2011. 12. 2

2011. 12. 2

刘丁

The Research Overview Of MWSN and Routing Protocol

移动传感器网络及其路由协议研究进展

2

1 移动无线传感器网络概念

内容提要

2 移动无线传感器网络 QoS 研究

3 移动无线传感器网络路由研究

3

传统 WSN

移动传感器网络概念

传统的 WSN 是由大量部署在观测环境中的微型廉价低功耗的传感器节点通过多跳通信方式形成的网络系统 [1].

传感器节点具有数据采集、处理、无线通信和自组织的能力 , 能协作地完成大规模复杂的监测任务 . 网络中通常只有少量的汇聚节点 (sink) 负责发布命令和收集数据 , 实现与 Internet 的通信 [1].

4

Mobile-WSN 移动无线传感器网络移动传感器网络概念

根据节点是否移动 , 无线传感器网络可以分为移动传感器网络 (MWSN) 和非移动传感器网络 ( 或者称静态传感器网络 ).

尽管早在 1991 年就有人提出了 MWSN 的概念 [3] , 相对于已经广泛应用的传统静态传感器网络 ,MWSN 近年来才引起人们的广泛关注 .

MWSN 由分散的移动节点组成 , 每个节点除了具有传统静态节点的传感、计算和通信能力外 , 还具有一定的机动能力 .

5

1 动态拓扑结构

MWSN 移动无线传感器网络特性

2 协议层（路由协议 mac 协议）需要变动

3 定位问题复杂


6

1 具有更有效的能量利用效率

MWSN 移动无线传感器网络优点

2 MWSN 可以更好地观察目标

3 可移动性可以使传感器节点之间拥有更好的通信质量

4 数据保真度


7

MWSN 移动无线传感器网络分类移动传感器网络概念

移动传感器网络根据节点的移动性又分为两种情况 : 只有单个或者少数节点移动 (mobile sinks) 和所有传感器节点都移动。

8

移动无线传感器网络的数据操作方式移动无线传感器网络 QoS研

究

移动无线传感器网络的 3 层结构 , 移动无线传感器网络由大量的静态传感器节点 (Sensors) 和相对较少数量的移动 sinks 节点 (Mobile sinks) 组成

。

9

移动无线传感器网络的数据操作方式移动无线传感器网络 QoS研

究

MWSN 中存在 2 类数据操作 :1 基于查询驱动的应用 (Query driven)2 基于事件和时间驱动的应用 (Event and time driven) 另外 , 还有一种持续不断传输的应用 ( Continuous) , 即传感器节点不断采集数据 , 并以预先设定的速率发送给汇聚节点。

10


内容提要



11

移动无线传感器网络的数据操作方式移动无线传感器网络路由研究

移动传感器网络 QoS 面临的挑战 :

1 更大的网络动态性2 能量和时延等 QoS 之间的平衡3 对多种业务类型的支持

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能量消耗与 QoS 间的平衡机制移动无线传感器网络 QoS研

究

能量消耗是无线传感器网络中必须考虑的重要 QoS 指标 , 一般来说 , 追求高的QoS 性能 ( 如时延性能 ) , 就必须消耗更多的能量 , 从而缩短网络生命周期因此必须在网络服务质量与能量消耗之间寻求平衡 .

13


内容提要



14

移动无线传感器网络路由研究

问题？1 MWSN 的路由协议不同于传统网络的路由协议

MWSN 路由协议的特殊性

2 MWSN 的路由协议不同于传统静态 WSN 的网络协议

3 MWSN 的路由协议也不同于 ( 但很类似 ) 移动 Ad hoc (MANET) 网络协议

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Topology-based routing protocols use the information about the

links that exist in the network to perform packet forwarding.

