摘要 摘要 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一門新興技術(shù)，是傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、微機(jī)電 技術(shù)系統(tǒng)發(fā)展的產(chǎn)物。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各方面研究進(jìn)展迅速，但是能量問題仍然 是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的瓶頸。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量十分有限，如何高 效使用能量來最大化網(wǎng)絡(luò)生命周期是傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的首要挑戰(zhàn)。設(shè)計(jì)能夠延長 整個(gè)網(wǎng)絡(luò)生存期的路由協(xié)議成為了傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的重要目標(biāo)。 本文簡要分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧模型，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的 設(shè)計(jì)目標(biāo)和現(xiàn)有的幾種典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議。然后，重點(diǎn)從軟件節(jié) 能角度對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議進(jìn)行了研究。為了解決低功率自適應(yīng)成簇算法 ( l e a c h ) 的缺陷和不足，提出了一種基于簇融合的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。 這種改進(jìn)型協(xié)議充分利用匯聚節(jié)點(diǎn)的高性能，使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的分簇?cái)?shù)目處于最 優(yōu)狀態(tài)，并且通過簇的融合來保持這種最優(yōu)狀態(tài)。簇頭之間可以進(jìn)行多跳通信， 避免了簇頭節(jié)點(diǎn)直接向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)能量消耗高的問題。最后，基于m a t l a b 對l e a c h 協(xié)議和改進(jìn)型協(xié)議進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)：在t m y o s 操作系統(tǒng)上用n e s c 語 言實(shí)現(xiàn)了基于簇的改進(jìn)型協(xié)議并進(jìn)行了功能測試。 對比分析仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)型協(xié)議在能量消耗，節(jié)點(diǎn)死亡率和網(wǎng)絡(luò)生存期 方面有較好表現(xiàn)。測試結(jié)果表明基于簇融合的改進(jìn)型協(xié)議的n e s c 實(shí)現(xiàn)滿足設(shè)計(jì)要 求。 關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)l e a c h 簇融合t i n y o s a b s t r a c t a b s t r a c t w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki san e wt e c h n o l o g y i ta p p e a r e da f t e rs e n s o rt e c h n o l o g y , c o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dm e m st e c h n o l o g yd e v e l o p e d a l m o s ta l la s p e c t so fw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r km a k er a p i dp r o g r e s s ，b u tt h ee n e r g yr e m a i n sab o t t l e n e c ki nw s n r e s e a r c h a st h ee n e r g yo ft h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kn o d ei sv e r yl i m i t e d , h o wt o e f f i c i e n t l yu s et h ee n e r g yt om a x i m i z et h el i f e t i m eo ft h en e t w o r ki st h ep r i m a r y c h a l l e n g eo fw s n d e s i g n i n gp r o t o c o lt oe x t e n dt h el i f e t i m eo ft h en e t w o r kh a sb e c o m e a ni m p o r t a n tg o a lo fw s n i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h es t a c km o d e lo fw s na r ei n t r o d u c e db r i e f l y , a n dw ed e s c r i b e t h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kr o u t i n gp r o t o c o ld e s i g ng o a l s ，t e c h n i c a lc h a l l e n g e sa n d s t m u n a r i z et h ec h a r a c t e r i s t i co fr o u t i n gp r o t o c o l s t h e n , t h i st h e s i sm a i n l ym a k ea r e s e a r c ho ns o f t w a r et os a v ee n e r g y i no r d e rt oo v e r c o m et h es h o r t c o m i n g sa n d d e f i c i e n c i e so fl e a c h ，w ec r e a tac l u s t e r - m e r g e - b a s e dr o u t i n gp r o t o c o lf o rw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k t h i sn e w p r o t o c o lt a k e sf u l la d v a n t a g eo ft h eh i g h - p e r f o r m a n c eo fs i n k a n de n s u r et h en u m b e ro fc l u s t e rh e a di so p t i m u m t h r o u g ht h ei n t e g r a t i o no fc l u s t e r , t h ep r o t o c o lc a nm a i n t a i nt h i so p t i m a ls t a t e i ti sb e t w e e nt h ec l u s t e rh e a d su s i n g m u l t i - h o pc o m m u n i c a t i o n st h a to v e r c o m et h ew e a k n e s st h a ts e n d i n gd a t at os i n k c o n s u m e sm o r ee n e r g y f i n a l l y , w es i m u l a t el e a c ha n dt h e c l u s t e r - m e r g e - b a s e d r o u t i n gp r o t o c o li nm a t l a ba n di m p l e m e n tt h ec l u s t e r - m e r g e b a s e dr o u t i n gp r o t o c o l w i t hn e s ci nt m y o s c o m p a r a t i v ea n a l y s i so fs i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ei m p r o v e dp r o c o t o lh a s b e t t e rp e r f o r m a n c ei ne n e r g yc o n s u m p t i o n , m o r t a l i t ya n dn e t w o r kl i f e t i m e t h et e s t r e s u l t ss h o wt h a tt h en e s ci m p l e m e n t a t i o no ft h ec l u s t e r - m e r g e b a s e dr o u t i n gp r o t o c o l m e e t st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t st o t a l l y k e y w o r d ：w s n l e a c h c l u s t e r - m e r g et i n y o s 西安電子科技大學(xué) 學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性( 或創(chuàng)新性) 聲明 秉承學(xué)校嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng)和優(yōu)良的科學(xué)道德，本人聲明所呈交的論文是我個(gè)人在 導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo) 注和致謝中所羅列的內(nèi)容以外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成 果；也不包含為獲得西安電子科技大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的 材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中做了明確的說 明并表示了謝意。 