无线传感器路由协议-论文.doc

2 无线传感器路由协议分类无线传感器网络路由协议的分类基本上延续了传统Ad hoc网的分类方法，根据不同的角度可以进行不同的分类。根据路由发现策略的角度，可分为主动路由和被动路由两种类型;根据网络管理的逻辑结构可将路由协议分为包括泛洪、SPIN、SAR和定向扩散在内的几种平面路由协议和包括 LEACH、TEEN、PEGAGIS和多层类聚算法在内的分层路由协议两类。(1)、主动路由：也叫表驱动(Table Driven)路由，主动路由的路由发现策略与传统路由协议类似，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，同时，节点必须维护去往全网所有节点的路由，也就是说在主动式路由协议中，网络中的所有节点都常常保持着源地址与目的地址之间的路由列表，不管是否需要这些路由。它的优点是当节点需要发送数据分组时，只要去往目的节点的路由存在，所需的延时很小。缺点是主动路由需要花费较大开销，尽可能使得路由更新能够紧随当前拓扑结构的变化，浪费了一些资源来建立和重建那些根本没有被使用的路由。而且，动态变化的拓扑结构可能使得这些路由更新变成过时信息，路由协议始终处于不收敛状态。传统的路由协议如RIP, OSPF都属于主动路由协议。主动路由协议一般包括“邻居节点探测”和“路由广播”两个过程。（2）、被动路由：也叫按需(On Demand)路由，与主动路由相反，被动路由认为在动态变化的网络环境中，没有必要维护去往其他所有节点的路由。它仅在没有去往目的节点路由的时候才“按需”进行路由发现。被动路由协议根据网络分组的传输请求，被动地搜索从源节点到目的节点的路由。当没有分组传递请求时，路由器处于静默状态，并不需要交换路由信息。拓扑结构和路由表内容按需建立，它可能仅仅是整个拓扑结构信息的一部分。它的优点是不需要周期性的路由信息广播，节省了一定的网络资源。缺点是发送数据分组时，如果没有去往目的节点的路由，数据分组需要等待因路由发现引起的延时。（3）、平面路由：平面结构是指网络中各节点在路由功能上地位相同，通过局部操作和反馈信息来生成路由，没有引入分层管理机制。平面结构路由的优点是网络中没有特殊的节点，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，缺乏对通信资源的优化管理，在一定程度上限制了网络的规模。（4）、分层路由：与平面路由协议相对应的是分层结构的路由协议。分层路由协议采用簇的概念对传感器节点进行层次划分。若干个相邻节点构成一个簇，每一个簇有一个簇首。簇内通信由簇头节点来完成，簇头节点进行数据聚集和合成减少传输信息量，最后簇头节点把聚集的数据传送给终端节点。这种方式能满足传感器网络的可扩展性，有效的维持传感节点的能量消耗，从而延长网络生命周期。 无线传感器路由协议 摘要：无线传感器网络有别于传统有线网络，所以传统网络的路由协议并不能有效地用于无线传感器网络。所以传感器网络的路由协议的设计是一项挑战，需要利用节点有限的能量来我们服务。本文介绍了无线传感器路由协议的特点和分类，在此基础上着重对几种典型的路由协议进行了分析和比较。关键字：无线传感器网络；路由协议; 路由协议分类一引言由于微电子技术、计算机技术和无线通信技术的进步，无线传感器网络获得了巨大的发展。由于自身条件和部署环境的限制，传感器网络对能量有效性、网络周期性、容错性和可扩展性等方面提出了较高的要求。路由协议是无线传感器网络网络层研究的主要内容。二 无线传感器网络路由协议的分类不同于传统的无线网络无线传感器的网络规模大，节点在网络中随机部署，节点的计算、通信能力有限，携带的能量也有限。节点只能获取网络的局部拓扑信息目前提出的传感器节点通讯路由协议也主要是围绕着减少能量消耗延长网络生命周期而进行设计的。在无线传感器网络中，路由协议不仅关心单个节点的能量消耗，更关心整个网能量的均衡消耗，这样才能延长整个网络的生存期。根据路由发现策略的角度，可分为主动路由和被动路由两种类型，根据网络管理的逻辑结构可将路由协议分为平面路由和分层结构路由两类。第一主动路由：也叫表驱动（Table Driven）路由，主动路由的路由发现策略与传统路由协议类似，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，同时，节点必须维护去往全网所有节点的路由。它的优点是当节点需要发送数据分组时，只要去往目的节点的路由存在，所需的延时很小。缺点需要花费较大开销，尽可能使得路由更新能够紧随当前拓扑结构的变化，浪费了一些资源来建立和重建那些根本没有被使用的路由。第二被动路由：也叫按需（On Demand）路由与主动路由相反，被动路由认为在动态变化的网络环境中，没有必要维护去往其他所有节点的路由。它仅在没有去往目的节点路由的时候才“按需”进行路由发现。