【正文】 后來提出的層次路由協議TEEN,。平面型路由協議結構簡單、實現容易，對于小規(guī)模的傳感器網絡效果較好，但傳感器網絡通常是節(jié)點數目眾多、監(jiān)控區(qū)域廣大，這時采用平面路由協議具有網絡延遲較大、能量利用效率低等缺點。二是無線傳感器網絡應該逐步有QoS保障的路由協議,不僅可以提供能量有效的選路,而且可以保證帶寬的有效性。因此,不可能設計一種對所有應用都適合的路由協議。簇頭與備選簇頭每隔一段時間發(fā)送數據包來維持聯系。其優(yōu)點是能耗比LEACH還小，缺點是需要改變協議。但是在農田中，節(jié)點收到人為和自然破壞的幾率很大，我們不能保證選擇的簇頭是完好的節(jié)點，如果是壞的節(jié)點，數據傳輸就會出現問題。在農田中的節(jié)點根據位置劃分而成多個簇。近幾年發(fā)展起來的無線傳感網絡由于應用成本低、網絡結構靈活、數據傳輸距離遠，應用在農作物監(jiān)控中有很大的優(yōu)勢。LEACHC要求由BS來統(tǒng)一進行控制，都是有監(jiān)測中心控制，符合項目的設計要求。在監(jiān)測過程中，底層傳感器網絡節(jié)點將收集到的數據送給上層相應的簇首，簇首對數據進行簡單的融合后可以直接傳送給監(jiān)測中心進行處理，也可傳送非其它簇首進行再次融合后傳送給檢測中心。斯坦福大學的研究人員提出了一個基于分簇結構的兩層無線傳感器網絡監(jiān)控系統(tǒng)。反向重路由信標交換NFL延遲估計SNGFMAC鄰居表 SPEED協議框架圖SPEED協議是一個實時路由、多跳可靠的的協議，在一定程度上實現了端到端的傳輸速率保證、網絡擁塞控制以及負載平衡機制。例如:在家庭網絡或局域網內部，集成KLAN模塊的便攜機可能同時有PLC的接入模塊、內嵌，LAN模塊的設備可能同時有GPRS的模塊。通過傳感器網絡的通信協議把家居中的各種傳感器，智能家電，家用電腦連接起來。與普通家庭生活相比，數字家庭不僅具有傳統(tǒng)的居家功能，提供舒適安全、商品位且宜人的家庭生活空間:還由原來的被動靜止設備轉變?yōu)榫哂心軇又腔鄣墓ぞ撸峁┤轿坏男畔⒔换スδ?，布助家庭與外部保持信息交流暢通，優(yōu)化人們的生活方式，幫助人們有效安排時間，增強家居生活的安全性，甚至為各種能源費用節(jié)約資金。而優(yōu)點是：傳輸鏈路經過的跳數較少，網絡延時較小。層次性的路由協議中一般節(jié)點使用電池供電，每秒鐘采樣一次，同時通信模塊工作在一個很低的占空比下；路由節(jié)點使用太陽能供電持續(xù)供電，總是處于工作狀態(tài)以轉發(fā)傳感器節(jié)點發(fā)送來的數據。傳輸網絡INTERNET基站遠程數據服務傳感器網絡傳感器節(jié)點遠程客戶端多級簇頭普通節(jié)點 大鴨島網絡結構圖在大鴨島項目中，因為系統(tǒng)既需要有internet連接和數據系統(tǒng)，又需要于傳感器節(jié)點連接，需要一個有層次性的異構網絡結構是必須的。在大鴨島開展的對海燕棲息地的研究是一個典型的研究實例。因此，該協議在取得較好的性能(有效地延長了網絡的生命周期提高了基站接收的數據量)的同時，也具有較好的適應性與健壯性，能夠適應大規(guī)模的無線傳感器網絡網絡應用。以上各個方面，均明顯好于LEACH協議，有效地解決了LEACH協議簇頭個數不確定，簇頭位置最優(yōu)化不完全等問題。CH1CH2NEXTCHN…NEXTCH1CHN…CHN1CH3CHN2CH4本輪聚類信息下一輪CH節(jié)點集合 BS_CH_INFO消息結構(2)NEW_ADV_SCH該消息()由兩個list類型的數據組成。②若i與CH(i)相等，則說明節(jié)點1為其所在聚類的CH節(jié)點。一輪時間結束后，轉step5。