【正文】 發(fā)展的報告中，已分別將無限傳感器網(wǎng)絡列為21世紀最有影響的21項技術和改變世界的10項技術之一[34]。大量傳感器網(wǎng)絡節(jié)點隨機部署在監(jiān)測區(qū)域（Sensor Field）內部或附近，具有無線通信與計算能力的微小傳感器網(wǎng)絡節(jié)點通過自組織方式構成的能根據(jù)環(huán)境自主完成指定任務的分布式智能化網(wǎng)絡系統(tǒng)，并以協(xié)作的方式實時感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中的信息，最后通過多跳網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)經(jīng)由Sink節(jié)點鏈路將整個區(qū)域內的信息傳送到遠程控制管理節(jié)點。Internet/通信衛(wèi)星任務管理節(jié)點用戶傳感區(qū)域傳感器節(jié)點ABCDESink 一個典型的傳感器網(wǎng)絡的體系結構 傳感器網(wǎng)絡節(jié)點傳感器網(wǎng)絡節(jié)點是無線傳感器網(wǎng)絡中部署到研究區(qū)域中孕育收集和轉發(fā)信息、寫作完成指定任務的對象。傳感器網(wǎng)絡節(jié)點由傳感器模塊，處理模塊，無線通信模塊和能量供應模塊四部分組成[79]，如圖12所示。對于不同的探測物理量，傳感器模塊將采用不同的信號處理方式。（2）處理器模塊：處理器模塊是無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的核心，負責整個節(jié)點的設備控制、任務分配與調度、數(shù)據(jù)整合與傳輸?shù)榷鄠€關鍵任務，考慮無線傳感器網(wǎng)絡的實際特點，作為硬件平臺的中心模塊，除了應具備一般單片機的基本性能外，還應該有適合整個網(wǎng)絡需要的特點。集成度方面，其內部集成了幾乎所有關鍵部件；指令執(zhí)行方面，微控制單元采用Harvard結構，因此，指令大多為單周期；能源管理方面，AVR單片機提供了多種電源管理方式，盡管節(jié)省節(jié)點能源，可擴展性方面，提供了多個I/O口，并且和通用單片機兼容，另外，AVR系列單片機提供的USART（通用同步異步收發(fā)器）控制器，SPI（串行外圍接口）控制器，與無線收發(fā)模塊相結合，實現(xiàn)了大吞吐量，高速率的數(shù)據(jù)收發(fā)。（3）無線手法模塊：無線收發(fā)模塊用于傳感器節(jié)點間的數(shù)據(jù)通信，解決無線通信中載波頻段選擇、信號調制方式、數(shù)據(jù)傳輸速率，編碼方式等，并通過天線進行節(jié)點間、節(jié)點與基站間數(shù)據(jù)的收發(fā)。具有250Hz步長可編程頻率能力，適用于跳頻協(xié)議，主要工作參數(shù)能通過串行總線接口編程改變，使用非常靈活。由于是無線網(wǎng)絡，所以無法采用普通的工業(yè)電能，只能使用自己已存儲的能源或者是自然界的給予。無線傳感器網(wǎng)絡是集成了監(jiān)測、控制以及無線通信的網(wǎng)絡系統(tǒng)，節(jié)點數(shù)目有時很龐大，節(jié)點分布密集，由于環(huán)境影響和能量耗盡，節(jié)點很容易出現(xiàn)故障。通常情況下，大多數(shù)傳感器網(wǎng)絡節(jié)點是固定不動的。傳感器網(wǎng)絡節(jié)點使得無線傳感網(wǎng)網(wǎng)絡具有以下與傳統(tǒng)網(wǎng)絡不同的特點[1011]。傳感器網(wǎng)絡的傳感器的通信帶寬有限而且經(jīng)常變化，通信覆蓋范圍只有幾十到幾百米。 (2)電源能量有限。在傳感器網(wǎng)絡設計過程中，任何技術和協(xié)議的使用都要以節(jié)能為前提，最大網(wǎng)絡的生命周期。在無線傳感器網(wǎng)絡中，節(jié)點的計算能力與內存空間受到種種限制，如價格、體積、能耗，因此，相對于普通計算機，它們的功能要弱很多。這個特點使得網(wǎng)絡的維護十分困難甚至不可維護，傳感器網(wǎng)絡的軟、硬件必須具有高強壯性和容錯性。網(wǎng)絡的拓撲結構動態(tài)變化，節(jié)點加入網(wǎng)絡或者從網(wǎng)絡中分離的情況可以隨時發(fā)生，使傳感器、感知對象和觀察者三者之間的路徑也隨之變化，但是不會對整個網(wǎng)絡產(chǎn)生影響。(6) 多跳路由。無線傳感器網(wǎng)絡的路由無法像固定網(wǎng)絡一樣通過網(wǎng)關與路由器，而只能通過普通節(jié)點對信息的發(fā)送與轉發(fā)完成。