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无线传感器网络路由协议

1.无线传感器网络路由协议特点与设计原则  与传统网络的路由协议相比,无线传感器网络的路由协议具有以下特点:  (1)能量优先   由于节点的能量有限,因此需要考虑节点的能量消耗以及网络能量均衡使用的问题。  (2)基于局部拓扑信息  节点只能获取局部拓扑信息且资源有限,需要实现简单高效的路由机制。  (3)以数据为中心  传感器网络通常包含多个传感器节点到少数汇聚节点的数据流,按照对感知数据的需求、数据通信模式和流向等,以数据为中心形成信息的转发路径。  (4)应用相关  传感器网络的应用环境千差万别,需要针对每一个具体应用的需求,设计与之适应的特定路由机制。  根据无线传感器网络路由的特点,现阶段WSN路由协议设计要遵从如下原则:  (1)能量利用率优先考虑  无线传感器网络路由协议以节能为目标,采用各种方式减少通信消耗,延长WSN的生存时间。  (2)数据为中心  以数据为中心的路由协议要求采用基于属性的命名机制,某个节点的故障并不会影响整个协议的运行,提高了网络的强健性。  (3)不影响传感器节点探测精度条件下的数据聚合  通过数据聚合,将多个节点的数据综合成有意义的信息,提高了感知信息的准确性,同时增强了系统的强健性。  (4)实现节点定位和目标追踪  通过节点定位,达到路由决策的目的,同时降低整个系统的能量消耗,提高系统的生存时间。  2.无线传感器网络路由协议的分类  无线传感器网络路由协议的分类基本上延续了传统Ad hoc网的分类方法,根据不同的角度可以进行不同的分类。  如根据路由发现策略、网络管理的逻辑结构、路由的发现过程等进行划分。  根据路由发现策略的角度可分为主动路由和被动路由两种类型:  (1)主动路由  也叫表驱动(Table Driven)路由,节点通过周期性地广播路由信息分组,交换路由信息,主动发现路由。节点必须维护去往全网所有节点的路由。  优点是当节点需要发送数据分组时,只要去往目的节点的路由存在,所需的延时就会很小;  缺点是需要花费较大开销,尽可能使得路由更新能够紧随当前拓扑结构的变化,浪费了一些资源来建立和重建那些根本没有被使用的路由。  (2)被动路由  也叫按需(On Demand)路由,被动路由协议没有必要维护去往其他所有节点的路由。根据网络分组的传输请求,被动地搜索从源节点到目的节点的路由。当没有分组传递请求时,路由器处于静默状态,并不需要交换路由信息。拓扑结构路由表内容按需建立,它可能仅仅是整个拓扑结构信息的一部分。  优点是不需要周期性的路由信息广播,节省了一定的网络资源;  缺点是发送数据分组时,如果没有去往目的节点的路由,数据分组需要等待因路由发现引起的延时。  根据网络管理的逻辑结构可将路由协议分为平面路由和分层结构路由两类:  (1)平面路由  网络中各节点在路由功能上地位相同,没有引入分层管理机制。  优点是网络中没有特殊节点,网络流量均匀地分散在网络中,路由算法易于实现;  缺点是可扩展性小,在一定程度上限制了网络的规模。  (2)分层路由  采用簇的概念对传感器节点进行层次划分,若干个相邻节点构成一个簇,每一个簇有一个簇首,簇与簇之间可以通过网关通信。  网关可以是簇首也可以是其他簇成员,网关之间的连接构成上层骨干网,所有簇间通信都通过骨干网转发。分层路由协议包括成簇协议、簇维护协议、簇内路由协议和簇间路由协议四个部分。  成簇协议解决如何在动态分布式网络环境下使移动传感器节点高效地聚集成簇,它是分层路由协议的关键。  簇维护协议要解决在节点移动过程中的簇结构维护,其中包括移动节点退出和加入簇,簇的产生和消亡等功能。  分层路由协议比较适合于无线传感器网络,但成簇过程会产生一定的能源消耗,如何产生有效的簇类是这种路由方法的关键。  