李海雁，錢(qián)開(kāi)國(guó)，解永剛，戴祖誠(chéng)

（1.昆明學(xué)院 信息技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650214；2.昆明學(xué)院 物理科學(xué)與技術(shù)系，云南 昆明 650214；3.昆明學(xué)院 現(xiàn)代教育技術(shù)中心，云南 昆明 650214；）

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[1-2]（Wireless Sensor Networks，WSN）由具備一定的運(yùn)算、存儲(chǔ)和無(wú)線通信能力的體積較小、資源極端受限的，制作成本要求較低的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。無(wú)需通信基礎(chǔ)設(shè)施，自組織的隨機(jī)部署和通過(guò)集成傳感器實(shí)時(shí)采集周?chē)h(huán)境因子并通過(guò)無(wú)線通訊方式傳回終端用戶，從而在環(huán)境監(jiān)測(cè)、國(guó)防軍事、智能交通管理、空間探索等領(lǐng)域具有潛在的用途，近年來(lái)成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。但還存在大量挑戰(zhàn)性的研究課題，路由協(xié)議的研究和設(shè)計(jì)就是其中之一。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由技術(shù)[3]擔(dān)負(fù)著為采集到的數(shù)據(jù)尋找路由和將其傳送到基站節(jié)點(diǎn)的任務(wù)，是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，而路由算法和協(xié)議則是路由技術(shù)的核心內(nèi)容，直接關(guān)系到節(jié)點(diǎn)能耗、時(shí)延、吞吐率和成功率等無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)劣。

由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)攜帶有限電源供電，節(jié)點(diǎn)的高效率使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵?shí)時(shí)變化，同時(shí)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力、通訊能力和存儲(chǔ)能力有限，給路由算法和協(xié)議的設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議和自組織網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議均不適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，為此，需要根據(jù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的路由算法和協(xié)議。這是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究和設(shè)計(jì)的主要技術(shù)難點(diǎn)之一。

網(wǎng)絡(luò)仿真模擬環(huán)境NS-2對(duì)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究提供了更為便捷的手段。目前國(guó)內(nèi)外各研究機(jī)構(gòu)根據(jù)自己的特定應(yīng)用，推出了適用于特定應(yīng)用場(chǎng)景的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，文中對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議進(jìn)行了分類(lèi)研究，討論了其性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。設(shè)計(jì)了典型平面和簇結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議在NS-2環(huán)境下進(jìn)行仿真，對(duì)性能進(jìn)行比較分析，對(duì)Ad hoc路由協(xié)議的研究具有參考意義。

1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議

路由協(xié)議解決的是把信息從源經(jīng)過(guò)中間網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)穿過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳遞到目的節(jié)點(diǎn)的行為，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點(diǎn)不同于Ad hoc網(wǎng)絡(luò)，其既完成采集任務(wù)，還要完成路由的兩個(gè)基本動(dòng)作：最佳路徑選擇和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單，而路徑選擇較為復(fù)雜。

1.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究分類(lèi)

從功能上講，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議是一種將數(shù)據(jù)從源節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)交竟?jié)點(diǎn)的機(jī)制。而通常情況下，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)地位是平等的，各節(jié)點(diǎn)通過(guò)分布式算法來(lái)相互協(xié)調(diào)。由于無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的電源、計(jì)算、存儲(chǔ)和通信等能力的限制以及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用背景相差極大，如傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)或者Ad hoc網(wǎng)絡(luò)一樣設(shè)計(jì)通用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不利于資源的充分利用，因此無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)特定應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)，滿足應(yīng)用需求的同時(shí)盡量降低網(wǎng)絡(luò)傳輸代價(jià)，擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)容量和提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

近年來(lái)研究人員根據(jù)特定應(yīng)用提出了上百種路由協(xié)議，可以根據(jù)不同的劃分原則進(jìn)行分類(lèi)研究：

1）根據(jù)傳輸過(guò)程中間節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，可以分為單跳路由（Single-hop）和多跳路由（Muit-hop）。 單跳路由實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但是在保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍條件不變，就要增大節(jié)點(diǎn)的有效傳輸半徑，必然增大節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，進(jìn)而增大節(jié)點(diǎn)能耗，縮短了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。而多跳路由有效減小節(jié)點(diǎn)的傳輸半徑，節(jié)約能量。

