無線傳感器論文光電傳感器論文

1、無線傳感器論文光電傳感器論文無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究進展摘要 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)層的路由技術(shù)至關(guān)重要。在介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點后，對現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議進行了分類，然后著重分析了一些有代表性的路由協(xié)議的路由機制，并指出了這些協(xié)議的優(yōu)缺點和應(yīng)用范圍。最后結(jié)合該領(lǐng)域當(dāng)前研究現(xiàn)狀，指出了路由協(xié)議未來的研究策略與發(fā)展趨勢。 關(guān)鍵詞 無線傳感器網(wǎng)路；路由協(xié)議；路由分類；路由機制 0 引言 隨著微電子技術(shù)，無線通訊與傳感技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)1（Wireless Sensor Networks， WSNs）引起了人們廣泛的關(guān)注。WSNs是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量廉價微型傳感器

2、節(jié)點組成，通過無線通訊方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。WSNs不需要固定網(wǎng)絡(luò)支持，在軍事國防，生物醫(yī)療，環(huán)境監(jiān)測及智能家居等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景2。 作為一種新型的無線自組網(wǎng)絡(luò)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的移動自組織網(wǎng)絡(luò)（mobile Ad Hoc networks，MANET）有著明顯的差異，主要體現(xiàn)在：1）WSNs節(jié)點不移動或很少移動，而MANET節(jié)點移動性強；2）WSNs絡(luò)旨在收集信息，而MANET則傾向于分布式計算和端到端通信；3）WSNs節(jié)點的能量、存儲空間和計算能力有限；4）WSNs節(jié)點通訊高能耗，數(shù)據(jù)計算低能耗，節(jié)點會因能量耗盡而失效；5）WSNs節(jié)點數(shù)量更大，分布范圍更廣，節(jié)

3、點沒有統(tǒng)一編址，節(jié)點之間通過廣播、多跳通信方式進行數(shù)據(jù)交換；6）WSNs節(jié)點產(chǎn)生的數(shù)據(jù)具有較大的冗余度；這些差異使得MANETs路由協(xié)議不適合直接運用到WSNs中，需要結(jié)合WSNs的特點對其進行改進，提出新的路由協(xié)議。本文對當(dāng)前較為典型的路由協(xié)議進行了分類和總結(jié)，指出了路由協(xié)議將來發(fā)展的趨勢，目的在于為路由協(xié)議的進一步研究作參考。 1 傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議分類研究 近幾年，人們提出多種基于不同應(yīng)用目標(biāo)的路由協(xié)議，并根據(jù)不同的應(yīng)用對路由進行了分類研究與比較3，4。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究最早從Flooding開始，逐漸得到關(guān)注。到目前為止，針對WSNs提出的具有代表性的路由協(xié)議有MDR、SAR

4、、TBF、TEEN等。 為揭示協(xié)議特點，我們根據(jù)路由協(xié)議采用的路由結(jié)構(gòu)、路由建立時機、數(shù)據(jù)傳輸模式等不同標(biāo)準(zhǔn)對其進行了分類。由于路由協(xié)議的研究人員組合多種策略來實現(xiàn)路由機制，故同一路由協(xié)議可分屬不同類別。 1.1平面路由協(xié)議和層次路由協(xié)議 根據(jù)傳感器節(jié)點在路由過程中作用是否有差異、是否有層次結(jié)構(gòu)，可以將路由協(xié)議分為平面路由協(xié)議和層次路由協(xié)議。 平面路由協(xié)議的優(yōu)點是網(wǎng)絡(luò)中沒有特殊的節(jié)點，所有節(jié)點的地位是平等的，不存在等級和層次的差異。它們通過局部操作和信息反饋來生成路由，原則上不存在瓶頸問題。網(wǎng)絡(luò)流量均勻地分散在網(wǎng)絡(luò)中，路由算法易于實現(xiàn)，健壯性好。缺點是建立、維護路由的開銷大，數(shù)據(jù)傳輸跳數(shù)多，可

5、擴展性小，在一定程度上限制了網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模。 層次路由協(xié)議采用簇的概念對傳感器節(jié)點進行層次劃分。若干個相鄰節(jié)點構(gòu)成一個簇，每一個簇有一個簇首。簇內(nèi)通信由簇頭結(jié)點來完成。簇頭結(jié)點進行數(shù)據(jù)聚集和融合以減少傳輸?shù)男畔⒘?，最后簇頭結(jié)點把融合的數(shù)據(jù)傳送給匯聚結(jié)點。層次路由擴展性好，適合大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)，但簇的維護開銷大，且簇頭是路由的關(guān)鍵節(jié)點，其失效將導(dǎo)致路由失敗。 1.2主動路由協(xié)議和被動路由協(xié)議 根據(jù)路由建立時機與數(shù)據(jù)發(fā)送的關(guān)系，可分為主動路由協(xié)議和被動路由協(xié)議。 主動路由協(xié)議，又稱表驅(qū)動的（table-driven）路由協(xié)議，它的路由發(fā)現(xiàn)策略與傳統(tǒng)路由協(xié)議類似，節(jié)點通過周期性地廣播路由信息分組，交換路由信息