為保證對目標區(qū)域的監(jiān)控任務能夠完成，同一時間段內會有大量傳感器被投入目標區(qū)域，傳感器節(jié)點的分布相當密集，利用節(jié)點之間的高連通度保證系統(tǒng)的容錯性和抗毀性。 上層應用定位系統(tǒng)管理時間同步QoS傳輸控制路由數(shù)據(jù)鏈路物理層系統(tǒng)管理應用系統(tǒng)管理與基礎服務通信與組網(wǎng)（1）物理層：以發(fā)送接收信號為主要功能的物理層首先要考慮的是信號的傳輸介質。無線電通信面臨的主要問題主要是無線頻段的選擇、信號調制技術和擴展頻技術等。（2）數(shù)據(jù)鏈路層：數(shù)據(jù)鏈路層關注的重點是介質訪問控制（MAC，Medium Access Control）。在傳統(tǒng)網(wǎng)絡中，主要有預置信道和隨機分配信道兩種基本信道分配原則。（3）網(wǎng)絡層：網(wǎng)絡層路由協(xié)議是網(wǎng)絡中任意需要通信的兩點間建立并維護數(shù)據(jù)傳輸路徑的重要協(xié)議。（4）傳輸層：傳輸層主要負責數(shù)據(jù)流的傳輸控制，在網(wǎng)絡層的基礎上為應用層提供一個可靠、高質量的數(shù)據(jù)傳輸任務。（5）應用層：應用層包括一系列基于監(jiān)測任務的應用軟件，由于遠程測控是無線傳感器網(wǎng)絡目前主要應用，所以目前的研究熱點之一是對大量傳感器采集信息的分布式處理，以及其他面向應用的處理等。（1）定位和時間同步子層：由于不同節(jié)點的晶體振蕩器頻率存在偏差，以及應用環(huán)境溫度和周圍電磁波等的影響，即使一些節(jié)點從某一時刻開始達到精確的同步，但是，隨著時間的推移，它們的誤差會逐漸增加。（2）系統(tǒng)管理子層：由于許多實際的無限傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)是在長期無人值守的條件下工作的，因此，需要對網(wǎng)絡各個性能指標進行實時監(jiān)測和對節(jié)點能力耗盡、功能失效等不正常現(xiàn)象提前報警，從而為及時排除網(wǎng)絡故障或追加布設節(jié)點提供幫助。 傳感器網(wǎng)絡的關鍵技術（1）網(wǎng)絡拓撲控制[14]：通過拓撲控制自動生成的良好的網(wǎng)絡拓撲結構，能夠提高路由協(xié)議和MAC協(xié)議的效率，為數(shù)據(jù)融合、時間同步和目標定位等奠定基礎，有利于節(jié)省能量來延長網(wǎng)絡生存期。同時，傳感器網(wǎng)絡除結構動態(tài)變化外，網(wǎng)絡資源也在不斷的變化，這些都對網(wǎng)絡協(xié)議提出更高的要求。（3）時間同步：實現(xiàn)時間同步是傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)協(xié)同工作的一個關鍵機制。（4）定位技術：確定事件發(fā)生的位置或采集數(shù)據(jù)的節(jié)點位置是傳感器網(wǎng)絡最基本的功能之一，根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡的自身特點，定位機制必須滿足自組織性、健壯性、能量高效性和分布式計算等要求。因此，在設計無線傳感器網(wǎng)絡時，必須面向需求設計針對性強的數(shù)據(jù)融合方法，才能使系統(tǒng)最大限度的獲益。無線傳感器網(wǎng)絡的構想最初是由美國軍方提出的，美國國防部高級研究所計劃署（DARPA）于1978年開始資助卡耐基梅隆大學進行分布式傳感器網(wǎng)絡的研究，這被看成是無線傳感器網(wǎng)絡的雛形。美國所有著名的院校幾乎都有研究小組從事傳感器網(wǎng)絡相關技術的研究，著名的有UC Berkeley的Smart Dusut項目、UCLA的WINS項目，以及多所研究機構聯(lián)合攻關的SensIT計劃等[15]。前者以數(shù)據(jù)為中心，后者以傳輸數(shù)據(jù)為目的。由于無線傳感器節(jié)點能量有限，且只具有局部網(wǎng)絡信息，傳感器網(wǎng)絡中的路由協(xié)議具有很多傳統(tǒng)網(wǎng)絡路由協(xié)議所沒有的特點。但是現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議都存在一定的缺陷，本文的研究目的就是對現(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議中的分級路由協(xié)議進行研究并改進，設計出新的、更適合于無線傳感器網(wǎng)絡特點的路由協(xié)議。