WSN的路由協(xié)議

1、傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)任意的分布在某一監(jiān)測(cè) 區(qū)域內(nèi)，節(jié)點(diǎn)以自組織的形式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)多跳中繼方式將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)，最 后通過(guò)Internet或其他網(wǎng)絡(luò)通訊方式將監(jiān)測(cè)信息傳送到管理節(jié)點(diǎn)。同樣的，用戶可以通過(guò)管 理節(jié)點(diǎn)進(jìn)行命令的發(fā)布，告知傳感器節(jié)點(diǎn)收集監(jiān)測(cè)信息。傳感器節(jié)點(diǎn)是一個(gè)具有信息收集和處理能力的微系統(tǒng)，集成了傳感器模塊、信息處理模塊、 無(wú)線通訊模塊和能量供應(yīng)模塊。傳感器模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)信息的采集和轉(zhuǎn)換，信息處理模塊負(fù)責(zé)管理整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)、存 儲(chǔ)和處理自身采集的數(shù)據(jù)或者其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，無(wú)線通訊模塊負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn) 進(jìn)行

2、通訊，能量供應(yīng)模塊負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行進(jìn)行能量的供應(yīng)。傳感器能量的供應(yīng)是采用電池，節(jié)點(diǎn)能量有限，考慮盡可能的延長(zhǎng)整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周 期，在設(shè)計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)，保證能量供應(yīng)的持續(xù)性是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)原則。傳感器節(jié)點(diǎn)能量 消耗的模塊主要是包括傳感器模塊、信息處理模塊和無(wú)線通訊模塊，而絕大部分的能量消耗 是集中在無(wú)線通訊模塊上，約占整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)能量消耗的80%。因此，目前提出的傳感 器節(jié)點(diǎn)通訊路由協(xié)議主要是圍繞著減少能量消耗延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期而進(jìn)行設(shè)計(jì)的。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，路由協(xié)議不僅關(guān)心單個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量消耗，更關(guān)心整個(gè)網(wǎng)能量的均衡消 耗，這樣才能延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存期。同時(shí)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是以

3、數(shù)據(jù)為中心的，這在路由 協(xié)議中表現(xiàn)的最為突出，每個(gè)節(jié)點(diǎn)沒(méi)有必要采用全網(wǎng)統(tǒng)一的編址，選擇路徑可以不用根據(jù)節(jié) 點(diǎn)的編址，更多的是根據(jù)感興趣的數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)源到匯聚節(jié)點(diǎn)之間的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。目前提出了 很多類(lèi)型的傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，就是基于上述的目的。無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議相對(duì)于傳統(tǒng)無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)而言，傳統(tǒng)無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)研究的重點(diǎn)放在無(wú)線通訊的服務(wù)質(zhì)量 (QoS)上，而無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)是隨機(jī)分布，電池供電，因此目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的 研究重點(diǎn)是放在如何提高能量效率上，當(dāng)前流行的幾個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議如下：泛洪協(xié)議泛洪(Flooding)協(xié)議2 是一種傳統(tǒng)的無(wú)線通訊路由協(xié)議。該協(xié)議規(guī)定，每個(gè)節(jié)點(diǎn)接受來(lái)自其

4、 他節(jié)點(diǎn)的信息，并以廣播的形式發(fā)送給其他鄰居節(jié)點(diǎn)。如此繼續(xù)下去，最后將信息數(shù)據(jù)發(fā)送 給目的節(jié)點(diǎn)。但這個(gè)協(xié)議容易引起信息的內(nèi)爆(Implosion )和“重疊(Overlap),造成資源的浪 費(fèi)。因此在泛洪協(xié)議的基礎(chǔ)上，提出了閑聊(Gossiping)協(xié)議。Gossiping協(xié)議Gossiping協(xié)議6是在泛洪協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)而提出的。它傳播信息的途徑是通過(guò)隨機(jī) 的選擇一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)，獲得信息的鄰居節(jié)點(diǎn)以同樣的方式隨機(jī)的選擇下一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息的 傳遞。這種方式避免了以廣播形式進(jìn)行信息傳播的能量消耗，但其代價(jià)是延長(zhǎng)了信息的傳遞 時(shí)間。雖然Gossiping協(xié)議在一定程度上解決了信息的內(nèi)爆，但是仍

5、然存在信息的重疊現(xiàn)象。SPIN協(xié)議SPIN(Sensor Protocol for Information via Negotiation)協(xié)議7是一種以數(shù)據(jù)為中心的自適應(yīng)路 由協(xié)議。SPIN協(xié)議的目的是：通過(guò)節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)商，解決Flooding協(xié)議和Gossiping協(xié)議 的內(nèi)爆和重疊現(xiàn)象。SPIN協(xié)議有3種類(lèi)型的消息，即ADC、REQ和DATA。ADC用于數(shù)據(jù)的廣播，當(dāng)某一個(gè)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)可以共享時(shí)，可以用其進(jìn)行數(shù)據(jù)信息廣播。REQ用于請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)某一個(gè)節(jié)點(diǎn)希望接受DATA數(shù)據(jù)包時(shí)，發(fā)送REQ數(shù)據(jù)包。DATA為傳感器采集的數(shù)據(jù)包。在發(fā)送一個(gè)DATA數(shù)據(jù)包之前，一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)首先對(duì)外廣播AD

