無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與路由協(xié)議研究_圖文

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與路由協(xié)議研究掌 明ZhangMing(淮海工學(xué)院電子工程系,江蘇 連云港 222005(DepartmentofElectronicEngineering,HuaihaiInstituteofTechnology,JiangsuLianyungang 222005摘 要: 在分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和特性的基礎(chǔ)上,論述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、節(jié)點體系結(jié)構(gòu)、 與距離有關(guān)的節(jié)點能量計算模型、 帶有Flag標志和長期睡眠機制的狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型, 并給出了幾種流行的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由 算法及其特點,對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和研究有著深遠的意義。關(guān)鍵詞:無線傳感器網(wǎng)絡(luò) (WS

2、N ;體系結(jié)構(gòu);自組織網(wǎng)絡(luò);路由協(xié)議中圖分類號:TP311 文獻標識碼:A 文章編號:1671-4792-(20079-0017-03Abstract:Basedonanalyzetheapplicationandcharacterizationofwirelesssensornetworksstatementsthe networksframework,nodeframework,nodeenergycalculatemodelbasedondistanceandthestatechangemodel whichhavesignofflagandlong-termsleepforwirele

3、sssensornetworks,andgivesomeprevalentrouting algorithmandcharacterizationforwirelesssensornetworks.Itwillhaveimportantsignificanceonthe researchandapplicationforwirelesssensornetworks.Keyword:WirelessSensorNetworks(WSN;Framework;AdhocNetworks;RoutingProcotol0引言無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetwork 1是研究 的一個熱

4、點領(lǐng)域,它在環(huán)境監(jiān)測、軍事、 醫(yī)療健康、 家庭智 能監(jiān)控和其他商業(yè)領(lǐng)域 2有著廣泛的應(yīng)用前景。 無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)需要自組織(Adhoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。 盡管已有許多Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議和算法, 但并不能夠滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)的需求。 具體來說, 相對于一般意義上的自組織網(wǎng)絡(luò), 傳感器網(wǎng)絡(luò)有 以下一些特色, 需要在體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計中特殊考慮 2。 無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點數(shù)目高出 Adhoc 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)目幾個 數(shù)量級, 這就對傳感器網(wǎng)絡(luò)的可擴展性提出了要求;自組 織傳感器網(wǎng)絡(luò)最大的特點就是能量受限。 傳感器節(jié)點受環(huán)境 的限制, 通常由電量有限且不可更換的電池供電, 所以在考 慮傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)以及各

5、層協(xié)議設(shè)計時, 節(jié)能是設(shè)計的 主要考慮目標之一;由于傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境的特殊性、 無線信道不穩(wěn)定以及能源受限的特點, 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點受損 的概率遠大于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點, 因此自組織網(wǎng)絡(luò)的健壯性保障 是必須的以保證部分傳感器網(wǎng)絡(luò)的損壞不會影響到全局任務(wù) 的進行;傳感器節(jié)點高密度部署,網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)變化快, 對于拓撲結(jié)構(gòu)的維護也提出了挑戰(zhàn)。 上述這些特點使得無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)有別于傳統(tǒng)的自組織網(wǎng)絡(luò), 并在當(dāng)前的一些體系 結(jié)構(gòu)設(shè)計的嘗試中得到了突出的表現(xiàn)。1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)1.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 1如圖一所示,傳感器網(wǎng)絡(luò)通 常包括傳感器節(jié)點、 匯聚節(jié)點和管理節(jié)點。 傳感器節(jié)

6、點任意 的分布在某一監(jiān)測區(qū)域內(nèi),節(jié)點以自組織的形式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò), 通過多跳中繼方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送到匯聚節(jié)點,最后通過 Internet或其他網(wǎng)絡(luò)通訊方式將監(jiān)測信息傳送到管理節(jié)點。 同樣的, 用戶可以通過管理節(jié)點進行命令的發(fā)布, 告知傳感 器節(jié)點收集監(jiān)測信息。圖一 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)圖1.2傳感器節(jié)點體系結(jié)構(gòu)傳感器節(jié)點是一個具有信息收集和處理能力的微系統(tǒng), 基 金 項 目 :江 蘇 省 教 育 廳 自 然 科 學(xué) 基 金 資 助 項 目 (05KJB510004, 淮海工學(xué)院自然科學(xué)基金項目 (Z2006037 無 線 傳 感 器 網(wǎng) 絡(luò) 體 系 結(jié) 構(gòu) 與 路 由 協(xié) 議 研 究 科技廣場 2

