無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究

0無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)隨著微電站技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展，人們可以開(kāi)發(fā)一個(gè)低能耗、低能量和多功能傳感器節(jié)點(diǎn)。這些傳感器節(jié)點(diǎn)由能量十分有限的電池供電,具有感知、數(shù)據(jù)處理的能力,以及無(wú)線通信功能。大量布撒在監(jiān)測(cè)區(qū)域中的傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織就構(gòu)成了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetworks,WSNs)。WSNs的應(yīng)用前景非常廣闊,在軍事國(guó)防、環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物醫(yī)療、智能家居、危險(xiǎn)區(qū)域的遠(yuǎn)程監(jiān)控等領(lǐng)域都具有潛在的使用價(jià)值。WSNs與傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)具有很大的差別。盡管它和移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)(MobileAdhocNetworks,MANET)都是無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò),但二者存在著很大的差異。這使得傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議和MANET的路由協(xié)議均不適用于WSNs,必須依據(jù)WSNs的特點(diǎn)設(shè)計(jì)新的路由協(xié)議,使之有效地保證WSNs功能的正常實(shí)施。1wsns路由協(xié)議與MANET相比,WSNs具有自身的特點(diǎn),這使得必須根據(jù)WSNs的特點(diǎn)設(shè)計(jì)其路由協(xié)議,以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、拓?fù)湟鬃兓?、能量有限的WSNs的需要,延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存周期。下面介紹WSNs的特點(diǎn)及其路由協(xié)議設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題:1)WSNs較之MANET的節(jié)點(diǎn)數(shù)目更為龐大(上千甚至上萬(wàn)),節(jié)點(diǎn)分布更為密集,這使得必須為WSNs設(shè)計(jì)適于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議;2)由于環(huán)境和能量的影響,WSNs節(jié)點(diǎn)更容易出現(xiàn)故障,容易造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?這使得WSNs的路由協(xié)議要有更強(qiáng)的自適應(yīng)性和魯棒性;3)WSNs節(jié)點(diǎn)的能量、處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力都十分有限,這使得為WSNs設(shè)計(jì)的路由協(xié)議必須簡(jiǎn)單且節(jié)能;4)MANET采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸模式,而WSNs的數(shù)據(jù)傳輸遵循多對(duì)一或一對(duì)多模式,這使得WSNs路由協(xié)議的設(shè)計(jì)必須考慮負(fù)載均衡;5)通常情況下,MANET中節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性很強(qiáng),而大多數(shù)傳感器節(jié)點(diǎn)是固定不動(dòng)的;6)MANET是以地址為中心進(jìn)行路由,而WSNs是以數(shù)據(jù)為中心的路由;且鄰近節(jié)點(diǎn)間采集的數(shù)據(jù)具有相似性,需進(jìn)行數(shù)據(jù)融合;7)MANET的首要設(shè)計(jì)目標(biāo)是提供高服務(wù)質(zhì)量和有效帶寬利用,其次才考慮能源,而WSNs的首要設(shè)計(jì)目標(biāo)是能源的高效使用,這使得必須為WSNs設(shè)計(jì)能量有效的路由協(xié)議;8)WSNs的路由協(xié)議是基于特定應(yīng)用而設(shè)計(jì)的,很難設(shè)計(jì)具有通用性的路由協(xié)議。