【正文】 然后每個節(jié)點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。 (1)初始化階段 基站根據(jù) DTRAP發(fā)起廣播，確定每個節(jié)點與基站之間的距離，并確定每個節(jié)點的方位，從而大致估算出每個節(jié)點的位置。 本 能量 路由算法是以“輪 (round)”為工作時間單位，每一輪分為兩個階段：初始化階段和數(shù)據(jù)通信階段 。 該 協(xié)議的工作過程如下：節(jié)點 i廣播一個 Req消息給所有的鄰居，當節(jié)點 j第一次收到 這個消息 (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)點個數(shù) jN 小于上限 HD ，它就把這條消息放在消息表 jMT 中，回復 jACK 給 i，并把鄰居表 jNT 中 i節(jié)點對應(yīng)的狀態(tài)置為 REQ，i收到 jACK 后把鄰居表 iNT 中 j節(jié)點對應(yīng)的狀態(tài)置為 REQ，再回復 iACK 給 j,j收到后把鄰居表 jNT 中 i節(jié)點對應(yīng)的狀態(tài)置為 ACK，至此， i和 j點就能互相通信了。 NT中還存有與其余節(jié)點的通信距離。每個節(jié)點維護兩個表： MT(Message Table)和 NT(Neighborhood Table)。 在此對 DTRAP的主要思想作簡要的介紹 。 另外，傳感器網(wǎng)的覆蓋是需 要研究的另一個重要方面，如何在保證覆蓋的前提條件下，最優(yōu)地調(diào)度節(jié)點， 引入休眠機制， 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 研究的一個重要問題 。 但 為了保證節(jié)點之間的連通性，節(jié)點之間必須不斷地發(fā)送 Hello消息，這樣做的原因是：盡早發(fā)現(xiàn)失效節(jié)點，及時恢復 以更好地延長網(wǎng)絡(luò)的工作時間。這樣，一直到全網(wǎng)所有的節(jié)點，建立全網(wǎng)的樹，如圖 34所示。 Sink節(jié)點廣播 路由請求消息 (RREQ)， RREQ中攜帶廣播 ID、自己距離 Sink的跳數(shù)、 節(jié)點的能量 。這對于功率不可調(diào)整的網(wǎng)絡(luò)，相當于選擇了最小能量路徑；②盡量讓剩余能量多的節(jié)點完成分組轉(zhuǎn)發(fā)功能，以提高 網(wǎng)絡(luò)的能量均衡性能。 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)。由 于這個概率是 與 能 量 相關(guān)的，可以將通信能 耗分散到多條路徑上，從而可實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)的能量平穩(wěn)降級， 最大限度地延長網(wǎng)絡(luò)的生存期。路 由 的維護是通過 周 期性地從 目 的節(jié)點到源節(jié)點實施洪泛查詢來維持所有路徑的活動 性 。 )N(Cost j 定義為經(jīng)由路 由 表中 節(jié) 點到達目的節(jié)點代價的平均 值 ，即： )N(Costjkjj ij N,NFTk N,N CP??? (35) 節(jié)點 jN 將用 )N(Cost j 值替 換消息中原有的代價值，然后向鄰居 節(jié) 點 廣 播該路由 建 立消 息。 節(jié)點選擇概率與能 量消耗成反比。 (4)節(jié)點要放棄代價 太 大的路徑，節(jié)點 j 將節(jié)點 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)。當路徑建立消息從節(jié)點 iN 發(fā)送到 節(jié) 點 jN 時， 該路徑的通信代價值為節(jié)點 i 的代價值加 上兩個節(jié)點間的通信能量消耗。 (2)當 節(jié)點收到鄰居節(jié)點發(fā)送的路徑建立消息時，相對發(fā)送該消息的鄰居 節(jié) 點，只有當 自 己 距 源節(jié)點 更 近，而 且 距 目 的節(jié)點更 遠 的情況下，才需要轉(zhuǎn)發(fā) 該消息．否則將丟棄該消息。 由于作者的思想和處理辦 法是通過一本厚達幾百頁的書來向我們展示的，本人在拜讀了之后， 個人 認為 能量多路徑路 由 的 主 要過程 可以 簡潔的 描 述如下： (1)目 的節(jié)點 向 鄰居節(jié)點廣播路徑建立消息，啟動路徑建立過程。概率的選擇是根據(jù)節(jié)點到 28 目的節(jié)點的通信代價來 計 算的，在下面的描述 中用 )( iNCost 表 示 節(jié)點 i 到目的節(jié)點的通信代價。路徑建立過程是該協(xié)議的重點內(nèi)容。