無線傳感器網(wǎng)絡 第10章 服務質量

1、無線傳感器網(wǎng)絡技術無線傳感器網(wǎng)絡技術講義講義第九章、服務質量保證內(nèi)容提要1.無線傳感器網(wǎng)絡服務質量概述 2.無線傳感器網(wǎng)絡感知QoS研究3.無線傳感器網(wǎng)絡傳輸QoS研究4.參考文獻內(nèi)容提要1.無線傳感器網(wǎng)絡服務質量概述 2.無線傳感器網(wǎng)絡感知QoS研究3.無線傳感器網(wǎng)絡傳輸QoS研究4.參考文獻無線傳感器網(wǎng)絡服務質量(QoS)概述 服務質量（QoS）背景與概述服務質量(QoS)定義服務質量(QoS)支持機制 無線傳感器網(wǎng)絡QoS研究服務質量（QoS）背景與概述 圖10-1簡單QoS模型網(wǎng)絡服務質量指標 可用性 ：當用戶需要時網(wǎng)絡即能開始工作的時間百分比。 吞吐量：一定時間段內(nèi)對網(wǎng)絡流量的度量。

2、 時延變化：同一業(yè)務流中不同分組所呈現(xiàn)的時延不同 。 丟包率 ：是指網(wǎng)絡在傳輸過程中數(shù)據(jù)包丟失的比率。 服務質量服務質量(QoS)支持機制支持機制 Int-serv集成業(yè)務 Diff-serv區(qū)分業(yè)務 MPLS多協(xié)議標簽交換 無線傳感器網(wǎng)絡(QoS)研究無線傳感器網(wǎng)絡自身特點使得傳統(tǒng)網(wǎng)絡的QoS支持機制不適用： 節(jié)點資源非常有限 負載不均衡 大量冗余節(jié)點 網(wǎng)絡異構圖10-2 無線傳感器網(wǎng)絡參考體系結構內(nèi)容提要1.無線傳感器網(wǎng)絡服務質量概述 2.無線傳感器網(wǎng)絡感知QoS研究3.無線傳感器網(wǎng)絡傳輸QoS研究4.參考文獻無線傳感器網(wǎng)絡覆蓋算法設計方式和目標無線傳感器網(wǎng)絡覆蓋算法設計方式和目標節(jié)點部署

3、方式網(wǎng)絡節(jié)能傳感與通信距離網(wǎng)絡可擴展無線傳感器網(wǎng)絡覆蓋算法分類無線傳感器網(wǎng)絡覆蓋算法分類 節(jié)點部署方式分類節(jié)點部署方式分類確定性覆蓋確定性覆蓋隨機覆蓋隨機覆蓋 覆蓋目標分類覆蓋目標分類區(qū)域覆蓋區(qū)域覆蓋點覆蓋點覆蓋柵欄覆蓋柵欄覆蓋圖 10 4 區(qū)域覆蓋、點覆蓋與柵欄覆蓋區(qū)域覆蓋控制算法區(qū)域覆蓋控制算法-輪換活躍輪換活躍/休眠節(jié)點的覆蓋協(xié)議休眠節(jié)點的覆蓋協(xié)議需要解決的問題： （1）網(wǎng)絡中每一個節(jié)點如何判斷自應該處于活動還是休眠狀態(tài)； （2）網(wǎng)絡中節(jié)點如何進行狀態(tài)轉換。輪換活躍輪換活躍/休眠節(jié)點的覆蓋協(xié)議休眠節(jié)點的覆蓋協(xié)議-節(jié)點覆蓋休眠準則圖10 5 節(jié)點覆蓋圖 輪換活躍/休眠節(jié)點的覆蓋協(xié)議-節(jié)點調(diào)

