【正文】 圍內(nèi)研究WSN領(lǐng)域的浪潮。相比傳統(tǒng)的網(wǎng)線網(wǎng)絡(luò)來說，WSN網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模更大、組織能力更強(qiáng)，而且還具有一些之前沒有的新特征，例如WSN網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)信息為核心的，其路由為多跳，其拓?fù)錇閯討B(tài)。因此在繼互聯(lián)網(wǎng)之后，WSN成為IT領(lǐng)域的又一個(gè)熱點(diǎn)技術(shù)，將對21世紀(jì)的產(chǎn)業(yè)變革產(chǎn)生巨大推動力，更會深刻影響到未來的人類社會生活。當(dāng)前，作為一項(xiàng)新興技術(shù)，無論是對WSN理論體系的研究，還是對其在應(yīng)用上的開發(fā)，都還處于探索階段。其功能可以描述為：對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膶?shí)時(shí)狀態(tài)及時(shí)全程掌握，對多個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸信息進(jìn)行交換，將源節(jié)點(diǎn)與其相匹配的目的節(jié)點(diǎn)聯(lián)系起來，在兩者之間建立合適的傳輸路徑，依此傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)信息?？紤]到WSN的傳感器節(jié)點(diǎn)能量受限這一顯著特征，設(shè)計(jì)WSN路由協(xié)議的首要目標(biāo)就是建立能量有效的數(shù)據(jù)傳輸路徑和安全的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，使得WSN的應(yīng)用期限不斷增加[10]。單徑路由的優(yōu)勢在于其簡單的結(jié)構(gòu)和較少的通信開銷量，從而在設(shè)計(jì)難度不高，相對較為簡單，存儲所占用的虛擬空間也不多；但其缺點(diǎn)在于沒有很好的容錯(cuò)性[11]，如果第一次建立的路徑無法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸就無法再繼續(xù)使用，只得再次啟動建立新的路由，需要消耗大量能量，不符合WSN的特點(diǎn)。該協(xié)議設(shè)計(jì)起來非常簡單，執(zhí)行起來也很容易，但卻使得傳輸實(shí)時(shí)性大為降低，協(xié)議擴(kuò)展性也難以體現(xiàn)。該協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸所消耗的能量較多，并不適合于大量的網(wǎng)絡(luò)事件。該協(xié)議的缺點(diǎn)是可能會使網(wǎng)絡(luò)流量呈現(xiàn)不均勻分布，對網(wǎng)絡(luò)的連通性和網(wǎng)絡(luò)壽命有所影響。(5)SPEED協(xié)議[16]：這是一種適時(shí)路由協(xié)議，其決定路由的依據(jù)是節(jié)點(diǎn)的地理位置信息，并充分考慮到了QoS參數(shù)，如傳輸速率、網(wǎng)絡(luò)擁擠、負(fù)載平衡等。單經(jīng)路由在不斷增大的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和越來越多的信息傳遞的形勢下，表現(xiàn)出越來越明顯的局限性，例如網(wǎng)絡(luò)負(fù)載不均衡、數(shù)據(jù)傳輸過程不安全、寬使用率較低、容易造成路徑堵塞等。以下7中多徑路由協(xié)議在研究和應(yīng)用中比較常見： (1)Floodin協(xié)議：又稱為泛洪協(xié)議，比較簡單但卻很經(jīng)典，當(dāng)某一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，就會在數(shù)據(jù)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)或者數(shù)據(jù)包過期之前，用廣播的方式向鄰居節(jié)點(diǎn)傳遞信息。(2)SPIN協(xié)議[17]：該協(xié)議為了減少數(shù)據(jù)重復(fù)現(xiàn)象，化解信息內(nèi)暴矛盾，在構(gòu)建多路徑的時(shí)候引進(jìn)了“三次握手”的路徑機(jī)制，但這也帶來過分依賴數(shù)據(jù)需求的問題，數(shù)據(jù)在傳輸過程中被一個(gè)節(jié)點(diǎn)拒收，也無法再向其他節(jié)點(diǎn)傳輸，這就造成了數(shù)據(jù)傳輸中斷的問題。該協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)在于良好的健壯性和較少的數(shù)據(jù)通信量，缺點(diǎn)在于過大的開銷和一定程度上的時(shí)延。 (5)MDR協(xié)議[20]：該協(xié)議在平時(shí)狀態(tài)下并不會主動構(gòu)建路徑，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)需要向目的節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，才開始在兩者之間構(gòu)建起多條路經(jīng)，這樣就能夠節(jié)省大量的網(wǎng)絡(luò)能量；當(dāng)構(gòu)建起多條路經(jīng)后，數(shù)據(jù)信息就會同時(shí)通過這些路經(jīng)并行傳輸，可靠性、安全性大大提升。 (7)按需MSR協(xié)議[22]：為了實(shí)現(xiàn)負(fù)載平衡，在該協(xié)議中，多條路經(jīng)的建立是根據(jù)源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)需求而定，路徑的選擇是根據(jù)權(quán)重函數(shù)由源節(jié)點(diǎn)而定。在設(shè)計(jì)WSN多徑路由時(shí)，因?yàn)橐紤]到WSN的節(jié)點(diǎn)能量受限，所以要將網(wǎng)絡(luò)能效的提高和使用期限的增加作為首要的前提條件。反復(fù)的利用一條優(yōu)化路徑將極大地消耗節(jié)點(diǎn)的能量，對多經(jīng)路由發(fā)揮其優(yōu)勢造成一定的制約，使得網(wǎng)絡(luò)能耗的分布不規(guī)則，網(wǎng)絡(luò)的使用期限也受到一定程度的影響。目前，在無線網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中，對傳輸效率和質(zhì)量形成最大障礙的就是不同路徑相互的信息干擾，這種干擾所造成的制約性作用和破壞性后果在WSN多徑路由中表現(xiàn)的尤為突出。信道分配抗干擾技術(shù)是通過內(nèi)部信道之間的調(diào)配，使有干擾的傳輸數(shù)據(jù)相互分開，分別在頻率不同的信道上并行傳輸，這不僅有效降低了通信干擾對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?，也使得各個(gè)信道得到了更廣泛、更充分的使用。以上文獻(xiàn)在進(jìn)行技術(shù)探索時(shí)忽略了網(wǎng)絡(luò)能量因素的影響，所以得出的抗干擾算法與WSN的要求并不相符。MMSN算法中涉及到的信道分配方式一共有四個(gè)：一是在兩跳內(nèi)，任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)所使用的信道均不會重復(fù)出現(xiàn)；二是在兩跳內(nèi)，可以使用的信道出現(xiàn)不足時(shí)，節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的信道將隨機(jī)產(chǎn)生；三是在一跳內(nèi)，節(jié)點(diǎn)的信道是通過監(jiān)視所有信道后選擇出來的；四是節(jié)點(diǎn)對其他信道的選擇，是通過自身ID與偽隨機(jī)數(shù)生成器而得到的。為了解決這一問題，在對WSN的抗干擾的研究中不斷出現(xiàn)更靈活、更動態(tài)的信道分配算法[28,29]，一種效率更高、安全性更好的動態(tài)信道分配算法在文獻(xiàn)[30]中被設(shè)計(jì)出來，專門為密集WSN所設(shè)計(jì)的動態(tài)信道分配在文獻(xiàn)[31]中被納入研究領(lǐng)域，專門為WSN多信道所設(shè)計(jì)的并行協(xié)商McMAC協(xié)議在文獻(xiàn)[32]中被提出。然而研究表明，與數(shù)據(jù)傳輸相比。為此，針對WSN的多信道，文獻(xiàn)[33]中專門設(shè)計(jì)了一種YMAC協(xié)議，在該協(xié)議中，如果一個(gè)節(jié)在接收完數(shù)據(jù)后還要繼續(xù)接收數(shù)據(jù)，那么就會通過協(xié)議中的輕量級信道跳轉(zhuǎn)機(jī)制換到另外的無線信道上，從而實(shí)現(xiàn)對信道的再次分配和對能量的節(jié)約。作為一項(xiàng)降低網(wǎng)絡(luò)干擾的基本技術(shù)，功率控制已經(jīng)得到廣泛研究和實(shí)際使用。例如，分布式博弈算法在文獻(xiàn)[35]中的功率控制技術(shù)研究中被提出來；數(shù)據(jù)的隨機(jī)訪問博弈在文獻(xiàn)[36]中的功率控制技術(shù)研究中被深入探討；符合QoS要求的非合作博弈算法在文獻(xiàn)[37]中的多路訪問衰落信道模型中被設(shè)計(jì)出來；“NPG非合作博弈算法”在文獻(xiàn)[38]中被提出，這種算法在當(dāng)前的研究中非常具有代表性，也是第一次在研究領(lǐng)域中被涉及到。