《传感器网络原理与应用》学习报告

1、传感器网络原理与应用学习报告一、无线传感器网络路由协议的基本概述<1> 什么是无线传感器网络路由协议传统的路由协议往往注重于如何使得数据分组在网络中能够最快地到达目的节点，要求尽量缩短传输的路径，得到比较短的传输时延。并且传统的路由还注重于如何提高网络的带宽和公平性等性能。然而在无线传感器网络的背景下，情况将大大不同。无线传感器网络的节点由电池供电，除了较为特殊的节点外，一般没有外部的能量补充，因此怎样延长网络的寿命，使网络尽可能长地处于工作状态是设计的主要目的之一。传统的网络节点一般是有着较强功能的设备，其计算能力、存储能力和通信能力一般比无线传感器网络节点高出许多，因而其路由设

2、计的限制较少；而无线传感器网络节点除了受到能量的制约外，还需要考虑计算和存储上的限制。传感器网络不能承受大量且复杂的路由计算，节点也难以存储规模庞大的路由表，因此路由表引起的频繁通信是严重负担。<2>无线传感器网络路由协议的定义路由协议负责给数据分组导航，完成将源节点发送的数据分组根据最优的路径在网络中进行转发的任务，网络中的中间节点最终将分组正确的数据传送到目的节点。<3>无线传感器网络路由协议的优劣性判断标准和性能指标1. 能量效率传感器节点通常采用电池供电，能量十分有限且部署环境通常比较恶劣，无法对电池进行充电。因此，节能是无线传感器网络协议涉及的首要原则。无线传

3、感器网络的路由协议不仅要考虑选择能量消耗小的传输路径，而且要从整个网络的角度考虑，选择能使网络能量消耗均衡的传输路径。2. 可扩展性对于不同的无线传感器网络应用，网络的规模大小会有较大不同，这要求路由协议具有良好的可扩展性，能够很好地适应网络规模的变化，为不同规模的传感器网络提供良好的网络性能。3. 自适应性由于环境变化，节点能量和信道宽带限制，节点加入、退出或移动等因素的影响，无线传感器网络的拓扑结构会频繁发生变化，无线传感器网络路由协议应该能够快速地自适应网络拓扑的动态变化。4. 鲁棒性由于部署环境通常比较恶劣，且无人值守，传感器节点容易受损或发生故障，能量耗尽也会使传感器节点失效，无法正

4、常工作。而且，由于各种因素，网络拓扑会频繁发生变化，造成链路终端，影响数据的正常传输。因此，无线传感器网络的路由协议必须具有高鲁棒性，在网络拓扑发生变化、传输链路中断的情况下，能够快速确定并建立备用路由，保证网络的正常工作和数据的正常传输。二、传统的路由协议Protocol 1：Flooding协议1Flooding协议，也叫泛洪协议，是一种简单而经典的传统路由协议，可以应用于无线传感器网络。在Flooding协议中，一个传感器节点产生或接收到数据后，以广播的方式向所有相邻节点发送或转发该数据，直到数据到达目的节点或为该数据所设定的生命周期(Time To Live，TTL)到期为止。每个泛洪

5、分组需要携带源节点ID和源节点分配的唯一序列号，用于避免重复转发。图1为Flooding路由的示意图。图中，节点S需要向全网泛洪数据x。为此，节点S首先将数据发送给相邻接点A、B、C，各相邻节点又将数据发送给各自所有相邻节点，而节点D收到后继续广播发送。这样，网络中每个节点都完成了一次转发。图1 Flooding路由示意图Flooding协议不需要节点维护任何路由信息，简单易行。缺点：1. 内爆。节点可能从相邻节点收到多份相同数据。2. 数据重叠。同一区域的多个节点可能会同时发送相同现象或目标的监测数据，使得一个节点先后收到这些节点发送的相同数据。3. 资源浪费。节点在发送或转发数据时不考虑自

