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

路由容錯性能是指路由算法的魯棒性，數據通過(guò)該路由算法確定的路徑到達目的地的可靠性。比如當某個(gè)傳感器節點(diǎn)失效時(shí)，路由算法可以通過(guò)路徑修補繞過(guò)該點(diǎn)，當網(wǎng)絡(luò )里信道間誤碼率較高或傳感器節點(diǎn)所處的環(huán)境影響信號傳輸時(shí)能夠保證數據的安全傳輸等等。

數據傳輸方式是指信息在傳感器網(wǎng)絡(luò )里是通過(guò)直接的點(diǎn)對點(diǎn)傳輸還是通過(guò)中間節點(diǎn)，以接力棒的形式進(jìn)行數據傳輸。

網(wǎng)絡(luò )生命周期指的是所布置的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )能夠進(jìn)行有效工作的時(shí)間，如果網(wǎng)絡(luò )中某些節點(diǎn)由于過(guò)度使用而提前失效，致使其他節點(diǎn)不能進(jìn)行組網(wǎng)而破壞了網(wǎng)絡(luò )的聯(lián)通性，這樣雖然其他節點(diǎn)本身能夠采集并發(fā)送數據，但是由于網(wǎng)絡(luò )聯(lián)通性被破壞，數據不能到達目的節點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò )生命周期是傳感器網(wǎng)絡(luò )里非常周要的一個(gè)指標。

數據發(fā)送模式指的是數據是主動(dòng)發(fā)送的還是通過(guò)其他節點(diǎn)的要求來(lái)發(fā)送的。主動(dòng)發(fā)送的數據是根據本地的設定的采樣頻率連續發(fā)送的，當傳感器采集到數據便打包發(fā)送；通過(guò)其他節點(diǎn)的要求來(lái)發(fā)送的模式一般是指匯聚節點(diǎn)根據需要向目的監測區域發(fā)送查詢(xún)命令，通知目的區域發(fā)送某種類(lèi)型的數據，目的區域節點(diǎn)接到命令后，開(kāi)啟數據采集功能，根據命令中要求的頻率進(jìn)行采樣并發(fā)送。

數據/查詢(xún)緩存是指路由算法是否設置緩沖池用來(lái)為那些已經(jīng)發(fā)送的數據在本地保留副本以便數據包丟失后進(jìn)行重傳，或者用來(lái)緩存那些接收到的查詢(xún)命令等控制信息。數據/查詢(xún)緩存的使用一方面可以用于保證數據的可靠性或優(yōu)化路徑，但是另一方面它增加了維護路由的開(kāi)銷(xiāo)，設計路由要均衡利弊選擇使用。

數據聚集指的是在數據包發(fā)到目的地之前是否都發(fā)到某一個(gè)中間節點(diǎn)進(jìn)行一些必要的處理，比如某個(gè)監測區域監測到的數據先發(fā)往一個(gè)控制節點(diǎn)進(jìn)行數據融合，進(jìn)行一些必要的數據過(guò)濾或者對數據進(jìn)行求平均值等必要的計算，然后再發(fā)往目的地，這樣可以減少網(wǎng)絡(luò )通信量。資源有效性是指監測區域收集的數據與匯聚節點(diǎn)實(shí)際想得到的數據是否一致，監測區域收集數據的頻率和發(fā)送時(shí)延是否滿(mǎn)足要求。

分層是指無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)之間功能的劃分，如果傳感器網(wǎng)絡(luò )中各個(gè)節點(diǎn)的功能一樣，都是即可以采集數據又可以控制路由選擇，那么這種路由是不分層的，又叫平面路由；如果節點(diǎn)收集到數據后要發(fā)往一個(gè)專(zhuān)門(mén)的控制節點(diǎn)進(jìn)行選路，那個(gè)專(zhuān)門(mén)的節點(diǎn)又稱(chēng)為簇頭，這種路由機制屬于分層的路由，又叫做層次路由。

§2.3路由協(xié)議接入方式

前面說(shuō)過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )不同于一般的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )，它在資源、傳輸方式以及應用對象方面有自己的特點(diǎn)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的路由協(xié)議與傳感器網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)對應，是與應用緊密相連的。前面提到的幾個(gè)應用分別應用的場(chǎng)合也不盡相同，每種協(xié)議都有自己獨特的優(yōu)勢和缺點(diǎn)。這就要求對于不同的應用能夠進(jìn)行自由的切換路由，路由能夠進(jìn)行方便的更替?，F在一些應用于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的系統中有一些對路由層做了封裝，以配置文件的形式可以動(dòng)態(tài)的鏈入，比如：加州大學(xué)伯克利分校研究的tinyos系統把路由層以組件的形式實(shí)現，提供給上層接口進(jìn)行調用。組建可以自由的更換，只要提供的接口一致，給上層應用的開(kāi)發(fā)提供了極大的方便，路由層的加入也很方便。Jennic公司研制的bos系統類(lèi)似于tinyos，相當于tinyos簡(jiǎn)化版，傳感器網(wǎng)絡(luò )中各部分也是以API接口的形式提供給應用層調用。這些系統的共同之處是為方便應用，把下層包括路由層封裝起來(lái)，以API接口的形式提供功能調用。下面以tinyos中路由層的調用方式[3]來(lái)說(shuō)明無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中路由層的自由變更方式。

如圖2-3所示，AM模塊用于連接發(fā)送模塊，和下面的mac層、物理層通信，調用下層功能完成信息的收發(fā)功能。路由模塊MultiHopRouter利用AM層的收發(fā)接口完成路由選擇、路徑優(yōu)化等功能，提供給上層收發(fā)接口和Intercept接口，其中Intercept接口用于那些收到的不是發(fā)給本地節點(diǎn)的信息。其中AM模塊（Active Message）用專(zhuān)門(mén)的組件封裝好，提供基本的數據的發(fā)送和接收功能。路由層架設在A(yíng)M層之上，提供路由功能，在路由層之上是傳輸層，由于并沒(méi)有在系統中實(shí)現，所以用虛線(xiàn)表示。路由層之上實(shí)際上是應用層，實(shí)現的路由都提供這些接口，上層應用在使用時(shí)直接調用這些接口，根本不關(guān)心具體的實(shí)現。這樣封裝有利于路由層的靈活替換，只要提供相同的接口，就可以很方便的連入應用程序。

傳感器網(wǎng)絡(luò )可能需要在相同的監測區域內完成不同的任務(wù)，如果為每種任務(wù)部署專(zhuān)門(mén)的傳感器網(wǎng)絡(luò )將增加傳感器網(wǎng)絡(luò )的成本。因此，為了完成任務(wù)，傳感器網(wǎng)絡(luò )需要根據應用環(huán)境和網(wǎng)絡(luò )條件自主選擇適用的路由協(xié)議，并在各個(gè)路由協(xié)議之間自主切換。靈活的路由自主切換為應用提供了方便，節省了成本，但是為路由協(xié)議的開(kāi)發(fā)增加了約束條件，加大了開(kāi)發(fā)難度，提出新的挑戰。