【正文】 步信息。傳統(tǒng)路由協(xié)議在選擇最優(yōu)路徑時(shí)，很少考慮節(jié)點(diǎn)的 能量消耗問(wèn)題。在節(jié)點(diǎn)只能獲取局部拓?fù)湫畔⒑唾Y源有限的情況下，圖和實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單高效的路由機(jī)制是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)基本問(wèn)題。 （ 4）應(yīng)用相關(guān)。傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議不僅要選擇能量消耗小的消息傳輸路徑，而且要從整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的角度考慮，選擇使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能量均衡消耗的路由。 （ 3）魯棒性。 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的分類(lèi)基本上延續(xù)了傳統(tǒng) Ad Hoc 網(wǎng)的分類(lèi)方法，根據(jù)不同的角度可以進(jìn)行不同的分類(lèi)。缺點(diǎn)是主動(dòng)路由需要花費(fèi)較大開(kāi)銷(xiāo)，盡可能使得路由更新能夠緊隨當(dāng)前拓?fù)渥兓?，浪費(fèi)了一些資源來(lái)建立和重建那些根本沒(méi)有被使用的路由。路由器向各通信端口周期廣播 Hello 分組，來(lái)實(shí)現(xiàn)鄰居節(jié)點(diǎn)探測(cè)。被動(dòng)路由協(xié)議根據(jù)網(wǎng)絡(luò)分組的傳輸請(qǐng)求，被動(dòng)地搜索從數(shù)據(jù)源到接收點(diǎn)的路由。缺點(diǎn)的發(fā)送數(shù)據(jù)分組時(shí)，如果沒(méi)有去往目的節(jié)點(diǎn)的路由，數(shù)據(jù)分組需要等待因路由發(fā)現(xiàn)引起的延時(shí)。當(dāng)有路由請(qǐng)求報(bào)文到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)時(shí)，目的節(jié)點(diǎn)將向源節(jié)點(diǎn)發(fā)出路由請(qǐng)求 應(yīng)答報(bào)文。路由維護(hù)可以采用兩種不同的策略：從斷點(diǎn)處開(kāi)始修補(bǔ)路徑或通知源節(jié)點(diǎn)重新啟動(dòng)路由建立過(guò)程。如圖 所示。其中， SPIN 和DD 是以數(shù)據(jù)為中心路由協(xié)議的典型代表。在這種分級(jí)結(jié)構(gòu)中，簇首節(jié)點(diǎn)不僅負(fù)責(zé)粗內(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)。但簇的維護(hù)開(kāi)銷(xiāo)較大。 在簇的建立階段，相鄰節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)的形成簇，隨機(jī)產(chǎn)生簇頭；在數(shù)據(jù)通信階段，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)把數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭，簇頭進(jìn)行數(shù)據(jù)融合并把結(jié)果發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)。為了避免附近簇的信號(hào)干擾，簇頭可以決 定本簇中所有節(jié)點(diǎn)所用的 CDMA 編碼。 與一般的基于平面結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議和靜態(tài)的基于多簇結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議相比， LEACH 可以將網(wǎng)絡(luò)整體生存時(shí)間延長(zhǎng) 15%。能量感知路由協(xié)議從數(shù)據(jù)傳輸中的能力消耗出發(fā)，討論最優(yōu)能量消耗路徑以及最長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存期等問(wèn)題。定向擴(kuò)散就是一種基于查詢(xún)的路由協(xié)議。把節(jié)點(diǎn)的位置作為路由選擇的依據(jù)，不僅能夠完成節(jié)點(diǎn)路由功能，還可以降低系統(tǒng)專(zhuān)門(mén)維護(hù)路由協(xié)議的能耗。 SPEED 協(xié)議是一種非常有效的可靠式路由協(xié)議，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了端到端的傳輸速率保證、網(wǎng)絡(luò)擁塞控制以及負(fù)載平衡機(jī)制 [5]。 