状态信息来构建拓扑图，并计算最短路径。
每个节点需要维护邻居节点的链路状态信息，并通过广播将信息传递给其他节点。
这种路由协议适用于节点之间的链路状态变化频繁和网络拓扑改变较多的情况。
4. 基于距离向量的路由协议（Distance Vector Routing Protocol）：这种路由协议基于节点之间的距离信息来决定数据的传输路径。
无线传感器网络的路由协议
路由协议概述
无线传感器网络的路由协议主要任务是确保数据由 源节点准确高效地传输到目的节点，即寻找数据的 最优路径以及沿最优路径发送数据。
能耗：WSN中，路由协议的制定受能耗的限制。 ◆邻居发现过程：邻居节点间交换信息会消耗能量，交换数据越 大，能耗越大。 ◆处理过程：数据传输过程的计算和通信会消耗能量，通信的能 耗大于计算。
能量感知路由
能量多径路由
主要过程
路径建立 建立从源节点 到目的节点的多 条路径 计算出各条路 径的选择概率
数据传输
对于接收到的 每组数据，节点 根据概率从所有 下一跳节点中选 择一个节点
路由维护
周期性从目的 节点到源节点进 行洪泛查询以维 护路径的有效性 和活跃性
能量感知路由
能量多径路由
路径建立具体过程
缺点
➢节点硬件需要支持射频功率自适应调整； ➢无法保证簇头节点能遍及整个网络； ➢分簇与簇头选举 要公平
分层路由协议
PEGASIS协议
◆PEGASIS协议是对于LEACH的一种改进，节点间不再组成簇，而 是组成链 ◆PEGASIS协议基本原理：
1.假定传感器节点是同构和相对静止的 2.节点通过发送能量递减的测试信号，确定相邻节点的位置 3.进而了解网络的全局信息 4.节点选择其最近的邻居作为链上的下一跳 5.节点只需维护自己上一跳和下一跳的邻居信息
分层路由协议
LEACH协议
网络按照周期工作，每个周期分为两个阶段：
◆簇头建立阶段： 节点运行算法，确定本次自己是否成为簇头（选簇）； 簇头节点广播自己成为簇头的事实； 其他非簇头节点按照信号强弱选择应该加入的簇头，并通知该
簇头节点； 簇头节点按照TDMA的调度，给依附于他的节点分配时隙；
无线传感器网络的路由协议
无线传感器网络的路由协议无线传感器网络（Wireless Sensor Network，简称WSN）是由大量分布式无线传感器节点组成的网络，用于感知环境、采集数据并传输给终端节点。
由于传感器节点资源有限，传统的路由协议在WSN中不适用。
因此，研究人员开展了大量的工作，提出了许多适用于WSN的路由协议。
以下是WSN常见的路由协议：基于平面的路由协议将传感器节点所处的平面划分为不同的区域，利用区域之间的连接关系进行数据传输。
其中一种经典的基于平面的路由协议是LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy），它基于分簇的思想将传感器节点分为不同的簇，每个簇有一个簇首节点负责数据聚合和传输。
基于层次的路由协议是WSN中常见的一种路由方式，它将节点组织成多个层次。
每个层次中的节点具有不同的功能和职责。
经典的基于层次的路由协议包括TEEN（Threshold-sensitive Energy Efficient Sensor Network）和PEGASIS（Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems）。
基于多跳的路由协议允许节点通过中转节点将数据传输到目的节点，从而延长网络的传输范围。
常见的基于多跳的路由协议包括SPIN（Sensor Protocols for Information via Negotiation）和Directed Diffusion。
SPIN协议利用分布式算法对节点进行数据交换和传输，Directed Diffusion协议则通过沿着数据梯度传播的方式进行数据传输。
由于传感器节点能量有限，基于能量的路由协议非常重要。
这些协议通过考虑节点能量状态来决定数据传输路径，以延长网络的生命周期。
例如，E-SEP（Energy-Efficient Stable Election Protocol）、GEDIR （Gateway-Efficient, Deterministic and Energy-Aware Routing）和ENERGY-LL（Energy-Efficient, Low Latency Routing）都是基于能量的路由协议。
无线传感器网络简介
混合网络结构
平面网络结构
01
分级网络结构
02
03
Mesh网络结构
04
2、1无线传感网络拓扑结构
2、2无线传感器网络覆盖问题
覆盖问题是无线传感器网络配置首先面临的基本问题，因为传感器节点可能任意分布在配置区域，它反映了一个无线传感网络某区域被鉴测和跟踪的状况
三、无线传感器网络关键技术
动态电压调度(dynamic voltage scheduling,简称DVS)
4无线传感器网络QOS保证技术
5无线传感器网络数据融合技术
6无线传感器网络安全机制
7无线传感器网络定位技术
8无线传感器网络同步管理机制
四、无线传感器网络硬件平台
传感器节点
01.
