無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)flooding路由協(xié)議的MATLAB仿真

摘要無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的一個(gè)新的研究領(lǐng)域，是傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有造價(jià)低、功耗低、布局靈活性強(qiáng)、監(jiān)測(cè)精度高等特點(diǎn)，因此在軍事、醫(yī)療、家用等多個(gè)領(lǐng)域均有廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)。本文重點(diǎn)研究基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的泛洪式路由協(xié)議，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大、單個(gè)節(jié)點(diǎn)資源有限，其路由協(xié)議設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)是提高能量有效性，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。本文總結(jié)了WSN的概念、結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)，分析了WSN的關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；研究了WSN的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系和路由協(xié)議的分類，分析比擬了目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出的幾種有代表性的路由協(xié)議及其性能優(yōu)缺點(diǎn)；選擇了flooding路由協(xié)議為研究重點(diǎn)，分析了該路由算法的具體實(shí)現(xiàn)，針對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)能量及傳輸范圍有限等特點(diǎn)，提出了一種基于延遲的自適應(yīng)泛洪路由算法，首先通過(guò)源節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)內(nèi)用較小的路由請(qǐng)求報(bào)文和路由回復(fù)報(bào)文來(lái)建立路由，路由建立的過(guò)程中自適應(yīng)地確定等待時(shí)間以使更優(yōu)的路由請(qǐng)求報(bào)文得到轉(zhuǎn)發(fā)，然后源節(jié)點(diǎn)再沿著建立好的路徑轉(zhuǎn)發(fā)較大的數(shù)據(jù)報(bào)文。并采用MATLAB網(wǎng)絡(luò)仿真工具對(duì)該路由協(xié)議進(jìn)行了整體仿真，并對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。仿真實(shí)驗(yàn)說(shuō)明新算法較Flooding節(jié)能，能較好的克服Flooding算法中報(bào)文冗余度高、能耗大等缺乏。關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；flooding路由協(xié)議；MATLAB仿真AbstractWirelesssensornetworksareanewresearchfieldofcomputerscienceandtechnology.Theyaretheintegrationofsensortechniques,nestedcomputationtechniques,distributedcomputationtechniquesandwirelesscommunicationtechniques.Comparingwithtraditionalnetworks,thewirelesssensornetworksfeatureswithlowcost,lowpowerloss,flexiblelayoutandhighmonitorprecision,thereforethesensornetworkscanbeusedforvariousapplicationareassuchasmilitary,chemical,home.ThisarticlefocusonwirelesssensornetworksbasedonthePanHung-routingprotocol,wirelesssensornetworknodeslargenumberofindividualnodeswithlimitedresources,theroutingprotocoldesignedfirstandforemostobjectiveistoimproveenergyefficiencyandextendthenetworklifetime.ThispapersummarizestheWSNtheconcept,structureandcharacteristicsoftheWSNthekeytechnicalproblemsandnetworkprotocols;studyoftheWSNsystemandnetworkroutingprotocolagreementtheclassification,analysisandcomparisonofthecurrentdomesticandforeignscholarshaveproposedseveralrepresentativesTheroutingoftheagreementanditsperformanceadvantagesanddisadvantages;chosenthefloodingfocusonroutingprotocols,analysisoftheroutingalgorithmtoachievethespecific,thesensornodesthelimitedscopeofenergyandtransmissioncharacteristics,adelaybasedontheAdaptiveFloodroutingalgorithm,firstofallthroughthenodesinthenetworksourceinthesmallerrouting,androutingtherequesttorestorethetexttocreatearouting,routingtheprocessofestablishingadaptivetodeterminethewaitingtimetomakebetterRoutingtherequestwastransmittedbytext,andthenanothersourcenodesalongthepathforwardtheestablishmentofgooddataonthelargertext.MATLABandusethenetworksimulationtoolfortheoverallroutingprotocolsimulation,andthedatawereanalyzed.ThesimulationshowsthatthenewalgorithmthanFloodingenergy-saving,canbetterovercomeFloodingalgorithmmessageredundancyandhighenergyconsumption,suchastheinsufficient.Keywords：WSN；floodingroutingprotocols；MATLABSimulation目錄TOC\o"1-3"\u1緒論 11.1課題背景 11.2國(guó)內(nèi)外技術(shù)研究現(xiàn)狀 21.3課題研究的目的和意義 32WSN綜述 42.1WSN的概念 42.2WSN的結(jié)構(gòu) 42.2.1節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu) 42.2.2網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 52.3WSN協(xié)議棧 62.4WSN的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 72.5WSN的特點(diǎn) 102.6WSN的關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題 112.6.1功耗問(wèn)題 122.6.2節(jié)能策略 122.6.3通信問(wèn)題 142.6.4網(wǎng)絡(luò)平安問(wèn)題 152.6.5定位問(wèn)題 152.6.6數(shù)據(jù)管理 152.6.7效勞質(zhì)量 162.6.8嵌入式操作系統(tǒng) 163.WSN路由協(xié)議算法分析 163.1WSN路由協(xié)議的分類方法 173.2幾種典型路由協(xié)議的分析 183.2.1平面路由協(xié)議 183.2.2分層路由協(xié)議 214 Flooding路由協(xié)議的分析與研究 274.1泛洪算法模型 274.2算法流程圖 284.3基于延遲的自適應(yīng)洪泛路由算法 294.3.1算法中用到的報(bào)文和數(shù)據(jù) 294.3.2SFD算法描述 304.3.3性能比擬尺度 314.3.4理論分析 325Flooding路由協(xié)議的MATLAB仿真 355.1MATLAB仿真平臺(tái)介紹 355.2算法仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù) 385.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果 396 結(jié)論 42致謝 43參考文獻(xiàn) 44附錄A：英文原文 45附錄B：中文翻譯 51附錄C：程序代碼 551緒論1.1課題背景無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新興的下一代傳感器網(wǎng)絡(luò)，最早的代表性論述出現(xiàn)在1999年，題為“傳感器走向無(wú)線時(shí)代”。隨后在美國(guó)的移動(dòng)計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)國(guó)際會(huì)議上，提出了WSN下一個(gè)世紀(jì)面臨的開展機(jī)遇。2003年，美國(guó)《技術(shù)評(píng)論》雜志在論述未來(lái)新興十大技術(shù)時(shí)，WSN名列第一；同年，美國(guó)Businessweek預(yù)測(cè)的未來(lái)四大新技術(shù)：效用計(jì)算、傳感器網(wǎng)絡(luò)、塑料電子學(xué)和仿生人體器官，QSN也列入其中。2004年((IEEEspectrum》雜志發(fā)表一期專集《傳感器的國(guó)度》，論述了WSN的開展和可能的廣泛應(yīng)用。可以預(yù)計(jì)，WSN的開展和廣泛應(yīng)用，將對(duì)人們的社會(huì)生活和產(chǎn)業(yè)變革帶來(lái)極大的影響和產(chǎn)生巨大的推動(dòng)。有專家預(yù)計(jì)，WSN的廣泛應(yīng)用是一種必然趨勢(shì)，它的出現(xiàn)將會(huì)給人類社會(huì)帶來(lái)極大的變革。傳感器網(wǎng)絡(luò)的開展主要經(jīng)歷了4代：(1)第一代：上世紀(jì)70年代，就出現(xiàn)了具有簡(jiǎn)單模擬信號(hào)傳輸功能的傳統(tǒng)傳感器所組成的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)輸出的測(cè)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)具有簡(jiǎn)單信息獲取能力，只是初步實(shí)現(xiàn)了信息的單向傳遞，其缺點(diǎn)是布線復(fù)雜、抗干擾性差。(2)第二代：隨著相關(guān)學(xué)科的不斷開展和進(jìn)步，傳感器網(wǎng)絡(luò)具有了獲取多種信息的綜合處理能力，并通過(guò)采用串/并接口與傳感控制器的相聯(lián)，組成了有信息綜合和處理能力的傳感器網(wǎng)絡(luò)。(3)第三代：20世紀(jì)90年代后期，出現(xiàn)了基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的智能傳感器網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場(chǎng)總線是連接智能化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和控制室的全數(shù)字、開放式的雙向通信網(wǎng)絡(luò)智能傳感器的通信技術(shù)進(jìn)入局域網(wǎng)階段，其局部測(cè)控網(wǎng)絡(luò)通過(guò)網(wǎng)關(guān)和路由器可以實(shí)現(xiàn)與Intimae燈Intranet連接。(4)第四代：大量多功能傳感器被運(yùn)用，并采用無(wú)線通信機(jī)制，因此也稱為。WSN，正處于研究和開發(fā)階段。WSN是一種無(wú)根底設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)，由一定數(shù)目的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)，能協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集節(jié)點(diǎn)部署區(qū)域的各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息(如光強(qiáng)、溫度、濕度、噪音和有害氣體濃度等物理現(xiàn)象)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得詳盡而準(zhǔn)確的信息，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)最終發(fā)送給觀察者。在環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療護(hù)理、搶險(xiǎn)救災(zāi)、智能家居、工業(yè)生產(chǎn)控制以及商業(yè)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。1.2國(guó)內(nèi)外技術(shù)研究現(xiàn)狀目前，國(guó)內(nèi)外WSN研究主要集中于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、能量、定位、可靠性、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及數(shù)據(jù)處理等問(wèn)題，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的研究是其中的熱點(diǎn)之一。針對(duì)無(wú)線自主網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)多年的研究，國(guó)內(nèi)外的研究人員相繼提出了許多專門應(yīng)用于無(wú)線自主網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議。目前提出的各種路由協(xié)議根本上可以按照三種思路進(jìn)行分類。按照獲取路由信息的時(shí)機(jī)分類，可分為主動(dòng)路由協(xié)議和按需路由協(xié)議。