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无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术。网络由大量低功耗且具有数据采集和无线通信功能的传感器节点组成,节点间通过无线互联形成多跳自组织的网络。该网络在环境监控、军事目的等诸多领域有着广泛应用前景。同时它是一种资源十分受限的网络,这是指两个方面,一是传感器节点本身的电池能量、节点计算能力、存储容量等方面的限制;二是无线网络本身通信带宽延时、数据包大小等方面的限制。这些独有的限制为无线传感器网络的研究提出了新的技术问题。
本文首先介绍无线传感器网络的基本知识,包括传感器节点的组成、传感器网络的体系结构和通信协议栈,然后总结了传感器网络的路由协议,对经典的DD(Directed diffusion)协议的工作原理做了详细的介绍分析,接着分析了支持QoS所面临的问题和已有的几个QoS路由协议。由于现有的QoS协议并不成熟,本文基于DD协议重新设计支持QoS的路由算法-QSBCG路由协议。不失一般性,我们把QoS业务区分为两类。一类是数据业务,要求传输可靠,分组丢失率尽可能低;另一类是实时业务,对传输的延迟和抖动非常敏感。DD算法选择源节点到汇聚节点的最短路径,易耗尽该路径节点能量,形成网络孤岛,而且路径可能频繁改变,导致数据包不能顺序到达,不适用实时业务。QSBCG路由协议把延迟参数考虑进代价梯度函数,并且以一定概率选择主路径,保证主路径短且稳定;除这条主路径外,QSBCG路由协议还加入一条次优缠绕路径来保证可靠性。对于数据业务,为节省网络能耗,QSBCG路由协议选择路径能量瓶颈大且路径能耗小的路径,保证网络能量整体降级。
最后我们描述了QSBCG路由协议的仿真实现过程,并分析了仿真结果,比较了改进前后的网络性能参数,即延迟、网络生存期和可靠性等。实验结果表明QSBCG是一种能量高效的,能区分支持实时业务和数据业务的无线传感器网络路由协议。