【導(dǎo)讀】路由協(xié)議不能有效地用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。本文分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特。由協(xié)議的分析和研究得出了一些有用的結(jié)論。最后對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)未來的研。究策略與發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特。位或?qū)W歷而使用過的材料。對(duì)本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個(gè)。人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。文的部分或全部?jī)?nèi)容。研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本。論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大學(xué)可以將。影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。

　　

【正文】 控制以及負(fù)載平衡 機(jī) 制。為實(shí)現(xiàn) 上 述 目 標(biāo)， SPEED 協(xié)議首先交換節(jié)點(diǎn)的傳輸 延 遲，以得到網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況； 然后節(jié)點(diǎn)利用局部地理信息和傳輸速率信息作出路 由決定，同時(shí)通過鄰居反饋機(jī)制保證網(wǎng)絡(luò)傳輸速率在 — 個(gè)全局定義的傳輸速率閾 值之上。節(jié)點(diǎn)還通過反向 壓 力路 由 變更機(jī)制避開延遲太大的鏈路和路 由空洞。 SPEED 協(xié)議主要 由 以下幾部分組成： (1)延遲估計(jì)機(jī)制，用來得到網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載情況，判斷網(wǎng)絡(luò)是否發(fā) 生 擁塞； (2) SNGF 算法 ，用來選 擇滿足傳 輸 速率要求的下一跳節(jié)點(diǎn)； (3)鄰居反饋策略 (NFL)是當(dāng) SNGF 路 由 算法中找不到滿足傳輸速率要求的下一跳節(jié)點(diǎn)時(shí)采取的補(bǔ)償機(jī)制； (4) 反向壓力路由變更機(jī)制，用來避免擁塞和路由空 洞。 SPEED 協(xié)議中各部分之間的關(guān)系如圖 32 所示。 25 圖 32 SPEED 協(xié)議框架 能量感知路由 能量路由 能量路 由 是最早提出的傳感器網(wǎng) 絡(luò)路由機(jī)制之一，所以本文將重點(diǎn)分析和探討它。能量路由 根據(jù)節(jié)點(diǎn)的可用能量 (power available ,PA)或傳輸路徑上的能量需求，選擇數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。 節(jié) 點(diǎn)可用能量就是節(jié)點(diǎn) 當(dāng)前的剩余能量。 圖 33 所示的網(wǎng)絡(luò) 中 ，大寫字母表示節(jié)點(diǎn)，如節(jié)點(diǎn) A， 節(jié)點(diǎn)右側(cè)括號(hào)內(nèi)的數(shù)字表 示 節(jié)點(diǎn)的可用能量。圖中的雙向線表 示 節(jié)點(diǎn)之間的通信鏈路，鏈路 上 的數(shù)字 表示 在該鏈路上發(fā)送數(shù)據(jù)消耗的能量。源節(jié)點(diǎn)是一般功能的傳感器節(jié)點(diǎn)，完成數(shù)據(jù)采集工作。 匯 聚節(jié)點(diǎn)是數(shù)據(jù)發(fā)送的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。 