【正文】 EEN是一種應用于實時系統(tǒng)的協(xié)議。在TEEN協(xié)議中，傳感器節(jié)點持續(xù)地感知數(shù)據，但數(shù)據是間歇性的傳送。該協(xié)議最重要的特點是 有兩個參數(shù) :硬實時值 (Hard Threshold)和軟實時值 (Soft Threshold)。硬實時值表示傳感數(shù)據的屬性值 。軟實時值表示傳感數(shù)據的改變值。當傳感到的數(shù)據在硬實時值的范圍內或傳感到的數(shù)據發(fā)生變化的范圍超過軟實時值時才進行傳輸。這樣就減少了傳感到的數(shù)據量。 圖 TEEN和 APTEEN協(xié)議的層次聚類 在簇建立后，簇頭節(jié)點廣播這兩個值 。 在簇傳輸數(shù)據過程中，如果想調節(jié)接收到的數(shù)據量，可以動態(tài)地更改這兩個值，將其發(fā)送給非簇頭節(jié)點。 基站 多級簇頭 一級簇頭 傳感器節(jié)點 SINK 節(jié)點 傳感器節(jié)點 中北大學 2020 屆畢業(yè)論文 第 24 頁 共 54 頁 周期 性 自 適 應 敏 感 闡 值 能 量 有 效 路 由 APTEEN(Adaptive Periodic ThresholdSensitive Energy Eficient sensor Network Protocol)協(xié)議。 APTEEN協(xié)議是對 TEEN協(xié)議的擴展，該協(xié)議的目的是為了能夠感知間隔性的數(shù)據。在簇頭形成以后，廣播兩種實時值，并傳送調度信息到非簇頭節(jié)點。該協(xié)議支持三種不同的類型的查詢方式 :歷史信息查詢，分析已接收到的數(shù)據 ； 一次查詢，對整個網絡進行一次快速的狀態(tài)查詢 ； 階段查詢，對某一事件進行一段時間的探測。 APTEEN協(xié) 議是主動式與被動式網絡的結合，其性能介于 LEACH和 TEEN協(xié)議之間。 TEEN和 APTEEN協(xié)議共同的缺點是簇的形成過程需要消耗一定的能量，并且隨著簇層次的增加，這種消耗會更加明顯。與平面路由協(xié)議相比，層次路由協(xié)議由于采用簇頭轉發(fā)數(shù)據的方法，因此傳輸鏈路經過的跳數(shù)較少，網絡延時較小。對于大規(guī)模的傳感器網絡，層次路由協(xié)議能耗均勻，信道分配公平，但建立簇結構需要一定的能量開銷，部分協(xié)議的實現(xiàn)較為復雜。實際應用中，應根據具體需要選擇相應的協(xié)議。 基于地理位置信息的路由協(xié)議 很多傳感器網絡的路由協(xié)議 都需要節(jié)點的位置信息。位置信息被用來計算兩個特定節(jié)點之間的距離，以此來確定兩點之間傳送一定數(shù)據所消耗的能量。各個相鄰節(jié)點可以通過交換彼此信息來獲得彼此的位置。節(jié)點的位置信息可以通過安裝 GPS來獲得，對于靜態(tài)的傳感器網絡中的節(jié)點， GPS只在該網絡開始工作前確認自身位置信息，在工作中并不需要花費能量更新其位置信息 .該類協(xié)議較著名的是 GEAR協(xié)議 。 能量位置意識路由 GEARE(Geogaphicand Energy Aware Routing)。 GEAR應用節(jié)點地理位置信息，使用啟發(fā)式方法選擇鄰居節(jié)點，發(fā)送數(shù)據到 目標區(qū)域。通過將整個網絡化分成很多局部的區(qū)域，通過在各個局部區(qū)域之間傳輸數(shù)據而限制了在整個網絡中的數(shù)據的傳輸。 中北大學 2020 屆畢業(yè)論文 第 25 頁 共 54 頁 圖 GEAR協(xié)議數(shù)據傳輸示意圖 GEAR協(xié)議的工作過程 (見圖 )。 