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北京邮电大学工学硕士学位论文 无线传感器网络路由协议节能研究 摘要 无线传感器网络集成了微机电系统技术( m e m s ) 、无线通信技术、 嵌入式计算技术和传感器技术，具有十分广阔的应用前景。无线传感 器网络节点能量资源极其有限，其路由协议设计的首要目标是有效节 约能源，延长网络生命周期。 在分析研究现有典型路由协议的节能策略的基础上，针对定向扩 散传输探测数据时耗费能量过大的缺点，提出梯度能量阂值( g e t ： g r a d i e n te n e r g yt h r e s h o l d ) 无线传感器网络路由协议。 在兴趣扩散缓存、梯度形成更新、高速通路形成和数据传输机制 的基础上，梯度能量阈值路由协议( g e t ) 利用梯度能量阈值模块对 路由工作进行调配。在一定的时间范围内，能量低于阈值的梯度暂停 工作，能量高于这个阂值时，节点的梯度继续保留，减少梯度的数量， 降低探测数据的传输量，提高能量的有效性，延长网络寿命。研究表 明，网络运行时问、网络的节点数、梯度能量阈值和能量阈值持续的 时间，是影响g e t 协议耗能的主要性能参数。利用n s 2 软件，改变网络 运行时间、网络的节点数、梯度能量阈值和能量阈值持续的时间等， 对g e t 协议耗能进行了仿真实验。仿真结果表明：g e t 协议比定向扩散 协议消耗的能量更少，网络的能量有效性更优。 关键词无线传感器网络路由协议定向扩散梯度能量阈值节能 北京邮电大学工学硕士学位论文 t h er e s e a r c ho fe n e r g ys a n g s a b o u tt h er o u t i n gp r o t o c o lo f 、m r e l e s s s e n s o rn e t w o r k a b s t r a c t w i r c l e s ss e n s o rn 咖o r k ( w s n ) i sm a d cb yt h ec o n v e r g e n c eo f m i c r o - e l 咖m e c h a n i c a l t e c t l i l o l o g y ，w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n ， e m l ) e d d e d 僦洫l o l o g y 锄ds e n s o rt c 加o l o 黟i th 勰a 诵d ca p p l i c a t i o n f i l t i l r e hi sa 【t 瑚【o r d i n 耐l yl i m i t e di nr 豁0 u r c e t h ea 1 1 i m p o r t 锄ta i mo f d e s i 弘o fw s n i st or c d u c em eo v e r a l le n e 啦7d i s s i p 撕0 no fa l cn e 铆o i k a n dm a 】【i m i z et h en e 栅o r kl i f - e t i m e i nt h i sp a p t h e e 玛y s a v i n gs 铽e g yo f r o u t i n gp r o t o c o l i sa n a i y z e d t 0i m p r o v e 唱ys a v i n g so f 廿1 e d i r c c t e dd i 髓s i o n ( d d )o nt l i n f o r m a t i o n0 f l h ed a t ao f e x p l o r 呶觋at o u t i n gp f 0 1 d c o lo fw s n ( g e t ： ( 1 髓d i e n te n e i ? g y1 卫i r e s h o l d ) i sp i 0 d u c o d b 勰e do nt h ei n t e r e s t 呻p a g a t i o n 锄dc a c h c ，f a d i 即t 删i o na n d u p d a t c ，g o o dp a t h l e c t i 弛dd a t ap r o p a g 撕。玛m a b n gu o f t h e 伊a d i e n tc n e f g yt h r e s h o l d 舳lt h er o u t t h e 鲈a d i e n tp 觚s 、地 m et h r e s h o l do f 也e e n e r g yi sb e l o wt h es c tv a l u e re d _ u c 鹤t h ea m o 吼t 0 f t h ei n f o m a t i o no ft h ee x p l o r a t o r y 锄d 鞠v 髂t h e e 理yt oi n c r e a m e l i f 敏i m eo ft h en e t w o r k t h er e s e a r c hp r 