無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課件：網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議

網(wǎng)?絡(luò)?層?協(xié)?議5.1數(shù)據(jù)為中心平面結(jié)構(gòu)路由協(xié)議5.2位置感知路由協(xié)議5.3基于QoS的路由協(xié)議5.4層次化路由協(xié)議

5.1數(shù)據(jù)為中心平面結(jié)構(gòu)路由協(xié)議

在平面結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)一般扮演相同的角色，并且傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)同執(zhí)行感知任務(wù)，基于IP地址的路由協(xié)議對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不適用。為了解決這一問題，研究者提出了以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議代替以主機(jī)為中心的路由協(xié)議的方法。在以數(shù)據(jù)為中心的路由方法中，基于屬性的命名機(jī)制可用于執(zhí)行對物理現(xiàn)象的查詢。假設(shè)匯聚節(jié)點(diǎn)對溫度高于70。F(20。C)的區(qū)域感興趣，那么編址與這個(gè)興趣匹配的節(jié)點(diǎn)。以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議根據(jù)查詢內(nèi)容提供路徑，因此，對每次查詢發(fā)送信息的節(jié)點(diǎn)會(huì)改變，而且，使用單個(gè)以數(shù)據(jù)為中心的查詢也能尋址距離較遠(yuǎn)位置上的節(jié)點(diǎn)。5.1.1洪泛機(jī)制洪泛機(jī)制(Flooding)是有線和無線多跳自組織網(wǎng)絡(luò)上路徑發(fā)現(xiàn)和信息傳播的常用技術(shù)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)收到分組時(shí)，它把該分組廣播給它的所有鄰居節(jié)點(diǎn)，這種傳遞分組的方式將繼續(xù)，直到網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都接收到該分組，結(jié)果是洪泛分組會(huì)遍歷整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。洪泛機(jī)制是一種反應(yīng)式協(xié)議，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到分組時(shí)向前廣播，實(shí)現(xiàn)簡單。洪泛機(jī)制存在以下問題：內(nèi)爆現(xiàn)象、數(shù)據(jù)重疊和資源盲區(qū)。內(nèi)爆現(xiàn)象：是指在洪泛機(jī)制中，對向同一目標(biāo)節(jié)點(diǎn)廣播同一分組的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)未作限制，導(dǎo)致目標(biāo)節(jié)點(diǎn)可能收到多個(gè)重復(fù)分組的現(xiàn)象稱為內(nèi)爆現(xiàn)象。數(shù)據(jù)重疊：傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息與它們所在的感知區(qū)域密切相關(guān)，如果兩個(gè)節(jié)點(diǎn)有重疊的感知區(qū)域，那么它們在同一時(shí)間感知到的物理現(xiàn)象可能相同，從而導(dǎo)致這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的共同鄰居節(jié)點(diǎn)收到相同的重復(fù)消息，這種現(xiàn)象稱為數(shù)據(jù)重疊現(xiàn)象。資源盲區(qū)：傳感器網(wǎng)絡(luò)中最重要的資源是可用的能量，節(jié)能是度量網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的重要指標(biāo)。然而，洪泛機(jī)制沒有考慮節(jié)能問題，能量感知路由協(xié)議必須在運(yùn)行期間考慮可用的能量。5.1.2閑聊路由內(nèi)爆問題是洪泛機(jī)制的主要缺點(diǎn)之一，主要原因是相同分組的多個(gè)副本可能遍歷整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。洪泛路由機(jī)制的改進(jìn)協(xié)議閑聊路由協(xié)議(Gossiping)[1]可以解決這一問題。