具體過程分為兩個階段 :目標域數(shù)據傳送和域內數(shù)據傳送 。 在目標域數(shù)據傳送階段，節(jié)點將鄰接點與目標區(qū)域的距離和它自己與目標區(qū)域的距離相比教，若存在最小距離，選擇該最小距離的鄰接點作為下一跳節(jié)點 。若不存在更小距離，則存在空洞 (Hole)，即鄰接點比節(jié)點自身距離更遠 ，節(jié)點根據鄰居節(jié)點的最小花銷來選擇下一跳節(jié)點。域內數(shù)據傳送階段，數(shù)據包到達指定區(qū)域后直接洪泛尋找目標傳送數(shù)據。 GEAR協(xié)議減少了中間節(jié)點的數(shù)量，降低了路由建立和數(shù)據傳送的開銷，有效地提高了網絡的性能，但其工作必須依賴 GPS系統(tǒng)。 基于工作特性劃分 基于多路徑的路由協(xié)議 在傳感器網絡中，如果頻繁使用同一條路徑傳輸數(shù)據，會造成該條路徑上的節(jié)點由于能量消耗過快而過早失效，使網絡中傳輸?shù)臄?shù)據不能成功地傳輸?shù)侥康墓?jié)點。而如果在源節(jié)點和目標節(jié)點之間建立多跳路徑，根據路徑上節(jié)點的通信能力和剩余能 量情況，為每條路徑給定一定的概率值，這樣使得數(shù)據傳輸能夠均勻消耗網絡的能量值。這就是多路徑路由協(xié)議的基本思想。典型的多路徑協(xié)議有 MDR和 HREEMR兩種。 多路徑分為兩種 :一種是路徑之間無交點的是 Disjoint Multipath(如圖 所示 )； 一種是路徑之間有交點的 Braided Multipath(如圖 )。可以根據網絡實際所處的環(huán)境來決定使用哪種多路徑方法。對于出錯概率較大的網絡，可以選擇 Disjoint Multipath； 對于出錯概率相對較小的網絡，選擇 Braided Multipath。數(shù)據包 傳感器節(jié)點 中北大學 2020 屆畢業(yè)論文 第 26 頁 共 54 頁 具體過程分為路徑建立、數(shù)據傳輸和路由維護三個階段。路徑建立階段是該類協(xié)議的重點。在路徑建立階段，每個節(jié)點都要知道下一跳節(jié)點，并計算選擇下一跳節(jié)點的概率。概率的計算由通信代價公式來計算。不同的協(xié)議通信代價公式不同 [22]。 圖 Disjoint Multipath示意圖 圖 Braided Multipath示意圖 也可以根據轉發(fā)路徑的數(shù)量將待轉發(fā)的數(shù)據分為 P份，即 為每條路徑只發(fā)送全部數(shù)據的一部分，每份的大小與路徑跳數(shù)和節(jié)點能量有關，在目標節(jié)點再將收到的P份數(shù)據進行組合，這樣就可以得到與原數(shù)據相同的新數(shù)據。如果某一條路徑形成斷路，不需要重發(fā)全部數(shù)據，只需發(fā)送有問題的部分數(shù)據，這樣就節(jié)省了能量。 多路徑傳輸雖然會提高數(shù)據發(fā)送的成功率，但建立多路徑需要一定的時間，會造成數(shù)據傳輸?shù)难訒r。 基于查詢的路由協(xié)議 目標節(jié)點在網絡中散播一個查詢信息。如果有傳感器節(jié)點收集的數(shù)據匹配該查詢信息，則向目標節(jié)點發(fā)送查詢匹配的信息，再通過某種方法構造路由路徑后，向目標節(jié)點傳送節(jié) 點收集到的具體信息。前面介紹的定向擴散 (Directed Difusion)和謠傳 (Rumor)路由就是典型的基于查詢的路由協(xié)議。定向擴散是通過發(fā)送興趣(Interest)消息，在得到應答消息后，建立梯度路徑來確定路由路徑。謠傳路由在網絡中發(fā)送一個特殊的信息包 (Agent)通知網絡中其它節(jié)點本地發(fā)生的局部事件。