0 懿m a tt h et i m e ，t h en u m b c fo f n o d 鹤，t h e 恤础o l do f 印e r g ya n dt h ei n t e n r a lo f t i n l eo f t l l et h j e s h o l d a 虢! c tm ep c r f 0 衄锄c eo f 也ec n e r g ys a “n g s s i 咖l a t e 也ep e 响m 1 锄c e o f m er o u t i n gp r o t o c o lo f g e tu n d c rt h en s 2 t h es i m u l a t i o ni sc a 卿n g o u tw h t h en um _ b e ro f n o d e s ，t h et h l c s h 0 1 do f e n e r g y 柚dt h ei n t e r v a lo f t i m eo fm et h r e s h o l da r ea l t e d c d t h er e s u l tp r o v e sm a tg e ta c h i e v 豁 e n 鹕ys a v i n g sc o m p 删w i mm cd d a n di n 渊e st h el i 触i m eo f m e n e t w o r k k e yw o r d s ：晰r e l e s ss s o rn 咖。比r o u t i n gp m t o c o l ，d i r o c 同 d i 航s i o n ( d d ) ，g r a d i e n te n e f g y s h o l d ( g e t ) ，e n 昭s a v i n g s 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知。除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢 意 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：巍趁& ! 日期：立型：! ：竺 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即；研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文( 保密的学位 论文在解密后遵守此规定) 非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书 本人签名：煎塑!日期：i 塑z ：! ：丝 导师签名：二盈i ! 整日期：2 竺z ! ! 竺 北京邮电大学工学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 无线传感器网络是随着无线通信技术、微机电系统、传感器技术和嵌入式技 术发展而出现的。它具有感知能力、计算能力和无线通信能力【l 】在无线传感 器网络中，互连的传感器节点分布在监测区域内，依据不同的应用目的，传感器 节点装备一个或多个、一种或多种传感单元，检测包括温度、湿度、噪声、光强 度、压力、土壤成分和移动物体的种类、大小、速度及运动方向等感兴趣的物质 现象，并在网络中完成数据处理和信息融合，最后传输给用户 无线传感器网络的研究发展起源可以追溯到1 9 7 8 年由美国d a 艘a 资助的 在卡耐基梅隆大学举行的“分布式传感器网络论坛”，军事监测系统的需要致 使人们开始研究传感器网络中通信和计算的协调关系。在无线传感器网络有一些 典型的研究项目，如：w 玳s 田、p i r a d i o 、p j 址口s 、s p 一引、l e a c h 【4 】、s m a r t d u s t 、酬e c t 等。 加州大学伯克利分校还专门研制开发了一个传感器操作系统m n yo s 。 在上个世纪对无线传感器网络的研究已经取得了一定成果，但是离实际应用 需求还差得很远。鉴于传感器网络的广阔应用前景和产业价值，在全球引发了针 对无线传感器网络的新一轮研究高潮。 目前，无线传感器网络在军事运用、环境监测、医疗健康和商业运用领域都 有广泛的运用。 ( 1 ) 军事运用。提前获取信息和分析信息是未来战场和指挥的关键。传感 器网络具有自组织、隐蔽性强和高容错性的特点，能够建立起集通信、计算、侦 查和定位为一体的职能网络，从多个角度全方位综合监测战场区域内的信息，具 有其它传统网络所不可以比拟的优势。 ( 2 ) 环境监测。由于环境监测具有广泛性的特点，因此不可能通过传统监 测方式达到全面采集数据的目的，而无线传感器网络具有监控范围大，采集数据 准确等优点，为野外随机的研究数据提供了方便。 ( 3 ) 医疗健康。为了实时监测病人的身体，可以在病人的身体内装入特定 的传感器以监视身体的重要参数，如心率、血压、血糖和体温等。 ( 4 ) 商业运用。无线传感器网络可以实现工作环境智能化管理。利用传感 器对人们所处的环境实时监控和反应人们自身行为进行感知，然后通过计算机， 根据人们的活动进行帮助。