【正文】 絡(luò)存在的時(shí)間有緊密的聯(lián)系。與 MANET 的 DSR和 AODV 協(xié)議相 比， SPEED 在端到端時(shí)延、丟包率及能量消耗上均優(yōu)于二者。該協(xié) 議 要 求 每 個(gè) 節(jié) 點(diǎn) 維 護(hù) 其 鄰 居 信 息 ， 使 用 SNGF （ stateless geographic nondeterministic forwarding）算法尋找路徑，并確保每個(gè)報(bào)文分組能以指定速度轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)。 QoS 路由協(xié)議 除了上述三種路由協(xié)議分類之外，還有一些路由協(xié)議在路由建立時(shí)，需要考慮吞吐 16 量、端到端時(shí)延等 QoS 性能參數(shù)，特別是在采集視頻和音頻數(shù)據(jù)時(shí)。 具體實(shí)現(xiàn)：當(dāng)劃分好固定的虛擬網(wǎng)格之后，網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)利用 GPS 接受卡指示的位置信息將節(jié)點(diǎn)本身與虛擬網(wǎng)格中某個(gè)點(diǎn)關(guān)聯(lián)映射起來(lái)。其基本思想是網(wǎng)絡(luò)區(qū)被分成固定區(qū)域，形成虛擬網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格里選出一個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)在某段時(shí)間內(nèi)保持清醒，其他節(jié)點(diǎn)都進(jìn)入睡眠狀態(tài)，但是簇首節(jié)點(diǎn)并不做任何數(shù)據(jù)匯聚或者融合工作。 GAF（ Geographic Adaptive Fidelity） Y. Xu 等人提出的一種利用分簇進(jìn)行通信的路由算法。在穩(wěn)定階段中，節(jié)點(diǎn)將采集的數(shù)據(jù)送到簇首節(jié)點(diǎn)，簇首節(jié)點(diǎn)將信息融合后送給匯聚點(diǎn)。二是傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定階段。但利用 LEACH算法選舉出的簇頭分布不均勻，且不適合大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)及能量不均衡的網(wǎng)絡(luò)。簇首的產(chǎn)生算法可以被分為分布式和集中式兩種。 LEACH（ Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy） MIT 的 Chandrakasan 等人為無(wú)線傳感器設(shè)計(jì)的一種分簇路由算法，它的基本思想是以循環(huán)的方式隨機(jī)選擇簇首節(jié)點(diǎn)，平均分配整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量到每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，從而可以降低網(wǎng)絡(luò)能源消耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。通過(guò)將整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域分為若干個(gè)簇，每個(gè)簇中選舉一個(gè)簇頭，通過(guò) 15 多跳通信及數(shù)據(jù)融合來(lái)減少傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)的信息量，從而節(jié)約能量消耗。三是使用一個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)最大的節(jié)點(diǎn)標(biāo)記自己為邊界節(jié)點(diǎn)。二是使用兩個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，則邊界節(jié)點(diǎn)只知道自己處于網(wǎng)絡(luò)邊界不知道自己的精確位置消息。一是確定邊界節(jié)點(diǎn)都為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，則非邊界節(jié)點(diǎn)通過(guò)邊界節(jié)點(diǎn)確定自己的位置信息。關(guān)鍵是利用某些知道自己位置信息的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)確定全局坐標(biāo)系及其他節(jié)點(diǎn)在坐標(biāo)系中的位置。 GRWLI（ Geographic Routing Without Location Information） A. Rao 等人提出了建立全局坐標(biāo)系的路由協(xié)議，其前提是需要少數(shù)節(jié)點(diǎn)精確位置信息。建立好系統(tǒng)之后，利用虛擬極坐標(biāo)算法發(fā)送消息，即節(jié)點(diǎn)收到消息檢查是否在自己的角度范圍之內(nèi)，不在就向父節(jié)點(diǎn)傳遞消息，直到消息到達(dá)包含目的位置角度的節(jié)點(diǎn)。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)以基站或匯聚節(jié)點(diǎn)為根的帶環(huán)樹(shù)。如果數(shù)據(jù)包已經(jīng)到達(dá)目標(biāo)區(qū)域，利用遞歸的地理傳遞方式和受限的擴(kuò)散方式發(fā)布該數(shù)據(jù)。 14 具體實(shí)現(xiàn)：首先向目標(biāo)區(qū)域傳遞數(shù)據(jù)包，當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包時(shí)，先檢查是否有鄰居比它更接近目標(biāo)區(qū)域。 