主動(dòng)路由有DSDV、WRP、STARA；按需路由協(xié)議主要有DSR、AODV。按照網(wǎng)絡(luò)的層次分類，可分為平面結(jié)構(gòu)路由和層次結(jié)構(gòu)路由。平面路由協(xié)議主要有flooding、SPIN、DD、HREEMR、SAR；層次結(jié)構(gòu)路由主要有LEACH、PEGASIS等。按照協(xié)議的功能分類，可分為支持地理定位輔助路由和不支持地理定位輔助路由；支持效勞質(zhì)量QoS的路由協(xié)議和不支持QoS的路由協(xié)議；支持組播通信的路由協(xié)議和不支持組播通信的路由協(xié)議等。地理定位輔助協(xié)議主要有MECN和SMECN。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究起始于20世紀(jì)90年代末期，由于具有巨大的應(yīng)用價(jià)值，它己經(jīng)引起了世界許多國(guó)家的軍事界、工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注。從2000年起，國(guó)際上開始出現(xiàn)一些有關(guān)傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的報(bào)道，美國(guó)自然科學(xué)基金委員會(huì)2003年制定了傳感器網(wǎng)絡(luò)研究方案，支持相關(guān)根底理論的研究。在美國(guó)自然科學(xué)基金委員會(huì)的推動(dòng)下，美國(guó)的加州大學(xué)伯克利分校、麻省理工學(xué)院、康奈爾大學(xué)、加州大學(xué)洛杉磯分校等學(xué)校開始了傳感器網(wǎng)絡(luò)的根底理論和關(guān)鍵技術(shù)的研究。美國(guó)國(guó)防部和各軍事部門都對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)高度重視，把傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一個(gè)重要研究領(lǐng)域，設(shè)立了一系列的軍事傳感器網(wǎng)絡(luò)研究工程。美國(guó)英特爾公司、微軟公司等信息業(yè)巨頭也開始了傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的研究工作。日本、德國(guó)、英國(guó)、意大利等科技興旺國(guó)家也對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出了極大的興趣，紛紛展開了該領(lǐng)域的研究工作。我國(guó)在WSN方面的研究工作剛剛開始，清華大學(xué)、電子科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位已經(jīng)進(jìn)行了該領(lǐng)域的研究工作，但目前主要集中在介紹國(guó)外的研究進(jìn)展，提出新的研究問(wèn)題，尚未見有新的協(xié)議提出。由于WSN是一門新興技術(shù)，IEEE尚未成立WSN的標(biāo)準(zhǔn)制定小組，美國(guó)也是在2000年才開始出現(xiàn)一些有關(guān)WSN研究結(jié)果的報(bào)道，所以國(guó)內(nèi)與國(guó)際水平的差距并不大，電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院正在開展WSN路由協(xié)議的設(shè)計(jì)和仿真工作，力爭(zhēng)在5年內(nèi)到達(dá)國(guó)際水平。但WSN尚未到達(dá)完全實(shí)用階段，大局部工作仍處在仿真和實(shí)驗(yàn)階段，仿真規(guī)模在數(shù)百至數(shù)千個(gè)節(jié)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)規(guī)模在幾十個(gè)節(jié)點(diǎn)左右。1.3課題研究的目的和意義如前所述，WSN有著廣泛而有價(jià)值的應(yīng)用領(lǐng)域，比方水工建筑物平安監(jiān)測(cè)，大型工程建筑物的運(yùn)行平安，結(jié)合現(xiàn)代監(jiān)測(cè)理論及WSN技術(shù)，布置節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，為設(shè)計(jì)施工及時(shí)反響信息，對(duì)減輕觀測(cè)的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高平安監(jiān)控的技術(shù)水平，具有重大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用價(jià)值。而在個(gè)人通信和接入網(wǎng)等方面的應(yīng)用那么具有良好的商業(yè)前景。因此，對(duì)WSN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究既有重要的社會(huì)意義又蘊(yùn)含著潛在的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。因此它已經(jīng)引起了世界工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注，開展這項(xiàng)對(duì)人類未來(lái)生活影響深遠(yuǎn)的前沿科技的研究，對(duì)整個(gè)國(guó)家的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)將有重大的戰(zhàn)略意義。而從網(wǎng)絡(luò)層模型的角度分析，每一層都有需要結(jié)合WSN的特點(diǎn)進(jìn)行細(xì)致研究的問(wèn)題，己有的研究主要集中在網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸離不開路由協(xié)議，路由協(xié)議是其組網(wǎng)的根底。路由技術(shù)是WSN通信層的核心技術(shù)。路由選擇問(wèn)題是WSN網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建時(shí)所要著重考慮的一個(gè)問(wèn)題，從路由的角度來(lái)看，WSN有其自身的特點(diǎn)，使它既不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，又不同于無(wú)線自組網(wǎng)Adhoc網(wǎng)絡(luò)。傳統(tǒng)的無(wú)線Adhoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議不適合用于WSN，我們必須設(shè)計(jì)全新的、適合于WSN特點(diǎn)的路由協(xié)議。路由協(xié)議作為影響網(wǎng)絡(luò)性能的一個(gè)重要因素，是確保WSN網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。雖然己提出了很多的協(xié)議，但是到底那一種是最適宜的還沒(méi)有一個(gè)定論。因此研究這些路由協(xié)議，比擬分析哪一種路由協(xié)議是相對(duì)適宜的顯得尤為重要，也是此論文的意義所在。本課題重點(diǎn)研究基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的泛洪式路由協(xié)議，無(wú)限傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大、單個(gè)節(jié)點(diǎn)資源有限，其路由協(xié)議設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)是提高能量有效性，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。本文總結(jié)了WSN的概念、結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)，分析了WSN的關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；研究了WSN的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系和路由協(xié)議的分類，分析比擬了目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出的集中有代表性的路由協(xié)議及其性能優(yōu)缺點(diǎn)；選擇了flooding路由協(xié)議為研究重點(diǎn)，分析了該路由算法的具體實(shí)現(xiàn)，并采用MATLAB網(wǎng)絡(luò)仿真工具對(duì)flooding路由協(xié)議進(jìn)行了整體仿真，并對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。2WSN綜述無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)的集大成者，是一種全新的信息獲取和處理技術(shù)。美國(guó)《技術(shù)評(píng)論》雜志在論述未來(lái)新興十大技術(shù)時(shí),更是將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)名列第一；美國(guó)BusinessWeek預(yù)測(cè)的未來(lái)四大新技術(shù)：效用計(jì)算、傳感器網(wǎng)絡(luò)、塑料電子學(xué)和仿生人體器官，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)也列入其中。有專家預(yù)計(jì)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用是一種必然趨勢(shì)，它的出現(xiàn)將會(huì)給人類社會(huì)帶來(lái)極大的變革。2.1WSN的概念無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由一個(gè)個(gè)具有數(shù)據(jù)采集、計(jì)算和通信能力的傳感器節(jié)點(diǎn)，通過(guò)自組織網(wǎng)絡(luò)形成的一個(gè)動(dòng)態(tài)、自適應(yīng)的分布式計(jì)算平臺(tái)。每個(gè)傳感器都是典型的嵌入式系統(tǒng)，具有存儲(chǔ)容量小、運(yùn)算能力差、功耗低、易失效的特點(diǎn)。2.2WSN的結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)在不同應(yīng)用中，傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)不盡相同，但一般都由傳感器模塊、處理器模塊、無(wú)線通信模塊和能量供給模塊四局部組成，如圖2.1所示。傳感器模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，傳感器的類型是由被監(jiān)測(cè)物理信號(hào)的形式?jīng)Q定的，如用于溫度監(jiān)測(cè)的鉑電阻傳感器，用于壓力傳感的電容式傳感器等;處理器模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，存儲(chǔ)和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù);無(wú)線通信模塊負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù);能量供給模塊為傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能量，通常采用微型電池，不過(guò)已有公司探索從周圍環(huán)境取得能量并將其轉(zhuǎn)換成微瓦電能的方法。傳感器傳感器AC/DC傳感器模塊網(wǎng)絡(luò)MAC收發(fā)器無(wú)線通信模塊處理器存儲(chǔ)器處理器模塊能量供給模塊圖2.1傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)在傳感器網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點(diǎn)任意散落在被監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi),這一過(guò)程是通過(guò)飛行器撒播、人工埋置和火箭彈射等方式完成的。節(jié)點(diǎn)以自組織形式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò),通過(guò)多跳中繼方式將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳到sink節(jié)點(diǎn),最終借助長(zhǎng)距離或臨時(shí)建立的sink鏈路將整個(gè)區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程中心進(jìn)行集中處理。衛(wèi)星鏈路可用作sink鏈路,借助游弋在監(jiān)測(cè)區(qū)上空的無(wú)人飛機(jī)回收sink節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)也是一種方式,UCBerkeley在進(jìn)行UAV(unmannedaerialvehicle)工程的外場(chǎng)測(cè)試時(shí)便采用了這種方式。如果網(wǎng)絡(luò)規(guī)模太大,可以采用聚類分層的管理模式,圖2.2給出了傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)一般形式的描述。圖2.2傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)2.3WSN協(xié)議棧無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧的五層協(xié)議相對(duì)應(yīng)，如圖2.3所示。另外，協(xié)議棧還包括動(dòng)管理平臺(tái)和任務(wù)管理平臺(tái)。這些管理平臺(tái)使得傳感器節(jié)點(diǎn)能夠按照同工作，在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，并支持多任務(wù)和資源平臺(tái)的功能如下：物理層提供簡(jiǎn)單但健壯的信號(hào)調(diào)制和無(wú)線收發(fā)技術(shù)；數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)成幀，幀檢測(cè)、媒體訪問(wèn)和過(guò)失控制；網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)路由生成與路由選擇；傳輸層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制，是保證通信效勞質(zhì)量的重要；應(yīng)用層包括一系列基于監(jiān)測(cè)任務(wù)的應(yīng)用層軟件；能量管理平臺(tái)管理傳感器節(jié)點(diǎn)如何使用能源，在各個(gè)協(xié)議層量；移動(dòng)管理平臺(tái)檢測(cè)并注冊(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，維護(hù)到會(huì)聚節(jié)感器節(jié)點(diǎn)能夠動(dòng)態(tài)跟蹤其鄰居的位置；任務(wù)管理平臺(tái)在一個(gè)給定的區(qū)域內(nèi)平衡和調(diào)度檢測(cè)任務(wù)。