源節(jié)點 目的節(jié)點 源節(jié)點 目的節(jié)點 中北大學 2020 屆畢業(yè)論文 第 27 頁 共 54 頁 接收到信息包 (Agent)的節(jié)點在其事件表 (Event Table)中保存事件發(fā)生的路徑信息。當有節(jié)點發(fā)送該事件的查詢信息時，節(jié)點就會從事件表中查詢事件發(fā)生節(jié)點的路由路徑，并將該信息反饋給查詢節(jié)點。 基于 QOS的路由協(xié)議 該類協(xié)議的重點在于平衡能量消耗和傳輸數(shù)據的質量。其中， SPEED是最具代表性的協(xié)議。 SPEED協(xié)議主要工作過程 :①延遲估計機制，用來得到網絡的負載情況。節(jié)點記錄到鄰居節(jié)點的通信延遲，表示網絡局部通信負載。②使用 SNGF算法來選擇滿足傳輸數(shù)率要求的下一跳節(jié)點。節(jié)點選擇距離目標節(jié)點距離更近的節(jié)點為備選節(jié)點。如果無備選節(jié)點，使用反相壓力路由變更機制。③使用 SNGF找不到滿足要求的路由時，使用鄰居反饋策略 NFL(Neighborhood Feedback NFL)的補償機制。由 MAC層收集錯誤信息，由差錯率計算轉發(fā)概率 :④當網絡某個區(qū)域發(fā)生擁塞時，用反相壓力路由變更機制 [23]。 基于協(xié)商的路由協(xié)議 基于協(xié)商機制的路由協(xié)議使用描述數(shù)據的方式減少冗余數(shù)據的傳輸。典型的SPIN類協(xié)議，就是基于協(xié)商機制的路由協(xié)議。擁有某種數(shù)據資源的節(jié)點廣播自身的資源信息，需要該類數(shù)據的節(jié)點應答該類消息，由此建立了一條通信鏈路進行數(shù)據傳送。 本章小結 本章首先論述了無線傳感器網絡與無線自組網的區(qū)別，指出了無線傳感器網絡自身的特點。然后，論述為了適應這些特點，設計路由協(xié)議必須要滿足 的一系列因素。最后，采用通用的無線傳感器網絡路由協(xié)議劃分方法，從網絡結構和工作特性兩個方面對己有的路由協(xié)議進行分類，并在適用性和協(xié)議特點等方面分析了最重要、最具代表性的路由協(xié)議，為新的路由協(xié)議的提出奠定基礎。 中北大學 2020 屆畢業(yè)論文 第 28 頁 共 54 頁 4 無線傳感器網絡聚類路由協(xié)議 LEACH和 LEACHC協(xié)議 LEACH協(xié)議的實現(xiàn) LEACH協(xié)議實現(xiàn)過程分為建立階段和穩(wěn)定階段兩個階段 [19]。 (1)LEACH中協(xié)議判斷 CH節(jié)點函數(shù) 在建立階段，首先是節(jié)點決定本輪自己是否成為簇頭節(jié)點，這由所有節(jié)點可成為 簇頭的百分比和此時已成為簇頭的節(jié)點的個數(shù)決定。選取的原則是 :每個傳感器節(jié)點隨機的生成一個 0、 1之間的隨機數(shù) (式 )，如果該隨機數(shù)小于值 T，則該節(jié)點當選為簇頭節(jié)點。 T按如下公式計算 : 11 m o d ( )(),0P nGPrTn P? ?? ????? ?????, 如 果否 則 () 該式中， P為每輪節(jié)點成為簇頭的百分比 (大約為節(jié)點總數(shù)的 4%5%左右 )， r為當前輪數(shù)， G表示在過去輪內未成為簇頭的節(jié)點集合。該式使每個節(jié)點在一定輪數(shù)內只成為 一次簇頭節(jié)點。當 r=0時，由上式得 T=P， 即每個節(jié)點成為簇頭節(jié)點的概率為 P。若某節(jié)點為簇頭節(jié)點，則在其后的 (1/P1)輪內，該節(jié)點不會成為簇頭節(jié)點。