在 圖 33 中，從源節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的可能路徑有： 路徑 1：源節(jié)點(diǎn) — B— A— 匯聚 節(jié) 點(diǎn)，路徑上所有 節(jié) 點(diǎn) PA 之和為 4，在該路徑上發(fā)送 分組需要的能量之和為 3； 反向重路由 SNGF 鄰居表 信標(biāo)交換 NFL 延遲估計(jì) MAC 26 路徑 2：源節(jié)點(diǎn) — C— B— A— 匯聚節(jié)點(diǎn)， 路徑上所有 節(jié) 點(diǎn) PA 之和為 6，在 該路徑上發(fā)送分組需要的能量之和為 6； 路徑 3：源節(jié)點(diǎn) —D—匯聚節(jié)點(diǎn)，路徑 上 所有節(jié)點(diǎn) PA 之和為 3，在該路徑上 發(fā)送分組需要的能量之和為 4； 路徑 4：源節(jié)點(diǎn) —F—E—匯聚節(jié)點(diǎn)，路徑上所有節(jié)點(diǎn) PA 之和為 5，在該路徑上發(fā)送分組需要的能量之和為 6。 能量路 由 策略主要有以下幾種： (1)最大 PA 路由：從數(shù)據(jù)源到匯聚節(jié)點(diǎn)的所有路徑中選取節(jié)點(diǎn) PA 之和最大的路徑。在 圖 33 中路徑 2 的 PA 之和最大，但路徑 2包含了路徑 1，因此 圖 33 能量路由算法示意圖 不是高效的從而被排除，選 擇 路徑 4。 (2)最小能量消耗 路由：從數(shù)據(jù)源到匯聚節(jié)點(diǎn)的所有路徑中選取節(jié)點(diǎn)耗能F(PA=4) E(PA=1) D(PA=3) 5a =2 4a =2 源節(jié)點(diǎn) C(PA=2) 9a =2 B(PA=2) 2a =1 A(PA=2) 3a =2 10a =2 6a =2 7a =1 匯聚節(jié)點(diǎn) 1a =1 1a =1 8a =2 27 之和最少的路徑。在 圖 33 中選 擇 路徑 1。 (3)最少跳數(shù)路 由： 選取從數(shù)據(jù)源到匯聚節(jié)點(diǎn)跳數(shù)最 少的路徑。在圖 33中選 擇 路徑 3。 (4)最大最小 PA 節(jié)點(diǎn)路 由 ：每條路徑上有多個(gè) 節(jié) 點(diǎn)，是節(jié)點(diǎn)的可用能量不同，從中選取每條路徑中可用能 量 最小的節(jié)點(diǎn)來表示這條路徑的可用能量。如路徑 4 中 節(jié)點(diǎn)的可用能量最小為 1，所以該路徑的可用能量是 1。最大最小PA 節(jié)點(diǎn)路由策略就是選擇路徑可用能量最大的路徑。在 圖 33 中選擇路徑 3。 上述能量路 由 算 法 需要節(jié)點(diǎn)知道整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的全局信息。由于傳 感器網(wǎng)絡(luò)存在資源約束，節(jié)點(diǎn)只能獲取局部信息， 因 此上述能量路 由 方法只是理想情況下的路 由 策略。 能量多路徑路由 傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的路 由 機(jī)制 往往 選擇源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)之間跳數(shù)最小的路徑傳輸數(shù)據(jù)，但在無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 中。如果頻繁使用同 — 條路徑傳輸數(shù)據(jù)，就會(huì)造成該路徑上節(jié) 點(diǎn) 因 能量消耗過快而過早失效，從而使整個(gè) 網(wǎng) 絡(luò)分割成互 不 相連的孤立部分．減少了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存期。為此， Rahul 等人提出了 — 種能量多路徑路 由 機(jī)制。該機(jī)制在源節(jié)點(diǎn)和 目 的節(jié)點(diǎn)之間建立多條路徑，根據(jù)路徑上節(jié)點(diǎn)的通信能 量 消耗以及節(jié)點(diǎn)的剩余能量情況 、給每條路徑賦 予 一定的選擇概率，使得數(shù)據(jù)傳輸均衡消耗整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量，延長(zhǎng)整個(gè) 網(wǎng) 絡(luò)的生存期。 能量多路徑路 由 協(xié)議包括路徑建 立 、數(shù)據(jù)傳播和路 由 維護(hù)三個(gè)過程。路徑建立過程是該協(xié)議的重點(diǎn)內(nèi)容。每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要知道到達(dá) 目 的 節(jié) 點(diǎn)的所有下一跳節(jié)點(diǎn)，并 計(jì) 算選擇每個(gè)下一跳節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的概率。