【正文】 析了其存在的問題，并針對這些問題在原有的算法的基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)方案：由于簇首的選擇沒有考慮到節(jié)點(diǎn)能量的問題，于是改進(jìn)了閾值T(n)的計算問題。第2章　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）概述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由分布在一定范圍大量傳感器節(jié)點(diǎn)組成，各節(jié)點(diǎn)間多以無線多跳的無中心方式進(jìn)行連接，能夠協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的目標(biāo)對象的信息，并返回觀察者[10]。　WSN結(jié)構(gòu)　WSN的體系結(jié)構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)(sensor node)，匯聚節(jié)點(diǎn)(sink node)和管理節(jié)點(diǎn)[10]。傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點(diǎn)逐跳地進(jìn)行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)可能被多個節(jié)點(diǎn)處理，經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點(diǎn)，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達(dá)管理節(jié)點(diǎn)。Sink nodeInternet and SatellitesTask manager node Sensor nodesSensor fieldUSER WSN經(jīng)典體系結(jié)構(gòu) 常見的WSN的3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：層次、網(wǎng)狀、鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。Sink node Monitoring Area ClusterNodeHead in cluster WSN分層結(jié)構(gòu)(2) 基于網(wǎng)(Mesh )的平面結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)非常健壯，網(wǎng)絡(luò)伸縮性好；在個別鏈路和傳感器節(jié)點(diǎn)失效時，不會引起網(wǎng)絡(luò)分裂。 Sink普通節(jié)點(diǎn) WSN網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) (3)基于鏈((Chain)的線結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)下傳感器節(jié)點(diǎn)被串聯(lián)在一條或多條鏈上，鏈尾與sink節(jié)點(diǎn)相連。從網(wǎng)絡(luò)功能上看，每個傳感器節(jié)點(diǎn)兼顧傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的終端和路由器雙重功能，具有原始數(shù)據(jù)采集、本地信息處理、無線數(shù)據(jù)傳輸及與其它節(jié)點(diǎn)協(xié)同工作的能力，依據(jù)應(yīng)用需求，還可能攜帶定位，能源補(bǔ)給或移動等模塊。傳感器節(jié)點(diǎn)通過目標(biāo)的熱、紅外、聲納、雷達(dá)或震動等信號，獲取目標(biāo)溫度、光強(qiáng)度、噪聲、壓力、運(yùn)動方向或速度等屬性。當(dāng)傳感節(jié)點(diǎn)檢測到的目標(biāo)信息超過設(shè)定閥值，需提交給觀測節(jié)點(diǎn)時被稱為有效節(jié)點(diǎn)。一方面，在網(wǎng)內(nèi)作為接收者和控制者，被授權(quán)監(jiān)聽和處理網(wǎng)絡(luò)的事件消息和數(shù)據(jù)，可向傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)布查詢請求或派發(fā)任務(wù)；另一方面，面向網(wǎng)外作為中繼和網(wǎng)關(guān)完成傳感器網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)間信號和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，是連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與其它網(wǎng)絡(luò)的橋梁。觀測節(jié)點(diǎn)有被動觸發(fā)和主動查詢兩種工作模式，前者被動地由傳感節(jié)點(diǎn)發(fā)出的感興趣事件或消息觸發(fā)，后者則周期掃描網(wǎng)絡(luò)和查詢傳感器節(jié)點(diǎn)，較常用?