无线传感器网络智能技术与应用 课件 第5章WSN通信与组网技术-03

5.8路由协议

无线传感器网络节点间以AdHoc方式进行通信,每个节点都可以充当路由器的角色,并且每个节点都具备动态搜索、定位和恢复连接的能力。

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,主要包括两个方面的功能:

一是寻找源节点和目的节点间的优化路径；

二是将数据分组沿着优化路径正确地转发。第5章WSN通信与组网技术

5.8.1路由协议概述1.路由协议考虑因素

设计无线传感器网络的路由要考虑的因素很多，大致分为以下两种类型。 (1)网络特征：无线传感器网络具有与众不同的特征，应用于路由协议设计时，主要应该考虑能量损耗、节点部署和网络拓扑变化。 (2)数据传输特征：无线传感器网络的数据采集和传输要求与其他网络不同，因此路由协议设计时也需要加以区别，主要考虑数据传输方式、无线传输手段以及数据融合技术等。2.路由的过程

无线传感器网络的路由过程主要分为以下4个步骤：

①某一个设备发出路由请求命令帧，启动路由发现过程；

②对应的接收设备收到该命令后，回复应答命令帧；

③对潜在的各条路径开销(跳转次数、延迟时间)，进行评估比较；

④将评估确定之后的最佳路由记录添加到此路径上各个设备的路由表中。3.WSN路由协议分类方法1）按源节点获取路径的方法(1)主动路由协议(2)按需路由协议(3)混合路由协议2）按节点参与通信的方式(1)直接通信路由协议(2)平面路由协议(3)层次路由协议

3）按路由的发现过程

(1)以位置信息为中心的路由协议 (2)以数据为中心的路由协议4）按路由选择是否考虑服务质量(QoS)约束

保证QoS的路由协议是指在路由建立时，考虑时延、丢包率等QoS参数，从多条可行的路由中选择一条最适合QoS应用要求的路由；或者根据业务类型，保证满足不同业务需求的QoS路由协议5.8.2平面路由协议

1.FloodingandGrossing协议

1）洪泛路由协议

原理：洪泛路由协议(FloodingProtocol)是接收到消息的节点以广播的形式式转发报文给所有的邻居节点。

过程：源节点S希望发送数据给目的节点D,节点S首先通过网络将数据分组传送给它的每一个邻居节点,每一个邻居节点又将其传输给各自的邻居节点(除了刚刚给它们发送数据分组的节点S外)；如此继续下去,直到将数据传输到目标节点D为止,或者为该数据所设定的生命期限变为零为止,或者所有节点拥有此数据分组为止。

洪泛法的优点：都十分突出，其优点是实现简单，适用于健壮性要求高的场合；

缺点:是存在信息爆炸问题(如图5-25所示)、出现部分数据交迭的现象(如图5-26所示)和盲目使用资源等。图5-25图5-26

闲聊法(Grossing)是洪泛法的改进版本。为了减少资源的无谓消耗,闲聊法引入了随机发送数据的方法。在某一个节点发送数据时,不再像洪泛法那样给它的每个邻居节点都发送数据副本,而是随机选择某个邻居节点,向它发送一份数据副本。接收到数据的节点采用相同的方法,随机选择下一个接收节点发送数据,如图4-27所示。需要注意的是,如果一个节点E已收到它的邻居节点B的数据副本,若再次收到,那么它就将此数据发回它的邻居节点B。

2）闲聊法图5-27*2.SPIN协议（1）

基于协商机制的传感器网络SPIN协议(SensorProtocolsforInformationviaNegotiation)是一种以数据为中心的白适应通信方式，使用3种类型的信息进行通信，即ADV、REQ和DATA信息。图4-28表示了SPIN协议的工作过程。在发送一个TATA数据包之前，一个传感器节点

首先对外广播ADV数据包；如果某个邻居节点在收到ADV后有意愿接收该DATA数据包，那么它向该节点发送一个REQ数据包；

然后节点向该邻居节点发送DATA数据包；

类似地进行下去，DATA数据包可被传输到远方汇聚节点或基站。图5-27

SPIN协议的缺点：是没有考虑节能和多种信道条件下的数据传输问题。因此，后续又出现了SPIN-PP(PointtoPoint，点到点的通信模式)、SPIN-EC(EnergyControl，点到点模式下的节能路由)、SPIN-RL(RouteLossy，点到点通信中的信道衰减模式)、SPIN-BC(BroadcastChannel，广播信道模式)等在SPIN基础上改进的路由协议。*2.SPIN协议（2）5.8.3层次路由协议