如嵌入式智能家电能够根据与互联网和无线传感器网 络相连的计算机系统而提前为人们准备好各种服务，使人们生活的更加舒适、有 效率。 北京邮电大学工学硕士学位论文 另外，无线传感器网络在空间探索和智能交通等方面也有着重要的运用。如 汽车雷达和道路监控可以根据道路状况实时给车辆提供到达目的地的最佳路径。 1 2 无线传感器网络遇到的挑战 第一，通信能力有限。无线传感器网络的通信的覆盖范围只有几十到几百 米。传感器之间的断接频繁，经常导致通信的失败。经常受到高山、建筑物、障 碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然因素的影响，如何在有限的通信能力下高质 量地完成感知信息的处理和传输，是我们面临的挑战。 第二，能量有限性。由于传感器节点体积微小，电源极其有限。能量有限性 是制约无线传感器运用的严重问题。因此采取有效的策略延长网络的生存寿命是 无线传感器网络的核心问题，能量效率的设计准则贯彻在无线传感器网络的硬 件、软件、算法和协议等各个层面【5 1 。如何在网络的工作过程中节约能量，是我 们面临的又一个挑战。 第三，计算能力有限。传感器节点中的传感器具有嵌入式处理器和存储器。 这些传感器都具有计算能力，可以完成一些信息处理的工作。但是，由于嵌入式 处理器和存储器的能力和容量有限，传感器的计算能力十分有限。如何使用大量 具有有限计算能力的传感器进行分布式信息处理，是我们面临的第三大挑战。 第四，传感器的数量大、分布的范围广。这个特点使得网络的维护十分困难 甚至是不可维护，传感器网络的软硬件都必须具有高健壮性和容错性，这是我们 面临的第四大挑战。 第五，网络的动态性强。网络中的节点和用户节点都具有移动性的特点，并 且会因为节点加入和节点失效，使网络具有动态性。网络必须具有自身调整的功 能。这是我们面i f 缶的第五大挑战。 第六，感知的数据量大。网络感知巨大的数据流，节点的计算和传输数据的 能力极其有限，因此，需要强有力的数据分析、处理和融合。这是第六大挑战。 1 3 本文的主要工作 本文的主要工作分为以下几个方面： 第一，以网络结构为基础来划分路由协议，分析总结各个典型路由协议的特 点和传感器网络路由协议的节能策略，为新的路由协议的提出奠定了基础。 第二，重点研究了定向扩散协议工作原理，节能机制。在定向扩散协议工作 原理的基础上，借鉴各个协议的优秀思想，根据定向扩散协议的不足，提出梯度 能量阈值( g e t ：g r a d i e n te n e r g yt h r e s h o l d ) 无线传感器网络路由协议。 第三，详细阐述了g e t 协议的工作原理，实现机制，分析了影响协议耗能的 性能参数。利用n s 2 仿真工具，对g e t 协议性能进行仿真。仿真结果表明，和定 2 北京邮电大学工学硕士学位论文 向扩散协议相比，g e t 协议更加有效利用了能量，节能性能更好。 3 北京邮电大学工学硕士学位论文 第二章无线传感器网络概述 2 1 无线传感器网络的体系结构 在物理上，分布在监测区域内的无线传感器网络一般是由成千上万的传感器 节点( s 锄s o r n o d e ) 和一个( 或多个) 用户节点( d a t as i l l l 【) 组成的( 见图2 1 ) 传感器节点感知物质对象，采集原始数据，并通过在网计算，完成信号协同处理 或数据融合，最后把信息传递给用户节点。用户节点可以连接外部网络，向外提 供数据或接收外部网络的指令；用户节点也可以向传感器节点指派任务，如；查 询和启动网络初始化进程等等。在有的应用场合，允许存在少量传感器节点移动， 以加强网络连通性和数据采集完整性，或者其他特殊用途等等。 监测区域 图2 1 无线传感器网络的结构组成 最基本的传感器节点应由电源及电源管理单元、传感单元、中心处理器、存 储器、无线通信单元和软件组成【6 】，如图2 2 所示。 图2 2 无线传感器网络节点图 5 北京邮电大学工学硕士学位论文 2 2 无线传感器网络的网络拓扑 无线传感器网络的不同应用有着不同的信号协同处理或数据融合【1 ( d a t a f u s i o n ) 方式，相应地，无线传感器网络的网络拓扑也会不同。无线传感器网络 最基本的网络拓扑可以分成三种( 见图2 3 ) ：基于簇( c l u s t c r ) 的分层立体结构 【4 8 ，9 、基于网( m e s h ) 的平面结构【1 1 ，1 2 1 和基于链( c 胁i n ) 的线结构【1 3 1 。 口用户节点0 传感器节点链尾节点簇头节点一一无线链路 乌 簇状结构网状结构链状结构 图2 3 无线传感器网络拓扑结构图 2 3 无线传感器网络性能评价指标 无线传感器网络与a d h o c 网络相比，有着明显不同的设计目标、技术要求 和应用要求。后者注重在高度移动的环境中通过优化路由和资源管理策略，最大 化带宽的利用率，同时为用户提供一定的服务质量。而在无线传感器网络中，除 了少数节点可能移动外，大部分节点都是静止的( 有的无线传感器网络可能没有 移动节点) 。无线传感器网络通常运行在远程环境中，传感器节点的能源无法补 充更新；即使无线传感器网络工作在友好的环境中，对数量巨大的传感器节点进 行电池更换也是不现实的。