无线传感器网络 WSN第2章 路由协议
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• 能量多路径路由协议包括路径建立、数据传播和路 由维护三个过程。 • 路径建立过程是该协议的重点内容。 每个节点需要 知道到达目的节点的所有下一跳节点， 并计算选择 每个下一跳节点传输数据的概率。 概率的选择是根 据节点到目的节点的通信代价来计算的， 在下面的 描述中用 Cost（Ni） 表示节点 i 到目的节点的通信 代价。 因为每个节点到达目的节点的路径很多， 所 以这个代价值是各个路径的加权平均值。 能量多路 径路由的主要过程描述如下：
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基于查询的路由
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• 定向扩散（directed diffusion，DD） 是一种基于查询 的路由机制。 汇聚节点通过兴趣消息（interest） 发出 查询任务，采用洪泛方式传播兴趣消息到整个区域或 部分区域内的所有传感器节点。 兴趣消息用来表示查 询的任务，表达网络用户对监测区域内感兴趣的信 息， 例如监测区域内的温度、湿度和光照等环境信息。 在兴趣消息的传播过程中， 协议逐跳地在每个传感器 节点上建立反向的从数据源到汇聚节点的数据传输梯 度（gradient）。传感器节点将采集到的数据沿着梯度 方向传送到汇聚节点。
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• （2） 基于查询的路由协议。 在诸如环境检测、战 场评估等应用中， 需要不断查询传感器节点采集的 数据， 汇聚节点（查询节点） 发出任务查询命， 传感器节点向查询节点报告采集的数据。 在这类应 用中，通信流量主要是查询节点和传感器节点之间 的命令和数据传输， 同时传感器节点的采样信息在 传输路径上通常要进行数据融合， 通过减少通信流 量来节省能量。
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• （1） 目的节点向邻居节点广播路径建立消息， 启 动路径建立过程。 路径建立消息中包含一个代价域， 表示发出该消息的节点到目的节点路径上的能量信 息， 初始值设置为零。 • （2） 当节点收到邻居节点发送的路径建立消息时， 相对发送该消息的邻居节点， 只有当自己距源节点 更近， 而且距目的节点更远的情况下， 才需要转发 该消息， 否则将丢弃该消息。
• ad hoc、 无线局域网等传统无线网络的首 要目标是提供高服务质量和公平高效地利 用网络带宽， 这些网络路由协议的主要任 务是寻找源节点到目的节点间通信延迟小 的路径，同时提高整个网络的利用率， 避 免产生通信拥塞并均衡网络流量等， 而能 量消耗问题不是这类网络考虑的重点。
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无线传感器网络路由协议特点
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• （3） 地理位置路由协议。 在诸如目标跟踪 类应用中， 往往需要唤醒距离跟踪目标最近 的传感器节点， 以得到关于目标的更精确位 置等相关信息。 在这类应用 中， 通常需要知 道目的节点的精确或者大致地理位置。 把节 点的位置信息作为路由选择的依据， 不仅能 够完成节点路由功能，还可以降低系统专门 维护路由协议的能耗。
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• （3） 如果节点决定转发路径建立消息， 需要 计算新的代价值来替换原来的代价值。当路径 建立消息从节点 Ni 发送到节点 Nj时， 该路径 的通信代价值为节点 i 的代价值加上两个节点 间的通信能量消耗， 即：
CNi , Nj Cost( Ni ) Metric( N j , Ni )
• 传感器网络具有很强的应用相关性，不同 应用中的路由协议可能差别很大，没有一 个通用的路由协议。此外，传感器网络的 路由机制还经常与数据融合技术联系在一 起，通过减少通信量而节省能量。因此， 传统无线网络的路由协议不适应于无线传 感器网络。 • 在无线传感器网络中，节点能量有限且一 般没有能量补充， 因此路由协议需要高效 利用能量，同时传感器网络节点数目往往 很大，节点只能获取局部拓扑结构信息， 路由协议要能在局部网络信息的基础上选 择合适的路径。 无线传感器网络
Rumor 路由协议（谣传路由）：