申請學(xué)位論文與資料若有不實(shí)之處，本人承擔(dān)一切的法律責(zé)任。 本人簽名：壟麴s 日期2 1 生業(yè) 西安電子科技大學(xué) 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 本人完全了解西安電子科技大學(xué)有關(guān)保留和使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：研究 生在校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識產(chǎn)權(quán)單位屬西安電子科技大學(xué)。學(xué)校有權(quán)保 留送交論文的復(fù)印件，允許查閱和借閱論文；學(xué)校可以公布論文的全部或部分內(nèi) 容，可以允許采用影印、縮印或其它復(fù)制手段保存論文。同時(shí)本人保證，畢業(yè)后 結(jié)合學(xué)位論文研究課題再撰寫的文章一律署名單位為西安電子科技大學(xué)。 ( 保密的論文在解密后遵守此規(guī)定) 本學(xué)位論文屬于保密，在- 年解密后適用本授權(quán)書。 本人簽名： 導(dǎo)師簽名： 日期蘭：型：! 二 日期墊也紐 第一章緒論 第一章緒論 1 1 研究的背景與意義 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)，無線通信技術(shù)和 m e m s 技術(shù)，從而形成了國際上備受關(guān)注的多學(xué)科高度交叉的新興前沿?zé)狳c(diǎn)研究 領(lǐng)域。傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)使得我們能夠通過在特定的區(qū)域內(nèi)部署大量的廉價(jià)的傳 感器節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)境和各種對象，并利用傳感器網(wǎng)絡(luò)對采集和感知的信息進(jìn)行 初步處理，然后通過無線通信的方式將信息傳給匯聚節(jié)點(diǎn)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)極 大地?cái)U(kuò)展了現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的功能和人類認(rèn)識世界的能力。 傳感器網(wǎng)絡(luò)具有在任何時(shí)間、地點(diǎn)和環(huán)境條件下都可以獲得大量可靠信息的 能力，這使得它在許多重要領(lǐng)域如軍事領(lǐng)域、工業(yè)控制和監(jiān)測、醫(yī)療護(hù)理、環(huán)境 監(jiān)測及保護(hù)、搶險(xiǎn)救災(zāi)等具有相當(dāng)廣闊的應(yīng)用前景。這項(xiàng)對未來會產(chǎn)生巨大影響 的技術(shù)在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都引起了高度重視。 國外的學(xué)術(shù)界、工業(yè)界以及政府部門早已啟動了一系列與傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的 研究計(jì)劃。幾乎美國的所有著名大學(xué)都有從事傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的科研小組。英國、 日本、加拿大等國家的研究機(jī)構(gòu)也逐漸開展了對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究工作。各 國際大型i t 公司如i m e l 、m i c r o s o f i 、歐姆龍、惠普等均為研發(fā)傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān) 技術(shù)、產(chǎn)品和標(biāo)準(zhǔn)投入了大量的人力、財(cái)力。至今為止j 已開發(fā)出了b e r k e l e ym o t e s 、 b e r k e l e yp i c o n o d e s 、s e n s o f i aw i n s 、s m 缸m e s hd m tm o t e 以及h l t e lx s c f l en 0 d e s 等無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。美國的自然基金會委員會更是早在2 0 0 3 年就制定了傳感 器研究計(jì)劃，投資了三千四百萬美元用于w s n 基礎(chǔ)理論研究。以美國國防部為首 的各軍事部門也設(shè)立了一系列項(xiàng)目，如w i n s 計(jì)劃、s m m d u s t 計(jì)劃、s e m k 計(jì)劃、 s e a w e b 計(jì)劃等來支撐軍事傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究。 在國內(nèi)，我國政府部門也對傳感器網(wǎng)絡(luò)給予了高度重視。在國家“十一五 科技發(fā)展規(guī)劃中，傳感器網(wǎng)絡(luò)已被列為重點(diǎn)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)并作為一種基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)來重 點(diǎn)研究和建設(shè)。在“中國未來2 0 年技術(shù)預(yù)見研究 中的1 5 7 個(gè)技術(shù)課題中總共有 7 項(xiàng)技術(shù)科題是直接論述傳感器網(wǎng)絡(luò)的。國家發(fā)展改革委員會的下一代互聯(lián)網(wǎng)示范 工程中，也部署了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)課題。國家自然科學(xué)基金委員會也已經(jīng)審 批了和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的重點(diǎn)課題和面上課題，例如“8 6 3 項(xiàng)目“基于無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)的海洋立體監(jiān)測研究 ，“9 7 3 項(xiàng)目“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)理論及關(guān) 鍵技術(shù)研究 ，還有國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在冶金工業(yè)監(jiān)測中的 應(yīng)用研究 等等。正如國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展綱要規(guī)劃中明確指出的， 我國要把傳感器網(wǎng)絡(luò)及智能信息處理作為發(fā)展的一個(gè)優(yōu)先主題。 在早期的研究中，人們普遍認(rèn)為a db o c 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議稍加修改就能夠用于無線傳 2 基于簇融合的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究 感器網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)在概念上來說也是一種分布式的自組織網(wǎng)絡(luò)，鄰 居發(fā)現(xiàn)和路由轉(zhuǎn)發(fā)都是自動完成的，這和a dh o e 網(wǎng)絡(luò)相似。隨著對無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)認(rèn)識的不斷深入，人們認(rèn)識到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有自己的特點(diǎn)。這些特點(diǎn)決定 了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議需要重新設(shè)計(jì)。例如傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量資源，計(jì)算資 源非常有限，這就決定了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的各層協(xié)議設(shè)計(jì)都要充分考慮能源的有 效性，對物理層和鏈路層要采用系統(tǒng)級的低功耗設(shè)計(jì)，在網(wǎng)絡(luò)層上要通過建立能 源有效性路徑，形成可靠的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，通過協(xié)議最大化網(wǎng)絡(luò)的生命周期。無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)非常密集，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障的可能性很高，并且節(jié)點(diǎn)的 安置環(huán)境特殊，這些特點(diǎn)要求無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議需要具有較強(qiáng)的容錯(cuò)性，使網(wǎng) 絡(luò)節(jié)點(diǎn)在發(fā)生故障時(shí)，可以利用節(jié)點(diǎn)容易獲得的網(wǎng)絡(luò)信息，重新恢復(fù)路由。 路由協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)谋ＷC，因此網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中的關(guān)鍵 問題j 隨著對傳感器網(wǎng)絡(luò)認(rèn)識的不斷加深，人們提出了許多新的適合無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)使用的路由協(xié)議。