基于tinyos的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )路由協(xié)議的研究與實(shí)現

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )具有與傳統網(wǎng)絡(luò )不同的特點(diǎn)，它與應用緊密相關(guān)。傳統網(wǎng)絡(luò )路由協(xié)議不能有效地用于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，因而人們研究了眾多的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )路由協(xié)議。本章對幾種典型的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )路由協(xié)議做一些分析介紹，比較他們的優(yōu)劣，為后面要設計的路由提供理論基礎。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中信道非常復雜，節點(diǎn)所處的環(huán)境無(wú)法預測，因此給無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )帶來(lái)了很多不確定因素，對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中的路由協(xié)議的研究是一項極負挑戰性的工作。根據不同的分類(lèi)標準無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中的路由協(xié)議可進(jìn)行多種分類(lèi)，比如：

1、根據應用要求，傳感器網(wǎng)絡(luò )可分為：能量感知路由、基于查詢(xún)的路由、地理位置路由和可靠性路由。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )具有與傳統網(wǎng)絡(luò )不同的特點(diǎn)，它與應用緊密相關(guān)。傳統網(wǎng)絡(luò )路由協(xié)議不能有效地用于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，因而人們研究了眾多的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )路由協(xié)議。本章對幾種典型的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )路由協(xié)議做一些分析介紹，比較他們的優(yōu)劣，為后面要設計的路由提供理論基礎。

§2.1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )路由協(xié)議的分類(lèi)與性能指標

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中信道非常復雜，節點(diǎn)所處的環(huán)境無(wú)法預測，因此給無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )帶來(lái)了很多不確定因素，對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中的路由協(xié)議的研究是一項極負挑戰性的工作。根據不同的分類(lèi)標準無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中的路由協(xié)議可進(jìn)行多種分類(lèi)，比如：

1、 根據應用要求，傳感器網(wǎng)絡(luò )可分為：能量感知路由、基于查詢(xún)的路由、地理位置路由和可靠性路由。

2、 根據數據收集方式又可分為傳統的當需要時(shí)再建立路徑的按需路由機制比如動(dòng)態(tài)源路由(On-Demand Source Routing protocol , DSR)和基于數據驅動(dòng)的主動(dòng)路由機制比如定向擴散路由(Directed diffusion, DD)以及后面本文提出混合路由機制——動(dòng)態(tài)擴展多路徑路由機制。

3、 根據傳輸過(guò)程中采用的路徑的跳數，可分為單路徑路由和多路徑路由。

4、 根據路由是否考慮Qos約束，可分為保證Qos的路由協(xié)議與不保證Qos的路由協(xié)議。保證Qos的路由協(xié)議是指在路由建立的時(shí)候綜合考慮時(shí)延、誤碼率等Qos參數，從多條路由中選出一條適合Qos約束的最佳路徑。

5、 根據節點(diǎn)路由過(guò)程是否有層次結構，節點(diǎn)在選路過(guò)程中所起到的作用又可分為平面路由和層次路由。平面路由結構簡(jiǎn)單，健壯性好，適應傳感器節點(diǎn)計算功能不強、存儲能力低以及信道復雜多變的特點(diǎn)，但是維護路由的開(kāi)銷(xiāo)大，擴展性不好，數據傳輸跳數多，適合小型網(wǎng)絡(luò )。層次路由擴展性好，適合大型網(wǎng)絡(luò )，但是對于簇的維護開(kāi)銷(xiāo)大，算法復雜，對節點(diǎn)功能要求高。

針對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )路由機制的特點(diǎn)，評價(jià)一個(gè)路由協(xié)議設計是否成功，往往采用以下指標：

1、能量的有效利用節點(diǎn)所帶的能源有限，如果過(guò)多的使用會(huì )使部分節點(diǎn)提前失效，這樣容易產(chǎn)生路由空洞，甚至導致某個(gè)區域的不可到達。為了維持無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )最大的生命周期，設計路由不僅要考慮能量消耗少的路徑，而且要綜合考慮整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的生命周期，均衡整個(gè)網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)能量的消耗，避免出現過(guò)度使用某些節點(diǎn)，使其失效以致出現路由空洞。

