無線傳感網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議

無線傳感網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議第一頁(yè)，共26頁(yè)。路由協(xié)議1、概述 1.1概念 1.2WSN的特點(diǎn) 1.3WSN的特點(diǎn)及對(duì)路由設(shè)計(jì)的影響 1.4路由協(xié)議的關(guān)鍵問題分析 1.5路由協(xié)議的設(shè)計(jì)目標(biāo)與設(shè)計(jì)原則2、WSN的路由協(xié)議 2.1路由協(xié)議的分類 2.2典型的路由協(xié)議分析 2.3Flooding與Gossiping 2.4SPIN協(xié)議第二頁(yè)，共26頁(yè)。1、1概念無線傳感網(wǎng)絡(luò)中路由協(xié)議的主要任務(wù)是建立從源節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的路由，并可靠地傳輸數(shù)據(jù)。作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的指揮者，路由協(xié)議主要有以下兩個(gè)方面的功能：1、建立源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化路徑。2、將數(shù)據(jù)沿分組著優(yōu)化路徑正確轉(zhuǎn)發(fā)。與有線網(wǎng)絡(luò)和蜂窩式無線網(wǎng)絡(luò)不同，WSN中沒有基礎(chǔ)設(shè)施和全網(wǎng)統(tǒng)一的控制中心。在這種無中心的環(huán)境下，路由可以看成分布式地獲取網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔ⅲ砸欢?zhǔn)則計(jì)算路由并對(duì)路徑進(jìn)行維護(hù)的過程。第三頁(yè)，共26頁(yè)。1.2WSN的特點(diǎn)一、從路由設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，WSN具有以下特點(diǎn)：1、形式多樣的信息報(bào)告模式WSN中信息報(bào)告模式分三類：a、事件觸發(fā)：節(jié)點(diǎn)采用信息后判斷，若超過一定的閾值，則認(rèn)為發(fā)生了某種事件，需要立即上報(bào)，如用于預(yù)警的WSN。b、周期性：節(jié)點(diǎn)定期把采集到的信息報(bào)告給sink。如野生動(dòng)植物和環(huán)境監(jiān)測(cè)WSN。c、基于查詢：node不主動(dòng)向sink上報(bào)采集到的信息，而是等待用戶查詢，根據(jù)用戶的需要反饋信息。d、混合模式：前三種的綜合，如智能交通的WSN。第四頁(yè)，共26頁(yè)。不同的信息報(bào)告模式影響路由的觸發(fā)模式：a：事件觸發(fā)模式：從節(jié)能的角度，按需（ondemand）建立路由更恰當(dāng)b：事件報(bào)告模式：采用先應(yīng)式(proactive)的方法建立路由更加合適。c：基于查詢模式：查詢信息的本身就可以輔助建立路由第五頁(yè)，共26頁(yè)。二、多對(duì)一和一對(duì)多為主的業(yè)務(wù)模式WSN的主要業(yè)務(wù)是傳感器節(jié)點(diǎn)把采集到的信息傳給sink（多對(duì)一）和sink向節(jié)點(diǎn)（一對(duì)多）下達(dá)查詢命令，這是典型的多對(duì)一和一對(duì)多的模式。為了支持這種通信模式，WSN中很多路由協(xié)議建立具有樹狀結(jié)構(gòu)的路由。三、以數(shù)據(jù)為中心的設(shè)計(jì)理念把WSN看成是一個(gè)大型的數(shù)據(jù)庫(kù)，用戶關(guān)心的是從這里得到什么信息，而不關(guān)心數(shù)據(jù)庫(kù)中的哪個(gè)元素（node）提供了該信息。該理念對(duì)網(wǎng)絡(luò)層的一個(gè)重要影響是節(jié)點(diǎn)的地址分配：一般情況下沒必要為每個(gè)node分配全局唯一地址，node描述信息產(chǎn)生時(shí)間、地點(diǎn)和內(nèi)容即可。從事實(shí)現(xiàn)多跳通信的角度，需要在局部標(biāo)識(shí)不同的節(jié)點(diǎn)。該理念還影響分組轉(zhuǎn)發(fā)的過程：WSN中，原始數(shù)據(jù)可能存在一定的冗余，在滿足信息采集的要求的前提下，可以在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程中對(duì)其進(jìn)行修改，甚至把多個(gè)分組合并成一個(gè)分組進(jìn)行融合，從而降低能耗。第六頁(yè)，共26頁(yè)。四、動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、大部分的WSN中節(jié)點(diǎn)并不移動(dòng)，造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓闹饕蚴枪?jié)點(diǎn)的失效和存在不可靠性、非對(duì)稱鏈路。2、在有些WSN中的節(jié)點(diǎn)是可移動(dòng)的，如醫(yī)療監(jiān)測(cè)WSN、候鳥遷徙WSN等，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓容^快。因此，設(shè)計(jì)路由協(xié)議時(shí)，應(yīng)考慮拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)變化，以提高協(xié)議的靈活性和擴(kuò)展性。