【正文】 第一個 list為 NCH節(jié)點的調(diào)度序列，第二個 list為下一輪的 CH節(jié)點 圖 NEW_ADV_SCH消息結(jié)構 如 CH節(jié)點 0發(fā)送的 [list[list2 3 4 6 9 ][list4]]消息，通知 NCH節(jié)點 23469節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的順序，同時通知 NCH節(jié)點 4下一輪作為 CH節(jié)點形成新簇。 ③節(jié)點由屬于同一個簇的節(jié)點序列可以計算出自身發(fā)送數(shù)據(jù)的時刻 。 該工作過程詳見圖 所示。然后等待 NCH發(fā)送的數(shù)據(jù)。 CH節(jié)點的廣播消息。 CH節(jié)點 。 中北大學 2020 屆畢業(yè)論文 第 36 頁 共 54 頁 。由于 CH節(jié)點要轉(zhuǎn)發(fā) NCH節(jié)點的數(shù)據(jù)，為了減小 CH和 NCH之間的傳輸距離，要選擇距離該簇中心較近的點成作為下一輪 CH節(jié)點。 簇頭選擇的算法 采用部分最優(yōu)方法，節(jié)點成為下一輪 CH節(jié)點要滿足以下條件 : (1)不是該輪的 CH節(jié)點 ； (2)能量大于簇內(nèi)的平均能量 ； (3)最接近該簇中心的點 。 HCRP的設計目標是 :在最初建立簇階段，由 BS選取 k(k為最優(yōu)簇數(shù)目 )個簇頭形成聚類，開始第一輪的數(shù)據(jù)傳輸，在第一輪結(jié)束前，根據(jù)當前節(jié)點信息制定下一輪 CH節(jié)點集合，并通過某種方式通知這些節(jié)點。 CH節(jié)點，則保持 WakeUp狀態(tài) ； 如果節(jié)點是 NCH節(jié)點，則根據(jù)在發(fā)送序列中的位置決定向其 CH節(jié)點發(fā)送 Data的時刻，在該時刻調(diào)用SendData(以后該函數(shù)周期性地調(diào)用 )； ，節(jié)點重新回到 stepl執(zhí)行。 。當n=100時， 5nC?? ，因此，當節(jié)點數(shù)目較大時，該問題相當于 NP問題。 該協(xié)議和 LEACH相比，有效地增加了基站 接收到的數(shù)據(jù)量、提高了節(jié)點的生命時間 [19]。 ②上面提到關于聚類數(shù)量最優(yōu)化的問題。CDMA能夠在一定程度上解決無線傳輸節(jié)點信號相互千擾，但由于編碼個數(shù)的有限，當劃分簇的個數(shù)超過編碼個數(shù)時，仍然可能會出現(xiàn)沖突現(xiàn)象。實際上，由于無線傳輸?shù)奶匦裕粋€聚類內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸會影響相鄰的聚類內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸。 是否在前 1 輪定為 CH 節(jié)點 是 否 廣播 CH 信息 若未超過一輪時間NCH 向 CH 發(fā)送數(shù)據(jù)CH 向 BS 轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù) 等待 NCH 回答 創(chuàng)建 TDMA調(diào)度選擇下一輪CH 等待本輪調(diào)度信息和下一輪CH 信息 向最近 CH 發(fā)送選擇信號和能量信息 等待 CH 廣播 否則 中北大學 2020 屆畢業(yè)論文 第 33 頁 共 54 頁 圖 隱藏節(jié)點問題 ②暴露節(jié)點問題 (Exposed Node Problem)(如圖 ) 節(jié)點 B和 C可以互相監(jiān)聽到對方。另外，無線通信中存在隱藏節(jié)點與暴露節(jié)點的問題 ①隱藏節(jié)點問題 (Hidden Node Problem)(如圖 ) 節(jié)點 B可以與節(jié)點 A和 C通信。若為 NCH節(jié)點的工作時刻，向CH節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù) ； 否則， NCH節(jié)點進入睡眠狀態(tài)并等待其工作時刻的到來 ； 。在 step5中， NCH節(jié)點首先給該序列中的每一個節(jié)點分配一個固定的時間片長度，并找到自身在該序列中的位置，在屬于自身的時間片內(nèi)， NCH節(jié)點向自身的 CH節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，而在其它時間內(nèi)，進入休眠狀態(tài)以節(jié)省能量。 