；贛EMS（MicroElectroMechanical Systems）的微傳感技術(shù)和無線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)使它可以應(yīng)用到軍事、航空、反恐、防爆、救災(zāi)、環(huán)境、醫(yī)療、保健、家居、工業(yè)、商業(yè)等領(lǐng)域。此外，它也可以應(yīng)用在精細(xì)農(nóng)業(yè)中，來監(jiān)測農(nóng)作物中的害蟲、土壤的酸堿度和施肥狀況等。該系統(tǒng)通過在鞋、家具以及家用電器等家中道具和設(shè)備中嵌入半導(dǎo)體傳感器，幫助老齡人士、阿爾茨海默氏病患者以及殘障人士的家庭生活。而且還可減輕護(hù)理人員的負(fù)擔(dān)?！≤娛骂I(lǐng)域由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有密集、隨機(jī)分布的特點(diǎn)，使其非常適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中，使其非常適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中，包括偵察敵情、監(jiān)控兵力、裝備和物資，判斷生物化學(xué)攻擊等多方面用途，美國國防部遠(yuǎn)景計劃研究局已投資幾千萬美元，幫助大學(xué)進(jìn)行“智能塵?！眰鞲衅骷夹g(shù)的研發(fā)。比如一些危險的工業(yè)環(huán)境如井礦、核電廠等，工作人員可以通過它來實(shí)施安全監(jiān)測。此外和還可以在工業(yè)自動化生產(chǎn)線等諸多領(lǐng)域。傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)受應(yīng)用驅(qū)動。然而，傳統(tǒng)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)并不能夠完全適應(yīng)于傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。也只有從網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的研究人手，帶動傳感器組織方式及通信技術(shù)的研究，才能更有力地推動這一具有戰(zhàn)略意義的新技術(shù)的研究和發(fā)展。當(dāng)前無線傳感網(wǎng)絡(luò)的難點(diǎn)技術(shù)主要有以下幾個方面。第二，傳感器節(jié)點(diǎn)的功率和睡眠控制，對傳感器節(jié)點(diǎn)的功率和睡眠的控制目的就是要減少節(jié)點(diǎn)的能量消耗，延長其使用壽命。無線通信模塊在空閑偵聽時的能量消耗與收發(fā)狀態(tài)時相當(dāng)，覆蓋冗余也造成了很大的能量消耗。因此，控制節(jié)點(diǎn)的功率和睡眠對節(jié)點(diǎn)的能量控制都有很大的影響。其中，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸安全主要從兩方面考慮：一方面是從維護(hù)路由安全的角度出發(fā)，利用經(jīng)典的多徑路由算法，將數(shù)據(jù)包分解成子數(shù)據(jù)包，通過多條路由傳遞，數(shù)據(jù)包在網(wǎng)關(guān)處重建，以增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)健性。目前有關(guān)無線傳感網(wǎng)絡(luò)安全方面的研究主要還是在安全協(xié)議的設(shè)計上，但是作為第二道防線的檢測和響應(yīng)方面的考慮還顯不夠。無線傳感網(wǎng)絡(luò)以數(shù)據(jù)為中心的特點(diǎn)使其與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)類似，即無線傳感網(wǎng)絡(luò)可視為一個支持感知數(shù)據(jù)查詢的數(shù)據(jù)庫，因此很多研究者采用數(shù)據(jù)庫研究方法來研究無線傳感網(wǎng)絡(luò)。第3章　WSN路由技術(shù)概述分析無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間以Ad Hoc方式進(jìn)行通信，每個節(jié)點(diǎn)都可以充當(dāng)路由器的角色，并且每個節(jié)點(diǎn)都具備動態(tài)搜索、定位和恢復(fù)鏈接的功能。傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)，如Ad Hoc、WLAN等，其主要目標(biāo)是提供高服務(wù)質(zhì)量和高效的利用網(wǎng)絡(luò)帶寬，這些網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的主要任務(wù)就是尋找源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)間通信延時最小的路徑，從而提高效率，而WSN路由會考慮到能量消耗這一重要問題。