能量管理平臺(tái)能量管理平臺(tái)移動(dòng)管理平臺(tái)任務(wù)管理平臺(tái)應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層傳輸層物理層圖2.3無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧2.4WSN的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)是體積微小的嵌入式設(shè)備，采用能量有限的電池供電，它的計(jì)算能力和通信能力十分有限，所以除了要設(shè)計(jì)能量高效的MAC協(xié)議、路由協(xié)議以及應(yīng)用層協(xié)議之外，還要設(shè)計(jì)優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂茩C(jī)制。對(duì)于自組織的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂茖?duì)網(wǎng)絡(luò)性能影響很大。良好的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠提高路由協(xié)議和MAC協(xié)議的效率，為數(shù)據(jù)融合、時(shí)間同步和目標(biāo)定位等很多方面提供根底，有利于延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。所以，拓?fù)淇刂剖莻鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)根本問(wèn)題。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制有著十分重要的意義，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)有限的能量，節(jié)能是網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)主要考慮的問(wèn)題之一，拓?fù)淇刂频囊粋€(gè)重要目標(biāo)就是在保證網(wǎng)絡(luò)連通性和覆蓋率的情況下，盡量合理高效地使用網(wǎng)絡(luò)能量，延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。減小節(jié)點(diǎn)間通信干擾，提高網(wǎng)絡(luò)通信效率。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)通常密集分布，如果每個(gè)節(jié)點(diǎn)都以大功率進(jìn)行通信，會(huì)加劇節(jié)點(diǎn)之間的干擾，降低通信效率，并造成節(jié)點(diǎn)能量的浪費(fèi)。另一方面，如果選擇太小的發(fā)射功率，會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)的連通性。為路由協(xié)議提供根底。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，只有活動(dòng)的節(jié)點(diǎn)才能進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，而拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制可以確定由哪些節(jié)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)確定節(jié)點(diǎn)之間的鄰居關(guān)系。影響數(shù)據(jù)融合。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)融合指?jìng)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給中心節(jié)點(diǎn)，中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，并把融合后的數(shù)據(jù)發(fā)送給會(huì)聚節(jié)點(diǎn)。而中心節(jié)點(diǎn)的選擇是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制的一個(gè)重要內(nèi)容。彌補(bǔ)節(jié)點(diǎn)失效的影響。傳感器節(jié)點(diǎn)可能部署在惡劣的環(huán)境中，在軍事應(yīng)用中甚至部署在敵方區(qū)域中，所以很容易受到破壞而失效。這就要求網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有魯棒性以適應(yīng)這種情況。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)特定的應(yīng)用環(huán)境及其固有的特征，對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出了新的要求。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)需要完全以自組織的形式構(gòu)成自治型網(wǎng)絡(luò)，并且能夠工作在無(wú)人值守的惡劣環(huán)境當(dāng)中。到目前為止，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究主要集中在兩個(gè)方向，即平面型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。平面型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)平面型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所有節(jié)點(diǎn)的地位平等、作用相同，既采集數(shù)據(jù)又進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的中轉(zhuǎn)，網(wǎng)絡(luò)中不存在集中式控制中心。為了有效地節(jié)省能量，遠(yuǎn)距離節(jié)點(diǎn)之間以多跳通信方式，如圖2.4所示。平面結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)比擬簡(jiǎn)單，無(wú)需任何的結(jié)構(gòu)維護(hù)過(guò)程，節(jié)點(diǎn)根據(jù)預(yù)定的路由協(xié)議自組織成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。由于隨機(jī)分布、高密度等特性，源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間可能存在多條傳輸路徑，如圖2.4中節(jié)點(diǎn)A和E之間存在兩條路徑:A一>C一>D一>E和A一>C一>F一>E，既可以使用多條路徑實(shí)現(xiàn)負(fù)載分擔(dān)，也可以為不同的數(shù)據(jù)傳輸需求選擇適當(dāng)?shù)穆窂?。平面結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中所有的傳感器節(jié)點(diǎn)理論上是對(duì)等的，不存在瓶頸和單點(diǎn)故障，所以比擬健壯，但是網(wǎng)絡(luò)規(guī)模受限，動(dòng)態(tài)擴(kuò)展性差，難以維護(hù)。在平面結(jié)構(gòu)中，源節(jié)點(diǎn)為了獲得目的節(jié)點(diǎn)信息通常需要傳輸大量的查詢消息，而且由于網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性，如節(jié)點(diǎn)失效、增加等，維護(hù)這些動(dòng)態(tài)變化的路由信息需要發(fā)送大量的控制消息。網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越大路由維護(hù)的開銷就越大，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模增加到某個(gè)程度時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的所有帶寬可能被路由協(xié)議消耗掉，所以平面式結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性較差。InternetInternetSinkCDFEAB傳感器節(jié)點(diǎn)傳感區(qū)域圖2.4平面型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)根據(jù)具體應(yīng)用需求，如地理區(qū)域、能源、應(yīng)用類型等，劃分為簇(Cluster)，每個(gè)簇由一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)和多個(gè)簇成員構(gòu)成，多個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)抽象成高一級(jí)的網(wǎng)絡(luò)，在高一級(jí)網(wǎng)絡(luò)中可以繼續(xù)分簇，形成更高一級(jí)網(wǎng)絡(luò)，最終形成多層次組織結(jié)構(gòu)的傳感器網(wǎng)絡(luò)，如圖2.5所示。C1C1C2C3AB傳感器節(jié)點(diǎn)簇頭圖2.5層次拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，不同層次以自己的局部概念進(jìn)行交互，聚集起來(lái)實(shí)現(xiàn)期望的全局任務(wù)。分層組織結(jié)構(gòu)中，簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)感知任務(wù)，以多跳方式將采集的信息發(fā)送到簇頭節(jié)點(diǎn)。簇頭節(jié)點(diǎn)作為簇類的中心節(jié)點(diǎn)，擔(dān)負(fù)著與遠(yuǎn)程終端通訊、發(fā)布簇類管理信息、執(zhí)行更高層次的數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)分析等使命。為了有效利用能源和延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期，簇頭節(jié)點(diǎn)通常依據(jù)能量概率分布由網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)輪流充當(dāng)。這樣可以使簇頭節(jié)點(diǎn)的高能量消耗平均到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上，同時(shí)也防止了固定簇頭引起的網(wǎng)絡(luò)的脆弱性和不穩(wěn)定性，而且可以通過(guò)簇拆分來(lái)增加簇的個(gè)數(shù)或者簇聚合形成更高一級(jí)網(wǎng)絡(luò)來(lái)提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的容量。但缺點(diǎn)是，為了維護(hù)層次化結(jié)構(gòu)需要仔細(xì)設(shè)計(jì)簇頭選擇算法。而且簇間節(jié)點(diǎn)為了完成數(shù)據(jù)通信需要經(jīng)過(guò)簇頭轉(zhuǎn)發(fā)，因此不一定能使用最正確路由，例如圖2.5中的A、B節(jié)點(diǎn)，物理距離很接近，在平面結(jié)構(gòu)中可以直接通信，但分簇后需要通過(guò)兩個(gè)簇的簇頭中繼進(jìn)行通信。2.5WSN的特點(diǎn)傳感節(jié)點(diǎn)體積小，本錢低，計(jì)算能力有限無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是在MEMS技術(shù)、數(shù)字電路技術(shù)根底上開展起來(lái)的，傳感節(jié)點(diǎn)各局部集成度很高，因此具有體積小的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)然從應(yīng)用角度講，減小節(jié)點(diǎn)尺寸也是必須考慮的設(shè)計(jì)要素。傳感網(wǎng)絡(luò)是由大量的傳感節(jié)點(diǎn)組成的，單個(gè)節(jié)點(diǎn)的本錢直接影響到網(wǎng)絡(luò)的總體本錢，如果總體本錢比使用傳統(tǒng)傳感器的本錢高，勢(shì)必會(huì)影響無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的競(jìng)爭(zhēng)力。由于體積、本錢以及能量的限制，嵌入式處理器和存儲(chǔ)器的能力和容量有限，因此傳感器的計(jì)算能力十分有限。傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)量大、易失效，具有自適應(yīng)性根據(jù)應(yīng)用的不同，傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量可能到達(dá)幾百萬(wàn)個(gè)甚至更多。此外，傳感器網(wǎng)絡(luò)工作在比擬惡劣的環(huán)境中，經(jīng)常有新節(jié)點(diǎn)參加或已有節(jié)點(diǎn)失效，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化很快，而且網(wǎng)絡(luò)一旦形成，人很少干預(yù)其運(yùn)行。因此，傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件必須具有高強(qiáng)壯性和容錯(cuò)性，相應(yīng)的通信協(xié)議必須具有可重構(gòu)和自適應(yīng)性。通信半徑小，帶寬很低無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是利用多跳來(lái)實(shí)現(xiàn)低功耗下的數(shù)據(jù)傳輸，因此其設(shè)計(jì)的通信覆蓋范圍只有幾十米。和傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)不同，傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大局部是經(jīng)過(guò)節(jié)點(diǎn)處理過(guò)的數(shù)據(jù)，因此流量較小。根據(jù)目前觀察到的現(xiàn)象特性來(lái)看，傳感數(shù)據(jù)所需的帶寬將會(huì)很低(l~100kbi燈s)。電源能量是網(wǎng)絡(luò)壽命的關(guān)鍵無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中通常運(yùn)行在人無(wú)法接近的惡劣甚至危險(xiǎn)的遠(yuǎn)程環(huán)境中，能源無(wú)法替代，只能選擇鈕扣式電池供電，電源能量極其有限，網(wǎng)絡(luò)中的傳感器由于電源能量的原因經(jīng)常失效或廢棄，因此電源效率是設(shè)計(jì)考慮的關(guān)鍵因素。以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)對(duì)于觀察者來(lái)說(shuō)，傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心是感知數(shù)據(jù)，而不是網(wǎng)絡(luò)硬件。