基于tinyos的无线传感器网络路由协议的研究与实现

其中p为节点中成为聚类首领的百分数，r是当前的轮数。一旦聚类首领被选定，它们便主动向所有节点广播这一消息。依据接收信号的强度，节点选择它所要加入的组，并告知相应的聚类首领。基于时分复用的方式，聚类首领为其中的每个成员分配通信时隙。在稳定工作阶段，节点持续采集监测数据，传与聚类首领，进行必要的融合处理之后，发送到sink节点，这是一种减小通信业务量的合理工作模式。持续一段时间以后，整个网络进入下一轮工作周期，重新选择聚类首领。

采用LEACH 方法使因能量耗尽而失效的节点呈随机分布状态，因而与一般的多跳路由协议和静态聚类算法相比，LEACH 可以将网络生命周期延长15%。但是LEACH 假设所有的节点都能直接与簇头节点和终端节点通讯，采用连续数据发送模式和单跳路径选择模式，因此在需要监测面积范围大的应用中不适用，而且动态分簇带来了拓扑变换和大量广播这样的额外开销。

4、 GEAR算法

GEAR[12]是充分考虑了能源有效性的基于位置的路由协议，它比其他的基于位置的路由协议能更好的应用于无线传感器网络之中。

GEAR 算法提出既然传感器网络中的数据经常包含了位置属性信息，那么可以利用这一信息，把在整个网络中扩散的信息传送到适当的位置区域中。同样GEAR 也采用了查询驱动数据传送模式。它传送数据分组到目标域中所有的节点的过程包括两个阶段：目标区域数据传送和域内数据传送。

在目标区域数据传送阶段，当节点接收到数据分组，它将邻接点同目标域的距离和它自己与目标域的距离相比较，若存在更小距离，则选择最小距离的邻接点作为下一跳节点；若不存在更小距离，则认为存在"hole"，节点将根据邻居的最小花销来选择下一跳节点。

在域内数据传送阶段，可通过两种方式让数据在域内扩散：在域内直接洪泛和递归的目标区域数据传送直到目标域剩下唯一的节点。

GEAR 将网络中扩散的信息局限到适当的位置区域中，减少了中间节点的数量，从而降低了路由建立和数据传送的能源开销，从而更有效的提高了网络的生命周期。缺点是依赖节点的GPS 定位信息，成本较高。

5、定向扩散算法（Direct Diffusion）

Directed Diffusion[10，12，13]是以数据为中心的路由协议发展过程的里程碑。其他的以数据为中心的路由协议都是基于定向扩散改进或者采用类似的关键思想来提出的。

Directed Diffusion 算法的主要思想是对网络中的数据用一组属性对命名，基于数据进行通信。Directed Diffusion 采用查询驱动数据传送模式。当Sink 节点对某事件发出查询命令时就开始一个新的定向扩散过程，它由查询扩散，初始梯度建立和数据传送三个阶段构成（见图2-1 ）。

在查询扩散阶段，Sink 节点采用和目标数据相似的一组属性对（对象的名称，数据发送间隔时间，持续时间，位置区域）来命名它发出的查询信息，并将查询信息通过广播逐级扩散，收到查询信息的节点缓存信息，并进行局部数据聚集，最终查询信息遍历全网，找到所有匹配的目标数据。

初始梯度建立阶段实际上和查询扩散阶段是同时进行的，当节点从邻接点接收到查询信息时，若当前查询缓存没有相同查询记录，则加入新记录，记录中包含了邻接点指定的数据发送率也就是"梯度"。

在数据传送阶段时，Sink 节点会对最先收到新数据的邻接点发送一个加强选择信息（发送具有更大的"梯度"的查询信息），接收到加强选择的邻接点同样加强选择它的最先收到新数据的邻接点，将这个带更大"梯度"值的查询信息进行扩散，这样最后会形成一条"梯度"值最大的路径。目标数据能沿这条加强路径以较高的数据发送率来传送数据，而其他数据发送率停留在较低水平的节点组成的路径可以作为备选路径以增加网络可靠性。

Directed Diffusion 采用邻居节点间通信的方式来避免维护全局拓扑，采用查询驱动数据传送模式和局部数据聚集而减少网络数据流，因此是一种高能源有效性的协议。它的缺点是，在需要连续数据传送的应用中（环境监测等）不能很好的应用；数据命名只能针对于特定的应用预先进行；初始查询的扩散开销大。