Rumor Routing是在Directed Diffusion的基础上演化而来的。通常情况下， Directed Diffusion协议需要向整个网络广播兴趣，而在某些应用中，只有少量的 数据需要从源节点传递到Sink节点。在这种情况下，没有必要向整个网络广播兴 趣。当WSN中的事件（对应着数据的传递）数量很少，而查询（对应着兴趣的广 播）数量很多的时候，可以采用广播事件的方法，以节省能量的消耗。Rumor Routing是一个介于事件广播（向整个网络广播事件）和兴趣广播（向整个网络广 播兴趣）之间的一种路由协议
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其中a为大于1的系统参数。
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（5）节点为路由表中每个下一跳节点什算 选择概率，节点选择概率与能量消耗成反比。 节点Ni使用如下公式计算选择节点Ni的概率：
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• RahulC Shah提出的能量多路径路由综合考 虑了通信路径上的消耗能量和剩余能量， 节点根据概率在路由表中选择一个节点作 为路由的下一跳节点。由于这个概率是与 能量相关的，可以将通信能耗分散到多条 路径上，从百可实现整个网络的能量干稳 降级，最大限度地延长网络的生存期。
第二章 路由协议
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概述（什么是路由协议）
• 路由协议负责将数据分组从源节点通过 网络转发到目的节点，它主要包括两个 方面的功能： • 寻找源节点和目的节点间的优化路径 （确定最佳路径） • 将数据分组沿着优化路径正确转发 （数据交换）
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ad hoc、 无线局域网等传统无线 网络特点
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• 能量路由策略主要有以下几种： （1） 最大 PA 路由： 从数据源到汇聚节点的所有 路径中选取节点 PA 之和最大的路径。 • （2） 最小能量消耗路由： 从数据源到汇聚节点的 所有路径中选取节点耗能之和最少的路径。 • （3） 最少跳数路由： 选取从数据源到汇聚节点跳 数最少的路径。 • （4） 最大最小 PA 节点路由：每条路径上有多个 节点，且节点的可用能量不同， 从中选取每条路径 中可用能量最小的节点来表示这条路径的可用能量。
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能量多路径路由
• 传统网络的路由机制往往选择源节点到目的节点之 间跳数最小的路径传输数据， 但在无线传感器网络 中， 如果频繁使用同一条路径传输数据， 就会造成 该路径上的节点因能量消耗过快而过早失效， 从而 使整个网络分割成互不相连的孤立部分， 减少了整 个网络的生存期。 为此，RahulC. Shah 等人提出了 一种能量多路径路由机制。 • 该机制在源节点和目的节点之间建立多条路径， 根 据路径上节点的通信能量消耗以及节点的剩余能量 情况， 给每条路径赋予一定的选择概率， 使得数据 传输均衡消耗整个网络的能量， 延长整个网络的生 存期。
右图描述DD路由 协议的工作原理
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在Directed Diffusion中，可以对路径进行修复。在建立多条数据源到Sink节点的路 径之后，(探测梯度)Sink节点可以选择增强其中的一条路径用于数据的传输，而同时保 一条低速数据传输的路径（数据梯度）。当高速路径，也就是经过增强的路径出现故 节点可以增强低速路径，保证源节点到Sink节点的数据传输。虽然保持低速路径的 过程需要消耗一些能量，但是在故障时，可以节省很多能量开销。对于故障比较频 繁的网络，保持一条低速路径是很有好处的。 DD路由协议的优点： 1.采用多路径,健壮性好; 2.节点只需要和邻居节点通信，因而不需要全局的地址机制，使用查询驱动机制按 需建立路由,避免了保存全网信息； 3.每个节点都可以进行数据融合操作，能减少数据通信量，节省能量消耗； 4.sink点根据实际情况采取增强或减弱方式能有效利用能量； 5.节点不需要维护网络的拓扑结构，数据的发送是基于需求的，因此它是一个非常 节能的路由协议。 DD路由协议的缺点： 1.基于查询驱动模型的，不适用于环境监测的WSN； 2.Gradient的建立开销很大,不适合多sink点网络； 3.数据聚合过程采用时间同步技术,会带来较大开销和时延； 4.不同的应用中需要定义不同的命名方案，也就是<属性，值>对，从而限制了它 的应用。 无线传感器网络