4、度機制節(jié)點調(diào)度機制采用周期輪換工作方法，每個周期包括： self-scheduling 階段：每個節(jié)點根據(jù)節(jié)點覆蓋休眠準則，來判斷自己是否進入休眠狀態(tài) 。 sensing階段： 執(zhí)行傳感操作輪換活躍/休眠節(jié)點的覆蓋協(xié)議-鄰居信息獲取 各節(jié)點在每一輪開始時向傳感半徑內(nèi)鄰居節(jié)點廣播位置通告消息PAM 其中包括節(jié)點ID和位置(若傳感半徑不同則包括發(fā)送節(jié)點傳感半徑)。輪換活躍/休眠節(jié)點的覆蓋協(xié)議-退避自調(diào)度在判斷節(jié)點是否可以休眠時，如果相鄰節(jié)點同時檢查到自身的傳感任務可由對方完成并同時進入“休眠狀態(tài)”，就會出現(xiàn)如圖所示的“盲點”。 abcdefabcd圖10 6 網(wǎng)絡中出現(xiàn)的盲點連通傳感器覆蓋 在選取

5、網(wǎng)絡中哪些節(jié)點處于活動狀態(tài)時，需要考慮滿足以下兩個因素： (1)覆蓋：活動節(jié)點集合的傳感區(qū)域能夠覆蓋整個監(jiān)測區(qū)域；(2)連通：網(wǎng)絡活動節(jié)點集合中任意兩個節(jié)點都能夠互相通信，使得傳感節(jié)點采集的數(shù)據(jù)能夠被發(fā)回基站。 連通傳感器覆蓋 OGDC算法 定理定理1：假設在任何有限區(qū)域中，節(jié)點的數(shù)目有限。則保證區(qū)域被節(jié)點全覆蓋即網(wǎng)絡全連通的充要條件是節(jié)點通信半徑大于兩倍的傳感半徑。 定理定理2：假設傳感節(jié)點的傳感區(qū)域是以節(jié)點為中心的圓形區(qū)域，該區(qū)域相對待監(jiān)測區(qū)域小很多。多個傳感區(qū)域在其中相互相交。如果該區(qū)域中所有的交叉點都被覆蓋，則該待監(jiān)測區(qū)域也被完全覆蓋。 定理定理3：如果所有傳感節(jié)點的傳感半徑相等，并且

6、能夠完全覆蓋監(jiān)控區(qū)域。減少網(wǎng)絡中活動節(jié)點個數(shù)等效于減小所有節(jié)點傳感覆蓋區(qū)域的重疊。柵欄覆蓋控制算法柵欄覆蓋控制算法最壞與最佳情況覆蓋最壞與最佳情況覆蓋 最壞覆蓋是指如何在網(wǎng)絡中找到一條路徑，使得沿該路徑前進的目標被網(wǎng)絡中節(jié)點發(fā)現(xiàn)的概率最小。該路徑稱為最大突破路徑(maximal breach path)，即最大化該路徑上點到周圍最近傳感器的最小距離。 最佳覆蓋是指網(wǎng)絡中找到一條路徑，使得沿該路徑前進的目標被網(wǎng)絡中節(jié)點發(fā)現(xiàn)的概率最大。該路徑稱為最大支撐路徑(maximal support path)，即最小化路徑上的點到周圍最近傳感器的最大距離。 最壞覆蓋與最大突破路徑最壞覆蓋與最大突破路徑(1

7、) 基于各節(jié)點的位置產(chǎn)生網(wǎng)絡Voronoi圖;(2) 為Voronoi圖中每一條邊界賦一個權值。該值表示這條邊界到離他最近的傳感器節(jié)點的距離;(3) 利用二分查找法和寬度優(yōu)先查找算法來獲取最大突破路徑。圖 10 7最大突破路徑Voronoi圖 (c) (d)(a) (b)最壞覆蓋與最大突破路徑最壞覆蓋與最大突破路徑最佳覆蓋與最大支撐路徑最佳覆蓋與最大支撐路徑以Delaunay三角取代Voronoi圖作為幾何結構。圖中每條邊的權值算法變?yōu)橛嬎阍撨叺街車罱鼈鞲衅鞴?jié)點的最大距離。查找參數(shù)由突破權值變?yōu)橹螜嘀?，查找網(wǎng)絡中支撐權值最小的邊 圖 10 8傳感器網(wǎng)絡Delaunay三角以及最大支撐路徑