They can be further divided into:[17]

1 proactive( 先验式 )

2 reactive( 反应式 ) 3 hybrid approaches ( 混合式 )

Topology-based routing protocols ( 基于拓扑的路由协议 )

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(1) Pro-active routing protocols （先验式路由协议） : 又称为表驱动路由协议，此协议试图维护网络中从各个节点到其它节点的最新路由信息，所有路由信息保持一致。网络中的主机通过周期性地交互路由信息得到所有其它主机的路由，而不管需不需要该路由进行通信。节点必须维护去往全网所有节点的路由，每个节点维护一张或多张路由表，这些路由表包含到达网络中所有节点的路由信息。

代表协议： DSDV(Destination Sequenced Distance Vector) OLSR(Optimized Link State Routing)

优点：时延小缺点：开销大，由于快速的拓扑变化会导致路由协议始终处于不收敛状态

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(1) Pro-active routing protocols （先验式路由协议） : DSDV(Destination Sequenced Distance Vector)

DSDV 路由表的建立：组网阶段或有新节点加入时，节点通过广播来告诉其他节点自己的存在，邻居节点收到这个广播包后就将信息插入到路由表，并立即发送新的路由表，这样，经过一段时间后，每个节点就可以建立一个完整的路由表，表中包括了到网络内部所有可能的目的节点的路由。

18



DSDV 路由表的维护：每个节点周期性地在全网广播路由更新分组，把完整的路由信息发送给邻居节点。接到该分组的节点，确认是新的信息就将其 metric加 1 后再发送，该过程一直持续，直到每个节点都收到该分组的一个拷贝 (metric 不尽相同 ).

考虑到分组过期问题，通常在在目的节点端，每个路由表项都被赋予一个序列号节点广播路由更新分组时，将自己的序列号加偶数再发出去 , 邻居节点收到更新分组后，先来比较一下序列号，如果序列号大于路由表中相应目的节点的序列号，则删除旧的信息，添加这条新的信息，如果相等，就比较 metirc值，选择metirc小的，否则，忽略此更新分组，保留原路由表

19



DSDV 数据包转发过程：

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（ 2） Re-active routing protocols （反应式路由协议） : 又称为 on demand （按需）路由协议，按需路由协议只有当源节点需要时才寻找路径。当源节点需要一条通往目的节点的路径时，它

在网络中发起一次路径发现过程。当找到一跳路径后或者所有可能的路径都被检查后，路径发现过程结束。路径一经建立，它就被某个路由维护程序所维护，直到目的节点无法经由任何路径到达或者该路径不再被需要。

代表协议 :DSR(Dynamic Source Routing) AODV(Ad-hoc On-demand Distance Vector)

优点：节省资源（无需定期广播路由信息）缺点：需要路由发现时，分组等待的时延大

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AODV 路由算法原理：

1) 在 AODV 路由协议中，网络中的每个节点在需要进行通信时才发送路由分组，而不会周期性地交互路由信息以得到所有其它主机的路由 ;

2)同时具有距离向量路由协议的一些特点，即各节点路由表只维护本节点到其他节点的路由，而无须掌握全网拓扑结构。

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AODV 路由算法原理：

1) AODV 路由协议中有三种类型的消息控制帧 : 路由请求，路由应答和路由错误消息 ;

2) 当源节点需要发送数据而又没有到目的节点的有效路由时，启动一个路由发现过程向网络广播一个路由请求分组，允许中间节点响应，当收到请求的中间节点或目的节点有一条“足够新”的路由到达目的地时“足够新”的意思是这条路由对应的目的序列号大于或等于 RREQ中的目的序列号，中间节点或目的节点以单播的方式向源节点返回一个分组，沿着刚建立的逆向路径传输回源节点，源节点收到该后则开始向对应目的节点发送数据。

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AODV路由协议路由表结构

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AODV路由协议路由表结构

对路由中的目的序列号的管理是避免路由环路出现的关键。一个站点在以下两种情况下增加自己的序列号：1) 在节点产生一个路由发现之前，立即增加它自己的序列号 ;

2) 在目的节点产生一个对进行应答之前，必需更新自己的序列号，更新值为当前序列号与 RREQ 中的目的序列号之间的最大值。

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AODV 路由协议分组格式

26



AODV 路由协议分组格式

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AODV 路由算法基本操作－维护序列在每个节点的每一个路由表项中，必须包含关于序列号的最新可用信息，该序列号是路由表项中维护的目的节点地址的序列号。这一序列号称为目的地序列号。当节点收到与目的节点相关的序列号的新信息时，对该目的序列号进行更新。依赖在网络中的每个节点拥有并维护自身的目的序列号来避免到该节点的所有路由出现环路。目的节点在下列两种情况增加它自身的序列号1）在节点产生一个路由发现之前，立即增加它自身的序列号，这样可以防止到帧源节点的反向路由。2）在目的节点产生一个对进行应答之前，必须立即将自己的序列号更新

，更新值为当前序列号与报文序列号中的最大值

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• How AODV to prevent formation of loops?