6、，主動發(fā)現(xiàn)路由。這一類的路由協(xié)議試圖在所有的網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點中維護一組到其他所有移動節(jié)點的一致的、實時的路由信息表。它的優(yōu)點是當(dāng)節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)分組時，只要去往目的節(jié)點的路由存在，所需的延時很小。缺點是主動路由需要花費較大開銷，盡可能使得路由更新能夠緊隨當(dāng)前拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，浪費了一些資源來建立和重建那些根本沒有被使用的路由。而且，動態(tài)變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能使得這些路由更新變成過時信息，路由協(xié)議始終處于不收斂狀態(tài)。 被動路由協(xié)議也稱為按需（On Demand）路由協(xié)議。這種路由協(xié)議并不要求移動節(jié)點一直維護網(wǎng)絡(luò)的路由信息表，只有在節(jié)點需要某條路由時才動態(tài)的創(chuàng)建它。被動路由協(xié)議根據(jù)網(wǎng)絡(luò)分組的傳輸請求，被動地

7、搜索從源節(jié)點到目的節(jié)點的路由。當(dāng)沒有分組傳遞請求時，路由器處于靜默狀態(tài)，并不需要交換路由信息。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路由表內(nèi)容按需建立，它可能僅僅是整個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息的一部分。它的優(yōu)點是不需要周期性的路由信息廣播，節(jié)省了一定的網(wǎng)絡(luò)資源。缺點是發(fā)送數(shù)據(jù)分組時，如果沒有去往目的節(jié)點的路由，數(shù)據(jù)分組需要等待因路由發(fā)現(xiàn)引起的延時。 1.3單路徑路由協(xié)議和多路徑路由協(xié)議 從路徑的表現(xiàn)形式上角度考慮，可分為單路徑路由協(xié)議和多路徑路由協(xié)議5。 單路徑路由節(jié)約存儲空間，數(shù)據(jù)通信量少；多路徑路由容錯性強，健壯性好，且可從眾多路由中選擇一條最優(yōu)路由。 1.4基于位置的路由協(xié)議和非基于位置的路由協(xié)議 根據(jù)是否以地理位置來標(biāo)識目的

8、地、路由計算中是否利用地理位置信息，可分為基于位置的路由協(xié)議和非基于位置的路由協(xié)議。有大量WSNs應(yīng)用需要知道突發(fā)事件的地理位置，這是基于位置的路由協(xié)議的應(yīng)用基礎(chǔ)，但需要GPS定位系統(tǒng)或者其他定位方法協(xié)助節(jié)點計算位置信息。 2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議分析 1）Flooding 6：它是一個經(jīng)典的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，不要求維護網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和進行路由計算。在Flooding協(xié)議中，接收到數(shù)據(jù)的節(jié)點以廣播的方式向轉(zhuǎn)發(fā)分組，數(shù)據(jù)包直到過期或到達目的節(jié)點才停止傳播。該協(xié)議本身算法簡單，不需要維護路由信息，容易實現(xiàn)，但消息的“內(nèi)爆”（implosion）和“重疊”（overlap）是其固有的缺陷。對此，S

9、·hedetniemi等人提出了Gossiping策略，節(jié)點將產(chǎn)生或收到的數(shù)據(jù)隨機轉(zhuǎn)發(fā)，避免了內(nèi)爆，但同時也增加了時延。 2）DD（Directed Diffusion）7：它是由加州大學(xué)洛杉磯分校計算機科學(xué)系的Deborah Estrin等人在DARPA的1997-98ISAT項目完成后提出的。這是一個基于數(shù)據(jù)的、查詢驅(qū)動的路由協(xié)議。DD路由機制分為周期性的興趣（Interest）擴散、梯度（gradient）建立和路徑加強三個階段。在興趣擴散階段，sink節(jié)點通過廣播興趣消息來尋找數(shù)據(jù)源。梯度建立階段，網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點對興趣消息進行緩存與合并，并創(chuàng)建包含上報率、下一條等信息的梯度，從

10、而建立多條指向sink節(jié)點的路徑。路徑加強階段，sink節(jié)點會對最先收到消息的鄰節(jié)點發(fā)送路徑加強信息。接收到該信息的節(jié)點做路徑加強工作，源節(jié)點沿這個較高梯度的路徑發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)主路徑失效時，其他發(fā)送梯度較小的路徑作為備用路徑，這種機制增強了路由的穩(wěn)定性。然而，梯度建立的開銷很大，不適合多sink點網(wǎng)絡(luò)；數(shù)據(jù)聚合過程采用時間同步技術(shù)，會帶來較大開銷和時延。 3）MDR（Multi-path on-Demand Routing）：它是一種按需路由的多徑路由協(xié)議，僅在源節(jié)點和sink節(jié)點間有數(shù)據(jù)包傳輸才進行路由發(fā)現(xiàn)，建立新路徑，從而減少了通訊流量和能量損耗。MDR協(xié)議的路由機制包括路由請求和路由答復(fù)兩個過程。數(shù)據(jù)源先發(fā)送路由請求，向鄰居節(jié)點flooding短信息。當(dāng)sink節(jié)點收到該信息后，馬上向轉(zhuǎn)發(fā)該路由請求消息的鄰節(jié)點返回路由答復(fù)信息，并且在數(shù)據(jù)包域中增加了一個跳數(shù)項，用來指示到目前為止它傳播的