8、最佳覆蓋與最大支撐路徑最佳覆蓋與最大支撐路徑暴露穿越暴露穿越問題(Exposure)：即觀察傳感區(qū)域內(nèi)目標的平均期待能力，或一個傳感函數(shù)的積分，該積分值依賴于目標移動原點至終點的路徑到傳感節(jié)點的距離。暴露穿越算法將連續(xù)問題域轉化為離散域應用圖理論抽象利用Dijkstra的單源最短路徑算法(Single-Source-Shortest-Path algorithm)圖 10 9全節(jié)點強度模型下所獲得的最小暴露路徑。網(wǎng)格精度區(qū)別：n=8,m=1(左)；n=16,m=2(中)；n=32,m=8(右)。暴露穿越算法圖 10 16最近節(jié)點全節(jié)點強度模型下所獲得的最小暴露路徑。網(wǎng)格精度區(qū)別：n=8,m=1

9、(左)；n=16,m=2(中)；n=32,m=8(右)。暴露穿越算法內(nèi)容提要1.無線傳感器網(wǎng)絡服務質量概述 2.無線傳感器網(wǎng)絡感知QoS研究3.無線傳感器網(wǎng)絡傳輸QoS研究4.參考文獻無線傳感器網(wǎng)絡服務區(qū)分參數(shù) 數(shù)據(jù)包抵達概率(可靠性) ：高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包傳送至基站節(jié)點的概率更高。 時延：高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包抵達基站節(jié)點的時延要少于低優(yōu)先級數(shù)據(jù)包。 可靠數(shù)據(jù)傳輸造成數(shù)據(jù)包丟失的原因主要有三個方面： 無線傳感器網(wǎng)絡所使用的無線信道較之有線鏈路有更大的不穩(wěn)定性以及更高的誤碼率， 很容易受到周圍環(huán)境噪聲的影響造成數(shù)據(jù)包的丟失。另外在無線傳感器網(wǎng)絡中，傳感器節(jié)點的布撒密度非常高，不同節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)時極易發(fā)

10、生信道競爭沖突以及碰撞造成數(shù)據(jù)包丟失。 當無線傳感器網(wǎng)絡中發(fā)生擁塞時，擁塞節(jié)點緩沖區(qū)溢出造成數(shù)據(jù)包丟失。接收節(jié)點因為數(shù)據(jù)包到達過快來不及處理造成數(shù)據(jù)包丟失。差錯避免可靠傳輸 ACK確認重傳機制確認重傳機制 數(shù)據(jù)包冗余傳輸機制數(shù)據(jù)包冗余傳輸機制 多路徑傳輸機制多路徑傳輸機制 FEC前向糾錯碼機制前向糾錯碼機制 單分組傳遞：ReInForm路由ReInForm方法是基于在多條路徑上發(fā)送數(shù)據(jù)包的多個拷貝來提高數(shù)據(jù)包傳輸可靠性。從數(shù)據(jù)源節(jié)點開始，根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸可靠性、信道質量以及傳感器節(jié)點到匯聚節(jié)點的跳數(shù)，確定需要的傳輸路徑數(shù)目，以及下一跳節(jié)點數(shù)目和相應的節(jié)點。鄰居節(jié)點在接收到數(shù)據(jù)源節(jié)點的數(shù)據(jù)后，將自己