2路由協(xié)議的分類WSNs路由協(xié)議負(fù)責(zé)在匯聚節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)間可靠地傳輸數(shù)據(jù)。由于WSNs的應(yīng)用相關(guān)性,單一的路由協(xié)議不能滿足各種應(yīng)用需求,因而研究人員研究了眾多的路由協(xié)議并按不同的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行了分類。由于分類標(biāo)準(zhǔn)的不同,同一路由協(xié)議可能隸屬于不同的分類。下文總結(jié)了各種WSNs路由協(xié)議的分類方法及其所包含的路由協(xié)議,并對(duì)各種分類方法下的路由協(xié)議的共同特征從多方面進(jìn)行了對(duì)比分析。2.1基于網(wǎng)絡(luò)的邏輯結(jié)構(gòu)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的邏輯結(jié)構(gòu),可將WSNs路由協(xié)議分為平面路由和層次路由。該分類沿用了MANET中的路由協(xié)議分類,是早期的一種分類標(biāo)準(zhǔn)。2.1.1基于定向洪泛法的運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)仿真平面路由中各節(jié)點(diǎn)都將收集到的數(shù)據(jù)傳送到匯聚節(jié)點(diǎn),所有節(jié)點(diǎn)具有相同的地位和功能,節(jié)點(diǎn)間相互協(xié)作共同完成感知和數(shù)據(jù)處理任務(wù)。典型的平面路由協(xié)議有Flooding,SPIN,DD,Rumor和SAR等。洪泛法(Flooding)是早期的路由協(xié)議之一,不需要任何路由維護(hù)的開(kāi)銷,且具有較好的容錯(cuò)性,但存在著信息內(nèi)爆、重疊和盲目使用資源的缺點(diǎn)。針對(duì)其不足,研究人員提出了一些改進(jìn)協(xié)議。文獻(xiàn)提出了一個(gè)定向洪泛路由協(xié)議(DFlooding),該協(xié)議吸取了洪泛法容錯(cuò)性的優(yōu)點(diǎn),并僅將數(shù)據(jù)傳送到指定區(qū)域。仿真結(jié)果表明,定向洪泛法在能耗和時(shí)延方面均優(yōu)于傳統(tǒng)的洪泛法。平面路由算法易于實(shí)現(xiàn),但維護(hù)路由的開(kāi)銷大,數(shù)據(jù)傳輸跳數(shù)多,可擴(kuò)展性差,只適用于小規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大,單層網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)的密度增大,導(dǎo)致匯聚節(jié)點(diǎn)負(fù)載過(guò)重;而且,由于傳感器節(jié)點(diǎn)能量受限,不適宜長(zhǎng)距離通信,只能通過(guò)多跳方式到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn),單個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)會(huì)成為WSNs可擴(kuò)展性的瓶頸。為了解決上述問(wèn)題,許多路由協(xié)議的設(shè)計(jì)中使用了分簇的思想,由此引入了層次路由。2.1.2分簇結(jié)構(gòu)分類早期的層次路由中傳感器節(jié)點(diǎn)按照不同的分簇方法分成相應(yīng)的簇,每個(gè)簇中選舉一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn),通過(guò)節(jié)點(diǎn)的多跳通信和數(shù)據(jù)融合來(lái)減少信息發(fā)送次數(shù),以節(jié)約能耗,延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存周期。典型的層次路由協(xié)議有LEACH,PEGASIS和分層PEGASIS,TEEN和APTEEN,以及Younis等人提出的能量感知的分簇路由協(xié)議等。層次路由可擴(kuò)展性好,適合大規(guī)模網(wǎng)絡(luò),但簇的重構(gòu)及維護(hù)開(kāi)銷大,且簇頭是路由的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),其失效將導(dǎo)致路由失敗。因此,近期的研究主要集中在對(duì)傳統(tǒng)分簇協(xié)議的改進(jìn)上,其中一類是對(duì)簇頭選舉方法的改進(jìn),另一類是對(duì)分簇結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。對(duì)簇頭選舉方法的改進(jìn)主要集中在利用某種算法(比如基于質(zhì)心的分布式成簇算法CDCS和設(shè)定初始衰減時(shí)間的簇頭選舉算法等)使得分簇更加合理,全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)能耗更加均勻。