7、007.9202.2Gossiping協(xié)議Gossiping協(xié)議 7是在泛洪協(xié)議的基礎(chǔ)上進行改進而提 出的。 它傳播信息的途徑是隨機的選擇一個鄰居節(jié)點, 獲得 信息的鄰居節(jié)點以同樣的方式隨機的選擇下一個節(jié)點進行信 息的傳遞。 這種方式避免了以廣播形式進行信息傳播的能量 消耗,但其代價是延長了信息的傳遞時間。雖然 Gossiping 協(xié)議在一定程度上解決了信息的“內(nèi)爆” ,但是仍然存在信 息的“重疊”現(xiàn)象。2.3SPIN 協(xié)議SPIN(SensorProtocolforInformationvia Negotiation協(xié)議 8是一種以數(shù)據(jù)為中心的自適應(yīng)路由協(xié)議。 SPIN 協(xié)議的目的是:通過節(jié)

8、點之間的協(xié)商,解決 Flooding 協(xié)議和 Gossiping 協(xié)議的“內(nèi)爆” 和“重疊”現(xiàn)象。SPIN 協(xié) 議有 3種類型的消息,即 ADV、REQ 和 DATA。ADV用于數(shù)據(jù)的廣播, 當(dāng)某一個節(jié)點有數(shù)據(jù)可以共享時, 可以用其進行數(shù)據(jù)信息廣播。REQ用于請求發(fā)送數(shù)據(jù), 當(dāng)某一個節(jié)點希望接受DATA數(shù) 據(jù)包時,發(fā)送 REQ 數(shù)據(jù)包。DATA 為傳感器采集的數(shù)據(jù)包。在發(fā)送一個DATA數(shù)據(jù)包之前, 一個傳感器節(jié)點首先對外 廣播 ADV數(shù)據(jù)包, 如果某一個節(jié)點希望接受要傳來的數(shù)據(jù)信 息,則向發(fā)送 ADV 數(shù)據(jù)包的節(jié)點回復(fù) REQ 數(shù)據(jù)包,因此,便 建立起發(fā)送節(jié)點和接受節(jié)點的聯(lián)系, 發(fā)送節(jié)點便向接

9、受節(jié)點 發(fā)送 DATA 數(shù)據(jù)包,SPIN 協(xié)議的工作流程如圖五所示。圖五 SPIN 協(xié)議工作流程2.4定向擴散(DirectedDiffusion協(xié)議定向擴散協(xié)議 9是一種基于查詢的路由機制。 整個過程 可以分為興趣擴散、 梯度建立以及路徑加強三個階段。 在興 趣擴散階段, 匯聚節(jié)點向傳感器節(jié)點發(fā)送其想要獲取的信息 種類或內(nèi)容。 興趣消息中含有任務(wù)類型、 目標區(qū)域、 數(shù)據(jù)發(fā) 送速率、時間戳等參數(shù)。每個傳感器節(jié)點在收到該信息后, 將其保存在CACHE中。 當(dāng)整個信息要求傳遍整個傳感器網(wǎng)絡(luò) 后, 便在傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點之間建立起一個梯度場, 梯 度場的建立是根據(jù)成本最小化和能量自適應(yīng)原則。 一旦

10、傳感 器節(jié)點收集到匯聚節(jié)點感興趣的數(shù)據(jù), 就會根據(jù)建立的梯度 場尋求最快路徑進行數(shù)據(jù)傳遞。梯度場建立過程如圖六所 示。圖六 定向擴散路由機制 3結(jié)束語本文在分析無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和特性的基礎(chǔ)上, 論述 了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、 節(jié)點體系結(jié)構(gòu)、 節(jié)點 能量模型和節(jié)點狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型, 并給出了幾種流行的無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)路由算法及其特點, 為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和研 究提供了一定的理論基礎(chǔ)和參考。 因此只有從網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 的研究入手, 帶動傳感器組織方式及通信技術(shù)的研究, 才能 更有力地推動這一具有戰(zhàn)略意義的新技術(shù)的研究和發(fā)展。參考文獻1AkyildizIF,SuW,Sanakarasubr

11、amaniamY,et al.WirelessSensorNetworks:ASurveyJ.Computer Networks,2002,38(4:393422.2趙志峰,鄭少仁.Adhoc網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)研究J.電 信科學(xué),2001,17(1:14-17.3ESTRIND.Tutorialwirelesssensornetworks partIV:SensorNetworksProtocolsR.Mobicom,2002. 4SUNLM, LIJZ, CHENY.Wirelesssensornetwork M.Beijing:TsinghuaUniversityPress,2005.5Link

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