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

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不同的特點(diǎn)，它與應(yīng)用緊密相關(guān)。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議不能有效地用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，因而人們研究了眾多的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。本章對幾種典型的無線傳感器網(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(shè)計(jì)的路由提供理論基礎(chǔ)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中信道非常復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)所處的環(huán)境無法預(yù)測，因此給無線傳感器網(wǎng)絡(luò)帶來了很多不確定因素，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的路由協(xié)議的研究是一項(xiàng)極負(fù)挑戰(zhàn)性的工作。根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的路由協(xié)議可進(jìn)行多種分類，比如：

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

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不同的特點(diǎn)，它與應(yīng)用緊密相關(guān)。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議不能有效地用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，因而人們研究了眾多的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。本章對幾種典型的無線傳感器網(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(shè)計(jì)的路由提供理論基礎(chǔ)。

§2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的分類與性能指標(biāo)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中信道非常復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)所處的環(huán)境無法預(yù)測，因此給無線傳感器網(wǎng)絡(luò)帶來了很多不確定因素，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的路由協(xié)議的研究是一項(xiàng)極負(fù)挑戰(zhàn)性的工作。根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的路由協(xié)議可進(jìn)行多種分類，比如：

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

2、 根據(jù)數(shù)據(jù)收集方式又可分為傳統(tǒng)的當(dāng)需要時(shí)再建立路徑的按需路由機(jī)制比如動態(tài)源路由(On-Demand Source Routing protocol , DSR)和基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的主動路由機(jī)制比如定向擴(kuò)散路由(Directed diffusion, DD)以及后面本文提出混合路由機(jī)制——動態(tài)擴(kuò)展多路徑路由機(jī)制。

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

4、 根據(jù)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(shù)，從多條路由中選出一條適合Qos約束的最佳路徑。

5、 根據(jù)節(jié)點(diǎn)路由過程是否有層次結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)在選路過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(jié)構(gòu)簡單，健壯性好，適應(yīng)傳感器節(jié)點(diǎn)計(jì)算功能不強(qiáng)、存儲能力低以及信道復(fù)雜多變的特點(diǎn)，但是維護(hù)路由的開銷大，擴(kuò)展性不好，數(shù)據(jù)傳輸跳數(shù)多，適合小型網(wǎng)絡(luò)。層次路由擴(kuò)展性好，適合大型網(wǎng)絡(luò)，但是對于簇的維護(hù)開銷大，算法復(fù)雜，對節(jié)點(diǎn)功能要求高。

針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由機(jī)制的特點(diǎn)，評價(jià)一個(gè)路由協(xié)議設(shè)計(jì)是否成功，往往采用以下指標(biāo)：

1、能量的有效利用節(jié)點(diǎn)所帶的能源有限，如果過多的使用會使部分節(jié)點(diǎn)提前失效，這樣容易產(chǎn)生路由空洞，甚至導(dǎo)致某個(gè)區(qū)域的不可到達(dá)。為了維持無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最大的生命周期，設(shè)計(jì)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(jié)點(diǎn)能量的消耗，避免出現(xiàn)過度使用某些節(jié)點(diǎn)，使其失效以致出現(xiàn)路由空洞。

2、擴(kuò)展性

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于布置的節(jié)點(diǎn)所處的地理位置環(huán)境不同，節(jié)點(diǎn)的生存周期也不盡相同。有時(shí)甚至是隨即放置節(jié)點(diǎn)，比如：軍方應(yīng)用時(shí)，通過飛機(jī)向敵方陣地播撒節(jié)點(diǎn)，這時(shí)節(jié)點(diǎn)有的可能會被撒在障礙物比較多的地方，甚至是直接掉進(jìn)洞里無法于其他節(jié)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，有的在使用過程中由于某種原因引起了位置的移動等等?？偠灾?，由于節(jié)點(diǎn)的失效等原因可能要引起整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓@就要求路由機(jī)制能動態(tài)的適應(yīng)這種變化，具有擴(kuò)展性，隨著網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓瘎討B(tài)調(diào)整路由。

3、可靠性

前面說過無線傳感器節(jié)點(diǎn)所處的環(huán)境非常復(fù)雜，而且難以預(yù)測，再加上無線信道非常復(fù)雜，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃跃惋@得非常重要。尤其是某些敏感區(qū)域的探測，比如外太空某區(qū)域環(huán)境的監(jiān)測，煤礦礦井下的瓦斯的監(jiān)測等等，這些數(shù)據(jù)非常寶貴，數(shù)據(jù)的安全到達(dá)要求無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由機(jī)制具有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力。

4、時(shí)延

傳感器網(wǎng)絡(luò)具有相當(dāng)多的不確定因素，比如拓?fù)鋾討B(tài)變化，節(jié)點(diǎn)間的通信鏈路質(zhì)量隨著網(wǎng)絡(luò)中信息包發(fā)送的數(shù)量和節(jié)點(diǎn)間的距離動態(tài)變化等，這些都對數(shù)據(jù)成功到達(dá)目的地的時(shí)間提出了挑戰(zhàn)。無線傳感器網(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銷，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男省?/p>

§2.2現(xiàn)有典型無線傳感網(wǎng)絡(luò)路由算法的介紹與比較

目前對于無線傳感網(wǎng)絡(luò)路由算法的設(shè)計(jì)，國內(nèi)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]、動態(tài)源路由算法(DSR)[2]、低功耗自適應(yīng)聚類路由算法（LEACH）[8，11]、GEAR算法[9]和定向擴(kuò)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(yīng)用表現(xiàn)出來的性能也大不一樣，但是他們提供了幾種不同的思考方向，對后來的很多路由算法提供了借鑒。接下來將簡單對他們進(jìn)行介紹。

1、 泛洪式算法（Flooding）

泛洪式算法是一種傳統(tǒng)的洪泛式路由技術(shù)，它不需要維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路由計(jì)算，接收到消息的節(jié)點(diǎn)以廣播形式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包給所有的鄰節(jié)點(diǎn)，這個(gè)過程重復(fù)執(zhí)行，直到數(shù)據(jù)包到達(dá)目的地或者已經(jīng)達(dá)到預(yù)先設(shè)定的最大跳數(shù)。

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

2、動態(tài)源路由算法(DSR)

動態(tài)源路由算法(Dynamic Source Routing protocol)[2]是按需建立路由的一種自適應(yīng)算法。當(dāng)某個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)采集到數(shù)據(jù)后，調(diào)用路由選取機(jī)制，從它的鄰居節(jié)點(diǎn)中選取一個(gè)信道較好、能量充沛或者致匯聚節(jié)點(diǎn)（sink節(jié)點(diǎn)）距離最近的節(jié)點(diǎn)作為其轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。其他節(jié)點(diǎn)收到這樣的數(shù)據(jù)包后運(yùn)行同樣的算法，從其鄰居節(jié)點(diǎn)中找出一個(gè)最佳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，直到數(shù)據(jù)包被發(fā)送到目的地。這種算法簡單，要維護(hù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單，路由維護(hù)開銷小，但是它路由選擇時(shí)只考慮眼前最優(yōu)，沒有考慮網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，容易導(dǎo)致部分節(jié)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。