2）根據(jù)路由組網(wǎng)的拓?fù)淇刂平Y(jié)構(gòu)分為平面（flat）路由協(xié)議和分簇層次（Clustering Hierarchy）路由結(jié)構(gòu)。平面路由協(xié)議需要節(jié)點(diǎn)維護(hù)全網(wǎng)信息，節(jié)點(diǎn)失效和新節(jié)點(diǎn)的加入等網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性差，節(jié)點(diǎn)建立和維護(hù)路由耗費(fèi)資源，尤其是能耗開(kāi)銷(xiāo)大，不適合大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)。而分簇的層次路由只需要節(jié)點(diǎn)維護(hù)局部信息，有效利用了有限的傳感器節(jié)點(diǎn)資源。擴(kuò)展性好，適合規(guī)模大的網(wǎng)絡(luò)。其關(guān)鍵技術(shù)在于簇頭節(jié)點(diǎn)的選擇算法和簇建立和維護(hù)算法，實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜。

3）根據(jù)路由建立過(guò)程中是否應(yīng)用節(jié)點(diǎn)位置信息參數(shù)分為地理位置信息路由和非地理位置信息路由。地理位置信息路由協(xié)議研究時(shí)均假定傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)GPS或者定位算法等計(jì)算出自身的位置信息，將位置信息作為輔助條件，用來(lái)改善已有路由協(xié)議的性能，例如泛洪（Flooding）協(xié)議中指定數(shù)據(jù)傳送的方向從而減少傳送的數(shù)據(jù)量。用于分簇層次結(jié)構(gòu)中用于優(yōu)化分簇結(jié)構(gòu)，是簇頭節(jié)點(diǎn)均勻分布到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中。

4）根據(jù)在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中是否需要數(shù)據(jù)融合處理分為以數(shù)據(jù)為中心的路由和以數(shù)據(jù)采轉(zhuǎn)發(fā)為中心的路由。以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議對(duì)感知到的數(shù)據(jù)進(jìn)行屬性標(biāo)識(shí)，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，從而減少冗余數(shù)據(jù)的傳輸。而以數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)為中心的路由多記成與Ad hoc路由協(xié)議。

5）根據(jù)在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中是否考慮服務(wù)質(zhì)量的要求可以分為基于QOS的路由協(xié)議和非QOS的路由協(xié)議?；赒OS的路由協(xié)議在路由實(shí)現(xiàn)和維護(hù)時(shí)，力求滿足網(wǎng)絡(luò)QOS需求，考慮數(shù)據(jù)包優(yōu)先級(jí)、端到端時(shí)延、數(shù)據(jù)融合精度等。

1.2 典型的路由協(xié)議分析

對(duì)目前已有的路由協(xié)議從基本思想、關(guān)鍵問(wèn)題和擴(kuò)展分析幾個(gè)方面進(jìn)行分析。

1）泛洪（Flooding）、謠傳（Gossiping）路由協(xié)議

泛洪（Flooding）協(xié)議[4]、謠傳（Gossiping）[5]和定向擴(kuò)散（Directed Diffusion）路由協(xié)議是最為經(jīng)典和簡(jiǎn)單的平面路由協(xié)議。泛洪（Flooding）路由協(xié)議的基本思想是每個(gè)節(jié)點(diǎn)收到其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)就以廣播的方式轉(zhuǎn)發(fā)給鄰居節(jié)點(diǎn)，一直重復(fù)下去，直到數(shù)據(jù)傳送到目的節(jié)點(diǎn)為止，該路由協(xié)議的關(guān)鍵問(wèn)題是信息經(jīng)過(guò)全網(wǎng)的復(fù)制，產(chǎn)生大量的冗余信息，同時(shí)出現(xiàn)同一個(gè)數(shù)據(jù)包多次發(fā)送給同一個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息內(nèi)爆和信息重疊，謠傳（Gossiping）針對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)，其在就行下一跳數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，是隨機(jī)的選擇一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)盡心轉(zhuǎn)發(fā)，獲得數(shù)據(jù)包的鄰居節(jié)點(diǎn)以同樣的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞。這種方式會(huì)出現(xiàn)增大數(shù)據(jù)包傳遞到目的節(jié)點(diǎn)的時(shí)間。