該機制在源節(jié)點和 目 的節(jié)點之間建立多條路徑，根據(jù)路徑上節(jié)點的通信能 量 消耗以及節(jié)點的剩余能量情況 、給每條路徑賦 予 一定的選擇概率，使得數(shù)據(jù)傳輸均衡消耗整個網(wǎng)絡(luò)的能量，延長整個 網(wǎng) 絡(luò)的生存期。如果頻繁使用同 — 條路徑傳輸數(shù)據(jù)，就會造成該路徑上節(jié) 點 因 能量消耗過快而過早失效，從而使整個 網(wǎng) 絡(luò)分割成互 不 相連的孤立部分．減少了整個網(wǎng)絡(luò)的生存期。由于傳 感器網(wǎng)絡(luò)存在資源約束，節(jié)點只能獲取局部信息， 因 此上述能量路 由 方法只是理想情況下的路 由 策略。在 圖 33 中選擇路徑 3。如路徑 4 中 節(jié)點的可用能量最小為 1，所以該路徑的可用能量是 1。在圖 33中選 擇 路徑 3。在 圖 33 中選 擇 路徑 1。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。 在 圖 33 中，從源節(jié)點到匯聚節(jié)點的可能路徑有： 路徑 1：源節(jié)點 — B— A— 匯聚 節(jié) 點，路徑上所有 節(jié) 點 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 信標交換 NFL 延遲估計 MAC 26 路徑 2：源節(jié)點 — C— B— A— 匯聚節(jié)點， 路徑上所有 節(jié) 點 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 —D—匯聚節(jié)點，路徑 上 所有節(jié)點 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 —F—E—匯聚節(jié)點，路徑上所有節(jié)點 PA 之和為 5，在該路徑上發(fā)送分組需要的能量之和為 6。源節(jié)點是一般功能的傳感器節(jié)點，完成數(shù)據(jù)采集工作。 圖 33 所示的網(wǎng)絡(luò) 中 ，大寫字母表示節(jié)點，如節(jié)點 A， 節(jié)點右側(cè)括號內(nèi)的數(shù)字表 示 節(jié)點的可用能量。能量路由 根據(jù)節(jié)點的可用能量 (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。 SPEED 協(xié)議中各部分之間的關(guān)系如圖 32 所示。節(jié)點還通過反向 壓 力路 由 變更機制避開延遲太大的鏈路和路 由空洞。 SPEED 協(xié)議：是一個 實 時路 由 協(xié)議， 在 一定程度上：實現(xiàn)了端到端的傳輸速率保證、網(wǎng)絡(luò)擁塞控制以及負載平衡 機 制。鄰居節(jié)點在接收到數(shù)據(jù)源節(jié)點的數(shù)據(jù)后．將自己視作數(shù)據(jù)源節(jié)點、重復上述數(shù)據(jù)源節(jié)點的選路過程 。ReInForM(Reliable Information Forwarding using Multiple paths)路 由 從數(shù)據(jù)源節(jié)點開始．考慮可靠性需求、信道質(zhì)量以及傳感器節(jié)點到匯聚節(jié)點的跳數(shù)，決定需要的傳 輸 路徑數(shù) 目 ，以及下一跳節(jié)點數(shù) 目 和相 應(yīng) 的節(jié)點． 實現(xiàn) 滿足 可 靠要 24 求的數(shù)據(jù)傳輸。當主路徑失敗時，定向擴散路 由 需 要使用周期性低速率的洪泛過程重新建立主路徑。在多路徑路由中，如何建立數(shù)據(jù)源節(jié)點到 匯 聚節(jié)點的多條路徑是首要問題。 另外，某些傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需要節(jié)點間通信具有 — 定的 實時性 。傳感器節(jié)點 由于 有限能量供 應(yīng) 和 工 作環(huán)境惡劣經(jīng) 常 面臨失效問題，這為研究適合于傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠路 由 協(xié)議增加了困難。網(wǎng)絡(luò) 中 的節(jié)點形成 一 個以匯聚節(jié)點為根的帶環(huán)樹 (ringed tree)，每個節(jié)點用到樹根的跳數(shù)距離 和 角度范圍來 表示 ，節(jié)點間的數(shù)據(jù)路 由 通過這個 23 帶環(huán)樹 實 現(xiàn)。 GEM(graph embedding)路 由 是 — 種適用于數(shù)據(jù)中心存儲方式的地理路 由 。