比方在智能家居應(yīng)用中人們可能希望知道“現(xiàn)在客廳的溫度室多少”，而不會(huì)關(guān)心“2號(hào)節(jié)點(diǎn)感測(cè)到的溫度是多少”。以數(shù)據(jù)為中心的特點(diǎn)要求傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)必須以對(duì)感知數(shù)據(jù)的管理和處理為中心，把數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)緊密結(jié)合，從邏輯概念和軟、硬件技術(shù)兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)一個(gè)高性能的以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使用戶如同使用通常的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)一樣自如地在傳感器網(wǎng)絡(luò)上對(duì)感知數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和處理。2.6WSN的關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)(如WLAN和蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò))有著不同的設(shè)計(jì)目標(biāo)，后者在高度移動(dòng)的環(huán)境中通過(guò)優(yōu)化路由和資源管理策略最大化帶寬的利用率，同時(shí)為用戶提供一定的效勞質(zhì)量保證。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，除了少數(shù)節(jié)點(diǎn)需要移動(dòng)以外,大局部節(jié)點(diǎn)都是靜止的。因?yàn)樗鼈兺ǔ＿\(yùn)行在人無(wú)法接近的惡劣甚至危險(xiǎn)的遠(yuǎn)程環(huán)境中,能源無(wú)法替代，設(shè)計(jì)有效的策略延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期成為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心問(wèn)題。當(dāng)然,從理論上講,太陽(yáng)能電池能持久地補(bǔ)給能源，但工程實(shí)踐中生產(chǎn)這種微型化的電池還有相當(dāng)?shù)碾y度。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究初期，人們一度認(rèn)為成熟的Internet技術(shù)加上Ad-hoc路由機(jī)制對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)是足夠充分的,但深入的研究說(shuō)明:傳感器網(wǎng)絡(luò)有著與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)明顯不同的技術(shù)要求。前者以數(shù)據(jù)為中心,后者以傳輸數(shù)據(jù)為目的.為了適應(yīng)廣泛的應(yīng)用程序,傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)遵循著“端到端”的邊緣論思想,強(qiáng)調(diào)將一切與功能相關(guān)的處理都放在網(wǎng)絡(luò)的端系統(tǒng)上,中間節(jié)點(diǎn)僅僅負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分組的轉(zhuǎn)發(fā),對(duì)于傳感器網(wǎng)絡(luò),這未必是一種合理的選擇。一些為自組織的Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的協(xié)議和算法未必適合傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和應(yīng)用的要求。節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)(如地址等)的作用在傳感器網(wǎng)絡(luò)中就顯得不是十分重要,因?yàn)閼?yīng)用程序不怎么關(guān)心單節(jié)點(diǎn)上的信息；中間節(jié)點(diǎn)上與具體應(yīng)用相關(guān)的數(shù)據(jù)處理、融合和緩存也顯得很有必要。在密集性的傳感器網(wǎng)絡(luò)中,相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離非常短,低功耗的多跳通信模式節(jié)省功耗,同時(shí)增加了通信的隱蔽性,也防止了長(zhǎng)距離的無(wú)線通信易受外界噪聲干擾的影響。這些獨(dú)特的要求和制約因素為傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究提出了新的技術(shù)問(wèn)題。功耗問(wèn)題作為一種微電子設(shè)備，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)只能配置電池，電池電量一般小于0.SAh，電壓為1.2v-3.3V。在一些具體應(yīng)用中，電池更換是不現(xiàn)實(shí)的。所以，節(jié)點(diǎn)生命期嚴(yán)重依賴于電池供電的持續(xù)時(shí)間。在WSN中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都起著數(shù)據(jù)采集器和路由器的雙重作用。一些節(jié)點(diǎn)的故障會(huì)引起拓?fù)涞拿黠@變化，可能要求重建路由或重組織網(wǎng)絡(luò)。所以，能量保護(hù)和能量管理至關(guān)重要。傳感節(jié)點(diǎn)的主要功能是感知、處理和數(shù)據(jù)傳輸，其能耗也主要分布在這三個(gè)方面。感知能耗與具體應(yīng)用環(huán)境中攜帶的不同傳感單元有關(guān)。通信能耗在節(jié)點(diǎn)能耗中比例最大，需要考慮啟動(dòng)功耗、接收功耗和發(fā)送功耗，無(wú)線電收發(fā)器能耗公式如下:〔2.1〕其中，Pc為無(wú)線通信功耗；PT和PR分別為無(wú)線發(fā)送和接收器件的功耗；PouT為無(wú)線發(fā)送器的輸出功率；Ton、Ron伽分別為每個(gè)單位時(shí)間內(nèi)無(wú)線發(fā)送器和無(wú)線接收器的翻開的時(shí)間；Tst、RST分別為發(fā)送和接收的啟動(dòng)時(shí)間；NT、NR為單位時(shí)間內(nèi)接收和發(fā)送的次數(shù)，依賴于任務(wù)和采用的媒介訪問(wèn)控制(MAC)策略；Ton也可寫成L/R，L為數(shù)據(jù)包大小，R為數(shù)據(jù)傳輸速率。數(shù)據(jù)處理功耗比通信功耗要小得多，例如:假定瑞利衰落且能量與距離的4次方成正比損耗，實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，無(wú)線傳輸1K比特的數(shù)據(jù)100米的能量可以讓l00MIPS/W的處理器處理300萬(wàn)條指令。因此盡可能地進(jìn)行本地?cái)?shù)據(jù)處理而減少數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸是降低WSN能耗的有效方法之一。針對(duì)數(shù)據(jù)采集、接收、發(fā)送和計(jì)算這四者的能耗問(wèn)題，curtSchurgers等人進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，發(fā)送數(shù)據(jù)(Tx)的能耗略大于接收數(shù)據(jù)(Rx)，二者遠(yuǎn)大于數(shù)據(jù)處理(計(jì)算)和數(shù)據(jù)采集的能耗。2.6.2節(jié)能策略由于無(wú)線通信是WSN能耗的主要局部，因此對(duì)無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)的能耗管理非常重要，可以采取以下措施減少通信模塊的能量損耗。(l)減少通信流量減少通信流量的方法有：a.本地計(jì)算和數(shù)據(jù)融合b.減少?zèng)_突，增加錯(cuò)誤檢測(cè)和校正機(jī)制d.減少控制包的開銷和包頭長(zhǎng)度。(2)增加睡眠時(shí)間無(wú)線通信模塊有發(fā)送、接收、空閑和睡眠4種狀態(tài)。無(wú)線通信模塊在空閑狀態(tài)一直監(jiān)聽無(wú)線信道的使用情況，檢查是否有數(shù)據(jù)發(fā)送給自己，而在睡眠狀態(tài)那么關(guān)閉通信模塊。從實(shí)驗(yàn)中可以看到：無(wú)線通信模塊在發(fā)送狀態(tài)的能量消耗最大，而在空閑狀態(tài)和接收狀態(tài)的能量消耗接近，略少于發(fā)送狀態(tài)的能量消耗，在睡眠狀態(tài)的能量消耗最少。因此不需要通信時(shí)，盡快進(jìn)入睡眠狀態(tài)是WSN協(xié)議設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。(3)采用多跳短距離無(wú)線通信方式無(wú)線通信消耗能量E與通信距離d的關(guān)系為E=kdn。其中，參數(shù)n滿足關(guān)系2≤n<6，考慮諸多因素，一般取n為3。隨著通信距離的增加，能耗將急劇增加。因此，在滿足通信速率的前提下，應(yīng)該盡量減少單跳通信距離。一般傳感器節(jié)點(diǎn)的通信半徑在10Om以內(nèi)較為適宜。(4)動(dòng)態(tài)功率管理(dynamicpowermanagement，簡(jiǎn)稱DPM)DPM技術(shù)的核心問(wèn)題是狀態(tài)轉(zhuǎn)換策略，由于狀態(tài)轉(zhuǎn)換需要消耗一定的能量并且?guī)в袝r(shí)延，如果狀態(tài)轉(zhuǎn)換策略不適宜，不僅無(wú)法節(jié)能，反而會(huì)導(dǎo)致能耗的增加，還會(huì)影響實(shí)時(shí)性能。DPM的狀態(tài)轉(zhuǎn)換可如圖2.6所示，假定狀態(tài)轉(zhuǎn)換分別發(fā)生在t1和t2時(shí)刻，其中t2=ti+t1，在tl時(shí)刻節(jié)點(diǎn)K想要從Sm狀態(tài)進(jìn)入休眠狀態(tài)Sn，在t2時(shí)刻需要從Sn返回到Sm狀態(tài)，每個(gè)狀態(tài)都有對(duì)應(yīng)的能耗Pm和Pn，狀態(tài)轉(zhuǎn)換分別需要時(shí)間tdk和tuk那么能量節(jié)約如公式所示:〔2.2〕只有當(dāng)ti大于某一數(shù)值時(shí)，Esave才能大于零，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。ttdktukSnSmt2t1t1tPnPmE圖2.6狀態(tài)轉(zhuǎn)換和能量的關(guān)系(5)動(dòng)態(tài)電壓調(diào)度(dynamicvoltagescheduling，簡(jiǎn)稱DVS)DVS的主要原理是基于負(fù)載狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)供電電壓來(lái)減小系統(tǒng)功耗，并被應(yīng)用到PDA之類的個(gè)人移動(dòng)設(shè)備上。可將其應(yīng)用到WSN中，如圖2.7所示的功率控制原理圖。節(jié)點(diǎn)上的嵌入式操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)調(diào)度來(lái)自不同任務(wù)隊(duì)列的請(qǐng)求接受效勞，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)處理器的利用率和任務(wù)隊(duì)列的長(zhǎng)度，負(fù)載觀測(cè)器依據(jù)這兩個(gè)參數(shù)的序列值計(jì)算負(fù)載的標(biāo)稱值。，直流/直流變換器參照該值輸出幅值為A的電壓，支持處理器的正常工作。這構(gòu)成了一個(gè)典型的閉環(huán)反響系統(tǒng)?？刂评碚撝谐墒斓姆椒梢詾樵撓到y(tǒng)中各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)提供有力的支持。傳感器節(jié)點(diǎn)大局部時(shí)間計(jì)算負(fù)載較低，在低負(fù)載時(shí)調(diào)卑微處理器的電壓可以有效節(jié)約能量。DC/DCDC/DC負(fù)載觀測(cè)器標(biāo)準(zhǔn)電壓WV〔A〕r帶可變電壓的處理器LVrixod圖2.7:DVS功率控制原理圖通信問(wèn)題WSN內(nèi)正常通信聯(lián)系中，信號(hào)可能被一些障礙物或其它電子信號(hào)干擾而受到影響，如何平安有效的進(jìn)行通信是個(gè)有待研究的問(wèn)題。WSN需要具有能對(duì)信道衰落不敏感、發(fā)射信號(hào)功率譜密度低、低截獲低功耗短距離的無(wú)線通信技術(shù)。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)低速無(wú)線個(gè)人域網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)，由于它的網(wǎng)絡(luò)特征和WSN存在很多相似之處，故很多研究機(jī)構(gòu)將它作為WSN的無(wú)線通信平臺(tái)。超寬帶技術(shù)(UWB)是一種極具潛力的無(wú)線通信技術(shù)。超寬帶技術(shù)具有系統(tǒng)復(fù)雜度低、能提供精確至數(shù)厘米的定位精度等優(yōu)點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于WSN。網(wǎng)絡(luò)平安問(wèn)題平安是系統(tǒng)可用的前提，WSN是網(wǎng)絡(luò)家庭的新成員，像其他網(wǎng)絡(luò)一樣需要考慮平安問(wèn)題。WSN的平安問(wèn)題主要以下幾個(gè)方面：傳統(tǒng)無(wú)線電磁干擾；對(duì)路由機(jī)制進(jìn)行攻擊；對(duì)能量的攻擊，侵入節(jié)點(diǎn)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的某些節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)段互發(fā)大量的垃圾數(shù)據(jù)，使WSN能量迅速耗盡，網(wǎng)絡(luò)分立，形成監(jiān)測(cè)黑洞，無(wú)法完成正常的監(jiān)測(cè)工作；針對(duì)以上各種不同的攻擊方式，一般可采用擴(kuò)頻通信、sensor接入認(rèn)證/鑒權(quán)、數(shù)據(jù)水銀和數(shù)據(jù)加密技術(shù)以提高網(wǎng)絡(luò)的平安性。根本思想有兩種:一種是從維護(hù)路由平安的角度出發(fā)，尋找盡可能平安的路由以保證網(wǎng)絡(luò)的平安。如果路由協(xié)議被破壞導(dǎo)致傳送的消息被篡改，那么對(duì)于應(yīng)用層上的數(shù)據(jù)包來(lái)說(shuō)沒(méi)有任何的平安性可言。另一種是把著重點(diǎn)放在平安協(xié)議方面。定位問(wèn)題WSN的定位機(jī)制與算法包括兩局部:節(jié)點(diǎn)自身定位和外部目標(biāo)定位，前者是后者的根底。