2、擴展性

在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，由于布置的節點(diǎn)所處的地理位置環(huán)境不同，節點(diǎn)的生存周期也不盡相同。有時(shí)甚至是隨即放置節點(diǎn)，比如：軍方應用時(shí)，通過(guò)飛機向敵方陣地播撒節點(diǎn)，這時(shí)節點(diǎn)有的可能會(huì )被撒在障礙物比較多的地方，甚至是直接掉進(jìn)洞里無(wú)法于其他節點(diǎn)聯(lián)絡(luò )，有的可能放在比較潮濕的地方使電池及早失效，有的在使用過(guò)程中由于某種原因引起了位置的移動(dòng)等等?？偠灾?，由于節點(diǎn)的失效等原因可能要引起整個(gè)網(wǎng)絡(luò )拓撲的變化，這就要求路由機制能動(dòng)態(tài)的適應這種變化，具有擴展性，隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )拓撲的變化動(dòng)態(tài)調整路由。

3、可靠性

前面說(shuō)過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)所處的環(huán)境非常復雜，而且難以預測，再加上無(wú)線(xiàn)信道非常復雜，數據傳輸的可靠性就顯得非常重要。尤其是某些敏感區域的探測，比如外太空某區域環(huán)境的監測，煤礦礦井下的瓦斯的監測等等，這些數據非常寶貴，數據的安全到達要求無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的路由機制具有較強的容錯能力。

4、時(shí)延

傳感器網(wǎng)絡(luò )具有相當多的不確定因素，比如拓撲會(huì )動(dòng)態(tài)變化，節點(diǎn)間的通信鏈路質(zhì)量隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )中信息包發(fā)送的數量和節點(diǎn)間的距離動(dòng)態(tài)變化等，這些都對數據成功到達目的地的時(shí)間提出了挑戰。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )路由協(xié)議必須能夠快速收斂，特別是一些對實(shí)時(shí)任務(wù)對時(shí)間有較高的的要求時(shí)。在這方面一般都是減小通信開(kāi)銷(xiāo)，提高網(wǎng)絡(luò )傳輸的效率。

§2.2現有典型無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )路由算法的介紹與比較

目前對于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )路由算法的設計，國內外提出了很多解決方案，其中比較具有代表性的有泛洪式算法（Flooding）[7]、動(dòng)態(tài)源路由算法(DSR)[2]、低功耗自適應聚類(lèi)路由算法（LEACH）[8，11]、GEAR算法[9]和定向擴散算法（Direct Diffusion）[10，12，13，14]。這些路由算法各有其優(yōu)勢也有缺陷，而且針對不同的具體應用表現出來(lái)的性能也大不一樣，但是他們提供了幾種不同的思考方向，對后來(lái)的很多路由算法提供了借鑒。接下來(lái)將簡(jiǎn)單對他們進(jìn)行介紹。

1、 泛洪式算法（Flooding）

泛洪式算法是一種傳統的洪泛式路由技術(shù)，它不需要維護網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構和路由計算，接收到消息的節點(diǎn)以廣播形式轉發(fā)數據包給所有的鄰節點(diǎn)，這個(gè)過(guò)程重復執行，直到數據包到達目的地或者已經(jīng)達到預先設定的最大跳數。

對于自組織的傳感器網(wǎng)絡(luò )，泛洪路由是一種較直接簡(jiǎn)單的實(shí)現方法，但存在消息的“內爆”（implosion）和“重疊”（overlap）以及“資源盲點(diǎn)”（resource blindness）的特點(diǎn)。

2、動(dòng)態(tài)源路由算法(DSR)

動(dòng)態(tài)源路由算法(Dynamic Source Routing protocol)[2]是按需建立路由的一種自適應算法。當某個(gè)傳感器節點(diǎn)采集到數據后，調用路由選取機制，從它的鄰居節點(diǎn)中選取一個(gè)信道較好、能量充沛或者致匯聚節點(diǎn)（sink節點(diǎn)）距離最近的節點(diǎn)作為其轉發(fā)節點(diǎn)。其他節點(diǎn)收到這樣的數據包后運行同樣的算法，從其鄰居節點(diǎn)中找出一個(gè)最佳轉發(fā)節點(diǎn)進(jìn)行轉發(fā)，直到數據包被發(fā)送到目的地。這種算法簡(jiǎn)單，要維護的數據結構簡(jiǎn)單，路由維護開(kāi)銷(xiāo)小，但是它路由選擇時(shí)只考慮眼前最優(yōu)，沒(méi)有考慮網(wǎng)絡(luò )負載，容易導致部分節點(diǎn)提前失效；單路徑發(fā)送可靠性低，路由的選取具有盲目性，容易走向網(wǎng)絡(luò )空洞。