閑聊路由協(xié)議中，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)收到分組時(shí)，它不是廣播分組，而是從它的多個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)中隨機(jī)選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)并僅給這個(gè)特定節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)分組。一旦這個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)接收到該分組，它也從自己的鄰居節(jié)點(diǎn)中隨機(jī)選擇一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)分組，依次類推。5.1.3SPIN協(xié)議SPIN(SensorProtocolforInformationviaNegotiation)協(xié)議通過協(xié)商和資源自適應(yīng)的方法解決洪泛機(jī)制中存在的主要問題?！皡f(xié)商機(jī)制”與傳感器節(jié)點(diǎn)直接發(fā)送所有采集到的數(shù)據(jù)不同，其傳感器節(jié)點(diǎn)間首先通過交換描述數(shù)據(jù)特征的信息相互協(xié)商。通過這種協(xié)商機(jī)制，數(shù)據(jù)源僅給對采集數(shù)據(jù)感興趣的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)分組?！百Y源自適應(yīng)”是指在SPIN協(xié)議運(yùn)行期間，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)監(jiān)控自己的能量資源，以便執(zhí)行能量感知決策。SPIN協(xié)議的協(xié)商機(jī)制通過交換廣告(ADV)分組、請求(REQ)分組和數(shù)據(jù)(DATA)分組完成。SPIN協(xié)議沒有解決傳統(tǒng)洪泛和謠傳路由協(xié)議中的資源盲區(qū)問題，通過在SPIN-PP中增加簡單的能量啟發(fā)式機(jī)制，設(shè)計(jì)了能量感知SPIN-EC協(xié)議。它的基本思想是只要所有節(jié)點(diǎn)都有足夠的能量，它們就參與SPIN-PP協(xié)議的三次握手機(jī)制(ADV、REQ和DATA分組傳輸)。由于無線信道的廣播本質(zhì)，因?yàn)樵诿看螁尾ブ泄?jié)點(diǎn)的每個(gè)鄰居都能夠接收到分組，SPIN-PP協(xié)議中的方法是對資源的一種浪費(fèi)。與SPIN-PP協(xié)議相比，SPIN-BC協(xié)議在節(jié)點(diǎn)傳輸REQ分組前引入了隨機(jī)退避機(jī)制，如果節(jié)點(diǎn)對某個(gè)數(shù)據(jù)感興趣但是偵聽到了與該數(shù)據(jù)相關(guān)的REQ分組，那么它會(huì)刪除自己要發(fā)送的REQ分組并且等待DATA分組，根據(jù)接收到REQ分組，發(fā)送者廣播單個(gè)DATA分組，所有對該數(shù)據(jù)感興趣的節(jié)點(diǎn)都能夠接收到。SPIN-RL協(xié)議向SPIN-BC協(xié)議提供了一種可靠傳輸機(jī)制，如果節(jié)點(diǎn)接收到ADV分組但沒有接收到DATA分組(由于無線信道引起的傳輸錯(cuò)誤)，那么它從可能已經(jīng)接收到DATA分組的鄰居節(jié)點(diǎn)請求DADA分組。而且，SPIN-RL限制了節(jié)點(diǎn)的重傳周期，使得它們在指定周期前不會(huì)重傳DATA分組。SPIN協(xié)議的目的是解決洪泛機(jī)制和謠傳路由中的主要問題，由于阻止了冗余傳輸，仿真結(jié)果表明SPIN協(xié)議比洪泛機(jī)制和謠傳路由更節(jié)能，而且，由于路由僅需局部交換，SPIN是可擴(kuò)展的。然而，與洪泛機(jī)制相比，握手機(jī)制使得數(shù)據(jù)分發(fā)的時(shí)延更高。5.1.4定向擴(kuò)散定向擴(kuò)散(DirectedDiffusion)路由協(xié)議是以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議，定向擴(kuò)散路由協(xié)議與SPIN協(xié)議的主要差別是：SPIN協(xié)議的通信一般由傳感器節(jié)點(diǎn)(數(shù)據(jù)源)啟動(dòng)而在匯聚節(jié)點(diǎn)結(jié)束，而定向擴(kuò)散路由協(xié)議的通信一般由用戶(如匯聚節(jié)點(diǎn))啟動(dòng)。定向擴(kuò)散協(xié)議由四個(gè)階段組成：興趣傳播(interestpropagation)、梯度建立(gradientsetup)、路徑加強(qiáng)(reinforcement)和數(shù)據(jù)傳輸(datadelivery)。匯聚節(jié)點(diǎn)向所有傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送興趣分組啟動(dòng)定向擴(kuò)散路由協(xié)議，這個(gè)階段稱為興趣傳播階段，采用洪泛機(jī)制。