但是這些協(xié)議也存在著大量問題，并不能完全適應(yīng)無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場景，因此，我們?nèi)匀恍枰獙o線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行更加深入 的研究。 1 2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的研究現(xiàn)狀 至今，為了適應(yīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量受限這一特征研究人員共提出了三類路 由機(jī)制：數(shù)據(jù)傳輸區(qū)域限定路由協(xié)議、代價(jià)估計(jì)路由協(xié)議和基于網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)的 路由協(xié)議。雖然對這些協(xié)議進(jìn)行很多研究，但它們中仍然存在著未能解決的無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)的瓶頸問題，這說明為了提供更好的數(shù)據(jù)傳送服務(wù)，在無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)路由領(lǐng)域仍有許多工作需要完成。下面通過簡要介紹一些研究成果來說明該領(lǐng) 域的研究現(xiàn)狀。 在限定數(shù)據(jù)傳送區(qū)域的路由協(xié)議方面的主要研究成果如下：w e n h w al i a o 等 人在g r i d 中提出了利用目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和事件節(jié)點(diǎn)位置確定傳送區(qū)域的策略，可分為 扇形區(qū)域法、雙扇形區(qū)域法、矩形區(qū)域法及條形區(qū)域法等。g r i d 協(xié)議將限定區(qū)域 劃分為網(wǎng)絡(luò)形狀并通過每個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)。采用此方法的優(yōu)點(diǎn) 是可以提高路由穩(wěn)定性、消除廣播風(fēng)暴；缺點(diǎn)是有障礙物存在時(shí)將無法正常傳送 數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)定位的準(zhǔn)確性影響路由性能。s n i k o l e t s e a s 等人提出了p f r ，它利用節(jié) 點(diǎn)位置與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和事件節(jié)點(diǎn)間的連線形成角度計(jì)算數(shù)據(jù)傳送概率，然后使用給 定閾值將數(shù)據(jù)傳送區(qū)域限定在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和事件節(jié)點(diǎn)之間。此方法優(yōu)點(diǎn)是使用調(diào)節(jié) 通訊半徑的方法避開障礙物，通過限定數(shù)據(jù)傳送范圍減少網(wǎng)絡(luò)能量消耗；缺點(diǎn)是 數(shù)據(jù)在匯聚節(jié)點(diǎn)和事件節(jié)點(diǎn)間的狹長區(qū)域內(nèi)傳輸導(dǎo)致消息沖突增多，延遲增大。 另外對于不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的情況中，改進(jìn)型的s w - p f r 及h t e e n 算法在性能上有 第一章緒論 所提高，但是能量問題的瓶頸并沒有突破。 基于代價(jià)估計(jì)的路由協(xié)議的主要研究成果如下：u s c 的e s t r i n 等人提出了 g e a r 協(xié)議。g e a r 是基于代價(jià)估計(jì)的路由機(jī)制，并通過捎帶機(jī)制獲取實(shí)際路由 代價(jià)以達(dá)到優(yōu)化傳輸路徑的目的。該協(xié)議的缺點(diǎn)是出現(xiàn)路由空洞時(shí)會降低路由效 率，不適用于節(jié)點(diǎn)移動性強(qiáng)的環(huán)境。m i t 的研究人員提出了以節(jié)點(diǎn)間距離作為路 由代價(jià)估計(jì)的方法，并利用節(jié)點(diǎn)無線廣播優(yōu)勢來計(jì)算最短路徑，進(jìn)而使得數(shù)據(jù)傳 輸能量消耗最小，該方法的缺點(diǎn)是不適用于只了解局部拓?fù)湫畔⒌木W(wǎng)絡(luò)，計(jì)算的 復(fù)雜度高。路易斯安那州的學(xué)者提出了e b r p 協(xié)議，在該協(xié)議中通過定義估計(jì)路 由代價(jià)作為節(jié)點(diǎn)剩余能量的級別，利用剩余能量將網(wǎng)絡(luò)劃分為若干區(qū)域，通過在 高能量級別的區(qū)域內(nèi)傳送數(shù)據(jù)達(dá)到能量均衡的目的。該協(xié)議的缺點(diǎn)是在形成能量 等級時(shí)節(jié)點(diǎn)之間通信頻繁而消耗能量。 基于網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議主要研究成果如下：m i t 的h e i n z e l m a n 等人首 次提出層次型路由協(xié)議l e a c h ，以后的很多層次型路由協(xié)議如t e e n 、p e g a s i s 等都是從l e a c h 協(xié)議基礎(chǔ)上改進(jìn)而來。l e a c h 協(xié)議通過采用簇結(jié)構(gòu)來達(dá)到減少 傳輸能量消耗的目的。u c l a 學(xué)者f a ny e 等提出了兩層分發(fā)模型t t d d ，根據(jù)事 件發(fā)生點(diǎn)構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)，模型中的低層負(fù)責(zé)尋找分發(fā)查詢點(diǎn)而高層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳送。該模 型的優(yōu)點(diǎn)是為連續(xù)查詢提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)并避免了查詢請求的多次查詢請求發(fā)送；缺 點(diǎn)是事件節(jié)點(diǎn)頻繁移動時(shí)網(wǎng)絡(luò)將消耗大部分能量以構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)，事件節(jié)點(diǎn)在某地較 長時(shí)間將導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)間的能量消耗不均衡?？▋?nèi)基梅隆大學(xué)的n e w s o m e 等人提出 g e m 路由協(xié)議，協(xié)議中使用虛擬極坐標(biāo)的方法使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在邏輯上形成一個(gè)帶環(huán) 樹，樹的根節(jié)點(diǎn)是匯聚節(jié)點(diǎn)。該協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)是為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了一種不依 賴于節(jié)點(diǎn)精確位置信息的路由機(jī)制；該協(xié)議的缺點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)樹 的調(diào)整過程復(fù)雜，能量消耗大。加州大學(xué)伯克利分校的q i n gf a n g 等人提出了 r o a m h b a 路由協(xié)議，協(xié)議中將移動目標(biāo)邏輯組成h u b ，通過b a c k b o n e 來獲取目標(biāo) 位置以進(jìn)行貪心路由算法。該算法的優(yōu)點(diǎn)是為移動節(jié)點(diǎn)信息的查詢提供有效路由 機(jī)制；缺點(diǎn)是在節(jié)點(diǎn)頻繁移動需要建立到b a c k b o n e 的新的路線，若路由長時(shí)間在 b a c k b o n e 中數(shù)據(jù)傳輸將導(dǎo)致b a c k b o n e 重建而消耗能量。 1 3 本文的主要內(nèi)容及論文安排 能量是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中非常珍貴的資源，路由協(xié)議的設(shè)計(jì)要盡可能減少節(jié) 點(diǎn)能量的消耗，基于簇的路由協(xié)議是一類能源有效的路由協(xié)議。本文在對大量不 同種類的傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議尤其是基于簇的層次路由協(xié)議研究的基礎(chǔ)上提出了 基于簇融合的路由協(xié)議，并且通過仿真工具驗(yàn)證了基于簇融合的改進(jìn)型協(xié)議的有 效性，在t m y o s 上完成了基于簇融合協(xié)議n e s c 代碼實(shí)現(xiàn)，并進(jìn)行了相關(guān)測試。 4 基于簇融合的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究 論文的各章節(jié)的安排如下： 第一章，緒論。首先介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究的背景和意義，然后通過 一系列研究成果概述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究現(xiàn)狀，最后明確了文章的主要貢獻(xiàn) 和章節(jié)的安排。 第二章，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述。首先分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧模型， 然后介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的設(shè)計(jì)目標(biāo)，接著分別簡要討論了幾種有代 表性的路由協(xié)議，最后對l e a c h 協(xié)議進(jìn)行了深入研究，詳細(xì)描述了l e a c h 協(xié)議 的典型思想、能量模型、工作流程和優(yōu)缺點(diǎn)。 