《傳感器網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用》學(xué)習(xí)報(bào)告

1、傳感器網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用學(xué)習(xí)報(bào)告一、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的基本概述<1> 什么是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議傳統(tǒng)的路由協(xié)議往往注重于如何使得數(shù)據(jù)分組在網(wǎng)絡(luò)中能夠最快地到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)，要求盡量縮短傳輸?shù)穆窂?，得到比較短的傳輸時(shí)延。并且傳統(tǒng)的路由還注重于如何提高網(wǎng)絡(luò)的帶寬和公平性等性能。然而在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的背景下，情況將大大不同。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)由電池供電，除了較為特殊的節(jié)點(diǎn)外，一般沒有外部的能量補(bǔ)充，因此怎樣延長網(wǎng)絡(luò)的壽命，使網(wǎng)絡(luò)盡可能長地處于工作狀態(tài)是設(shè)計(jì)的主要目的之一。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般是有著較強(qiáng)功能的設(shè)備，其計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力和通信能力一般比無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)高出許多，因而其路由設(shè)

2、計(jì)的限制較少；而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)除了受到能量的制約外，還需要考慮計(jì)算和存儲(chǔ)上的限制。傳感器網(wǎng)絡(luò)不能承受大量且復(fù)雜的路由計(jì)算，節(jié)點(diǎn)也難以存儲(chǔ)規(guī)模龐大的路由表，因此路由表引起的頻繁通信是嚴(yán)重負(fù)擔(dān)。<2>無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的定義路由協(xié)議負(fù)責(zé)給數(shù)據(jù)分組導(dǎo)航，完成將源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)分組根據(jù)最優(yōu)的路徑在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)的任務(wù)，網(wǎng)絡(luò)中的中間節(jié)點(diǎn)最終將分組正確的數(shù)據(jù)傳送到目的節(jié)點(diǎn)。<3>無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的優(yōu)劣性判斷標(biāo)準(zhǔn)和性能指標(biāo)1. 能量效率傳感器節(jié)點(diǎn)通常采用電池供電，能量十分有限且部署環(huán)境通常比較惡劣，無法對(duì)電池進(jìn)行充電。因此，節(jié)能是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議涉及的首要原則。無線傳

3、感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議不僅要考慮選擇能量消耗小的傳輸路徑，而且要從整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的角度考慮，選擇能使網(wǎng)絡(luò)能量消耗均衡的傳輸路徑。2. 可擴(kuò)展性對(duì)于不同的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模大小會(huì)有較大不同，這要求路由協(xié)議具有良好的可擴(kuò)展性，能夠很好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的變化，為不同規(guī)模的傳感器網(wǎng)絡(luò)提供良好的網(wǎng)絡(luò)性能。3. 自適應(yīng)性由于環(huán)境變化，節(jié)點(diǎn)能量和信道寬帶限制，節(jié)點(diǎn)加入、退出或移動(dòng)等因素的影響，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)頻繁發(fā)生變化，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議應(yīng)該能夠快速地自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)變化。4. 魯棒性由于部署環(huán)境通常比較惡劣，且無人值守，傳感器節(jié)點(diǎn)容易受損或發(fā)生故障，能量耗盡也會(huì)使傳感器節(jié)點(diǎn)失效，無法正

4、常工作。而且，由于各種因素，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋾?huì)頻繁發(fā)生變化，造成鏈路終端，影響數(shù)據(jù)的正常傳輸。因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議必須具有高魯棒性，在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化、傳輸鏈路中斷的情況下，能夠快速確定并建立備用路由，保證網(wǎng)絡(luò)的正常工作和數(shù)據(jù)的正常傳輸。二、傳統(tǒng)的路由協(xié)議Protocol 1：Flooding協(xié)議1Flooding協(xié)議，也叫泛洪協(xié)議，是一種簡(jiǎn)單而經(jīng)典的傳統(tǒng)路由協(xié)議，可以應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。在Flooding協(xié)議中，一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生或接收到數(shù)據(jù)后，以廣播的方式向所有相鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送或轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)或?yàn)樵摂?shù)據(jù)所設(shè)定的生命周期(Time To Live，TTL)到期為止。每個(gè)泛洪