11、視作數(shù)據(jù)源節(jié)點，重復上述數(shù)據(jù)源節(jié)點的選路過程。實現(xiàn)滿足可靠要求的數(shù)據(jù)傳輸。 圖 10 10ReInform所需傳送概率為70%時數(shù)據(jù)轉發(fā)舉例。(A)圖是源節(jié)點在鏈路差錯率為0時傳遞1個數(shù)據(jù)包；(B)圖是源節(jié)點在鏈路差錯率為0時傳遞10個數(shù)據(jù)包；(C)是源節(jié)點在鏈路差錯率為30%時傳遞1個數(shù)據(jù)包(D)是源節(jié)點在鏈路差錯率為30%時發(fā)送10個單分組 圖 10 11洪泛、單路徑轉發(fā)以及40%、70%可靠性要求的多路徑轉發(fā)在鏈路出錯率增加時所能保證的可靠性比較 圖 10 12洪泛、單路徑轉發(fā)以及40%、70%可靠性要求的多路徑轉發(fā)在鏈路出錯率增加時為保證可靠性所引發(fā)的開銷 數(shù)據(jù)塊傳輸:RMST 無線傳

12、感器網(wǎng)絡中，有時需要傳輸大量的數(shù)據(jù)。比如在傳送圖像、聲音等數(shù)據(jù)時，或者當網(wǎng)絡需要重新配置，基站將新的代碼發(fā)送至節(jié)點。 相對于單數(shù)據(jù)包的可靠性傳輸，保證數(shù)據(jù)塊傳輸?shù)目煽啃詸C制有很大的不同。 數(shù)據(jù)塊傳輸:RMST Fred Stann等人認為在無線傳感器網(wǎng)絡中，無線鏈路不穩(wěn)定及易受干擾的特點是造成網(wǎng)絡傳輸不可靠的主要原因. 除了在物理層實現(xiàn)高效的糾錯碼之外，如何在MAC層、傳輸層以及應用層提供可靠性是實現(xiàn)可靠傳輸?shù)闹匾ＷC。 在MAC層實現(xiàn)可靠性保證的重要性體現(xiàn)在，它除了能為傳輸層提供跳段之間的錯誤恢復之外，還是實現(xiàn)路由發(fā)現(xiàn)及維持的保證。 數(shù)據(jù)塊傳輸:RMST圖10- 13每跳鏈路出錯率為10%，

13、數(shù)據(jù)傳輸 40跳時，傳輸成功概率數(shù)據(jù)塊傳輸:RMST圖10-14數(shù)據(jù)傳輸6跳時，傳輸成功概率比較 數(shù)據(jù)塊傳輸:RMST 802.11中提供了數(shù)據(jù)包分片與重組的方法，但是并沒有提供傳輸可靠性保證。 而傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡中的傳輸層TCP協(xié)議提供的傳輸可靠保證主要是為解決網(wǎng)絡擁塞問題而提出的，并不適用于無線網(wǎng)絡。 RMST提出了兩種傳輸層可靠性保證方法:端到端選擇請求NACK和跳段之間選擇請求NACK。 數(shù)據(jù)塊傳輸:RMSTl 端到端選擇請求NACK是當基站節(jié)點發(fā)現(xiàn)接收的數(shù)據(jù)包有丟失或損壞時，沿著基站到源節(jié)點的反向增強路徑發(fā)送重傳請求。當重傳請求到達源節(jié)點后，源節(jié)點將重傳所需數(shù)據(jù)。端到端選擇請求NACK方

14、法只需在基站和源節(jié)點緩存數(shù)據(jù)，中間節(jié)點無需緩存數(shù)據(jù)。l 跳段選擇請求NACK方法是在路由路徑上的每個節(jié)點都緩存數(shù)據(jù)，當節(jié)點發(fā)現(xiàn)有數(shù)據(jù)包丟或損壞時直接向其上一跳節(jié)點發(fā)送重傳請求。擁塞控制 無線傳感器網(wǎng)絡大部分時間都處于零負載或輕負載，只有在異常事件發(fā)生時，網(wǎng)絡中才會突發(fā)性的產(chǎn)生較大的數(shù)據(jù)量。這些數(shù)據(jù)非常重要，需要在不影響系統(tǒng)性能的前提下可靠的傳送給基站。但是這種突發(fā)性的大數(shù)據(jù)量傳輸很容易導網(wǎng)絡不同程度擁塞的發(fā)生。 網(wǎng)絡吞吐量隨源速率的增加而減小. 節(jié)點數(shù)量越大，實際吞吐量減少的越大. CODA擁塞控制方案擁塞控制方案擁塞場景 :(1)節(jié)點密集分布的網(wǎng)絡中，當有異常事件發(fā)生時，源節(jié)點會突發(fā)性產(chǎn)生大