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路由协议分类
• （1） 能量感知路由协议。 高效利用网络能量 是传感器网络路由协议的一个显著特征，早期 提出的一些传感器网络路由协议往往仅考虑了 能量因素。 为了强调高效利用能量的重要性， 在此将它们划分为能量感知路由协议。 能量 感知路由协议从数据传输中的能量消耗出发， 讨论最优能量消耗路径以及最长网络生存期等 问题。
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• （3） 以数据为中心。 传统的路由协议通常以 地址作为节点的标识和路由的依据，无线传感 器网络中大量节点随机部署， 所关注的是监测 区域的感知数据， 而不是具体哪节点获取的信 息， 不依赖于全网惟一的标识。 传感器网络 通常包含多个传感器节点到数汇聚节点的数据 流， 按照对感知数据的需求、数据通信模式和 流向等， 以数据为中心成消息的转发路径。
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• （4） 应用相关。传感器网络的应用环境千 差万别， 数据通信模式不同， 没有一个路 由机制适合所有的应用， 这是传感器网络 应用相关性的一个体现。 设计者需要针对 每一个具体应用的需求， 设计与之适应的 特定路由机制。
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传感器网络路由机制要求：
• （1） 能量高效。 • （2） 可扩展性。 • （3） 鲁棒性。 • （4） 快速收敛性。
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• （4） 可靠的路由协议。无线传感器网络的某 些应用对通信的服务质量有较高要求， 如可 靠性和实时性等。 而在无线传感器网络中， 链路的稳定性难以wk.baidu.com证， 通信信道质量比较 低， 拓扑变化比较频繁， 要实现服务质量保 证， 需要设计相应的可靠的路由协议。
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能量感知路由
• 能量路由是最早提出的传感器网 路路由机制之一， 它根据节点的 可用能量（power available，PA） 或传输路径上的能量需求， 选择 数据的转发路径。 节点可用能量 就是节点当前的剩余能量。 • 图 2-1 所示的网络中， 大写字母 表示节点， 如节点 A， 节点右侧 括号内的数字表示节点的可用能 量。 图中的双向线表示节点之间 的通信链路， 链路上的数字表示 在该链路上发送数据消耗的能量。 源节点是一般功能的传感器节点， 完成数据采集工作。 汇聚节点是 数据发送的目标节点。
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• 定向扩散路由机制可以分为周期性的兴趣扩散、 梯度建立以及路径加强三个阶段。图 2-2 显示 了这三个阶段的数据传播路径和方向。
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DD协议内容： 节点用一组<属性，值>来命名它所生成的数据。 1.建立路由时，sink(汇聚节点）flooding(广播）包含属性列表、上报间隔、持续时间、 地理区域等 信息的查询请求Interest （该过程本质上是设置一个监测任务， 通过分配不同属性 值来表示不同任务的描述符）。 2.每个传感器节点在收到嗜好（Interest）后保存在各自的Cache中。每个嗜好项 (interest entry)包含一个时间标签域(timestamp field)和若干个梯度域(gradient field， 按成本最小化和能量自适应原则引导数据扩散的方向)。 3.当一个嗜好传遍整个网络后，从源节点(即嗜好所在区域的传感器节点)到sink节点 或基站之间的梯度就建立起来了。 4.一旦源节点采集到嗜好所需的数据，那么源节点沿着该嗜好的梯度路径传输数据到 sink节点或基站。其中，源节点采集的数据首先在本地采用数据融合技术进行整合， 然后在网上传输。
无线传感器网络的路由协议特点
• （1） 能量优先。 传统路由协议在选择 最优路径时， 很少考虑节点的能量消耗 问题。 而无线传感器网络中节点的能量 有限， 延长整个网络的生存期成为传感 器网络路由协议设计的重要目 标， 因此 需要考虑节点的能量消耗以及网络能量 均衡使用的问题。