，由局部最優(yōu)方法計算出該簇內的下一輪CH節(jié)點，并與調度信息一同發(fā)送給NCH(NEW_ADV_SCH)。若收到該消息，則轉step8。一輪時間以后，轉step5。，通過局部最優(yōu)方法計算每個聚類中下一輪CH節(jié)點，井廣播該消息(BS_CH_INFO)。另外，如果CH節(jié)點失效，則會影響該簇的數據傳輸，因此CH節(jié)點一定要具有相對較大的剩余能量。以后的各輪過程與第二輪類似。 HCRP協議的工作過程這里綜合了兩者，改進了HCRP(Hybrid Cluster Routing Protocol)協議。簇頭節(jié)點的編號等信息。(2)LEACHC協議工作過程.。對于有n個節(jié)點的網絡來說，如果按照最優(yōu)簇數目為5個進行計算，計算每一種可能要次。LEACHC協議采用模擬退火算法，有效地解決了聚類數目不確定，和聚類的簇頭節(jié)點選取最優(yōu)化的問題。①由于每輪選擇簇頭的隨機性，因此作為簇頭的節(jié)點不一定是最優(yōu)的節(jié)點(考慮如簇頭節(jié)點能量很低，或簇頭節(jié)點的位置靠近簇的邊緣等情況)。在另一方面，為了減少相鄰聚類干擾并減少能量消耗，每個節(jié)點調整它的發(fā)送能量水平，使傳送信息時對周圍節(jié)點的干擾達到最小。 暴露節(jié)點問題正因為存在以上問題，LEACH采用了CSMA的方式防止沖突。如果此時節(jié)點C也向節(jié)點B傳送數據，則會發(fā)生沖突。主機在發(fā)送的同時，不能對信道進行監(jiān)聽。若是最后一個節(jié)點，則將收集的數據進行數據融合，然后發(fā)送給BS，開始下一幀監(jiān)聽；如果不是最后一個節(jié)點，繼續(xù)監(jiān)聽；②NCH節(jié)點數據傳輸過程，若簇內沒有CH節(jié)點，則NCH節(jié)點直接向BS發(fā)送數據，轉到step3；否則，轉到Step2；，轉到Step3。在step4中，將step3中存儲的JOIN_REQ消息排序，將排好的序列向簇內進行廣播，這樣每個NCH節(jié)點都會收到自己CH節(jié)點發(fā)送的該序列。一段時間后，每個NCH節(jié)點都會收到CH節(jié)點的ADV_CH消息。，建立TDMA發(fā)送序列，然后向簇內的NCH節(jié)點發(fā)送該序列消息(ADV_SCH)。BSXYCH 節(jié)點能量消耗中節(jié)點位置示意圖則CH節(jié)點消耗的能量為: ()NCH節(jié)點消耗的能量為: () ()對于均勻分布，,代入有 ()每個簇消耗的能量為: ()對于有k個簇的網絡中，節(jié)點消耗的總能量為: ()根據上式，求合適的k值使最小，對k求導，得 ()在適當的情況下，代入合理個已知值，就可以近似求得最優(yōu)簇個數k。，第r輪可以成為CH的節(jié)點有 （）按照節(jié)點成為CH的概率，計算可以得到 （）因此，在1/P輪的時間內，每個節(jié)點都會成為簇頭節(jié)點一次。當r再次增加時，得到的T值也會逐漸增加。該式使每個節(jié)點在一定輪數內只成為一次簇頭節(jié)點。4 無線傳感器網絡聚類路由協議 LEACH和LEACHC協議 LEACH協議的實現LEACH協議實現過程分為建立階段和穩(wěn)定階段兩個階段[19]。擁有某種數據資源的節(jié)點廣播自身的資源信息，需要該類數據的節(jié)點應答該類消息，由此建立了一條通信鏈路進行數據傳送。③使用SNGF找不到滿足要求的路由時，使用鄰居反饋策略NFL(Neighborhood Feedback NFL)的補償機制。節(jié)點記錄到鄰居節(jié)點的通信延遲，表示網絡局部通信負載。當有節(jié)點發(fā)送該事件的查詢信息時，節(jié)點就會從事件表中查詢事件發(fā)生節(jié)點的路由路徑，并將該信息反饋給查詢節(jié)點。