15、量數(shù)據(jù)。在源節(jié)點附近(幾跳范圍內(nèi))形成持續(xù)擁塞區(qū)域。 (2)在節(jié)點分布稀疏并且源節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送速率較低的網(wǎng)絡中，不會在源節(jié)點附近產(chǎn)生持續(xù)的擁塞，而可能在遠離源節(jié)點的網(wǎng)絡區(qū)域中任意位置產(chǎn)生短暫的擁塞。 (3)在節(jié)點分布稀疏并且源節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送速率較高的網(wǎng)絡中，有可能在網(wǎng)絡區(qū)域的任意位置發(fā)生短暫或持續(xù)的擁塞。 CODA擁塞控制方案擁塞控制方案1. 基于接收者的擁塞檢測；2. 開環(huán)跳段反向壓力信標機制(open-loop hop-by-hop backpressure)；3. 閉環(huán)多源調(diào)整機制(closed-loop multi-source regulation) 。 CODA擁塞控制方案擁塞控制方案

16、-擁塞檢測 CODA將節(jié)點緩沖區(qū)管理方法與鏈路負載監(jiān)測方法二者相結合，提出了一個能量高效基于接收者的擁塞檢測方法。 在CODA中，只有當節(jié)點緩沖區(qū)隊列不為空時，才啟動鏈路負載監(jiān)測。當節(jié)點緩沖區(qū)隊列為空時，表明沒有擁塞發(fā)生，鏈路負載監(jiān)測將關閉。 由于CSMA在發(fā)送數(shù)據(jù)前需要監(jiān)聽信道判斷信道是否空閑，所以將鏈路負載監(jiān)測放在該段時間一起進行將不會帶來任何額外的開銷。 CODA擁塞控制方案擁塞控制方案-開環(huán)跳段反向壓力信標機制開環(huán)跳段反向壓力信標機制 檢測到網(wǎng)絡發(fā)生擁塞時，節(jié)點將向鄰居節(jié)點廣播一個反向壓力信標，同時采用相應的數(shù)據(jù)包丟棄策略或調(diào)整數(shù)據(jù)發(fā)送速率來防止擁塞的進一步傳播。 當上游節(jié)點接收到反向

17、壓力信標后，它將根據(jù)局部擁塞策略選擇直接丟棄到來的數(shù)據(jù)包以防止緩沖區(qū)溢出，而不繼續(xù)傳送反向壓力信標。 如果節(jié)點當前的緩沖區(qū)溢出，則選擇向上游節(jié)點繼續(xù)傳送該信標。 CODA擁塞控制方案擁塞控制方案-閉環(huán)多源調(diào)整機制閉環(huán)多源調(diào)整機制 CODA中提出的閉環(huán)多源調(diào)整機制，能夠在無線傳感器網(wǎng)絡中發(fā)生持續(xù)擁塞時，通過基站節(jié)點對源節(jié)點進行擁塞控制。 當源事件速率r小于最大理論帶寬Smax的一定百分比時(即rSmax時，該源節(jié)點認為網(wǎng)絡很可能發(fā)生了擁塞，因此將觸發(fā)閉環(huán)多源調(diào)整機制。 數(shù)據(jù)率控制算法為避免或者解除無線傳感器網(wǎng)絡擁塞，可以通過數(shù)據(jù)率控制方法控制網(wǎng)絡中節(jié)點的傳輸速率。當節(jié)點的速率保持一定時，可以通過