在 GEAR 路由中，節(jié) 點間的無線鏈路是對稱的。 （ 1） GEAR 路由 GEAR(geographical and energy aware routing ) 路由機制根據(jù)事件區(qū)域的地理位置信息，建立匯聚節(jié)點到事件區(qū)域的優(yōu)化路徑，避免了洪泛傳播方式，從而減少 了 路由建立的開銷。地理位置路 由 假設(shè)節(jié)點知道自己的地理位置信息，以及 目的節(jié) 點或者目的區(qū)域的地理位置，利用這些地理位 置信息作為路 由選擇的依據(jù)，節(jié)點按照 — 定策略轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到目的節(jié)點。 匯聚節(jié)點 源 源 匯聚節(jié)點 匯聚節(jié)點 源 22 地理位置路由 在傳感器網(wǎng)絡(luò)中 ,節(jié)點通常需要獲取它的位置信息，這樣它采集的數(shù)據(jù)才有意義。它的基本 思想是：事件區(qū)域中的 傳感器節(jié)點產(chǎn)生代理 (agent)消息，代理消息沿隨機路徑向外擴散傳播，同時匯聚節(jié)點發(fā)送 的查詢消息也沿隨機路徑在網(wǎng)絡(luò)中傳播。圖 31 顯示了這三個階段的數(shù)據(jù)傳播路徑和力向。 傳感器節(jié)點將采集到的數(shù)據(jù)沿著梯度 方向傳送到匯聚節(jié)點。興趣消息用來表 示 查詢的任務(wù)，表達網(wǎng)絡(luò)用 戶對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)感興趣的信息，例如監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的溫度、濕度和光照等環(huán)境 信 息。 三種路由協(xié)議的簡介 基于查詢的路由 （ 1） 定向擴散路由 定向擴散 (directed diffusion ,DD)是一種基于查詢的路 由 機制 。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的 某些應(yīng) 用對通信的服務(wù)質(zhì) 量 有較高要求 ， 如可靠性和實時性等。在這類應(yīng)用 中 ，通常需要知道目的節(jié)點的精確或者大致地理位置，把節(jié)點 的 位置信息作為路由選擇的依據(jù)，不僅能夠完成節(jié)點路由功能，還可以降低系統(tǒng)專門維護路 由 協(xié)議 的 能耗。 (3)地理位置路 由 協(xié)議。匯 聚節(jié)點 (查詢節(jié)點 )發(fā) 出 任務(wù)查詢命令、傳感 器節(jié)點向查詢節(jié)點報告采集的數(shù)據(jù)。 (2)基于查詢的 路 由協(xié)議。為了強調(diào)高效利用能量的重要性， 因 此將它們劃分為能量感知路由協(xié)議。四種類型的路 由 協(xié)議分別是： (1)能量感知路 由 協(xié)議。但到目 前為止，仍缺乏一個完整和清晰的路由協(xié)議分類。傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)動態(tài)變化， 節(jié)點能量和通信帶寬等資源有限，因此要求路由機制能夠快速收斂，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓撲的動態(tài)變化，減少通信協(xié)議開銷，提高消息傳輸?shù)?效率。能量用盡或環(huán)境因素造成傳感器節(jié)點的失敗，周圍環(huán)境影響無線鏈路的通信質(zhì)量以及無線鏈路本身的缺點等，這些 無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)的不可靠特性要求路由機制具有一定的容錯能力。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，檢測區(qū)域范 圍或節(jié)點密度不同，造成網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大小不同；節(jié)點失敗、新節(jié)點加入以及節(jié)點移動等，都會使得網(wǎng)絡(luò) 19 拓撲結(jié)構(gòu)動態(tài)發(fā)生變化，這就要求路 由 機制具有可擴展性，能夠適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 的變化。傳感器節(jié)點的資源有限，傳感器網(wǎng)絡(luò)的路 由 機制要能夠簡單而 且 高效地實現(xiàn) 信息傳輸。 針對傳感器網(wǎng)絡(luò)路由機制的上述特點，在根據(jù)具體應(yīng)用設(shè)計路出機制時，要滿足下 面 的傳感器網(wǎng)絡(luò)路 由 機制的要求： （ 1） 能量高效。傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用環(huán)境干差萬別， 數(shù)據(jù)通信模式不同，沒有 一個路 由 機制適合所有的應(yīng)用，這是傳感器網(wǎng)絡(luò) 應(yīng) 用相關(guān) 性 的 一個 體現(xiàn)。傳感器網(wǎng)絡(luò)通常包含多個傳感器節(jié)點到少數(shù)匯聚節(jié)點的數(shù)據(jù)流，按照對感知數(shù)據(jù)的需求、數(shù)據(jù)通信模式和流向等，以數(shù)據(jù)為 中 心形成消息的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。 (3)以數(shù)據(jù)為 中 心。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為了節(jié)省通信能量．通常采用多跳的通 信 模式，而節(jié)點有限的存儲資源和計算資源，使得節(jié)點不能存儲大量的路由信息，不能進行 太復雜的路 由 計算。而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的能量有限，延長整個網(wǎng)絡(luò)的生存期成為傳感器網(wǎng)絡(luò)路 由 協(xié)議設(shè)計的重要目標，因此需要考慮節(jié)點的能量消耗以及網(wǎng)絡(luò)能 18 量均衡使用的問題。 與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的路 由 協(xié)議相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路 由 協(xié)議具有以下特點： (1)能量優(yōu)先。此外，傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由機制還經(jīng)常與數(shù)據(jù)融合技術(shù)聯(lián)系 在一 起，通過減少通信量 而 節(jié)省 能量。在無 線傳感器網(wǎng)絡(luò) 中，節(jié) 點能量有限且一般沒有能量補充．因此路 由 協(xié)議需要高效利用能量，同時傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù) 目 往 往 很大，節(jié)點只能獲取局部拓撲結(jié)構(gòu)信息，路由協(xié)議要能在局部網(wǎng)絡(luò)信息的基礎(chǔ)上選擇合適的路徑。 17 第三章 路由協(xié)議 概述 路由協(xié)議負責將數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的 節(jié) 點，它主要包括兩個方面的功能；尋找源節(jié)點和目的節(jié)點間的優(yōu)化路 徑 ，將數(shù)據(jù)分組沿著優(yōu)化路徑正確轉(zhuǎn)發(fā)。 IEEE 802. 標準是針對低速無線個人域網(wǎng)絡(luò)的無線通信標 準 ，把低功耗、低成本作為設(shè) 計 的主要目標，旨在 為個人或者家庭范圍內(nèi)不同設(shè)備之間低速聯(lián)網(wǎng)提供統(tǒng)一標準。 本文后面要探討的能量感知路由 協(xié)議 就是 網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的一種。同 時 ，傳感器拓撲結(jié)構(gòu)動態(tài)變化，網(wǎng)絡(luò)資源也在不斷交化，這些都對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提出了更高的要求。所以，拓撲控制 是 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研 究的核心技術(shù)之一。 1. 網(wǎng)絡(luò)拓撲控制 對于無線的自組織的傳感器網(wǎng)絡(luò)而 言 ，網(wǎng)絡(luò)拓撲控制具有特別重要的意義。 傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為當今信息領(lǐng)域新的研究熱點，涉及多學科交叉的研究領(lǐng)域，有非常多的關(guān)鍵技術(shù)有待發(fā)現(xiàn)和研究，下面僅列出部分關(guān)鍵技術(shù)。這種以數(shù)據(jù)本身作為查詢或傳輸線索的思想 更 接近于自然語言交流 的習慣。用戶使用傳感器網(wǎng)絡(luò)查詢事件時，直接將所關(guān)心的事件通告給網(wǎng)絡(luò)，而不是通告