2）定向擴(kuò)散（Directed Diffusion）路由協(xié)議

定向擴(kuò)散路由協(xié)議[6]是一種基于梯度場(chǎng)和數(shù)據(jù)相關(guān)的路由協(xié)議，基本思想是基站節(jié)點(diǎn)周期性的以泛洪方式廣播一種“興趣”包，告訴網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)需要的信息，在“興趣”消息傳播過(guò)程中，協(xié)議逐漸在每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)上建立反向的從數(shù)據(jù)源到基站節(jié)點(diǎn)的梯度場(chǎng)，梯度場(chǎng)參考從源節(jié)點(diǎn)到基站節(jié)點(diǎn)通信代價(jià)最低和能量信息建立。興趣廣播完后，梯度場(chǎng)也建立完成，數(shù)據(jù)源產(chǎn)生數(shù)據(jù)包后就向感興趣的鄰居節(jié)點(diǎn)傳遞數(shù)據(jù)，不是基站節(jié)點(diǎn)就以同樣的方式轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)，基站節(jié)點(diǎn)將收到從不同路徑傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，同時(shí)基站節(jié)點(diǎn)參照時(shí)延、能量自適應(yīng)性，通信代價(jià)等信息選擇一條路徑并強(qiáng)化，以后的數(shù)據(jù)就沿著這條路徑傳送。DD路由協(xié)議要求節(jié)點(diǎn)發(fā)起路由建立過(guò)程，而且興趣需擴(kuò)散至全網(wǎng)，因此不太適合大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)。

3）SPIN路由協(xié)議

SPIN[7]路由協(xié)議是一種基于協(xié)商機(jī)制和以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議，引入了數(shù)據(jù)融合的思想。協(xié)議的基本思想是采用3次握手協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中使用3種數(shù)據(jù)報(bào)文：ADV、REQ和DATA。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)后，將廣播ADV報(bào)文給其鄰居節(jié)點(diǎn)，如果鄰居節(jié)點(diǎn)希望接收該數(shù)據(jù)，則返回REQ報(bào)文，數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)將發(fā)送DATA報(bào)文給該節(jié)點(diǎn)。該協(xié)議關(guān)鍵問(wèn)題在于多個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)返回REQ給同一個(gè)節(jié)點(diǎn)，會(huì)引起信息沖突。

4）LEACH及其改進(jìn)路由協(xié)議

LEACH[8]路由協(xié)議是分簇層次路由協(xié)議，協(xié)議的基本思想是引入分簇層次型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂平Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)的周期性的選擇簇頭節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)就近加入相應(yīng)的簇頭，形成虛擬簇，個(gè)簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)以TDMA的方式將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭，簇頭融合處理后在轉(zhuǎn)發(fā)給基站節(jié)點(diǎn)。關(guān)鍵問(wèn)題在于簇頭節(jié)點(diǎn)要求和基站能直接通信，則不適用于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)簇頭的選擇算法會(huì)帶來(lái)簇頭分布不均等問(wèn)題，后產(chǎn)生LEACH-C[9]，LEACH-F等改進(jìn)路由協(xié)議，均在簇頭選擇算法上進(jìn)行改進(jìn)，盡量使簇頭分布均勻。

5）靜態(tài)成簇協(xié)議（Static Clustering）

在LEACH協(xié)議中，當(dāng)簇形成后，簇頭節(jié)點(diǎn)和相應(yīng)簇不在變化，該機(jī)制使得簇頭節(jié)點(diǎn)容易能量耗盡。