因此采取有效的策略延长网络的生存寿命是无线传感 器网络的核心问题，能量效率的设计准则贯彻在无线传感器网络的硬件、软件、 算法和协议等各个层面【卯。所以在设计无线传感器网络时必须考虑如下的性能指 标： ( 1 ) 能量效率和生存寿命。在无线传感器网络的设计中，不但要考虑硬件、 软件算法和通信协议等各个层次的能量效率，还要考虑网络全局的能量效率和业 务负载均衡，进而延长网络的生存寿命。 6 北京邮电大学工学硕士学位论文 ( 2 ) 响应时间。无线传感器网络的响应时间是指用户发出请求到收到网络 响应所需的时间。影响网络响应时间的因素包括网络规模、无线通信信道的质量、 数据协同处理算法和通信协议等等。 ( 3 ) 感知精度和容错性。无线传感器网络的感知精度是指用户收到的感知 信息的精度。这个感知精度应该能包容一定的差错，如网络覆盖问题( 传感器节 点分布不均匀) 和个别传感器节点因通信链路问题或自身问题不提供数据或提供 错误数据。 ( 4 ) 信息安全。无线传感器网络的安全是指网络自身应该能阻止或避免电 子攻击和电子欺骗。特别是在军事上和涉及个人隐私应用的时候，无线传感器网 络必须保证在其受到故意攻击时能够正常地工作，信息不会被窃取，所提供的信 息保持完整性。 ( 5 ) 可扩展性无线传感器网络的可扩展性主要是指网络覆盖区域的增大 和传感器节点数量的增补等可扩展能力 ( 6 ) 传感器节点应当体积小和成本低。体积小可以方便无线传感器网络的 布置，同时也不会过多地影响所要感知的物理环境。因为无线传感器网络的规模 通常都非常巨大，节点众多，低成本将有助于无线传感器网络被更广泛地应用。 2 4 无线传感器网络的通信协议栈 分层的网络通信协议由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成。 传感器网络采用的传输媒体主要有无线电、红外线、光波等通信协议栈如图 2 4 所示。各层协议和平台的功能如下：物理层提供简单但健壮的信号调制和无 线收发技术：数据链路层负责数据成帧、帧检测、媒体访问控制和差错控制；网 络层主要负责路由生成和路由选择；传输层主要负责数据的传输控制，是保证通 信服务质量的重要组成部分；应用层包括一系列基于监测任务的运用层软件。 7 北京邮电大学工学硕士学位论文 围2 4 通信协议栈图 2 5 无线传感器网络路由协议特点 路由协议负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点，它主要包括两 个方面的功能：寻找源节点到目的节点的优化路径，将数据分组转发沿着优化路 径正确转发。传统的无线网络( a d h o c ，无线局域网等) 的首要目标是提高服务 质量和公平高效地利用网络带宽，这些网络路由协议的主要任务是寻找源节点到 目的节点间通信延迟小的路径，同时提高整个网络带宽的利用率，而能源问题不 是考虑的重点。在无线传感器网络中，节点的能量有限且一般没有能量补充，因 此无线传感器网络需要高效利用能量。传感器网络具有很强的运用相关性，不同 运用中的路由协议可能差别很大，没有一个通用的路由协议。此外，传感器网络 的路由机制经常与数据融合技术联系在一起，通过减少通信量而节省能量。因此， 传统的无线网络的路由协议不适用于无线传感器网络。 与传统的路由协议相比，无线传感器网络的路由协议具有以下特点： 第一，能量优先。无线传感器节点的能量有限，延长整个网络的生存期成为 无线传感器网络路由协议设计的重要目标。 第二，基于局部拓扑信息。无线传感器网络为了节省通信能量，通常采用多 8 北京邮电大学工学硕士学位论文 跳的通信模式。而节点的计算资源和存储资源有限，使得节点不能存储大量的路 由信息，不能进行复杂的路由计算。在节点只能获取局部的拓扑信息和有限资源 的情况下，如何实现简单高效的路由机制是无线传感器网络的基本问题。 第三，以数据为中心传统的路由以地址作为路由的依据，而无线传感器网 络中，只是关注监测区域内的信息，而不是具体哪个节点的信息以数据为中心 形成数据转发的路径。 第四，运用相关。传感器网络的运用千差万别，没有一个路由机制适合所有 的场合。设计者需要根据特定的运用，设计与之适应的相关的路由协议。 2 6 本章小结 无线传感器网络由成千上万节点组成，针对各种运用场所，采用不同的网络 拓扑结构。各个节点需要协同工作，因此，需要通信协议来协调各个节点的工作， 完成数据的传输。 无线传感器网络经常放置在无人看管的环境中，并且传感器节点体积小；无 线传感器网络的能量无法更新和能量有限性，决定了无线传感器网络的能量很受 限制。因此，在设计无线传感器网络中，节能贯穿于硬件和软件设计的各个层面。 在无线传感器网络中，源节点和用户节点之间的数据通信需要一定的路由协 议。路由协议在无线传感器网络中具有重要的作用。因此，研究和解决无线传感 器网络的路由技术问题，对无线传感器网路的发展和运用，具有重要的意义。 9 北京邮电大学工学硕士学位论文 第三章无线传感器网络典型路由协议节能分析 3 1 无线传感器网络路由协议分类 路由协议负责在目标节点和其余节点间传输数据，并且无线传感器网络和具 体运用密切相关，因此学术界研究了众多的路由协议。根据不同分类的标准，路 由协议有很多种不同的分法。 