NCH節(jié)點將收到的該類型的消息進行存儲。 ADV_SCH消息的 NCH節(jié)點在屬于自己的時間片 (slot)內(nèi)向 CH發(fā)送數(shù)據(jù)。 (3)LEACH協(xié)議聚類建立過程 聚類建立過程如下 : ，采用前面提到的方法選擇 CH節(jié)點，其它節(jié)點為 NCH節(jié)點。 由于節(jié)點作為簇頭節(jié)點起到中繼傳輸數(shù)據(jù)的作用，而數(shù)據(jù)傳輸在傳感器節(jié)點的能量消耗中占有很大的比重，因此采用該式可以起到個節(jié)點輪流作簇頭，平均能量消耗的作用。當 r=(1/P1)時，此時的 T=1，即為在前 (1/P1)輪中未成為簇頭的節(jié)點，在最后一輪中必為簇頭節(jié)點，這樣就保證了在 1/P輪中，每個節(jié)點都僅為簇頭一次。當 r=0時，由上式得 T=P， 即每個節(jié)點成為簇頭節(jié)點的概率為 P。 (1)LEACH中協(xié)議判斷 CH節(jié)點函數(shù) 在建立階段，首先是節(jié)點決定本輪自己是否成為簇頭節(jié)點，這由所有節(jié)點可成為 簇頭的百分比和此時已成為簇頭的節(jié)點的個數(shù)決定。 本章小結(jié) 本章首先論述了無線傳感器網(wǎng)絡與無線自組網(wǎng)的區(qū)別，指出了無線傳感器網(wǎng)絡自身的特點。由 MAC層收集錯誤信息，由差錯率計算轉(zhuǎn)發(fā)概率 :④當網(wǎng)絡某個區(qū)域發(fā)生擁塞時，用反相壓力路由變更機制 [23]。②使用 SNGF算法來選擇滿足傳輸數(shù)率要求的下一跳節(jié)點。 基于 QOS的路由協(xié)議 該類協(xié)議的重點在于平衡能量消耗和傳輸數(shù)據(jù)的質(zhì)量。定向擴散是通過發(fā)送興趣(Interest)消息，在得到應答消息后，建立梯度路徑來確定路由路徑。 多路徑傳輸雖然會提高數(shù)據(jù)發(fā)送的成功率，但建立多路徑需要一定的時間，會造成數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r。概率的計算由通信代價公式來計算。對于出錯概率較大的網(wǎng)絡，可以選擇 Disjoint Multipath； 對于出錯概率相對較小的網(wǎng)絡，選擇 Braided Multipath。這就是多路徑路由協(xié)議的基本思想。域內(nèi)數(shù)據(jù)傳送階段，數(shù)據(jù)包到達指定區(qū)域后直接洪泛尋找目標傳送數(shù)據(jù)。 中北大學 2020 屆畢業(yè)論文 第 25 頁 共 54 頁 圖 GEAR協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸示意圖 GEAR協(xié)議的工作過程 (見圖 )。節(jié)點的位置信息可以通過安裝 GPS來獲得，對于靜態(tài)的傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點， GPS只在該網(wǎng)絡開始工作前確認自身位置信息，在工作中并不需要花費能量更新其位置信息 .該類協(xié)議較著名的是 GEAR協(xié)議 。實際應用中，應根據(jù)具體需要選擇相應的協(xié)議。 APTEEN協(xié) 議是主動式與被動式網(wǎng)絡的結(jié)合，其性能介于 LEACH和 TEEN協(xié)議之間。 基站 多級簇頭 一級簇頭 傳感器節(jié)點 SINK 節(jié)點 傳感器節(jié)點 中北大學 2020 屆畢業(yè)論文 第 24 頁 共 54 頁 周期 性 自 適 應 敏 感 闡 值 能 量 有 效 路 由 APTEEN(Adaptive Periodic ThresholdSensitive Energy Eficient sensor Network Protocol)協(xié)議。當傳感到的數(shù)據(jù)在硬實時值的范圍內(nèi)或傳感到的數(shù)據(jù)發(fā)生變化的范圍超過軟實時值時才進行傳輸。在TEEN協(xié)議中，傳感器節(jié)點持續(xù)地感知數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)是間歇性的傳送。HierarchicalPEGASIS協(xié)議形成數(shù) 據(jù)傳輸?shù)臉湫谓Y(jié)構，下層節(jié)點向上層節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)，最后到達根節(jié)點 —— 基站 BS。