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議目前正是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，各種路由協(xié)議在不同的應(yīng)用環(huán)境和性能評(píng)價(jià)指標(biāo)下各有千秋。層次路由協(xié)議采用了分簇的思想，使用簇頭節(jié)點(diǎn)用于數(shù)據(jù)的融合和路由的功能。 （ 3） GEAR 路由能夠形成能量高效的數(shù)據(jù)傳輸路徑，是一個(gè)局部最優(yōu)的算法，適合無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)只知道局部拓?fù)湫畔⒌那闆r。 該協(xié)議可以在無(wú)任何傳感器節(jié)點(diǎn)位置信息的情況下，尋找 sink 到包 含其感興趣信息的 source 之間的路徑。正如前面部分所講，它是以數(shù)據(jù)為中心的一種平面路由協(xié)議，可用于傳感器網(wǎng)絡(luò)中。在興趣的泛洪的過(guò)程中，協(xié)議逐跳地在每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)上建立反向的從數(shù)據(jù)源到匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸梯度 ( Gradient) ，通過(guò)多徑傳輸和路徑選拔確定出一條與興趣匹配的數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罴崖窂? ，傳感器節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)沿著該路徑傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)。 定向擴(kuò)散由幾個(gè)元素組成。事件開(kāi)始沿著多條路徑向發(fā)出興趣的節(jié)點(diǎn)流動(dòng)。 丁仿敏：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議 —— Directed Diffusion 路由原理與仿真 16 (a) 興趣擴(kuò)散 （ b）梯度建立 (c) 路徑加強(qiáng) 圖 定向擴(kuò)散協(xié)議的三個(gè)階段 定向擴(kuò)散的命名機(jī)制 定向擴(kuò)散使用基于屬性的命名機(jī)制連接數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)接收者。這種方法同時(shí)也支持多個(gè)源和接收者之間的通信，而不是簡(jiǎn)單的端到端的通信。 給定一項(xiàng)傳感器網(wǎng)絡(luò)支持的任務(wù)，然后選擇一個(gè)命名方法是定向擴(kuò)散設(shè)計(jì)的第一步。與興趣對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)也采取一個(gè)相似的命名方案命名。在某種程度上，命名方案的選擇能影響任務(wù)的表達(dá)，并且可能影響擴(kuò)散2020屆通信工程專(zhuān)業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 算法的性能。建立這兩者之間的通信鏈路則是數(shù)據(jù)擴(kuò)散算法 。每一個(gè)接收到興趣分組的傳感器節(jié)點(diǎn)記錄下發(fā)送此興趣分組的相鄰節(jié)點(diǎn)標(biāo)志，并與其建立梯度關(guān)系，梯度導(dǎo)引數(shù)據(jù)流的方向以及流速。 一階段推擴(kuò)散算法中，數(shù)據(jù)接收者是被動(dòng)的，本 地記錄了興趣分組的屬性；數(shù)據(jù)源是主動(dòng)的，產(chǎn)生的探測(cè)數(shù)據(jù)泛洪到數(shù)據(jù)接收者。一階段拉不需要增益消息，通過(guò)最短延遲路徑隱式地得到增益。每個(gè)節(jié)點(diǎn)在本地保存一個(gè)興趣列表，對(duì)于每一個(gè)興趣，列表中都有一個(gè)表項(xiàng)記錄發(fā)來(lái)該興趣消息的鄰居節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)發(fā)送速率和時(shí)間戳等任務(wù)相關(guān)信息，以建立該節(jié)點(diǎn)向匯聚節(jié)點(diǎn)傳遞數(shù)據(jù)的梯度關(guān)系。 當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到鄰居節(jié)點(diǎn)的興趣消息時(shí)，首先檢查興趣列表中是否存有參數(shù)類(lèi)型與收到興趣相同的表項(xiàng)，而且對(duì)應(yīng)的發(fā)送節(jié)點(diǎn)是該鄰居節(jié)點(diǎn)。 