汇聚节点
01.
管理平台
01.
4、1硬件结构
泛洪协议
SPIN协议
主要完成两大功能：一是选择适合的优化路径，一是沿着选定的路径正确转发数据
3.2无线传感器网络路由协议
动态功率管理(dynamic power management,简称DPM)
01
动态电压调度(dynamic voltage scheduling,简称DVS)
02
3.3无线传感器能量管理机制
传感器节点
无线传感器网络微型节点由数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元和电源管理单元4部分组成
汇聚节点
当节点作为汇聚节点时，其主要功能就足连接传感器网络与外部网络(如Internet)，将传感器节点采集到的数据通过互联网或卫星发送给用户。
管理平台
管理平台对整个网络进行检测、管理，它通常为运行有网络管理软件的PC机或者手持终端设备
无线网络传感器协议书
无线网络传感器协议书无线网络传感器协议书一、引言：无线网络传感器是一种用于数据采集和通信的设备，可以广泛应用于环境监测、物体追踪、安防监控等领域。
为了确保无线传感器网络的高效稳定运行，制定本协议。
二、目的：本协议的目的是规范无线网络传感器的通信规则，保障数据的准确可靠传输，并提高无线网络传感器的性能和安全性。
三、传输层协议：1. 无线网络传感器应采用可靠的传输层协议，如TCP或UDP。
2. 数据包长度应根据具体应用情况进行合理设置，以降低传输延迟和网络拥塞。
四、网络拓扑：1. 无线网络传感器应采用星型或网状拓扑结构，其中每个传感器节点都可以直接与周围节点通信。
2. 网络拓扑应根据具体应用场景进行合理布置，以确保传感器节点之间的通信距离和连通性。
五、通信频率和带宽：1. 通信频率应根据设备硬件的特性和实际需求进行选择，避免与其他无线设备的频率冲突。
2. 通信带宽应根据数据传输的需求进行适当设置，以确保数据的高效传输。
六、数据采集和传输：1. 传感器节点应根据预设的采样时钟对环境参数进行周期性采集。
2. 采集到的数据应经过处理和压缩，以减小数据包的大小和传输延迟。
3. 数据包应添加相应的校验码，以保证数据的完整性和准确性。
4. 数据包的传输应遵循先进先出的原则，确保数据的时序性。
七、安全性保障：1. 无线网络传感器应采用合适的加密算法，对传输的数据进行保护，防止信息被窃取和篡改。
2. 网络中的传感器节点应充分考虑身份验证和访问控制的问题，确保网络的安全性。
八、电源管理：1. 无线网络传感器应采用低功耗的设计，以延长电池寿命并减少能源的消耗。
2. 传感器节点应采用智能节能机制，根据数据采集的需求自动调整设备的工作状态。
九、故障处理：1. 传感器节点应具备自动故障检测和恢复功能，及时发现和排除故障。
2. 故障节点应能够自动重新加入网络，并通知其他节点进行相应调整。
十、协议更新和维护：1. 无线网络传感器协议应定期进行更新和维护，以适应新的技术和应用需求。
无线传感器网络中的路由协议分析
无线传感器网络中的路由协议分析无线传感器网络（Wireless Sensor Network，简称WSN）是由大量分布在特定区域内的无线传感器节点组成的网络系统。
在这种网络中，传感器节点通过无线通信相互连接并协同工作，以收集和传输环境信息。
路由协议在无线传感器网络中起到至关重要的作用，它决定了数据包在网络中的传输路径，对于网络性能的影响不可忽视。
为了实现高效可靠的数据传输，设计一个合适的路由协议是必不可少的。
在WSN中，常用的路由协议主要有数据中心路由协议、适用于大规模网络的平面路由协议和分级路由协议。
