定向擴散路由

1 命名機制

在定向擴散協議中，採用命名機制的方式來描述需要感知的任務。比如，一個車輛跟蹤任務可以描述如下：

類型=有輪機車 //檢測機車位置

間隔= 20ms // 每隔20ms發送一次事件

持續時間= 10s //興趣持續時間

矩形座標= [-100.100.200.400] //選定在此矩形區域內的節點

顯然，這樣的任務描述方式通過一組屬性值指定了一個興趣，所以該任務描述就稱之為“興趣”。源節點收集到“興趣”後，也用一組與之相匹配的屬性值來命名它生成的數據。假設一個傳感器網絡支持一系列任務，在定向擴散協議中，首要任務是選擇一個恰當的命名機制來描述這些任務。本文選擇了一個簡單的屬性組命名機制來描述興趣和數據。一般而言，每個屬性都有相關的數值範圍。例如，類型屬性的數值範圍就是一切可移動的物體，包括車輛，動物和人等。一個屬性的數值可能是它的範圍內的任何子集。本文中，興趣中類型屬性的數值就是有輪機車。

2 興趣的擴散

用命名機制描述的任務就構成了一個興趣，它首先由接收器（sink）產生，然後按照一定的數據率擴散到網絡中的每個節點。擴散的數據率可以從描述興趣的屬性組推算，比如指定了一個興趣的間隔為10ms，那麼就可以推算出其數據率是每秒發送100 個任務。sink 節點記錄任務發送時間，當發送時間超過興趣屬性設定的持續時間，sink節點就自動清除該任務。當興趣從sink 節點開始擴散時，這個最初的興趣可以被認為是“探索”，它試着確定是否有傳感器節點可以檢測到機車位置，一般指定一個較低數據率，假如本文指定數據率是每秒1個事件，則最初興趣可被描述如下：

類型=有輪機車 //檢測機車位置

間隔= 1s // 每隔1s發送一次事件

持續時間= 10s //興趣持續時間

矩形座標=[-100.100.200.400]

選定在此矩形區域內的節點定向擴散中設定興趣處於活動狀態，可被sink節點更新。對於同一個興趣，sink 節點只是簡單地更新時間座標，週期地重複發送此興趣來進行更新。這樣也可保證了興趣在網絡上的可靠傳輸。每個節點都有一個興趣cache，cache 中的每項都對應着不同的興趣。Cache中的每個興趣Entry包含如下幾個字段：時間字段指示最近收到匹配興趣的時間信息，梯度字段指示相鄰節點所需的數據率和數據發送方向，持續時間字段指示興趣大致的生命週期。當一個節點接收到一個興趣時，它首先在cache中檢查是否存在相同的興趣，如果沒有相同的興趣Entry存在，那就根據接收到的興趣信息創建一個興趣Entry，包含的信息有數據率和一個指向興趣來源的梯度；如果該節點有相同的興趣Entry存在，但是沒有興趣來源的梯度信息，節點會以指定的數據率增加一個梯度，並更新Entry的時間信息和持續字段；如果該節點都包含了興趣Entry和梯度信息，那麼只是簡單進行時間信息和持續字段的更新。節點接收到一個興趣之後，類似sink節點，再次把興趣發送給與自己相鄰的節點。

3 梯度的建立

網絡中的節點從相鄰節點接收到一個興趣時，它無法判斷此興趣是否自己已經處理過的，或者是否和另一個方向的鄰節點所發來的興趣相同，因此，當興趣在整個網絡擴散的時候，梯度的建立情況。相鄰的兩個節點彼此都建立了一個梯度。這樣就導致了一個節點可能會收到多個同樣的興趣。但是，這樣的梯度建立方法加快了失敗路徑的修復，有利經驗路徑的加強，從而不會產生持久的環路。在傳感器網絡中，梯度明確指定了數據率和發送數據的方向。定向擴散協議對於梯度的建立是靈活，使用了兩個梯度來發送數據，使用了若干個梯度來發送數據。總之，定向擴散協議的任務是在傳感器節點和sink節點之間建立梯度，以便可靠地傳遞數據。