對(duì)分簇結(jié)構(gòu)的改進(jìn)主要集中在將WSNs分為若干個(gè)交疊簇,整個(gè)網(wǎng)絡(luò)有簇間和簇內(nèi)兩級(jí)拓?fù)?。?jié)點(diǎn)在選擇路由時(shí)先根據(jù)簇間拓?fù)溥x擇簇間路由,當(dāng)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)某個(gè)簇進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)時(shí),網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)根據(jù)簇內(nèi)拓?fù)洚a(chǎn)生簇內(nèi)路由。在這些算法中,簇頭只負(fù)責(zé)收集節(jié)點(diǎn)信息(包括采集的數(shù)據(jù)信息和剩余能量信息)并進(jìn)行計(jì)算和數(shù)據(jù)融合,而交疊區(qū)域的節(jié)點(diǎn)被選為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn),用來(lái)在各簇間傳輸數(shù)據(jù),最終將數(shù)據(jù)傳送到基站。算法充分考慮了數(shù)據(jù)冗余性的消除及數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中節(jié)點(diǎn)能耗的均衡,可進(jìn)一步延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期。2.1.3路由協(xié)議對(duì)比分析上文根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的邏輯結(jié)構(gòu)對(duì)WSNs路由協(xié)議進(jìn)行了分類,通過(guò)以上分析,可從路由策略、路由協(xié)議的特點(diǎn)、性能幾個(gè)方面對(duì)各類路由協(xié)議進(jìn)行對(duì)比分析。詳見(jiàn)表1。2.2wsns路由協(xié)議的類型WSNs的路由協(xié)議都是基于特定的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的,根據(jù)不同應(yīng)用對(duì)WSNs各種特性的敏感度不同,將其路由協(xié)議分為能量感知路由、基于查詢的路由、地理位置路由和可靠路由四種類型。2.2.1能量分析預(yù)處理該類路由從數(shù)據(jù)傳輸中的能量消耗出發(fā),討論最優(yōu)能量消耗路徑以及最長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存期等問(wèn)題。包括最大PA(剩余能量)路由,最小能量消耗路由,最少跳數(shù)路由,最大最小PA節(jié)點(diǎn)路由以及由Shah等人提出的能量多路徑路由。文獻(xiàn)提出了一個(gè)利用能量為中心度量標(biāo)準(zhǔn)(ECscale)來(lái)監(jiān)測(cè)WSNs不同區(qū)域的剩余能量分布,并進(jìn)行路由優(yōu)化和WSNs中近似的能量為中心路由的方案,以最大化網(wǎng)絡(luò)的生存周期。仿真結(jié)果表明,與傳統(tǒng)的路由協(xié)議相比,該協(xié)議具有良好的可擴(kuò)展性,且節(jié)約能耗達(dá)數(shù)倍。2.2.2傳感器節(jié)點(diǎn)間的融合在諸如環(huán)境監(jiān)測(cè)、戰(zhàn)場(chǎng)評(píng)估等應(yīng)用中,需要不斷查詢傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)。在這類應(yīng)用中,通信流量主要是查詢節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)之間的命令和數(shù)據(jù)傳輸,同時(shí)傳感器節(jié)點(diǎn)的采樣信息在傳輸路徑上通常要進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,通過(guò)減少通信流量來(lái)節(jié)省能量。典型的基于查詢的路由協(xié)議有DD、Rumor、CADR和ACQUIRE等。該類路由協(xié)議是基于按需查詢驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)采集模型,不適用于需要連續(xù)采集數(shù)據(jù)的場(chǎng)合。此外,選擇與查詢相匹配的數(shù)據(jù)會(huì)使傳感器節(jié)點(diǎn)消耗更多的能量。2.2.3區(qū)域的地理位置在一些WSNs的應(yīng)用中,需要知道節(jié)點(diǎn)的地理位置信息。