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• （2） 基于局部拓扑信息。 无线传感器 网络为了节省通信能量， 通常采用多跳 的通信模式， 而节点有限的存储资源和 计算资源， 使得节点不能存储大量的 由信息， 不能进行太复杂的路由计算。 在节点只能获取局部拓扑信息和资源有 限的情下， 如何实现简单高效的路由机 制是无线传感器网络的一个基本问题。
• 能量多路径路由协议包括路径建立、数据传播和路 由维护三个过程。 • 路径建立过程是该协议的重点内容。 每个节点需要 知道到达目的节点的所有下一跳节点， 并计算选择 每个下一跳节点传输数据的概率。 概率的选择是根 据节点到目的节点的通信代价来计算的， 在下面的 描述中用 Cost（Ni） 表示节点 i 到目的节点的通信 代价。 因为每个节点到达目的节点的路径很多， 所 以这个代价值是各个路径的加权平均值。 能量多路 径路由的主要过程描述如下：
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基于查询的路由
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• 定向扩散（directed diffusion，DD） 是一种基于查询 的路由机制。 汇聚节点通过兴趣消息（interest） 发出 查询任务，采用洪泛方式传播兴趣消息到整个区域或 部分区域内的所有传感器节点。 兴趣消息用来表示查 询的任务，表达网络用户对监测区域内感兴趣的信 息， 例如监测区域内的温度、湿度和光照等环境信息。 在兴趣消息的传播过程中， 协议逐跳地在每个传感器 节点上建立反向的从数据源到汇聚节点的数据传输梯 度（gradient）。传感器节点将采集到的数据沿着梯度 方向传送到汇聚节点。
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• （2） 基于查询的路由协议。 在诸如环境检测、战 场评估等应用中， 需要不断查询传感器节点采集的 数据， 汇聚节点（查询节点） 发出任务查询命， 传感器节点向查询节点报告采集的数据。 在这类应 用中，通信流量主要是查询节点和传感器节点之间 的命令和数据传输， 同时传感器节点的采样信息在 传输路径上通常要进行数据融合， 通过减少通信流 量来节省能量。
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• （1） 目的节点向邻居节点广播路径建立消息， 启 动路径建立过程。 路径建立消息中包含一个代价域， 表示发出该消息的节点到目的节点路径上的能量信 息， 初始值设置为零。 • （2） 当节点收到邻居节点发送的路径建立消息时， 相对发送该消息的邻居节点， 只有当自己距源节点 更近， 而且距目的节点更远的情况下， 才需要转发 该消息， 否则将丢弃该消息。
• ad hoc、 无线局域网等传统无线网络的首 要目标是提供高服务质量和公平高效地利 用网络带宽， 这些网络路由协议的主要任 务是寻找源节点到目的节点间通信延迟小 的路径，同时提高整个网络的利用率， 避 免产生通信拥塞并均衡网络流量等， 而能 量消耗问题不是这类网络考虑的重点。
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无线传感器网络路由协议特点
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• （3） 地理位置路由协议。 在诸如目标跟踪 类应用中， 往往需要唤醒距离跟踪目标最近 的传感器节点， 以得到关于目标的更精确位 置等相关信息。 在这类应用 中， 通常需要知 道目的节点的精确或者大致地理位置。 把节 点的位置信息作为路由选择的依据， 不仅能 够完成节点路由功能，还可以降低系统专门 维护路由协议的能耗。
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• （3） 如果节点决定转发路径建立消息， 需要 计算新的代价值来替换原来的代价值。当路径 建立消息从节点 Ni 发送到节点 Nj时， 该路径 的通信代价值为节点 i 的代价值加上两个节点 间的通信能量消耗， 即：
CNi , Nj Cost( Ni ) Metric( N j , Ni )
• 传感器网络具有很强的应用相关性，不同 应用中的路由协议可能差别很大，没有一 个通用的路由协议。此外，传感器网络的 路由机制还经常与数据融合技术联系在一 起，通过减少通信量而节省能量。因此， 传统无线网络的路由协议不适应于无线传 感器网络。 • 在无线传感器网络中，节点能量有限且一 般没有能量补充， 因此路由协议需要高效 利用能量，同时传感器网络节点数目往往 很大，节点只能获取局部拓扑结构信息， 路由协议要能在局部网络信息的基础上选 择合适的路径。 无线传感器网络