– Assume that A does not know about failure of link C-D because RERR sent by C is lost

– Now C performs a route discovery for D. Node A receives the RREQ (say, via path C-E-A)

– Node A will reply since A knows a route to D via node B

– Results in a loop (for instance, C-E-A-B-C )

A B C D

E



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– Loop C-E-A-B-C

A BC D

E


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AODV 路由表项节点收到来自邻居的控制报文，或者为特定目的地建立或更新了一条路由的时候，它会检测路由表中对应该目的地的表项。在没有该目的地的对应表项的情况下，则建立表项，并利用控制报文记录的源地址和前一跳节点地址建立到源节点的反向路由表项。路由仅在下列情况下进行更新a. 新序列号高于路由表中的目的地序列号b. 新序列号与路由表中序列号相等，但是跳数小于路由表中存在的跳数c. 路由表序列号未知

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AODV 路由请求的产生如果节点确定它需要一条到目的节点的路由而该路由并不可用，则节点发起一个RREQ.在消息中的目的序列号字段是最近知道的目的节点的目的序列号，从路由表中的目的序列号复制。如果源节点不知道目的节点的序列号，必须设置未知序列号标记。消息中的发起者序列号是节点自身的序列号，在填入RREQ之前加1。 RREQ ID字段为当前节点上一次使用的RREQ ID号加1。每个节点只维护一个RREQ ID.

RREQ ID和发起者的地址联合起来标志一个独一无二的报文，从而避免从它的邻居收到同样的报文。

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AODV 处理路由请求和转发路由请求节点在下列两种情况下产生 RREP:

1) 节点本身是目的地节点 ;

2) 节点具有到目的地的有效路由，节点现有的到目的地节点的路由表项的目的地序列号有效，并且大于或者等于消息中的目的地序列号 .

如果节点收到一个要返回发起节点由发起者地址标识的，就需要这条反向路由，反向路由建立或更新的时候，路由需要进行下列操作 :

从中拷贝发起者序列号至路由表项中对应的目的地序列号 , 路由表中的下一

跳设置为向它发出的节点 .

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AODV 产生路由应答

如果节点收到对于某个目的地的路由请求，当节点具有一条足够新的路由来满足该路由请求，或者它本身就是目的地节点，那么这个节点产生一个消息，节点拷贝 RREQ 消息中的目的地地址和发起者序列号到的对应字段。一旦建立了 RREP ，就把 RREP单播至通往 RREQ请求发起者的下一跳，该下一跳在到发起者的路由表项中指出 .

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Route Requests in AODV

B

A

S E

F

H

J

D

C

G

IK

Z

Y

Represents a node that has received RREQ for D from S

M

N

L

35


B

A

S E

F

H

J

D

C

G

IK

Represents transmission of RREQ

Z

YBroadcast transmission

M

N

L

36


B

A

S E

F

H

J

D

C

G

IK

Represents links on Reverse Path

Z

Y

M

N

L

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Reverse Path Setup in AODV

B

A

S E

F

H

J

D

C

G

IK

• Node C receives RREQ from G and H, but does not forward it again, because node C has already forwarded RREQ once

Z

Y

M

N

L

38


B

A

S E

F

H

J

D

C

G

IK

Z

Y

M

N

L

39


B

A

S E

F

H

J

D

C

G

IK

Z

Y

• Node D does not forward RREQ, because node D is the intended target of the RREQ

M

N

L

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Route Reply in AODV

B

A

S E

F

H

J

D

C

G

IK

Z

Y

Represents links on path taken by RREP

M

N

L

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(3) Hybrid Routing Protocols （混合路由协议） :

混合路由协议是结合了表驱动 ( 先应式 ) 路由协议和按需 (反应式 )驱动路由协议特点的协议。它将网络分成不同的区域 (zone) 或是簇 (cluster) ，并在其中采用表驱动路由协议，而在区域或是簇之间，则采用按需驱动路由协议。这种协议比较适合较大的网络或是网络经常被划分成较小的簇的情况。

代表协议： ZRP(Zone Routing Protocol), 区域路由协议

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(3) ZRP 协议 :