根據(jù)收到的興趣分組，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)在興趣緩存中記錄興趣分組信息，興趣緩存有時(shí)間戳(timestamp)、梯度(gradient)、間隔(interval)和周期(duration)四個(gè)字段。時(shí)間戳字段記錄接收到興趣分組的本地時(shí)間，梯度字段記錄給它轉(zhuǎn)發(fā)興趣分組的節(jié)點(diǎn)信息，間隔字段用于建立從該節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的逆路徑，周期字段用于指定興趣分組在緩存中存儲(chǔ)的時(shí)間。興趣分組指明了給定時(shí)間從傳感器網(wǎng)絡(luò)希望得到的數(shù)據(jù)，收到興趣分組的每個(gè)節(jié)點(diǎn)檢查它采集到的數(shù)據(jù)，如果它擁有的數(shù)據(jù)與興趣分組請求的數(shù)據(jù)相匹配，該節(jié)點(diǎn)就成為一個(gè)數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)，源節(jié)點(diǎn)會(huì)沿著興趣分組傳輸階段建立的梯度路徑發(fā)送數(shù)據(jù)。定向擴(kuò)散路由協(xié)議梯度建立階段沒有限制節(jié)點(diǎn)擁有的梯度個(gè)數(shù)，源節(jié)點(diǎn)可能會(huì)有針對相同興趣分組的多個(gè)梯度，即源節(jié)點(diǎn)有多條向匯聚節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的可選路徑。在這種情況下，匯聚節(jié)點(diǎn)可能通過一條特定路徑上的指定節(jié)點(diǎn)重新發(fā)送興趣分組以加強(qiáng)那條路徑，可根據(jù)最優(yōu)鏈路質(zhì)量、從鄰居節(jié)點(diǎn)接收到的分組個(gè)數(shù)或最低時(shí)延等規(guī)則選擇要加強(qiáng)的路徑。路徑加強(qiáng)階段，每跳節(jié)點(diǎn)僅把興趣分組轉(zhuǎn)發(fā)給與加強(qiáng)路徑相關(guān)的節(jié)點(diǎn)，最終會(huì)建立如圖所示的從源節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸路徑。定向擴(kuò)散路由協(xié)議與SPIN協(xié)議不同的是，SPIN協(xié)議中擁有數(shù)據(jù)的源節(jié)點(diǎn)(生成數(shù)據(jù)或從其他節(jié)點(diǎn)獲得數(shù)據(jù))主動(dòng)發(fā)布廣告信息，對數(shù)據(jù)感興趣的節(jié)點(diǎn)發(fā)送請求分組進(jìn)而源節(jié)點(diǎn)向其轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。而定向擴(kuò)散路由協(xié)議是由匯聚節(jié)點(diǎn)按需發(fā)布查詢信息(興趣分組)，擁有與興趣分組匹配數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)可能會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。定向擴(kuò)散路由協(xié)議中，基于建立梯度的過程，所有的通信都是鄰居與鄰居間的通信，不需要尋址機(jī)制并且允許每個(gè)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)緩存，這些特征有利于減少能量消耗。然而，定向擴(kuò)散路由協(xié)議是基于查詢的協(xié)議，對于環(huán)境監(jiān)測等需要持續(xù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)應(yīng)用并不適合。5.1.5謠傳路由謠傳路由中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)保存鄰居節(jié)點(diǎn)表和包含對所有已知事件轉(zhuǎn)發(fā)信息的事件表。一旦節(jié)點(diǎn)觀察到事件(例如物理世界中的現(xiàn)象)，則把該事件添加到事件表中(包括零距離)并且根據(jù)一定的概率生成代理(agent)，這里的“概率”值指并不是所有事件都引起代理生成，而是一個(gè)長時(shí)間存在的分組，這個(gè)分組遍歷網(wǎng)絡(luò)，用于傳播當(dāng)前事件或沿著到達(dá)遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)路徑上遇到的其他事件的信息。一旦代理到達(dá)一個(gè)節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)能夠使用該代理的內(nèi)容更新它自己的事件表。