根据路由发现策略的不同可分为： ( 1 ) 主动路由：主动路由和传统的路由协议相似，其节点通过周期性地广 播路由信息分组，交换路由信息，主动发现路由。优点是时延小；缺点是路由的 开销大，如果拓扑结构变化快的话，会导致路由的浪费 ( 2 ) 被动路由：被动路由也叫按需路由，仅在没有去往目的节点的路由时 才“按需”进行路由发现优点是不需要周期性的路由信息广播；缺点是发送数据 时，如果没有去往目的地的路由，需要等待路由发现从而会导致数据传输的延时 根据网络的结构( n 咖嘞r l 【m u c t i 聪) 不同可分为： ( 1 ) 平面( 结构) 路由( f l 砒n 吣叼r i 【埘l t i n g ) ：平面结构路由是指网络中节 点在路由功能上地位相同的路由。其优点是没有特殊的节点，网络流量均匀地分 散在网络中，路由算法易于实现；缺点是可扩展性小，在一定程度上限制了网络 的规模。 ( 2 ) 分层路由饵i 翎玳艟c a l 鹏 啪r k r o u 吐n 曲：分层路由是采用分簇概念对传 感器网络的节点进行层次划分的路由。分层路由包括成簇协议、簇维护协议、簇 内路由协议、簇问路由协议四个部分。 ( 3 ) 地理位置路由( l 挑a t i b a s e d 咖l 血g ) ：是指需要g p s 定位系统来确定 节点的地理位置的路由，其特点是系统的开销比较大。 根据协议的操作方式( p r o t 0 斌o p e r a t i o n ) 不同可分为1 1 4 】： ( 1 ) 以协商为基础的路由( n e 9 0 t i a l i b 鹪e df o t 痂1 曲和非以协商为基础的 路由：根据在路由的建立和数据传输过程中是否采用协商的机制，可分为以协商 为基础的路由和非以协商为基础的路由。 ( 2 ) 单路径路由和多路径路由( m 1 1 l 虹- p a t l l b 舔c d r o u t i i l g ) ：根据传输过程中 采用的路径多少，可分为单路径路由和多路径路由。单路径路由节约存储空间， 数据通信量少，但是路径的容错能力和健壮性差；多路径路由容错能力强，健壮 性好，并且可以从众多的路径中选择一条最优的路由 ( 3 ) 查询为基础的路由( q u e r y b 够e d r o i | _ 曲曲和非查询为基础的路由：根据 在目标节点是否发送为获取数据查询的信息，分为查询为基础的路由和非查询为 基础的路由。 北京邮电大学工学硕士学位论文 ( 4 ) 保证q o s 路由协议( q o sb 鹊e dr o u t i n g ) 和不保证q o s 路由协议：根据 路由选择时是考虑q o s 约束，可分为保证q o s 路由协议和不保证q o s 路由协议。 o o s 路由协议在路由建立时考虑时延，丢包率等q o s 参数。 ( 5 ) 一致性路由( c o h 础t b 勰e d r o l n i n g ) 和非一致性路由：根据是否经过最 少的数据处理分为一致性路由和非一致性路由。一致性路由中，经过最少的数据 处理，比如对相同数据的压缩等，再到融合节点融合。非一致性路由中，在本地 进行数据处理后，再将数据转发给融合节点融合数据。 上述分类如图3 1 所示： 图3 1 无线传感器网络路由分类 无线传感器网络的路由协议目前正是国内外研究的热点，各种路由协议在不 同的应用环境中各有其优缺点。本文简要介绍其中一些典型的路由协议，分析这 些协议的基本原理。下面以网络结构为基础来划分路由协议，并阐述各种典型协 议的特点。 3 2 平面路由协议 3 2 1 洪泛协议 洪泛算法是一种较简单的路由实现方法，它不需要维护网络的拓扑结构和路 由计算。源节点向其所有邻居节点广播数据分组，接收到数据分组的节点以广播 形式也向它的所有邻居节点转发这个数据分组，这个过程重复进行，直到数据分 组到达目标节点，或者到达预先设定的最大通信跳数。很显然，洪泛算法的实现 非常简单，无需路由发现和路由计算，而且路由非常强壮；但也存在消息的爆炸 1 2 北京邮电大学工学硕士学位论文 问题和重叠问题等固有缺陷。 消息爆炸问题是指一个节点多次收到同一个数据分组的现象，如图3 2 所示。 节点d 分别从节点a 、b 和c 收到同一个数据分组三次。 图3 2 消息爆炸问题 消息重叠问题是指处在同一观测环境中的两个或多个相邻同类型的传感器 节点同时对一个事件做出反应，它们采集的数据性质相同，数值相近。如图3 3 ， 节点c 收到的来自节点a 和节点b 的两个数据分组可能是本质内容相同的数据 s ，这就是消息的重叠现象。 图3 3 消息重叠问题 洪泛算法中数据盲目传送，造成能量巨大浪费，因此它只适合节点较少的无 线传感器网络使用，或者被其它路由算法暂时调用。 改进的算法：闲聊法( g o s s i p i l l g ) 【1 习是洪泛算法的改进版本。为节约能量，闲 聊法使用随机性原则。一个节点发送数据，不再象洪泛法那样，给它的每一个邻 北京邮电大学工学硕士学位论文 居节点发送数据副本，而是随机选择某一个邻居节点，向它发送一份数据副本。 如果一个节点已收到它的邻居节点b 的数据副本，若再次收到，那么，它将此 数据发回它的邻居节点。 尽管闲聊法可避免出现信息爆炸问题，但是仍然无法解决部分重叠现象和盲 目使用资源问题，而且数据传输平均时延拉长，传输速度变慢。 