数据中心路由协议是一种基于层次结构的路由协议，适用于大规模WSN。
它将传感器节点按照地理位置划分为多个集群，每个集群有一个数据中心节点。
数据中心节点负责收集并聚合本地传感数据，然后将数据发送到网络中的其他数据中心节点。
这种路由协议可以提高网络的可伸缩性和稳定性，但同时也增加了能耗和数据传输的延迟。
平面路由协议是一种无层次的路由协议，适用于中小规模WSN。
它采用无中心化的方式，将传感器节点平等对待，每个节点都具有相同的功能。
平面路由协议通过建立路由表，将数据包传输到目标节点。
这种路由协议具有简单、灵活和低能耗的特点，但也面临着网络拓扑动态变化时的路由更新问题。
分级路由协议是一种结合了层次和无层次特点的路由协议，适用于中等规模的WSN。
它将传感器节点按照能耗和功能划分为多个层次，并将高能耗的节点放置在网络的边缘。
分级路由协议充分利用了网络中不同节点的特点，实现了能耗均衡和网络负载均衡。
但同时也增加了节点之间的通信开销，并引入了层次划分和节点选择的问题。
在选择合适的路由协议时，需要考虑网络规模、能源消耗、网络拓扑动态变化等因素。
此外，还可以结合具体应用场景和需求来选择路由协议。
例如，在需要高可靠性和实时性的应用场景中，数据中心路由协议可能更适合；而对于需要低能耗和简单路由的应用，平面路由协议可能更适合。
无线传感器网络路由协议的研究毕业论文
energy multiplex paths routing theory
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作与取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得与其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了意。
1.1
近年来，微处理器和无线通信技术的不断进步产生了能够进行局部信息处理和无线通信的分布式设备，这种体积小、价格低廉且低能耗的节点被称作传感器节点。每个传感器节点仅能进行有限的信息处理，但是大量节点相互协作就可以详细观测一个给定的物理环境。大量这样的传感器节点通过无线通信技术自组织构成了无线传感器网络。无线媒介可以是红外设备或者无线电等。与传统的网络不同，无线传感器网络是依靠密集的散布以与相互协作来完成它们的任务。
1.低能耗。低能耗的要求基于两种原因:一是由于传感器节点的体积小，因此能量供给有限;二是由于传感器网络的工作环境往往难以更新电池或因更新代价大而不可操作。节点的能耗大小对无线传感器网络的生存时间具有重大影响，是其核心优化目标之一。
2.可扩展。由于传感器节点可能非常多，因而要求其应用的各项技术能有效用于大规模网络。
无线传感器网络是从传感器网络开始的，传感器网络经历了如图1-1所示的发展历程。第一代传感器网络出现在20世纪70年代。使用具备简单信息信号获取能力的传统传感器，采用点对点传输、连接传感控制器构成传感器网络；第二代传感器网络，具备获取多种信息信号的综合能力，采用串，并接口(如Rs-232、RS-485)和传感控制器相联，构成有综合多种信息的传感器网络；第三代传感器网络出现在20世纪90年代后期和本世纪初，用具备智能获取多种信息信号的传感器，采用现场总线连接传感控制器，构成局域网络，成为智能化传感器网络；第四代传感器网络正在研究研发，现在成形并大量投入使用的产品还没有出现．用大量的具备多功能多信息信号获取能力的传感器，采用自组织无线接入网络，和传感器网络控制器连接，构成无线传感器网络。本文所介绍的无线传感器网络就是指第四代传感器网络。
无线传感器网络