第三章，基于簇融合的改進(jìn)型路由協(xié)議。針對l e a c h 協(xié)議的不足之處提出了 基于簇融合的改進(jìn)型路由協(xié)議，并詳細(xì)討論了基于簇融合的改進(jìn)型協(xié)議的運(yùn)行過 程，該過程主要包含節(jié)點(diǎn)位置信息獲取，計(jì)算最優(yōu)簇頭數(shù)目，生成節(jié)點(diǎn)鏈，簇頭 選擇，節(jié)點(diǎn)退出及簇融合，節(jié)點(diǎn)丟失查找和簇間通信等子過程。詳細(xì)描述了采用 m a t l a b 對l e a c h 協(xié)議和基于簇融合的改進(jìn)型路由協(xié)議進(jìn)行仿真的流程，主要 最后對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證改進(jìn)型協(xié)議的有效性。 第四章，協(xié)議代碼實(shí)現(xiàn)。首先對操作系統(tǒng)t m y o s 和編程語言n e s c 進(jìn)行了介 紹，然后提出了基于簇融合的改進(jìn)型協(xié)議在t i n y o s 操作系統(tǒng)上的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、 模塊和接口設(shè)計(jì)，最后對改進(jìn)型協(xié)議的實(shí)現(xiàn)代碼的測試。測試結(jié)果表明傳感器節(jié) 點(diǎn)可以正常運(yùn)行，滿足改進(jìn)型協(xié)議的設(shè)計(jì)要求。 第五章，結(jié)論和展望：對本文進(jìn)行總結(jié)，回顧了主要工作，提出了工作中的 不足以及下一步的研究內(nèi)容和方向。 第二章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議概述 5 第二章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議概述 2 1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧模型 隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究逐漸深入，傳感器節(jié)點(diǎn)上的協(xié)議棧模型也在細(xì)化。 圖2 1 是一個(gè)早期的協(xié)議棧模型，這個(gè)協(xié)議棧包括物理層，提供簡單但健壯的信號 調(diào)制和無線接收技術(shù)；數(shù)據(jù)鏈路層，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)組幀，幀檢測，媒質(zhì)訪問和差錯(cuò)控 制：網(wǎng)絡(luò)層，負(fù)責(zé)路由建立和路由選擇；傳輸層，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制，保證 通信服務(wù)的質(zhì)量；應(yīng)用層，包括一系列的基于監(jiān)測任務(wù)的應(yīng)用軟件。另外，協(xié)議 棧中還包括能量管理平臺，管理傳感器節(jié)點(diǎn)的能源使用，在各個(gè)協(xié)議層中都需考 慮能量節(jié)?。灰苿庸芾砥脚_，主要負(fù)責(zé)檢測、注冊傳感器節(jié)點(diǎn)的移動，維護(hù)到匯 聚節(jié)點(diǎn)的路由，使得傳感器節(jié)點(diǎn)能夠動態(tài)跟蹤?quán)従庸?jié)點(diǎn)的位置；任務(wù)管理平臺， 在一個(gè)給定的區(qū)域內(nèi)平衡和調(diào)度監(jiān)測任務(wù)。在這些管理平臺的協(xié)同工作下，節(jié)點(diǎn) 能夠以能源高效利用為前提正常工作。 圖2 1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)早期協(xié)議棧模型 圖2 2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)型協(xié)議棧模型 6 基于簇融合的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究 ， 更加細(xì)化的改進(jìn)型協(xié)議棧模型如圖2 2 所示，它更適合表示無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的 協(xié)議棧。定位和時(shí)間同步子層既要依賴于數(shù)據(jù)傳輸通道進(jìn)行協(xié)作定位和時(shí)間同步 協(xié)商，又要為各網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層提供信息支持，如時(shí)分復(fù)用的m a c 協(xié)議，基于地理位 置的路由協(xié)議等很多傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議都需要定位和同步信息等，所以它們在協(xié)議 棧中的位置比較特殊，它們滲透到了傳輸控制、路由和數(shù)據(jù)鏈路層中。像圖2 2 中 右側(cè)的部分機(jī)制在圖2 1 中沒有明確表示，而是融入了各層協(xié)議當(dāng)中，用以優(yōu)化和 管理協(xié)議的流程。但是，另一部分是獨(dú)立在協(xié)議外層的，需要通過各種收集和配 置接口對相應(yīng)的機(jī)制進(jìn)行配置和監(jiān)控。例如，q o s 管理需在各協(xié)議層設(shè)計(jì)隊(duì)列管 理、優(yōu)先級機(jī)制或者帶寬預(yù)留等機(jī)制，并對特定應(yīng)用的數(shù)據(jù)給予特別處理；能量 管理需在每個(gè)協(xié)議層中都要增加能量控制代碼，并提供給操作系統(tǒng)進(jìn)行能量管理 的分配策略；網(wǎng)絡(luò)管理則要求協(xié)議各層嵌入各種信息接口，并定時(shí)收集協(xié)議運(yùn)行 狀態(tài)和流量信息，協(xié)調(diào)控制網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)協(xié)議組件的運(yùn)行：拓?fù)淇刂评梦锢韺印?鏈路層或路由層完成拓?fù)渖桑催^來又為它們提供基礎(chǔ)信息支持，優(yōu)化m a c 協(xié) 議和路由協(xié)議的協(xié)議過程，提高協(xié)議效率，減少網(wǎng)絡(luò)能量消耗。 2 2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計(jì)目標(biāo)和技術(shù)挑戰(zhàn) 網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是在提供高性能的服務(wù)質(zhì)量和高效利用網(wǎng)絡(luò)帶寬 的基礎(chǔ)上將數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)。一方面，網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議 需要尋找源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間的優(yōu)化路徑并將數(shù)據(jù)分組沿著優(yōu)化路徑正確轉(zhuǎn) 發(fā)；另一方面，它應(yīng)該能夠均衡網(wǎng)絡(luò)流量，提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的利用率，避免產(chǎn)生通 信擁塞。研究人員發(fā)現(xiàn)好的路由協(xié)議應(yīng)該適應(yīng)資源匱乏的限制，通常具有以下特 點(diǎn)： 針對節(jié)點(diǎn)能量高度受限，路由算法必須高效利用能量以便延長網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間； 針對節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的相關(guān)性，包頭開銷大，節(jié)點(diǎn)能量有限等特點(diǎn)，路由算法需要采用 數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)過濾等技術(shù)，盡量降低通信量；針對節(jié)點(diǎn)移動性不大的特點(diǎn)，路 由算法不需維護(hù)節(jié)點(diǎn)的移動性；針對節(jié)點(diǎn)因所處位置及承擔(dān)的責(zé)任不同而導(dǎo)致負(fù) 載不平衡的特點(diǎn)，路由算法需采用通信量負(fù)載均衡技術(shù)；針對網(wǎng)絡(luò)相對封閉、不 提供計(jì)算等特點(diǎn)，路由算法只在匯聚節(jié)點(diǎn)考慮與其它網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)；針對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不 常編址的特點(diǎn)，路由算法需采用基于數(shù)據(jù)或基于位置的通信機(jī)制；針對節(jié)點(diǎn)易失 效的特點(diǎn)，路由算法采用多路徑機(jī)制。 此外，應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議還必須考慮到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有 分布范圍廣，自組織，與應(yīng)用相關(guān)的特點(diǎn)。通過這些分析可以得知無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)協(xié)議還應(yīng)具有以下設(shè)計(jì)目標(biāo)： 能量高效：傳感器節(jié)點(diǎn)的資源有限，傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由機(jī)制要能夠簡單高效 第二章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議概述 7 的選擇出能量消耗小的傳輸路徑，并且要從整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的角度出發(fā)，均衡網(wǎng)絡(luò)的能 量消耗，盡量延遲網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)死亡，延長網(wǎng)絡(luò)壽命。 