本文的主要篇章結構如下：第一章為緒論，首先對無線傳感器網(wǎng)絡作了概述，介紹了無線傳感器網(wǎng)絡的結構、特征、協(xié)議棧和關鍵技術等。第二章對無線傳感器網(wǎng)絡的MAC層協(xié)議做了描述，重點對無線傳感器網(wǎng)絡的路由協(xié)議進行介紹，對比分析了現(xiàn)有的多種無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議和算法，歸納出了無線傳感器網(wǎng)絡路由的特點以及設計無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議時應該考慮的因素。第四章在是仿真測試與評價，將兩種路由協(xié)議置于不同的網(wǎng)絡規(guī)模下，觀察改進后的算法在性能、功耗、吞吐量等方面是否優(yōu)于原有的定向擴散算法。而為傳感器網(wǎng)絡設計的MAC層協(xié)議關注的是最小化能耗，這就決定了它需要在某些性能方面進行折中，如通過適度的減小吞吐量和增加時延來保證低功耗要求等[17]。傳感器網(wǎng)絡節(jié)點無線通信模塊的狀態(tài)包括發(fā)送狀態(tài)、接收狀態(tài)、偵聽狀態(tài)和睡眠狀態(tài)等，單位時間內消耗的能量按照上述順序依次減少。當有數(shù)據(jù)收發(fā)時，節(jié)點就開啟無線通信模塊進行發(fā)送或偵聽；如果沒有數(shù)據(jù)收發(fā)，節(jié)點就控制無線通信模塊進入睡眠狀態(tài)，從而減少空閑偵聽所造成的能量消耗。根據(jù)不同的應用，可以采用不同的協(xié)調機制。 固定分配類MAC協(xié)議原有的固定分配類MAC層協(xié)議主要有頻分多址接入（FDMA，F(xiàn)requency Division Multiple Access）、時分多址接入（TDMA，Time Division Multiple Access）和碼分多址接入（CDMA，Code Division Multiple Access）三種[1821]。其基本思想是為每一對鄰居節(jié)點分配一個特有的頻率進行數(shù)據(jù)傳輸，不同節(jié)點對間的頻率互不干擾，從而避免同時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)之間產(chǎn)生碰撞。鏈路由隨即選擇的時隙和固定的頻率組成。在鏈接階段使用一個隨即喚醒機制，在空閑時關掉無線收發(fā)裝置，來達到節(jié)能的目的。FDMA技術提供多信道，使多個節(jié)點之間可以同時通信，有效地避免了沖突。（3）DEANA分布式能量感知節(jié)點活動協(xié)議（DEANA，Distributed EnergyAware Node Activation）中將幀分為調度訪問部分和隨機訪問部分。為了進一步節(jié)省能量，每個時隙又細分為前部的控制部分和后部的數(shù)據(jù)部分。在控制部分，所有節(jié)點都處于接收狀態(tài)，如果節(jié)點不是數(shù)據(jù)接受者，則可以在隨后的數(shù)據(jù)發(fā)送部分進入睡眠狀態(tài)，以便減少接收不必要的數(shù)據(jù)。TRAMA將時間分成時隙，用基于各節(jié)點流量信息的分布式選舉算法來決定哪個節(jié)點可以在某個特定的時隙傳輸，以此來達到一定的吞吐量和公平性。仿真顯示[22]，由于節(jié)點最多可以睡眠87%，所以TRAMA節(jié)能效果明顯。 基于競爭類MAC層協(xié)議“競爭”的含義是，鏈接到信道上的節(jié)點咨詢某種規(guī)則征用信道，得到使用權的節(jié)點可以進行通信。傳統(tǒng)的基于競爭類的MAC協(xié)議包括ALOHA和帶有沖突監(jiān)測的載波偵聽多路存取CSMA[2325]等。包括虛擬與物理的載波監(jiān)聽和RTS/CTS交換。它的主要設計目標是提供良好的擴展性，減少節(jié)點能量的消耗（2）TMACTMAC(TimeoutMAC)在SMAC的基礎上引入適應性占空比，來應付不同時間和位置上負載的變化。這就意味著，為了保證可靠、及時地通信，節(jié)點的活動時間必須適應最高通信負載。為了解決這個問題，TMAC在保持整個周期長度不變的基礎上，根據(jù)消息流量動態(tài)地終止了節(jié)點活動，通過設定細微的超時間隔（FineGrained Timeouts）來動態(tài)地選擇占空比。通過這種動態(tài)改變活動時間的方式，減少了閑時監(jiān)聽浪費的能量，但仍可以保持合理的吞吐量。其中，%的時間處于睡眠，在醒來時發(fā)出詢問信標。