无线传感器网络无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，简称WSN）指采用无线通信技术将大量分布式的无线传感器节点进行网络互联，并通过节点之间的协同工作实现对环境信息的采集、处理、传输和应用的一种网络系统。
它具有低成本、低功耗、分布式、自组织等特点，在环境监测、智能交通、物流管理等领域有着广泛的应用前景。
一、无线传感器网络的概念与组成无线传感器网络是由大量的无线传感器节点组成的分布式网络系统。
每个节点都具有感知环境、处理数据和进行通信的能力，可以通过无线通信方式与其他节点进行数据交换和协同工作。
节点之间通过无线信道进行数据传输，形成了一个覆盖范围广、布局灵活的网络。
无线传感器网络的组成主要包括以下几个要素：1. 无线传感器节点：每个节点包含感知器、处理器、无线通信模块和电源等组件。
它们能够感知环境中的各种物理量，如温度、湿度、压力等，并将采集到的数据进行处理和传输。
2. 网络拓扑结构：是指无线传感器节点之间的连接方式。
常见的拓扑结构有星型、多跳、分簇等，不同的拓扑结构适用于不同的应用场景和需求。
3. 路由协议：用于节点之间的数据传输和通信，实现节点之间的协作和信息交换。
常见的路由协议有LEACH、TBRPF等，选择合适的路由协议对于网络性能和能耗有着重要的影响。
4. 数据处理与存储：无线传感器网络中的节点通常会对采集到的数据进行处理和存储，以便后续分析和应用。
节点可以通过数据压缩、聚合等方式减少数据的传输量，并采用存储技术将数据保存在本地或云端。
二、无线传感器网络的应用领域无线传感器网络在许多领域都有着广泛的应用，下面列举了一些典型的应用领域：1. 环境监测：无线传感器网络可以用于实时监测环境中的温度、湿度、气体浓度等参数，对环境变化进行监测和预警。
这在农业、气象、能源等领域都有着重要的应用价值。
2. 智能交通：无线传感器网络可以用于交通状况的实时监测和智能调度，提高交通效率和安全性。
无线传感器网络中的路由协议使用教程
无线传感器网络中的路由协议使用教程无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是由大量分布式传感器节点组成的网络系统，主要用于接收和传递环境中的信息。
在WSN中，节点之间的通信是通过路由协议来实现的。
路由协议的选择和使用对于WSN的性能和能效至关重要。
本文将介绍几种常用的无线传感器网络中的路由协议及其使用教程。
1. LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）LEACH是一种经典的无线传感器网络路由协议，主要用于降低网络中能量消耗。
LEACH协议采用分簇的方式组织网络，即将节点分为不同的簇，每个簇都有一个选举的簇头节点，负责数据的汇聚与传输。
LEACH协议的使用步骤如下：步骤1：节点选择每个节点在每一轮中都有一定的概率成为簇头节点，概率大小与节点的剩余能量成反比。
节点根据自身剩余能量计算概率，并决定是否成为簇头节点。
步骤2：簇建立节点选择完成后，其他节点将选择最近的簇头节点进行连接，并加入对应的簇中。
步骤3：数据传输簇头节点负责接收和汇聚其他节点的数据，并将数据传输到基站或其他目标节点。
2. AODV（Ad-hoc On-Demand Distance Vector）AODV是一种基于距离向量的无线传感器网络路由协议，主要用于动态网络中的路由选择。
AODV协议具有很好的自适应性能，能够根据网络的变化实时地选择最佳路由。
AODV协议的使用教程如下：步骤1：路由请求当一个节点需要发送数据时，它首先向周围的节点广播路由请求（RREQ），请求到达目标节点的最佳路径。