被动路由协议根据网络分组的传输请求，被动地搜索从源节点到目的节点的路由。当没有分组传递请求时，路由器处于静默状态，并不需要交换路由信息。拓扑结构和路由表内容按需建立，它可能仅仅是整个拓扑结构信息的一部分。它的优点是不需要周期性的路由信息广播，节省了一定的网络资源。缺点是发送数据分组时，如果没有去往目的节点的路由，数据分组需要等待因路由发现引起的延时。第三平面路由：平面结构是指网络中各节点在路由功能上地位相同，没有引入分层管理机制。其优点是网络中没有特殊节点，网络流量均匀地分散在网络中，路由算法易于实现。缺点是可扩张性小，在一定程度上限制了网络的规模。第四分层路由：与平面路由协议相对应的是分层结构路由协议。它采用簇的概念对传感器节点进行层次划分。若干个相邻节点构成一个簇，每一个簇有一个簇首。簇与簇之间可以通过网关通信。网关可以是簇首也可以是其它簇成员。网关之间的连接构成上层骨干网，所有簇间通信都通过骨干网转发。分层路由协议包括成簇协议、簇维护协议、簇内路由协议和簇间路由协议四个部分。成簇协议解决如何在动态分布式网络环境下使移动节点高效地聚集成簇，它是分层路由协议的关键。簇维护协议要解决在节点移动过程中的簇结构维护，其中包括移动节点退出和加入簇，簇的产生和消亡等功能。分层路由协议比较适合于无线传感器网络，但成簇过程会产生一定的能源消耗，如何产生有效的簇类也正是各地学者深入研究的问题。三、典型无线传感器网络路由协议1)泛洪协议泛洪(Flooding)协议是一种传统的无线通讯路由协议。该协议规定，每个节点接受来自其他节点的信息，并以广播的形式发送给其他邻居节点。如此继续下去，最后将信息数据发送给目的节点。但这个协议容易引起信息的“内爆”(Implosion)和“重叠”(Overlap)，造成资源的浪费。因此在泛洪协议的基础上，提出了闲聊(Gossiping)协议。2)Gossiping 协议Gossiping 协议是在泛洪协议的基础上进行改进而提出的。它传播信息的途径是通过随机的选择一个邻居节点，获得信息的邻居节点以同样的方式随机的选择下一个节点进行信息的传递。这种方式避免了以广播形式进行信息传播的能量消耗，但其代价是延长了信息的传递时间。虽然Gossiping 协议在一定程度上解决了信息的内爆，但是仍然存在信息的重叠现象。3)定向扩散协议定向扩散协议是一种基于查询的路由机制。整个过程可以分为兴趣扩散、梯度建立以及路径加强三个阶段。在兴趣扩散阶段，汇聚节点向传感器节点发送其想要获取的信息种类或内容。兴趣消息中含有任务类型、目标区域、数据发送速率、时间戳等参数。每个传感器节点在收到该信息后，将其保存在CACHE 中。当整个信息要求传遍整个传感器网络后，便在传感器节点和汇聚节点之间建立起一个梯度场，梯度场的建立是根据成本最小化和能量自适应原则。一旦传感器节点收集到汇聚节点感兴趣的数据，就会根据建立的梯度场寻求最快路径进行数据传递。4)LEACH协议LEACH协议的主要思想是通过随机选择簇头节点，平均分担无线传感器网络的中继通讯业务来达到平均消耗传感器网络中节点能量的目的，进而可以延长网络的生命周期。LEACH 协议可以将网络生命周期延15%。LEACH 协议实现过程可分为两个阶段：建立阶段和稳定阶段。建立阶段和稳定阶段所持续的时间总和称为一个轮回。为使能量最小化，稳定工作阶段应远远长于初始化阶段。在初始化阶段，随机选择节点为聚类首领，成为聚类首领的节点向周围广播信息，其他节点根据接受到广播信息的强度来选择它所要加入的聚类，并告知相应的聚类首领。在稳定工作阶段，节点持续采集监测数据，传送到聚类首领，由聚类首领对数据进行必要的融合处理之后，发送到终端节点。下一轮工作周期重新选择聚类首领。5)SPIN 协议SPIN(Sensor Protocol for Information via Negotiation)协议是一种以数据为中心的自适应路由协议。SPIN 协议的目的是：通过节点之间的协商，解决Flooding 协议和Gossiping协议的内爆和重叠现象。SPIN 协议有3 种类型的消息，即ADC、REQ 和DATA。ADC 用于数据的广播，当某一个节点有数据可以共享时，可以用其进行数据信息广播。REQ 用于请求发送数据，当某一个节点希望接受DATA 数据包时，发送REQ 数据包。DATA为传感器采集的数据包。四结束语任何网络的数据传输都离不开路由协议，由于传统的无线ad hoc 网络路由协议不能适用于无线传感器网络，所以近年来新的适用于无线传感器网络的路由协议以成为无线传感器网络研究中的热点。对于能量有效性、网络周期性、容错性和可扩展性等方面的研究将会是我们以后研究以及完善无线传感器网络路由协议的重点。而国内外对传感器网络路由协议的研究还处于初步阶段，因此，这方面还有待于进一步的研究。 传感器网络体系结构 传感器网络通常包括传感器节点，汇聚节点和管理节点。