獲得節(jié)點(diǎn)位置的一個(gè)直接方法就是使用全球定位系統(tǒng)GPS，但該定位裝置價(jià)格昂貴而且在有遮擋的情況下使用效果不佳;對(duì)于精度不高的還可以采用LPS(LocalPositionSystem)。為每個(gè)節(jié)點(diǎn)都配備GPS定位裝置是一個(gè)高本錢的設(shè)計(jì)思想，是一個(gè)不現(xiàn)實(shí)的想法，因此一般采用GPS+絕對(duì)定位或相對(duì)定位來(lái)實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)管理從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的角度來(lái)看，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可被視為一種分布式數(shù)據(jù)庫(kù)。以數(shù)據(jù)庫(kù)的方法在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，可以將存儲(chǔ)在網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)的邏輯視圖與網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行別離，使得無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的用戶只需要關(guān)心數(shù)據(jù)查詢的邏輯結(jié)構(gòu)，無(wú)需關(guān)心實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。雖然對(duì)節(jié)點(diǎn)感知到的數(shù)據(jù)進(jìn)行抽象在一定程度上影響執(zhí)行效率，但可以顯著增強(qiáng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的易用性。美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的TinyDB系統(tǒng)和Comell大學(xué)的Cougar系統(tǒng)是目前具有代表性的傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)管理與傳統(tǒng)的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)有很大的差異。由于傳感器節(jié)點(diǎn)能量受限且容易失效，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)必須在盡量減少能量消耗的同時(shí)提供有效的數(shù)據(jù)效勞。同時(shí)，傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大，且傳感器節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的是無(wú)限的數(shù)據(jù)流，無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)管理技術(shù)進(jìn)行分析處理。此外，對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的查詢經(jīng)常是連續(xù)的查詢或隨機(jī)抽樣的查詢，這也使得傳統(tǒng)分布式數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)管理技術(shù)不適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)。效勞質(zhì)量在某些應(yīng)用中，數(shù)據(jù)應(yīng)是剛感受到的一段時(shí)間內(nèi)，否那么數(shù)據(jù)將無(wú)用的。因此，范圍潛伏期為數(shù)據(jù)傳送是另一個(gè)條件，時(shí)間約束的應(yīng)用。然而，在許多應(yīng)用中，節(jié)約能源是直接關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)的一生，被認(rèn)為是相對(duì)來(lái)得重要數(shù)據(jù)的質(zhì)量發(fā)送。當(dāng)能量耗盡之時(shí)，該網(wǎng)絡(luò)可能必須減少質(zhì)量，以減少節(jié)點(diǎn)能量損耗和從此延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)壽命。因此，路由協(xié)議能量是必須有這個(gè)必備的條件。嵌入式操作系統(tǒng)傳感器節(jié)點(diǎn)是一個(gè)微型的嵌入式系統(tǒng)，攜帶非常有限的硬件資源，需要操作系統(tǒng)能夠節(jié)能高效地使用其有限地內(nèi)存、處理器和通信模塊，且能夠?qū)Ω鞣N特定應(yīng)用提供最大的支持。在面向無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)的支持下，多個(gè)應(yīng)用可以并發(fā)地使用系統(tǒng)的有限資源。傳感器節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)突出的特點(diǎn)。一個(gè)特點(diǎn)是并發(fā)性密集，即可能存在多個(gè)需要同時(shí)執(zhí)行的邏輯控制，這需要操作系統(tǒng)有效地滿足這種發(fā)生頻繁、并發(fā)程度高、執(zhí)行過(guò)程比擬短的邏輯控制流程;另一個(gè)特點(diǎn)是傳感器節(jié)點(diǎn)模塊化程度很高，要求操作系統(tǒng)能夠讓應(yīng)用程序方便地對(duì)硬件進(jìn)行控制。上述這些特點(diǎn)對(duì)設(shè)計(jì)面向無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)提出了新的挑戰(zhàn)。3.WSN路由協(xié)議算法分析3.1WSN路由協(xié)議的分類方法WSNs路由協(xié)議負(fù)責(zé)在sink點(diǎn)和其余節(jié)點(diǎn)間可靠地傳輸數(shù)據(jù)。由于WSNs與應(yīng)用高度相關(guān)，單一的路由協(xié)議不能滿足各種應(yīng)用需求，因而人們研究了眾多的路由協(xié)議。為揭示協(xié)議特點(diǎn)，我們根據(jù)一些路由協(xié)議采用的通信模式、路由結(jié)構(gòu)、路由建立時(shí)機(jī)、狀態(tài)維護(hù)、節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)和投遞方式等策略，運(yùn)用多種分類方法對(duì)其進(jìn)行了分類。由于研究人員組合多種策略來(lái)實(shí)現(xiàn)路由機(jī)制，故同一路由協(xié)議可分屬不同類別。根據(jù)傳輸過(guò)程中采用路徑的多少，可分為單路徑路由協(xié)議和多路徑路由協(xié)議。單路徑路由節(jié)約存儲(chǔ)空間,數(shù)據(jù)通信量少；多路徑路由容錯(cuò)性強(qiáng),健壯性好,且可從眾多路由中選擇一條最優(yōu)路由。根據(jù)節(jié)點(diǎn)在路由過(guò)程中是否有層次結(jié)構(gòu)、作用是否有差異，可分為平面路由協(xié)議和層次路由協(xié)議。平面路由簡(jiǎn)單,健壯性好,但建立、維護(hù)路由的開銷大，數(shù)據(jù)傳輸跳數(shù)多，適合小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)；層次路由擴(kuò)展性好，適合大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)，但簇的維護(hù)開銷大，且簇頭是路由的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，其失效將導(dǎo)致路由失敗。根據(jù)路由建立時(shí)機(jī)與數(shù)據(jù)發(fā)送的關(guān)系，可分為主動(dòng)路由協(xié)議、按需路由協(xié)議和混合路由協(xié)議。主動(dòng)路由建立、維護(hù)路由的開銷大，資源要求高；按需路由在傳輸前需計(jì)算路由，時(shí)延大；混合路由那么綜合利用這兩種方式。根據(jù)是否以地理位置來(lái)標(biāo)識(shí)目的地、路由計(jì)算中是否利用地理位置信息，可分為基于位置的路由協(xié)議和非基于位置的路由協(xié)議。有大量WSNs應(yīng)用需要知道突發(fā)事件的地理位置，這是基于位置的路由協(xié)議的應(yīng)用根底，但需要GPS定位系統(tǒng)或者其他定位方法協(xié)助節(jié)點(diǎn)計(jì)算位置信息。根據(jù)是否以數(shù)據(jù)來(lái)標(biāo)識(shí)目的地，可分為基于數(shù)據(jù)的路由協(xié)議和非基于數(shù)據(jù)的路由協(xié)議。有大量WSNs應(yīng)用要求查詢或上報(bào)具有某種類型的數(shù)據(jù)，這是基于數(shù)據(jù)的路由協(xié)議的應(yīng)用根底，但需要分類機(jī)制對(duì)數(shù)據(jù)類型進(jìn)行命名。根據(jù)節(jié)點(diǎn)是否編址、是否以地址標(biāo)識(shí)目的地，可分為基于地址的路由協(xié)議和非基于地址的路由協(xié)議?；诘刂返穆酚稍趥鹘y(tǒng)路由協(xié)議中較常見，,而在WSNs中一般不單獨(dú)使用而與其他策略結(jié)合使用。根據(jù)路由選擇是否考慮QoS約束，可分為保證QoS的路由協(xié)議和不保證QoS的路由協(xié)議。保證QoS的路由協(xié)議是指在路由建立時(shí)，考慮時(shí)延、丟包率等QoS參數(shù)，從眾多可行路由中選擇一條最適合QoS應(yīng)用要求的路由。根據(jù)數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中是否進(jìn)行聚合處理，可分為數(shù)據(jù)聚合的路由協(xié)議和非數(shù)據(jù)聚合的路由協(xié)議。數(shù)據(jù)聚合能減少通信量，但需要時(shí)間同步技術(shù)的支持，并使傳輸時(shí)延增加。根據(jù)路由是否由源節(jié)點(diǎn)指定，可分為源站路由協(xié)議和非源站路由協(xié)議。源站路由協(xié)議節(jié)點(diǎn)無(wú)須建立、維護(hù)路由信息，從而節(jié)約存儲(chǔ)空間，減少通信開銷。但如果網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大，數(shù)據(jù)包頭的路由信息開銷也大，而且如果網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓l繁，將導(dǎo)致路由失敗。根據(jù)路由建立時(shí)機(jī)是否與查詢有關(guān)，可分為查詢驅(qū)動(dòng)的路由協(xié)議和非查詢驅(qū)動(dòng)的路由協(xié)議。查詢驅(qū)動(dòng)的路由協(xié)議能夠節(jié)約節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)空間，但數(shù)據(jù)時(shí)延較大，且不適合環(huán)境監(jiān)測(cè)等需緊急上報(bào)的應(yīng)用。3.2幾種典型路由協(xié)議的分析3.2.1平面路由協(xié)議平面路由協(xié)議主要特點(diǎn)有：所需的信息域較小，一般僅需一跳〔1hop〕內(nèi)的信息；無(wú)需進(jìn)行周期性的路由信息維護(hù)；復(fù)雜度較低。Flooding泛洪是一種傳統(tǒng)的路由技術(shù)，不要求維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并進(jìn)行路由計(jì)算，接收到消息的節(jié)點(diǎn)以播送形式轉(zhuǎn)發(fā)分組。對(duì)于自組織的傳感器網(wǎng)絡(luò)，泛洪路由是一種較直接的實(shí)現(xiàn)方法，但消息的“內(nèi)爆”(implosion)和“重疊”(overlap)是其固有的缺陷。為了克服這些缺陷，S.hedetniemi等人提出了Gossiping策略，節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選取一個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)它接收到的分組，而不是采用播送形式。這種方法防止了消息的“內(nèi)爆”現(xiàn)象，但有可能增加端到端的傳輸延時(shí)。圖3.1Flooding路由協(xié)議中的內(nèi)爆和重疊問(wèn)題SPIN(sensorprotocolforinformationvianegotiation)SPIN是以數(shù)據(jù)為中心的自適應(yīng)路由協(xié)議，通過(guò)協(xié)商機(jī)制來(lái)解決泛洪算法中的“內(nèi)爆”和“重疊”問(wèn)題。傳感器節(jié)點(diǎn)僅播送采集數(shù)據(jù)的描述信息，當(dāng)有相應(yīng)的請(qǐng)求時(shí)，才有目的地發(fā)送數(shù)據(jù)信息。SPIN協(xié)議中有3種類型的消息，即ADV，REQ和DATA。ADV—用于新數(shù)據(jù)播送。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)可共享時(shí)，它以播送方式向外發(fā)送DATA數(shù)據(jù)包中的元數(shù)據(jù)。REQ—用于請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)希望接收DATA數(shù)據(jù)包時(shí)，發(fā)送REQ數(shù)據(jù)包。DATA—包含附上元數(shù)據(jù)頭(meta一header)的實(shí)際數(shù)據(jù)包。SPIN協(xié)議有4種不同的形式:?SPIN-PP：采用點(diǎn)到點(diǎn)的通信模式，并假定兩節(jié)點(diǎn)間的通信不受其他節(jié)點(diǎn)的干擾，分組不會(huì)喪失，功率沒(méi)有任何限制。要發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)通過(guò)ADV向它的相鄰節(jié)點(diǎn)播送消息，感興趣的節(jié)點(diǎn)通過(guò)REQ發(fā)送請(qǐng)求，數(shù)據(jù)源向請(qǐng)求者發(fā)送數(shù)據(jù)。接收到數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)再向它的相鄰節(jié)點(diǎn)播送ADV消息，如此重復(fù)，使所有節(jié)點(diǎn)都有時(shí)機(jī)接收到任何數(shù)據(jù)。?SPIN-EC：在SPIN-PP的根底上考慮了節(jié)點(diǎn)的功耗，只有能夠順利完成所有任務(wù)且能量不低于設(shè)定閾值的節(jié)點(diǎn)才可參與數(shù)據(jù)交換。?SPIN-BC：設(shè)計(jì)了播送信道，使所有在有效半徑內(nèi)的節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)完成數(shù)據(jù)交換。