步骤2：路由回复当接收到路由请求的节点拥有到目标节点的有效路径时，它向源节点发送路由回复（RREP），包含到达目标节点的路径信息。
步骤3：数据传输源节点接收到路由回复后，即可沿着最佳路径将数据传输到目标节点。
3. DSR（Dynamic Source Routing）DSR是一种基于源节点的无线传感器网络路由协议，能够自适应地选择路由，并能够处理网络中的节点移动。
《无线传感器网络与物联网通信技术》教学课件 第2章 无线传感器网络体系结构 2.4 网络层
2.4 网络层 按路由发现过程分类
根据路由发现 方式及其过程的不 同，可将路由协议 分为以位置为中心 的路由协议和以数 据为中心的路由协 议。
以位置为中心的 路由协议即地理位置 路由协议，将节点位 置信息作为路由选择 的依据，在某个需求 区域间进行数据传输， 可实现缩减传输范围， 降低路由的能耗，延 长网络的生命周期。
1．能量消耗 2．能量感知路由 3．能量多路径路由
无线传感器网络与物联网通信技术
2.4 网络层 能量消耗
在无线传感器网络中，能量的消耗主要体现在节点及系统的运行上。 分析无线传感器网络的运行过程，其能耗主要包含计算相关和通信相关 两大因素。
（1）计算相关因素的能耗 （2）通信相关因素的能耗
无线传感器网络与物联网通信技术
在层次路由协议中，网络被划分为多个簇，每个簇包含簇头 节点和簇内节点，簇内节点获取信息并传输给簇头节点，最后传 输至终端节点。层次路由协议的优势是扩展性好，适合大规模的 无线传感器网络，但簇头节点的维护开销远大于其他节点，所以 一般采用符合网络条件的节点来轮流担任簇头节点，以均衡簇头 节点能耗，降低簇头节点因能耗而失效的可能性。
无线传感器网络与物联网通信技术
2.4 网络层 能量感知路由
需 要 说 明 的 是 ， 上 述 4 种 策 略 是 基 于 节 点 对 于 整 个 网 络 的 全 局 PA 是 已 知 的 ， 否 则 ， 无法进行策略判断。但在实际应用中，由于受到资源等条件的约束，使得节点只能获 取无线传感器网络的局部信息，难以掌控全局信息，因此，上述能量感知路由策略属 于理想的路由协议方法。图2-22 能量感知路由示意图
② 在数据传输过程中，节点通过概率计算选择下一跳节点，并转发相应的数据分组。 节点选择的概率与通信代价成反比，代价很高的路径将被舍弃，不加入其路由表中，只 有那些具有较低路径代价的邻居节点才可以被加入当前节点的路由表中。
浅谈无线传感器网络路由协议
浅谈无线传感器网络路由协议概要：通过对无线传感器网络路由协议相关知识点的分析和思考，能够进一步加深人们对无线传感器网络的研究，推动该技术在国内相关领域的普及和发展。
就目前来看，无线传感器网络在医疗监护、社区监控、矿井生产及军事侦探等多个领域的应用正日趋广泛。
无线传感器网络路由协议，作为无线传感器网络中的关键技术，通过对其基本特征和设计要求，以及平面路由协议和层次路由协议等两大分类的认识和了解，对于无线传感器技术的发展和变革有着不容忽视的促进作用。
1.无线传感器网络路由协议的特点无线传感器网络路由协议，主要是用来处理网络中的传输数据，在无线传感器网络中充当着极为重要的角色。
通过对无线传感器网络路由协议的分析，认为其具有以下几点鲜明特点和局限性。
（1）终端节点的特点。
传感器的节点数量相对较大，促使其能够作用于计算子系统、通信子系统、传感子系统和能量供应子系统等多个方面，不过同时也加大了建立全局地址的难度，而且各节点的传输能力、处理能力和存储能力也极为有限。
（2）传感器定位特点。
在无线传感器中，由于终端节点的数量庞大，且通常是数据聚集的主要地方，因此，在进行传感器定位上，主要工作是由终端节点来完成的。