因此，為了提升Pareto效率，改善其有效性，專門針無線網(wǎng)絡(luò)干擾所設(shè)計(jì)的補(bǔ)償機(jī)制在文獻(xiàn)[39]中被提到，在非合作博弈中引進(jìn)代價(jià)函數(shù)的技術(shù)也在文獻(xiàn)[40,41]被提到；一種以NPG算法和代價(jià)函數(shù)為基礎(chǔ)的“合作博弈NPGP算法”在文獻(xiàn)[42]中被提出，其優(yōu)點(diǎn)是在實(shí)現(xiàn)納什均衡的同時(shí)提升Pareto效率，其缺點(diǎn)是只考慮到了節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，沒考慮信號接收時(shí)的干擾、外界的噪聲干擾、傳輸路徑的增益等因素對信號質(zhì)量好壞的重要影響作用，因此所得出的結(jié)果也并非全局的最優(yōu)化。就無線網(wǎng)絡(luò)的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀而言，兩種最重要的抗干擾技術(shù)——信道分配和功率控制，二者之間相互獨(dú)立，分別單獨(dú)的被應(yīng)用，都能很好的發(fā)揮各自的作用，有效降低環(huán)境對WSN網(wǎng)絡(luò)的干擾。正是基于以上兩點(diǎn)考慮，如果想要在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中有效降低干擾，最好的技術(shù)選擇就是將信道分配技術(shù)和功率控制技術(shù)兩者結(jié)合起來運(yùn)用。在文獻(xiàn)[43]中，研究者們雖然設(shè)計(jì)了聲稱是將信道分配和功率控制兩種技術(shù)聯(lián)合起來的算法，但也只是單純的技術(shù)組合應(yīng)用而已，對這兩種技術(shù)相互間的影響并沒有太多的考量，嚴(yán)格來說，并不能稱之為聯(lián)合優(yōu)化抗干擾算法。 主要研究內(nèi)容及組織結(jié)構(gòu)安排本文主要是針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出效率高、合理性強(qiáng)的多徑路由協(xié)議，提出行之有效的抗干擾算法，以便使WSN網(wǎng)絡(luò)達(dá)到能耗均衡、生命期延長、數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量改善、數(shù)據(jù)傳輸可靠性提升的目的。第二章，首先系統(tǒng)性闡述了關(guān)于多徑路由協(xié)議的基礎(chǔ)知識以及抗干擾算法的基本原理；然后分析探討了多徑路由的概念模型、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、傳輸模式、技術(shù)優(yōu)勢、發(fā)展方向，就無線網(wǎng)絡(luò)中的“干擾”概念進(jìn)行了闡述，對當(dāng)前研究中常見的兩種干擾模型進(jìn)行了介紹，并對這兩種模型做出了幾何化分析；最后對以上兩種模型在應(yīng)用中所采用的抗干擾策略進(jìn)行了介紹。第三章，首先從節(jié)點(diǎn)的能耗、流量兩者關(guān)系入手，有效化解之前的路由協(xié)議為實(shí)現(xiàn)負(fù)載平衡而在建立路徑時(shí)只能從源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間選擇的制約，對多條路經(jīng)進(jìn)行合理調(diào)配，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)流量能效的目的，從而構(gòu)建起WSN能量優(yōu)化多徑路由模型；再依托該模型，針對多徑流量研究設(shè)計(jì)一種分配路由算法；然后通過仿真實(shí)驗(yàn)對該算法的合理性、有效性進(jìn)行確認(rèn)。該算法通過信道分配和功率控制聯(lián)合優(yōu)化節(jié)能的實(shí)現(xiàn)了無線傳輸?shù)目垢蓴_，并對該算法進(jìn)行理論分析與仿真實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證算法的合理性和有效性。第2章 WSN多徑路由及抗干擾研究基礎(chǔ) 引言WSN是一種基于數(shù)據(jù)的實(shí)用型網(wǎng)絡(luò)。所以，WSN設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)就是如何延長網(wǎng)絡(luò)壽命，使得能量的有效利用能夠達(dá)到最大化。多徑路由的特點(diǎn)主要是能夠有效利用貸款，提高網(wǎng)絡(luò)的傳輸?shù)目煽啃?，使得網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡。本章主要對于WSN多徑路由技術(shù)進(jìn)行深入探討，介紹多徑路由的基本知識，并依據(jù)目前普遍使用的干擾模型中的兩種，對于無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行干擾分析，以提出對于多路徑之間的嚴(yán)重存在的干擾問題進(jìn)行分析，提出WSN抗干擾的策略，從而提出多徑路由抗干擾的算法。 