5、分組需要攜帶源節(jié)點(diǎn)ID和源節(jié)點(diǎn)分配的唯一序列號(hào)，用于避免重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)。圖1為Flooding路由的示意圖。圖中，節(jié)點(diǎn)S需要向全網(wǎng)泛洪數(shù)據(jù)x。為此，節(jié)點(diǎn)S首先將數(shù)據(jù)發(fā)送給相鄰接點(diǎn)A、B、C，各相鄰節(jié)點(diǎn)又將數(shù)據(jù)發(fā)送給各自所有相鄰節(jié)點(diǎn)，而節(jié)點(diǎn)D收到后繼續(xù)廣播發(fā)送。這樣，網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都完成了一次轉(zhuǎn)發(fā)。圖1 Flooding路由示意圖Flooding協(xié)議不需要節(jié)點(diǎn)維護(hù)任何路由信息，簡(jiǎn)單易行。缺點(diǎn)：1. 內(nèi)爆。節(jié)點(diǎn)可能從相鄰節(jié)點(diǎn)收到多份相同數(shù)據(jù)。2. 數(shù)據(jù)重疊。同一區(qū)域的多個(gè)節(jié)點(diǎn)可能會(huì)同時(shí)發(fā)送相同現(xiàn)象或目標(biāo)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，使得一個(gè)節(jié)點(diǎn)先后收到這些節(jié)點(diǎn)發(fā)送的相同數(shù)據(jù)。3. 資源浪費(fèi)。節(jié)點(diǎn)在發(fā)送或轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)不考慮自

6、身資源的限制，在任何情況下都向所有鄰近節(jié)點(diǎn)發(fā)送或轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，造成能量、帶寬等資源的極大浪費(fèi)。Protocol 2：按需路由協(xié)議（AODV 協(xié)議2）AODV(Ad hoc on-demand distance vector routing)是一種源驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)需要給網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)傳送信息時(shí)，如果沒有到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路由，則必須先以多播的形式發(fā)出RREQ(路由請(qǐng)求)報(bào)文。RREQ報(bào)文中記錄著發(fā)起節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)層地址，鄰近節(jié)點(diǎn)收到RREQ，首先判斷目標(biāo)節(jié)點(diǎn)是否為自己。如果是，則向發(fā)起節(jié)點(diǎn)發(fā)送RREP(路由回應(yīng))；如果不是，則首先在路由表中查找是否有到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路由，如果有，則向源節(jié)

7、點(diǎn)單播RREP，否則繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)RREQ進(jìn)行查找。在網(wǎng)絡(luò)資源充分的情況下，AODV協(xié)議可以通過定期廣播hello報(bào)文來維護(hù)路由，一旦發(fā)現(xiàn)某一個(gè)鏈路斷開，節(jié)點(diǎn)就發(fā)送ERROR報(bào)文通知那些因鏈路斷開而不可達(dá)的節(jié)點(diǎn)刪除相應(yīng)的記錄或者對(duì)已存在的路由進(jìn)行修復(fù)。RREQ和RREP的查找方式分別如圖2和3所示。圖2 RREQ廣播圖3 RREP單播Protocol 3：表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議（DSDV2）目的序列距離矢量協(xié)議DSDV ( Destinatio n-Sequenced Di stance-Vecto r)是基于經(jīng)典的Bellma n-Ford路由算法4 ，通過修改路由信息協(xié)議RIP得到的，它是一種先應(yīng)式的路

8、由協(xié)議 5。DSDV 通過給路由表中每條記錄(即每條路由)設(shè)定序列號(hào)避免了路由環(huán)路的產(chǎn)生。每個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在本地都保留一張路由表，其中每條路由包括目的節(jié)點(diǎn)、下一跳、路由跳數(shù)、該路由序列號(hào)等信息，路由序列號(hào)用于區(qū)別新舊路由以避免環(huán)路的產(chǎn)生，優(yōu)先采用序列號(hào)大的路由，如果序列號(hào)相同，則優(yōu)先采用跳距小的路由。DSDV 采用時(shí)間驅(qū)動(dòng)和事件驅(qū)動(dòng)結(jié)合控制路由表更新的傳送，每個(gè)節(jié)點(diǎn)周期性地將路由更新信息傳送給相鄰節(jié)點(diǎn)；或者當(dāng)其路由表發(fā)生變化時(shí)，也會(huì)將路由更新信息傳給相鄰節(jié)點(diǎn)。為了減少控制信息的開銷，DSDV 把路由更新信息分為兩類，一類稱為完整路由更新( full dump) ，包含了該節(jié)點(diǎn)的路由表中所有的路由信