下面舉例說(shuō)明興趣怎樣通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)散。 圖 Directed Diffuxion 協(xié)議興趣廣播過(guò)程 2020屆通信工程專(zhuān)業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 梯度在 Interest 擴(kuò)散過(guò)程中動(dòng)態(tài)建立，反映路徑與 sink 所請(qǐng)求的數(shù)據(jù)的匹配程度，梯度越大表示路徑越適合于向 sink 傳輸數(shù)據(jù) 。節(jié)點(diǎn)向 sink 傳送數(shù)據(jù)過(guò)程中，依據(jù)正比于梯度值的概率，隨機(jī)選取下一跳節(jié)點(diǎn)，最終到達(dá) sink。 對(duì)于每個(gè)當(dāng)前的任務(wù)，匯聚節(jié)點(diǎn)定期地廣播興趣消息給它的每個(gè)鄰居。最初的興趣以下列形式出現(xiàn)： 類(lèi)型 =四足動(dòng)物 間隔 =1秒 坐標(biāo) =[100， 200， 200， 400] 時(shí)間信息 =01： 20： 40 終止 時(shí)間 =01： 30： 40 在描述興趣怎樣被處理前，我們強(qiáng)調(diào)興趣被匯聚節(jié)點(diǎn)定期地刷新。在本文的例子中，如果它們的類(lèi)型屬性不同、間隔屬性不同或坐標(biāo)屬性不同都認(rèn)為是不同的興趣。 當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)收到一個(gè)興趣后，它檢查自己的興趣緩沖區(qū)，如果沒(méi)有匹配的興趣表項(xiàng)，節(jié)點(diǎn)會(huì)新建一個(gè)興趣表項(xiàng)并實(shí)例化其興趣參數(shù)。如果存在匹配的興趣且該興趣是指向傳來(lái)興趣的鄰 居節(jié)點(diǎn)，那么該節(jié)點(diǎn)會(huì)簡(jiǎn)單地更新時(shí)間信息和持續(xù)字段。例如，兩個(gè)不同的接收者在不同的終止時(shí)間內(nèi)，發(fā)出了獨(dú)特的興趣請(qǐng)求，在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的部分節(jié)點(diǎn)可能在不同的時(shí)間有不同的興趣輸入。這樣，興 趣在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)擴(kuò)散。 //興趣的時(shí)間間隔 int x。 //興趣的終止時(shí)間 } interest 興趣緩沖表的變化：為了更進(jìn)一步理解興趣的傳播過(guò)程，本文用圖 來(lái)表示興趣緩沖區(qū)隨時(shí)間的變化情況。主要分下列兩種種情況： 有興趣表項(xiàng)且有梯度： 時(shí) 間 信 息 = 1 : 2 0 : 0 0終 止 時(shí) 間 = 1 : 3 0 : 0 0E n t r y = 類(lèi) 型 、 坐 標(biāo)鄰 節(jié) 點(diǎn) 1 梯 度 = 1鄰 節(jié) 點(diǎn) 2 梯 度 = 2興 趣 E n t r y時(shí) 間 信 息 = 1 : 2 5 : 0 0終 止 時(shí) 間 = 1 : 3 5 : 0 0E n t r y = 類(lèi) 型 、 坐 標(biāo)鄰 節(jié) 點(diǎn) 1 梯 度 = 1鄰 節(jié) 點(diǎn) 2 梯 度 = 2興 趣 E n t r y收 到 鄰 節(jié) 點(diǎn) 1 的 興 趣 圖 有興趣表項(xiàng)和梯度時(shí)的興趣表項(xiàng)變化圖 在這種情況下，節(jié)點(diǎn)只需要更新興趣表項(xiàng)的時(shí)間信息和終止時(shí)間即可。當(dāng)一個(gè)中間節(jié)點(diǎn)從鄰居節(jié)點(diǎn)收到興趣之后， 它會(huì)建立指向興趣轉(zhuǎn)發(fā)者的梯度，然后這個(gè)節(jié)點(diǎn)再對(duì)興趣執(zhí)行廣播。圖 為基本梯度生成算法的優(yōu)先狀態(tài)機(jī)描述，需要說(shuō)明的是圖中只標(biāo)注了算法中節(jié)點(diǎn)主要狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換。 中間節(jié)點(diǎn)對(duì)于興趣報(bào)文的處理是這個(gè)算法的關(guān)鍵之處。 這樣可以保證對(duì)于同一種興趣，鄰居節(jié)點(diǎn)之間不會(huì)有直接的環(huán)路存在，因?yàn)猷従庸?jié)點(diǎn)只有一個(gè)梯度，而且這個(gè)梯度的方向是從興趣轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間晚的節(jié)點(diǎn)指向興趣轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間早的節(jié)點(diǎn)。