當(dāng)節(jié)點(diǎn)想要發(fā)布針對特定事件的查詢時(shí)，它首先檢查自己是否擁有到達(dá)目標(biāo)事件的路徑。如果擁有，它將查詢轉(zhuǎn)發(fā)給事件表項(xiàng)記錄的鄰居節(jié)點(diǎn)。如果沒有路徑能到達(dá)，選擇一個(gè)隨機(jī)的鄰居節(jié)點(diǎn)并且把查詢轉(zhuǎn)發(fā)給這個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)上繼續(xù)這個(gè)過程，同時(shí)查詢消息收集最近經(jīng)過節(jié)點(diǎn)的清單，以避免再次訪問這些節(jié)點(diǎn)。代理和查詢信息都使用生存時(shí)間(TTL)計(jì)數(shù)值，每經(jīng)過一跳該計(jì)數(shù)值遞減，并且僅當(dāng)計(jì)數(shù)值大于零時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)該消息。

5.2位置感知路由協(xié)議

5.2.1MECN協(xié)議MECN(MinimumEnergyCommunicationNetwok)協(xié)議的主要思想是：在給定的通信網(wǎng)絡(luò)上計(jì)算節(jié)能子網(wǎng)絡(luò)，得到的子網(wǎng)絡(luò)使網(wǎng)絡(luò)中任意一對節(jié)點(diǎn)之間通信能量消耗最小。任意一對節(jié)點(diǎn)X與Y之間發(fā)送數(shù)據(jù)的能耗公式可表示為P(X,Y)=td(X,Y)n因?yàn)镻(X,Y)與節(jié)點(diǎn)X、Y之間距離的n次方成正比，因此，由其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)可能比X、Y之間直接傳輸數(shù)據(jù)的能耗更少。用r表示子圖G(V，E)中節(jié)點(diǎn)X(X0)和Y(Xk)之間的一條路徑，r=(X0，X1，…，Xk)是節(jié)點(diǎn)的序列，并且(Xi，Xi+1)∈E，路徑r的長度是k，則節(jié)點(diǎn)X0和Xk之間的能耗公式如下：MECN協(xié)議的實(shí)際運(yùn)行依賴于協(xié)議設(shè)計(jì)者提出的中繼區(qū)域(relayregin)概念。根據(jù)前面說明的子圖形成過程，節(jié)點(diǎn)A和中繼節(jié)點(diǎn)C的中繼區(qū)域由這樣一些節(jié)點(diǎn)所在的區(qū)域構(gòu)成，即節(jié)點(diǎn)A通過節(jié)點(diǎn)C給這些節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)比節(jié)點(diǎn)A直接給這些節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)節(jié)能。假設(shè)節(jié)點(diǎn)A和中繼節(jié)點(diǎn)C的中繼區(qū)域如圖5-8中的陰影部分所示，那么如果節(jié)點(diǎn)A希望與節(jié)點(diǎn)B通信，則以節(jié)點(diǎn)C作為中間節(jié)點(diǎn)給節(jié)點(diǎn)B轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)比節(jié)點(diǎn)A直接給節(jié)點(diǎn)B轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)能量消耗少。5.2.2有損鏈路位置轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制假設(shè)源節(jié)點(diǎn)A嘗試通過自己一跳通信范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)向匯聚節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組。節(jié)點(diǎn)A的一跳通信范圍可用以節(jié)點(diǎn)A為圓心的圓表示。在任何位置感知路由算法中，節(jié)點(diǎn)A的一跳通信范圍分為兩個(gè)區(qū)域：可選區(qū)域和不可選區(qū)域。位置感知路由算法的目標(biāo)就是選擇可選區(qū)域中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn)向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)分組，這種方法可有效預(yù)防路由環(huán)路。1．貪婪轉(zhuǎn)發(fā)貪婪轉(zhuǎn)發(fā)(Greedyforwarding)是最簡單的位置路由協(xié)議，其主要思想是節(jié)點(diǎn)僅僅根據(jù)局部信息做出轉(zhuǎn)發(fā)決策，逐跳向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)分組。