基于tinyos的無線傳感器網絡路由協議的研究與實現

無線傳感器網絡具有與傳統網絡不同的特點，它與應用緊密相關。傳統網絡路由協議不能有效地用于無線傳感器網絡，因而人們研究了眾多的無線傳感器網絡路由協議。本章對幾種典型的無線傳感器網絡路由協議做一些分析介紹，比較他們的優劣，為后面要設計的路由提供理論基礎。

無線傳感器網絡中信道非常復雜，節點所處的環境無法預測，因此給無線傳感器網絡帶來了很多不確定因素，對無線傳感器網絡中的路由協議的研究是一項極負挑戰性的工作。根據不同的分類標準無線傳感器網絡中的路由協議可進行多種分類，比如：

1、根據應用要求，傳感器網絡可分為：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。

無線傳感器網絡具有與傳統網絡不同的特點，它與應用緊密相關。傳統網絡路由協議不能有效地用于無線傳感器網絡，因而人們研究了眾多的無線傳感器網絡路由協議。本章對幾種典型的無線傳感器網絡路由協議做一些分析介紹，比較他們的優劣，為后面要設計的路由提供理論基礎。

§2.1 無線傳感器網絡路由協議的分類與性能指標

無線傳感器網絡中信道非常復雜，節點所處的環境無法預測，因此給無線傳感器網絡帶來了很多不確定因素，對無線傳感器網絡中的路由協議的研究是一項極負挑戰性的工作。根據不同的分類標準無線傳感器網絡中的路由協議可進行多種分類，比如：

1、 根據應用要求，傳感器網絡可分為：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、 根據數據收集方式又可分為傳統的當需要時再建立路徑的按需路由機制比如動態源路由(On-Demand Source Routing protocol , DSR)和基于數據驅動的主動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——動態擴展多路徑路由機制。

3、 根據傳輸過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的路由協議與不保證Qos的路由協議。保證Qos的路由協議是指在路由建立的時候綜合考慮時延、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、 根據節點路由過程是否有層次結構，節點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。平面路由結構簡單，健壯性好，適應傳感器節點計算功能不強、存儲能力低以及信道復雜多變的特點，但是維護路由的開銷大，擴展性不好，數據傳輸跳數多，適合小型網絡。層次路由擴展性好，適合大型網絡，但是對于簇的維護開銷大，算法復雜，對節點功能要求高。

針對無線傳感器網絡路由機制的特點，評價一個路由協議設計是否成功，往往采用以下指標：

1、能量的有效利用節點所帶的能源有限，如果過多的使用會使部分節點提前失效，這樣容易產生路由空洞，甚至導致某個區域的不可到達。為了維持無線傳感器網絡最大的生命周期，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網絡的生命周期，均衡整個網絡中節點能量的消耗，避免出現過度使用某些節點，使其失效以致出現路由空洞。

2、擴展性

在無線傳感器網絡中，由于布置的節點所處的地理位置環境不同，節點的生存周期也不盡相同。有時甚至是隨即放置節點，比如：軍方應用時，通過飛機向敵方陣地播撒節點，這時節點有的可能會被撒在障礙物比較多的地方，甚至是直接掉進洞里無法于其他節點聯絡，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捎诠濣c的失效等原因可能要引起整個網絡拓撲的變化，這就要求路由機制能動態的適應這種變化，具有擴展性，隨著網絡拓撲的變化動態調整路由。

3、可靠性

前面說過無線傳感器節點所處的環境非常復雜，而且難以預測，再加上無線信道非常復雜，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線傳感器網絡的路由機制具有較強的容錯能力。

4、時延

傳感器網絡具有相當多的不確定因素，比如拓撲會動態變化，節點間的通信鏈路質量隨著網絡中信息包發送的數量和節點間的距離動態變化等，這些都對數據成功到達目的地的時間提出了挑戰。無線傳感器網絡路由協議必須能夠快速收斂，特別是一些對實時任務對時間有較高的的要求時。在這方面一般都是減小通信開銷，提高網絡傳輸的效率。

§2.2現有典型無線傳感網絡路由算法的介紹與比較

目前對于無線傳感網絡路由算法的設計，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]、動態源路由算法(DSR)[2]、低功耗自適應聚類路由算法（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勢也有缺陷，而且針對不同的具體應用表現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，它不需要維護網絡的拓撲結構和路由計算，接收到消息的節點以廣播形式轉發數據包給所有的鄰節點，這個過程重復執行，直到數據包到達目的地或者已經達到預先設定的最大跳數。

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

2、動態源路由算法(DSR)

動態源路由算法(Dynamic Source Routing protocol)[2]是按需建立路由的一種自適應算法。當某個傳感器節點采集到數據后，調用路由選取機制，從它的鄰居節點中選取一個信道較好、能量充沛或者致匯聚節點（sink節點）距離最近的節點作為其轉發節點。其他節點收到這樣的數據包后運行同樣的算法，從其鄰居節點中找出一個最佳轉發節點進行轉發，直到數據包被發送到目的地。這種算法簡單，要維護的數據結構簡單，路由維護開銷小，但是它路由選擇時只考慮眼前最優，沒有考慮網絡負載，容易導致部分節點提前失效；單路徑發送可靠性低，路由的選取具有盲目性，容易走向網絡空洞。