概率的選擇是根據(jù)節(jié)點(diǎn)到 28 目的節(jié)點(diǎn)的通信代價(jià)來 計(jì) 算的，在下面的描述 中用 )( iNCost 表 示 節(jié)點(diǎn) i 到目的節(jié)點(diǎn)的通信代價(jià)。因?yàn)槊總€(gè)節(jié)點(diǎn)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路徑很多．所 以這個(gè)代價(jià)值是各個(gè)路徑的加權(quán)平均 值 。 由于作者的思想和處理辦 法是通過一本厚達(dá)幾百頁的書來向我們展示的，本人在拜讀了之后， 個(gè)人 認(rèn)為 能量多路徑路 由 的 主 要過程 可以 簡(jiǎn)潔的 描 述如下： (1)目 的節(jié)點(diǎn) 向 鄰居節(jié)點(diǎn)廣播路徑建立消息，啟動(dòng)路徑建立過程。路徑建立消息中 包含一 個(gè)代價(jià)域，表示發(fā)出該消息的節(jié)點(diǎn)到 目 的節(jié)點(diǎn)路徑 上 的能量信息， 初 始值設(shè)置為零。 (2)當(dāng) 節(jié)點(diǎn)收到鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送的路徑建立消息時(shí)，相對(duì)發(fā)送該消息的鄰居 節(jié) 點(diǎn)，只有當(dāng) 自 己 距 源節(jié)點(diǎn) 更 近，而 且 距 目 的節(jié)點(diǎn)更 遠(yuǎn) 的情況下，才需要轉(zhuǎn)發(fā) 該消息．否則將丟棄該消息。 (3)如果節(jié)點(diǎn)決定轉(zhuǎn)發(fā)路徑建立消息，需要計(jì)算新的代價(jià)值來替換原來的 代價(jià)值 。當(dāng)路徑建立消息從節(jié)點(diǎn) iN 發(fā)送到 節(jié) 點(diǎn) jN 時(shí)， 該路徑的通信代價(jià)值為節(jié)點(diǎn) i 的代價(jià)值加 上兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的通信能量消耗。即： ),()(, ijiNN NNM e t r i cNC o s tCij ?? (31) 其中，ijNNC,表示 節(jié)點(diǎn) jN 發(fā)送數(shù)據(jù)經(jīng) 由 節(jié)點(diǎn) iN 路徑到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的代價(jià)，),( ij NNMetric 表 示節(jié)點(diǎn) jN 到節(jié)點(diǎn) iN 的通信能 量消耗，計(jì)算公式如下 ： ),( ij NNMetric ?? iijRe? (32) 這里 ?ije 表示節(jié)點(diǎn) jN 和 iN 直接通信的能量消耗， ?iR 表示節(jié)點(diǎn) iN 的剩余能量， 29 ? 、 ? 是常量，這個(gè)度量標(biāo) 準(zhǔn) 綜合考慮 了 節(jié)點(diǎn)的能量消耗以及節(jié)點(diǎn)的剩余能量。 (4)節(jié)點(diǎn)要放棄代價(jià) 太 大的路徑，節(jié)點(diǎn) j 將節(jié)點(diǎn) i 加入 本地路 由 表 jFT 中的條件是： ))}C(min(Ci{FTkjij N,NkN,Nj ??? (33) 其中 ? 為大于 1 的系統(tǒng)參數(shù)。 (5) 節(jié)點(diǎn)為路 由 表 中 每個(gè) 下一跳節(jié)點(diǎn)計(jì)算選擇概率。 節(jié)點(diǎn)選擇概率與能 量消耗成反比。節(jié)點(diǎn) jN 使用如下公式計(jì)算選擇節(jié)點(diǎn) iN 的概率： ???j kjijijFTk N,NN,NN,NC1C1P (34) (6)節(jié)點(diǎn)根據(jù)路 由表 中每項(xiàng)的能量代價(jià)和下一跳 節(jié) 點(diǎn) 選擇概率計(jì)算本身 到達(dá) 目的節(jié)點(diǎn)的代價(jià) )N(Cost j 。 )N(Cost j 定義為經(jīng)由路 由 表中 節(jié) 點(diǎn)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)代價(jià)的平均 值 ，即： )N(Costjkjj ij N,NFTk N,N CP??? (35) 節(jié)點(diǎn) jN 將用 )N(Cost j 值替 換消息中原有的代價(jià)值，然后向鄰居 節(jié) 點(diǎn) 廣 播該路由 建 立消 息。 