3 2 2 基于协商的传感器路由协议 传统的数据传输( 如经典的f l o o d i n g 和g o s s i p i l l g 协议) 存在信息爆炸、交 叠和资源盲目性的问题。s p i n 【3 】( s e n s o r p r o t o c o l s 矗) r i n 缸m a t i o nv i a n e 留0 a t i ) 是一组基于协商的平面路由协议。s p i n 协议以数据为中心的路由算法，通过协 商机制来解决洪泛算法中的消息爆炸和重叠问题。为了避免出现扩散法的信息爆 炸问题和部分重叠现象，传感器节点在传送数据之前彼此进行协商，协商制度可 确保传输有用数据。节点间通过发送元数据( 即描述传感器节点采集的数据属性 的数据，m e t a _ d a t a ) ，而不是采集的整个数据进行协商。由于元数据大小小于采 集的数据大小，所以，传输元数据消耗的能量相对较少。 传感器节点仅广播所采集数据的描述信息( m c t a - d a t a ) ，当有相应的请求时， 才有目的地发送数据信息。s p 玳协议假定网络中所有的节点都是潜在的用户节 点( s i l l k ) ，因此它把每个传感器节点的信息传播到任何一个传感器节点，这使得 用户节点只要查询任何一个传感器节点，就能立即得到想要的数据。 s p 酣协议中有三种类型的消息：公告( a d v ) 、请求( r e q ) 和数据a ：】f a ) 。 一个传感器节点在发送一个数据分组前，首先广播a d 分组给它的所有的邻居， 表示自己有数据要发送，其中包括d a l 隗的描述符( 第l 步) ；如果它的一个邻 居节点对这个数据感兴趣，先检查其是否已经有该分组，没有就向它发出一个请 求分组( 第2 步) ；源节点在收到请求分组后，就把数据分组发送给请求节点( 第 3 步) 。这些邻居节点重复以上过程( 第4 、5 、6 步) ，最后数据分组传遍网络中 的所有传感器节点。s p i n 协议的工作过程如图3 4 所示。 和洪泛协议相比，s p 小协议要节省能量耗费，也解决了消息爆炸问题。协 议比较简单，节点仅需知道它的邻居节点的信息，无需知道整个网络的结构。但 在有些具体应用中，它的公告机制不能保证数据的传递。例如：对源节点数据感 兴趣的节点可能远离源节点，而它们之问的中间节点对这个数据又不感兴趣，就 不会发出请求分组，那么源节点的数据就根本传不出去，因此s p i n 存在应用局 限性。 1 4 北京邮电大学工学硕士学位论文 露。尚 l n 川v o 。 o o 厂、r e q 厂、 ou 刊 n u ( 2 ) o o n d a t a 天 u o ( 3 ) o 图3 4s p i n 协议的过程 s p 玳2 是对上述s p m 协议的改进，在协商中增加了基于能量阈值感知的机 制。仅当执行协议三个阶段后其能量不低于阈值时，才参与协议的操作，但不影 响接收数据。 s p 矾协议采用协商机制，避免出现扩散法的信息爆炸问题和部分重叠现象。 减少了数据的传输量，节约了能量。 3 2 3 定向扩散协议 定向扩散协议的包括兴趣扩散，梯度建立和路径的加强三个基本的步骤，它 基本操作过程如图3 5 所示，下文将会对定向扩散的工作机制进行详细的介绍。 晰 貉 晰 并薷 晰 靛 图3 5 定向扩散原理图 定向扩散( d i r c c t 。dd i i ) 协议【1 1 1 习是一个基于数据的、查询驱动的按 需路由协议。该协议用属性对命名数据。为建立路由，s i i l l 【节点洪泛n o o d i i 培包 岫夕旧 北京邮电大学工学硕士学位论文 含属性列表、时间间隔等信息的查询请求n e r 鼯t 。中间节点按需对各h n e 嘲t 进 行缓存与合并，并根据h i c 盯e s t 计算、创建包含数据传输率、下一跳等信息的梯 度( g r a d i e m ) ，从而建立多条指向s i i l l 【点的路径。目标区域内节点则按要求启动 监测任务，并周期性地上报数据，中间各节点可对数据进行缓存与聚合。在网络 中，采用数据融合机制减少数据通信量；使用查询驱动机制按需建立路由，避免 了保存全网信息。但是，兴趣扩散的过程中，芦a d i e n t 的建立和维护开销较大， 网络的负担较重。定向扩散协议在梯度的基础上建立了高速的通路，在兴趣扩散 和数据传输阶段进行了数据融合，是一种较为高效的路由协议。 3 2 4 谣传路由协议 定向扩散协议使用洪泛查询整个网络，在只有少量的数据被请求时，使用 洪泛方式没有必要。谣传路由协议r l 蛐o r 彻m n g 【m 】是为了克服定向扩散协议中 的洪泛开销大的问题，适用于数据传输量较小的传感器网络。r l 姐o r 砌坩n g 的 基本思想是事件( e v e m ) 域中的节点发出代理( a 鲫t ) 报文，代理报文沿随机路径 向外扩散传播，同时汇聚节点发送的查询报文也沿随机路径在网络上传播。当 代理报文和查询报文的传输路径相交，就会形成一条汇聚节点到事件域的路由， 如图3 6 所示。 事件区域发起路径： 节点：o 查询路径：日 图3 6 谣传路由原理图 谣传路由克服了定向扩散协议的洪泛方式开销大的问题。与s p i n 和定向扩 散协议不同，当代理报文和查询报文的传输路径相交，就会形成从监测区域到用 户节点的唯一的路径。