区域路由协议 ZRP即 (zone routing protocol) ，是一种建立在区域概念上的路由协议。区域 (zone) ，指到此节点的最短距离不大于某一常数的节点所覆盖的范围。距离，用跳数 (hop) 来表示。这个常数，被称为区域半径 (radius) ，用符号ρ来表示。

与网络规模，网络密度，网络节点移动速度，平均节点请求数等因素密切相关。如果 0< ρ<<rbest，当 ρ→0 时， ZRP演变成按需驱动路由协议 ;

如果 rbest << ρ< rnet ，当 ρ→rnet时， ZRP演变成表驱动路由协议 ;

如何选择区域半径？

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(3) ZRP 协议 :

区域路由协议 ZRP即 (zone routing protocol) ，是一种建立在区域概念上的路由协议。区域 (zone) ，指到此节点的最短距离不大于某一常数的节点所覆盖的范围。距离，用跳数 (hop) 来表示。这个常数，被称为区域半径 (radius) ，用符号ρ来表示。

总原则：一般说来，节电移动速度快的高密度型网络，选择小网络区域 ;相反 , 节点移动速度慢的网络，选择较大的网络区域。

如何选择区域半径？

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ZRP 协议的示例

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ZRP模型：

作为混合路由协议的模型， ZRP 主要有两个功能模块 : 区域内路由模块和区域

间路由模块。ZRP 的区域内路由模块由传统的表驱动路由协议来担当，我们称之为 IARP

即(Intrazone Routing Protocol) ，但是需要对其做出必要的修改，以保证其主要完成区域内部的信息控制。ZRP 的区域间路由模块由传统的按需驱动路由协议来担当，我们称之为 IERP

即 (Interzone Routing Protocol) ，主要完成当目的地出现在区域外时寻找路由，维护路由的一系列活动。

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ZRP 区域结构与分级结构的区别：

ZRP 是一种平面结构的路由协议，而簇则是分级结构的；

分级结构路由协议可以看成是一系列分等级的平面结构路由协议的集合；

ZRP区域内的节点的地位都是平等的，没有高低优先级的差别，所以 ZRP 中的区域是相互重叠的；

IERP 也不像簇间通信协议屏蔽底层的信息来单单完成簇头之间的分组转发，它需要借助IARP 即提供的信息来有效的转发数据。

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ZRP: Example with Zone Radius = d = 2

SCA

EF

B

D

S performs routediscovery for D

Denotes route request

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ZRP: Example with d = 2

SCA

EF

B

D


Denotes route reply

E knows route from E to D, so route request need not beforwarded to D from E

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ZRP: Example with d = 2

SCA

EF

B

D


Denotes route taken by Data

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Position-based routing protocols use the geographic position

information of the nodes to forward packets.

代表协议 :GPSR LAR TRR AFR EASE DREAM

Position-Based Routing Protocols ( 基于位置的路由协议 )

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(1) Greedy Packet Forwarding(贪婪包转发 )：


转发策略 1：MFR(most forward within r)

转发策略 2：NFP(nearest with forward progress)

转发策略 3：Compass Routing

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Greedy Packet Forwarding(贪婪包转发 )：


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(2) Restricted Directional Flooding( 定向区域泛洪 )：


DREAM 是一种典型的定向区域泛洪路由协议。协议中源节点和每个中间节点分别计算自己到目标节点的方向。基于目标节点的移动信息可以确定期望域 , 方法与 LAR 一样。由期望域就可以确定一个夹角范围 , 称为转发域。中间节点将数据分组转发给转发域的所有一跳邻节点 , 直到数据分组成功递交给目标节点。该算法的关键就在于转发域的确定 : 从 S 作到期望域的两条切线 , 两条切线内即夹角 [ v- A, v+

A] 间的区域就是确定的转发域 .

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移动无线传感器网络路由研究 Routing to Mobile Sinks

TTDD 协议基于如下假设：1) 具有相同属性的传感器节点分布在一个区域内，传感器节点之间进行短距离无线通信 ,远距离节点通过中间节点采用多跳进行转发数据。

2) 每个传感器节点知道自己的位置信息，但是汇聚节点可能不知道自己的位置信息。

3) 一旦有事件出现，事件周围的传感器节点会收集并处理信息，然后由其中的一个作为源节点发送报告。

4) 汇聚节点通过查询网络收集数据，在区域中，汇聚节点的位置和数目是可变的。

TTDD 协议是一个层次路由协议 [18] ，主要是解决网络中存在多 sink ( 汇聚

节点 )及 sink 移动问题 .