传感器节点任意的分布在某一监测区域内，节点以自组织的形式构成网络，通过多跳中继方式将监测数据传送到汇聚节点，最后通过Internet或其他网络通讯方式将监测信息传送到管理节点。同样的，用户可以通过管理节点进行命令的发布，告知传感器节点收集监测信息。 传感器节点是一个具有信息收集和处理能力的微系统，集成了传感器模块、信息处理模块、无线通讯模块和能量供应模块。 传感器模块负责监测区域内信息的采集和转换，信息处理模块负责管理整个传感器节点、存储和处理自身采集的数据或者其他节点发送来的数据，无线通讯模块负责与其他传感器节点进行通讯，能量供应模块负责对整个传感器网络的运行进行能量的供应。 传感器能量的供应是采用电池，节点能量有限，考虑尽可能的延长整个传感器网络的生命周期，在设计传感器节点时，保证能量供应的持续性是一个重要的设计原则。传感器节点能量消耗的模块主要是包括传感器模块、信息处理模块和无线通讯模块，而绝大部分的能量消耗是集中在无线通讯模块上，约占整个传感器节点能量消耗的80%。因此，目前提出的传感器节点通讯路由协议主要是围绕着减少能量消耗延长网络生命周期而进行设计的。 在无线传感器网络中，路由协议不仅关心单个节点的能量消耗，更关心整个网能量的均衡消耗，这样才能延长整个网络的生存期。同时，无线传感器网络是以数据为中心的，这在路由协议中表现的最为突出，每个节点没有必要采用全网统一的编址，选择路径可以不用根据节点的编址，更多的是根据感兴趣的数据建立数据源到汇聚节点之间的转发路径。目前提出了很多类型的传感器网络路由协议，就是基于上述的目的。 无线通讯网络路由协议 相对于传统无线通讯网络而言，传统无线通讯网络研究的重点放在无线通讯的服务质量(QoS)上，而无线传感器节点是随机分布，电池供电，因此目前无线传感器网络路由协议的研究重点是放在如何提高能量效率上，当前流行的几个无线传感器网络的路由协议如下： 泛洪协议 泛洪(Flooding)协议2是一种传统的无线通讯路由协议。该协议规定，每个节点接受来自其他节点的信息，并以广播的形式发送给其他邻居节点。如此继续下去，最后将信息数据发送给目的节点。但这个协议容易引起信息的“内爆”(Implosion)和“重叠”(Overlap),造成资源的浪费。因此在泛洪协议的基础上，提出了闲聊(Gossiping)协议。 Gossiping协议 Gossiping协议6是在泛洪协议的基础上进行改进而提出的。它传播信息的途径是通过随机的选择一个邻居节点，获得信息的邻居节点以同样的方式随机的选择下一个节点进行信息的传递。这种方式避免了以广播形式进行信息传播的能量消耗，但其代价是延长了信息的传递时间。虽然Gossiping协议在一定程度上解决了信息的内爆，但是仍然存在信息的重叠现象。 SPIN协议 SPIN(Sensor Protocol for Information via Negotiation)协议7是一种以数据为中心的自适应路由协议。SPIN协议的目的是：通过节点之间的协商，解决Flooding协议和 Gossiping协议的内爆和重叠现象。SPIN协议有3种类型的消息，即ADC、REQ和DATA。 ADC用于数据的广播，当某一个节点有数据可以共享时，可以用其进行数据信息广播。 REQ用于请求发送数据，当某一个节点希望接受DATA数据包时，发送REQ数据包。 DATA为传感器采集的数据包。 在发送一个DATA数据包之前，一个传感器节点首先对外广播ADV数据包，如果某一个节点希望接受要传来的数据信息，则向发送ADV数据包的节点回复REQ数据包，因此，便建立起发送节点和接受节点的联系，发送节点便向接受节点发送DATA数据包。 定向扩散(Directed Diffusion)协议 定向扩散协议4是一种基于查询的路由机制。整个过程可以分为兴趣扩散、梯度建立以及路径加强三个阶段。在兴趣扩散阶段，汇聚节点向传感器节点发送其想要获取的信息种类或内容。兴趣消息中含有任务类型、目标区域、数据发送速率、时间戳等参数。每个传感器节点在收到该信息后，将其保存在CACHE中。当整个信息要求传遍整个传感器网络后，便在传感器节点和汇聚节点之间建立起一个梯度场，梯度场的建立是根据成本最小化和能量自适应原则。一旦传感器节点收集到汇聚节点感兴趣的数据，就会根据建立的梯度场寻求最快路径进行数据传递。 LEACH协议 LEACH35(LOW-Energy Adaptive Clustering Hierarchy)是一种以最小化传感器网络能量损耗为目标的分层式协议。该协议的主要思想是通过随机选择类头节点，平均分担无线传感器网络的中继通讯业务来达到平均消耗传感器网络中节点能量的目的，进而可以延长网络的生命周期。LEACH协议可以将网络生命周期延长15%。LEACH协议分为两个阶段：类准备阶段和数据传输阶段。类准备阶段和就绪阶段所持续的时间总和称为一个