為了防止產(chǎn)生重復(fù)的REQ請(qǐng)求，節(jié)點(diǎn)在聽到ADV消息以后，設(shè)定一個(gè)隨機(jī)定時(shí)器來(lái)控制REQ請(qǐng)求的發(fā)送，其他節(jié)點(diǎn)聽到該請(qǐng)求，主動(dòng)放棄請(qǐng)求權(quán)利。?SPIN-RL：它是對(duì)SPIN-BC的完善，主要考慮如何恢復(fù)無(wú)線鏈路引入的分組過(guò)失與喪失。記錄ADV消息的相關(guān)狀態(tài)，如果在確定時(shí)間間隔內(nèi)接收不到請(qǐng)求數(shù)據(jù)，那么發(fā)送重傳請(qǐng)求，重傳請(qǐng)求的次數(shù)有一定的限制。圖3.2說(shuō)明了SPIN協(xié)議的路由建立與數(shù)據(jù)傳送。圖3.2SPIN協(xié)議的路由建立與數(shù)據(jù)傳送基于數(shù)據(jù)描述的協(xié)商機(jī)制和能量自適應(yīng)機(jī)制的SP創(chuàng)協(xié)議能夠很好地解決傳統(tǒng)的Flooding協(xié)議所帶來(lái)的信息爆炸、信息重復(fù)和資源浪費(fèi)等問(wèn)題。此外，由于協(xié)議中每個(gè)節(jié)點(diǎn)只需知道其單跳鄰居節(jié)點(diǎn)的信息，拓?fù)涓淖兂尸F(xiàn)本地化特征。SP州協(xié)議的缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)廣告機(jī)制不能保證數(shù)據(jù)的可靠傳遞，如果對(duì)數(shù)據(jù)感興趣的節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)離源節(jié)點(diǎn)或者在源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)中間的節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)不感興趣，那么數(shù)據(jù)就不可能被傳遞到目的地。因此，對(duì)于入侵發(fā)現(xiàn)等需要在定期間隔內(nèi)可靠傳遞數(shù)據(jù)的應(yīng)用系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，SP州并不是一個(gè)很好的選擇。SAR(sequentialassignmentrouting)在選擇路徑時(shí)，有序分配路由(SAR)策略充分考慮了功耗、QoS和分組優(yōu)先權(quán)等特殊要求，采用局部路徑恢復(fù)和多路經(jīng)備份策略，防止節(jié)點(diǎn)或鏈路失敗時(shí)進(jìn)行路由重計(jì)算需要的過(guò)量計(jì)算開銷。為了在每個(gè)節(jié)點(diǎn)與sink節(jié)點(diǎn)間生成多條路經(jīng)，需要維護(hù)多個(gè)樹結(jié)構(gòu)，每個(gè)樹以落在sink節(jié)點(diǎn)有效傳輸半徑內(nèi)的節(jié)點(diǎn)為根向外生長(zhǎng)，枝干的選擇需滿足一定QOS要求并要有一定的能量?jī)?chǔ)藏。這一處理使大多數(shù)傳感器節(jié)點(diǎn)可能同時(shí)屬于多個(gè)樹，可任選其一將采集數(shù)據(jù)回傳到sink節(jié)點(diǎn)。定向擴(kuò)散(directeddiffusion)DD是以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議開展過(guò)程的里程碑，其突出特點(diǎn)是引入了梯度來(lái)描述網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點(diǎn)對(duì)該方向繼續(xù)搜索獲得匹配數(shù)據(jù)的可能性。這是一個(gè)重要的基于數(shù)據(jù)的、查詢驅(qū)動(dòng)的路由協(xié)議。該協(xié)議用屬性/值對(duì)命名數(shù)據(jù)。為建立路由，sink點(diǎn)flooding包含屬性列表、上報(bào)間隔、持續(xù)時(shí)間、地理區(qū)域等信息的查詢請(qǐng)求Interest(該過(guò)程本質(zhì)上是設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)任務(wù))。沿途節(jié)點(diǎn)按需對(duì)各Interest進(jìn)行緩存與合并，并根據(jù)Interest計(jì)算、創(chuàng)立包含數(shù)據(jù)上報(bào)率、下一跳等信息的梯度(gradient),從而建立多條指向sink點(diǎn)的路徑。Interest中的地理區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)那么按要求啟動(dòng)監(jiān)測(cè)任務(wù)，并周期性地上報(bào)數(shù)據(jù)，途中各節(jié)點(diǎn)可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存與聚合。sink點(diǎn)可在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中通過(guò)對(duì)某條路徑發(fā)送上報(bào)間隔更小或更大的Interest，以增強(qiáng)或減弱數(shù)據(jù)上報(bào)率。該協(xié)議采用多路徑，健壯性好；使用數(shù)據(jù)聚合能減少數(shù)據(jù)通信量；sink點(diǎn)根據(jù)實(shí)際情況采取增強(qiáng)或減弱方式能有效利用能量；使用查詢驅(qū)動(dòng)機(jī)制按需建立路由，防止了保存全網(wǎng)信息，但不適合環(huán)境監(jiān)測(cè)等應(yīng)用。而且，Gradient的建立開銷很大，不適合多sink點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)；數(shù)據(jù)聚合過(guò)程采用時(shí)間同步技術(shù)，會(huì)帶來(lái)較大開銷和時(shí)延。圖3.3描述了定向擴(kuò)散模型的工作原理。圖3.3定向擴(kuò)散模型的工作原理DD路由是一種經(jīng)典的以數(shù)據(jù)為中心的路由機(jī)制。Sink節(jié)點(diǎn)根據(jù)不同的應(yīng)用需求定義不同的任務(wù)類型、目標(biāo)區(qū)域等參數(shù)的興趣消息，通過(guò)向網(wǎng)絡(luò)中播送興趣消息啟動(dòng)路由建立過(guò)程。中間傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)興趣表建立從數(shù)據(jù)源到Sink節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸梯度，自動(dòng)形成數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩鄺l路徑。DD采用相鄰節(jié)點(diǎn)間通信的方式來(lái)防止維護(hù)全局拓?fù)?，采用查詢?qū)動(dòng)數(shù)據(jù)傳送模式和局部數(shù)據(jù)聚集而減少網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流，因此是一種高能源有效性的協(xié)議。它的缺點(diǎn)是，在需要連續(xù)數(shù)據(jù)傳送的應(yīng)用中(環(huán)境監(jiān)測(cè)等)不能很好的應(yīng)用；數(shù)據(jù)命名只能針對(duì)于特定的應(yīng)用預(yù)先進(jìn)行；初始查詢的擴(kuò)散開銷大。基于最小代價(jià)場(chǎng)的路由算法：算法開始之前，所有的節(jié)點(diǎn)都將自己的代價(jià)設(shè)為無(wú)窮大。網(wǎng)關(guān)播送一個(gè)代價(jià)為0的廣告報(bào)文，其他節(jié)點(diǎn)接收到廣告報(bào)文后，如果報(bào)文中所表示的代價(jià)小于節(jié)點(diǎn)自己的代價(jià)，那么使用這個(gè)新的代價(jià)作為自己的代價(jià)，并將新的代價(jià)播送出去；反之，那么丟棄該信息。最終每個(gè)節(jié)點(diǎn)都獲得了自己距離網(wǎng)關(guān)的最小代價(jià)，由此建立代價(jià)場(chǎng)，報(bào)文沿著最小代價(jià)路徑向網(wǎng)關(guān)發(fā)送。當(dāng)報(bào)文被發(fā)送的時(shí)候它將附帶源節(jié)點(diǎn)的最小代價(jià)，及從源節(jié)點(diǎn)到當(dāng)前節(jié)點(diǎn)所消耗的代價(jià)，一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)接收到報(bào)文，只有該報(bào)文已消耗的代價(jià)和自己的代價(jià)之和等于源節(jié)點(diǎn)代價(jià)的時(shí)候，才轉(zhuǎn)發(fā)這個(gè)報(bào)文。采用這種方法，節(jié)點(diǎn)不需要維持任何的路徑信息，就可以實(shí)現(xiàn)報(bào)文的最短路徑發(fā)送。3.2.2分層路由協(xié)議在層次路由協(xié)議中，網(wǎng)絡(luò)通常被劃分為簇〔cluster〕，每個(gè)簇由一個(gè)簇頭〔cluster-head〕和多個(gè)簇成員〔cluster-member〕組成，低一級(jí)網(wǎng)絡(luò)的簇頭是高一級(jí)網(wǎng)絡(luò)中的簇成員。在這種分級(jí)結(jié)構(gòu)中，簇頭不僅負(fù)責(zé)簇內(nèi)信息的收集和融合處理，還負(fù)責(zé)簇間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。層次路由協(xié)議中簇的形成通常是基于節(jié)點(diǎn)的能量和其與簇頭間的距離。為了延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存期，簇頭節(jié)點(diǎn)需要周期更新。層次路由的優(yōu)點(diǎn)是便于管理，可以對(duì)系統(tǒng)變化做出快速反響，能夠提供高質(zhì)量的通信效勞，能量利用率較高。但簇的維護(hù)開銷較大。LEACH(lowenergyadaptiveclusteringhierarchy)LEACH是MIT的Chandrakasan等人為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的低功耗自適應(yīng)聚類路由算法。與一般的平面多跳路由協(xié)議和靜態(tài)聚類算法相比,LEACH可以將網(wǎng)絡(luò)生命周期延長(zhǎng)15%,主要通過(guò)隨機(jī)選擇聚類首領(lǐng),平均分擔(dān)中繼通信業(yè)務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。LEACH定義了“輪”(round)的概念,一輪由初始化和穩(wěn)定工作兩個(gè)階段組成。為了防止額外的處理開銷,穩(wěn)定態(tài)一般持續(xù)相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間。如圖3.4所示：初始化階段初始化階段穩(wěn)定工作階段時(shí)間圖3.4LEACH協(xié)議的時(shí)序圖在初始化階段,聚類首領(lǐng)是通過(guò)下面的機(jī)制產(chǎn)生的。傳感器節(jié)點(diǎn)生成0,1之間的隨機(jī)數(shù),如果大于閾值T,那么選該節(jié)點(diǎn)為聚類首領(lǐng).T的計(jì)算方法如下:〔3.1〕其中p為節(jié)點(diǎn)中成為聚類首領(lǐng)的百分?jǐn)?shù),r是當(dāng)前的輪數(shù)。當(dāng)簇頭選定之后，簇頭節(jié)點(diǎn)主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)播送自己成為簇頭的消息(ADV_CH)。接收到此消息的節(jié)點(diǎn)，依據(jù)接收信號(hào)的強(qiáng)度，選擇它所要參加的簇，并發(fā)消息通知相應(yīng)的簇頭(JOIN_REQ)?；跁r(shí)分多址(TimeDivisionMultipleAddress，簡(jiǎn)稱TDMA)的方式，簇頭節(jié)點(diǎn)為其中的每個(gè)成員分配通信時(shí)隙，并以播送的形式通知所有的簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)(ADVSCH)。這樣保證了簇內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)在指定的傳輸時(shí)隙進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而在其他時(shí)間進(jìn)入休眠狀態(tài)，減少了能量消耗。在穩(wěn)定工作階段，節(jié)點(diǎn)持續(xù)采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在自身傳輸時(shí)隙到來(lái)時(shí)把監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳給簇頭節(jié)點(diǎn)(DATA)，如圖3.5所示。簇頭節(jié)點(diǎn)對(duì)接收到數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理之后，發(fā)送到Sink節(jié)點(diǎn)，這是一種減小通信業(yè)務(wù)量的合理工作模式。持續(xù)一段時(shí)間以后，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入下一輪工作周期，重新選擇簇頭節(jié)點(diǎn)。圖3.5LEACH協(xié)議LEACH協(xié)議采用動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換簇頭的方法來(lái)平均網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量消耗，使因能量耗盡而失效的節(jié)點(diǎn)呈隨機(jī)分布狀態(tài)，因而與一般的多跳路由協(xié)議和靜態(tài)簇算法相比，LEACH可以將網(wǎng)絡(luò)生命周期延長(zhǎng)15%。但是LEACH協(xié)議在每輪固定簇頭節(jié)點(diǎn)后在劃分簇的過(guò)程中，簇頭節(jié)點(diǎn)開銷較大。并且簇頭節(jié)點(diǎn)的選擇無(wú)法到達(dá)最優(yōu)，有可能簇頭節(jié)點(diǎn)位于網(wǎng)絡(luò)的邊緣或者幾個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)相鄰，某些節(jié)點(diǎn)不得不傳輸較遠(yuǎn)的距離來(lái)與簇頭通信，這就導(dǎo)致了大量能量消耗。而且LEACH協(xié)議所有簇頭節(jié)點(diǎn)直接與Sink節(jié)點(diǎn)通信，采用連續(xù)數(shù)據(jù)發(fā)送模式和單跳路徑選擇模式，使得每輪中簇頭節(jié)點(diǎn)能耗巨大，因此不適合在大規(guī)模的傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。TEEN(thresholdsensitiveenergyefficientsensornetworkprotocol)依照應(yīng)用模式的不同，通?？