根据路由的发现过程可以分为以数据为中心的路由协议和以位置信息为中心的路由协议两类:  (1)以数据为中心的路由协议  对数据用特定的描述方式命名,数据传送基于数据查询并依赖数据命名,所有的数据通信都限制在局部范围内。通信不再依赖特定的节点,而是依赖于网络中的数据,从而减少了网络中大量传送的重复冗余数据,降低了不必要的开销,从而延长了网络生命周期。  (2)以位置信息为中心的路由协议  利用节点的位置信息,把查询或者数据转发给需要的地区,从而缩减数据的传送范围。许多传感器网络的路由协议都假设节点的位置信息为已知,所以可以方便的利用节点的位置信息将节点分为不同的域。基于域进行数据传送能缩减传送范围,从而延长网络的生命周期。  3.典型的无线传感器网络路由协议  (1)扩散法和闲聊法  扩散法(Flooding)不要求维护网络的拓扑结构和相关的路由计算,仅要求接收到消息的节点以广播形式转发数据包。   优点:实现简单;不需要为保持网络拓扑信息和实现复杂的路由发现算法而消耗计算资源;适用于强健性要求高的场合。  缺点:存在信息爆炸问题,即出现一个节点可能得到一个数据多个副本的现象;出现部分重叠现象,如果处于同一观测环境的两个相邻同类传感器节点同时对一个事件做出反应,二者采集的数据性质相同,数值相近,最后导致这两个节点的邻居节点将收到两份数据副本;盲目使用资源,Flooding不考虑各节点能量可用状况因而无法做出相应的自适应路由选择,给数据设定生命期限可以在一定程度上节省网络的功耗。  为克服Flooding算法的缺陷,提出闲聊式策略(Gossiping),不再采用广播形式,而是随机选取一个相邻节点转发它接收到的数据副本。  但仍无法解决部分重叠现象和盲目使用资源现象所引起的传输时延长、传输速度慢等问题。  (2)SPIN   SPIN(基于信息协商的传感器协议)是一组基于协商并且有能量自适应功能的路由协议。在数据发送之前使用握手机制查看数据是否已经接收过,避免重复发送。  该协议的设计基于两个想法。一是为了避免由于节点间重复地收发大量的冗余信息所造成的能源浪费,每个节点在发送数据前需要通过协商来确定其他节点是否需要该数据。每个节点可以通过元数据(meta-data,描述传感器节点采集的数据属性的数据)来确定接收数据中是否有重复信息存在。二是网络中的节点必须实时监控本地的能源消耗,并根据能量等级改变工作模式来延长节点自身和整个网络的运行时间。   SPIN在运行过程中每个节点使用三种类型的信息进行通信:  ADV用于新数据广播,当一个节点有数据可共享时,它以广播方式向外发送DATA数据包中的元数据;  REQ用于请求发送数据,当每一个节点希望接收DATA数据包时,发送REQ数据包;  DATA包含附上元数据头的实际数据包。  SPIN协议交互过程  SPIN的协商过程采用三次握手方式——  运行SPIN协议的源节点在传送DATA信息前,首先向邻居节点广播包含DATA数据描述机制的ADV信息;  需要该DATA信息的邻居节点,向信息源发送REQ请求信息;  源节点根据收到的REQ信息后,有选择地将DATA信息发送给相应的邻居节点;  收到DATA后,该邻居节点作为信息源将DATA信息传播到网络的其他节点,重复这个过程。  SPIN协议簇所包含4种不同的协议:  ① SPIN-PP:采用点到点的通信模式,并假定两节点间的通信不受其他节点的干扰,数据包不会丢失,功率没有任何限制。要发送数据的节点通过ADV向它的相邻节点广播信息,感兴趣的节点通过REQ发送请求。数据源向请求者发送数据,接收到数据的节点再向它的邻居节点广播 ADV消息。如此重复该过程,使所有节点都有机会接收到任何数据。  ② SPIN-EC:在SPIN-PP的基础上考虑节点的功耗,只有能够顺利完成所有任务且能量不低于设定阈值的节点才可参与数据交换。  ③ SPIN-BC:设计了广播信道,使所有在有效通信半径内的节点可以同时完成数据交换。为了防止产生重复的REQ请求,节点在听到ADV消息以后,设定一个随机定时器来控制REQ请求的发送,若有其他节点听到该请求,则主动放弃请求权力。  ④ SPIN-RL:对SPIN-BC的完善,主要考虑如何恢复无线链路引入的数据包差错与丢失,记录 ADV消息的相关状态,如果在预定时间间隔内接收不到请求数据,则发送重传请求,重传请求的次数有一定限制。  SPIN协议能够很好地解决Flooding和Gossiping协议所带来的信息内爆、信息重复和资源浪费等问题。  (3)定向扩散协议DD  定向扩散DD(Directed Diffusion)协议是以数据为中心的路由协议发展过程的里程碑。其他的以数据为中心的路由协议都是基于定向扩散协议进行改进或者采用类似的关键思想来提出的。  DD算法的最大特点就是引入了网络梯度的概念,基于数据进行通信,是一种高能源有效性的协议,适用于持续性查询的应用而不适用于一次性查询的应用。DD算法中要求节点只与邻居节点进行数据交换,不必了解网络整体拓扑。  定向扩散协议的缺点是没有形成到Sink节点的多条路由,路由强健性不够好。  DD算法采用查询驱动数据传送模式。当 Sink节点对某事件发出查询命令时就开始一个新的定向扩散过程,它由查询扩散,初始梯度建立和数据传送三个阶段构成。  汇聚节点(Sink)向所有传感器节点发送兴趣(interest,即通过分配不同属性值来表示不同任务的描述符),每个传感器节点在收到兴趣后保存在各自的Cache中。每个兴趣项(interest entry)包含一个时间标签域和若干个梯度域(按成本最小化和能量自适应原则引导数据扩散的方向)。当一个兴趣传遍整个网络后,从源节点(即兴趣所在区域的传感器节点)到汇聚节点或基站之间的梯度就建立起来了。一旦源节点采集到兴趣所需的数据,那么源节点沿着该兴趣的梯度路径传输数据到汇聚节点或基站。  (4)低功耗自适应分簇路由协议LEACH  LEACH是第一个在无线传感器网络中提出的层次式路由协议,其他基于层次的路由协议大都由LEACH发展而来。  该协议的思路是根据节点接收到的信号强度进行集群分组。  LEACH协议主要通过随机选择簇头节点,平均分担中继通信业务来实现。  LEACH定义了轮(round)的概念,每一轮由初始化和稳定工作两个阶段组成。在初始化阶段,LEACH协议随机选择一个传感器节点作为簇头节点,成为簇头的节点向周围广播成为簇头的信息,其他传感器节点根据接收到广播信息的强度来选择它所要加入的簇,并向其发送成为其成员的数据包告知相应的簇头节点。随机性确保簇头Sink节点之间数据传输的高能耗成本均匀地分摊到所有传感器节点。当簇头节点收到来自成员节点的°报到±消息后,基于成员节点的数目,簇头节点会产生一个TDMA时隙表,为每个成员分配时隙,并用广播的形式发送给成员节点,从而保证了数据消息间没有冲突,当各节点知道了自己的时隙就进入稳定工作阶段。  簇头节点的建立过程:传感器节点从0到1的随机数中任意选择一个数值,若当前轮中这个数值小于设定的阈值T(n) ,则该节点成为簇头节点。  式中,P为期望的簇头节点在所有传感节点中的百分比,r是当前轮数,G是在最后的一轮中未成为簇头节点的节点集。采用LEACH方法使因能量耗尽而失效的节点呈随机分布状态,因而与一般的多跳路由协议和静态分簇算法相比,LEACH可以将网络生命周期延长15%。  非常适合于要求连续监控的应用系统,但在需要监测面积范围大的应用中则不适用。  (5)SAR协议  SAR协议是第一个具有QoS意识的路由协议。它的特点是路由决策不仅要考虑到每条路径的能源,还要涉及端到端的延迟要求和待发送数据包的优先级。  为了在每个源节点与汇聚节点间生成多条路径,需要维护多个树结构,每个树以落在汇聚节点有效传输半径内的节点为根向外生长,枝干的选择需满足一定QoS要求并要有一定的能量储备。这一处理使大多数传感器节点可能同时属于多个树,节点可以根据每条路径的能源、附加的QoS度量和包的优先级选择某棵树将信息返回给汇聚节点。  与只考虑路径能量消耗的最小能量度量协议相比,SAR能量消耗更少。  该算法的缺点是不适用于大型和拓扑频繁变化的网络。