4 數據的傳播

興趣指定的矩形區域內的某個傳感器節點在接收到興趣後，就開始採集數據信息，然後在cache中搜索相匹配的興趣Entry。本文中，興趣匹配指的是，傳感器必須在興趣所指定的範圍內，並且傳感器所檢測目標的類型也是有輪機車。興趣匹配之後，傳感器節點在它所擁有的梯度信息中，計算出數據率的最大值，以這個速率把數據信息發送給相鄰節點。本文，最初的數據率是每妙一個數據事件，直到採用了加強規則後才有所改變。傳感器節點生成的數據信息如下：類型=有輪機車 //看到的機車型號實例=卡車 //該機車類型實例定位 = [125，220]//節點位置強度= 0.6 // 信號幅度測量置信度= 0.85 // 匹配確信度時間座標= 01 ：20 ：40 //事件的產生時間節點從它的相鄰節點接收到一個數據信息後，首先在cache中查找是否有相匹配的興趣Entry，如果沒有匹配的興趣Entry，那麼該數據信息就被丟掉，如果找到了匹配的興趣Entry，就在數據cache中查找最近是否收到過相同的數據信息（防止形成環路），如果不存在相同的數據信息，就把該信息加入到cache中，否則就再次丟掉該數據信息。通過檢查數據cache，節點還可以確定再次發送接收到的數據信息的數據率。 如果所有鄰節點的梯度值大於剛接收到的數據信息的數據率，那麼該節點仍以同樣的數據率再次發送數據信息，如果有鄰節點的梯度值小於此數據率，該節點就降低對此鄰節點的發送速率。

5 路徑的建立和加強

Sink節點最初以較低的速率在網絡中擴散興趣，稱之為“探索”，同樣的，源節點以較低速率建立起的梯度，也稱為“探索”梯度。源節點採集到匹配的數據後，首先沿着“探索”梯度從多條路徑發送給sink 節點。當sink 節點開始接收數據信息時，它只會加強其中一條路徑，並從該路徑取回自己所需要的數據，稱該路徑為數據梯度。⑴採用正加強建立路徑。“探索”梯度建立完之後，sink節點以一個更小的時間間隔（更高的數據率）再次發送興趣給任意鄰節點。該鄰節點收到興趣後，發現自己已經接收過相同的興趣，並且當前新數據率比以前的更高，通過查看興趣cache，如果當前的新數據率還要比此時所擁有的“探索”梯度值大，那該鄰節點以同樣的方法繼續加強它的鄰節點，直到到達源節點。⑵失敗路徑的修復和重建。本文前面討論的路徑的正加強是由sink節點觸發的，在定向擴散協議中，為了實現失敗路徑的修復和重建，規定已經加強過的路徑中的節點可以觸發，啓動路徑的加強。節點c能正常收到來自鄰節點的事件，可是長時間沒有收到來自數據源的事件，節點c就斷定它和數據源之間的路徑出現故障。節點c就主動觸發一次路徑正加強，重新建立它和數據源之間的路徑。⑶採用負加強切斷路徑。採用正加強建立的路徑會導致不只一條路徑被加強了。sink已經加強了鄰節點A的路徑，可是由於又收到來自節點B的事件，對節點B的路徑進行了錯誤加強，這時，從數據源到sink 節點就有兩條路徑被加強了，就會浪費能量。因此，在定向擴散協議中可以採取負加強規則來處理這種情況。經過短暫的運行時間，sink 節點發現節點B 的事件總是來得比節點A 的早，sink 節點就發送數據率較低的興趣給節點A，讓它降低和sink 節點之間的梯度值，而且，節點A還會把剛才收到的興趣轉發給所有給它發送過數據的鄰節點，對與它相鄰的節點進行負加強，直到到達源節點。

Directed Diffusion 採用鄰節點間通信的方式來避免維護全局拓撲，採用查詢驅動數據傳送模式和局部數據聚集而減少網絡數據流，因此是一種高能源有效性的協議。它的缺點是，在需要連續數據傳送的應用中（環境監測等）不能很好的應用；數據命名只能針對於特定的應用預先進行；初始查詢的擴散開銷大。