若某節(jié)點不為簇頭節(jié)點，則在 r=1時，由上式得 T=P/(1P)，該值與 r=0時的 p相比，每個備選節(jié)點成為簇頭節(jié)點的概率增加了 P*P/(1P)。當 r再次增加時，得到的 T值也會逐漸增加。當 r=(1/P1)時，此時的 T=1，即為在前 (1/P1)輪中未成為簇頭的節(jié)點，在最后一輪中必為簇頭節(jié)點，這樣就保證了在 1/P輪中，每個節(jié)點都僅為簇頭一次。 該過程也可由數(shù)學計算得到證明。證明過程如下 。 由 得到，第 r輪可以成為 CH的節(jié)點有 ? ?11 m o dNt NE C t N k r K??? ??? ? ? ???? ????? 個 （ ） 按照節(jié)點成為 CH的概率，計算可以得到 ? ? ? ?111 m odm odNtNkE C H P t N k r kNk N k rk?????? ? ? ? ? ? ??????????? ?? ????? （ ） 中北大學 2020 屆畢業(yè)論文 第 29 頁 共 54 頁 因此，在 1/P 輪的時間內，每個節(jié)點都會成為簇頭節(jié)點一次。 由于節(jié)點作為簇頭節(jié)點起到中繼傳輸數(shù)據的作用，而數(shù)據傳輸在傳感器節(jié)點的能量消耗中占有很大的比重，因此采用該式可以起到個節(jié)點輪流作簇頭，平均能量消耗的作用。但由于節(jié) 點是取隨機值，因此通過上式實際得到的簇頭個數(shù)可能與理論上最優(yōu)的簇頭個數(shù)不相等，只是近似的為該最優(yōu)值。 (2)LEACH協(xié)議最優(yōu) CH節(jié)點個數(shù)計算 計算 該最優(yōu)值的過程如下 : 假設節(jié)點均勻密集分布 (見圖 )于 M2的空間內，每個節(jié)點傳輸 I比特數(shù)據， CH節(jié)點位于圓心，且處理信號的能量常數(shù) EDA(處理每比特數(shù)據 )， mp? 和 fs? 為不同傳輸范圍的放大系數(shù)，則每個簇內含有 1個 CH節(jié)點， N/K1個 NCH節(jié)點。 圖 節(jié)點能量消耗中節(jié)點位置示意圖 則 CH節(jié)點消耗的能量為 : 4C H e le c D A m p to B SNNE lE lE l dkk ?? ? ? () NCH節(jié)點消耗的能量為 : 2n o n CH e le c fs to CHE lE l d?? ?? () ? ? ? ?2 2 2 22, 00toCHME d x y r dS r r rdrdkr?? ? ? ? ???? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? () 對于均勻分布 ? ? 1,r S??? ， 2MS k? ,代入有 22 12to CH MEd k?????? BS X Y CH 中北大學 2020 屆畢業(yè)論文 第 30 頁 共 54 頁 212n o n CH e le c fsME lE lk? ?? ?? () 每個簇消耗的能量為 : 1c lu s te r C H n o C H C H n o C HNNE E E E Ekk????? ? ? ? ????? () 對于有 k個簇的網絡中，節(jié)點消耗的總能量為 : 24 12t o t a l c l u s t e r e l e c D A m p t o B S e l e c f sME k E l E N E N k d E N Nk?? ???? ? ? ? ? ????? () 根據上式，求合適的 k值使 totalE 最小，對 k求導，得 422fsmp to B SNMk d????