9、息。另一種稱為增量路由更新( incremental ) ，攜帶的是從上次full dump以后改變的路由信息。一個(gè)增量路由更新的大小應(yīng)該小于一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)單元( N PDU)的大小，當(dāng)增量的路由信息達(dá)到或大于一個(gè)N PDU 的大小時(shí)，就應(yīng)該發(fā)送完整路由更新，否則只是發(fā)送增量路由更新。由于節(jié)點(diǎn)經(jīng)常會(huì)先后收到多個(gè)到同一目的地并具有相同序列號(hào)的路由更新信息，而且往往先收到跳距較大的路由信息，這會(huì)觸發(fā)節(jié)點(diǎn)頻繁的發(fā)送路由更新信息，浪費(fèi)了帶寬。一種解決辦法就是，在節(jié)點(diǎn)收到第一條需要采用的路由更新時(shí)，當(dāng)經(jīng)過該節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)比自己所保存的路由信息中的跳數(shù)大時(shí)，節(jié)點(diǎn)并不馬上觸發(fā)自己發(fā)送路由更新，而是隨

10、機(jī)等待片刻，盡量收完多個(gè)路由更新，選取最優(yōu)的更新自己的路由表，再發(fā)送自己的路由更新。DSDV 的關(guān)鍵參數(shù)就是路由更新周期的設(shè)置，并且，在M AN ET中，由于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和鏈路狀態(tài)變化較快，可能引起太頻繁的觸發(fā)更新，占用太多網(wǎng)絡(luò)資源，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能的劇烈下降。在DSDV 中，路由維護(hù)策略有兩種方式: 時(shí)間驅(qū)動(dòng)路由維護(hù)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)周期性地與鄰節(jié)點(diǎn)交換路由信息； 事件驅(qū)動(dòng)路由維護(hù)，任一節(jié)點(diǎn)當(dāng)感知到鄰域節(jié)點(diǎn)或者鄰域鏈路發(fā)生變化時(shí)，根據(jù)路由表的改變來觸發(fā)路由更新。同時(shí)，路由更新也有兩種方式: 全部內(nèi)容更新( full dump) ，即拓?fù)涓孪⒅袑ㄕ麄€(gè)路由表，主要應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)變化較快的情況； 部分內(nèi)容

11、更新( incremental update) ，更新消息中僅包含變化的路由部分，通常適用于網(wǎng)絡(luò)變化較慢的情況。在DSDV 中優(yōu)先使用序列號(hào)大的路由信息，如果序列號(hào)相同，則選用跳數(shù)較小的路由。如果所收到的路由更新信息中的某條信息的序列號(hào)比自己路由表中的相應(yīng)目的節(jié)點(diǎn)的序列號(hào)小，則不進(jìn)行處理。三、最新的路由協(xié)議Protocol 1：EAGR3(energy-aware geographic routing)工作原理是:在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，先建立錨節(jié)點(diǎn)表來引導(dǎo)數(shù)據(jù)的傳輸，每個(gè)數(shù)據(jù)分組以錨節(jié)點(diǎn)為次目的節(jié)點(diǎn)，在源節(jié)點(diǎn)、次目的節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)間選擇能量優(yōu)化的中繼節(jié)點(diǎn)來轉(zhuǎn)發(fā)。在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)過程中，EAGR 結(jié)合網(wǎng)絡(luò)能

12、量消耗特征值、節(jié)點(diǎn)位置信息及能量消耗代價(jià)來選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，統(tǒng)籌考慮了節(jié)點(diǎn)在貪婪模式和邊緣轉(zhuǎn)發(fā)模式下的能量消耗。針對(duì)可能遇到的路由空洞，EAGR 通過建立錨節(jié)點(diǎn)表來繞行。圖4給出了EAGR 工作示意圖，其主要由4 個(gè)部分構(gòu)成:(1) 鄰居節(jié)點(diǎn)信息收集與交換；(2) 錨節(jié)點(diǎn)表的建立；(3) 下一跳的選擇；(4) 傳輸功率的改變與分組的傳輸。由于只使用貪婪模式沿著能量優(yōu)化路徑轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，EAGR 有效地降低了網(wǎng)絡(luò)能量消耗，同時(shí)減小了網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延。在具有有限路由空洞節(jié)點(diǎn)的傳感網(wǎng)中，如果錨節(jié)點(diǎn)間傳感節(jié)點(diǎn)均勻分布，則EAGR 能夠有效降低網(wǎng)絡(luò)通信能量消耗；否則，其有效性將顯著降低。圖4 EAGR 工作示意圖研