該協(xié)議主要有兩點提高 :一是由于采用鏈式傳輸路徑，節(jié)點只需與最近的鄰居節(jié)點進行通信； 二是節(jié) 點通信過程廣泛采用了數(shù)據(jù)融合技術[21]。 能量有效性數(shù)據(jù)收集協(xié)議 典型的是 PEGASIS。 LEACH協(xié)議是分布式的路由協(xié)議，而 LEACHC協(xié)議是集中式的路由協(xié)議。 LEACH雖然有以上優(yōu)點，但也存在如下缺點。 第二， LEACH是一種自組織協(xié)議。在穩(wěn)定階段， NCH節(jié)點在 MAC層以時分多路 TDMA(Time Division Multiple Access)的形式向CH節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。傳感器節(jié)點隨機產(chǎn)生一個在 0和 1之間的 r值。 LEACH協(xié)議的工作過程分為兩個階段，建立階段和穩(wěn)定階段。下面分別介紹這些協(xié)議。 層次路由協(xié)議首先解決了傳感器網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)目龐大的問題 。在圖 (b)中，當節(jié)點 E向 D節(jié)點發(fā)送 Eventl事件的查詢， D節(jié)點會反饋給 E節(jié)點 Eventl事件發(fā)生的路徑 (圖(c)).經(jīng)過該過程， Eventl事件的發(fā)生路徑就己經(jīng)被建立起來了 (圖 (d)). 圖 謠傳路由協(xié)議工作過程 層次型路由協(xié)議 層次路由協(xié)議又稱為分級路由協(xié)議，其基本思想是選一定數(shù)量的節(jié)點作為簇頭CH(Cluster Head)節(jié)點，簇頭節(jié)點通常具有較高的能量，負責其所在區(qū)域的內(nèi)信息的處理和轉(zhuǎn)發(fā) :其它節(jié)點為非簇頭節(jié)點 NCH(Non Cluster Head)，用于對監(jiān)控對象周圍的數(shù)據(jù)信息采集工 作。該路由協(xié)議僅僅維持從源節(jié)點到目的節(jié)點的一條路徑，而前面提到的定向擴散協(xié)議可以通過多條路徑傳送信息。謠傳路由協(xié)議的思想就是路由查詢信息到特定節(jié)點，這些節(jié)點己經(jīng)獲得了特定的事件，而不是采用向整個網(wǎng)絡廣播查詢的方法來獲得特定的事件。 謠傳 (Rumor)路由主要用于不能獲得地理位置信息的環(huán)境 。而在 SPIN類協(xié)議中，傳感器節(jié)點廣播自身允許其它節(jié)點查詢的數(shù)據(jù)信息。該過程一直進行，直到從源節(jié)點到目的節(jié)點建立了一條完整的梯度路徑。興趣消息描述傳感器網(wǎng)絡所要完成的工作，該 消息通過網(wǎng)絡節(jié)點單跳擴散(hopbyhop)傳播。通過將來自不同源節(jié)點的數(shù)據(jù)聚集再重新路由來達到消除冗余和最大程度降低數(shù)據(jù)傳輸量的目的。另外，該協(xié)議與 Flooding協(xié)議相比，由于使用了協(xié)商機制，減少了冗余數(shù)據(jù)的發(fā)送量，因此節(jié)省了能量。 關于其它 SPIN協(xié)議如 下 : SPINBC:適用于廣播信道。 SPIN1有三種類型的消息幀 (如圖 )，ADV,REQ和 。該類協(xié)議基于以下兩個基本思想設計 : 第一，各節(jié)點通過元數(shù)據(jù)進行協(xié)商，通過傳輸包含信息類型的元數(shù)據(jù)來減少數(shù)據(jù)傳輸量 ； 第二，改進了 Flooding協(xié)議的監(jiān)測區(qū)域“重疊”問題和“信息爆炸”問題。在有眾多節(jié)點的傳感器網(wǎng)絡中，由于各節(jié)點中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，因而造成傳輸數(shù)據(jù)成指數(shù)級增長。該協(xié)議是最早的一種無線傳輸協(xié)議，它不需要維護網(wǎng)絡拓撲結(jié)構和計算路由，接收到消息的節(jié)點以廣播的形式轉(zhuǎn) 發(fā)數(shù)據(jù)包給所有的鄰居節(jié)點。由于數(shù)據(jù)是通 過查詢無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議 網(wǎng)絡拓撲結(jié)構劃分 協(xié)議工作特性劃分 平面性路由協(xié)議 層次性路由協(xié)議 基于地理位置路由 查詢路由 基于QOS 路由 基于多路徑路由 基于協(xié)商的路由 中北大學 2020 屆畢業(yè)論文 第 15 頁 共 54 頁 的方式獲得的，因此該種方式需要基于屬性的命名方法。 