摘要: 在过去的几年中，无线传感器网络（WSN）已不仅成为研究的热点，还引起了工业界的广泛关注。无线传感器网络由大量的小体积、低价格、集成了传感器和无线通信接口的节点组成。节点使用无线通信接口来交换传感器采集到的信息。当目标节点不在源节点的通信范围内时，将其它节点作为中继。在地理路由算法中，需要一些节点周期性的发送HELLO消息，使得这些节点能够获知自己的位置（信标机制）。每个节点需要知道它的邻居节点的地理位置，因此所有节点需要定期发送被称为信标（Beacons）的HELLO消息报文。在HELLO报文中包含了发送节点的标示和地理位置。这些报文不被转发，因此只有一跳范围内的邻居节点才能收到这些报文。虽然从总体上来说地理路由相当有效，但是其所采用的信标机制存在一定的缺陷。比如说，信标节点的HELLO报文会对正常的数据发送造成影响，以及带宽资源和电池资源的浪费。尤其是那些不参与任何路由过程的节点，所造成的能量和带宽的消耗就完全是浪费的。针对该问题，已经提出了一些无线传感器网络的无信标路由机制。比较典型的有：隐式地理转发（IGF）、地理随机转发（GeRaF）、基于竞争的转发（CBF）和无信标路由（BLR）。但是，现有的无信标路由算法都基于一个理想的无线信道模型，而没有考虑真实的物理层情况，比如在下一跳转发节点选择过程中，由消息报文的传输造成的丢包和干扰问题。在本文中，我们提出了一种新的无信标路由协议，称为传感器网络无信标按需路由策略（BOSS）。该策略的设计基于我们使用Tmote-sky传感器节点进行实地测量得到的结果。BOSS能够很好的适应易出错的通信环境，并且结合一种新的机制来降低下一跳转发节点选择过程中的冲突和重复消息报文的数量。同CBF一样，BOSS采用三次握手协议来决定下一跳转发节点。第一次握手，让当前需要发送消息报文的节点发送一个RTS（Ready to Send）包，以此来表明该节点正在寻找一个中继节点以作为下一跳；在第二次握手中，邻居节点发送答复包以表明它们可以作为中继节点；最后一次握手用于通知邻居节点它选择哪个节点作为中继。此外，BOSS包含一个新的定时分配函数，用于降低在协议的第二次握手过程中发送答复包的冲突概率。该函数被称为离散动态转发延迟（DDFD），它根据数据包向目标节点进行传输的进度将邻居区域分为若干个子区域。位于同一子区域的邻居节点采用相同的基准时间，并在此基准时间的基础上增加一个毫秒级的随机数。位于较高进度子域内的邻居节点比位于较远子域内的邻居节点具有更小的转发延迟，即能更快的发送答复包。BOSS还考虑了无线通信中存在的丢包和碰撞问题。为此，在第一次握手过程中发送的RTS控制包中包含正在找路的那个数据包的完整负载。这样做的目的是减少那些能够正确接收该数据包（三次握手过程中第一个也是长度最长的数据包）的节点，以此来选择通信质量较好的链路，保证接下来发送的控制包（长度较短的数据包）具有较高的成功接收率。在BOSS协议中，我们认为数据包出错概率和数据包的长度有着直接关系，为此我们通过一组真实实验来验证该假设。实验的场景如下：在100米×100米的户外环境下，将两个传感器节点（分别作为发送方和接收方）放在离地面0.5米的地方，并通过USB接口将这两个节点和笔记本电脑相连。多次传输实验得到的结果和我们所预期的一样，即数据包的长度越长，数据包的接收率（PRR）就越低。还有，我们的实验表明PRR和节点之间的距离没有直接的关系。通过大量的模拟实验，我们将BOSS与BLR、CBR进行了对比分析。实验表明我们提出的方案使用比CBF更少的带宽资源，就可以获得与BLR一样高的数据包投递率。具体说，BOSS能够以较少的次数（包括单跳和多跳之和）将数据包成功地发送到目标节点，以此来保证投递率高于90%。与其它两个算法相比，BLR的总体性能较差，这也证明了BLR的无效，主要原因在于在BLR中邻居节点会将自己作为下一跳的转发节点。以PRR为指标考察这三个算法，由于它们都将重传次数的极限设置为足够大（10），所以都能获得较高的数据包接收率。但是，BLR由于会产生大量的重复数据包，所以看起来具有更高的数据包接收率。为了证明BOSS在真实的无线链路下也能够保持较好的性能，我们在一个由35个Tmote-sky节点组成的真实传感器网络中作了一些实验。这些节点被放置在Murcia大学（西班牙）计算机系的一层楼中。为了获得相关的统计信息，每个节点通过USB接口将每个网络事件传输给一个网关，网关再通过以太网将事件日志传输到一个中央服务器。实验结果表明，BOSS在效率和端到端延迟方面的性能都要好于CBF和BLR。