無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的節(jié)能研究

劉玉秀 張德達(dá)

[摘要]介紹無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)及應(yīng)用,將傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議分為平面路由協(xié)議和層次型路由協(xié)議,并對(duì)其中典型的路由協(xié)議進(jìn)行節(jié)能方面的分析,指出路由協(xié)議未來(lái)的研究重點(diǎn)。

[關(guān)鍵詞]無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議

中圖分類號(hào):TP3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1671-7597(2009)1120029-01

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種以采集數(shù)據(jù)為目的、高密度、自組織、低數(shù)據(jù)率的新型的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò),無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)融合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和通信技術(shù),能夠進(jìn)行相對(duì)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)探測(cè)、簡(jiǎn)易數(shù)據(jù)處理和有限范圍的無(wú)線通信,具有成本低廉、功耗低、尺寸小等特點(diǎn)。適合在無(wú)人看管或人類難以到達(dá)、難以對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行維護(hù)的環(huán)境中使用,在醫(yī)療、軍事、環(huán)境監(jiān)測(cè)以及商業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

在傳感器網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點(diǎn)通過(guò)飛機(jī)布撤,人工布置等方式,大量部署在感知對(duì)象內(nèi)部或者附近。這些節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織方式構(gòu)成無(wú)線網(wǎng)絡(luò),以協(xié)作的方式感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)中特定的信息,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)任意地點(diǎn)信息在任意時(shí)間的采集,處理和分析。這種以自組織形式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò),通過(guò)多跳中繼方式將數(shù)據(jù)傳回Sink節(jié)點(diǎn)(基站),最后借助Sink鏈路將整個(gè)區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程控制中心進(jìn)行集中處理。用戶可以通過(guò)sink節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理,發(fā)布監(jiān)測(cè)任務(wù)以及收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議:無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)決定了其動(dòng)態(tài)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、較大的業(yè)務(wù)流量與有限的無(wú)線資源的矛盾,以及低功耗的設(shè)計(jì)要求。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的角度可分為平面路由協(xié)議和層次型路由協(xié)議。

一、平面路由協(xié)議

平面路由協(xié)議中,節(jié)點(diǎn)間地位平等,優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、易擴(kuò)展,但缺乏對(duì)通信資源的優(yōu)化管理,對(duì)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)變化的反應(yīng)速度較慢。典型的協(xié)議有:

SPIN協(xié)議,是一組基于協(xié)商的并且具有能量自適應(yīng)功能的路由協(xié)議。SPIN-1和SPIN-2是其中最主要的兩個(gè)協(xié)議。SPIN協(xié)議是一種不需要了解網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),因此適合在節(jié)點(diǎn)可以移動(dòng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用。SPIN協(xié)議引入元數(shù)據(jù)概念,減少了數(shù)據(jù)的傳輸量;通過(guò)使用協(xié)商機(jī)制和能量自適應(yīng)機(jī)制,節(jié)省了能量,解決了信息“內(nèi)爆”和數(shù)據(jù)“重疊”問(wèn)題。

Directed Diffusion協(xié)議這是一個(gè)基于查詢的路由協(xié)議,該協(xié)議整個(gè)過(guò)程分為興趣擴(kuò)散、梯度建立以及路徑加強(qiáng)三個(gè)階段。梯度場(chǎng)的建立根據(jù)成本最小化和能量自適應(yīng)原則。該協(xié)議采用了數(shù)據(jù)融合方法有效地減少了網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)量,節(jié)省節(jié)點(diǎn)能量、提高帶寬利用率。該協(xié)議主要用于具有大量查詢而只有少量事件的應(yīng)用場(chǎng)景,不適合用于網(wǎng)路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)頻繁變動(dòng)的、大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)。

Rumor Routing算法是對(duì)Directed Diffusion的改進(jìn),網(wǎng)絡(luò)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都維持一個(gè)事件列表,其表項(xiàng)包含事件的基本描述、播報(bào)該事件的源節(jié)點(diǎn)、最先傳遞該事件的上一跳節(jié)點(diǎn);引人了一個(gè)具有長(zhǎng)生命周期的報(bào)文Agent,用于源節(jié)點(diǎn)廣播感知事件的描述信息并在網(wǎng)絡(luò)中傳播,該算法通過(guò)節(jié)點(diǎn)的事件列表信息維護(hù)一條與源節(jié)點(diǎn)的路徑,避免了SPIN協(xié)議中的大量泛洪過(guò)程,顯著節(jié)省能量。

二、層次路由協(xié)議

LEACH,是為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的低功耗自適應(yīng)路由算法。與平面多跳路由協(xié)議相比,該協(xié)議采用隨機(jī)選舉簇頭的方式平均分擔(dān)中繼通信業(yè)務(wù),避免簇頭過(guò)分消耗能量,延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期,但協(xié)議無(wú)法保證簇頭節(jié)點(diǎn)能遍及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

TEEN協(xié)議。通過(guò)設(shè)置硬閾值和軟閾值兩個(gè)參數(shù)大大減少了數(shù)據(jù)傳送的次數(shù),提高了網(wǎng)絡(luò)能量利用率和網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間;可以對(duì)突發(fā)事件做出快速反應(yīng),適用于實(shí)時(shí)應(yīng)用系統(tǒng),但是不能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的周期性采集。

TTDD協(xié)議主要是解決傳感器節(jié)點(diǎn)不動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)中存在多sink點(diǎn)以及sink點(diǎn)移動(dòng)情況。當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)探測(cè)到事件發(fā)生時(shí),選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為發(fā)送數(shù)據(jù)的源節(jié)點(diǎn),源節(jié)點(diǎn)以自身為中心,整個(gè)網(wǎng)絡(luò)變成源節(jié)點(diǎn)捕捉Sink節(jié)點(diǎn)的一個(gè)格狀網(wǎng)。當(dāng)Sink節(jié)點(diǎn)被發(fā)現(xiàn),數(shù)據(jù)通過(guò)這個(gè)格狀網(wǎng)傳輸?shù)絊ink節(jié)點(diǎn)。TTDD中提出的透明傳輸?shù)母拍?可以簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)的管理和維護(hù)。與Directed Diffusion協(xié)議相比,該協(xié)議采用單路徑方式提高網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間,但計(jì)算與維護(hù)格狀網(wǎng)的開(kāi)銷較大;節(jié)點(diǎn)必須知道自身位置;非sink點(diǎn)位里不能移動(dòng),要求節(jié)點(diǎn)密度較大。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是影響人類未來(lái)生活的重要技術(shù)之一,這一新興技術(shù)為人們提供了一種全新的獲取信息、處理信息的途徑。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的處理、存儲(chǔ)和通信能力有限,應(yīng)根據(jù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身特點(diǎn)和實(shí)際應(yīng)用需求,以能量為中心問(wèn)題,設(shè)計(jì)出緊湊、節(jié)能而簡(jiǎn)單的協(xié)議。

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