在數(shù)據(jù) 傳播階段，對(duì)于接收的每個(gè)數(shù)據(jù)分組，節(jié)點(diǎn)根據(jù)概率從多個(gè)下 一 跳節(jié)點(diǎn) 中 選 擇一 個(gè)節(jié)點(diǎn)，并將數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)給該節(jié)點(diǎn)。路 由 的維護(hù)是通過 周 期性地從 目 的節(jié)點(diǎn)到源節(jié)點(diǎn)實(shí)施洪泛查詢來維持所有路徑的活動(dòng) 性 。 Rahul 提出的能量多路徑路 由 綜合考慮了通信路徑上的消耗能量 30 和剩余能量，節(jié)點(diǎn)根據(jù)概率在路 由 表 中 選 擇 一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為路 由 的下一跳節(jié)點(diǎn) 。由 于這個(gè)概率是 與 能 量 相關(guān)的，可以將通信能 耗分散到多條路徑上，從而可實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量平穩(wěn)降級(jí)， 最大限度地延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存期。 上面只是我個(gè)人從他的書里整理出來的一個(gè)簡(jiǎn)潔的可行的能量多路徑路由 處理思路， 但對(duì)它的一些算法理解還有困難， 存在 誤解和 不足之處 ，懇請(qǐng)指正。 基于樹的能量有效路由協(xié)議 利用樹狀結(jié)構(gòu)來處理問題是一種很多見的思路， 針對(duì)無線傳感器網(wǎng) 絡(luò) 的能量有效性問題，提出了基于樹的能量有效路由協(xié)議 (Treebased Energy Efficient Routing Protocol， TEERP)。 在 TEERP中，考慮節(jié)點(diǎn)的能量有效性，這主要從兩方面來 實(shí)現(xiàn)：① 選擇最少跳數(shù)的路徑。這對(duì)于功率不可調(diào)整的網(wǎng)絡(luò)，相當(dāng)于選擇了最小能量路徑；②盡量讓剩余能量多的節(jié)點(diǎn)完成分組轉(zhuǎn)發(fā)功能，以提高 網(wǎng)絡(luò)的能量均衡性能。 首先，定義無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目的節(jié)點(diǎn)只有一個(gè) 數(shù)據(jù)匯聚點(diǎn) (Sink)節(jié)點(diǎn)， 樹的建立由 Sink節(jié)點(diǎn)開始。 Sink節(jié)點(diǎn)廣播 路由請(qǐng)求消息 (RREQ)， RREQ中攜帶廣播 ID、自己距離 Sink的跳數(shù)、 節(jié)點(diǎn)的能量 。節(jié)點(diǎn)在接收到第一個(gè) RREQ時(shí)設(shè)置定時(shí)器，在定時(shí)器超時(shí)時(shí) 間 內(nèi)，比較新收到的 RREQ與當(dāng)前緩存記錄，如果新的 RREQ距離 Sink的跳數(shù)小于當(dāng)前的記錄，則根據(jù)新的 RREQ更新緩存中的記錄；如果跳數(shù)相等，則比較發(fā)送 RREQ節(jié)點(diǎn)的能量，如果能量大于當(dāng)前緩存記錄的能量，則根據(jù)新的 RREQ更新緩存中的記錄 ，否則丟棄 RREQ。這樣，一直到全網(wǎng)所有的節(jié)點(diǎn)，建立全網(wǎng)的樹，如圖 34所示。 31 圖 34 樹結(jié)構(gòu) 上述基于樹的能量路由協(xié)議已經(jīng)很大程度上提高了能量的利用率，同時(shí)延長(zhǎng)了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間 。 但 為了保證節(jié)點(diǎn)之間的連通性，節(jié)點(diǎn)之間必須不斷地發(fā)送 Hello消息，這樣做的原因是：盡早發(fā)現(xiàn)失效節(jié)點(diǎn)，及時(shí)恢復(fù) 以更好地延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的工作時(shí)間。 因此，這種處理方法中沒有引入休眠調(diào)度機(jī)制，而休眠是節(jié)省能量的最有效方式。 