18、控制在此速率下發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點個數(shù)來達到控制網(wǎng)絡流量的目的。 基于基于Gur Game的的QoS控制算法控制算法l River等人將無線傳感器網(wǎng)絡QoS定義為傳感器網(wǎng)絡中任意時刻向基站發(fā)送傳感數(shù)據(jù)的節(jié)點個數(shù)，并提出了一種新的QoS控制算法。l 在該算法中，基站利用廣播信道來與各個傳感器節(jié)點進行QoS信息通信，并使用Gur Game 分布式算法來動態(tài)調(diào)整網(wǎng)絡中節(jié)點的狀態(tài)。l 通過該算法，網(wǎng)絡中節(jié)點可選擇周期性睡眠實現(xiàn)節(jié)能，同時還保證網(wǎng)絡中有足夠的活動節(jié)點向基站發(fā)送信息。基于基于Gur Game的的QoS控制算法控制算法 圖 10 17Gur Game函數(shù) 基于基于Gur Game的的QoS控制算法

19、控制算法 算法賦予每個玩家一個有限離散時間自動機用來記憶其之前的選擇。 每個有限狀態(tài)自動機由一組連續(xù)狀態(tài)所組成，狀態(tài)個數(shù)為2N代表玩家的記憶容量，參數(shù)N稱為記憶參數(shù)。從最左邊的狀態(tài)開始，給每個狀態(tài)順序編號-N到-1，再從1編號到N。基于基于Gur Game的的QoS控制算法控制算法 任何時刻玩家只能處于一種狀態(tài)，而且玩家狀態(tài)的改變只能在狀態(tài)j, j+1, j-1之間進行(即相鄰狀態(tài)之間)。當玩家狀態(tài)為N(或-N)時，狀態(tài)將在N(-N)與N-1(-N+1)之間改變。 當裁判公布獎勵概率r后，玩家如果處于狀態(tài)j，就以概率r轉到狀態(tài)j+1, 以概率1-r轉到狀態(tài)i-1。當玩家處于正狀態(tài)時，他將投票選

20、擇“是”，處于負狀態(tài)選擇“否”。排除隨機波動的影響，在經(jīng)過i輪循環(huán)后，裁判接收到“是”的票數(shù)將收斂到k?；诨贕ur Game的的QoS控制算法控制算法圖 10 18Gur Game 狀態(tài)機 (N=2) 基于基于Gur Game的的QoS控制算法控制算法圖 10 19網(wǎng)絡活動節(jié)點個數(shù) 實時數(shù)據(jù)傳輸 在某些無線傳感器網(wǎng)絡應用中，需要保證采集的傳感數(shù)據(jù)實時地傳送到匯聚節(jié)點。比如在無線監(jiān)控系統(tǒng)應用中，傳感數(shù)據(jù)與基站間的通信延遲直接影響系統(tǒng)的跟蹤質量和效果。 SPEED路由 RPAR路由SPEED路由協(xié)議 為滿足數(shù)據(jù)包傳輸?shù)臅r延需求，Tian He等人設計了一個基于反饋控制和無狀態(tài)算法，支持實時通信

21、的路由協(xié)議SPEED SPEED是地理位置信息相關的路由協(xié)議，它面向實時應用提供端到端數(shù)據(jù)包傳輸速率保證。 SPEED協(xié)議中實現(xiàn)了網(wǎng)絡擁塞控制、負載平衡以及路由空洞避免機制，能有效提高數(shù)據(jù)包傳輸成功率、節(jié)省能量消耗、延長網(wǎng)絡壽命。 該協(xié)議是無狀態(tài)的結構，節(jié)點只需保持其鄰居節(jié)點信息，無須保存路由表全局信息，有很好的擴展性。無須MAC層提供QoS或實時性支持。 SPEED路由協(xié)議圖 10 20SPEED路由協(xié)議模塊 SPEED路由協(xié)議-鄰居信標交換機制 SPEED協(xié)議中每一個節(jié)點向鄰居節(jié)點周期廣播信標數(shù)據(jù)包。該周期信標用于鄰居節(jié)點之間交換地理位置信息。 除了鄰居信標之外，SPEED還有延遲估計信標