GEAR（ Geographical and Energy Aware Routing） Y. Yu 等人提出了 GEAR 路由協(xié)議，即根據(jù)時(shí)間區(qū)域的地址位置，建立基站或者匯聚節(jié)點(diǎn)到時(shí)間區(qū)域的優(yōu)化路徑。 SPIN 協(xié)議通過(guò)協(xié)商完成資源自適應(yīng)算法，即在發(fā)送真正數(shù)據(jù)之前，經(jīng)過(guò)協(xié)商壓縮重復(fù)的信息，避免冗余數(shù)據(jù)的發(fā)送；另外， SPIN協(xié)議有權(quán)訪問(wèn)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前能量水平，根據(jù)節(jié)點(diǎn)剩余能量水平調(diào)整協(xié)議，所以可以延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存期。 SPIN（ Sensor Protocols for Information via Negotiation） W. Heinzelman 等人提出的一種自適應(yīng)的 SPIN 路由 協(xié)議。 具體實(shí)現(xiàn)：每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個(gè)鄰居列表和一個(gè)事件列表，當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到一個(gè)事件發(fā)生時(shí)，在事件列表中增加一個(gè)表項(xiàng)并根據(jù)概率產(chǎn)生一個(gè)代理消息，代理消息是一個(gè)包含事件相關(guān)信息的分組，將事件傳給經(jīng)過(guò)的節(jié)點(diǎn)，收到代理消息的節(jié)點(diǎn)檢查表項(xiàng)進(jìn)行更新和增加表項(xiàng)的操作。同時(shí)，基站或者匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送的查詢消息也會(huì)沿著隨機(jī)路徑在網(wǎng)絡(luò)中傳播。 謠傳路由（ Rumor Routing） 13 D. Braginsky 等人提出的適用于數(shù)據(jù)傳輸量較小的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。 具體實(shí)現(xiàn)：首先是興趣消息擴(kuò)散，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都在本地保存一 個(gè)興趣列表，其中專門存在一個(gè)表項(xiàng)用來(lái)記錄發(fā)送該興趣消息的鄰居節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)發(fā)送速率和時(shí)間戳等相關(guān)信息，之后建立傳輸梯度。該協(xié)議通過(guò)將來(lái)自不同源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)聚集再重新路由達(dá)到消除冗余和最大程度降低數(shù)據(jù)傳輸量的目的，因此可以節(jié)約網(wǎng)絡(luò)能量、延長(zhǎng)系統(tǒng)的生存期。 具體實(shí)現(xiàn)：節(jié)點(diǎn) A 希望發(fā)送數(shù)據(jù)給節(jié)點(diǎn) B，節(jié)點(diǎn) A 首先通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)的副本傳給其每一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)又將其傳給除 A外的其他的鄰居節(jié)點(diǎn)，直到將數(shù)據(jù)傳到 B為止或者為該數(shù)據(jù)設(shè)定的生命期限 變?yōu)榱銥橹够蛘咚泄?jié)點(diǎn)擁有此副本為止。它實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，不需要為保持網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒑蛯?shí)現(xiàn)復(fù)雜的路由算法消耗計(jì)算資源，適用于健壯性要求高的場(chǎng)合。 本文根據(jù)不同的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸模型 ,對(duì)目前的路由協(xié)議作 了以下四種分類：廣播式路由協(xié)議、坐標(biāo)式路由協(xié)議 、分簇式路由路由和 QoS 的路由協(xié)議，并對(duì)各類路由協(xié)議進(jìn)行了分析。 魯棒性 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于環(huán)境和節(jié)點(diǎn)的能量耗盡造成傳感器的失效、 通信質(zhì)量的降低使網(wǎng)絡(luò)變得不可靠，所以在路由協(xié)議的設(shè)計(jì)過(guò)程中必須考慮軟硬件的高容錯(cuò)性，保障網(wǎng)絡(luò)的健壯性 。 可擴(kuò)展性 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用決定了它的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不是永遠(yuǎn)不變的，而且很容易造成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)發(fā)生變化，所以要求路由協(xié)議有可擴(kuò)展性，可以適應(yīng)結(jié)構(gòu)的變化。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議，它具有能量?jī)?yōu)先、基于局部的拓?fù)湫畔?、以?shù)據(jù)為中心和應(yīng)用相關(guān)四個(gè)特點(diǎn)，因而，根據(jù)具體的應(yīng)用設(shè)計(jì)路由機(jī)制時(shí)，從四個(gè)方面衡量路由協(xié)議的優(yōu)劣： 能量高效 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)的能量問(wèn)題。