另外，傳感器網(wǎng)的覆蓋是需 要研究的另一個(gè)重要方面，如何在保證覆蓋的前提條件下，最優(yōu)地調(diào)度節(jié)點(diǎn)， 引入休眠機(jī)制， 并保證網(wǎng)絡(luò)的連通性以建立能量有效的路由是需要 不斷 研究的一個(gè)重要問題 。 一種新型集中式能量有效路由協(xié)議 本方法是 :首先讓基站利用 DTRAP(Dynamic Transmission Range Adjustment Protocol)來估計(jì)節(jié)點(diǎn)的位置。 在此對(duì) DTRAP的主要思想作簡(jiǎn)要的介紹 。 DTRAP的目的是得到兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的距離 ， 以期用最小的能量進(jìn)行通信，從而節(jié)約能量。每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)兩個(gè)表： MT(Message Table)和 NT(Neighborhood Table)。當(dāng)節(jié)點(diǎn) i收到 REQ包，就在 MT中添加一條，當(dāng) i準(zhǔn)備回復(fù)時(shí)，就在 NT中把相應(yīng)鄰居節(jié)點(diǎn)的通信狀態(tài)置為 REQ，對(duì)方回應(yīng)后，對(duì)方會(huì)把自己 NT中鄰居節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)置為確認(rèn) (ACK)， i 收到回應(yīng)也把狀態(tài)置為 (ACK)，這 樣雙方就Sink 32 建立了通信。 NT中還存有與其余節(jié)點(diǎn)的通信距離。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn) 的鄰居節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù) N 小于下限 D 時(shí)，它就會(huì)增加它的發(fā)射功率，同時(shí)增時(shí)增大發(fā)射距離 Ti，以期得到更多的鄰居。 該 協(xié)議的工作過程如下：節(jié)點(diǎn) i廣播一個(gè) Req消息給所有的鄰居，當(dāng)節(jié)點(diǎn) j第一次收到 這個(gè)消息 (在 i的上一輪廣播中， 未收到這條消息，說明現(xiàn)在 i的發(fā)射范圍剛好能滿足 j 的接收信噪比，即這個(gè)發(fā)射能量是 i發(fā)向 j的最小 能量 )，而且它的鄰居節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù) jN 小于上限 HD ，它就把這條消息放在消息表 jMT 中，回復(fù) jACK 給 i，并把鄰居表 jNT 中 i節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)置為 REQ，i收到 jACK 后把鄰居表 iNT 中 j節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)置為 REQ，再回復(fù) iACK 給 j,j收到后把鄰居表 jNT 中 i節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)置為 ACK，至此， i和 j點(diǎn)就能互相通信了。因?yàn)橄⒅袔в邪l(fā)射范圍，所以兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以根據(jù)已經(jīng)確定的范圍選擇最小的發(fā)射能量。 本 能量 路由算法是以“輪 (round)”為工作時(shí)間單位，每一輪分為兩個(gè)階段：初始化階段和數(shù)據(jù)通信階段 。如圖 35所示。 (1)初始化階段 基站根據(jù) DTRAP發(fā)起廣播，確定每個(gè)節(jié)點(diǎn)與基站之間的距離，并確定每個(gè)節(jié)點(diǎn)的方位，從而大致估算出每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置。每個(gè)節(jié)點(diǎn)與基站的距離信息保存在節(jié)點(diǎn)中，當(dāng)在以后節(jié)點(diǎn)作為多跳的簇首直接與基站通信時(shí)，利用這個(gè)距離信息調(diào)整發(fā)射功率，當(dāng)然，基站也利用這個(gè)距離信息選擇不同的發(fā)射功率與不同的節(jié)點(diǎn)通信。然后每個(gè)節(jié)點(diǎn)把自己的能量情況發(fā)給基站，這樣基站就可以根據(jù)能量