（3）传感器网络特点。
根据不同的应用场景，传感器网络的作用类型也不同。
呈现功能多样化的特点。
2.无线传感器网络路由协议的设计（1）注重路由算法节能。
在无线传感器网络路由协议的设计上，降低路由算法的耗能，在网络周期运行、通信功能等方面起着决定性的作用。
通过降低算法能量消耗，能够有效延长网络的生命周期。
（2）注重路由算法扩展。
随着无线传感器的应用日趋广泛，终端节点的数量也在不断增加，给网络造成了一定程度的繁冗。
为此，在设计时注重路由算法扩展性的提高，能够有效地融合新节点，从而提高网络处理数据的能力，延长使用寿命。
（3）注重路由算法容错。
注重路由算法容错能力的提高，能够保证在分层结构的终端节点失效时，最大限度减轻簇头的高负载，以免整个网络陷入瘫痪。
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SPIN协议簇有 种不同的形式： 协议簇有4种不同的形式 协议簇有 种不同的形式：
SPIN-PP（A 3-Stage Handshake Protocol for Point-to-Point Media）：适合 点对点信道 SPIN-EC（SPIN-PP with a Low-Energy Threshold）：在SPIN-PP基础上增 加了能量限制 SPIN-BC（A 3-Stage Handshake Protocol for Broadcast Media）：适合于 广播信道 SPIN-RL（SPIN-BC for Lossy Network）：考虑信道上存在分组丢失
Rumor 路由协议（谣传路由）： 路由协议（谣传路由）：
Rumor Routing是在Directed Diffusion的基础上演 化而来的。通常情况下，Directed Diffusion协议需 要向整个网络广播兴趣，而在某些应用中，只有少 量的 数据需要从源节点传递到Sink节点。在这种情况下， 没有必要向整个网络广播兴趣。当WSN中的事件 （对应着数据的传递）数量很少，而查询（对应着 兴趣的广播）数量很多的时候，可以采用广播事件 的方法，以节省能量的消耗。Rumor Routing是一 个介于事件广播（向整个网络广播事件）和兴趣广 播（向整个网络广播兴趣）之间的一种路由协议
Rumor Routing核心思想： 核心思想： 核心思想
1.借鉴了欧氏平面图上任意两条曲线交叉几率很大 的思想 2.当节点监测到事件后将其保存，并创建称为Agent 的生命周期较长的包括事件和源节点信息的数据包， 将其按一条或多条随机路径在网络中转发 3.收到Agent的节点根据事件和源节点信息建立反向 路径，并将Agent再次随机发送到相邻节点，并可 在再次发送前在Agent中增加其已知的事件信息 4.sink点的查询请求也沿着一条随机路径转发,当两 路径交叉时则路由建立 5.如不交叉,sink点可flooding查询请求
DD路由协议的缺点： 路由协议的缺点： 路由协议的缺点
1.基于查询驱动模型的，不适用于环境监测的WSN； 2.Gradient的建立开销很大,不适合多sink点网络； 3.数据聚合过程采用时间同步技术,会带来较大开销和时延； 4.不同的应用中需要定义不同的命名方案，也就是<属性，值>对， 从而限制了它的应用。
DD路由协议的优点： 路由协议的优点： 路由协议的优点
1.采用多路径,健壮性好; 2.节点只需要和邻居节点通信，因而不需要全局的地址机制，使 用查询驱动机制按需建立路由,避免了保存全网信息； 3.每个节点都可以进行数据融合操作，能减少数据通信量，节省 能量消耗； 4.sink点根据实际情况采取增强或减弱方式能有效利用能量； 5.节点不需要维护网络的拓扑结构，数据的发送是基于需求的， 因此它是一个非常节能的路由协议。