但許多協(xié)議需要使用全局信息來進行調度，這使得它們在大多數(shù)傳感器網(wǎng)絡中不可用，基于競爭的協(xié)議可以大幅度的減少沖突的機會，從而節(jié)約了能源，但它們通常很難保證實時性要求，適用于一些對可預見性要求不高的網(wǎng)絡。但在無線傳感器網(wǎng)絡中，由于節(jié)點能量有限且一般沒有能量補充，因此路由協(xié)議需要高效利用能力，同時傳感器網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)目往往很大，節(jié)點只能獲取局部拓撲信息，路由協(xié)議要能在局部網(wǎng)絡信息的基礎上選擇何時的路徑。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡的路由協(xié)議相比，無線傳感器網(wǎng)絡的路由協(xié)議具有以下特點[2627]。傳統(tǒng)路由協(xié)議在選擇最優(yōu)路徑時，很少考慮節(jié)點的能量消耗問題。第二，基于局部拓撲信息。因此，無線傳感器網(wǎng)絡的一個基本問題就是，如何在節(jié)點只能獲取局部拓撲信息和資源有限的情況下，實現(xiàn)簡單高效的路由機制。無線傳感器網(wǎng)絡中大量節(jié)點隨機部署，所關注的是監(jiān)測區(qū)域的感知數(shù)據(jù)，而不是具體哪個節(jié)點獲取的信息，不依賴于全網(wǎng)唯一的標識。第四，應用相關。針對傳感器網(wǎng)絡路由機制的上述特點，在根據(jù)具體應用設計路由機制時，要滿足下面的傳感器網(wǎng)絡路由機制要求[2829]。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。即使網(wǎng)絡有比較充足的能量，有些節(jié)點的數(shù)據(jù)也不能傳送到匯聚點。在無線傳感器網(wǎng)絡中，監(jiān)測區(qū)域范圍或節(jié)點密度不同，都會造成網(wǎng)絡規(guī)模大小不同；節(jié)點失敗、新節(jié)點加人以及節(jié)點移動等，都會使得網(wǎng)絡拓撲結構動態(tài)發(fā)生變化，這就要求路由機制具有可擴展性，以便適應網(wǎng)絡結構的變化。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量以及無線鏈路本身的缺點等，這些無線傳感器網(wǎng)絡的不可靠特性要求路由機制具有一定的容錯能力。傳感器網(wǎng)絡的拓撲結構動態(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怏速收斂，以適應網(wǎng)絡拓撲的動態(tài)變化，減少通信協(xié)議開銷，提高消息傳輸?shù)男省?泛洪路由協(xié)議（1）泛洪協(xié)議泛洪（Flooding）[30]協(xié)議是一種傳統(tǒng)的無線通信路由協(xié)議。如此繼續(xù)下去，最后將信息數(shù)據(jù)發(fā)送給目的節(jié)點。而且這個協(xié)議容易引起信息的“內爆”（Implosion），即一個節(jié)點可能得到一個數(shù)據(jù)多個副本的現(xiàn)象，傳感器節(jié)點A將采集到的數(shù)據(jù)沿著不同的節(jié)點B, C傳輸，最終傳給了同一個節(jié)點D，節(jié)點D對同一個數(shù)據(jù)收到了兩次，；還會引起消息“重置”（Overlap），即處于同一觀測環(huán)境的兩個相鄰的同類傳感器節(jié)點A和B同時對一個事件C作出反應，二者采集的數(shù)據(jù)性質相同，數(shù)值相近，這兩個節(jié)點的鄰居節(jié)點C將收到雙份數(shù)據(jù)副本，造成資源的浪費。ACBDDataDataDataData 內爆CBAb,ca,cacb（2）Gossiping協(xié)議Gossiping[31]協(xié)議是在泛洪協(xié)議的基礎上進行改進而提出的。獲得信息的鄰居節(jié)點以同樣的方式隨機地選擇下一個節(jié)點進行信息的傳遞。這種方式避免了以廣播形式進行信息傳播的能量消耗，節(jié)約能量，在一定程度上解決了信息“內爆”問題，但其代價是延長了信息的數(shù)據(jù)傳輸平均時延，傳輸速度變慢，并且無法解決部分重置現(xiàn)象和盲目使用資源問題。以數(shù)據(jù)為中心路由還可分為事件驅動模式和查詢驅動模式。節(jié)點僅廣播采集數(shù)據(jù)的屬性描述信息（元數(shù)據(jù)metadata）而不是數(shù)據(jù)本身，當有相應的請求時，才有目的地發(fā)送數(shù)據(jù)信息。SPIN協(xié)議有三種類型的消息，即ADV、REQ和DATA。REQ用于回復同意發(fā)送數(shù)據(jù)