13、究能量感知地理路由的意義主要體現(xiàn)在:(1) 有利于降低節(jié)點(diǎn)能量消耗與延長網(wǎng)絡(luò)壽命(2) 有利于整體改善網(wǎng)絡(luò)各項(xiàng)性能指標(biāo) Protocol 2:WSN分簇路由協(xié)議在WSN體系結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)層的路由技術(shù)對(duì)WSN的性能好壞有著重要影響。隨著國內(nèi)外WSN的研究發(fā)展，許多路由協(xié)議被提了出來，從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的角度我們可以大體把它們分為兩類:平面路由協(xié)議和分簇路由協(xié)議。 在平面路由協(xié)議中，所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的地位是平等的，不存在等級(jí)和層次差異。它們通過相互之間的局部操作和信息反饋來生成路由。在這類協(xié)議中，目的節(jié)點(diǎn)(sink)向監(jiān)測(cè)區(qū)域的節(jié)點(diǎn)(source)發(fā)出查詢命令，監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)收到查詢命令后，向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送

14、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。平面路由的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、易擴(kuò)展，無須進(jìn)行任何結(jié)構(gòu)維護(hù)工作，所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的地位平等，不易產(chǎn)生瓶頸效應(yīng)，因此具有較好的健壯性。典型的平面路由算法有DD(directed diffusion)4，SAR(sequential assignment routing)5，SPIN(sensor protocols for information via negotiation)6，Romor Routing7等。平面路由的最大缺點(diǎn)在于:網(wǎng)絡(luò)中無管理節(jié)點(diǎn)，缺乏對(duì)通信資源的優(yōu)化管理，自組織協(xié)同工作算法復(fù)雜，對(duì)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)變化的反應(yīng)速度較慢等。 在分簇路由協(xié)議中，網(wǎng)絡(luò)通常被劃分為簇(cluster)。所謂

15、簇，就是具有某種關(guān)聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)集合。每個(gè)簇由一個(gè)簇頭(cluster head)和多個(gè)簇內(nèi)成員(cluster member)組成，低一級(jí)網(wǎng)絡(luò)的簇頭是高一級(jí)網(wǎng)絡(luò)中的簇內(nèi)成員，由最高層的簇頭與基站BS(base station)通信(如圖1所示)。這類算法將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)劃分為相連的區(qū)域。 在分簇的拓?fù)涔芾頇C(jī)制下，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可以劃分為簇頭節(jié)點(diǎn)和成員節(jié)點(diǎn)兩類。在每個(gè)簇內(nèi)，根據(jù)一定的機(jī)制算法選取某個(gè)節(jié)點(diǎn)作為簇頭，用于管理或控制整個(gè)簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)成員節(jié)點(diǎn)之間的工作，負(fù)責(zé)簇內(nèi)信息的收集和數(shù)據(jù)的融合處理以及簇間轉(zhuǎn)發(fā)。分簇路由機(jī)制具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):(1) 成員節(jié)點(diǎn)大部分時(shí)間可以關(guān)閉通信模塊，由簇頭構(gòu)成一個(gè)更

16、上一層的連通網(wǎng)絡(luò)來負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的長距離路由轉(zhuǎn)發(fā)。這樣既保證了原有覆蓋范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)通信，也在很大程度上節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)能量；(2) 簇頭融合了成員節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)之后再進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，減少了數(shù)據(jù)通信量，從而節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)能量；(3) 成員節(jié)點(diǎn)的功能比較簡(jiǎn)單，無須維護(hù)復(fù)雜的路由信息。這大大減少了網(wǎng)絡(luò)中路由控制信息的數(shù)量，減少了通信量；(4) 分簇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)便于管理，有利于分布式算法的應(yīng)用，可以對(duì)系統(tǒng)變化作出快速反應(yīng)，具有較好的可擴(kuò)展性，適合大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)；(5) 與平面路由相比，更容易克服傳感器節(jié)點(diǎn)移動(dòng)帶來的問題。簇頭的產(chǎn)生是簇形成的基礎(chǔ)。分簇路由算法的第一步就是考慮怎樣產(chǎn)生簇頭。在一些協(xié)議中，比如max-min zPmin，E

