探討無線傳感網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的設(shè)計(jì)

摘要：無線傳感網(wǎng)是全新信息獲取及處理技術(shù)，本文分析了無線傳感網(wǎng)的路由協(xié)議設(shè)計(jì)，基于協(xié)商機(jī)制的層次型路由協(xié)議能夠協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測、感知和采集信息。

關(guān)鍵詞：信息獲??；無線傳感網(wǎng)；實(shí)時(shí)監(jiān)測

中圖分類號：TP212.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9599 （2012） 24-0099-02

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡介

無線網(wǎng)絡(luò)通常具有兩種組織形式，其中基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)也稱作中心結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，無基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)是無線網(wǎng)絡(luò)的另一種組織方法。根據(jù)節(jié)點(diǎn)的性質(zhì)和節(jié)點(diǎn)是否頻繁且大規(guī)模移動(dòng)，依據(jù)路由策略和路由表參將無基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)分為移動(dòng)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的起源可以追溯到1968年，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最初來源于美國高級國防研究項(xiàng)目署。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種新型的無基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，近年來隨著無線通信、微處理器等發(fā)展，它的節(jié)點(diǎn)是無線傳感器這種特殊設(shè)備，要求其具有很強(qiáng)的健壯性和抗毀性，因此，各個(gè)無線節(jié)點(diǎn)靜態(tài)地隨機(jī)分布于某一區(qū)域。無線傳感器、感知對象和觀察者是重要因子，協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋內(nèi)容，完成大的感知任務(wù)。如傳感器包括電源、感知部件、處理部件、收發(fā)部件和軟件；電源為傳感器提供正常工作所必需的能源；觀察者是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的用戶。感知對象是觀察者感興趣的監(jiān)測目標(biāo)，傳感器節(jié)點(diǎn)散布在指定的感知區(qū)域內(nèi)，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的感知對象，節(jié)點(diǎn)任意散落在被監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，可以被多個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)感知。

（1）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)是具有移動(dòng)性、自組織性、電源能力有限，節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大、單個(gè)節(jié)點(diǎn)資源極其有限、可監(jiān)視范圍廣等。詳細(xì)地說，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信帶寬窄而且經(jīng)常變化，傳感器的電源能量極其有限，都具有嵌入式處理器和存儲器，傳感器節(jié)點(diǎn)密集，數(shù)量巨大，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有一定的動(dòng)態(tài)性，擁有大規(guī)模分布式觸發(fā)器，通常都面臨較大的流式數(shù)據(jù)，具有實(shí)時(shí)性。

傳感器之間的通信斷接頻繁，電源能量約束是阻礙無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用瓶頸，傳感器具有計(jì)算能力能完成一些信息處理工作。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布在很廣泛地理區(qū)域，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會經(jīng)常動(dòng)態(tài)變化，很多傳感器具有回控裝置和控制軟件，但每個(gè)傳感器僅具有有限的計(jì)算資源。

（2）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能評價(jià)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能的標(biāo)準(zhǔn)，一般包括能源有效性、生命周期、時(shí)間延遲、感知精度、可擴(kuò)展性和容錯(cuò)性。

具體地說，能源有效性是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要性能指標(biāo)，影響傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期的因素很多，時(shí)間延遲與應(yīng)用密切相關(guān)，感知精度、時(shí)間延遲和能量消耗之間關(guān)系密切，必須提供支持該可擴(kuò)展性級別的機(jī)制和方法。軟、硬件必須具有很強(qiáng)的容錯(cuò)性，進(jìn)一步地模型化和量化。必須考慮能源有效性，最大化網(wǎng)絡(luò)的生命周期，注重?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可用性和應(yīng)用范圍，提高感知精度、降低時(shí)間延遲，提供支持可擴(kuò)展性級別的機(jī)制和方法，通過自動(dòng)調(diào)整或自動(dòng)重構(gòu)糾正錯(cuò)誤，進(jìn)行可擴(kuò)展性的精確描述和標(biāo)準(zhǔn)，保證網(wǎng)絡(luò)正常工作。

（3）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域。在軍事領(lǐng)域，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將會逐漸成為重要內(nèi)容，表現(xiàn)為分布節(jié)點(diǎn)中多角度和多方位信息的綜合有效地提高了信噪比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低成本、高冗余的設(shè)計(jì)原則，傳感器節(jié)點(diǎn)與探測目標(biāo)的近距離接觸，節(jié)點(diǎn)中多種傳感器的混合應(yīng)用，克服了衛(wèi)星和雷達(dá)這類獨(dú)立系統(tǒng)難的技術(shù)問題，為整個(gè)系統(tǒng)提供了較強(qiáng)的容錯(cuò)能力，有利于提高探測的性能指標(biāo)；形成覆蓋面積較大的實(shí)時(shí)探測區(qū)域，有效地消除探測區(qū)域內(nèi)的陰影和盲點(diǎn)。