梢院?jiǎn)單地將無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)(包括傳感器網(wǎng)絡(luò)和Ad-hoc網(wǎng)絡(luò))分為主動(dòng)(proactive)和響應(yīng)(reactive)兩種類型。主動(dòng)型傳感器網(wǎng)絡(luò)持續(xù)監(jiān)測(cè)周圍的物質(zhì)現(xiàn)象，并以恒定速率發(fā)送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；而響應(yīng)型傳感器網(wǎng)絡(luò)只是在被觀測(cè)變量發(fā)生突變時(shí)才傳送數(shù)據(jù)。相比之下,響應(yīng)型傳感器網(wǎng)絡(luò)更適合應(yīng)用在敏感時(shí)間的應(yīng)用中。TEEN和LEACH的實(shí)現(xiàn)機(jī)制非常相似,只是前者是響應(yīng)型的，而后者屬于主動(dòng)型傳感器網(wǎng)絡(luò)。在TEEN中定義了硬、軟兩個(gè)門限值，以確定是否需要發(fā)送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)第一次超過(guò)設(shè)定的硬門限時(shí),節(jié)點(diǎn)用它作為新的硬門限,并在接著到來(lái)的時(shí)隙內(nèi)發(fā)送它。在接下來(lái)的過(guò)程中，如果監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化幅度大于軟門限界定的范圍，那么節(jié)點(diǎn)傳送最新采集的數(shù)據(jù)，并將它設(shè)定為新的硬門限。通過(guò)調(diào)節(jié)軟門限值的大小，可以在監(jiān)測(cè)精度和系統(tǒng)能耗之間取得合理的平衡。圖3.6表示的是TEEN協(xié)議中由聚簇構(gòu)成的層次結(jié)構(gòu)。SinkSinkHighlevelclusterheadClusteringNormalsensornodeLowlevelclusterhead圖3.6TEEN協(xié)議中由聚簇構(gòu)成的層次結(jié)構(gòu)TENE適用于實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用場(chǎng)合，比方入侵警報(bào)，爆炸預(yù)警等，用戶可以及時(shí)獲取感興趣的信息。而且用戶可以通過(guò)設(shè)置不同的軟門限方便地平衡監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性與系統(tǒng)節(jié)能性兩項(xiàng)指標(biāo)。但是這個(gè)方案也有一些缺乏之處，例如門限值達(dá)不到，節(jié)點(diǎn)就永遠(yuǎn)不會(huì)和簇頭節(jié)點(diǎn)通信，用戶就無(wú)法從網(wǎng)絡(luò)得到任何數(shù)據(jù);沒(méi)有相應(yīng)的機(jī)制去區(qū)分那些沒(méi)有感應(yīng)到足夠大變化的節(jié)點(diǎn)和處于關(guān)閉狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)，所以TEEN協(xié)議不適合應(yīng)用在。PEGAGIS(power-efficientgatheringinsensorinformationsystem)PEGASIS由LEACH開展而來(lái)。它假定組成網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn)是同構(gòu)且靜止的。節(jié)點(diǎn)發(fā)送能量遞減的測(cè)試信號(hào)，通過(guò)檢測(cè)應(yīng)答來(lái)確定離自己最近的相鄰節(jié)點(diǎn)。在收集數(shù)據(jù)前，首先利用貪心算法將網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)連接成一條單鏈。通過(guò)這種方式，網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)能夠了解彼此的位置關(guān)系，進(jìn)而每個(gè)節(jié)點(diǎn)依據(jù)自己的位置選擇所屬的聚類，聚類的首領(lǐng)向鏈的兩端發(fā)出收集數(shù)據(jù)的請(qǐng)求，數(shù)據(jù)從單鏈的兩個(gè)端點(diǎn)向首領(lǐng)流動(dòng)。中間節(jié)點(diǎn)在傳遞數(shù)據(jù)前要執(zhí)行融合操作，最終由首領(lǐng)節(jié)點(diǎn)將結(jié)果數(shù)據(jù)傳送給Sink節(jié)點(diǎn)。因?yàn)镻EGASIS中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都以最小功率發(fā)送數(shù)據(jù)分組，并有條件完成必要的數(shù)據(jù)融合，減小業(yè)務(wù)流量。因此,整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的功耗較小。研究結(jié)果說(shuō)明，PEGASIS支持的傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期是LEACH的近兩倍。SinkSink0123456圖3.7PEGAGIS的單鏈結(jié)構(gòu)單鏈結(jié)構(gòu)的PEGASSI算法主要有以下兩點(diǎn)缺陷:第一點(diǎn)是平均延遲較大:數(shù)據(jù)需要沿著單鏈結(jié)構(gòu)順序傳送，收集數(shù)據(jù)的延遲決定于首領(lǐng)節(jié)點(diǎn)與單鏈端節(jié)點(diǎn)的距離，因此平均延遲與節(jié)點(diǎn)數(shù)成正比；第二點(diǎn)是魯棒性較差:由于傳感器節(jié)點(diǎn)的易失效性，如果不采取適當(dāng)?shù)男迯?fù)策略，單鏈結(jié)構(gòu)的傳輸路徑容易增大數(shù)據(jù)收集請(qǐng)求的失敗率。多層聚類算法多層聚類算法是Estrin為傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的一種新的聚類實(shí)現(xiàn)機(jī)制。工作在網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)處于不同的層，所處層次越高，所覆蓋面積越大。起初，所有節(jié)點(diǎn)均在最低層，通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)獲得提升高層的時(shí)機(jī)。新的工作周期開始時(shí)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都播送自己的狀態(tài)信息，包括儲(chǔ)藏能量、所在層次和首領(lǐng)的ID(如果有)等，然后進(jìn)入等待狀態(tài)以便相互了解信息，等待時(shí)間與所在層次成正比。處在最低層的節(jié)點(diǎn)如果沒(méi)有首領(lǐng)，等待狀態(tài)結(jié)束后，立刻啟動(dòng)一個(gè)“晉升定時(shí)器”，定時(shí)時(shí)間與自身能量以及接收到同層其他節(jié)點(diǎn)播送消息的數(shù)目成反比，目的是為能量較高且在密集區(qū)的節(jié)點(diǎn)獲得較多的提升時(shí)機(jī)。一旦定時(shí)時(shí)間到，節(jié)點(diǎn)升入高層，將有發(fā)給自己播送消息的節(jié)點(diǎn)視為潛在的子節(jié)點(diǎn)，并播送自己新的狀態(tài)信息，低層節(jié)點(diǎn)選擇響應(yīng)這些準(zhǔn)首領(lǐng)的播送消息，最終確定惟一的通信關(guān)系。選擇了首領(lǐng)的節(jié)點(diǎn)，自己的“晉升定時(shí)器”將停止工作，也就意味著本輪放棄了晉升時(shí)機(jī)。在每一個(gè)工作周期結(jié)束以后，高層節(jié)點(diǎn)將視自己的狀態(tài)信息(如有無(wú)子節(jié)點(diǎn)，功率是否充足)決定是否讓出首領(lǐng)位置。上述的多層聚類算法具有遞歸性，Estrin等人用兩層模型驗(yàn)證了它在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的有效性。Younis等人提出了基于三層體系結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議。與LEACH不同的是，該協(xié)議要求在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行前由終端用戶將傳感器節(jié)點(diǎn)劃分成簇，并通知每個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)的ID標(biāo)識(shí)和簇內(nèi)所分配節(jié)點(diǎn)的位置信息。簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)可以以感知、轉(zhuǎn)發(fā)、感知并轉(zhuǎn)發(fā)、休眠這四種方式之一存在。簇頭不受能量的限制，它可以監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的能量變化，決定并維護(hù)傳感器的四種狀態(tài)，并利用代價(jià)函數(shù)作為鏈路本錢，選擇最小本錢的路徑作為節(jié)點(diǎn)與其通信的最優(yōu)路徑。表3.1幾種常見平面路由協(xié)議比擬名稱主要思想Flooding收到數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)向所有鄰居節(jié)點(diǎn)播送報(bào)文Gossiping收到的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選取地選擇一個(gè)鄰節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文SAR依據(jù)每條路徑上的能量資源和QoS要求來(lái)決策路由SPIN根據(jù)臨時(shí)的請(qǐng)求、應(yīng)答的方式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)DD在所有節(jié)點(diǎn)中為Sink的請(qǐng)求建立一個(gè)臨時(shí)的“梯度”場(chǎng)；匹配數(shù)據(jù)沿“梯度”最大的方向中繼回Sink基于最小代價(jià)場(chǎng)的路由算法每個(gè)節(jié)點(diǎn)獲得了自己距離網(wǎng)關(guān)的最小代價(jià)后建立代價(jià)場(chǎng)，報(bào)文沿最小代價(jià)路徑向網(wǎng)關(guān)發(fā)送表3.2幾種常見分層路由協(xié)議的比擬MAC協(xié)議描述SMACS固定時(shí)隙收發(fā)數(shù)據(jù)，并在空閑時(shí)將節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)以減小能耗基于CSMA的介質(zhì)基于競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制隨機(jī)接入，通過(guò)調(diào)整相位防止沖突重復(fù)發(fā)生TDMA/FDMA組合方案選擇適宜數(shù)量的信道，在相應(yīng)中心頻率信道內(nèi)時(shí)分復(fù)用Flooding路由協(xié)議的分析與研究泛洪(Flooding)路由算法是一種經(jīng)典的路由算法，由于其具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，容錯(cuò)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，無(wú)論在有線網(wǎng)絡(luò)中還是在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中都得到了廣泛的應(yīng)用。由于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，泛洪算法在傳感器網(wǎng)絡(luò)中也得到了廣泛應(yīng)用。但是泛洪算法能耗過(guò)大的缺點(diǎn)又在相當(dāng)程度上抵消了其優(yōu)勢(shì)，使其不適合直接地應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。如果將泛洪作為一種路由算法應(yīng)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)，需要解決其能耗過(guò)大、數(shù)據(jù)冗余量高問(wèn)題。如DD、SPIN、Gossiping等算法都是Flooding的改良算法。4.1泛洪算法模型在泛洪算法中，任一節(jié)點(diǎn)ni接收到報(bào)文的動(dòng)作可用如下偽代碼描述。每個(gè)報(bào)文都包含TTL〔報(bào)文存活時(shí)間〕、DATA〔數(shù)據(jù)〕等內(nèi)容。算法根本步驟如下：Step1：Sink和其他節(jié)點(diǎn)播送自己的位置信息和序列號(hào)；Step2：源節(jié)點(diǎn)播送報(bào)文；Step3：假設(shè)收到報(bào)文的節(jié)點(diǎn)為Sink那么報(bào)文已傳送到目的地；否那么轉(zhuǎn)Step4；Step4：假設(shè)報(bào)文的TTL－1＝0或節(jié)點(diǎn)已收到過(guò)該報(bào)文，那么轉(zhuǎn)Step5，否那么轉(zhuǎn)Step6；Step5：節(jié)點(diǎn)丟棄該報(bào)文；Step6：節(jié)點(diǎn)將報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)給它所有的鄰居節(jié)點(diǎn)。報(bào)文中的TTL字段，通常用來(lái)防止報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)被無(wú)限制的轉(zhuǎn)發(fā)，在洪泛的工作模式下，網(wǎng)絡(luò)中有節(jié)點(diǎn)要發(fā)送報(bào)文時(shí)，它將把報(bào)文發(fā)送給所有的鄰居節(jié)點(diǎn)；而收到報(bào)文的節(jié)點(diǎn)那么將報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)給自己所有的鄰居節(jié)點(diǎn)，除非TTL－1＝0或接收節(jié)點(diǎn)本身就是聚集點(diǎn)。其中TTL通常表示跳數(shù)或時(shí)間，當(dāng)TTL－1＝0時(shí)，報(bào)文將被丟棄。傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于自適應(yīng)的路由算法研究。4.2算法流程圖SinkSink和其他節(jié)點(diǎn)播送自己的位置信息和序列號(hào)源節(jié)點(diǎn)播送報(bào)文節(jié)點(diǎn)已收到過(guò)該報(bào)文丟棄該報(bào)文收到報(bào)文的節(jié)點(diǎn)為Sink報(bào)文的TTL－1＝0？