6、身资源的限制，在任何情况下都向所有邻近节点发送或转发数据，造成能量、带宽等资源的极大浪费。Protocol 2：按需路由协议（AODV 协议2）AODV(Ad hoc on-demand distance vector routing)是一种源驱动路由协议。当一个节点需要给网络中的其他节点传送信息时，如果没有到达目标节点的路由，则必须先以多播的形式发出RREQ(路由请求)报文。RREQ报文中记录着发起节点和目标节点的网络层地址，邻近节点收到RREQ，首先判断目标节点是否为自己。如果是，则向发起节点发送RREP(路由回应)；如果不是，则首先在路由表中查找是否有到达目标节点的路由，如果有，则向源节

7、点单播RREP，否则继续转发RREQ进行查找。在网络资源充分的情况下，AODV协议可以通过定期广播hello报文来维护路由，一旦发现某一个链路断开，节点就发送ERROR报文通知那些因链路断开而不可达的节点删除相应的记录或者对已存在的路由进行修复。RREQ和RREP的查找方式分别如图2和3所示。图2 RREQ广播图3 RREP单播Protocol 3：表驱动路由协议（DSDV2）目的序列距离矢量协议DSDV ( Destinatio n-Sequenced Di stance-Vecto r)是基于经典的Bellma n-Ford路由算法4 ，通过修改路由信息协议RIP得到的，它是一种先应式的路

8、由协议 5。DSDV 通过给路由表中每条记录(即每条路由)设定序列号避免了路由环路的产生。每个移动节点在本地都保留一张路由表，其中每条路由包括目的节点、下一跳、路由跳数、该路由序列号等信息，路由序列号用于区别新旧路由以避免环路的产生，优先采用序列号大的路由，如果序列号相同，则优先采用跳距小的路由。DSDV 采用时间驱动和事件驱动结合控制路由表更新的传送，每个节点周期性地将路由更新信息传送给相邻节点；或者当其路由表发生变化时，也会将路由更新信息传给相邻节点。为了减少控制信息的开销，DSDV 把路由更新信息分为两类，一类称为完整路由更新( full dump) ，包含了该节点的路由表中所有的路由信

9、息。另一种称为增量路由更新( incremental ) ，携带的是从上次full dump以后改变的路由信息。一个增量路由更新的大小应该小于一个网络协议数据单元( N PDU)的大小，当增量的路由信息达到或大于一个N PDU 的大小时，就应该发送完整路由更新，否则只是发送增量路由更新。由于节点经常会先后收到多个到同一目的地并具有相同序列号的路由更新信息，而且往往先收到跳距较大的路由信息，这会触发节点频繁的发送路由更新信息，浪费了带宽。一种解决办法就是，在节点收到第一条需要采用的路由更新时，当经过该节点到目的节点的跳数比自己所保存的路由信息中的跳数大时，节点并不马上触发自己发送路由更新，而是随

10、机等待片刻，尽量收完多个路由更新，选取最优的更新自己的路由表，再发送自己的路由更新。DSDV 的关键参数就是路由更新周期的设置，并且，在M AN ET中，由于网络拓扑结构和链路状态变化较快，可能引起太频繁的触发更新，占用太多网络资源，导致网络性能的剧烈下降。在DSDV 中，路由维护策略有两种方式: 时间驱动路由维护，每个节点周期性地与邻节点交换路由信息； 事件驱动路由维护，任一节点当感知到邻域节点或者邻域链路发生变化时，根据路由表的改变来触发路由更新。同时，路由更新也有两种方式: 全部内容更新( full dump) ，即拓扑更新消息中将包括整个路由表，主要应用于网络变化较快的情况； 部分内容

11、更新( incremental update) ，更新消息中仅包含变化的路由部分，通常适用于网络变化较慢的情况。在DSDV 中优先使用序列号大的路由信息，如果序列号相同，则选用跳数较小的路由。如果所收到的路由更新信息中的某条信息的序列号比自己路由表中的相应目的节点的序列号小，则不进行处理。三、最新的路由协议Protocol 1：EAGR3(energy-aware geographic routing)工作原理是:在发送数据之前，先建立锚节点表来引导数据的传输，每个数据分组以锚节点为次目的节点，在源节点、次目的节点和目的节点间选择能量优化的中继节点来转发。在转发数据过程中，EAGR 结合网络能