17、CMR(energy-conscious message routing)，簇頭是被預(yù)先指定部署的，且假設(shè)它們的能量并不受限。這與一般的WSN情況不同，大多數(shù)分簇路由協(xié)議是讓資源受限的傳感器節(jié)點(diǎn)承擔(dān)簇頭的任務(wù)。為了延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期，簇頭需要周期性地更新。簇頭的產(chǎn)生方法、數(shù)量和位置決定了最終形成的簇的結(jié)構(gòu)、大小和數(shù)量，也影響了節(jié)點(diǎn)的能量耗費(fèi)進(jìn)度和網(wǎng)絡(luò)的生命周期。目前的簇頭選擇算法一般基于以下一些準(zhǔn)則:(1) 節(jié)點(diǎn)的剩余能量；(2) 簇頭到基站的距離；(3) 簇頭的位置分布，包括簇頭的連通度和覆蓋度；(4) 簇內(nèi)通信代價(jià)。簇頭產(chǎn)生算法：CEFL4CEFL(cluster-head electio

18、n using fuzzy logic)采用Mamdani模糊邏輯方法選擇簇頭。CEFL的輸入變量是節(jié)點(diǎn)能量、節(jié)點(diǎn)密集度和節(jié)點(diǎn)向心性。節(jié)點(diǎn)密集度是指節(jié)點(diǎn)所在位置周圍節(jié)點(diǎn)的密度，節(jié)點(diǎn)向心性是指節(jié)點(diǎn)靠近簇的中心程度，用該節(jié)點(diǎn)到簇內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)的距離平方和來度量。節(jié)點(diǎn)能量和節(jié)點(diǎn)密集度被安排成3種等級(jí)的隸屬度:high，medium，low；節(jié)點(diǎn)向心性也被安排成3種等級(jí)的隸屬度:close，adequate，far；模糊輸出集合包括7種結(jié)果:very small，small，rather small，medium，rather large，large，very large，表示節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇頭的可能性。CEF

19、L采用重心法(center of gravity)進(jìn)行解模糊判決，從模糊輸出隸屬函數(shù)中找出一個(gè)最能代表模糊集合的精確量。該算法適合中等規(guī)模網(wǎng)絡(luò)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該簇頭選擇算法比LEACH更能延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。Protocol 3：基于機(jī)會(huì)的路由協(xié)議5（ExOR opportunistic multi-hop routing for wireless networks）機(jī)會(huì)路由充分利用了無線多跳網(wǎng)絡(luò)的信道廣播特性，通過多個(gè)潛在中繼節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)并自主智能選擇下一跳節(jié)點(diǎn)，來提高無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸可靠性和端到端的吞吐率。機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)可以選擇多個(gè)中間節(jié)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)發(fā)中繼節(jié)點(diǎn)。每次數(shù)據(jù)發(fā)送后，都有更多的被接收和再次轉(zhuǎn)發(fā)的機(jī)

20、會(huì)。如圖5 所示(鏈路上的值代表該鏈路分組成功投遞率)，假設(shè)從源節(jié)點(diǎn)Src 到每個(gè)中間節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)成功率為25%，從每個(gè)中間節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)Dst 的轉(zhuǎn)發(fā)成功率是100%。使用傳統(tǒng)確定性路由方法，源節(jié)點(diǎn)將從4 個(gè)中間節(jié)點(diǎn)中選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn)。此時(shí)，從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)成功率只有25%，即源節(jié)點(diǎn)平均發(fā)送4次，目的節(jié)點(diǎn)才能成功收到1 次。如果使用機(jī)會(huì)路由的方式，建立一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集(forwarder candidate set)，把4 個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)同時(shí)作為備選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，只要其中一個(gè)收到源節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)包就可以繼續(xù)向目的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，轉(zhuǎn)發(fā)率可以提高到1-(1-0.25)4*100%68%，轉(zhuǎn)發(fā)率從

21、25%上升到了68%，從而顯著提高了端到端的吞吐量。圖5 增加單跳傳輸可靠性機(jī)會(huì)路由協(xié)議也可以減少端到端轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)、降低延遲、提高吞吐量。如圖6 所示，5 個(gè)中間節(jié)點(diǎn)在源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間沿直線分布，圖中長度相同的鏈路具有相同的分組投遞率。傳統(tǒng)路由協(xié)議事先確定源到目的節(jié)點(diǎn)所要經(jīng)過的中間節(jié)點(diǎn)，例如Src-B-D-Dst。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)向下一跳節(jié)點(diǎn)B 發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，B 收到了數(shù)據(jù)包，但同時(shí)C 也收到了同樣的數(shù)據(jù)包。機(jī)會(huì)路由策略允許C 向下游轉(zhuǎn)發(fā)，而不是由B 來承擔(dān)此任務(wù)，這樣就可能形成Src-C-Dst 路徑，相比Src-B-D-Dst 路徑減少了跳數(shù)。另一種情況是，源在給B 發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，B 沒有收到，但A