如果有多個(gè)梯度與這個(gè)興趣相對(duì)應(yīng)，節(jié)點(diǎn)可以隨機(jī)丁仿敏：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議 —— Directed Dif。需要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)， 在一次興趣傳播過(guò)程當(dāng)中， 對(duì)于同一個(gè)興趣報(bào)文，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)只是轉(zhuǎn)發(fā)一次。在這段隨機(jī)延時(shí)的 過(guò)程中，如果節(jié)點(diǎn)又一次從其它的鄰居收到了這個(gè)興趣，那么節(jié)點(diǎn)還會(huì)建立梯指向轉(zhuǎn)發(fā)者的梯度。 對(duì)于 sink 節(jié)點(diǎn)而言， 在興趣廣播出去之后， 它將會(huì)等待接收數(shù)據(jù)。當(dāng)廣播周期結(jié)束之后，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中也就建立了相應(yīng)的梯度。 2020屆通信工程專(zhuān)業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 梯度的建立 在定向擴(kuò)散中， 梯度是在興趣發(fā)布的過(guò)程 中建立起來(lái)的。 丁仿敏：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議 —— Directed Diffusion 路由原理與仿真 22 I1I2I1I3I2I2I3節(jié) 點(diǎn) 收 到 興 趣 I3興 趣 I1 超 時(shí) 或 所 有 梯 度 降 為 0 圖 興趣緩沖區(qū)變化圖 圖 只是大致的表示了一下興趣緩沖區(qū)的變化情況，為了更進(jìn)一步說(shuō)明問(wèn)題，用圖 和 表示出緩沖區(qū)中每個(gè)興趣的變化情況。 //節(jié)點(diǎn)的 Y 坐標(biāo) int timestamp。 圖 和圖 分別是節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收興趣的流程圖： 開(kāi) 始接 收 點(diǎn) 以 低 速 率 發(fā) 送 一個(gè) 興 趣有 傳 感 器 節(jié) 點(diǎn)在 檢 測(cè) 目 標(biāo)以 高 速 率 給 某 些 節(jié) 點(diǎn) 發(fā) 送 興趣 以 拉 出 真 正 的 數(shù) 據(jù)為 避 免 丟 失 數(shù) 據(jù) ， 隔 一 段 時(shí)間 再 次 發(fā) 送 相 同 興 趣不 再 發(fā) 送 ， 數(shù) 據(jù)率 降 為 0結(jié) 束YN 圖 節(jié)點(diǎn)發(fā)送興趣時(shí)的流程圖 2020屆通信工程專(zhuān)業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 開(kāi) 始節(jié) 點(diǎn) 收 到 一 個(gè) 興 趣興 趣 存 在 于緩 沖 區(qū) 中更 新 時(shí) 間 信 息不 再 發(fā) 送 ， 數(shù) 據(jù)率 降 為 0YYN存 在 指 向 興 趣發(fā) 送 者 的 梯 度結(jié) 束發(fā) 送 已 收 到 的 興 趣給 所 有 鄰 居 節(jié) 點(diǎn)N 圖 節(jié)點(diǎn)接收興趣時(shí)的流程圖 興趣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：為了實(shí)現(xiàn)興趣的傳播，本文將興趣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如下： typedef struct { string type。 在收到一興趣之后，一節(jié)點(diǎn)可能決定再發(fā)送興趣給一些它的相鄰節(jié)點(diǎn)。當(dāng)梯度期滿(mǎn)時(shí)，它被從它的興趣表項(xiàng)中撤銷(xiāo)。為此，它必須能區(qū)分不同的鄰居，任何局部唯一的鄰居標(biāo)識(shí)都可能用于這個(gè)目的。時(shí)間信息字段只是最后收到匹配興趣的時(shí)間信息；梯度字段指向節(jié)點(diǎn)的每一個(gè)鄰居。 網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)維持一個(gè)興趣緩沖。直觀上看，這個(gè)最初的興趣可能被認(rèn)為是探索；它試著確定是否確實(shí)有任何傳感器節(jié)點(diǎn)在檢測(cè)目標(biāo)。