22、和反向壓力信標。延遲估計信標用于在節(jié)點與鄰居節(jié)點之間傳輸延遲估計。當節(jié)點發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡發(fā)生擁塞時，SPEED使用反向壓力信標通知上游節(jié)點做出相應調(diào)整。 SPEED路由協(xié)議-延遲估計 在發(fā)送端，發(fā)送節(jié)點在數(shù)據(jù)包進入到網(wǎng)絡輸出隊列時打上時間戳，然后在接收到該數(shù)據(jù)包ACK時，從收發(fā)時間差中減去接收端的處理時間得到一跳的通信延遲。 在接收端，接收節(jié)點處理ACK數(shù)據(jù)包的時間將作為ACK的一個字段發(fā)送回去。通過將新計算的延遲值與原延遲值進行指數(shù)加權平均來更新延遲值。 考慮到無線傳感器網(wǎng)絡的傳播距離，在延遲計算中忽略了傳播延遲。SPEED路由協(xié)議-SNGF算法 節(jié)點利用局部地理信息和傳輸速率信息在鄰居節(jié)點中選擇下

23、一跳路由。 鄰居節(jié)點定義為處于當前節(jié)點通信范圍內(nèi)的節(jié)點。節(jié)點在其鄰居節(jié)點中，選擇比自己距離目標區(qū)域更近的節(jié)點組成候選轉發(fā)節(jié)點集合（forwarding candidate set, FCS）。 節(jié)點利用前面介紹的延遲估計獲得到所有鄰居節(jié)點的延遲。根據(jù)該延遲及節(jié)點間的距離，節(jié)點可計算其FCS集合中每個節(jié)點的傳輸速率。SPEED路由協(xié)議-SNGF算法根據(jù)傳輸速率是否滿足預定的傳輸速率域值，F(xiàn)CS集合中的節(jié)點分為兩類：大于速率域值的鄰居節(jié)點集合和小于速率域值的鄰居節(jié)點集合。若大于速率域值的鄰居節(jié)點集合不為空，則在該集合的節(jié)點中按照一定的概率分布選擇下一跳節(jié)點，節(jié)點的傳輸速率越大，被選中的概率也越大；

24、若大于速率域值的鄰居節(jié)點集合為空，則在小于速率域值的鄰居節(jié)點集合中，使用鄰居反饋循環(huán)NFL算法計算轉發(fā)概率，并按這個概率決定是否丟棄分組。如果決定轉發(fā)分組，F(xiàn)CS集合內(nèi)的節(jié)點按照一定的概率分布選擇為下一跳節(jié)點。SPEED路由協(xié)議-鄰居反饋循環(huán)策略 鄰居反饋循環(huán)策略NFL(Neighbor Feedback Loop)是SPEED協(xié)議中保證網(wǎng)絡單跳傳輸速度的關鍵部分。當節(jié)點將數(shù)據(jù)包發(fā)送到轉發(fā)速度小于傳輸速率閾值的節(jié)點或者發(fā)生了數(shù)據(jù)包丟失時，節(jié)點認為發(fā)生了傳輸差錯。NFL策略將統(tǒng)計當前節(jié)點的所有鄰居節(jié)點傳輸差錯率，并使該差錯率收斂為0。MAC層收集差錯信息，并將傳輸差錯率反饋到轉發(fā)比例控制器(Re

25、lay Ratio Controller)。轉發(fā)比例控制器是一個多輸入單輸出的控制器，將根據(jù)這些差錯率計算轉發(fā)概率，供SNGF路由算法作路由選擇。轉發(fā)比例控制器只有當大于速率域值的鄰居節(jié)點集合為空時才會啟動。 SPEED路由協(xié)議-鄰居反饋循環(huán)策略圖 10 21鄰居反饋循環(huán) RPAR(Real-time Power-Aware Routing)路由 Octav Chipara認為在無線網(wǎng)絡中傳輸功率與通信延遲之間存在一個折衷。為分析無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的傳輸功率對通信延遲的影響，他在XSM2節(jié)點上進行了實驗分析。 實驗結果如圖10-22所示RPAR路由圖 10-22發(fā)射功率和跳段距離對傳輸速度的影