多徑路由模型目的節(jié)點(diǎn)與源節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸是有多天路徑可以應(yīng)用，叫做多徑路由。WSN的多徑路由模型如圖21所示。目的節(jié)點(diǎn)和源節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸是通過路徑集合P（S，D）中的數(shù)條路徑進(jìn)行傳輸?shù)?。多徑路由的重新啟動，必須是?dāng)P（S，D），在基本上所有的路徑或路徑失效，則重選路由的P（S，D）的路徑上的集。如果沒有交叉的結(jié)構(gòu)中，多路徑路由的相關(guān)關(guān)系為基礎(chǔ)的不相交（(LinkDisjoint）的結(jié)構(gòu)的兩種類型的節(jié)點(diǎn)和鏈路的節(jié)點(diǎn)（NodeDisjoint）和鏈接路徑路由可分為兩大類型。完全不相交的類型結(jié)構(gòu)也被稱為多路徑路由。正如圖22（a）所示的該SABCD與路徑SEFGD除了源節(jié)點(diǎn)S和目的節(jié)點(diǎn)D的路徑，不具有任何共享的節(jié)點(diǎn)和鏈路。纏繞型（Braided），也被稱為多路徑路由結(jié)構(gòu)。如圖22(b)所示，路徑SABCD、路徑SABFD、路徑SEBFD與路徑SEBCD存在一個(gè)共用節(jié)點(diǎn)B，但這四條路徑間不存在任何共用鏈路。如圖22(c)所示，源節(jié)點(diǎn)S到目的節(jié)點(diǎn)D的多條路徑中，存在共用節(jié)點(diǎn)A、B、C、E、F和G，以及共用鏈路AB、BC、EF、FG、AF、FC、EB和BG。交織型結(jié)構(gòu)的多徑路由因其存在共用節(jié)點(diǎn)和共用鏈路，所以有著資源的占用少的優(yōu)點(diǎn)，這些鏈路及節(jié)點(diǎn)對于網(wǎng)絡(luò)的資源可以共享。但是，常見的鏈路和節(jié)點(diǎn)特性，使結(jié)構(gòu)的交織多路徑路由的容錯(cuò)性差，因此，在上述三種結(jié)構(gòu)，其中包括多路徑路由節(jié)點(diǎn)不相交多路徑路由結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)大的容錯(cuò)性能，鏈路不相交的多路徑路由容錯(cuò)性能，其次由最壞的交錯(cuò)結(jié)構(gòu)的多路徑路由容錯(cuò)結(jié)構(gòu)。節(jié)點(diǎn)不相交多路徑路由選擇面板也不會出現(xiàn)這種聯(lián)鎖故障。因此，多路徑路由節(jié)點(diǎn)不相交的結(jié)構(gòu)合適的節(jié)點(diǎn)密度的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，鏈路不相交多路徑路由結(jié)構(gòu)，通過適當(dāng)?shù)墓?jié)點(diǎn)密度的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。 多徑路由的傳輸模式WSN路由的主要職責(zé)有兩點(diǎn)，第一是管理多路徑，第二個(gè)是完成建立源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)之間的多條路徑。多路徑的使用方式?jīng)Q定了多徑路由主要有以下兩種傳輸模式：(1)并行多路徑(同時(shí)多路徑)傳輸模式在同一時(shí)間，在相同的情況下，從源節(jié)點(diǎn)到目的地節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸中使用兩個(gè)或兩個(gè)以上的路徑，當(dāng)任何路徑發(fā)生故障時(shí)，從一個(gè)或多個(gè)路徑的其余部分的完成數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，或重現(xiàn)由源節(jié)點(diǎn)發(fā)起的消息路由，并重新選擇的工作的路徑。當(dāng)這條路徑失效時(shí)，就在剩余多條路徑中選擇其他的任意一條路徑來代替失效路徑，完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖Ｓ嗳蝿?wù)，而不是對路由請求重新發(fā)起。 多徑路由的優(yōu)勢及未來發(fā)展趨勢單路徑路由的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂?。單路徑傳輸是可能?dǎo)致重復(fù)的路線開始，將有大量的路由開銷。由于多路徑路由的數(shù)據(jù)傳輸，可以提供多個(gè)路徑，它也可以為不同的QoS要求（穩(wěn)定性，可靠性和實(shí)時(shí)，等）和不同的類型（圖像，音頻，視頻），以提供不同的路徑條件，以滿足不同的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。