網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點(diǎn)都會保持一個路由表，該表由目的節(jié)點(diǎn)和下一跳地址組成，對于某一個節(jié)點(diǎn)來說，當(dāng)收到了一個數(shù)據(jù)分組，該節(jié)點(diǎn)將檢查該分組的目的節(jié)點(diǎn)地址，并將此地址與路由表中的目的地址相匹配，找出下一跳地址，并將此分組轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)。從路由協(xié)議設(shè)計的角度有兩種思路提高能量有效性：一是節(jié)能，尋找節(jié)能路由，減少路由建立和維護(hù)的控制開銷，提高路由可靠性；二是能耗均衡，從空間上調(diào)度能量資源，使網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能量均衡消耗?！?shù)據(jù)傳輸可靠性數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃灾苯雨P(guān)系到WSN是否能給用戶提供準(zhǔn)確、全面和可靠的信息，而WSN中節(jié)點(diǎn)無線通信能力弱，應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜，實(shí)際的鏈路質(zhì)量比較低。解決路由協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸可靠性的策略有：第一，建立多路徑路由，可以建立信源節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的多條路徑，選擇最優(yōu)路徑作為主路徑，其他路徑為備份。第二，選擇可靠鏈路。針對不同應(yīng)用環(huán)境的各種路由協(xié)議，根據(jù)一些特定的標(biāo)準(zhǔn)對路由協(xié)議加以分類，主要有以下幾種分類方法。網(wǎng)絡(luò)的每個節(jié)點(diǎn)都要周期性地向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送最新的路由信息，并且每一個節(jié)點(diǎn)都要保存一個或更多的路由表來儲存路由信息。主動路由建立、維護(hù)的開銷大，資源要求高。因此，路由表內(nèi)容是按需建立的，它可能僅僅是整個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息的一部分。按需路由協(xié)議在傳輸前需計算路由，因此延時比較大。一般來說，對于經(jīng)常使用并且拓?fù)渥兓淮蟮木W(wǎng)絡(luò)部分可以采用主動路由協(xié)議的方式建立維護(hù)相應(yīng)的路由信息，而對于傳輸數(shù)據(jù)比較少或拓?fù)渥兓^快的網(wǎng)絡(luò)部分，則采用按需路由的方式建立路由，以取得效用和時延的折中。另外，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加，網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)沖突將變得更加嚴(yán)重。2．平面路由協(xié)議：網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都地位平等，實(shí)現(xiàn)的路由功能也大致相同。通常來說，在接收節(jié)點(diǎn)附近的節(jié)點(diǎn)參與數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)的概率要比遠(yuǎn)離接收節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)參與的概率高，因此，接收節(jié)點(diǎn)附近的節(jié)點(diǎn)由于過于頻繁地參與數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)，會較快地用完能量而成為死亡節(jié)點(diǎn)，這對于能量嚴(yán)重受限的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，是一個嚴(yán)重的問題。相比于其他路由協(xié)議，層次路由協(xié)議能滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性，有效地減少傳感節(jié)點(diǎn)的能量消耗，從而延長網(wǎng)絡(luò)壽命?！“绰酚傻陌l(fā)現(xiàn)過程1．以位置信息為中心的路由協(xié)議[18]：它利用節(jié)點(diǎn)的位置信息，把查詢或數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給需要的地域，從而減少數(shù)據(jù)的傳送范圍。2．以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議[16][17][18][19]：它提出對傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)用特定的描述方式命名，數(shù)據(jù)傳輸基于數(shù)據(jù)查詢并依賴數(shù)據(jù)命名，所有的數(shù)據(jù)通信都限制在局部范圍內(nèi)?！