已有 無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議 的 分類 無線傳感器網(wǎng)絡 路由協(xié)議可以從網(wǎng)絡結(jié)構和協(xié)議工作特性兩方面劃分 (如圖 )。路由協(xié)議的設計需要以數(shù)據(jù)為中心，具備數(shù)據(jù)融合能力。而傳統(tǒng)網(wǎng)絡路由協(xié)議設計的首要目標是提供高的服務質(zhì)量和高效利用網(wǎng)絡帶寬，其次才考慮能量的節(jié)約。 WSN數(shù)據(jù)在傳輸過程中，中間傳感器節(jié)點需要針對特定應用，對來自其他節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)以及自身采集的數(shù)據(jù)進行融合、緩存和轉(zhuǎn)發(fā)。 (3)鄰居節(jié)點數(shù)據(jù)的相似性 無線傳感器網(wǎng)絡相鄰節(jié)點監(jiān)測的可能是同一個事件，如火災，從不同監(jiān)測點得到的數(shù)據(jù)具有較高的相似性。網(wǎng)絡內(nèi)每個傳感器節(jié)點通常使用容量有限、不可更換的電源，節(jié)點的計算、通信、存儲能力也非常有限。 傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡的路由協(xié)議設計以避免網(wǎng)絡擁塞、保持網(wǎng)絡的連通性和提供高質(zhì)量網(wǎng)絡服務為主要目標。傳感器網(wǎng)絡具有很強的應用相關性，不用應用中的路由協(xié)議可能差別很大，沒有一個通用的路由協(xié)議。例如，某個網(wǎng)段發(fā)生故障，路由算法要能很快發(fā)現(xiàn)故障，并為使用該網(wǎng)絡段的所有路由選擇另一條最佳路徑。當某個網(wǎng)絡事件引起路由可用或不可用時，路由器就發(fā)出更新信息。 (3)魯棒性 :路由算法處于非正?；虿豢深A料的環(huán)境時，如硬件故障、負載過高或操作失誤時，都能正確運行。通常需要綜合考慮以下幾個設計指標 [15] (1)能量高效 :傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議不僅要選擇能量消耗小的消息傳輸路徑，而且要從整個網(wǎng)絡的角度考慮，選擇使整個網(wǎng)絡能量均衡消耗的路由。 ISO定義了用于描述源系統(tǒng)與目的系統(tǒng)交換過程的分層術語，在該術語中，沒有轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包能力的網(wǎng)絡設備稱為端系統(tǒng) (end system,ES)，有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)能力網(wǎng)絡設備稱為中介系統(tǒng) (intermediate system,IS)。 路由器查看了數(shù)據(jù)包的目的地址后，確定是否知道如何轉(zhuǎn)發(fā)該包 .如果路由器不知道如何轉(zhuǎn)發(fā)，通常就將之丟棄 。路由器間還發(fā)送鏈接狀態(tài)廣播信息來通知其他路由器發(fā)送者的鏈接狀態(tài)。交換相對來說比較簡單，而選擇路徑很復雜 [13]。 路由技術其實是由兩項最基本的活動組成，即決定最優(yōu)路徑和傳輸數(shù)據(jù)包。 中北大學 2020 屆畢業(yè)論文 第 10 頁 共 54 頁 2 無線網(wǎng)絡路由協(xié)議概述 在 OSI參考模型中，網(wǎng)絡層是通信子網(wǎng)的最高層。 (6)其他商業(yè)應用 自組織、微型化和對外部世界的感知能力是傳感器網(wǎng)絡的三大特點，這些特點決定了傳感器網(wǎng)絡在商業(yè)領域應該也會有不少的機會。 (4)空間探索 探索外部星球一直是人類夢寐以求的理想，借助于航天器布撒的傳感器網(wǎng)絡節(jié)點實現(xiàn)對星球表面長時間的監(jiān)測，應該是一種經(jīng)濟可行的方案。英特爾主管預防性健康保險研究的董事 Eric Dishman稱 :“在開發(fā)家庭用護理技術方面，無線傳感器網(wǎng)絡是非常有前途的領域”。 (3)醫(yī)療健康 傳感器網(wǎng)絡在醫(yī)療系統(tǒng)和健康護理方面的應用包括監(jiān)測人體 的各種生理數(shù)據(jù)，跟蹤和監(jiān)控醫(yī)院內(nèi)醫(yī)生和患者的行動，醫(yī)院的藥物管理。通過傳統(tǒng)方式采集