简单、开销小，每个节点只需要找到通往Si nk节点的下一跳节点，然后把数据发给它
MTE路由协议的不足： 路由协议的不足： 路由协议的不足
靠近Sink节点的传感器节点会一直承担路由 器的角色，节点之间负载不平衡，靠近Sink 节点的传感器节点可能很快就耗尽自己的能 源而死亡，缩短整个网络的生命周期
DD（Directed Diffusion）定向扩散路由协议是一种以 （ ） 数据为中心的路由协议， 数据为中心的路由协议，与已有的路由协议有着截然不 同的实现机制，其突出特点是引入了梯度 梯度(Gradient)来 同的实现机制，其突出特点是引入了梯度 来 描述网络中间节点对该方向继续搜索获得匹配数据的可 能性。 能性。 右图描述DD路由协议的工作原理 右图描述 路由协议的工作原理
SPIN-PP采用点到点的通信模式，并假定两节点间的通信不受其 采用点到点的通信模式， 采用点到点的通信模式 他节点的干扰，分组不会丢失， 他节点的干扰，分组不会丢失，功率没有任何限制
1.在发送一个 在发送一个DATA数据包之前，一个传感器节点首先对向邻居 数据包之前， 在发送一个 数据包之前 节点广播ADV数据包； 数据包； 节点广播 数据包 2.如果一个邻居节点在收到 如果一个邻居节点在收到ADV后有意愿接收该 后有意愿接收该DATA数据包， 数据包， 如果一个邻居节点在收到 后有意愿接收该 数据包 那么它向该节点发送一个REQ数据包，接着节点向该邻居节点发 数据包， 那么它向该节点发送一个 数据包 数据包。 送DATA数据包。 数据包 3.类似地进行下去，DATA数据包可被传输到远方汇节点或基站。 类似地进行下去， 数据包可被传输到远方汇节点或基站。 类似地进行下去 数据包可被传输到远方汇节点或基站
洪泛路由（ 洪泛路由（Flooding）的应用情况： ）的应用情况：
①网络资源过于浪费，实际很少直接采用 ②具有极好的健壮性，可用于军事应用 ③作为衡量标准评价其它路由算法
Gossiping路由协议： 路由协议： 路由协议
Gossiping协议是对Flooding协议的改进,节点将产生或收到的 数据随机转发给一个或者若干个相邻节点,避免了内爆,但增加 了时延，且无法避免重叠问题。
1.小ADV消息减轻了内爆问题; 2.通过数据命名解决了交叠问题； 3.节点根据自身资源和应用信息决定是否进行ADV通告，避免了资源 利用盲目问 题，有效地节约了能量。
SPIN协议的不足： 协议的不足： 协议的不足
在传输新数据的过程中，直接向邻居节点广播ADV数据包， 而没有考虑其所有邻 居节点由于自身能量的原因，不愿承担 起转发新数据的功能，则新数据无法传输，将会出现“数据盲 点”，进而影响整个网络信息的收集
在Directed Diffusion中，可以对路径进行修复。在建 中 可以对路径进行修复。 立多条数据源到Sink节点的路径之后，Sink节点可以 节点的路径之后， 立多条数据源到 节点的路径之后 节点可以 选择增强其中的一条路径用于数据的传输， 选择增强其中的一条路径用于数据的传输，而同时保 持另外一条低速数据传输的路径。当高速路径， 持另外一条低速数据传输的路径。当高速路径，也就 是经过增强的路径出现故障时， 是经过增强的路径出现故障时，Sink节点可以增强低 节点可以增强低 速路径，保证源节点到Sink节点的数据传输。虽然保 节点的数据传输。 速路径，保证源节点到 节点的数据传输 持低速路径的过程需要消耗一些能量，但是在故障时， 持低速路径的过程需要消耗一些能量，但是在故障时， 可以节省很多能量开销。