可擴(kuò)展性：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)分布密度差異很大，節(jié)點(diǎn)會由于某種原 因失效，也可能為了提高傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測精度而部署新節(jié)點(diǎn)，另外某些傳感器 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是可以移動的，這些情況都會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化。無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議應(yīng)該具有可擴(kuò)展性以適應(yīng)傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭討B(tài)變化。 魯棒性：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議應(yīng)該具有一定的容錯(cuò)能力以應(yīng)對由于能量 用盡或環(huán)境因素造成的傳感器節(jié)點(diǎn)失效、環(huán)境因素導(dǎo)致的無線鏈路通信質(zhì)量降低 以及無線鏈路本身的缺陷導(dǎo)致的傳輸不可靠性。 快速收斂性：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議應(yīng)該能快速收斂，能夠在節(jié)點(diǎn)有限的 能量和通信帶寬的基礎(chǔ)上來降低通信協(xié)議開銷，提高信息的傳輸效率，以適應(yīng)網(wǎng) 絡(luò)拓?fù)涞膭討B(tài)變化。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的一個(gè)主要目標(biāo)就是在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)耐瑫r(shí)，采 用實(shí)時(shí)高效的能量管理策略，盡量延長網(wǎng)絡(luò)的壽命，防止網(wǎng)絡(luò)性能下降。無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議對實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)起著關(guān)鍵作用。從傳感器網(wǎng)絡(luò)的固有特征出發(fā)， 充分考慮限制其投入使用的節(jié)點(diǎn)能量有限，計(jì)算能力差，通信帶寬窄等因素，人 們發(fā)現(xiàn)如果想保證網(wǎng)絡(luò)的有效通信，盡量延長網(wǎng)絡(luò)壽命，就必須解決以下技術(shù)問 題。 數(shù)據(jù)流傳輸模型。數(shù)據(jù)傳輸模型可以分為連續(xù)型、事件驅(qū)動型、查尋驅(qū)動型 和混合型四種。在設(shè)計(jì)協(xié)議的過程中，需要根據(jù)具體應(yīng)用需求和對數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性 要求來進(jìn)行選擇。周期性數(shù)據(jù)檢查的應(yīng)用系統(tǒng)中通常采用連續(xù)流數(shù)據(jù)傳輸模型。 在對時(shí)間要求緊迫的應(yīng)用系統(tǒng)中通常采用事件驅(qū)動或查詢驅(qū)動數(shù)據(jù)傳輸模型。在 特定事件出現(xiàn)或者收到匯聚節(jié)點(diǎn)的請求時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)的特定屬性值就發(fā)生了變 化，節(jié)點(diǎn)會立刻做出反應(yīng)，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)。在有些應(yīng)用中需要前 三種數(shù)據(jù)傳輸模型以組合的方式存在，這就構(gòu)成了混合型數(shù)據(jù)傳輸模型。數(shù)據(jù)流 傳輸模型對路由協(xié)議設(shè)計(jì)方法及性能諸如能耗和路由穩(wěn)定性等方面有重要影響。 節(jié)點(diǎn)部署方式。根據(jù)具體應(yīng)用場合的不同，無線傳感器節(jié)點(diǎn)部署方式可以是 確定的或是隨機(jī)的。對于不同的節(jié)點(diǎn)部署方式應(yīng)該采用不同的協(xié)議。對于確定型 的網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)的路由路徑已經(jīng)確定，并且用戶可以參與節(jié)點(diǎn)資源管理，掌握各節(jié) 點(diǎn)的最新狀況，路由設(shè)計(jì)相對簡單，對于隨機(jī)部署的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)之間應(yīng)采用自組 織方式形成路由，建立網(wǎng)絡(luò)。這需要采用如優(yōu)化聚類等新的方法來應(yīng)對節(jié)點(diǎn)分布 的不均衡，以確保網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)性和網(wǎng)絡(luò)操作的高效。可見，傳感器節(jié)點(diǎn)部署方式 對路由算法的設(shè)計(jì)是有很大影響的。 容錯(cuò)性。由于能量耗盡、環(huán)境干擾、自然或人為損壞的原因，傳感器的一些 節(jié)點(diǎn)可能會失效或者通信中斷。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議應(yīng)該能夠保證在這些節(jié)點(diǎn)永 8 基于簇融合的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究 久或暫時(shí)失效的時(shí)候整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)所承擔(dān)的任務(wù)都不應(yīng)該受到影響，其完成任 務(wù)的質(zhì)量不會明顯下降。如果一些節(jié)點(diǎn)失效后，m a c 協(xié)議和路由協(xié)議必須能夠適 應(yīng)這一變化，及時(shí)迅速的建立新的傳輸路徑，便于數(shù)據(jù)快速路由到匯聚節(jié)點(diǎn)。這 需要在路由算法上引入新的設(shè)計(jì)元素，保存必要的信息冗余來保證路由的穩(wěn)定性， 以建立具有強(qiáng)容錯(cuò)性的網(wǎng)絡(luò)。 拓?fù)鋭討B(tài)性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議需要適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)拓?fù)渥兓?。無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)中導(dǎo)致拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)變化的原因主要有兩個(gè)：一是由于各種原因?qū)е碌膫?感器節(jié)點(diǎn)的失效或者通信中斷；= 是在一些具體的應(yīng)用中匯聚節(jié)點(diǎn)或某些傳感器 節(jié)點(diǎn)具有移動性。為了構(gòu)造一條穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐?，路由設(shè)計(jì)將考慮更多問題。 首先，路由穩(wěn)定性成為了路由協(xié)議設(shè)計(jì)的一個(gè)重要問題；其次，必須考慮拓?fù)渥?化所引起的能量消耗和帶寬利用率降低；最后，觀測對象本身也可以是移動的， 這會帶來新的問題。 能耗問題。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議需要考慮每個(gè)節(jié)點(diǎn)上能量的有限性。在無線 通信環(huán)境下，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都在進(jìn)行著數(shù)據(jù)采集和路由數(shù)據(jù)包的工作，在這個(gè)過程中 節(jié)點(diǎn)上的能源必將耗盡，而能源耗盡會導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)失效，這會引起明顯的拓?fù)渥兓?從而使得網(wǎng)絡(luò)需要重組，某些數(shù)據(jù)包需要重發(fā)，這就又增加了額外的消耗。所以， 在設(shè)計(jì)無線傳感器路由算法時(shí)必須重點(diǎn)考慮能耗問題，在各節(jié)點(diǎn)上采取必要的有 關(guān)通信和計(jì)算的能量保護(hù)技術(shù)。 節(jié)點(diǎn)異構(gòu)性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議需要考慮網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)是否存在異構(gòu)性。 現(xiàn)在大多數(shù)研究中都假定網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都是同構(gòu)的。但是，在某些實(shí)際應(yīng)用 中，傳感器節(jié)點(diǎn)可能是異構(gòu)的。如果網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)存在異構(gòu)，我們應(yīng)充分利用這些節(jié) 點(diǎn)的能量、計(jì)算能力和傳輸功率的方面的差異。例如，在層次型的路由算法中， 可以使得能量和帶寬較大、傳輸能力和存儲能力強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)充當(dāng)簇頭的機(jī)會比一般 節(jié)點(diǎn)高，讓這些優(yōu)質(zhì)節(jié)點(diǎn)完成將數(shù)據(jù)傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)的任務(wù)，這樣可以延長傳感 器網(wǎng)絡(luò)的生存壽命。