6）LAR基于地理位置信息的算法

LAR路由協(xié)議[10]的基本思想是利用地理位置信息來(lái)限制泛洪協(xié)議廣播數(shù)據(jù)包的范圍，既該協(xié)議根據(jù)節(jié)點(diǎn)的位置信息，給出一個(gè)泛洪協(xié)議廣播數(shù)據(jù)包的期望域，只有在期望域的節(jié)點(diǎn)才能收到該數(shù)據(jù)包，從而減少參與泛洪的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量，降低網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)消。該算法收斂速度快，但是網(wǎng)絡(luò)中維護(hù)全網(wǎng)的地理位置信息也需要很大的開(kāi)銷(xiāo)。

7）GAF基于地理位置信息的算法

GAF[11]路由算法的基本思想是引入節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)睡眠調(diào)度機(jī)制，使傳感器節(jié)點(diǎn)盡量處于睡眠狀態(tài)，從而降低網(wǎng)絡(luò)的能耗。該協(xié)議首先通過(guò)劃分虛擬網(wǎng)格的方式確定數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的等價(jià)節(jié)點(diǎn)，然后在在虛擬網(wǎng)格中只需要一個(gè)節(jié)點(diǎn)處于活動(dòng)狀態(tài)，其他節(jié)點(diǎn)睡眠來(lái)節(jié)約全網(wǎng)的整體能耗。

8）GPSR路由算法和MTE路由協(xié)議

GPSR[12]路由算法是基于地理位置信息的路由算法，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)采用了貪婪策略選擇下一跳網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，即數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)在自己的鄰居節(jié)點(diǎn)中選擇距離最近的一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn)。MTE路由協(xié)議最小化能量傳輸協(xié)議，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)在鄰居節(jié)點(diǎn)中選擇通往基站節(jié)點(diǎn)的能耗最小的節(jié)點(diǎn)作為下一跳路由。

2 路由協(xié)議的性能分析

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮出傳統(tǒng)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)需要的快速收斂、低延時(shí)、適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)拓?fù)涞纫笸?，更多的要考慮無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)本身的資源稀缺的特點(diǎn)，更應(yīng)考慮能耗等性能指標(biāo)?，F(xiàn)將設(shè)計(jì)約束分為定性和定量?jī)煞N進(jìn)行分析。

2.1 定性指標(biāo)

定性指標(biāo)是從網(wǎng)絡(luò)某個(gè)方面的性質(zhì)出發(fā)來(lái)評(píng)價(jià)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的適應(yīng)性和現(xiàn)實(shí)性的需求，如安全性、是否是分發(fā)式路由協(xié)議，有無(wú)環(huán)路、擴(kuò)展性、是否支持?jǐn)?shù)據(jù)融合等。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議評(píng)價(jià)定性屬性包括:

1）適應(yīng)動(dòng)態(tài)拓?fù)?無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁O不穩(wěn)定、節(jié)點(diǎn)移動(dòng)或者由于能源耗盡使得節(jié)點(diǎn)失效，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時(shí)，這些因素引起網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓l繁，因此要求無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議要適應(yīng)動(dòng)態(tài)拓?fù)涞淖兓?/p>

2）減少控制開(kāi)銷(xiāo) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)資源極端有限，路由協(xié)議的設(shè)計(jì)要節(jié)約資源，控制、建立和維護(hù)開(kāi)銷(xiāo)要小。

3）分布式操作 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)本身屬性，其要求無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議本身是一個(gè)分布式算法。

4）無(wú)環(huán)路 雖然按照某些定量標(biāo)準(zhǔn)（例如，性能標(biāo)準(zhǔn)）來(lái)說(shuō)，不是必須的，但卻可以避免諸如最壞情況現(xiàn)象。

5）基于需求的操作 在網(wǎng)絡(luò)中，讓路由算法適應(yīng)基于按需流量模式，而不是假設(shè)一種不變的流量分布（在任何時(shí)刻在所有節(jié)點(diǎn)之間維護(hù)路由），是一種更好的方法。如果能智能地做到這一點(diǎn)，可以更加有效的利用網(wǎng)絡(luò)能源和帶寬資源，代價(jià)是增加了路由發(fā)現(xiàn)的延時(shí)。

6）先應(yīng)操作 基于需求操作比較不重要的方面。在某些情況下，基于需求操作增加的延時(shí)是不可接受的。如果帶寬和能源允許，在這種情況下，就需要先應(yīng)式的操作。