“绰酚蛇x擇是否考慮服務(wù)質(zhì)量（QoS）約束保證QoS的路由協(xié)議是指在路由建立時，考慮時延、丟包率等參數(shù)，從多條可行的路由中選擇一條最適合QoS應(yīng)用要求的路由；或者根據(jù)業(yè)務(wù)類型，保證滿足不同業(yè)務(wù)需求的QoS路由協(xié)議。下面將介紹一些典型的路由協(xié)議。：源節(jié)點(diǎn)S希望發(fā)送一塊數(shù)據(jù)給節(jié)點(diǎn)D，節(jié)點(diǎn)S首先通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)副本傳送給它的每一個鄰居節(jié)點(diǎn)，每一個鄰居節(jié)點(diǎn)又將其傳輸給各自的每一個鄰居節(jié)點(diǎn)，除了剛剛給它們發(fā)送數(shù)據(jù)副本的節(jié)點(diǎn)S外。洪泛路由（Flooding）的優(yōu)點(diǎn)有：第一，實(shí)現(xiàn)簡單；第二，不需要為保持網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒑蛯?shí)現(xiàn)復(fù)雜的路由發(fā)現(xiàn)算法而消耗計算資源；第三，適用于健壯性要求高的場合。 Flooding協(xié)議過程　Gossiping路由協(xié)議 Gossiping[13]協(xié)議是對Flooding協(xié)議的改進(jìn)。在某一個節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時，不再像洪泛法那樣給它的每個節(jié)點(diǎn)都發(fā)送數(shù)據(jù)副本，而是隨機(jī)選擇某個鄰居節(jié)點(diǎn)，向它發(fā)送一份數(shù)據(jù)副本。這樣，閑聊法可以避免出現(xiàn)信息爆炸問題，但是仍然無法解決部分?jǐn)?shù)據(jù)交迭現(xiàn)象和盲目使用資源的問題，而且由于采用隨機(jī)選擇節(jié)點(diǎn)的方式，使得數(shù)據(jù)傳輸不可能按照最短路徑進(jìn)行，甚至?xí)霈F(xiàn)南轅北轍的現(xiàn)象，所以數(shù)據(jù)傳輸平均時延拉長，傳輸速度變慢，無謂的資源消耗依然很多。在傳送DATA信息前，傳感器節(jié)點(diǎn)僅廣播包含DATA數(shù)據(jù)描述機(jī)制的ADV信息，當(dāng)接收到相應(yīng)的REQ請求信息時，才有目的地發(fā)送DATA信息。SPIN協(xié)議避免了擴(kuò)散法的信息爆炸問題和部分重疊現(xiàn)象，傳感器節(jié)點(diǎn)在傳送數(shù)據(jù)之前彼此進(jìn)行協(xié)商，協(xié)商制度可確保傳輸有用數(shù)據(jù)。因此后續(xù)又提出了SPINPP、SPINEC、SPINRL、SPINBC等在SPIN基礎(chǔ)上改進(jìn)的路由協(xié)議。要發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)通過ADV向它的相鄰節(jié)點(diǎn)廣播消息，感興趣的節(jié)點(diǎn)通過REQ發(fā)送請求，數(shù)據(jù)源向請求者發(fā)送數(shù)據(jù)。SPINEC（Energy Control，點(diǎn)到點(diǎn)模式下的節(jié)能路由）是在SPINPP的基礎(chǔ)上考慮了節(jié)點(diǎn)的功耗，只有能夠順利完成所有任務(wù)且能量不低于設(shè)定閾值的節(jié)點(diǎn)才能參與數(shù)據(jù)交換。為了防止產(chǎn)生重復(fù)的REQ請求，節(jié)點(diǎn)聽到ADV消息以后，設(shè)定一個隨機(jī)定時器來控制REQ請求的發(fā)送，其他節(jié)點(diǎn)聽到該請求，主動放棄請求權(quán)利。記錄ADV消息的相關(guān)狀態(tài)，如果在確定時間間隔內(nèi)收不到請求數(shù)據(jù)，則發(fā)送重傳請求，重傳請求的次數(shù)有一定限制。在Directed Diffusion中，可以對路徑進(jìn)行修復(fù)。當(dāng)高速路徑，也就是經(jīng)過增強(qiáng)的路徑出現(xiàn)故障時，Sink節(jié)點(diǎn)可以增強(qiáng)低速路徑，保證源節(jié)點(diǎn)到Sink節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸。對于故障比較頻繁的網(wǎng)絡(luò)，保持一條低速路徑是很有好處的。在DD中，由Sink節(jié)點(diǎn)發(fā)出數(shù)據(jù)查詢請求，而在SPIN中，節(jié)點(diǎn)廣播自己的數(shù)據(jù)，以允許其他節(jié)點(diǎn)來查詢。DD路由協(xié)議的缺點(diǎn)有：第一，基于查詢驅(qū)動模型，不適用于環(huán)境監(jiān)測的WSN；第二，梯度的建立開銷很大，不適合多sink點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)；第三，數(shù)據(jù)聚合過程采用時間同步技術(shù)，會帶來較大開銷和時延；第四，不同的應(yīng)用中需要定義不同的命名方案，也就是屬性，值對，從而限制了它的應(yīng)用。