然而，能夠滿足這種轉(zhuǎn)發(fā)需求的不同算法可能導(dǎo)致資源需求和生成路由并不相同。2．基于距離的黑名單在理想環(huán)境中，節(jié)點(diǎn)的通信范圍可用以該節(jié)點(diǎn)為圓心的圓表示，在建立完整路由過程中，上面提到的幾種貪婪轉(zhuǎn)發(fā)度量標(biāo)準(zhǔn)有一定的優(yōu)勢，因?yàn)榉纸M經(jīng)歷幾跳幾點(diǎn)傳輸，因此這些技術(shù)能夠提供快速的傳輸。然而，除了節(jié)點(diǎn)的位置，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的信道質(zhì)量也是建立無線多跳網(wǎng)絡(luò)路由必須考慮的因素。3．基于接收的黑名單兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的距離與信道質(zhì)量沒有直接的關(guān)系，因此，基于距離的黑名單協(xié)議可能選擇信道質(zhì)量低的節(jié)點(diǎn)作為下跳節(jié)點(diǎn)。相反，基于接收的黑名單協(xié)議把分組接收率低于某個(gè)門限值的節(jié)點(diǎn)列入黑名單。為此目的，每個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)記錄它的鄰居節(jié)點(diǎn)的分組接收率PRR，并和這些鄰居節(jié)點(diǎn)相互交換該信息。這樣，當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送分組時(shí)，它會(huì)選擇可行區(qū)域中PRR高于某個(gè)門限值的節(jié)點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn)。如果節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)中沒有滿足信道質(zhì)量門限值的節(jié)點(diǎn)，絕對的基于接收黑名單協(xié)議可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中斷，因此，通常使用相對的基于接收的黑名單協(xié)議。相對的基于接收的黑名單協(xié)議根據(jù)PRR值把鄰居節(jié)點(diǎn)排序，然后根據(jù)黑名單門限值，把PRR值最低的節(jié)點(diǎn)列入黑名單，這種技術(shù)根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)的情況自適應(yīng)操作的方法。4．BestPRR×distance依賴于PRR的轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制存在時(shí)延增加的問題，BestPRR×distance算法的目標(biāo)是在分組接收率PRR和距離之間找到折中。對這些機(jī)制的比較說明PRR×distance算法提供了最高的傳輸效率，因此，與僅考慮地理位置的算法相比，位置路由決策中考慮信道的質(zhì)量能夠改進(jìn)性能。5.2.3GAF協(xié)議GAF(GeographicAdaptiveFidelity)協(xié)議[9]是另一種基于位置的能量感知路由協(xié)議，該協(xié)議起初是為具有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的。在GAF中，把網(wǎng)絡(luò)區(qū)域劃分成虛擬網(wǎng)格，在任何給定時(shí)間，每個(gè)單元格中只有一個(gè)設(shè)備可作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，這個(gè)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)向匯聚節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，而所有其他節(jié)點(diǎn)可能進(jìn)入休眠狀態(tài)以達(dá)到節(jié)能的目的。此外，GAF假設(shè)兩個(gè)相鄰單元格A和B中的節(jié)點(diǎn)能夠相互通信。GAF協(xié)議中的節(jié)點(diǎn)有三種不同狀態(tài)：發(fā)現(xiàn)狀態(tài)(discovery)、活躍狀態(tài)(active)和休眠狀態(tài)(sleep)。5.2.4GEAR協(xié)議GEAR(GeographicandEnergyAwareRouting)，該協(xié)議的目的是給特定目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)分組。GEAR由兩個(gè)階段組成：使用考慮位置和能量兩個(gè)因素的鄰居節(jié)點(diǎn)選擇算法選擇向目標(biāo)區(qū)域轉(zhuǎn)發(fā)分組的下跳節(jié)點(diǎn)，以及使用遞歸的位置轉(zhuǎn)發(fā)算法向目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)分組。網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有兩種類型的通過它的鄰居節(jié)點(diǎn)到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的成本計(jì)算方法：估算成本(estimatedcost)和學(xué)習(xí)成本(learnedcost)。