22、 收到了，傳統(tǒng)路由協(xié)議中，源節(jié)點(diǎn)必須重發(fā)這個(gè)數(shù)據(jù)包，而機(jī)會(huì)路由允許A 來發(fā)送這個(gè)數(shù)據(jù)包。這種策略會(huì)使得數(shù)據(jù)更快地向目的端方向傳輸，從而增加了端到端的數(shù)據(jù)吞吐量，同時(shí)也提供了可靠傳輸。圖6 增加單跳傳輸可靠性ExOR6算法的基本步驟如下：（1） 源節(jié)點(diǎn)根據(jù)期望傳輸次數(shù)度量，從全局節(jié)點(diǎn)中選擇一個(gè)集節(jié)點(diǎn)作為候選（下一跳）接收節(jié)點(diǎn)（Candidate Next-hop Set， CNS）；源節(jié)點(diǎn)把包含候選節(jié)點(diǎn)集信息的數(shù)據(jù)廣播出去。（2） 收到這些包的接收節(jié)點(diǎn)，根據(jù)其是否為候選節(jié)點(diǎn)及其優(yōu)先級(jí)次序，或者丟棄該包，或廣播ACK信息；收包節(jié)點(diǎn)達(dá)成共識(shí)，讓其中的“即時(shí)”最優(yōu)的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。目的是協(xié)同（Coord

23、ination）多收包節(jié)點(diǎn)就“最優(yōu)”轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)達(dá)成共識(shí)。重復(fù)這兩步，直至數(shù)據(jù)包發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)。影響機(jī)會(huì)路由性能的主要因素：（1）備選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)選擇如何選擇備選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集是影響路由協(xié)議性能的關(guān)鍵因素，選擇合適的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集可以獲得較高的協(xié)議性能提成。（2）備選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)機(jī)制在選擇了備選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)并為各節(jié)點(diǎn)確定優(yōu)先級(jí)后，需要一種機(jī)制使各轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)之間能夠相互協(xié)調(diào)，以有效避免或抑制不必要的重復(fù)發(fā)送。 四、未來發(fā)展方向方向1 （基于3篇論文相關(guān)）傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)路由采用“先選路，后轉(zhuǎn)發(fā)”的思想，即首先確定傳輸最佳路徑，再進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。傳統(tǒng)的無線自組織網(wǎng)絡(luò)和傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議也采用這種思想，如之前的AODV。然

24、而，無線多跳網(wǎng)絡(luò)（無線自組織網(wǎng)絡(luò)、無線Mesh網(wǎng)絡(luò)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)）的一些特性要求在借鑒傳統(tǒng)路有思想的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出適合于無線多跳網(wǎng)絡(luò)自身的路由方法。例如，無線多跳網(wǎng)絡(luò)具有鏈路動(dòng)態(tài)變化和丟失率高的特性，這個(gè)特性導(dǎo)致無線鏈路質(zhì)量較差且穩(wěn)定性較低。傳統(tǒng)的提高鏈路可靠性的方法是鏈路層重傳，然而頻繁的鏈路層數(shù)據(jù)重傳將消耗大量的帶寬資源，大大降低網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。另外，節(jié)點(diǎn)能量、計(jì)算能力和存儲(chǔ)空間的限制也給無線多跳網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議帶來了挑戰(zhàn)。針對(duì)無線多跳路由的特性和確定性路由的不足，機(jī)會(huì)路由則充分利用了無線多跳網(wǎng)絡(luò)的信道廣播特性，通過多個(gè)潛在中繼節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)并自主智能選擇下一跳節(jié)點(diǎn)，來提高無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸可靠性和端