梯度大的路徑的數(shù)據(jù)傳輸率高，在 Interest 泛洪階段，所有節(jié)點(diǎn)均以低數(shù)據(jù)率設(shè)定梯度 source 收到 Interest 后，首先以低數(shù)據(jù)率發(fā)送試探性數(shù)據(jù)包，待 sink 接到 該數(shù)據(jù)包后，根據(jù)某種路徑加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)，提高某些節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)率。 （ 1）基于路徑時(shí)延的梯度。匯聚節(jié)點(diǎn)記錄任務(wù)；當(dāng)興趣屬性設(shè)定的持續(xù)時(shí)間超出后任務(wù)從匯聚節(jié)點(diǎn)清除出去。如果收到的興趣消息和節(jié)點(diǎn)剛剛轉(zhuǎn)發(fā)的興趣消息一樣，為避免消息循環(huán)則丟棄該信息。通過(guò)定義不同的梯度相關(guān)參數(shù)，可以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。 丁仿敏：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議 —— Directed Diffusion 路由原理與仿真 18 圖 基本擴(kuò)散算法中數(shù)據(jù)源和接收者之間的交互 在興趣擴(kuò)散階段，匯聚節(jié)點(diǎn)周期性地向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播消息。 一階段拉擴(kuò)散算法中，數(shù)據(jù)源接收到興趣分組，按照最先到達(dá)為最優(yōu)路徑的理論，沿著相應(yīng)梯度方向開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)最初發(fā)送的數(shù)據(jù)消息定義為探測(cè)數(shù)據(jù) ( Exp loratory Data)，并且泛洪給所有與之建立梯度的相鄰節(jié)點(diǎn)。目前被廣泛使用的擴(kuò)散算法是 ：兩階段拉擴(kuò)散 ( Two2Phase Pull D iffusion )；一階段拉擴(kuò)散 (One2Phase Pull Diffusion ) 和 一 階 段 推 擴(kuò) 散 (One2Phase Push Diffusion ) 。 定向擴(kuò)散的組成部分 興趣的傳播 命名后的任務(wù)就構(gòu)成了一個(gè)興趣。一般來(lái)講，每個(gè)屬性有一個(gè)相關(guān)的值范圍。描述一個(gè)動(dòng)物的跟蹤任務(wù)如下： 類(lèi)型 =四足動(dòng)物 //檢測(cè)動(dòng)物位置 間隔 =20ms //每 20ms送回事件 持續(xù)時(shí)間 =10秒 //下一個(gè) 10秒 坐標(biāo) =[100， 100,200,400] //矩形內(nèi)傳感器坐標(biāo) 為了便于闡述，本文選擇矩形的子區(qū)域，以一些坐標(biāo)系統(tǒng)定 義。其次，屬性通過(guò)匹配使得數(shù)據(jù)源、接收者連接起來(lái)。首先，基于屬性的命名機(jī)制可以與發(fā)布 —— 訂閱的應(yīng)用層接口以及多到多的通信模式保持一致 。 定向擴(kuò)散路由機(jī)制可以分為周期性的興趣擴(kuò)散、梯度建立以及路徑加強(qiáng)三個(gè)階段。一個(gè)感測(cè)任務(wù)作為一個(gè)興趣通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)傳播。 定向擴(kuò)散提供了對(duì)任務(wù)與數(shù)據(jù)的命名和操作算子 ，采用發(fā)布 /訂閱模式 ( Publish / Subscribe)來(lái)建立傳感器網(wǎng)絡(luò)中有效節(jié)點(diǎn)、觀測(cè)節(jié)點(diǎn)和中間節(jié)點(diǎn)間的梯度關(guān)聯(lián)，可提供穩(wěn)定的多徑傳遞和路徑子集選擇 ，是一種可擴(kuò)展的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)分發(fā)和處理機(jī)制 。匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)興趣消息 ( Interest)發(fā)出查詢(xún)?nèi)蝿?wù)，采用泛洪方式傳播興趣消息到整個(gè)區(qū)域或 部分區(qū)域內(nèi)的所有傳感器節(jié)點(diǎn)。2020屆通信工程專(zhuān)業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 第 3 章 定向擴(kuò)散算法分析 定向擴(kuò)散的概念 在健壯性、規(guī)模性和能量效率的要求下，論文給出了一種數(shù)據(jù)傳播范例。 （ 4） DD 引入了網(wǎng)絡(luò)梯度