12、量消耗特征值、节点位置信息及能量消耗代价来选择转发节点，统筹考虑了节点在贪婪模式和边缘转发模式下的能量消耗。针对可能遇到的路由空洞，EAGR 通过建立锚节点表来绕行。图4给出了EAGR 工作示意图，其主要由4 个部分构成:(1) 邻居节点信息收集与交换；(2) 锚节点表的建立；(3) 下一跳的选择；(4) 传输功率的改变与分组的传输。由于只使用贪婪模式沿着能量优化路径转发数据，EAGR 有效地降低了网络能量消耗，同时减小了网络传输时延。在具有有限路由空洞节点的传感网中，如果锚节点间传感节点均匀分布，则EAGR 能够有效降低网络通信能量消耗；否则，其有效性将显著降低。图4 EAGR 工作示意图研

13、究能量感知地理路由的意义主要体现在:(1) 有利于降低节点能量消耗与延长网络寿命(2) 有利于整体改善网络各项性能指标 Protocol 2:WSN分簇路由协议在WSN体系结构中，网络层的路由技术对WSN的性能好坏有着重要影响。随着国内外WSN的研究发展，许多路由协议被提了出来，从网络拓扑结构的角度我们可以大体把它们分为两类:平面路由协议和分簇路由协议。 在平面路由协议中，所有网络节点的地位是平等的，不存在等级和层次差异。它们通过相互之间的局部操作和信息反馈来生成路由。在这类协议中，目的节点(sink)向监测区域的节点(source)发出查询命令，监测区域内的节点收到查询命令后，向目的节点发送

14、监测数据。平面路由的优点是简单、易扩展，无须进行任何结构维护工作，所有网络节点的地位平等，不易产生瓶颈效应，因此具有较好的健壮性。典型的平面路由算法有DD(directed diffusion)4，SAR(sequential assignment routing)5，SPIN(sensor protocols for information via negotiation)6，Romor Routing7等。平面路由的最大缺点在于:网络中无管理节点，缺乏对通信资源的优化管理，自组织协同工作算法复杂，对网络动态变化的反应速度较慢等。 在分簇路由协议中，网络通常被划分为簇(cluster)。所谓

15、簇，就是具有某种关联的网络节点集合。每个簇由一个簇头(cluster head)和多个簇内成员(cluster member)组成，低一级网络的簇头是高一级网络中的簇内成员，由最高层的簇头与基站BS(base station)通信(如图1所示)。这类算法将整个网络划分为相连的区域。 在分簇的拓扑管理机制下，网络中的节点可以划分为簇头节点和成员节点两类。在每个簇内，根据一定的机制算法选取某个节点作为簇头，用于管理或控制整个簇内成员节点，协调成员节点之间的工作，负责簇内信息的收集和数据的融合处理以及簇间转发。分簇路由机制具有以下几个优点:(1) 成员节点大部分时间可以关闭通信模块，由簇头构成一个更

16、上一层的连通网络来负责数据的长距离路由转发。这样既保证了原有覆盖范围内的数据通信，也在很大程度上节省了网络能量；(2) 簇头融合了成员节点的数据之后再进行转发，减少了数据通信量，从而节省了网络能量；(3) 成员节点的功能比较简单，无须维护复杂的路由信息。这大大减少了网络中路由控制信息的数量，减少了通信量；(4) 分簇拓扑结构便于管理，有利于分布式算法的应用，可以对系统变化作出快速反应，具有较好的可扩展性，适合大规模网络；(5) 与平面路由相比，更容易克服传感器节点移动带来的问题。簇头的产生是簇形成的基础。分簇路由算法的第一步就是考虑怎样产生簇头。在一些协议中，比如max-min zPmin，E

17、CMR(energy-conscious message routing)，簇头是被预先指定部署的，且假设它们的能量并不受限。这与一般的WSN情况不同，大多数分簇路由协议是让资源受限的传感器节点承担簇头的任务。为了延长网络的生命周期，簇头需要周期性地更新。簇头的产生方法、数量和位置决定了最终形成的簇的结构、大小和数量，也影响了节点的能量耗费进度和网络的生命周期。目前的簇头选择算法一般基于以下一些准则:(1) 节点的剩余能量；(2) 簇头到基站的距离；(3) 簇头的位置分布，包括簇头的连通度和覆盖度；(4) 簇内通信代价。簇头产生算法：CEFL4CEFL(cluster-head electio