7）“睡眠”周期操作 基于能量保存，或其他某種非活動(dòng)的需要，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在某段時(shí)間內(nèi)可能會(huì)停止發(fā)送和/或接收。路由協(xié)議應(yīng)該能適應(yīng)這種睡眠周期，而不產(chǎn)生非常不利的后果。

8）路由方式和路由更新方式 不同的路由方式和路由更新方式對(duì)協(xié)議的影響是巨大的，所有路由協(xié)議都必須路由方式的效率和路由更新方式的效率。

9）數(shù)據(jù)融合需求 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)鄰居節(jié)點(diǎn)間探測(cè)的數(shù)據(jù)可能類(lèi)似，或者在協(xié)議設(shè)計(jì)策略中會(huì)產(chǎn)生冗余數(shù)據(jù)，因此要求無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議應(yīng)支持?jǐn)?shù)據(jù)融合處理，以減少傳輸數(shù)據(jù)量進(jìn)而降低網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷(xiāo)。

10）擴(kuò)展性 通常任務(wù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)規(guī)模巨大，節(jié)點(diǎn)容易失效，要求路由協(xié)議具有高可擴(kuò)展性。

典型協(xié)議定性分析如表1所示。

表1 典型協(xié)議性能的定性分析Tab.1 The perform ance qualitative analysis of typical protocol

2.2 定量指標(biāo)

定量指標(biāo)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行量化，細(xì)致精確的刻畫(huà)網(wǎng)絡(luò)某個(gè)方面的性能：

1）能耗和生命周期 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)攜帶有限的電池供電，部署出去難以回收更換電池，而電池耗盡，節(jié)點(diǎn)失效，因此無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗和生命周期成為評(píng)價(jià)路由協(xié)議的關(guān)鍵性指標(biāo)之一。

2）路由協(xié)議收斂速度 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大，路由協(xié)議一般是一種按需操作，當(dāng)有數(shù)據(jù)傳送要求時(shí)才進(jìn)行路由建立，因此路由協(xié)議收斂速度是一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，在實(shí)際考察中可以用第一個(gè)數(shù)據(jù)包成功收發(fā)時(shí)間進(jìn)行衡量。

3）數(shù)據(jù)包成功接收率 數(shù)據(jù)包成功接收率是目的節(jié)點(diǎn)收到的數(shù)據(jù)包數(shù)目與數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)目之比，描述了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的丟包率，刻畫(huà)了路由協(xié)議的正確性和完整性指標(biāo)。

數(shù)據(jù)包成功接收率=成功接數(shù)據(jù)包數(shù)/發(fā)送數(shù)據(jù)包數(shù)

4）平均延時(shí) 平均延時(shí)刻畫(huà)了數(shù)據(jù)分組從發(fā)送，經(jīng)過(guò)路徑緩沖、節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)、MAC層重傳等后送達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的時(shí)間。用式（1）進(jìn)行計(jì)算:

其中N表示成功送到的數(shù)據(jù)分組數(shù)，rti是分組送達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的時(shí)間，sti表示分組被發(fā)送的時(shí)間。

3 基于NS-2仿真環(huán)境的路由協(xié)議性能分析

3.1 NS-2簡(jiǎn)介和仿真場(chǎng)景建立

NS（Network Simulator）[13]網(wǎng)絡(luò)仿真器是研究大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)和未來(lái)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議行為特性的軟件，是一款開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)，研究人員可以在已有研究的基礎(chǔ)上重構(gòu)協(xié)議源碼和重新編譯，仿真自己設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)特性行為和協(xié)議。

文中設(shè)計(jì)了部分無(wú)線傳感器網(wǎng)路路由協(xié)議的仿真實(shí)驗(yàn)，仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如下：仿真場(chǎng)景在1 000×1 000，基站節(jié)點(diǎn)位于（50，175），隨機(jī)部署100個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的初始能量設(shè)置為2 J，數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度為500 byte，發(fā)送接受1 bit的數(shù)據(jù)電路消耗50 nJ。