地理位置路由假設(shè)節(jié)點(diǎn)知道自己的地理位置,以及目的節(jié)點(diǎn)或者目的區(qū)域的地理位置,利用這些地理位置信息作為路由選擇的依據(jù),節(jié)點(diǎn)按照一定策略轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到目的節(jié)點(diǎn)。典型的地理位置路由協(xié)議有MECN,GAF和GEAR等。該類路由協(xié)議將查詢信息或數(shù)據(jù)僅發(fā)布到指定區(qū)域,從而有效地減少了數(shù)據(jù)傳輸次數(shù),節(jié)約了能耗,并可以降低專門維護(hù)路由協(xié)議的能耗。但一般都需要定位技術(shù)的支持,在節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)較多的情況下,增加了大量額外的開(kāi)銷。2.2.4可靠路由協(xié)議WSNs的某些應(yīng)用對(duì)通信服務(wù)質(zhì)量有較高的要求,如可靠性和實(shí)時(shí)性等,特別是在傳遞視頻和音頻數(shù)據(jù)時(shí)。而在WSNs中,鏈路的穩(wěn)定性難以保證,通信信道質(zhì)量比較低,拓?fù)渥兓容^頻繁,要實(shí)現(xiàn)服務(wù)質(zhì)量保證,需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的可靠的路由協(xié)議。典型的可靠路由協(xié)議有基于不相交路徑的多路徑路由HREEMR,ReInForM路由,SPEED協(xié)議等。文獻(xiàn)是對(duì)SPEED的擴(kuò)展,提出了一個(gè)保證WSNs的QoS的新的數(shù)據(jù)包傳送機(jī)制,被稱為多路徑多速度路由協(xié)議(MMSPEED)。該協(xié)議通過(guò)實(shí)時(shí)性域和可靠性域來(lái)保證QoS。仿真結(jié)果表明,MMSPEED提高WSNs的實(shí)時(shí)和可靠流量的有效容量達(dá)50%以上。2.2.5不同道路結(jié)論的比較分析上文根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)WSNs路由協(xié)議進(jìn)行了分類,通過(guò)以上分析,可從路由協(xié)議的特點(diǎn)及性能等方面對(duì)路由協(xié)議進(jìn)行對(duì)比分析,詳見(jiàn)表2。2.3分類模型上的路由、地理位置和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Akkaya等人依據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)的特性和結(jié)構(gòu),將WSNs路由協(xié)議分為:數(shù)據(jù)為中心路由、層次路由、地理位置路由和基于網(wǎng)絡(luò)流量和服務(wù)質(zhì)量的路由。該分類方法可以看作上述兩種分類方法的結(jié)合,綜合考慮了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和具體的應(yīng)用場(chǎng)合以及節(jié)點(diǎn)的特性和結(jié)構(gòu)。層次路由和地理位置路由與前面討論的相同,在此僅討論數(shù)據(jù)為中心路由和基于網(wǎng)絡(luò)流量和服務(wù)質(zhì)量的路由。2.3.1節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)命名機(jī)制由于WSNs內(nèi)的節(jié)點(diǎn)分布密度大,相鄰節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)大多都基于同一現(xiàn)象,經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)冗余,由此導(dǎo)致了數(shù)據(jù)為中心路由的產(chǎn)生。該類路由協(xié)議采用基于屬性的命名機(jī)制來(lái)描述數(shù)據(jù),通過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)向特定的區(qū)域發(fā)送查詢請(qǐng)求來(lái)獲取數(shù)據(jù)信息,并在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中進(jìn)行數(shù)據(jù)融合以降低節(jié)點(diǎn)的能量消耗。但往往需要高效的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)命名機(jī)制的支持。典型的數(shù)據(jù)為中心路由協(xié)議有SPIN,DD,Rumor,以及后來(lái)提出的GBR、CADR和ACQUIRE等。