通常情況下，Directed Diffusion協(xié)議需要向整個網(wǎng)絡(luò)廣播興趣，而在某些應(yīng)用中，只有少量的數(shù)據(jù)需要從源節(jié)點(diǎn)傳遞到Sink節(jié)點(diǎn)。當(dāng)WSN中的事件（對應(yīng)著數(shù)據(jù)的傳遞）數(shù)量很少，而查詢（對應(yīng)著興趣的廣播）數(shù)量很多的時候，可以采用廣播事件的方法，以節(jié)省能量的消耗。 但如果事件非常多，維護(hù)事件表和收發(fā)Agent帶來的開銷會很大。然后產(chǎn)生一個被稱為代理（agent）的生命較長的數(shù)據(jù)包，代理消息沿著隨機(jī)路徑向外擴(kuò)散，同時匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送的查詢消息也沿隨機(jī)路徑在網(wǎng)絡(luò)中傳播。謠傳路由協(xié)議的執(zhí)行過程如下：每個傳感器節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個鄰居列表和一個事件列表。當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)在本地檢測到一個事件時，就在事件列表中增加一個表項(xiàng)，設(shè)置相關(guān)的事件名稱、跳數(shù)等，同時根據(jù)一定的概率產(chǎn)生一個代理消息。網(wǎng)絡(luò)的任何節(jié)點(diǎn)都可以對一個特定的事件生成查詢消息。否則，節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選擇鄰居節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)查詢消息。如果查詢節(jié)點(diǎn)在一段時間內(nèi)沒有收到事件消息，就認(rèn)為查詢消息并沒有到達(dá)事件區(qū)域，可以選擇重傳、放棄或洪泛查詢。另一方面，謠傳路由只維持源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)之間的一條路徑，不同于定向擴(kuò)散協(xié)議將數(shù)據(jù)以低傳輸率在多個路徑上路由。　GPSR(Greedy Perimeter Stateless Routing)路由協(xié)議GPSR路由協(xié)議[12]是貪婪算法和圖形算法的結(jié)合，它不需要維護(hù)路由表，是一種無狀態(tài)的路由協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)初始化時匯聚節(jié)點(diǎn)全網(wǎng)廣播其位置信息，節(jié)點(diǎn)獲得匯聚節(jié)點(diǎn)的位置信息以便之后向其發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)某鄰居信息在超時前仍然未收到其發(fā)來的hello包，則認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)已離開其傳輸范圍，將該鄰居節(jié)點(diǎn)信息從其鄰居表中刪除。GPSR協(xié)議具有貪婪轉(zhuǎn)發(fā)和周邊轉(zhuǎn)發(fā)兩種分組轉(zhuǎn)發(fā)方式。GPSR協(xié)議優(yōu)點(diǎn)：第一，避免了在節(jié)點(diǎn)中建立、維護(hù)、存儲路由表，只依賴直接鄰節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由選擇，幾乎是一個無狀態(tài)的協(xié)議；第二，使用接近于最短歐氏距離的路由，數(shù)據(jù)傳輸時延小，并能保證只要網(wǎng)絡(luò)連通性不被破壞，一定能夠發(fā)現(xiàn)可達(dá)路由。　LEACH（LowEnergy Adaptive Clustering Hierarchy）路由協(xié)議LEACH[22]是一種基于聚類(Clustering)路由協(xié)議是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中提出最早的分層路由算法。協(xié)議中首先選擇一個節(jié)點(diǎn)為簇頭節(jié)點(diǎn)，簇頭開始發(fā)送廣播消息，然后其他普通子節(jié)點(diǎn)根據(jù)信號強(qiáng)弱選擇加入的簇群。在WSN路由協(xié)議占有重要地位，其他基于聚類的路由協(xié)議如TEEN、APTEEN、PEGASIS等大都由LEACH發(fā)展而來。LEACH協(xié)議的不足在于不適合大范圍的應(yīng)用；集群分組方式帶來了額外開銷以及覆蓋問題；僅適用于每個節(jié)點(diǎn)在單位時間內(nèi)需要發(fā)送的數(shù)據(jù)量基本相同的情況，而不適合突發(fā)數(shù)據(jù)通信。 典型路由協(xié)議的性能比較協(xié)議 路由優(yōu)化能力 網(wǎng)絡(luò)生命周期數(shù)據(jù)融合路由健壯性資源有效性數(shù)據(jù)查詢緩存元數(shù)據(jù)描述符數(shù)據(jù)發(fā)送選擇路徑Flooding無 不長無好不好 無無連續(xù)多跳Gossiping無 不長無好不好無無連續(xù)多跳SPIN 無長無較好較好