因此，在設(shè)計(jì)路由協(xié)議時(shí)應(yīng)充分考慮實(shí)際應(yīng)用中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是 否存在異構(gòu)性，并且根據(jù)具體情況調(diào)整路由策略。 傳輸媒介。無線傳感器各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間所需的傳輸帶寬較低，各節(jié)點(diǎn)之間通過 無線媒介進(jìn)行通信。與此相關(guān)的是m a c 層協(xié)議的設(shè)計(jì)問題，m a c 層協(xié)議的設(shè)計(jì) 對整個(gè)節(jié)點(diǎn)的能耗高低有很大影響。例如相對于c s m a 協(xié)議而言，t d m a 協(xié)議更 加適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)樵搮f(xié)議能節(jié)約更多的能量。在進(jìn)行路由協(xié)議設(shè)計(jì) 的同時(shí)，也應(yīng)該同時(shí)考慮傳輸媒質(zhì)和m a c 層協(xié)議對整體性能的影響。 網(wǎng)絡(luò)連通性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)需要考慮如何保證傳感器節(jié)點(diǎn)之間具 有較高的互聯(lián)性。因?yàn)楣铝⒌膫鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)即使沒有死亡或故障也是無法發(fā)揮 任何作用的。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度高這一特征可以防止它們被孤立，但是由 于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中一些節(jié)點(diǎn)會由于能量耗盡而失效導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)數(shù)量縮減，從而使得 第二章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議概述 9 網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)密度降低甚至出現(xiàn)監(jiān)測盲區(qū)。另外，節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)性分布也會影響網(wǎng) 絡(luò)的連通性。因此，路由協(xié)議設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮網(wǎng)絡(luò)連通性的需求，讓每個(gè)節(jié)點(diǎn) 都盡可能的具有通往匯聚節(jié)點(diǎn)的通路。 伸縮性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計(jì)需要考慮網(wǎng)絡(luò)的伸縮性。在具體應(yīng)用中， 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模各不相同，差別很大。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議應(yīng)該具有足夠 的可伸縮性以適應(yīng)這些具體的網(wǎng)絡(luò)需求。另外，在不需要提供精確服務(wù)的時(shí)候可 以只利用一部分節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，其余節(jié)點(diǎn)處于休眠的狀態(tài)以節(jié)約能量。 覆蓋率。覆蓋率與網(wǎng)絡(luò)連通性和節(jié)點(diǎn)部署方式密切相關(guān)，指的是在單位面積 內(nèi)一個(gè)或多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)所能監(jiān)測到的區(qū)域情況。每一個(gè)特定的傳感器節(jié)點(diǎn)所能 檢測的精度和范圍都是有限的，它只能覆蓋其周圍環(huán)境的一個(gè)有限的物理區(qū)域。 在路由設(shè)計(jì)時(shí)，區(qū)域覆蓋率是一個(gè)需要考慮的重要參數(shù)。 另外還要考慮數(shù)據(jù)聚合、流量模式、組播路由、跨層協(xié)議設(shè)計(jì)、服務(wù)質(zhì)量和 安全性等問題。傳感器節(jié)點(diǎn)間所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)是有冗余的，路由協(xié)議必須對多個(gè) 相鄰節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，以減少數(shù)據(jù)傳輸量，使數(shù)據(jù)傳輸達(dá)到最優(yōu)化，從而節(jié) 省能量；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)具有集中收集、多跳傳輸和多對一傳輸?shù)奶攸c(diǎn)， 這些特點(diǎn)會導(dǎo)致嚴(yán)重的包碰撞、包丟失和網(wǎng)絡(luò)擁塞，并且會導(dǎo)致出現(xiàn)能量消耗的 熱點(diǎn)，從而導(dǎo)致某些節(jié)點(diǎn)甚至整個(gè)網(wǎng)絡(luò)生命周期縮短，在設(shè)計(jì)路由算法的過程中 需要對這一問題加以解決；組播路由本身就是網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)難題，在無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)的環(huán)境內(nèi)進(jìn)行組播路由更具有挑戰(zhàn)性；為了達(dá)到路由算法的最優(yōu)化，可以將鏈 路層協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)層甚至應(yīng)用層協(xié)議結(jié)合起來進(jìn)行跨層路由算法設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)路由 協(xié)議的過程中，需要在能耗和服務(wù)質(zhì)量之間進(jìn)行有效調(diào)控，傳感器網(wǎng)絡(luò)的最主要 考慮因素是能耗問題，因此為了能夠節(jié)約節(jié)點(diǎn)能耗和延長網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間，用戶可 能允許適當(dāng)降低輸出結(jié)果質(zhì)量；路由算法的設(shè)計(jì)需要考慮安全機(jī)制，這點(diǎn)在軍事 應(yīng)用中特別重要，路由算法沒有安全機(jī)制的保護(hù)極易受到外界的干擾和威脅，這 會影響數(shù)據(jù)的正確性和完整性。 通過對目前各種無線傳感器路由算法的分析和研究，可以得出如下策略來應(yīng) 對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計(jì)的各種挑戰(zhàn)：在協(xié)議中采取措施盡量減少數(shù)據(jù)通 信量，因?yàn)閿?shù)據(jù)通信在傳感器網(wǎng)絡(luò)中最為耗能，可能的措施例如通過過濾機(jī)制來 抑制不必要的數(shù)據(jù)上傳，采用數(shù)據(jù)融合機(jī)制去掉冗余信息；在協(xié)議中采取更加靈 活的路由策略，使各個(gè)節(jié)點(diǎn)分擔(dān)數(shù)據(jù)的傳輸，這樣可以平衡各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的能量 消耗，增加整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存期：路由協(xié)議在控制協(xié)議開銷的前提下，盡量支持節(jié) 點(diǎn)移動和拓?fù)涓兄?，以提高對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓倪m應(yīng)性；路由協(xié)議可以根據(jù)易于獲 得的信息來選擇路由，這可以保障在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在發(fā)生故障時(shí)路由可以 盡快得到恢復(fù)，還可以采用多路徑傳輸數(shù)據(jù)來提高可靠性；在進(jìn)行協(xié)議設(shè)計(jì)時(shí)， 可以考慮通過對鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層甚至應(yīng)用層的協(xié)議進(jìn)行跨層優(yōu)化來達(dá)到使整個(gè)網(wǎng) l o 基于簇融合的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究 絡(luò)達(dá)到最優(yōu)化的目的；可擴(kuò)展性是衡量網(wǎng)絡(luò)協(xié)議性能的重要指標(biāo)，不論是平面型 的還是層次型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議都應(yīng)通過提高可擴(kuò)展性來適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò) 大或縮小；傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議應(yīng)該可以通過糾錯(cuò)碼、設(shè)置競爭門檻、使用短幀策略 等方法應(yīng)對鏈路層的碰撞攻擊、耗盡攻擊和非公平競爭攻擊，通過使用冗余路徑， 探測機(jī)制、認(rèn)證機(jī)制、冗余機(jī)制等來應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)層的匯聚貪婪破壞、匯聚節(jié)點(diǎn)攻擊， 方向誤導(dǎo)攻擊等；另外，由于資源限制和動態(tài)拓?fù)涞纫蛩氐挠绊?，q o s 路由建立 有一定挑戰(zhàn)，但是q o s 路由對于一些視頻及圖像傳感等實(shí)時(shí)應(yīng)用非常必要，因此 在與圖像視頻等應(yīng)用相關(guān)的無線路由協(xié)議中添加q o s 路由是非常必要的。 2 3 幾種典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議 針對不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，研究人員提出了不同的路由協(xié)議。