对于故障比较频繁的网络， 可以节省很多能量开销。对于故障比较频繁的网络， 保持一条低速路径是很有好处的。 保持一条低速路径是很有好处的。 DD与SPIN的最大区别：DD采用基于需求的数据查询 的最大区别： 采用基于需求的数据查询 与 的最大区别 机制。 节点发出数据查询请求， 机制。在DD中，由Sink节点发出数据查询请求，而在 中 节点发出数据查询请求 SPIN中，节点广播自己的数据，以允许其他节点来查 中 节点广播自己的数据， 询。
MTE(Minimum Transmission Energy)路由协议： 路由协议： 路由协议
在MTE协议中，节点选择离自己平面距离最近的节点进行路 由中转 当且仅当如下公式满足时，节点A将会选择B转发自己的数据 到节点C
右图为MTE协议示意图 协议示意图 右图为 MTE路由协议的优点： 路由协议的优点： 路由协议的优点
c.在传输或接收数据之前，每个节点都必须检查各自可用的能量状况，如果 处于低能量水平，必须中断一些操作，比如充当路由器的角色，停止对其他 节点的一些数据转发操作 d. SPIN有3种数据包类型，即ADV、REQ和DATA.节点用ADV宣布有数据发 送，用REQ请求希望接收数据，用DATA封装数据 ADV：用于新数据广播。当一个节点有数据可共享时，它可用ADV数据包(包 含元数据)对外广播 REQ：用于请求发送数据。当一个节点希望接收DATA数据包时，发送REQ 数据包 DATA：包含附上元数据头(meta-data header)的传感器采集的数据的数据包
SPIN-EC在SPIN-PP的基础上考虑了节点的功耗，只有能够顺利 在 的基础上考虑了节点的功耗， 的基础上考虑了节点的功耗 完成所有任务且能量不低于设定阈值的节点才可参与数据交换 SPIN-BC设计了广播信道，使所有在有效半径内的节点可以同时 设计了广播信道， 设计了广播信道 完成数据交换。 完成数据交换。 为了防止产生重复的REQ请求，节点在听到 请求， 消息以后， 为了防止产生重复的 请求 节点在听到ADV消息以后，设定 消息以后 一个随机定时器来控制REQ请求的发送，其他节点听到该请求， 请求的发送， 一个随机定时器来控制 请求的发送 其他节点听到该请求， 主动放弃请求权利 SPIN-RL它是对 它是对SPIN-BC的完善，主要考虑如何恢复无线链路引 的完善， 它是对 的完善 入的分组差错与丢失。记录ADV消息的相关状态，如果在确定时 消息的相关状态， 入的分组差错与丢失。记录 消息的相关状态 间间隔内接收不到请求数据，则发送重传请求， 间间隔内接收不到请求数据，则发送重传请求，重传请求的次数 有一定的限制 SPIN协议的优点： 协议的优点： 协议的优点
洪泛路由（ 洪泛路由（Flooding）的优点： ）的优点：
①实现简单 ②不需要为保持网络拓扑信息和实现复杂的路由发现算法而消耗计算 资源 ③适用于健壮性要求高的场合。
洪泛路由（ 洪泛路由（Flooding）的不足： ）的不足：
①存在信息爆炸(Implosion)问题，即出现一个节点可能得到一个数据 多个副本的现象 ②出现部分重叠(Overlap)现象，如果处于同一观测环境的两个相邻 同类传感器节点同时对一个事件作出反应，二者采集的数据性质相同， 数值相近，那么，这两个节 点的邻居节点将收到双份数据副本 ③盲目使用资源，即扩散法不考虑各节点能量可用状况因而无法作出 相应的自适应路由选择。
DD协议内容：节点用一组<属性，值>来命名它所生成的 协议内容：节点用一组 属性 属性， 协议内容 来命名它所生成的 数据。 数据。