文獻(xiàn)提出了一個(gè)新的數(shù)據(jù)為中心的多路徑路由方案,該方案在每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)中引入一個(gè)模糊邏輯控制器架構(gòu),該架構(gòu)根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)電池的能量級(jí)別和傳輸數(shù)據(jù)的類型來(lái)度量節(jié)點(diǎn)傳輸命名數(shù)據(jù)的能力。這樣就可以避免低能量的節(jié)點(diǎn)傳輸大量的數(shù)據(jù),且多路徑機(jī)制的引入可以保證網(wǎng)絡(luò)迅速?gòu)穆窂绞е谢謴?fù)以節(jié)約能量。2.3.2典型網(wǎng)絡(luò)性能分析在一些路由協(xié)議中,路由建立過(guò)程可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)流量問(wèn)題來(lái)進(jìn)行解決。而在另一些路由協(xié)議中,和前述的可靠路由相似,還需要考慮吞吐量和端到端時(shí)延等QoS性能參數(shù)。典型的基于網(wǎng)絡(luò)流量的路由協(xié)議有Chang等人提出的最大生存期能量路由,Kalapakis等人提出的最大生存期數(shù)據(jù)采集協(xié)議以及最小代價(jià)路由等。這類路由均利用網(wǎng)絡(luò)流量問(wèn)題進(jìn)行建模,采用某種代價(jià)函數(shù)和算法來(lái)確定到匯聚節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)路徑,從而延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生存周期。典型的基于QoS的路由協(xié)議有SAR,Younis等人提出的能量感知的QoS路由以及SPEED等。該類路由協(xié)議滿足了一定的QoS要求,且出現(xiàn)差錯(cuò)易于恢復(fù),但一般均采用某種可靠性機(jī)制,因此引入了額外的開(kāi)銷。2.3.3wsns路由協(xié)議分類上文通過(guò)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和具體的應(yīng)用場(chǎng)合以及節(jié)點(diǎn)的特性和結(jié)構(gòu)對(duì)WSNs路由協(xié)議進(jìn)行了分類,通過(guò)以上分析,可以從路由結(jié)構(gòu)、路由策略、路由協(xié)議的特點(diǎn)和性能等方面對(duì)路由協(xié)議進(jìn)行對(duì)比分析,詳見(jiàn)表3。2.4wsns路由協(xié)議根據(jù)路由表的建立時(shí)機(jī),可將WSNs路由協(xié)議分為主動(dòng)路由和按需路由。根據(jù)協(xié)議的功能和操作方式,還可以將WSNs路由協(xié)議分為支持多路徑的路由協(xié)議和不支持多路徑的路由協(xié)議;支持?jǐn)?shù)據(jù)融合的路由和不支持?jǐn)?shù)據(jù)融合的路由;支持安全性的路由協(xié)議和不支持安全性的路由協(xié)議等等。另外還存在一些路由協(xié)議的分類,綜合了現(xiàn)存的路由協(xié)議分類方法,運(yùn)用多種分類標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行分類,使每個(gè)路由協(xié)議所屬類別更加清晰,易于研究。3wsns路由協(xié)議分類方法WSNs因其自身的特點(diǎn)使其路由協(xié)議的研究較之以往的網(wǎng)絡(luò)更為復(fù)雜,好的分類方法有利于研究人員對(duì)路由協(xié)議進(jìn)行研究和改進(jìn)。分析總結(jié)了現(xiàn)存的WSNs路由協(xié)議的分類方法,并對(duì)各種分類進(jìn)行了比較,指出了各類路由協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn)和有待改進(jìn)的方面。通過(guò)以上分析,可以看出WSNs路由協(xié)議未來(lái)的研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì):1優(yōu)化集群連接路徑2能量高效的qos路徑3高效利用能量此外,還要考慮路由協(xié)議的容錯(cuò)性、節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性以及有線網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的融合等。由于WSNs是大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò),在路由協(xié)議中利用分簇技術(shù)可以提高其可擴(kuò)展性,并使所有節(jié)點(diǎn)均衡全網(wǎng)的能耗。簇頭如何選擇才使其分布更加均勻,簇如何劃分才更加節(jié)約能耗、消除簇頭瓶頸、實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的通訊負(fù)載平衡,簇內(nèi)和簇間