18、n using fuzzy logic)采用Mamdani模糊逻辑方法选择簇头。CEFL的输入变量是节点能量、节点密集度和节点向心性。节点密集度是指节点所在位置周围节点的密度，节点向心性是指节点靠近簇的中心程度，用该节点到簇内其他节点的距离平方和来度量。节点能量和节点密集度被安排成3种等级的隶属度:high，medium，low；节点向心性也被安排成3种等级的隶属度:close，adequate，far；模糊输出集合包括7种结果:very small，small，rather small，medium，rather large，large，very large，表示节点当选簇头的可能性。CEF

19、L采用重心法(center of gravity)进行解模糊判决，从模糊输出隶属函数中找出一个最能代表模糊集合的精确量。该算法适合中等规模网络。实验结果表明，该簇头选择算法比LEACH更能延长网络生命周期。Protocol 3：基于机会的路由协议5（ExOR opportunistic multi-hop routing for wireless networks）机会路由充分利用了无线多跳网络的信道广播特性，通过多个潜在中继节点竞争并自主智能选择下一跳节点，来提高无线网络的传输可靠性和端到端的吞吐率。机会转发可以选择多个中间节点作为转发中继节点。每次数据发送后，都有更多的被接收和再次转发的机

20、会。如图5 所示(链路上的值代表该链路分组成功投递率)，假设从源节点Src 到每个中间节点的转发成功率为25%，从每个中间节点到目的节点Dst 的转发成功率是100%。使用传统确定性路由方法，源节点将从4 个中间节点中选择一个节点作为下一跳节点。此时，从源节点到目的节点的转发成功率只有25%，即源节点平均发送4次，目的节点才能成功收到1 次。如果使用机会路由的方式，建立一个转发节点集(forwarder candidate set)，把4 个中继节点同时作为备选转发节点，只要其中一个收到源节点发来的数据包就可以继续向目的节点转发，转发率可以提高到1-(1-0.25)4*100%68%，转发率从

21、25%上升到了68%，从而显著提高了端到端的吞吐量。图5 增加单跳传输可靠性机会路由协议也可以减少端到端转发跳数、降低延迟、提高吞吐量。如图6 所示，5 个中间节点在源节点和目的节点之间沿直线分布，图中长度相同的链路具有相同的分组投递率。传统路由协议事先确定源到目的节点所要经过的中间节点，例如Src-B-D-Dst。当源节点向下一跳节点B 发送数据时，B 收到了数据包，但同时C 也收到了同样的数据包。机会路由策略允许C 向下游转发，而不是由B 来承担此任务，这样就可能形成Src-C-Dst 路径，相比Src-B-D-Dst 路径减少了跳数。另一种情况是，源在给B 发送数据时，B 没有收到，但A

22、 收到了，传统路由协议中，源节点必须重发这个数据包，而机会路由允许A 来发送这个数据包。这种策略会使得数据更快地向目的端方向传输，从而增加了端到端的数据吞吐量，同时也提供了可靠传输。图6 增加单跳传输可靠性ExOR6算法的基本步骤如下：（1） 源节点根据期望传输次数度量，从全局节点中选择一个集节点作为候选（下一跳）接收节点（Candidate Next-hop Set， CNS）；源节点把包含候选节点集信息的数据广播出去。（2） 收到这些包的接收节点，根据其是否为候选节点及其优先级次序，或者丢弃该包，或广播ACK信息；收包节点达成共识，让其中的“即时”最优的节点转发数据。目的是协同（Coord

23、ination）多收包节点就“最优”转发节点达成共识。重复这两步，直至数据包发送到目的节点。影响机会路由性能的主要因素：（1）备选转发节点选择如何选择备选转发节点集是影响路由协议性能的关键因素，选择合适的转发节点集可以获得较高的协议性能提成。（2）备选转发节点协调机制在选择了备选转发节点并为各节点确定优先级后，需要一种机制使各转发节点之间能够相互协调，以有效避免或抑制不必要的重复发送。 四、未来发展方向方向1 （基于3篇论文相关）传统的有线网络路由采用“先选路，后转发”的思想，即首先确定传输最佳路径，再进行数据交换。传统的无线自组织网络和传感器网络的路由协议也采用这种思想，如之前的AODV。然