5.3基于QoS的路由協(xié)議

5.3.1SAR協(xié)議SAR(SequentialAssignmentRouting)協(xié)議是第一個(gè)基于QoS的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，它提供一種表驅(qū)動(dòng)(table-driven)多路徑方法。SAR以匯聚節(jié)點(diǎn)的一跳鄰居為根節(jié)點(diǎn)建立多棵樹，每棵樹從匯聚節(jié)點(diǎn)開始向外生長，同時(shí)要避免選擇QoS低(如低吞吐量/高時(shí)延)的節(jié)點(diǎn)并且要考慮能量存儲(chǔ)情況。這一過程的目的是建立從感知區(qū)域中的每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的多條路徑，當(dāng)然可能會(huì)出現(xiàn)一個(gè)節(jié)點(diǎn)同屬于多條路徑的情況。每個(gè)節(jié)點(diǎn)對連接匯聚節(jié)點(diǎn)的每條路徑指定三個(gè)參數(shù)：能量資源、附加QoS標(biāo)準(zhǔn)(additiveQoS)和優(yōu)先級(jí)。能量資源參數(shù)是指假設(shè)節(jié)點(diǎn)專用這條路徑，那么在能量耗盡之前該節(jié)點(diǎn)能夠發(fā)送的分組最大個(gè)數(shù)；與路徑相關(guān)的QoS被表達(dá)成附加QoS標(biāo)準(zhǔn)，附加QoS標(biāo)準(zhǔn)與每條鏈路上的能量和時(shí)延有關(guān)，值越高意味著QoS越低；優(yōu)先級(jí)由具體的應(yīng)用確定。5.3.2SPEED協(xié)議為了確保傳感器節(jié)點(diǎn)采集的信息有用，并且能夠根據(jù)采集信息及時(shí)處理相應(yīng)事件，許多無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用嚴(yán)格要求在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成數(shù)據(jù)采集，例如對一些感興趣的事件要求能夠快速做出響應(yīng)，如監(jiān)控系統(tǒng)中對移動(dòng)物體的檢測，或?qū)蛄杭磳l(fā)生故障的檢測等。SPEED協(xié)議是一種提供實(shí)時(shí)通信服務(wù)的協(xié)議，包括實(shí)時(shí)單播、實(shí)時(shí)區(qū)域多播和實(shí)時(shí)區(qū)域任播技術(shù)。除了端到端的時(shí)延和吞吐量外，距離也是保證QoS需求的另一個(gè)重要因素。SPEED也是基于位置的路由協(xié)議，SPEED協(xié)議實(shí)現(xiàn)了端到端的傳輸速率保證、網(wǎng)絡(luò)擁塞控制以及負(fù)載平衡機(jī)制。為了實(shí)現(xiàn)這些機(jī)制，SPEED協(xié)議由四個(gè)組件組成：鄰居信標(biāo)交換協(xié)議NBEP(NeighborBeaconExchangeProtocol)、無狀態(tài)非確定位置轉(zhuǎn)發(fā)SNGF(StatelessNon-deterministicGeographicForwarding)算法、鄰居反饋環(huán)策略NFL(theNeighborFeedbackLoop)和反壓機(jī)制BP(BackPressure)。1．NBEP協(xié)議SPEED協(xié)議也是一種基于位置的路由協(xié)議，即節(jié)點(diǎn)之間的交互依賴來自鄰居節(jié)點(diǎn)的位置信息而不是路由表。為了鄰居節(jié)點(diǎn)間交換位置信息，SPEED協(xié)議周期性地運(yùn)行鄰居信標(biāo)交換NBEP協(xié)議，交換的信標(biāo)消息包含三個(gè)字段：節(jié)點(diǎn)ID、位置和平均接收時(shí)延。最終，每個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造一個(gè)鄰居表并且用于保存它的鄰居信息。鄰居表有5個(gè)字段：節(jié)點(diǎn)ID、位置、接收時(shí)延、發(fā)送時(shí)延和有效期。2．SNGF協(xié)議SPEED協(xié)議的路由組件是SNGF協(xié)議。3．NFL協(xié)議SNGF算法選擇FCS中估計(jì)的轉(zhuǎn)發(fā)速度比既定的速度門限值Ssetpoint更高的節(jié)點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn)，這樣，可以保證轉(zhuǎn)發(fā)分組速度能夠達(dá)到要求的最小轉(zhuǎn)發(fā)分組速度。