1.LEACH

低功耗自适应聚类分级LEACH协议(LOWEnergyAdaptiveClusteringHierarchy)是无线传感器网络中最早提出的分层路由算法。

LEACH可以将网络整体生存时间延长15％，其基本思想是通过随机循环地选择簇头节点将整个网络的能量负载平均分配到每个传感器节点中，从而降低网络能源消耗，提高网络整体生存时间。2.*PEGASIS（1）

高能效采集传感器信息系统PEGASIS协议(PowerEfficientGatheringinSensorInformationSystems)是在LEACH协议上提出的一种改进路由算法。PEGASIS路由协议在网络中选择一个节点作为起始节点建立一条最优回路链，起始节点将数据融合后的数据信息发送给Sink节点。由于起始节点的负载较重，PEGASIS采用了全网节点轮流作为回路链起始节点的方式来进行均衡。

该路由协议中使用了贪婪算法(GreedyAlgorithm)来形成链。

如图4-29所示。

在每一轮通信之前才形成链。为确保每个节点都有其相邻节点，从离基站最远的节点开始构建，链中邻居节点的距离会逐渐增大，因为已经在链中的节点不能被再次访，当其中一个节点失效时，链必须重构。PEGASIS的模型假设如下：①节点都知道其他节点的位置信息，每个节点都具有直接和基站通信的能力：②传感器节点不具有移动性；③其他模型假设和LEACH中的相同。2.*PEGASIS（2）5.8.4能量感知路由

1.能量消耗源

1）通信相关的能量消耗；

2）计算相关的能量消耗。2.能量路由(1)根据节点的可用能量(PowerAvailable，PA)或传输路径上链路的能量需求，选择数据的转发路径。节点可用能量就是节点当前的剩余能量。在如图5-30所示的网络中，源节点是一般功能的传感器节点，完成数据采集工作。

汇聚节点是数据发送的目标节点。大写字母表示节点，如节点A，节点右侧括号内的数字表示节点的可用能量。图中的双向线表示节点之间的通信链路，链路上的数字表示在该链路上发送数据消耗的能量。在图4-30中，从源节点到汇聚节点的可能路径有4条。

路径1：源节点—B—A—汇聚节点，路径上所有节点PA之和为4，在该路径上发送分组需要的能量之和为3；

路径2：源节点—C—B—A—汇聚节点，路径上所有节点PA之和为6，在该路径上发送分组需要的能量之和为6；

路径3：源节点—D—汇聚节点，路径上所有节点PA之和为3，在该路上发送分组需要的能量之和为4；

路径4：源节点—F—E—汇聚节点，路径上所有节点PA之和为5，在该路径上发送分组需要的能量之和为6。能量路由选择策略主要有以下几种：最大可用能量路由、最小能量消耗路由、最少跳数路由和最大最小PA节点路由。2.能量路由(2)3.能量多路径路由

能量多路径路由的主要流程描述如下：(1)发起路径建立 目的节点广播路径建立消息，启动路径建立过程。广播消息中包含一个代价域，表示发出该消息的节点到目的节点路径上的能量信息，设初始值为零。

(2)判断是否转发路径建立消息 当某一个节点接收到邻居节点发送的路径建立消息时，与发送该消息的节点进行比较，如果自己距离源节点更近，并且距离目的节点更远的情况下，才转发该路径建立消息，否则丢弃该消息。

(3)计算能量代价 如果节点决定转发路径建立消息，需要计算新的代价值来替代原来的代价值。

(4)节点加入路径条件 代价太大的路径对网络生存时间没有益处，因此并非每个路径都是可用的，节点需要丢弃代价太大的路径。

(5)节点选择概率计算 为了均衡网络中节点的能量消耗，节点选择概率需与能量消耗成反比。

(6)代价平均值计算 节点根据路由表中的能量代价和下一跳节点选择概率计算本身到目的节点的代价。

小结第5章WSN通信与组网技术5.1WSN协议结构5.1.1传统网络协议OSI参考模型5.1.2WSN协议的分层结构5.2物理层5.2.1物理层概述5.2.2通信信道分配5.2.3WSN物理层的设计5.3数据链路层协议54网络层协议5.5传输层协议5.5.1Event-to-Sink传输5.5.2Sink-to-Sensors传输5.6应用层协议5