五、能量受限、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的節(jié)點(diǎn)1、Node大都由電池供電，電池體積小，能量有限且難以更換，很多場(chǎng)合需要WSN連續(xù)工作數(shù)年甚至更長(zhǎng)。2、Node結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，存儲(chǔ)、處理、通信能力低，單個(gè)節(jié)點(diǎn)可靠性差。因此，要求協(xié)議充分考慮能量有效性以降低能耗，同時(shí)要求盡可能簡(jiǎn)單，具有容錯(cuò)性。第七頁(yè)，共26頁(yè)。六、密集布設(shè)的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)WSN通常密集布設(shè)大量節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量達(dá)到成千甚至上萬。同時(shí)節(jié)點(diǎn)的密度也很高，有的情況可以達(dá)到20個(gè)/m3。這些使得協(xié)議的可擴(kuò)展性變得十分重要第八頁(yè)，共26頁(yè)。1.3WSN的特點(diǎn)及對(duì)路由設(shè)計(jì)的影響1、網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)是路由設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)的分析是進(jìn)行協(xié)議設(shè)計(jì)的前提。2、無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的最大特點(diǎn)是具有明顯的方向性。3、為了實(shí)現(xiàn)信息采集的目的，WSN的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)大都發(fā)生在數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)（sink）和普通的傳感器節(jié)點(diǎn)之間，包括sink節(jié)點(diǎn)到傳感器節(jié)點(diǎn)的下行業(yè)務(wù)（如查詢指令下達(dá)）和傳感器節(jié)點(diǎn)到sink的上行業(yè)務(wù)（如采集信息的回轉(zhuǎn)）。4、傳感器節(jié)點(diǎn)之間的橫向業(yè)務(wù)所占比例較小，主要是網(wǎng)絡(luò)的控制信息和網(wǎng)內(nèi)信息處理所需要的信息。5、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)基本理念是以大量低成本節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)，通過節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)作獲得比單一的高精度、高可靠性和高成本的傳感器更好的信息采集效果。傳感器節(jié)點(diǎn)的能量約束和無線通信鏈路的不可靠是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)固有的，將對(duì)協(xié)議設(shè)計(jì)產(chǎn)生較大的影響。第九頁(yè)，共26頁(yè)。1.4路由協(xié)議的關(guān)鍵問題分析1、能量有效性提高能量有效性是WSN從硬件設(shè)計(jì)到軟件開發(fā)都必須考慮的問題。從路由協(xié)議設(shè)計(jì)的角度有兩種思路提高能量有效性：a、節(jié)能：尋找節(jié)能路由，減少路由建立和維護(hù)的控制開銷，提高路由可靠性。b、能耗均衡：從空間上調(diào)度能量資源，使網(wǎng)絡(luò)中能量均衡消耗。第十頁(yè)，共26頁(yè)。2、可擴(kuò)展性可擴(kuò)展性是指網(wǎng)絡(luò)的性能不隨著網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的數(shù)量增加而有明顯的下降。兩類重要策略：a、分層路由：網(wǎng)絡(luò)分成若干層，低一層的群首構(gòu)成高一層的網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)地位不同，首為局部控制中心，負(fù)責(zé)群內(nèi)路由、信道接入、休眠調(diào)度等；大多數(shù)節(jié)點(diǎn)作為群成員其操作相對(duì)簡(jiǎn)單，控制開銷較低。b、地理路由：地理位置信息實(shí)際上體現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間相對(duì)拓?fù)潢P(guān)系，利用這一信息路由能很大程度上降低用于收集拓?fù)湫畔⒏冻龅拈_銷，提高協(xié)議的可擴(kuò)展性地理路由使用的前提是節(jié)點(diǎn)能獲得自己和目的節(jié)點(diǎn)的地理位置信息。對(duì)于節(jié)點(diǎn)有移動(dòng)性，任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間都可能進(jìn)行通信的網(wǎng)絡(luò)，為獲得目的節(jié)點(diǎn)的位置信息需不斷更新位置信息，開銷較大，地理路由的優(yōu)勢(shì)就不明顯。第十一頁(yè)，共26頁(yè)。3、數(shù)據(jù)傳輸可靠性數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃灾苯雨P(guān)系到WSN是否能給用戶提供準(zhǔn)確、全面和可靠的消息，而WSN中節(jié)點(diǎn)無線通信能力弱，應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜，實(shí)際的鏈路質(zhì)量比較低。