將數(shù)據(jù)包交高層處理并失去對(duì)該數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)權(quán)否是否否是丟棄該報(bào)文是開始圖4.1泛洪算法流程圖4.3基于延遲的自適應(yīng)泛洪路由算法在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)進(jìn)行泛洪時(shí)，因?yàn)槊總€(gè)節(jié)點(diǎn)無(wú)論是否在最終的轉(zhuǎn)發(fā)路徑上，都要轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文，這使網(wǎng)絡(luò)中充滿了大量的無(wú)用報(bào)文，浪費(fèi)了許多資源，節(jié)點(diǎn)的能量也消耗很快。為了解決泛洪模型的缺陷，本章提出了一種基于延遲的自適應(yīng)泛洪模型，算法的主要思想是初始化階段后，源節(jié)點(diǎn)先在全網(wǎng)內(nèi)用較小的路由請(qǐng)求報(bào)文(RoutingRequestPackets，RREQ)和路由回復(fù)報(bào)文(RoutingReplyPackets，RREP)來(lái)建立路由，在建立路由的過(guò)程中當(dāng)有節(jié)點(diǎn)收到RREQ時(shí)，假設(shè)它比上一跳節(jié)點(diǎn)離Sink更遠(yuǎn)或該報(bào)文的TTL－1＝0那么它不轉(zhuǎn)發(fā)RREQ并丟棄該報(bào)文；否那么，節(jié)點(diǎn)先根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際情況等待一段時(shí)間看是否有更優(yōu)的來(lái)自同一Source的RREQ，假設(shè)有那么轉(zhuǎn)發(fā)更優(yōu)的RREQ直到Sink。Sink接收到RREQ后向最優(yōu)路回復(fù)RREP。而后源節(jié)點(diǎn)將沿著建立好的路徑轉(zhuǎn)發(fā)較大的數(shù)據(jù)報(bào)文。新算法可以分為初始化、路由建立和數(shù)據(jù)傳輸階段。其中，路由建立階段主要是找到一條較優(yōu)的從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的路徑，而數(shù)據(jù)傳輸階段那么依據(jù)路由建立階段建立的路徑傳輸數(shù)據(jù)報(bào)文。4.3.1算法中用到的報(bào)文和數(shù)據(jù)各階段中用到的報(bào)文和各節(jié)點(diǎn)需要維護(hù)的表格分別如表4.1、4.3所示：表4.1flooding報(bào)文表報(bào)文名稱報(bào)文中包含的域長(zhǎng)度〔bit〕NIP：NeighborsInformationPacket(節(jié)點(diǎn)信息報(bào)文)PT＝0,POS,SN21RRE：RoutingRequestPacket(路由請(qǐng)求報(bào)文)PT＝1,SNL,POSS,E,TTL≥24RREP：RoutingReplyPacket(路由回復(fù)報(bào)文)PT＝2,SNL,POSS,TTL≥16DP：DataPacket〔數(shù)據(jù)報(bào)文〕PT＝3,SNL,Data2000RR：Rerouting(重建路由報(bào)文)PT＝5,SN11表4.2對(duì)flooding報(bào)文及表格中各數(shù)據(jù)域的說(shuō)明域名注解長(zhǎng)度〔bit〕PTPacketType，報(bào)文類型，PT＝0..5分別表示NIP、RREQ、RREP和DP、RR五種中不同的報(bào)文3SNSerialNumber，節(jié)點(diǎn)序列號(hào)8POSSPosition，位置信息，其中POSS表示源節(jié)點(diǎn)位置信息10EEnergy，記錄報(bào)文傳送到目前為止所消耗的能量8TTLTime-to-live，報(bào)文存活時(shí)間3SNLSSerialNumbersList序列號(hào)表，將報(bào)文經(jīng)過(guò)的節(jié)點(diǎn)序列號(hào)都依次列出來(lái)=報(bào)文經(jīng)過(guò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)×8Data數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)報(bào)文一律統(tǒng)一為2000bit－Type節(jié)點(diǎn)類型，TYPE=0,1分別表示存活(Alive，默認(rèn)值)或死亡1表4.3flooding中各節(jié)點(diǎn)需要維護(hù)的表格表格名稱表格中包含的域NIT：NeighborsInformationTable(鄰居信息表)POS，SN，TypeRQT：RREQTable(RREQ表)SNL，POSSRPT：RREPTable(RREP表)SNL，POSSSFD算法描述算法包括以下三個(gè)階段：初始化階段〔InitializationPhase，InP〕、路由建立階段〔RoutingBuildingPhase，RBP〕和數(shù)據(jù)傳輸階段〔DataForwardingPhase，DFP〕。1、初始化階段〔InitializationPhase，InP〕Step1：各節(jié)點(diǎn)播送節(jié)點(diǎn)信息報(bào)文NIP；Step2：收到NIP報(bào)文的節(jié)點(diǎn)將相關(guān)信息存儲(chǔ)到鄰居信息表NIT中。2、路由建立階段〔RoutingBuildingPhase，RBP〕Step1：Source查找RPT表，假設(shè)它是某個(gè)RREP報(bào)文SNL中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，那么它直接沿該RREP確定的路徑轉(zhuǎn)發(fā)DP，否那么播送一個(gè)新的RREQ；Step2：節(jié)點(diǎn)ni接收到RREQ后查找RPT表，假設(shè)它是某個(gè)RREP報(bào)文SNL中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，那么它直接沿該RREP確定的路徑向它的上一跳節(jié)點(diǎn)回復(fù)RREP，否那么：StepI：假設(shè)報(bào)文的TTL－1＝0，或ni的剩余能量已不夠轉(zhuǎn)發(fā)一個(gè)DP，那么轉(zhuǎn)StepIV，否那么轉(zhuǎn)StepII；StepII：ni分別計(jì)算ni和該RREQ上一跳節(jié)點(diǎn)與Sink之間的距離，假設(shè)ni較上一跳離Sink更近，那么轉(zhuǎn)StepIII，否那么轉(zhuǎn)StepIV；StepIII：ni等待Δt時(shí)間，假設(shè)來(lái)自同源節(jié)點(diǎn)有轉(zhuǎn)發(fā)能耗更小的RREQ，那么將到目前為止收到的來(lái)自同一源節(jié)點(diǎn)的RREQ中能耗最小的那個(gè)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)，直到RREQ到達(dá)Sink；StepIV：ni丟棄該報(bào)文。Step3：Sink收到RREQ后，沿能耗最小的那些RREQ確定的路徑回復(fù)RREP，直到RREP到達(dá)指定的Source。3、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)階段〔DataForwardingPhase，DFP〕Step1：Source收到RREP后沿該RREP指定的路徑向Sink發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文。Step2：當(dāng)ni剩余能耗不夠轉(zhuǎn)發(fā)DP時(shí)，那么其播送RR報(bào)文，收到該報(bào)文的節(jié)點(diǎn)在其NIT中將ni狀態(tài)改為Dead。假設(shè)ni是目前正在使用的到Sink的路徑中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，那么其在該路徑中的鄰居節(jié)點(diǎn)向自己在路徑中的上一跳節(jié)點(diǎn)發(fā)送RR報(bào)文，并將RPT表中對(duì)應(yīng)的RREP信息刪除，直到RR報(bào)文到達(dá)該路徑的起點(diǎn)。當(dāng)Source收到RR后，轉(zhuǎn)2?！睷R報(bào)文中記錄了ni的序列號(hào)〕傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于自適應(yīng)的路由算法研究4.3.3性能比擬尺度為了更好的比擬各路由算法的優(yōu)缺點(diǎn)，本文定義了如下一些尺度來(lái)具體地衡量算法性能。本文在后面幾章中進(jìn)行算法的性能評(píng)價(jià)時(shí)，仍然使用這些指標(biāo)。(1)時(shí)間復(fù)雜度〔TimeComplexity，TC〕：算法實(shí)現(xiàn)時(shí)所消耗的時(shí)間量級(jí)。(2)消息域〔MessageField，MF〕：算法實(shí)現(xiàn)時(shí)所需要的信息范圍。(3)網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)到的事件總數(shù)〔即從Source傳送到Sink的數(shù)據(jù)報(bào)文總數(shù)，TotalDetectedEvents，TDE〕：反映了系統(tǒng)的吞吐量。(4)傳送一個(gè)事件的平均能耗(AverageEnergyExpenditureperEvent，AEE)：。(5)第一個(gè)死亡節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)的輪次與總輪次的百分比〔AppearanceRateoftheroundwhichthefirstnodedead，ARR〕。理論分析由4.3節(jié)對(duì)SFD的描述可知SFD具有以下性質(zhì)：性質(zhì)1.SFD的時(shí)間復(fù)雜度TC和消息域MF與Flooding相同。說(shuō)明：Flooding和SFD中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的動(dòng)作只需要一個(gè)循環(huán)即可完全描述，因此，它們的TC均為O(n)。二者都滿足分布式特性=>二者均只需一跳信息，即二者消息域相同，均為1hop。綜上所述，新算法的時(shí)間復(fù)雜度和洪泛算法一致，同時(shí)保持了洪泛算法可以分布式實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。性質(zhì)2.SFD較Flooding節(jié)能。說(shuō)明：SFD的能量由初始化、路由建立階段和數(shù)據(jù)傳輸階段三局部構(gòu)成，F(xiàn)looding的能耗由初始化和數(shù)據(jù)傳輸階段兩局部構(gòu)成。易知二者在初始化階段的能耗是相同的。在SFD的路由建立階段，RREQ報(bào)文沿多路徑轉(zhuǎn)發(fā)給Sink，每次轉(zhuǎn)發(fā)后，接收的節(jié)點(diǎn)除了根據(jù)報(bào)文自帶的TTL外還會(huì)根據(jù)自己的位置信息判斷是否丟棄該報(bào)文。如果報(bào)文的TTL－1≠0且節(jié)點(diǎn)較上一跳離Sink更近，那么節(jié)點(diǎn)等待Δt時(shí)間看是否有更優(yōu)的RREQ到來(lái)。以此來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)較優(yōu)的RREQ。因?yàn)槎嗵赡軆?yōu)于少跳，故節(jié)點(diǎn)等待Δt時(shí)間是很必要的，有利于減少報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)量，并有利于找到更優(yōu)的路徑。當(dāng)RREQ到達(dá)Sink后，Sink將沿它的反路徑傳送RREP報(bào)文直到Source?？梢姡酚山㈦A段，節(jié)點(diǎn)是有選擇的重傳，網(wǎng)絡(luò)中報(bào)文的冗余量并不大，且越接近Sink，轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文的節(jié)點(diǎn)越少。雖然，F(xiàn)looding沒(méi)有路由建立階段，但它在數(shù)據(jù)傳輸階段毫無(wú)目的的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報(bào)文。網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的冗余量很大。而在數(shù)據(jù)傳輸階段，SFD根據(jù)路由建立階段建立的路由轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文。故SFD報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)的目的性很強(qiáng)。同時(shí)，RREQ和RREP報(bào)文的位數(shù)都較小，在整個(gè)傳輸過(guò)程中能耗較小。故SFD較Flooding節(jié)能。分析：Δt確實(shí)定〔Δt為節(jié)點(diǎn)等待能耗更小的RREQ的等待時(shí)間〕說(shuō)明：假設(shè)時(shí)隙等長(zhǎng)，數(shù)據(jù)包正好能在一時(shí)隙內(nèi)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳送到另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)。所有節(jié)點(diǎn)同步。第一次，一個(gè)包在等待假設(shè)干個(gè)時(shí)隙后發(fā)送。其中等待的時(shí)隙數(shù)是從{0,1,…,W0}中隨機(jī)選擇的一個(gè)數(shù)，W0≥1是表示最小競(jìng)爭(zhēng)尺度。假設(shè)某節(jié)點(diǎn)發(fā)送的包出現(xiàn)了沖突，那么該節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)窗口大小乘以系數(shù)α?！?.1〕設(shè)PS表示每個(gè)節(jié)點(diǎn)在每個(gè)時(shí)隙發(fā)送報(bào)文的概率，n表示對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)而言參與競(jìng)爭(zhēng)發(fā)送報(bào)文時(shí)隙的節(jié)點(diǎn)數(shù)，對(duì)于每個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)n的值等于其1hop鄰居數(shù)。那么對(duì)二元的指數(shù)退避策略，有又：〔5.2〕將〔5.2〕代入〔5.1〕得〔5.3〕其中n取參與競(jìng)爭(zhēng)發(fā)送報(bào)文時(shí)隙的節(jié)點(diǎn)數(shù)的平均值，即〔5.4〕〔5.4〕中r為節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍，ρ為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)密度〔node/m2〕。平均的來(lái)說(shuō)，設(shè)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送第i＋1〔i＝0，1..〕個(gè)報(bào)文時(shí)〔即已發(fā)送i個(gè)報(bào)文〕將等待個(gè)時(shí)隙，那么〔5.5〕考慮Wi=α，又算法采用的是二元指數(shù)退避策略，故α=2。所以，發(fā)送第i＋1個(gè)報(bào)