25、到端的吞吐率。機(jī)會(huì)路由的算法研究，目前已成為無線多跳網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究的熱點(diǎn)方向之一。機(jī)會(huì)路由展望機(jī)會(huì)路由對(duì)于大規(guī)模多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的有效傳輸有著重要意義。但作為一項(xiàng)無線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的新技術(shù)，機(jī)會(huì)路由在結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用時(shí)，很多問題仍然有待深入研究。（1） 新型路由測(cè)度。路由測(cè)度對(duì)機(jī)會(huì)路由轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集的選擇、優(yōu)先級(jí)設(shè)定及路由協(xié)議的性能會(huì)有重大的影響。已有機(jī)會(huì)路由協(xié)議主要以跳數(shù)、ETX、地理距離、編碼機(jī)會(huì)等作為主要測(cè)度來設(shè)計(jì)路由協(xié)議。引入新的路由度量有可能孕育著突破。（2） 跨層設(shè)計(jì)。很多已有機(jī)會(huì)路由協(xié)議主要著重MAC層和路由層的聯(lián)合設(shè)計(jì)。除此之外，MAC層的前向糾錯(cuò)機(jī)制、組大小、發(fā)送功率、

26、信道選擇及調(diào)度也是影響機(jī)會(huì)路由性能的重要因素。綜合考慮上述因素及其應(yīng)用的特點(diǎn)進(jìn)行機(jī)會(huì)路由研究，對(duì)跨層機(jī)會(huì)路由將起到較好的促進(jìn)作用。在機(jī)會(huì)路由協(xié)議中，MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)對(duì)于數(shù)據(jù)包發(fā)送節(jié)點(diǎn)與備選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)、備選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)與備選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)調(diào)起著重要的作用。一個(gè)好的MAC協(xié)議可以有效地提高機(jī)會(huì)路由的轉(zhuǎn)發(fā)效率，降低碰撞，減少重傳。方向2 （與3篇論文無關(guān)）WSN與IPv6互連IPv6作為下一代網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，具有地址資源豐富，移動(dòng)型好，安全性高，無狀態(tài)地址自動(dòng)配置等特點(diǎn)，滿足WSN在地址空間和安全性等方面的要求，在WSN應(yīng)用方面具有廣闊的發(fā)展空間。實(shí)現(xiàn)WSN與IPv6互連的方式主要包括Peer to Peer

27、方式、重疊方式及全I(xiàn)P方式，其中，全I(xiàn)P方式是目前學(xué)術(shù)界的討論焦點(diǎn)。然而，IPv6協(xié)議畢竟不是專門面向傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的通信協(xié)議，因此在實(shí)現(xiàn)基于IPv6的傳感器網(wǎng)絡(luò)的過程中仍然需要進(jìn)一步解決一系列問題。1. WSN節(jié)點(diǎn)支持IPv6的程度2. IPv6報(bào)頭壓縮WSN一般具有比較小的通信業(yè)務(wù)量（約幾個(gè)字節(jié)）和數(shù)據(jù)率，而IPv6協(xié)議本身具有較大的分組頭開銷，因此采用標(biāo)準(zhǔn)的IPv6封裝格式將帶來很大的分組頭開銷。降低分組頭開銷為一個(gè)研究熱點(diǎn)。3. IPv6地址自動(dòng)配置地址自動(dòng)配置是IPv6的重要特色，吻合WSN自組織、自配置的特點(diǎn)。然而根據(jù)MAC地址生成的IPv6地址對(duì)于WSN節(jié)點(diǎn)間的路由尋址沒有帶來任

28、何方便等。4. WSN是一個(gè)以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)，而IPv6是以地址為中心的，采用IPv6解決WSN的通信問題將使工作效率降低。由于WSN計(jì)算和存儲(chǔ)能力有限，必須合理裁剪TCP/IP協(xié)議棧，以滿足WSN對(duì)協(xié)議棧大小的要求。在WSN中引入TCP機(jī)制可以為WSN節(jié)點(diǎn)配置、管理和控制過程提供可靠的端到端傳輸，然而傳統(tǒng)的TCP機(jī)制會(huì)降低網(wǎng)絡(luò)吞吐量、增加能耗，從延長網(wǎng)絡(luò)壽命和增加吞吐量的角度來說，需要進(jìn)一步研究解決方案。五、REFERENCE1 Heinzelman WR, Kulik J, Balakrishnan H. Adaptive protocols for information dissemination in wireless sensor networks. In: Proceedings of the ACM MobiCom99. Seattle: ACM Press, 1999. 174185.2 Khatawkar S D, Pandyaji K K, Patil R M, et al. Performance Comparison of DSDV, AODV, DSR Routi