6、典型路由算法的性能比较

DSR,LEACH，Directed Diffusion和GEAR协议克服了Flooding协议的一些固有缺陷，它们在设计中充分考虑了能源的有效利用，成倍的提高了整个网络的生命周期。这些协议针对特定的应用而设计，在不同的环境表现出各自的特色和优势，因此不能绝对的判断哪种协议最优。

我们分析了每种协议的特点，对它们的信息处理、路由优化方式和网络体系结构的不同表现给出了一个综合比较，如表1所示。

其中路径优化能力指的是在选路的过程中能不能根据路径参数进行路径的优化选择，从多条路径中选出一条或几条较好的数据传输路径。

路由容错性能是指路由算法的鲁棒性，数据通过该路由算法确定的路径到达目的地的可靠性。比如当某个传感器节点失效时，路由算法可以通过路径修补绕过该点，当网络里信道间误码率较高或传感器节点所处的环境影响信号传输时能够保证数据的安全传输等等。

数据传输方式是指信息在传感器网络里是通过直接的点对点传输还是通过中间节点，以接力棒的形式进行数据传输。

网络生命周期指的是所布置的无线传感器网络能够进行有效工作的时间，如果网络中某些节点由于过度使用而提前失效，致使其他节点不能进行组网而破坏了网络的联通性，这样虽然其他节点本身能够采集并发送数据，但是由于网络联通性被破坏，数据不能到达目的节点。网络生命周期是传感器网络里非常周要的一个指标。

数据发送模式指的是数据是主动发送的还是通过其他节点的要求来发送的。主动发送的数据是根据本地的设定的采样频率连续发送的，当传感器采集到数据便打包发送；通过其他节点的要求来发送的模式一般是指汇聚节点根据需要向目的监测区域发送查询命令，通知目的区域发送某种类型的数据，目的区域节点接到命令后，开启数据采集功能，根据命令中要求的频率进行采样并发送。

数据/查询缓存是指路由算法是否设置缓冲池用来为那些已经发送的数据在本地保留副本以便数据包丢失后进行重传，或者用来缓存那些接收到的查询命令等控制信息。数据/查询缓存的使用一方面可以用于保证数据的可靠性或优化路径，但是另一方面它增加了维护路由的开销，设计路由要均衡利弊选择使用。

数据聚集指的是在数据包发到目的地之前是否都发到某一个中间节点进行一些必要的处理，比如某个监测区域监测到的数据先发往一个控制节点进行数据融合，进行一些必要的数据过滤或者对数据进行求平均值等必要的计算，然后再发往目的地，这样可以减少网络通信量。资源有效性是指监测区域收集的数据与汇聚节点实际想得到的数据是否一致，监测区域收集数据的频率和发送时延是否满足要求。

分层是指无线传感器网络中的节点之间功能的划分，如果传感器网络中各个节点的功能一样，都是即可以采集数据又可以控制路由选择，那么这种路由是不分层的，又叫平面路由；如果节点收集到数据后要发往一个专门的控制节点进行选路，那个专门的节点又称为簇头，这种路由机制属于分层的路由，又叫做层次路由。

§2.3路由协议接入方式

前面说过无线传感器网络不同于一般的Ad Hoc网络，它在资源、传输方式以及应用对象方面有自己的特点。无线传感器网络的路由协议与传感器网络的特点对应，是与应用紧密相连的。前面提到的几个应用分别应用的场合也不尽相同，每种协议都有自己独特的优势和缺点。这就要求对于不同的应用能够进行自由的切换路由，路由能够进行方便的更替。现在一些应用于无线传感器网络的系统中有一些对路由层做了封装，以配置文件的形式可以动态的链入，比如：加州大学伯克利分校研究的tinyos系统把路由层以组件的形式实现，提供给上层接口进行调用。组建可以自由的更换，只要提供的接口一致，给上层应用的开发提供了极大的方便，路由层的加入也很方便。Jennic公司研制的bos系统类似于tinyos，相当于tinyos简化版，传感器网络中各部分也是以API接口的形式提供给应用层调用。这些系统的共同之处是为方便应用，把下层包括路由层封装起来，以API接口的形式提供功能调用。下面以tinyos中路由层的调用方式[3]来说明无线传感器网络中路由层的自由变更方式。