由于其應(yīng)用相關(guān)性，單一的路由協(xié)議不能滿足各種應(yīng)用需求 ,因而研究人員提出了多種不同的路由協(xié)議。這使得傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議和MANET 的路由協(xié)議均不適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，必須依據(jù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)新的路由協(xié)議，使之 有效地保證無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)功能的正常實(shí)施。 10 開(kāi)始 定義輸入和輸出 確定系統(tǒng)模型 確定運(yùn)行仿真 選擇需要建模的方面 理解仿真目的 理解系統(tǒng) 系統(tǒng)結(jié)果精確？ 是 結(jié)果足夠詳細(xì)？ 結(jié)果統(tǒng)計(jì)可用？ 否 否 否 結(jié)束 11 圖 16 OPNET 仿真流程圖 第二章 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由研究 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由概述 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)的路由具有很大的差別。 圖 15 OPNET 安裝圖 OPNET 仿真 OPNET 提供了三層 機(jī)制，分別為：進(jìn)程層、節(jié)點(diǎn)層、網(wǎng)絡(luò)層。另外， OPNET 在 Windows 平臺(tái)下還支持 和編程語(yǔ)言 VC 的聯(lián)合調(diào)試。 系統(tǒng)的完全開(kāi)放性 Modeler 中源碼全部開(kāi)放，用戶可以根據(jù)個(gè)人的需要添加或者修改已有的源碼。 對(duì)協(xié)議編程的全面支持 支持 400 多個(gè)庫(kù)函數(shù)以及書寫風(fēng)格簡(jiǎn)潔的協(xié)議模型。用戶可以隨心所欲地控制仿真的詳細(xì)程度。這也是 Modeler 建模的重要機(jī)制，這種機(jī)制對(duì)項(xiàng)目的管理和分工很有幫助。在過(guò)程層次模擬單個(gè)對(duì)象的行為，在節(jié)點(diǎn)層次中將其互連成設(shè)備，在網(wǎng)絡(luò)層次中將這些設(shè)備互連組 8 成網(wǎng)絡(luò)。各模塊間通過(guò)數(shù)據(jù)包和狀態(tài)信息的傳遞來(lái)進(jìn)行各種操作，從 而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的功能。各個(gè)狀態(tài)再分別進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。 OPNET Modeler 的主要特性 OPNET Modeler 的主要特性包含以下幾點(diǎn)： 層次化的網(wǎng)絡(luò)模型 OPNET Modeler 提供了三層建模機(jī)制，分別在進(jìn)程層、節(jié)點(diǎn)層、網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行由下到上的建模機(jī)制。通過(guò)探頭得到的 仿真 輸出能夠以圖形化顯示、數(shù)字方式觀察、輸出到第三方的 軟件包 去。 OPNET 簡(jiǎn)介 OPNET 是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)軟件包，它能準(zhǔn)確的分析復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的性能和行為。另外，在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，安全的概念也發(fā)生了變化，隱私保護(hù)是極其重要，而授權(quán)重要性卻降低。 網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常都會(huì)布置在無(wú)人維護(hù)、不可控制的環(huán)境情況中，所以傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全性一直是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議必須考慮有效地使用能量，以數(shù)據(jù)為中心，或者利用地理位置信息進(jìn)行路由。首先，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量多，沒(méi)有采用全網(wǎng)統(tǒng)一的編址；此外，節(jié)點(diǎn)能量有限并且大都處于靜止?fàn)顟B(tài)等特點(diǎn)，使得傳感器網(wǎng)絡(luò)不能采用傳統(tǒng)的基于 IP的路由協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼夹g(shù)現(xiàn)在研究的主要問(wèn)題是在滿足網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通度和覆蓋度的前提下，通過(guò)功率控制和骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的選擇，剔除節(jié)點(diǎn)之間一些不必要的無(wú)線通信鏈路，生成一個(gè)高效率的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。與此同時(shí)，拓?fù)浼夹g(shù)對(duì)路由協(xié)議性能的影響也非常大。 