如何保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃允荳SN路由設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵問題。影響WSN數(shù)據(jù)傳輸可靠性原因：a、無線信道上的碰撞導(dǎo)致分組無法正確接收b、節(jié)點(diǎn)故障使路由不可用，導(dǎo)致分組丟失c、鏈路不可靠，導(dǎo)致分組傳輸出錯(cuò)或丟失第十二頁(yè)，共26頁(yè)。路由協(xié)議的解決策略：a、建立多路徑路由：①建立信源節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的多條路徑，選擇最優(yōu)路徑作為主路徑，其他路徑為備份。②使用多條路徑發(fā)送原始分組的多個(gè)副本，即使其中一些傳輸丟失也不會(huì)影響端到端的可靠性。b、選擇可靠鏈路第十三頁(yè)，共26頁(yè)。1.5路由協(xié)議的設(shè)計(jì)目標(biāo)與設(shè)計(jì)原則路由協(xié)議的設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循以下原則：（1）為節(jié)能起見，路由協(xié)議應(yīng)該盡量簡(jiǎn)單,要求滿足網(wǎng)絡(luò)開銷低,需求帶寬小,對(duì)路由節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)信息的影響小的要求。（2）路由協(xié)議應(yīng)該具有很好的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性、健壯性和穩(wěn)定性,在通?；蛘卟豢深A(yù)知的環(huán)境下均能很好的運(yùn)行,能快速和準(zhǔn)確的適應(yīng)各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。（3）路由協(xié)議的設(shè)計(jì)要避免路由環(huán)路的產(chǎn)生。（4）無線傳感網(wǎng)絡(luò)是計(jì)算資源和能源有限的,因此其通信協(xié)議不可能是通用的,必須針對(duì)具體應(yīng)用的需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。（5）設(shè)計(jì)路由協(xié)議時(shí)還要考慮到如何使所設(shè)計(jì)的路由協(xié)議具有可擴(kuò)展性。

第十四頁(yè)，共26頁(yè)。2.1路由協(xié)議的分類無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議有多種分類方法，可以根據(jù)路由協(xié)議采用的通信模式、路由結(jié)構(gòu)、路由建立時(shí)機(jī)、狀態(tài)維護(hù)、節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)和傳遞方式等策略，運(yùn)用多種方法對(duì)齊分類：1、根據(jù)傳輸過程中采用路徑的多少，可分為單路徑路由協(xié)議和多路徑路由協(xié)議。2、根據(jù)節(jié)點(diǎn)在路由過程中是否有層次結(jié)構(gòu)、作用是否有差異?？煞譃槠矫媛酚蓞f(xié)議和層次路由協(xié)議。3、根據(jù)路由建立時(shí)機(jī)和數(shù)據(jù)發(fā)送的關(guān)系，可分為主動(dòng)路由協(xié)議、按需路由協(xié)議和混合路由協(xié)議。4、根據(jù)是否以地理位置來標(biāo)識(shí)目的地、路由計(jì)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。第十五頁(yè)，共26頁(yè)。5、根據(jù)節(jié)點(diǎn)是否編址、是否以地址標(biāo)識(shí)目的地，可分為基于地址的路由協(xié)議和非基于地址的路由協(xié)議。6、根據(jù)路由選擇是否考慮QoS約束，可分為保證QoS的路由協(xié)議和不保證QoS的路由協(xié)議。7、根據(jù)數(shù)據(jù)在傳輸過程中是否進(jìn)行融合處理，可分為數(shù)據(jù)融合的路由協(xié)議和非數(shù)據(jù)融合的路由協(xié)議。8、根據(jù)是否以節(jié)點(diǎn)的可用能量或傳輸路徑上的能量需求作為選擇路由的依據(jù)，可分為能量感知路由協(xié)議和非能量感知路由協(xié)議。9、根據(jù)路由建立是否與查詢有關(guān)，可分為查詢驅(qū)動(dòng)和非查詢驅(qū)動(dòng)的路由協(xié)議。第十六頁(yè)，共26頁(yè)。2.2典型的路由協(xié)議分析——以數(shù)據(jù)為中心的平面路由

平面路由中所有節(jié)點(diǎn)具有相同的地位和功能，節(jié)點(diǎn)間協(xié)同工作完成感知任務(wù)。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性較好，但缺乏對(duì)通信資源的優(yōu)化管理，對(duì)動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)變化的反應(yīng)速度較慢。比較典型的有：①泛洪路由（Flooding）與閑聊路由（Gossiping）②SPIN協(xié)議第十七頁(yè)，共26頁(yè)。2.3Flooding與GossipingFlooding（洪泛）協(xié)議和Gossiping（閑聊）協(xié)議是兩個(gè)經(jīng)典的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，可應(yīng)用到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。這兩個(gè)協(xié)議不需要維護(hù)路由信息，簡(jiǎn)單易行，但擴(kuò)展性很差。