隨著人們對于環(huán)境的日益關(guān)注，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境科學(xué)的應(yīng)用越來越廣泛，對森林火災(zāi)能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、及時(shí)地預(yù)報(bào)，為野外工作的隨機(jī)性提供了方便。在醫(yī)療健康應(yīng)用上，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)長時(shí)間地收集人的生理數(shù)據(jù)，為人類的醫(yī)療健康提供了更加方便、快捷的技術(shù)手段。在空間探索方面，借助于航天器撒布的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)因地制宜，實(shí)現(xiàn)對星球表面長時(shí)間的監(jiān)測，達(dá)到了預(yù)期的效果。自組織、微型化和對外部世界的感知能力是在各行各業(yè)應(yīng)用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三大特點(diǎn)，通過它，我們在生活、工作以及災(zāi)難拯救、倉庫管理等等都具有非常重要的應(yīng)用。另外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和應(yīng)用中的時(shí)鐘同步，定位機(jī)制與算法，等一些共性技術(shù)的支持是必不可少的，很多應(yīng)用 要求節(jié)點(diǎn)間的時(shí)鐘必須保持同步，特別是軍事應(yīng)用的基礎(chǔ)，這是是傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和應(yīng)用中的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)自身定位和外部目標(biāo)定位也是我們必須關(guān)注的問題，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中會有某些傳感器節(jié)點(diǎn)配有GPS系統(tǒng)。因此，吸引了不少研究者的注意。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)有路由協(xié)議

（1）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的分類。主動(dòng)路由：也叫表驅(qū)動(dòng)路由，包括“鄰居節(jié)點(diǎn)探測”和“路由廣播”。節(jié)點(diǎn)通過周期性地廣播路由信息分組，路由器向各通信端口周期廣播Hello分組，交換路由信息，主動(dòng)發(fā)現(xiàn)路由，來實(shí)現(xiàn)鄰居節(jié)點(diǎn)探測。被動(dòng)路由：也叫按需路由，與主動(dòng)路由相反，包括“路由發(fā)現(xiàn)”和“路由維護(hù)”。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)分組的傳輸請求，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)需要獲得到目的節(jié)點(diǎn)的路由，認(rèn)為在動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，路由器采用泛洪的方式，被動(dòng)地搜索從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的路由。被動(dòng)路由協(xié)議是自組網(wǎng)特有的路由協(xié)議類型，隨著拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，可以降低路由消耗，提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。平面路由：指網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)在路由功能上地位相同。分層路由采用簇的概念對傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行層次劃分，分層路由協(xié)議包括成簇協(xié)議、簇維護(hù)協(xié)議、簇內(nèi)路由協(xié)議和簇間路由協(xié)議，若干個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)簇，是分層路由協(xié)議的關(guān)鍵。網(wǎng)關(guān)可以是簇首也可以是其它簇成員，比較適合于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

（2）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)有路由協(xié)議。其中擴(kuò)散法是一種傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，實(shí)現(xiàn)簡單；不需要為保持網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⑾挠?jì)算資源，適用于健壯性要求高的網(wǎng)絡(luò)。但缺點(diǎn)是存在信息爆炸，有時(shí)會出現(xiàn)部分重疊，以及導(dǎo)致盲目使用資源問題。SPIN是一種以數(shù)據(jù)為中心的自適應(yīng)通信路由協(xié)議，避免了擴(kuò)散法的信息爆炸問題和部分重疊現(xiàn)象，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都必須檢查各自可用的能量狀況，傳感器節(jié)點(diǎn)在傳送數(shù)據(jù)之前彼此進(jìn)行協(xié)商，通過使用節(jié)點(diǎn)間的協(xié)商制度和資源自適應(yīng)機(jī)制，傳感器節(jié)點(diǎn)必須監(jiān)控各自的能量變化情況。SPIN數(shù)據(jù)包為ADV、RED和DATA. SPIN有3種數(shù)據(jù)包類型，即ADV、RED和DATA.其中SPIN-PP采用點(diǎn)到點(diǎn)的通信模式，SPIN-EC考慮了節(jié)點(diǎn)的功耗，SPIN-BC設(shè)計(jì)了廣播信道，SPIN-RL它是對SPIN-BC的完善，缺點(diǎn)是在傳輸新數(shù)據(jù)的過程中，即發(fā)生所謂的“數(shù)據(jù)盲點(diǎn)“，對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)信息的收集有一定的影響。另外還有MTE協(xié)議、LEACH協(xié)議及Directed Diffusion等，按照什么策略需針對實(shí)際情況進(jìn)行分析。

3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計(jì)

針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)新的路由協(xié)議，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸遵循多對一模式，以數(shù)據(jù)為中心進(jìn)行路由，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)鄰近節(jié)點(diǎn)間采集的數(shù)據(jù)具有相似性，真對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)易于失效，沒有必要花費(fèi)很大的代價(jià)頻繁地更新路由表信息，單向信道的存在會對路由協(xié)議帶來影響。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的要求，必須將有效利用能源放在第一位，要求不能照搬傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的設(shè)計(jì)思想，要求每個(gè)節(jié)點(diǎn)盡可能維護(hù)多條路由，分為全局式選徑或孤立式選徑。在設(shè)計(jì)中采用NBEERP路由協(xié)議，建立層次型，采用集中式與分布式相結(jié)合的方式形成簇類，基于協(xié)商機(jī)制，維護(hù)多條路由，低功耗動(dòng)態(tài)自適應(yīng)，確保網(wǎng)絡(luò)在較低的能耗水平下獲得較高的吞吐量。

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