圖 13 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧 各層協(xié)議、管理器的功能如下： 物理層 提供簡(jiǎn)單并且健壯的信號(hào)調(diào)制和無(wú)線收發(fā)技術(shù)； 數(shù)據(jù)鏈路層 負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)成幀、幀檢測(cè)、媒體訪問(wèn)、 差錯(cuò)控制 ； 應(yīng)用層 傳輸層 網(wǎng)絡(luò)層 數(shù)據(jù)鏈路層 物理層 能 量 管 理 平 臺(tái) 移動(dòng)管理平臺(tái) 任務(wù)管理 平臺(tái) 6 網(wǎng)絡(luò)層 主要負(fù)責(zé)路由生成與 選擇 ； 傳輸層 負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流傳輸控制，是保證通信服務(wù)質(zhì)量的重要組成部分； 應(yīng)用層 通常包括一系列基于監(jiān)測(cè)任務(wù)的應(yīng)用層軟件； 能量管理器是管理傳感器節(jié)點(diǎn)如何使用能源，在各個(gè)協(xié)議層都需要考慮到節(jié)省能量； 移動(dòng)管理器檢測(cè)并且注冊(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，維護(hù)到匯聚節(jié)點(diǎn)的路由，使傳感器節(jié)點(diǎn)能夠動(dòng)態(tài)跟蹤其鄰居的位置； 任務(wù)管理器在一個(gè)給定的區(qū)域內(nèi)平衡、調(diào)度監(jiān)測(cè)任務(wù)。另外，協(xié)議棧還應(yīng)包括能量管理器、拓?fù)涔芾砥?、任?wù)管理器。 處理器 傳感器 AC/DC 網(wǎng)絡(luò) MAC 收發(fā)器 儲(chǔ)存器 傳感器模塊 處理器模塊 無(wú)線通信模塊 能 量 供 應(yīng) 模 塊 圖 12 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)模塊結(jié)構(gòu) 5 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)通常由四部分組成（如圖 12）： 傳感器模塊：用來(lái)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換； 處理器模塊：用來(lái)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作、存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù)； 無(wú)線通信模塊：用來(lái)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通信、交換控制消息和收發(fā)采集消息，它有四種狀態(tài)：發(fā)送、接受、空閑、睡眠； 能量供應(yīng)模塊：用來(lái)為 傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能量，通常會(huì)采用微電池型。匯聚節(jié)點(diǎn)可以是一個(gè)具有增強(qiáng)功能的傳感器節(jié)點(diǎn)，有足夠的能量供給、更多的 Flash 和 SRAM中的所有信息傳輸?shù)接?jì)算機(jī)系統(tǒng)中，通過(guò)匯編軟件，可很便捷地把獲取的信息轉(zhuǎn)換為匯編文件格式，從而分析出傳感節(jié)點(diǎn)所存儲(chǔ)的 程序代碼、路由協(xié)議和密鑰等信息，同時(shí)也可以修改程序代碼，并加載到傳感節(jié)點(diǎn)當(dāng)中。從網(wǎng)絡(luò)功能上看，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)除了要進(jìn)行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理之外，還要對(duì) 其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)而來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理和融合，并與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)作完成一些特定任務(wù)。用戶通過(guò)管理節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相應(yīng)的配置和管理，發(fā)布監(jiān)測(cè)任務(wù)及收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)組成結(jié)構(gòu) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常都會(huì)包括傳感器節(jié)點(diǎn) EndDevice、匯聚節(jié)點(diǎn) Router 和管理節(jié)點(diǎn) Coordinator，如圖 11所示： 節(jié)點(diǎn) Coordinator，如圖 11所示： 圖 11 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 大量的傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)部或者附近，能夠通過(guò)自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。 Radio frequency： gateway 或節(jié)點(diǎn)用以收發(fā)資料。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有大規(guī)模、自組織、可靠性、動(dòng)態(tài)性、以數(shù)據(jù)為中心、集成化、協(xié)作方式執(zhí)行任務(wù)、具有密集的節(jié)點(diǎn)布置、自組織方式等特點(diǎn)?；跓o(wú)線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和 ME