24、而，无线多跳网络（无线自组织网络、无线Mesh网络和无线传感器网络）的一些特性要求在借鉴传统路有思想的基础上，设计出适合于无线多跳网络自身的路由方法。例如，无线多跳网络具有链路动态变化和丢失率高的特性，这个特性导致无线链路质量较差且稳定性较低。传统的提高链路可靠性的方法是链路层重传，然而频繁的链路层数据重传将消耗大量的带宽资源，大大降低网络的吞吐量。另外，节点能量、计算能力和存储空间的限制也给无线多跳网络的路由协议带来了挑战。针对无线多跳路由的特性和确定性路由的不足，机会路由则充分利用了无线多跳网络的信道广播特性，通过多个潜在中继节点竞争并自主智能选择下一跳节点，来提高无线网络的传输可靠性和端

25、到端的吞吐率。机会路由的算法研究，目前已成为无线多跳网络路由协议研究的热点方向之一。机会路由展望机会路由对于大规模多跳无线传感器网络中数据的有效传输有着重要意义。但作为一项无线网络领域的新技术，机会路由在结合无线传感器网络应用时，很多问题仍然有待深入研究。（1） 新型路由测度。路由测度对机会路由转发节点集的选择、优先级设定及路由协议的性能会有重大的影响。已有机会路由协议主要以跳数、ETX、地理距离、编码机会等作为主要测度来设计路由协议。引入新的路由度量有可能孕育着突破。（2） 跨层设计。很多已有机会路由协议主要着重MAC层和路由层的联合设计。除此之外，MAC层的前向纠错机制、组大小、发送功率、

26、信道选择及调度也是影响机会路由性能的重要因素。综合考虑上述因素及其应用的特点进行机会路由研究，对跨层机会路由将起到较好的促进作用。在机会路由协议中，MAC协议的设计对于数据包发送节点与备选转发节点、备选转发节点与备选转发节点之间的协调起着重要的作用。一个好的MAC协议可以有效地提高机会路由的转发效率，降低碰撞，减少重传。方向2 （与3篇论文无关）WSN与IPv6互连IPv6作为下一代网络协议，具有地址资源丰富，移动型好，安全性高，无状态地址自动配置等特点，满足WSN在地址空间和安全性等方面的要求，在WSN应用方面具有广阔的发展空间。实现WSN与IPv6互连的方式主要包括Peer to Peer

27、方式、重叠方式及全IP方式，其中，全IP方式是目前学术界的讨论焦点。然而，IPv6协议毕竟不是专门面向传感器网络设计的通信协议，因此在实现基于IPv6的传感器网络的过程中仍然需要进一步解决一系列问题。1. WSN节点支持IPv6的程度2. IPv6报头压缩WSN一般具有比较小的通信业务量（约几个字节）和数据率，而IPv6协议本身具有较大的分组头开销，因此采用标准的IPv6封装格式将带来很大的分组头开销。降低分组头开销为一个研究热点。3. IPv6地址自动配置地址自动配置是IPv6的重要特色，吻合WSN自组织、自配置的特点。然而根据MAC地址生成的IPv6地址对于WSN节点间的路由寻址没有带来任

28、何方便等。4. WSN是一个以数据为中心的网络，而IPv6是以地址为中心的，采用IPv6解决WSN的通信问题将使工作效率降低。由于WSN计算和存储能力有限，必须合理裁剪TCP/IP协议栈，以满足WSN对协议栈大小的要求。在WSN中引入TCP机制可以为WSN节点配置、管理和控制过程提供可靠的端到端传输，然而传统的TCP机制会降低网络吞吐量、增加能耗，从延长网络寿命和增加吞吐量的角度来说，需要进一步研究解决方案。五、REFERENCE1 Heinzelman WR, Kulik J, Balakrishnan H. Adaptive protocols for information dissemination in wireless sensor networks. In: Proceedings of the ACM MobiCom99. Seattle: ACM Press, 1999. 174185.2 Khatawkar S D, Pandyaji K K, Patil R M, et al. Performance Comparison of DSDV, AODV, DSR Routi