6、V數(shù)據(jù)包，如果某一個(gè)節(jié) 點(diǎn)希望接受要傳來(lái)的數(shù)據(jù)信息，則向發(fā)送ADV數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)回復(fù)REQ數(shù)據(jù)包，因此，便 建立起發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接受節(jié)點(diǎn)的聯(lián)系，發(fā)送節(jié)點(diǎn)便向接受節(jié)點(diǎn)發(fā)送DATA數(shù)據(jù)包。定向擴(kuò)散(Directed Diffusion)協(xié)議定向擴(kuò)散協(xié)議4 是一種基于查詢的路由機(jī)制。整個(gè)過(guò)程可以分為興趣擴(kuò)散、梯度建立以及 路徑加強(qiáng)三個(gè)階段。在興趣擴(kuò)散階段，匯聚節(jié)點(diǎn)向傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送其想要獲取的信息種類(lèi)或 內(nèi)容。興趣消息中含有任務(wù)類(lèi)型、目標(biāo)區(qū)域、數(shù)據(jù)發(fā)送速率、時(shí)間戳等參數(shù)。每個(gè)傳感器節(jié) 點(diǎn)在收到該信息后，將其保存在CACHE中。當(dāng)整個(gè)信息要求傳遍整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)后，便在 傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)之間建立起一個(gè)梯度場(chǎng)

7、，梯度場(chǎng)的建立是根據(jù)成本最小化和能量自適 應(yīng)原則。一旦傳感器節(jié)點(diǎn)收集到匯聚節(jié)點(diǎn)感興趣的數(shù)據(jù)，就會(huì)根據(jù)建立的梯度場(chǎng)尋求最快路 徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。LEACH協(xié)議LEACH35(LOW-Energy Adaptive Clustering Hierarchy)是一種以最小化傳感器網(wǎng)絡(luò)能量損 耗為目標(biāo)的分層式協(xié)議。該協(xié)議的主要思想是通過(guò)隨機(jī)選擇類(lèi)頭節(jié)點(diǎn)，平均分擔(dān)無(wú)線傳感器 網(wǎng)絡(luò)的中繼通訊業(yè)務(wù)來(lái)達(dá)到平均消耗傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能量的目的，進(jìn)而可以延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生 命周期。LEACH協(xié)議可以將網(wǎng)絡(luò)生命周期延長(zhǎng)15%。LEACH協(xié)議分為兩個(gè)階段：類(lèi)準(zhǔn)備 階段和數(shù)據(jù)傳輸階段。類(lèi)準(zhǔn)備階段和就緒階段所持續(xù)的時(shí)間總和稱(chēng)為一個(gè)

8、輪回。在類(lèi)準(zhǔn)備階段，LEACH協(xié)議隨機(jī)選擇一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)作為類(lèi)頭節(jié)點(diǎn)，隨機(jī)性確保類(lèi)頭與基 站之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)母吣芎某杀揪鶆虻姆謹(jǐn)偟剿袀鞲衅鞴?jié)點(diǎn)上。類(lèi)頭節(jié)點(diǎn)是根據(jù)如下公式來(lái) 選擇的：其中N為網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，K為期望在當(dāng)前輪回中的類(lèi)頭節(jié)點(diǎn)的數(shù)目。Ci(t)為指 示方程，用于表明在過(guò)去的輪回中，該節(jié)點(diǎn)是否做過(guò)類(lèi)頭節(jié)點(diǎn)，若做過(guò)，貝IjCi(t)為0，否則 Ci(t)為1。通過(guò)該式表明，只有那些以前的輪回中沒(méi)有做過(guò)類(lèi)頭節(jié)點(diǎn)、能量消耗較少的節(jié)點(diǎn) 才能夠成為當(dāng)前輪回的類(lèi)頭節(jié)點(diǎn)。結(jié)語(yǔ) 近幾年，針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究相對(duì)于傳統(tǒng)的無(wú)線通訊路由協(xié)議吸引了更多人 的研究視線。從上面分析可以看出，每種協(xié)議之間是相互聯(lián)系的。因此，從某種意義上來(lái)講， 很難說(shuō)清楚到低是那種協(xié)議更有優(yōu)勢(shì)?；趯?duì)這些協(xié)議的比較分析表明，一個(gè)好的無(wú)線傳感 器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議應(yīng)具備如下特征：具有動(dòng)態(tài)的選擇匯聚節(jié)點(diǎn)的能力。很明顯，匯聚節(jié)點(diǎn)的生命周期直接影響到整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò) 的生命周期。在信息的傳遞過(guò)程中，匯聚節(jié)點(diǎn)的使用頻率最高，能量消耗最大。當(dāng)某一個(gè)匯 聚節(jié)點(diǎn)的能量消耗過(guò)大時(shí)，傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠根據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)的能量消耗狀況，動(dòng)態(tài)的選擇能量 消耗少的節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行信息的傳遞，平衡整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點(diǎn)的能量消耗，可以延長(zhǎng)傳感器網(wǎng) 絡(luò)的生命周期。快速的數(shù)據(jù)融合技術(shù)。多傳感器的信息采集過(guò)程同時(shí)也是多信息的融合問(wèn)題