Rumor 路由协议（谣传路由）：
Rumor Routing是在Directed Diffusion的基础上演化而来的。通常情况下， Directed Diffusion协议需要向整个网络广播兴趣，而在某些应用中，只有少量的 数据需要从源节点传递到Sink节点。在这种情况下，没有必要向整个网络广播兴 趣。当WSN中的事件（对应着数据的传递）数量很少，而查询（对应着兴趣的广 播）数量很多的时候，可以采用广播事件的方法，以节省能量的消耗。Rumor Routing是一个介于事件广播（向整个网络广播事件）和兴趣广播（向整个网络广 播兴趣）之间的一种路由协议
无线传感器网络
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其中a为大于1的系统参数。
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（5）节点为路由表中每个下一跳节点什算 选择概率，节点选择概率与能量消耗成反比。 节点Ni使用如下公式计算选择节点Ni的概率：
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• RahulC Shah提出的能量多路径路由综合考 虑了通信路径上的消耗能量和剩余能量， 节点根据概率在路由表中选择一个节点作 为路由的下一跳节点。由于这个概率是与 能量相关的，可以将通信能耗分散到多条 路径上，从百可实现整个网络的能量干稳 降级，最大限度地延长网络的生存期。
第二章 路由协议
无线传感器网络
概述（什么是路由协议）
• 路由协议负责将数据分组从源节点通过 网络转发到目的节点，它主要包括两个 方面的功能： • 寻找源节点和目的节点间的优化路径 （确定最佳路径） • 将数据分组沿着优化路径正确转发 （数据交换）
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ad hoc、 无线局域网等传统无线 网络特点
无线传感器网络
• 能量路由策略主要有以下几种： （1） 最大 PA 路由： 从数据源到汇聚节点的所有 路径中选取节点 PA 之和最大的路径。 • （2） 最小能量消耗路由： 从数据源到汇聚节点的 所有路径中选取节点耗能之和最少的路径。 • （3） 最少跳数路由： 选取从数据源到汇聚节点跳 数最少的路径。 • （4） 最大最小 PA 节点路由：每条路径上有多个 节点，且节点的可用能量不同， 从中选取每条路径 中可用能量最小的节点来表示这条路径的可用能量。
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能量多路径路由
• 传统网络的路由机制往往选择源节点到目的节点之 间跳数最小的路径传输数据， 但在无线传感器网络 中， 如果频繁使用同一条路径传输数据， 就会造成 该路径上的节点因能量消耗过快而过早失效， 从而 使整个网络分割成互不相连的孤立部分， 减少了整 个网络的生存期。 为此，RahulC. Shah 等人提出了 一种能量多路径路由机制。 • 该机制在源节点和目的节点之间建立多条路径， 根 据路径上节点的通信能量消耗以及节点的剩余能量 情况， 给每条路径赋予一定的选择概率， 使得数据 传输均衡消耗整个网络的能量， 延长整个网络的生 存期。
右图描述DD路由 协议的工作原理
无线传感器网络
在Directed Diffusion中，可以对路径进行修复。在建立多条数据源到Sink节点的路 径之后，(探测梯度)Sink节点可以选择增强其中的一条路径用于数据的传输，而同时保 一条低速数据传输的路径（数据梯度）。当高速路径，也就是经过增强的路径出现故 节点可以增强低速路径，保证源节点到Sink节点的数据传输。虽然保持低速路径的 过程需要消耗一些能量，但是在故障时，可以节省很多能量开销。对于故障比较频 繁的网络，保持一条低速路径是很有好处的。 DD路由协议的优点： 1.采用多路径,健壮性好; 2.节点只需要和邻居节点通信，因而不需要全局的地址机制，使用查询驱动机制按 需建立路由,避免了保存全网信息； 3.每个节点都可以进行数据融合操作，能减少数据通信量，节省能量消耗； 4.sink点根据实际情况采取增强或减弱方式能有效利用能量； 5.节点不需要维护网络的拓扑结构，数据的发送是基于需求的，因此它是一个非常 节能的路由协议。 DD路由协议的缺点： 1.基于查询驱动模型的，不适用于环境监测的WSN； 2.Gradient的建立开销很大,不适合多sink点网络； 3.数据聚合过程采用时间同步技术,会带来较大开销和时延； 4.不同的应用中需要定义不同的命名方案，也就是<属性，值>对，从而限制了它 的应用。 无线传感器网络