本文根據(jù)網(wǎng) 絡(luò)管理的邏輯結(jié)構(gòu)將路由協(xié)議分為平面路由協(xié)議和層次路由協(xié)議平面結(jié)構(gòu)是指網(wǎng) 絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)沒有特殊功能的節(jié)點(diǎn)，沒有引入分層管理機(jī)制。平面結(jié)構(gòu)路由的優(yōu)點(diǎn) 是由于網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)在路由功能上地位相同，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)流量均勻地分散在網(wǎng)絡(luò)中 并且路由算法易于實(shí)現(xiàn)。與平面路由相對應(yīng)的是層次結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議。層次路由 協(xié)議采用簇的概念對傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行層次劃分。層次路由協(xié)議包括成簇協(xié)議、簇 維護(hù)協(xié)議、簇內(nèi)路由協(xié)議和簇間路由協(xié)議四個(gè)部分。每個(gè)簇由若干個(gè)相鄰的節(jié)點(diǎn) 構(gòu)成，由一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為簇頭節(jié)點(diǎn)。簇和簇之間可以通過簇頭節(jié)點(diǎn)或者其它簇成員 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。層次路由協(xié)議具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如簇成員節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)在簇頭處進(jìn) 行數(shù)據(jù)融合處理后再進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，減少了轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)量，節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)能量；普通簇成 員的節(jié)點(diǎn)功能簡單，并且只需要很少的路由信息來獲得路由表，這樣網(wǎng)絡(luò)中的控 制信息的數(shù)量就大大減少，從而減少了通信量；分簇完成后，向上一層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行 長距離數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的任務(wù)由簇頭負(fù)責(zé)，普通的簇成員節(jié)點(diǎn)就可以在大部分時(shí)間內(nèi)關(guān) 閉通信模塊，從而節(jié)省了能量；分簇的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更適合大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，因?yàn)?它具有較好的可擴(kuò)展性，能夠?qū)ο到y(tǒng)變化作出快速反應(yīng)，更有利于分布式算法的 應(yīng)用。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議是目前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。目前已有的協(xié)議分別 適用于不同的環(huán)境，在性能評價(jià)指標(biāo)上各有側(cè)重。下面是對現(xiàn)有的一些具有代表 性的路由協(xié)議的進(jìn)行簡要介紹。 泛洪算法和閑聊算法是網(wǎng)絡(luò)中的相對簡單的算法，與其它路由算法相比，它 們不需要維護(hù)路由信息，因此對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞囊蕾囆愿?，但是擴(kuò)展性很差。泛洪 算法中源節(jié)點(diǎn)向其所有鄰居節(jié)點(diǎn)廣播數(shù)據(jù)分組，其它節(jié)點(diǎn)在接到數(shù)據(jù)分組后再向 自己的所有鄰居節(jié)點(diǎn)廣播這個(gè)數(shù)據(jù)分組，這個(gè)過程重復(fù)進(jìn)行，直到數(shù)據(jù)包到達(dá)目 的節(jié)點(diǎn)或到達(dá)最大跳數(shù)。泛洪算法所具有的主要優(yōu)點(diǎn)是：實(shí)現(xiàn)簡單；健壯性強(qiáng)； 第二章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議概述 不需要消耗計(jì)算資源獲得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒑瓦\(yùn)行復(fù)雜的路由發(fā)現(xiàn)算法。泛洪算法主 要缺點(diǎn)是：內(nèi)爆，節(jié)點(diǎn)幾乎同時(shí)從鄰居節(jié)點(diǎn)收到多份相同的數(shù)據(jù)；轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)交迭， 即節(jié)點(diǎn)先后收到監(jiān)控同一區(qū)域的多個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的幾乎相同的數(shù)據(jù)；盲目利用現(xiàn)有 資源，節(jié)點(diǎn)在任何情況下都轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)而不考慮自身資源限制。這些缺點(diǎn)會大大地 降低網(wǎng)絡(luò)生命周期。閑聊算法對泛洪算法進(jìn)行了改進(jìn)，接收到數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)在自 己的鄰居節(jié)點(diǎn)中隨機(jī)的選擇一個(gè)沒有發(fā)送數(shù)據(jù)的，把數(shù)據(jù)包傳送給它。持續(xù)這個(gè) 過程，直到數(shù)據(jù)包到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。閑聊算法隨機(jī)選取節(jié)點(diǎn)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行有目的的 傳播，這實(shí)際上是以延長信息傳播的代價(jià)來避免信息爆炸的問題。 定向擴(kuò)散協(xié)議是一個(gè)基于數(shù)據(jù)的、查詢驅(qū)動的按需路由協(xié)議，是以數(shù)據(jù)為中 心的路由算法的一個(gè)重要里程碑。該協(xié)議用屬性值對為數(shù)據(jù)命名，主要包括以下 幾個(gè)步驟：興趣發(fā)布、梯度建立、數(shù)據(jù)傳輸和路徑加強(qiáng)和修復(fù)。興趣發(fā)布是為了 建立路由匯聚節(jié)點(diǎn)對外廣播屬性列表、時(shí)間間隔等信息的查詢請求；梯度建立是 指在中間節(jié)點(diǎn)收到請求后，按需對各個(gè)請求進(jìn)行緩存與合并并根據(jù)請求計(jì)算出梯 度，梯度包含數(shù)據(jù)傳輸率、下一跳等信息：數(shù)據(jù)傳輸是指當(dāng)梯度建立完成后，目 標(biāo)區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)按要求啟動監(jiān)測任務(wù)，并將數(shù)據(jù)通過梯度最大的那條路徑周期性的 上報(bào)，中間節(jié)點(diǎn)可對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存與聚合。 定向擴(kuò)散算法的優(yōu)點(diǎn)是，該算法健壯性好；使用查詢驅(qū)動機(jī)制按需建立路由 從而避免了保存全網(wǎng)信息；基站節(jié)點(diǎn)根據(jù)實(shí)際情況可以采用增強(qiáng)或減弱的方式提 高能量利用率：使用數(shù)據(jù)聚合能減少數(shù)據(jù)通信量。定向擴(kuò)散算法的缺點(diǎn)是梯度建 立的開銷很大，不適合多基站節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)；數(shù)據(jù)聚合過程中采用的時(shí)間同步技術(shù)在 傳感器網(wǎng)絡(luò)中難以實(shí)現(xiàn)。 s p i n 協(xié)議是一種以數(shù)據(jù)為中心的平面式自適應(yīng)通信路由協(xié)議。其目標(biāo)是通過 使用節(jié)點(diǎn)間的協(xié)商制度和資源自適應(yīng)機(jī)制，解決泛洪法存在的不足之處。s p i n 有 3 種數(shù)據(jù)包類型：a d v ，用于新數(shù)據(jù)廣播，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)需要傳輸時(shí)，它可用 a d v 數(shù)據(jù)包對外廣播；r e q ，用于請求發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)希望接收d a t a 數(shù) 據(jù)包時(shí)，發(fā)送r e q 數(shù)據(jù)包；d a t a ，包含有元數(shù)據(jù)頭和傳感器采集數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包。 在發(fā)送d a t a 數(shù)據(jù)包之前，傳感器節(jié)點(diǎn)首先對外廣播a d v 消息，當(dāng)一個(gè)鄰近節(jié)點(diǎn) 在收到a d v 后希望接收d a t a 數(shù)據(jù)包，那它就向該節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)r e q ；接著該 節(jié)點(diǎn)向它發(fā)送d a t a 數(shù)據(jù)包。這個(gè)過程一直重復(fù)下去直到d a t a 數(shù)據(jù)包被傳送到 匯聚節(jié)點(diǎn)上。