前面介紹的定向擴散(Directed Difusion)和謠傳(Rumor)路由就是典型的基于查詢的路由協議。如果某一條路徑形成斷路，不需要重發(fā)全部數據，只需發(fā)送有問題的部分數據，這樣就節(jié)省了能量。在路徑建立階段，每個節(jié)點都要知道下一跳節(jié)點，并計算選擇下一跳節(jié)點的概率?？梢愿鶕W絡實際所處的環(huán)境來決定使用哪種多路徑方法。而如果在源節(jié)點和目標節(jié)點之間建立多跳路徑，根據路徑上節(jié)點的通信能力和剩余能量情況，為每條路徑給定一定的概率值，這樣使得數據傳輸能夠均勻消耗網絡的能量值。若不存在更小距離，則存在空洞(Hole)，即鄰接點比節(jié)點自身距離更遠，節(jié)點根據鄰居節(jié)點的最小花銷來選擇下一跳節(jié)點。通過將整個網絡化分成很多局部的區(qū)域，通過在各個局部區(qū)域之間傳輸數據而限制了在整個網絡中的數據的傳輸。各個相鄰節(jié)點可以通過交換彼此信息來獲得彼此的位置。對于大規(guī)模的傳感器網絡，層次路由協議能耗均勻，信道分配公平，但建立簇結構需要一定的能量開銷，部分協議的實現較為復雜。該協議支持三種不同的類型的查詢方式:歷史信息查詢，分析已接收到的數據；一次查詢，對整個網絡進行一次快速的狀態(tài)查詢；階段查詢，對某一事件進行一段時間的探測。在簇傳輸數據過程中，如果想調節(jié)接收到的數據量，可以動態(tài)地更改這兩個值，將其發(fā)送給非簇頭節(jié)點。軟實時值表示傳感數據的改變值。TEEN是一種應用于實時系統(tǒng)的協議。SINK節(jié)點傳感器節(jié)點 PEGASIS協議中的鏈式傳輸HierarchicalPEGASIS協議擴展了PEGASIS協議，并有效地解決了以上問題。在傳輸過程中，接收該數據的節(jié)點將數據進行融合后，發(fā)送個該鏈路的下一個節(jié)點，直到數據最后傳送的Sink節(jié)點。但由于采用集中式控制方式，各節(jié)點都要與基站進行通信，因此不能應用于大規(guī)模的傳感器網絡[19]。針對以上問題，Heinzelman等人提出了LEACHC協議。第四，LEACH協議中的穩(wěn)定階段要比建立簇階段長的多。其采用的TDMA機制使NCH節(jié)點在屬于自己的時間片內向CH節(jié)點發(fā)送數據，而在其它時間內處于休眠狀態(tài)。該協議使用TDMA/CDMA的MAC層協議來減少簇內和簇間的通信碰撞。簇Nch節(jié)點Ch節(jié)點Sink節(jié)點監(jiān)控區(qū)域 LEACH協議分簇示意圖建立簇過程中，預先確定一個p值，該值表示簇頭節(jié)點的百分比。由于該協議采用的分布式的數據收集方式，并且NCH節(jié)點間隔性的工作，因此適用于對某個地區(qū)進行長時間的監(jiān)控[19]。層次路由協議主要有低能量自適應聚類LEACHE(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)路由協議[19]、敏感閾值能量有效路由TEENE(Threshold Sensitive Energy Efficient Sensor Network Protocol)協議、周期性自適應敏感閾值能量有效路由APTEEN(Adaptive Periodic ThresholdSensitive Energy Efficient sensor Network Protocol)協議[20]、能量有效性數據收集路由協議PEGASIS(PowerEfficient Gathering in Sensor Information Systems)[21]等。