3.2 仿真結(jié)果及其分析

3.2.1 生命周期實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)中節(jié)點(diǎn)能量耗盡認(rèn)為節(jié)點(diǎn)死亡，分析仿真后的trace文件，將存活節(jié)點(diǎn)數(shù)隨仿真時(shí)間統(tǒng)計(jì)下來(lái)，結(jié)果如圖1所示。MTE路由協(xié)議應(yīng)用貪懶策略選擇下一跳節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，在開(kāi)始時(shí)間能沒(méi)有路由建立數(shù)據(jù)包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，因此其在初始階段能量消耗低，節(jié)點(diǎn)死亡數(shù)較少，leach路由協(xié)議第一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)間較leach-c晚，但是總體網(wǎng)絡(luò)生命周期沒(méi)有LEACH-C長(zhǎng)。而static-cluster路由協(xié)議由于簇頭死亡后，剩余節(jié)點(diǎn)就失去和基站的聯(lián)系而不在收發(fā)數(shù)據(jù)，因此一直有節(jié)點(diǎn)存活。

圖1 存活節(jié)點(diǎn)數(shù)對(duì)比圖Fig.1 The contrast graph of active nodes number for protocol

3.2.2 能量消耗實(shí)驗(yàn)分析

能量消耗實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，MTE路由協(xié)議采用貪婪策略選擇下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，能量消耗低，到時(shí)很難將數(shù)據(jù)包送到基站節(jié)點(diǎn)，也就是數(shù)據(jù)包的延時(shí)大，在大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)中難以送達(dá)。static-cluster路由協(xié)議由于簇頭死亡后不在工作，因此后期剩下的存活節(jié)點(diǎn)沒(méi)有工作而使得能量較低。開(kāi)始時(shí)，LEACH協(xié)議較LEACH-C協(xié)議有相對(duì)優(yōu)越的能耗，隨著仿真時(shí)間向后推移，能耗增大較快，使得網(wǎng)絡(luò)生命周期整體縮短。

圖2 能耗結(jié)果對(duì)比圖Fig.2 The comparing graph of energy consumption for protocol

3.2.3 收達(dá)數(shù)據(jù)包實(shí)驗(yàn)

驗(yàn)證路由協(xié)議的收斂時(shí)間和有效性，我們統(tǒng)計(jì)的前300 s的數(shù)據(jù)包送達(dá)情況，MTE由于一直出現(xiàn)數(shù)據(jù)包沖突碰撞，在前300 s內(nèi)沒(méi)有送達(dá)到基站的數(shù)據(jù)包，static-cluster路由協(xié)議隨著簇頭節(jié)點(diǎn)死亡而剩下的存活節(jié)點(diǎn)和基站失去聯(lián)系，后期也沒(méi)有送達(dá)基站的數(shù)據(jù)包。LEACH-C送到的數(shù)據(jù)包較LEACH優(yōu)越。

從圖1、2和3可以看出，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合考慮多方面約束條件的關(guān)鍵技術(shù)。如MTE節(jié)約了能量，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生命周期，但是數(shù)據(jù)包延時(shí)太大而不適用，靜態(tài)成簇路由協(xié)議簡(jiǎn)單但是簇頭節(jié)點(diǎn)負(fù)擔(dān)太重而造成簇頭節(jié)點(diǎn)過(guò)早死亡，LEACH協(xié)議引入簇頭輪換機(jī)制但是簇頭分布不均，利用LEACH-C進(jìn)行一定個(gè)改進(jìn)獲得了較好的性能表現(xiàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

作為物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)感知部分的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)已成為當(dāng)今社會(huì)各界的研究熱點(diǎn)，路由協(xié)議的設(shè)計(jì)面臨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、節(jié)點(diǎn)無(wú)法編址、節(jié)點(diǎn)資源節(jié)點(diǎn)受限都很多約束條件成為既有挑戰(zhàn)性的研究課題。文中對(duì)已提出的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分類(lèi)研究，給出性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，設(shè)計(jì)了典型的平面、分簇的路由協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)仿真器中進(jìn)行仿真研究分析方法，為相關(guān)的研究提供參考。

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