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無線傳感器網絡路由協議與改進

發布時間:2010-10-10 21:23    發布者:eetech
關鍵詞: 傳感器 , 路由 , 無線
1 引言

無線傳感器網絡WSN(Wireless Sensor Network)是傳感器、通信和計算機3種技術相結合的產物,南于無線傳感器網絡將邏輯信息世界與客觀物理世界融合在一起,改變了人類與自然界的交互方式,因而具有廣泛的應用前景。無線傳感器網絡具有很多不同于傳統網絡的特點,如能量嚴重受限、拓撲結構頻繁變化等。因此,WSN網絡協議的設計同現有各種網絡協議的設計大不同,因而面臨著各種新的挑戰。在協議棧的眾多協議中,網絡層路由協議算法作為一項關鍵技術已成為目前研究的熱點。

2 無線傳感器網絡的路由協議

由于WSN路由協議分類標準有很多,因此路由協議的分類方法也多種多樣。根據路由協議不同的工作原理將路由協議劃分為兩種類型,并分析每種類型的典型路由協議。

2.1 平面路由

平面路由認為傳感器網絡中的各節點具有相同的功能和平等的角色,節點或將自己的事件檢測結果主動報告給其他節點,或者是其他節點向檢測事件的節點發出查詢信息,數據傳輸通過多節點的多跳路由協作轉發完成。信息協商傳感器SPIN(Sensor Protocols for Information via Negotiation)是平面路由中第一個以數據為中心的算法,通過節點問的協商機制減少數據冗余和能量損耗。SPIN是一種基于協商機制的以數據為中心的路由算法,SPIN先對節點收到的數據的特點進行高層次的抽象,形成描述節點收到數據特點的元數據(meta-data)。在轉發收到的數據前,節點 A先用元數據與相鄰節點B進行協商,發送ADV信號判斷節點B是否需要該數據(圖la)。如果節點B對元數據代表的數據有需求,就發出反饋信號REO(圖 lb)。否則就丟棄該ADV信號,然后節點A就將數據DATA轉發給節點B(圖lc)。節點B收到從節點A轉發來的數據后,采用與節點A相同的處理方法。先用元數據與其相連的所有節點協商是否需要該數據,發送ADV信號(圖1d)。如果節點有需求則回復REQ信號,無需求則直接將ADV信號丟棄(圖 1e),然后節點B將向所有回復REQ信號的節點發送數據DATA(圖1f)。


SPIN算法并沒有明確定義元數據的格式。其具體格式和應用相關,如ADV和REQ的格式可根據具體應用做詳細規定。另外,當拓撲結構發生變化時,每個節點只需在局部范圍內維護與其相鄰的節點狀態,不需全網廣播,既節省能量又降低對節點運算能力的要求,這種SPIN稱為SPIN-1。但SPIN-1不能保證遠程數據的正確遞送,如遠端節點需要數據而與源節點相鄰的近端節點則不需要,在轉發的開始就將代表該數據的元數據丟棄,不做REQ回復,造成數據遞送失敗。為了解決這一問題,在SPIN-2在SPIN-1的基礎上加入了能量門限機制。在遞送數據前先檢測相鄰節點的能量,如果能量值低于某一個門限值,則認為該節點沒有足夠能力完成遠程遞送任務,將該數據轉發給其他有足夠能量的相鄰節點。除此之外,針對不同的應用情況,SPIN的其他擴展協議,如SPIN- BC和SPIN-RL針對傳感器網絡這種多播網絡、SPIN-PP和SPIN-EC針對傳統的點對點網絡都做出專門優化。

2.2 層次路由

層次路由(也稱為以分簇為基礎的路由)是最早產生并應用于有線網絡的,滿足大規模網絡的高效通信。因此層次路由的概念也被引入到WSN中,用于滿足傳感器節點的低能耗和高效率通信。在層次路由中,高能量節點可用于數據轉發、數據查詢、數據融合、遠程通信和全局路由維護等高耗能應用場合;低能量節點用于事件檢測、目標定位和局部路由維護等低耗能應用場合。這樣,將不同的應用按照節點不同的能力合理分配,使節點能充分發揮各自優勢,以應付大規模網絡情況,并有效提高整個網絡的生存時間。層次路由主要包括兩個層次的路由:一是用于選擇簇頭節點,二是用于路由選擇。LEACH(low-energy adaptiveclustering hierarchy)是一個提出較早的基于分簇思想的WSN層次路由算法。與傳統網絡固定網關節點能量較充足相比,WSN中的節點能量有限,故不能用同定簇頭節點作為網關。LEACH從WSN中隨機選擇少數節點作簇頭,考慮到網絡中各節點能耗的平衡性,讓其他沒有做過簇頭的節點輪流作為簇頭,使網絡不會因少數節點先耗盡能量造成網絡癱瘓。

LEACH算法分簇頭建立和穩定狀態兩階段,前者是LEACH算法實現的關鍵,后者是數據傳輸的保證。在簇頭建立階段,節點隨機選擇一個數值r (O<r<1),如果該隨機數r小于閾值T(n),則該節點成為這一輪的一個簇頭。用G表示最后的1/p輪中沒有被選為簇頭的節點集合,p表示簇頭節點濃度(如5%),則T(n)為:





LEACH的分簇機制可降低網絡的整體能耗,延長網絡生存時間;在簇內節點間采用TDMA編碼,在簇頭與基站間采用CDMA編碼,保證信息有效傳輸;數據采集和簇頭節點都是周期性的,網絡適合監測連續變化事件。

3 結束語

闡述無線傳感器網絡的網絡層,以路由算法作為研究主線,深入分析WSN的兩種路由算法。路由算法研究主要存在以下難題:(1)在網絡層或應用層進行數據融合,網絡層主要依靠路由算法協調,以丟棄冗余分組,降低節點能耗和提高數據轉發效率。(2)為保證數據傳輸的可靠性,盡量降低多路徑維護的開銷,算法不應太復雜。(3)對于WSN,除考慮節點靜止時的情況,節點移動性也需考慮。如果不是移動跟蹤節點,一般可在節點移動時關閉射頻通道。(4)路由算法應處理好節點間的協調,即使在節點數量較大時也能完成正常數據轉發,不會造成在短時間內失效。(5)對于節點數量較大的WSN,由于網絡拓撲分布的隨機性,可能出現某些關鍵節點能耗較多,而其他節點能耗較少,網絡負載不平衡。因此,有必要用路南算法加強網絡負載平衡性。(6)由于WSN的特殊性,必須考慮節點的能耗。因此,研究WSN路由算法,要盡可能降低節點能耗,以延長網絡生存時間。
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