无线传感器网络
路由协议分类
• （1） 能量感知路由协议。 高效利用网络能量 是传感器网络路由协议的一个显著特征，早期 提出的一些传感器网络路由协议往往仅考虑了 能量因素。 为了强调高效利用能量的重要性， 在此将它们划分为能量感知路由协议。 能量 感知路由协议从数据传输中的能量消耗出发， 讨论最优能量消耗路径以及最长网络生存期等 问题。
无线传感器网络
• （3） 以数据为中心。 传统的路由协议通常以 地址作为节点的标识和路由的依据，无线传感 器网络中大量节点随机部署， 所关注的是监测 区域的感知数据， 而不是具体哪节点获取的信 息， 不依赖于全网惟一的标识。 传感器网络 通常包含多个传感器节点到数汇聚节点的数据 流， 按照对感知数据的需求、数据通信模式和 流向等， 以数据为中心成消息的转发路径。
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• （4） 应用相关。传感器网络的应用环境千 差万别， 数据通信模式不同， 没有一个路 由机制适合所有的应用， 这是传感器网络 应用相关性的一个体现。 设计者需要针对 每一个具体应用的需求， 设计与之适应的 特定路由机制。
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传感器网络路由机制要求：
• （1） 能量高效。 • （2） 可扩展性。 • （3） 鲁棒性。 • （4） 快速收敛性。
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• （4） 可靠的路由协议。无线传感器网络的某 些应用对通信的服务质量有较高要求， 如可 靠性和实时性等。 而在无线传感器网络中， 链路的稳定性难以wk.baidu.com证， 通信信道质量比较 低， 拓扑变化比较频繁， 要实现服务质量保 证， 需要设计相应的可靠的路由协议。
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能量感知路由
• 能量路由是最早提出的传感器网 路路由机制之一， 它根据节点的 可用能量（power available，PA） 或传输路径上的能量需求， 选择 数据的转发路径。 节点可用能量 就是节点当前的剩余能量。 • 图 2-1 所示的网络中， 大写字母 表示节点， 如节点 A， 节点右侧 括号内的数字表示节点的可用能 量。 图中的双向线表示节点之间 的通信链路， 链路上的数字表示 在该链路上发送数据消耗的能量。 源节点是一般功能的传感器节点， 完成数据采集工作。 汇聚节点是 数据发送的目标节点。
无线传感器网络
• 定向扩散路由机制可以分为周期性的兴趣扩散、 梯度建立以及路径加强三个阶段。图 2-2 显示 了这三个阶段的数据传播路径和方向。
无线传感器网络
DD协议内容： 节点用一组<属性，值>来命名它所生成的数据。 1.建立路由时，sink(汇聚节点）flooding(广播）包含属性列表、上报间隔、持续时间、 地理区域等 信息的查询请求Interest （该过程本质上是设置一个监测任务， 通过分配不同属性 值来表示不同任务的描述符）。 2.每个传感器节点在收到嗜好（Interest）后保存在各自的Cache中。每个嗜好项 (interest entry)包含一个时间标签域(timestamp field)和若干个梯度域(gradient field， 按成本最小化和能量自适应原则引导数据扩散的方向)。 3.当一个嗜好传遍整个网络后，从源节点(即嗜好所在区域的传感器节点)到sink节点 或基站之间的梯度就建立起来了。 4.一旦源节点采集到嗜好所需的数据，那么源节点沿着该嗜好的梯度路径传输数据到 sink节点或基站。其中，源节点采集的数据首先在本地采用数据融合技术进行整合， 然后在网上传输。
无线传感器网络的路由协议特点
• （1） 能量优先。 传统路由协议在选择 最优路径时， 很少考虑节点的能量消耗 问题。 而无线传感器网络中节点的能量 有限， 延长整个网络的生存期成为传感 器网络路由协议设计的重要目 标， 因此 需要考虑节点的能量消耗以及网络能量 均衡使用的问题。
无线传感器网络
• （2） 基于局部拓扑信息。 无线传感器 网络为了节省通信能量， 通常采用多跳 的通信模式， 而节点有限的存储资源和 计算资源， 使得节点不能存储大量的 由信息， 不能进行太复杂的路由计算。 在节点只能获取局部拓扑信息和资源有 限的情下， 如何实现简单高效的路由机 制是无线传感器网络的一个基本问题。