26、響 RPAR路由實驗表明： 節(jié)點的發(fā)射功率對數(shù)據(jù)包傳輸速度有著非常明顯的影響。 當固定節(jié)點發(fā)射功率不變，改變跳段距離時，數(shù)據(jù)包傳輸速度一開始有所增加，當?shù)竭_一定距離后會急劇下降。 數(shù)據(jù)包傳輸速度在最開始增加是由于數(shù)據(jù)包每跳的傳輸距離更遠了，而之后的急劇下降是因為距離超過了發(fā)射功率范圍。 在輕負載時，發(fā)射功率調(diào)整將是控制通信延遲的有效方法。但是增加功率也有其它的一些負面影響：由于提高了發(fā)射功率會增加信道的競爭和干擾，從而導致網(wǎng)絡的最大可用吞吐量下降。 RPAR路由協(xié)議組成 動態(tài)速度分配策略 轉發(fā)策略 延遲估計 鄰居管理器。 RPAR路由協(xié)議-動態(tài)速度分配策略動態(tài)速度分配策略在節(jié)點轉發(fā)數(shù)據(jù)包之前，

27、它將根據(jù)到目的節(jié)點的距離和數(shù)據(jù)包所剩時限slack，使用動態(tài)速度分配策略計算出所需速度。應用在源節(jié)點初始化slack時限，在每一條節(jié)點需要根據(jù)緩沖隊列延遲、競爭延遲、傳輸延遲更新數(shù)據(jù)包中的slack時限值。為計算緩沖隊列延遲，節(jié)點在接收到數(shù)據(jù)包和數(shù)據(jù)包成為傳輸隊列頭時分別打上時戳，這樣當數(shù)據(jù)包成為傳輸隊列頭時，數(shù)據(jù)包所需速度按下面公式計算：)()()(),(),(StStSslackDSdDSvrecheadrecreqRPAR路由協(xié)議-轉發(fā)策略轉發(fā)策略 當節(jié)點接收到數(shù)據(jù)包，并利用動態(tài)速度分配策略計算出其所需速度后，它需要在其鄰居表中查找能夠滿足當前速度需求的下一跳轉發(fā)節(jié)點。下一跳節(jié)點所能提供

28、的速度保證由下面公式給出：)( ,(),(),(),( ,(pN,SdelayDNdDSdPNDSvprovRPAR路由協(xié)議-延遲估計延遲估計 延遲估計負責對估計各個不同轉發(fā)選擇的延遲。源節(jié)點使用功率p發(fā)送數(shù)據(jù)包到鄰居節(jié)點N的延遲時間取決于多個因素：競爭信道延遲、數(shù)據(jù)包和ACK報文傳輸延遲，以及傳輸次數(shù)。 RPAR路由協(xié)議-鄰居管理器鄰居管理器 RPAR中的鄰居管理器負責動態(tài)發(fā)現(xiàn)可用高效的轉發(fā)選擇并管理節(jié)點鄰居表。當鄰居表中的所有節(jié)點都不能滿足當前數(shù)據(jù)包速度要求時，鄰居管理器被觸發(fā)。鄰居管理器為發(fā)現(xiàn)新的可用轉發(fā)選擇提供了兩種機制：調(diào)整鄰居表中節(jié)點的發(fā)射功率(功率調(diào)整)和發(fā)現(xiàn)新鄰居。 功率調(diào)整： 當轉發(fā)策略無法在鄰居節(jié)點中發(fā)現(xiàn)滿足速度要求的節(jié)點時，鄰居管理器將從鄰居中選擇一個節(jié)點增大它的發(fā)射功率以取得更快的傳輸速度。在鄰居節(jié)點中，如果節(jié)點通過增大發(fā)射功率能夠減少傳輸次數(shù)，則該節(jié)點能夠作為增大發(fā)射功率的候選節(jié)點。 當節(jié)點處于以下情況時，則不適于繼續(xù)增大