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TTDD 协议是一个层次路由协议 [18] ，主要是解决网络中存在多 sink ( 汇聚

节点 )及 sink 移动问题 .

在 TTDD 算法中，当多个节点探测到事件发生时，选择一个节点作为发送数据的源节点，源节点以自身作为格状网 (Grid) 的一个交叉点构造一个格

状网，进行数据查询时， sink 节点本地泛洪（ Flooding）查询请求到最近的交叉节点，此后查询请求在交叉点间传播，直到源节点收到查询请求，数据反向传送到 sink 点， sink 点在等待数据时，可继续移动，并采用代理(Agent) 机制保证数据可靠

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TTDD 协议构建格状网 :

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TTDD 协议构建格状网 :

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TTDD 协议缺点 :

计算与维护格状网的开销较大 ;

节点必须知道自身位置 ;

非 sink 点位置不能移动 ;

要求节点密度较大 .

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移动无线传感器网络路由研究 A Routing Scheme for WSNs with Stationary and Mobile Nodes

在mixed WSNs 中，存在大量的静态节点和部分移动节点，模式基于如下假设：1) Sink 节点处于固定位置 .sink位置信息可通过泛洪通知其他节点；2) 所有的节点 ( 静态和动态节点 ) 通过 GPS获取其位置信息；3) 每个节点的邻居位置信息存储在其邻居表中 .

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移动无线传感器网络路由研究 A Routing Scheme for WSNs with Stationary and Mobile Nodes

Sink 节点如何知道移动节点的位置信息？1 移动节点周期性的发送 position message至 sink 节点 . 发送周期依照移动

节点的速度而定； i.e. pos_msg: ID,(X,Y),time

2 当节点移动时，移动节点向其一跳邻居广播发送其位置信息 .静态邻居除了保存其静态其他邻居位置信息之外，还保存移动节点的位置信息

61

[1] Theofanis P. Lambrou and Christos G, et al. A Survey on Routing Techniques Supporting Mobility in Sensor Networks[C]. IEEE Computer Society,2009:78-85.[2] M. Mauve,J. Widmer and H. Hartenstein. A Survey on Position-based Routing in Mobile Ad- hoc Networks[J]. IEEE Network Magazine, pp. 30-39,Nov. 2001.[3] Kihyun Kim, Jeongbae Yun, et al. A Location Based Routing Protocol in Mobile Sensors Networks[J]. Icact,2009,2:1342-1344.[4] Soochang Park, Euisin Lee, et al. Mobile Geocasting to Support Mobile Sink Groups in Wireless Sensors Networks[J]. IEEE Communications Letters,2010,14(10):939-941.[5] Mahajan, A, Soans, S. Next Generation Mobile Network Concepts, Technology and Sample Applications[C]. Wireless Communication and Sensor Computing, 2010.ICWCSC 2010. ,2010:1-6.[6] F.Yu, S.Park,E.Lee,S.H, Kim. Elastic Routing: A Novel Geographic Routing for Mobile Sinks in Wireless Sensor Networks[J]. IET Commun.,2010,4(6):716-727.[7] Euisin Lee, Soochang Park, Hosung Park, Jeongchul Lee, Sang-Ha Kim. Geographic Routing based on On-demand Neighbor Position Information in Large-Scale Mobile Sensor Networks[C]. Autonomous Decentralized Systems,2007.ISADS’07,2009:1-7.

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62

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Algorithm for Mobility (DREAM), in Proceedings of MOBICOM’98, Dallas, Texas, USA,

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[10] D. B. Johnson, D. A. Maltz, and Y. C. Hu. The Dynamic Source Routing Protocol for

Mobile Ad Hoc Networks (DSR).IETF Internet Draft, draftietf-manet-dsr-10.txt (work in

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[11] FAN Ye, LUO Hai-yun, Jerry C, et al. A Two-Tier Data Dissemination Model for Large-

scale Wireless Sensor Networks[C]//In: Akyildiz IF,ed. Proc. of the 8th Annual Int'l

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[12] 张衡阳 , 李莹莹 , 刘云辉 . 基于地理位置的无线传感器网络路由协议研究进展 [J]. 计算机应

用研究 , 2008,25(1):18-21.

REFERENCES:

63

谢谢！

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