避免了s p i n 和定向扩散维护多条路径的问题，高效利用 能量。 1 6 北京邮电大学工学硕士学位论文 3 2 5 最小代价路由协议 最小代价路由m c f a 协议【l 刀( m i l l j m 咖c o s tf o 删a r d i n g g 嘶埘) 是由y e 等人提出的。该协议思想与很多协议的思想相同，以跳数或能耗作为代价参数， 最终达到最小化代价的目的，其特点是每个节点可以知道它到s i l l l 【节点的最小的 代价路径。在初始阶段，s i 玎1 【节点将自身代价设为o ，其余节点都将自己到s i i l l 【 节点的代价设为m 。s i n l 【向网络广播包含自身代价的a d v 消息，消息在网络中传 播扩散。当节点n 从节点m 接收到包含m 代价的a d v 消息时，知道有一条经m 到 s i l l l 【点的路径，代价为l 盯屺n m ，其中l m 为m 到s i l l l 【点的代价，c n ，m 为n 到m 的 代价。设当前n 到s i n k 点的代价为b ，如果l 盯屺mm l n ，那么就不更新b 的值在这个过程中，有些节点的代价值 会被更新几次。离s i n k 节点的距离较远的节点更新代价的次数比那些离s i i l k 节点 较近的节点的更新次数要多；为了避免这种情况，m c f a 采用了一种算法，设定 一个定时器，当这个定时器的时间到达一定的值时才允许节点的代价值被更新。 采用最小代价的路由方式传输数据，节约了能量。 3 2 6 基于梯度的路由 基于梯度的路由协议g b r 【”】( g f a d i e n t b 鹤c dr 0 砸n g ) 是d i r e c t c dd i 觚i 雌 协议的改进，在触e r c s t 传播的过程中记录了节点所经过的跳数，可计算出每个 节点到s i n l 【节点的最小跳数( h 0 p ) 这样，可以计算出每个节点的高度( i i e i g h t ) ， 也就是每个源节点到达s i i l l 【节点的最小的跳数。将节点的高度和其邻居节点的 高度差定义为节点的梯度( g f a d i e m ) 数据在梯度最大的方向传输。 根据节点间的梯度值的不同，节点采用三种方式进行数据的转发：第一，当 节点发现与自己相邻的多个节点问的梯度值最大并且相等，无法判断哪个节点的 梯度更大一些时，采用随机的算法选择一条邻居路径( 同g o s s i p i l l g ) 。第二，采 用基于能量的机制。当节点的高度增加时，它的能量值降低，其它传感器节点采 用不积极的方式从这个节点发送数据。第三，基于数据流的机制。当新的数据流 从当前的节点通过时，其他的数据流选择路径时，就不选择这个节点。 以上的机制作用的结果是使网络的运行时可以平衡流量，以此来延长网络的 寿命。g b r 算法在运行的过程中，耗能的整体性能优于定向扩散协议。 3 2 7 能量感知路由协议 e a r 协议【1 9 】( e n e r g = p a w a r o u 血g ) 和定向扩散协议相近，其目标是网 络节点比较均衡地消耗能量，使网络寿命延长。e a r 路由在源节点和目标节点 之间建立多条路径。根据节点传输数据所需的能量来确定路径选择的概率，也就 是根据能量因素给每条路径赋予被选择使用的概率。在网络的运行过程中，保持 这些路径，并且根据这个的概率来选择一条路径。这样就没有一条路径一直传输 1 7 北京邮电大学工学硕士学位论文 数据，因此可以防止能量的耗尽。能量感知路由分为三个阶段：第一，兴趣传播 阶段。通过洪泛路由算法，发现从源节点到目的节点的所有的路径和它们的能量 信息，计算每条路径选择概率，建立路由表。第二，数据传输阶段。基于概率选 择路径，转发从源节点到目的节点的数据。第三，路由维护阶段。通过频繁地从 目的节点到源节点的洪泛查询，维护所有路径的活动性。 e a r 根据剩余能量的多少选择哪条转发路径。因此，e a r 算法比定向扩散 算法节能。它的缺点是在网络的运行过程中，节点必须知道自身的地理位置信息， 所以e a r 算法比定向扩散算法复杂。 3 3 分层路由协议 3 3 1 低功耗自适应集群分层协议 l 队c h ( l o we n e r 舒a d a 鲥v cc l u s t e f i n gh i e m r c h y ) h 9 1 0 l 算法是基于簇的分 层路由算法，是第一个在无线传感网络中提出的层次式路由协议。其后的大部分 层次式路由协议都是在它的基础上发展而来的。u ! a c h 节约能量的主要原因就 是它运用了数据融合技术和分层技术，通过数据融合来减少发送的数据量，从而 延长网络的寿命。 执行过程是周期性的，引入轮的概念。每轮又分为簇的建立阶段和数据通信 阶段。第一，簇的建立阶段。网络随机产生簇头，形成簇。这个簇节点向周围广 播信息，其它节点根据收到的广播信息的强度来选择它所要加的簇类，并告知相 应的簇类首领。第二，簇的通信阶段。节点持续采集监测数据，并将数据传送到 簇类首领，也就是簇头，由簇类首领( 簇头) 对数据进行必要的融合处理( 以减 少发送的数据量) ，再将数据发送到终端用户节点。下一轮工作周期中重新选择 簇类首领( 簇头) 。