WSN中的路由協(xié)議 課件

WSN中的路由協(xié)議1.概述

1.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的特點(diǎn)

1.2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的分類(lèi)

2.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)目標(biāo)

2.2技術(shù)挑戰(zhàn)

3.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議

3.1基于分層的路由協(xié)議

3.2基于能量的路由協(xié)議

3.3基于位置的路由協(xié)議

3.4基于移動(dòng)性的路由協(xié)議

1.概述無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量傳感器節(jié)點(diǎn)組成的一種分布式無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)。路由是WSN的核心技術(shù)之一。WSN路由協(xié)議是一套保證數(shù)據(jù)從源節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)的機(jī)制。WSN是無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)，一般用電池供電、無(wú)人看守，電池不能補(bǔ)充，要延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命就必須降低能耗。能耗主要用戶(hù)數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸上，所以單跳傳輸距離不能太遠(yuǎn)，要實(shí)現(xiàn)WSN大范圍覆蓋，就需要多跳中繼，即路由。1.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的特點(diǎn)

節(jié)能優(yōu)先多對(duì)一傳輸以數(shù)據(jù)為中心應(yīng)用相關(guān)

1.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的分類(lèi)

平面路由協(xié)議分層路由協(xié)議基于能量的路由協(xié)議基于多路徑的路由協(xié)議基于移動(dòng)性的路由協(xié)議基于位置的路由協(xié)議基于機(jī)會(huì)的路由協(xié)議以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議

2無(wú)線傳感器的設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)目標(biāo)

能量效率（協(xié)議簡(jiǎn)單&節(jié)省能量&均衡消耗）可擴(kuò)展性（網(wǎng)絡(luò)范圍&節(jié)點(diǎn)密度）魯棒性（節(jié)點(diǎn)變化&快速確定備用路由）自適應(yīng)性（節(jié)點(diǎn)加入退出快速適應(yīng)&拓?fù)渥兓?/p>

2.2技術(shù)挑戰(zhàn)

能量損耗均衡問(wèn)題（能量有限&匯聚節(jié)點(diǎn)附近熱點(diǎn)效應(yīng)）協(xié)議的復(fù)雜度問(wèn)題（增加復(fù)雜度提高傳輸性能與能量損耗之間的矛盾）動(dòng)態(tài)環(huán)境下的協(xié)議性能問(wèn)題（拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化&魯棒性）

3無(wú)線傳感器的路由協(xié)議3.1.1LEACH3.1基于分層的路由協(xié)議LEACH（lowenergyadaptiveclusteringhierarchy）協(xié)議是基于低能量自適應(yīng)分簇的路由協(xié)議。LEACH協(xié)議每“輪”分為兩個(gè)階段：周期性的簇的建立階段與穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通信階段。簇的建立階段又包括簇頭的選舉以及簇的形成這兩部分。穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸階段結(jié)束后，即進(jìn)入下一“輪”的簇的建立階段，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始下一“輪”的工作周期。LEACH協(xié)議將傳感器節(jié)點(diǎn)劃分成不同的簇，每簇選舉一個(gè)節(jié)點(diǎn)為簇頭，其余節(jié)點(diǎn)為簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)。簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送給本簇的簇頭節(jié)點(diǎn)，簇頭節(jié)點(diǎn)收集簇內(nèi)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后再發(fā)送給sink節(jié)點(diǎn)。簇頭選舉方式

T(n)是每輪選舉的門(mén)限值，在創(chuàng)建時(shí)，各節(jié)點(diǎn)首先在0-1之間選擇一個(gè)隨機(jī)數(shù)。若隨機(jī)數(shù)小于本輪的門(mén)限值，則成為簇頭節(jié)點(diǎn)。當(dāng)n?G,節(jié)點(diǎn)n的門(mén)限值用上面的公式計(jì)算，否則門(mén)限值為零。P為網(wǎng)絡(luò)期望的簇頭節(jié)點(diǎn)百分比，r為當(dāng)前的倫數(shù)，G為最近1/P中沒(méi)有被選為簇頭的節(jié)點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)：1.節(jié)點(diǎn)在分配時(shí)隙內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其他時(shí)間可以進(jìn)入休眠，大大節(jié)省能量消耗。2、簇頭向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)前把數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，有效減少發(fā)送的數(shù)據(jù)量，降低發(fā)送數(shù)據(jù)所需的耗能。缺點(diǎn)：1、不同輪中產(chǎn)生的簇頭的數(shù)量可能相差很大，影響網(wǎng)絡(luò)性能。2、簇頭和匯聚節(jié)點(diǎn)間選擇的是直接發(fā)送數(shù)據(jù)的方式，耗能較大，距離遠(yuǎn)者耗能多。3、沒(méi)有考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量，無(wú)能量消耗均衡機(jī)制，影響網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。3.1.2PEGASISPEGASIS(Power-efficientgatheringinsensorinformationsystems)由LEACH發(fā)展而來(lái)，它是LEACH協(xié)議的一種改進(jìn)版本，仍然采用動(dòng)態(tài)選舉簇頭的思想,但為避免頻繁選舉簇頭的通信開(kāi)銷(xiāo),采用無(wú)通信量的簇頭選舉方法,且網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)只形成一個(gè)簇,稱(chēng)為鏈。該協(xié)議執(zhí)行也是分兩個(gè)階段，分別是鏈創(chuàng)建階段和數(shù)據(jù)傳輸階段。要求每個(gè)節(jié)點(diǎn)都知道網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)的位置,通過(guò)貪心算法選擇最近的相鄰節(jié)點(diǎn)形成鏈。簇頭與sink點(diǎn)一跳通信,利用令牌控制鏈兩端數(shù)據(jù)沿鏈傳送到簇頭本身,在傳送過(guò)程中可聚合數(shù)據(jù).當(dāng)鏈兩端數(shù)據(jù)都傳送完成時(shí),開(kāi)始新一輪選舉與傳輸。