然而，如果FCS中沒有滿足這一要求的節(jié)點(diǎn)，那么根據(jù)鄰居反饋環(huán)NFL協(xié)議隨機(jī)刪除這個(gè)分組。NFL協(xié)議根據(jù)不能提供要求轉(zhuǎn)發(fā)速度的節(jié)點(diǎn)缺失率(missratios)確定轉(zhuǎn)發(fā)概率(relayratios)，計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)概率的公式如下：4．BP機(jī)制在一些情況下，可能出現(xiàn)大量分組流向某個(gè)節(jié)點(diǎn)或某個(gè)區(qū)域(熱點(diǎn))而競爭信道的現(xiàn)象，SPEED協(xié)議使用反壓機(jī)制BP解決這一問題，BP機(jī)制有兩種功能：①當(dāng)節(jié)點(diǎn)查找下跳節(jié)點(diǎn)失敗時(shí)預(yù)防出現(xiàn)空洞；②使用反饋方法減少擁塞，即它是一種擁塞控制機(jī)制。

5.4層次化路由協(xié)議

5.4.1LEACH協(xié)議LEACH(Low-EnergyAdaptiveClusteringHierarchy)協(xié)議[13]是用于收集數(shù)據(jù)并向匯聚節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的路由協(xié)議。LEACH協(xié)議的主要目標(biāo)是：(1)延長網(wǎng)絡(luò)壽命；(2)減少每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的能量消耗；(3)使用數(shù)據(jù)融合減少通信消息數(shù)量。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，LEACH協(xié)議采用分層方法把網(wǎng)絡(luò)組織成“簇”的集合，每個(gè)簇由選擇的簇頭管理。簇頭要負(fù)責(zé)執(zhí)行多項(xiàng)任務(wù)：(1)定期從簇成員收集數(shù)據(jù)，根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)，簇頭要對這些數(shù)據(jù)做融合操作以便消除相關(guān)值中的冗余信息；(2)簇頭的第二個(gè)任務(wù)是直接把融合后的數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)，融合數(shù)據(jù)的傳輸是單跳傳輸；(3)簇頭的第三個(gè)主要任務(wù)是建立基于TDMA的調(diào)度信息，方法是給簇中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)隙，通過廣播分組向簇成員發(fā)布調(diào)度信息，為減少簇內(nèi)和簇外傳感器節(jié)點(diǎn)間沖突的概率，LEACH協(xié)議中節(jié)點(diǎn)使用碼分復(fù)用通信。LEACH協(xié)議的基本操作由兩個(gè)階段組成：簇建立階段和簇穩(wěn)定階段。簇建立階段由簇頭選擇和簇形成兩步組成。簇穩(wěn)態(tài)階段的主要任務(wù)是數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)融合和向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。在簇建立階段的開始，以簇頭選擇作為一輪的開始，簇頭選擇過程要保證簇頭角色由傳感器節(jié)點(diǎn)輪流承擔(dān)，因此能保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量消耗是均勻分布的。為了判斷是否輪到某個(gè)節(jié)點(diǎn)n承擔(dān)簇頭角色，它會(huì)生成一個(gè)在0到1之間的隨機(jī)數(shù)v，并且把該隨機(jī)數(shù)與簇頭選擇門限值T(n)相比較，如果v＜T(n)，該節(jié)點(diǎn)作為簇頭節(jié)點(diǎn)。簇頭選擇過程完成后，每個(gè)新當(dāng)選簇頭節(jié)點(diǎn)會(huì)向網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)發(fā)布選擇結(jié)果。根據(jù)收到的簇頭選擇信息，每個(gè)其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)選擇一個(gè)新簇并加入該簇，新簇選擇標(biāo)準(zhǔn)可能是基于接收信號(hào)強(qiáng)度或其他條件，然后，節(jié)點(diǎn)通知它想要加入新簇的簇頭。簇形成后，每個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)建立和發(fā)布TDMA調(diào)度信息，TDMA調(diào)度信息為每個(gè)