簇的形成如图3 7 所示。 为了均衡节点的能量，传感器节点轮流担任簇头。也就是说，每一轮的簇头 节点都不是相同的，所有的节点都有理论上均等的机会充当簇头节点，最佳的簇 头数为总节点数的5 。 利用动态簇头选择机制可以避免单个簇头能量过快耗尽，这样就不会因为单 个节点的能量耗尽使整个网络瘫痪。l e a c h 采用分层的机制降低了网络的整体 的耗能，延长了网络的生成时间。 在l e a c h 的另一种扩充协议【4 】中，采用和s p i n 相似的协商机制，在数据 信息中加入数据的描述性的数据元，只有当收到的数据是新的数据时，才发送到 簇头，并且转发给目标节点。 北京邮电大学工学硕士学位论文 图3 7 簇形成图 3 3 2 阼g 脑i s 协议 p e g a s i s 口o w * e 街d e n tg a n 嵋r i n gi ns 饥s o rh f o 珊a t i 伽s y s t 锄旧) 协议由 u a c h 协议改进，是基于链的能量有效协议。该协议的基本思想是：利用算法 形成一条数据传输链，所有的数据都沿着该链传输到簇头首领，簇头首领将数据 进行融合后再将数据传给用户节点。 一 p e g a s i s 算法有两个主要的目标：第一，采用节点协作机制来节省网络节 点的能量。第二，仅仅在本地的节点之间相互传输数据，从而可以减少网络利用 的带宽。p e g a s i s 算法和u 弧c h 算法不同的是，p e g a s i s 算法避免簇的形成 步骤，并且，仅仅利用链中的一个节点和用户节点通信 p e g a s i s 算法的链由最近的邻居节点所组成，并且形成一条到用户节点的 路径。链中的每个节点都可以将经过数据融合后的数据传输到用户节点。 p e c 漶s i s 算法链的示意图如图3 8 所示。 p e g a s i s 算法可以延长网络的寿命，它的网络寿命可以达到l e a c h 算法 寿命的两倍。这种能量的减少来自于p e ( 认s i s 算法避免了u 执c h 算法中周期 性地更换簇头节点和形成簇的开销，并且采用数据融合机制减少了数据传输和接 收的数量。但是，这样会造成簇头首领节点的能量耗费过快。如果想防止能量耗 费过快，可为其加入能量阈值参数，并且节点需要感知邻居的能量值。当簇头首 领节点的能量低于某个设定的值时，就重新形成链路。 1 9 北京邮电大学工学硕士学位论文 图3 8 链式示意图 3 3 3t e e n 协议 t e e n 协谢1 0 1 ( 皿r e s h o i d - s e n s i t i v ee n 髓g ye f f i c i tp r d c o l s ) 是一个层次路 由协议，利用过滤方式来减少数据传输量。该协议采用与l e a c h 协议相同的分 簇方式，但簇头根据与s i n l 【点距离的不同形成层次结构。图3 9 表示了t e e n 协议中分簇构成的层次结构。 j ， i ，| 、 7 。，： ，淹。 ， s i m p l e s e n r n o d e f i 玛tl w e ic l u s t e rh e a d - 卜s o n dl e v e lc l u s t e rh e a d 3 9 分层路由的图形 簇形成后，s i l l l ( 点通过簇头向全网节点通告两个门限值( 分别称为硬门限和 软门限) 来过滤数据发送。在节点第一次监测到数据属性值超过硬门限时，节点 向簇头上报数据，并将当前监测数据属性值保存为监测值( s s c dv a l 船，简称 s v l 。此后，节点在满足以下的条件时，才向簇头节点发送数据：第一，前监测 到的数据属性值大于硬门限值。第二，前监测到的数据属性值和s v 之差大于或 者等于软门限值。只有当上述两个条件满足时，节点才向簇头节点发送数据。 北京邮电大学工学硕士学位论文 该协议通过利用软、硬门限减少了数据传输量，并且在能量的效率和数据准 确率之间平衡。当簇头节点变化时，上述的门限参数值也变化，并且门限值可以 调整。这个协议的最大的缺点是，当节点没有收到门限的信息时，节点将不进行 通信，用户节点将收不到任何的数据信息。t e e n 协议采用软门限和硬门限的方 式，较少数据的传输量，节约了能量，延长了网络寿命。 3 3 4t t d d 协议 1 1 d d 协议l 刎( 1 w o t i 盯d a i ad i s s 锄i n a t i ) 是一个层次路由协议，主要是 解决网络中存在多s i i l i 【节点及s i l l l 【节点移动的问题。在t t d d 协议中，每个数 据源节点构造一个格状网结构，转发数据到几个移动的用户节点，假设传感器节 点是静止的，并且每个节点的位置是已知的。在”d 协议中，节点是静止不 动的，但是用户节点是运动的。 s i n l 【节点发送经过两层才达到源节点。第一层节点是s i n l 【格状网，因此又 叫单元较高一层是发散节点( 转发数据时的中间节点) 组成的网状格的交叉节 点组成。当多个源节点探测到事件发生时，选择其中的一个节点作为发送数据的 源节点，源节点以自身作为格状网( 鲥d ) 的一个交叉点构造一个格状网。源节点 先计算出相邻交叉点位置，利用算法请求最接近该位