在Flooding協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生或收到數(shù)據(jù)后向所有鄰居結(jié)點(diǎn)廣播，數(shù)據(jù)包直到過期或到達(dá)目的地才停止傳播。例如：某節(jié)點(diǎn)S打算發(fā)送數(shù)據(jù)給目的節(jié)點(diǎn)D，節(jié)點(diǎn)S首先要將數(shù)據(jù)傳送給它的一個(gè)鄰節(jié)點(diǎn)，每個(gè)鄰節(jié)點(diǎn)又將其傳送給各自所有的鄰節(jié)點(diǎn)（除去剛剛給它們發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)S）。如此繼續(xù)下去，直到將數(shù)據(jù)傳送到目的節(jié)點(diǎn)D為止，或是為該數(shù)據(jù)所設(shè)定的生存期變?yōu)榱銥橹埂?/p>

第十八頁(yè)，共26頁(yè)。該協(xié)議具有嚴(yán)重的缺陷如下所示：①內(nèi)爆。節(jié)點(diǎn)同時(shí)從鄰節(jié)點(diǎn)收到多份相同數(shù)據(jù)，如圖所示：

Flooding的內(nèi)爆現(xiàn)象②重疊。節(jié)點(diǎn)先后收到同一區(qū)域的多個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的相同數(shù)據(jù)。③資源利用盲目。節(jié)點(diǎn)不考慮自身資源限制，再任何情況下都轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。第十九頁(yè)，共26頁(yè)。Gossiping協(xié)議是對(duì)Flooding協(xié)議的改進(jìn)，節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)不再采用廣播的形式，而是隨機(jī)選取一個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)它所接收到的數(shù)據(jù)，有效避免了內(nèi)爆現(xiàn)象；但仍然無法解決部分重疊和盲目使用資源所引起的傳輸時(shí)延長(zhǎng)、傳輸速度慢等問題，如圖所示。Gossiping的數(shù)據(jù)重疊現(xiàn)象第二十頁(yè)，共26頁(yè)。2.4SPIN協(xié)議設(shè)計(jì)思想是：每個(gè)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)前通過協(xié)商來確定其他節(jié)點(diǎn)是否需要該數(shù)據(jù)；同時(shí)，節(jié)點(diǎn)通過“元數(shù)據(jù)”確定接收數(shù)據(jù)中是否有重復(fù)信息存在。節(jié)點(diǎn)還要根據(jù)自身的能耗狀況（能量等級(jí)的改變）來調(diào)整工作模式，以延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間。SPIN的協(xié)商過程采用三次握手方式。源節(jié)點(diǎn)再傳送DATA信息前，首先向相鄰節(jié)點(diǎn)廣播包含DATA數(shù)據(jù)描述機(jī)制的ADV信息，如圖（a）所示。需要該DATA信息的鄰節(jié)點(diǎn)向信息源發(fā)送REQ請(qǐng)求信息，如圖（b）所示。源節(jié)點(diǎn)在收到的REQ信息后，有選擇地將DATA信息發(fā)送給相應(yīng)的鄰節(jié)點(diǎn)，如圖（c）所示。受到DATA后，該鄰節(jié)點(diǎn)可以作為信息源，按照前述過程將DATA信息繼續(xù)傳播到網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)，如圖（d）、（e）、（f）所示。這樣重復(fù)下去，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中所有需要該DATA信息的節(jié)點(diǎn)都將獲得該數(shù)據(jù)的副本。第二十一頁(yè)，共26頁(yè)。圖（a）圖（b）圖（c）

圖（d）圖（e）圖（f）SPIN協(xié)議第二十二頁(yè)，共26頁(yè)。SPIN協(xié)議是最早的以數(shù)據(jù)為中心的自適應(yīng)路由協(xié)議，通過協(xié)商機(jī)制來解決Flooding算法中的“內(nèi)爆”和“重疊”問題，節(jié)省了能量的消耗。a、為了避免出現(xiàn)擴(kuò)散法的信息爆炸問題和部分重疊現(xiàn)象，傳感器節(jié)點(diǎn)在傳輸數(shù)據(jù)之前進(jìn)行協(xié)商，協(xié)商制度可確保傳輸有用數(shù)據(jù)；b、節(jié)點(diǎn)間通過發(fā)送元數(shù)據(jù)（即描述傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)屬性的數(shù)據(jù)），而不是采集整個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)商。由于元數(shù)據(jù)大小小于采集的數(shù)據(jù)，所以，傳輸元數(shù)據(jù)消耗的能量相對(duì)較小。為避免盲目使用資源，所有傳感器節(jié)點(diǎn)必須監(jiān)控各自能量變化情況。c、在傳輸或接收數(shù)據(jù)之前，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都必須檢查各自可用的能量情況，如果處于低能量水平，必須中斷一些操作，比如充當(dāng)路由器的角色，停止對(duì)其他節(jié)點(diǎn)的一些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)操作。第二十三頁(yè)，共26頁(yè)。d、SPIN