從而有助于改善的網(wǎng)絡(luò)利用率和改善的實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)的傳輸質(zhì)量?？紤]WSN多路徑路由在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)充分考慮到實(shí)際操作的網(wǎng)絡(luò)的需求，必須考慮到的魯棒性，合理性，節(jié)能和算法復(fù)雜度。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)抗干擾研究分析在前面的章節(jié)中，多路徑路由的引入，我們進(jìn)一步獨(dú)特的優(yōu)勢，多路徑路由清楚具體的多路徑路由在WSN領(lǐng)域前景廣闊。為此，本節(jié)中的抗多徑干擾無線網(wǎng)絡(luò)的干擾物質(zhì)的分析做出闡述，并介紹了兩種干擾源模型典型結(jié)合上面的分析，提出了一些策略，以顯著提高路由的抗干擾性能。 無線網(wǎng)絡(luò)中的干擾原協(xié)議干擾是指適用于任何網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，只有節(jié)點(diǎn)的信道傳播模型的分析。又以干擾的研究團(tuán)體和第二種類型的干擾將原來的干擾問題，詳細(xì)的分類。第二種類型的干擾問題是從所述多個(gè)節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)包是一個(gè)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)接收并引起干擾。 無線網(wǎng)絡(luò)干擾模型研究人員通常進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)干擾的模擬分析，從而提高分析的效率和準(zhǔn)確性。本節(jié)將介紹兩種干擾模型，并從幾何角度分析。作為一個(gè)共同的無線頻譜，允許多個(gè)節(jié)點(diǎn)訪問到同一信道在同一時(shí)間打開的資源。物理干擾模型的定義為：當(dāng)接收節(jié)點(diǎn)接收的信號 噪聲比SNR大于所定義的閾值時(shí)，該信號可以是節(jié)點(diǎn)正確地接收，上述要求可以反映為式(21)： (21)式中 ——在同一時(shí)刻接入同一信道的節(jié)點(diǎn)的集合；——節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率(w)；——節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)間的傳輸距離(m)；——信道衰減因子；——環(huán)境噪聲干擾(w)；——信噪比的門限值。無線網(wǎng)絡(luò)從物理層的干擾，和節(jié)點(diǎn)大小性質(zhì)計(jì)算所描述的干擾。的節(jié)點(diǎn)的特定地理位置的多共享無線信道的特性所造成的干擾，有直接的關(guān)系，因此可以說在網(wǎng)絡(luò)圖模型的干擾模型。首先，由于節(jié)點(diǎn)的傳輸半徑，的干擾半徑感知半徑定義。通常情況下，在相同的覆蓋范圍之內(nèi)的節(jié)點(diǎn)可以被感知到的其他節(jié)點(diǎn)的傳輸活動，以及在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間，觀察到的更強(qiáng)大的信號的距離越短，相反，更大的距離，所感知的信號強(qiáng)度越小。因此，只要令接收端接收到的信號強(qiáng)度等于節(jié)點(diǎn)的物理載波感知門限值，便可以計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的感知半徑： (23)式中 ——節(jié)點(diǎn)的物理載波感知門限值。因此，該節(jié)點(diǎn)的接收信號強(qiáng)度等于該節(jié)點(diǎn)接收靈敏度值。節(jié)點(diǎn)的干擾范圍定義為：在此范圍內(nèi)的任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送，都能夠?qū)?jié)點(diǎn)的正常接收造成影響。而最大的則是節(jié)點(diǎn)的干擾半徑，可表示為下式： (26)傳輸半徑感知半徑信號傳播半徑afedcbsr圖23 六邊形蜂窩干擾模型在進(jìn)一步如圖2 3所示六邊形蜂窩干擾模型分析節(jié)點(diǎn)干擾最嚴(yán)重情況。這些定義可以同時(shí)存在的數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)之間的最小距離，然后在感知范圍邊界節(jié)點(diǎn)最多有6個(gè)節(jié)點(diǎn)被允許和并行數(shù)據(jù)傳輸。然而，實(shí)際上在第一層并發(fā)傳輸節(jié)點(diǎn)外還存在著第二層、第三層等節(jié)點(diǎn)的并發(fā)傳輸節(jié)點(diǎn)。令網(wǎng)絡(luò)通信圖中的有向邊和，分別對應(yīng)干擾沖突圖中的兩個(gè)點(diǎn)和，