一是數據匯集、融合和轉發(fā)過程，即NCH節(jié)點收集特定區(qū)域內的事件信息，并將該信息發(fā)送給CH節(jié)點，CH節(jié)點在對收集的NCH節(jié)點的數據進行融合后，轉發(fā)給其它CH節(jié)點或直接發(fā)送給基站(BS)。經過該過程。當某個節(jié)點產生關于某個事件的查詢時，事件表內已經存儲該信息的節(jié)點就會響應該查詢，這就避免了路由整個網絡的能量消耗。在事件信息較小而查詢信息較多時，可以采用廣播事件(Event)信息的方法來代替廣播查詢(Query)信息。abc事件區(qū)域左側首節(jié)點都為源節(jié)點右側末節(jié)點都為匯聚節(jié)點 定向擴散協議工作過程示意圖除以上兩種平面路由協議外，謠傳路由協議也是比較重要的平面路由協議。第一，定向擴散協議著重于需求數據的查詢，這通過以Flooding的形式傳播查詢來實現。如當基站通過發(fā)送興趣消息來查詢特定數據，接收到該興趣的傳感器節(jié)點轉發(fā)該興趣消息。在定向擴散協議中，傳感器節(jié)點測量事件的發(fā)生，并在其相應的鄰居節(jié)點之間建立梯度(Gradients)信息。其突出特點是引入了梯度來描述網絡中間節(jié)點對該方向繼續(xù)搜索獲得匹配數據的可能性。SPINEC:適用于點對點通信，采用能量約束機制。當一個節(jié)點希望接收DATA數據包時，發(fā)送REQ數據包；DATA包含元數據和采集數據。這使得用戶能夠查詢任意節(jié)點的內容，快速獲得自身需要的信息。節(jié)點A和B向節(jié)點C發(fā)送自身感知數據時，監(jiān)測區(qū)域R被發(fā)送了兩次，因此造成了數據冗余現象的產生。但是，由于其轉發(fā)數據的盲目性，帶來了“內爆”和“重疊”現象。這三種協議提出的許多設計思想對以后協議的設計具有重要的影響。由于節(jié)點數量的龐大，因此不可能為每個節(jié)點賦予一個全局的標號。④為了適應WSN節(jié)點數量多、網絡規(guī)模大和網絡易受損的特點，保證傳感器節(jié)點的隨時加入和退出不會影響到全局任務的正常執(zhí)行，路由協議的設計必須具備魯棒性和可擴展性。通過對WSN路由協議設計特點和設計目標的分析，不難看出，一個好的WSN網絡層路由協議設計應該滿足以下條件:①為了高效地利用有限的網絡資源，盡可能壓縮不必要的開銷以最大限度的延長網絡生存時間，路由協議的設計必須具備簡單性和節(jié)能性。由于節(jié)點的移動或損壞，加上無線發(fā)射裝置發(fā)送功率的變化和信號之間的互相干擾等因素，網絡拓撲結構將頻繁變化。(4)面向特定的應用傳統(tǒng)網絡發(fā)展的趨勢是電信網、計算機網以及電視網的逐步融合，形成通用信息平臺以滿足各種應用需求。在WSN中，與以地址為中心的傳統(tǒng)通信方式不同，由于網內節(jié)點數量大和節(jié)點布設的隨機性等特點，每個傳感器節(jié)點不需要使用全局唯一的標識或地址。與傳統(tǒng)無線網絡相比，雖然WSN具有與無線自組網絡極為相似的特征，但在網絡特點、通信模型和數據傳輸需求方面卻與傳統(tǒng)無線網絡有著很大的不同。因此，傳統(tǒng)無線網絡的路由協議不適應無線傳感器網絡。無線局域網等傳統(tǒng)無線網絡的首要目標是提供高服務質量和公平高效地利用網絡帶寬，這些網絡路由協議的主要任務是尋找源節(jié)點到目的節(jié)點間通信延遲小的路徑，同時提高整個網絡的利用率，避免產生通信擁塞并均衡網絡流量等，而能量消耗問題不是這類網絡考慮的重點。收斂慢的路由算法會造成路徑循環(huán)或網絡中斷。最好的路由器算法通常能經受時間的考驗，并在各種網絡環(huán)境可靠工作。(2)可擴展性:在無線傳感器網絡中，檢測區(qū)域防衛(wèi)或節(jié)點密度不同，造成網絡規(guī)模大小不同。