由于在傳送數(shù)據(jù)之前傳感器節(jié)點(diǎn)之間彼此進(jìn)行了協(xié)商，并且協(xié)商采 用的是比采集的數(shù)據(jù)小很多的元數(shù)據(jù)，它只包含了傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)的屬性， 這樣就可以確保傳輸有用數(shù)據(jù)，避免內(nèi)爆問題和部分重疊問題，降低能量消耗。 并且各個(gè)節(jié)點(diǎn)可以在傳輸和接收數(shù)據(jù)之前檢查各自的剩余能量情況，使得處于低 能量水平的節(jié)點(diǎn)終止諸如充當(dāng)路由器的角色這樣的操作，以避免出現(xiàn)不顧自身能 量情況而盲目使用資源的現(xiàn)象。 1 2 基于簇融合的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究 s p i n 協(xié)議的另外的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡單，節(jié)點(diǎn)僅需知道它的鄰近節(jié)點(diǎn)而不需其它 的拓?fù)湫畔?。s p i n 協(xié)議的主要缺點(diǎn)是擴(kuò)展受限，如果基站節(jié)點(diǎn)對網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)事件 感興趣，基站周圍節(jié)點(diǎn)能量會很快耗盡；直接向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播a d v 數(shù)據(jù)包，而沒 有考慮其所有鄰居節(jié)點(diǎn)由于自身能量的原因，不愿承擔(dān)起轉(zhuǎn)發(fā)新數(shù)據(jù)的功能，則 新數(shù)據(jù)無法傳輸，將會出現(xiàn)“數(shù)據(jù)盲點(diǎn) ；數(shù)據(jù)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中傳輸。 p e g a s i s 協(xié)議并不是嚴(yán)格意義上的分簇路由算法，但它是由l e a c h 協(xié)議改 進(jìn)而來，是基于鏈的能量有效協(xié)議。該協(xié)議的基本思想是t 每個(gè)節(jié)點(diǎn)都知道網(wǎng)絡(luò) 中其它節(jié)點(diǎn)的位置，利用貪心算法形成一條數(shù)據(jù)傳輸鏈，所有數(shù)據(jù)都沿著該鏈傳 輸?shù)芥滎^，鏈頭在鏈上節(jié)點(diǎn)間動態(tài)選舉，最后鏈頭將數(shù)據(jù)進(jìn)行融合后再將數(shù)據(jù)傳 給匯聚節(jié)點(diǎn)。p e g a s i s 算法這樣設(shè)計(jì)的目的有兩個(gè)，一是通過各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的 協(xié)作來節(jié)省能量，二是使數(shù)據(jù)只是在本地節(jié)點(diǎn)間相互傳輸而減少對網(wǎng)絡(luò)帶寬的需 求。 p e g a s i s 算法的優(yōu)點(diǎn)是避免了建立簇結(jié)構(gòu)的過程，僅僅利用鏈中的一個(gè)節(jié)點(diǎn) 和匯聚節(jié)點(diǎn)通信，免去了更換簇頭節(jié)點(diǎn)和成簇開銷；所有節(jié)點(diǎn)都在一條連接的匯 聚節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)鏈上，節(jié)點(diǎn)采用小功率與最近距離節(jié)點(diǎn)通信，鏈中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可 以以多跳通信方式，將經(jīng)過數(shù)據(jù)融合后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)，減少了數(shù)據(jù)傳輸 和接收的數(shù)量；通過減少和基站直接通信的節(jié)點(diǎn)數(shù)，并讓所有節(jié)點(diǎn)輪流擔(dān)任簇頭 結(jié)點(diǎn)，這進(jìn)一步延長了網(wǎng)絡(luò)的生命周期；p e g a s i s 算法的主要缺點(diǎn)是單簇頭使得 鏈頭成為關(guān)鍵點(diǎn)，其失效會導(dǎo)致路由失??；且要求節(jié)點(diǎn)都具有與匯聚節(jié)點(diǎn)通信的 能力；如果鏈太長，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延將會增大、不適合實(shí)時(shí)應(yīng)用；成鏈算法要求節(jié) 點(diǎn)維護(hù)全局位置信息、開銷非常大。 t e e n 采用類似l e a c h 的分簇算法，只是在數(shù)據(jù)傳送階段使用不同的策略。 t e e n 的具體做法是在協(xié)議中設(shè)置了硬、軟兩個(gè)閾值，在每輪簇頭轉(zhuǎn)換的時(shí)候?qū)?個(gè)閾值廣播出去，以減少普通節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的次數(shù)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)檢測到的數(shù)據(jù)第 次超過設(shè)置的硬閾值時(shí)，就把這個(gè)值設(shè)置為新的硬閾值，并再接下來的時(shí)隙內(nèi) 發(fā)送它。之后，只有監(jiān)測數(shù)據(jù)超過硬閾值并且監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化幅度大于軟閾值時(shí)， 節(jié)點(diǎn)才會傳送最新的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并將它設(shè)為新的硬閾值。 t e e n 算法的主要優(yōu)點(diǎn)是通過調(diào)節(jié)兩個(gè)閾值的大小，可以在系統(tǒng)耗能和精度要 求之間取得合理平衡，用這樣的方法來監(jiān)視一些突發(fā)事件和熱點(diǎn)地區(qū)可以減少網(wǎng) 絡(luò)的通信量。t e e n 算法的主要缺點(diǎn)是：如果閾值不能達(dá)到，則用戶將無法得到任 何數(shù)據(jù)，也無法知道這個(gè)節(jié)點(diǎn)是否失效；數(shù)據(jù)一旦符合閾值要求，節(jié)點(diǎn)立即進(jìn)行 傳送，容易造成信號干擾。 g a f 路由算法是以節(jié)點(diǎn)地理位置為依據(jù)的分簇算法，其最初是應(yīng)用在a dh o c 網(wǎng)絡(luò)中，但對于很多傳感器網(wǎng)絡(luò)同樣適用。算法的基本思想是將監(jiān)測區(qū)域劃分成 很多虛擬單元格，節(jié)點(diǎn)按照位置信息劃入相應(yīng)的單元格內(nèi)。每個(gè)單元格內(nèi)的節(jié)點(diǎn) 第二章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議概述 相互協(xié)作，一部分節(jié)點(diǎn)保持正常工作狀態(tài)，完成數(shù)據(jù)收集和轉(zhuǎn)發(fā)等任務(wù)，這部分 處于正常工作狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)就相當(dāng)于簇頭節(jié)點(diǎn)；另一部分節(jié)點(diǎn)可以處于睡眠狀態(tài)以 節(jié)省能量，延長網(wǎng)絡(luò)整體壽命。 g a f 算法的優(yōu)點(diǎn)是通過使部分節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)而節(jié)省能量，使網(wǎng)絡(luò)壽命得 以延長。g a f 算法的缺點(diǎn)是每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要獲取自己的地理信息，這大大增加了 節(jié)點(diǎn)的成本和復(fù)雜度，不適合很多場合；g a f 算法基于平面模型，沒有考慮到實(shí) 際網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間距離鄰近并不能表示節(jié)點(diǎn)之間可以直接進(jìn)行通信。 g e a r 是充分考慮了能源有效性的基于位置的路由協(xié)議。它比其它基于位置 的路由協(xié)議能更好的應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。g e a r 算法采用了查詢驅(qū)動數(shù)據(jù) 傳送模式，充分利用傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)經(jīng)常包含位置屬性信息的特點(diǎn)和每個(gè)節(jié) 點(diǎn)中包含的鄰居節(jié)點(diǎn)剩余能量和到達(dá)目的地的距離信息，把整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中擴(kuò)散的信 息傳送給適當(dāng)?shù)奈恢脜^(qū)域。這個(gè)協(xié)議的主要思想是利用節(jié)點(diǎn)地理位置信息，向特 定的位置發(fā)送數(shù)據(jù)，而不是在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)，限制網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的數(shù)量。 它傳送數(shù)據(jù)分組到目標(biāo)區(qū)域中所有的節(jié)點(diǎn)的過程包括兩個(gè)階段：在目標(biāo)域傳送階 段，當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)分組，它將鄰居節(jié)點(diǎn)同目標(biāo)域的距離和它自己與目標(biāo)域的距 離相比較，若存在更小距離，則選擇最小距離的鄰居節(jié)點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn)，若不 存則認(rèn)為存在空洞，節(jié)點(diǎn)將根據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)的最小花銷來選擇下