无线传感器网络与QoS组播路由算法研究

### 无线传感器网络与QoS组播路由算法研究 #### 无线传感器网络动态路由算法 在无线传感器网络（WSNs）中，传统方法在利用节点资源时存在能源效率不高的问题，且未考虑节点资源消耗，可能会缩短网络的使用寿命。为解决这些问题，GRAB（GRAdient Broadcast）协议被提出，它是一种依据成本字段和信用进行数据传输的路由协议。成本字段是指从汇聚节点构建和维护的所有节点的成本集合。设置好成本字段后，源节点将数据发送给其邻居节点，数据包中包含自身的成本，但不指定下一个传输节点。接收到数据包的节点通过比较自身成本和接收到的成本，独立决定是否转发数据包，从而使源节点检测到的数据朝着成本降低的方向传输。GRAB使用多条路径进行可靠的数据传输，并利用信用来调整多条路径的宽度，提高了数据传输的可靠性。 动态路由算法的过程由以下三个步骤组成： | 步骤 | 名称 | 说明 | | ---- | ---- | ---- | | 1 | 初始化过程 | 网络构建的初始步骤 | | 2 | 传输过程 | 数据传输步骤 | | 3 | 重新配置过程 | 应对传感器节点的删除或移动以及外部环境的变化 | 下面是动态路由算法中使用的数据包类型和功能： | 数据包类型 | 功能 | | ---- | ---- | | INIT | 汇聚节点在传感器网络构建开始时向网络广播的数据包 | | TRN | 源节点出现数据或向邻居节点传输数据时广播的数据包 | | ACK | 汇聚节点收到TRN数据包后广播的数据包，用于防止循环 | | HELLO | 新添加或移动的节点向其邻居节点通告自身存在的数据包 | ##### 初始化过程 在网络构建开始时，汇聚节点发送一个INIT数据包。发送时，汇聚节点将传输节点ID设置为自身ID，并将HC（汇聚节点与接收节点之间的跳数）和NAE（从接收节点到汇聚节点路径上节点的平均能量）设置为0。接收到INIT数据包的节点按以下公式计算： - 计算当前归一化剩余能量： $NRE_n=\frac{E_{remain}(n)}{E_{initial}(n)}$ (1) - 计算HC： $HC_n = HC_{n - 1} + 1$ (2) - 计算NAE： $NAE_n=\frac{NAE_{n - 1} \cdot HC_{n - 1} + NRE_n}{HC_{n - 1} + 1}$ (3) - 计算COST（从接收节点到汇聚节点的传输成本）： $COST_n=\frac{(HC_{n - 1} + 1)^2}{NAE_{n - 1} \cdot HC_{n - 1} + NRE_n}$ (4) 其中，$NRE_n$ 是节点N的归一化剩余能量，$HC_{n - 1}$ 是向节点N发送INIT数据包的节点的HC，$NAE_{n - 1}$ 是向节点N发送INIT数据包的节点的NAE。 如果根据接收到的INIT数据包计算出的COST小于现有值，则该路径成为到汇聚节点的最优路径。接收节点更新存储HC、NAE和COST的COST表中的条目，然后将INIT数据包中的传输节点ID替换为自身ID，将HC和NAE替换为更新后的值，并发送给邻居节点。这个过程会一直持续，直到所有节点至少接收一次INIT数据包，并设置它们与汇聚节点之间的最小COST。汇聚节点只需在网络构建开始时发送一次INIT数据包。 ```mermaid graph TD A[汇聚节点发送INIT数据包] --> B[节点接收INIT数据包] B --> C{计算COST} C -- COST更小 --> D[更新COST表] D --> E[修改INIT数据包并发送给邻居节点] E --> F{所有节点接收INIT数据包?} F -- 否 --> B F -- 是 --> G[初始化完成] C -- COST更大 --> B ``` ##### 传输过程 检测到相同数据的一组节点会选择一个源节点，即