優(yōu)點(diǎn)：1.有效的進(jìn)行了數(shù)據(jù)融合，有效降低耗能。2、采用鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)可以用小功率與最近的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，高效的利用節(jié)點(diǎn)能量。缺點(diǎn)：1、這種單簇結(jié)構(gòu)對(duì)簇頭的穩(wěn)定性要求很高，若簇頭數(shù)據(jù)傳輸失敗會(huì)使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)無(wú)法工作。2、如果鏈過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致時(shí)延過(guò)長(zhǎng)。3、各個(gè)節(jié)點(diǎn)必須知道其他節(jié)點(diǎn)的位置，開(kāi)銷(xiāo)大。1.采用與LEACH協(xié)議相同的聚簇方式,但簇頭根據(jù)與sink點(diǎn)距離的不同形成層次結(jié)構(gòu)。

2.聚簇完成后,sink點(diǎn)通過(guò)簇頭向全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)通告兩個(gè)門(mén)限值(分別稱(chēng)為硬門(mén)限和軟門(mén)限)來(lái)過(guò)濾數(shù)據(jù)發(fā)送。

3.在節(jié)點(diǎn)第1次監(jiān)測(cè)到數(shù)據(jù)超過(guò)硬門(mén)限時(shí),節(jié)點(diǎn)向簇頭上報(bào)數(shù)據(jù),并將當(dāng)前監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)保存為監(jiān)測(cè)值(sensedvalue,簡(jiǎn)稱(chēng)SV)。

4.此后只有在監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)比硬門(mén)限大且其與SV之差的絕對(duì)值不小于軟門(mén)限時(shí),節(jié)點(diǎn)才向簇頭上報(bào)數(shù)據(jù),并將當(dāng)前監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)保存為SV。3.1.3Teen優(yōu)點(diǎn)：1、通過(guò)軟硬門(mén)限有效減少發(fā)送的數(shù)據(jù)量，降低耗能。2、采用多級(jí)分簇的結(jié)構(gòu)，使節(jié)點(diǎn)能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行很好的融合，進(jìn)一步降低了耗能。缺點(diǎn)：1、如果軟硬門(mén)限值設(shè)置不合理，節(jié)點(diǎn)就無(wú)法發(fā)送數(shù)據(jù)。簇頭無(wú)法確認(rèn)節(jié)點(diǎn)是失效還是死亡。2、門(mén)限設(shè)置阻止了某些數(shù)據(jù)上報(bào)，不適用于需要周期性上報(bào)數(shù)據(jù)的應(yīng)用。3.2.1最小功率路由最小功率路由是連接兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的所有路徑當(dāng)中，選擇路徑總功率值最小的一條路徑。若令Ptx和Prx分別表示節(jié)點(diǎn)i向節(jié)點(diǎn)j發(fā)送單位數(shù)據(jù)所需的最小功率和節(jié)點(diǎn)j接收單位數(shù)據(jù)所消耗的功率，有在鏈路代價(jià)計(jì)算當(dāng)中，可以忽略K，即K=1。因此鏈路中成功傳送單位數(shù)據(jù)所消耗的功率為P(i,j)=Ptx+Prx=2E+K*daij3.2基于能量的路由協(xié)議特點(diǎn)：1、最小功率路徑傾向于選擇短鏈路組成的路徑，導(dǎo)致路徑跳數(shù)較多，傳輸延遲較大。2、若網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是靜止的且不考慮失效和鏈路動(dòng)態(tài)等因素，鏈接兩個(gè)節(jié)點(diǎn)最小功率路徑是固定的，流量容易集中，某些節(jié)點(diǎn)會(huì)先死亡。3、若所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率相同而且不具備功率控制能力，最小路徑就是最小跳數(shù)路徑。3.2.2最大剩余能量路由

3.2.3最小不情愿度路由

3.2.4基于組合能量代價(jià)的優(yōu)化路由3.3基于位置的路由協(xié)議基于位置的分組轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制：要求每個(gè)節(jié)點(diǎn)具備自身位置、每個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)位置和目的節(jié)點(diǎn)位置等來(lái)確定分組的最佳下一跳節(jié)點(diǎn)。在確定下一跳的時(shí)候有