無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究

0無線傳感器網(wǎng)絡(luò)隨著微電站技術(shù)和無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，人們可以開發(fā)一個低能耗、低能量和多功能傳感器節(jié)點。這些傳感器節(jié)點由能量十分有限的電池供電,具有感知、數(shù)據(jù)處理的能力,以及無線通信功能。大量布撒在監(jiān)測區(qū)域中的傳感器節(jié)點通過自組織就構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetworks,WSNs)。WSNs的應(yīng)用前景非常廣闊,在軍事國防、環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)療、智能家居、危險區(qū)域的遠程監(jiān)控等領(lǐng)域都具有潛在的使用價值。WSNs與傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)具有很大的差別。盡管它和移動自組織網(wǎng)絡(luò)(MobileAdhocNetworks,MANET)都是無線自組織網(wǎng)絡(luò),但二者存在著很大的差異。這使得傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議和MANET的路由協(xié)議均不適用于WSNs,必須依據(jù)WSNs的特點設(shè)計新的路由協(xié)議,使之有效地保證WSNs功能的正常實施。1wsns路由協(xié)議與MANET相比,WSNs具有自身的特點,這使得必須根據(jù)WSNs的特點設(shè)計其路由協(xié)議,以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、拓撲易變化、能量有限的WSNs的需要,延長網(wǎng)絡(luò)的生存周期。下面介紹WSNs的特點及其路由協(xié)議設(shè)計的關(guān)鍵問題:1)WSNs較之MANET的節(jié)點數(shù)目更為龐大(上千甚至上萬),節(jié)點分布更為密集,這使得必須為WSNs設(shè)計適于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議;2)由于環(huán)境和能量的影響,WSNs節(jié)點更容易出現(xiàn)故障,容易造成網(wǎng)絡(luò)拓撲的變化,這使得WSNs的路由協(xié)議要有更強的自適應(yīng)性和魯棒性;3)WSNs節(jié)點的能量、處理能力、存儲能力和通信能力都十分有限,這使得為WSNs設(shè)計的路由協(xié)議必須簡單且節(jié)能;4)MANET采用點對點傳輸模式,而WSNs的數(shù)據(jù)傳輸遵循多對一或一對多模式,這使得WSNs路由協(xié)議的設(shè)計必須考慮負載均衡;5)通常情況下,MANET中節(jié)點移動性很強,而大多數(shù)傳感器節(jié)點是固定不動的;6)MANET是以地址為中心進行路由,而WSNs是以數(shù)據(jù)為中心的路由;且鄰近節(jié)點間采集的數(shù)據(jù)具有相似性,需進行數(shù)據(jù)融合;7)MANET的首要設(shè)計目標是提供高服務(wù)質(zhì)量和有效帶寬利用,其次才考慮能源,而WSNs的首要設(shè)計目標是能源的高效使用,這使得必須為WSNs設(shè)計能量有效的路由協(xié)議;8)WSNs的路由協(xié)議是基于特定應(yīng)用而設(shè)計的,很難設(shè)計具有通用性的路由協(xié)議。2路由協(xié)議的分類WSNs路由協(xié)議負責(zé)在匯聚節(jié)點和傳感器節(jié)點間可靠地傳輸數(shù)據(jù)。由于WSNs的應(yīng)用相關(guān)性,單一的路由協(xié)議不能滿足各種應(yīng)用需求,因而研究人員研究了眾多的路由協(xié)議并按不同的標準對其進行了分類。由于分類標準的不同,同一路由協(xié)議可能隸屬于不同的分類。下文總結(jié)了各種WSNs路由協(xié)議的分類方法及其所包含的路由協(xié)議,并對各種分類方法下的路由協(xié)議的共同特征從多方面進行了對比分析。2.1基于網(wǎng)絡(luò)的邏輯結(jié)構(gòu)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的邏輯結(jié)構(gòu),可將WSNs路由協(xié)議分為平面路由和層次路由。該分類沿用了MANET中的路由協(xié)議分類,是早期的一種分類標準。2.1.1基于定向洪泛法的運動網(wǎng)絡(luò)仿真平面路由中各節(jié)點都將收集到的數(shù)據(jù)傳送到匯聚節(jié)點,所有節(jié)點具有相同的地位和功能,節(jié)點間相互協(xié)作共同完成感知和數(shù)據(jù)處理任務(wù)。典型的平面路由協(xié)議有Flooding,SPIN,DD,Rumor和SAR等。洪泛法(Flooding)是早期的路由協(xié)議之一,不需要任何路由維護的開銷,且具有較好的容錯性,但存在著信息內(nèi)爆、重疊和盲目使用資源的缺點。針對其不足,研究人員提出了一些改進協(xié)議。文獻提出了一個定向洪泛路由協(xié)議(DFlooding),該協(xié)議吸取了洪泛法容錯性的優(yōu)點,并僅將數(shù)據(jù)傳送到指定區(qū)域。仿真結(jié)果表明,定向洪泛法在能耗和時延方面均優(yōu)于傳統(tǒng)的洪泛法。平面路由算法易于實現(xiàn),但維護路由的開銷大,數(shù)據(jù)傳輸跳數(shù)多,可擴展性差,只適用于小規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大,單層網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點的密度增大,導(dǎo)致匯聚節(jié)點負載過重;而且,由于傳感器節(jié)點能量受限,不適宜長距離通信,只能通過多跳方式到達匯聚節(jié)點,單個匯聚節(jié)點的結(jié)構(gòu)會成為WSNs可擴展性的瓶頸。為了解決上述問題,許多路由協(xié)議的設(shè)計中使用了分簇的思想,由此引入了層次路由。2.1.2分簇結(jié)構(gòu)分類早期的層次路由中傳感器節(jié)點按照不同的分簇方法分成相應(yīng)的簇,每個簇中選舉一個簇頭節(jié)點,通過節(jié)點的多跳通信和數(shù)據(jù)融合來減少信息發(fā)送次數(shù),以節(jié)約能耗,延長網(wǎng)絡(luò)的生存周期。典型的層次路由協(xié)議有LEACH,PEGASIS和分層PEGASIS,TEEN和APTEEN,以及Younis等人提出的能量感知的分簇路由協(xié)議等。層次路由可擴展性好,適合大規(guī)模網(wǎng)絡(luò),但簇的重構(gòu)及維護開銷大,且簇頭是路由的關(guān)鍵節(jié)點,其失效將導(dǎo)致路由失敗。因此,近期的研究主要集中在對傳統(tǒng)分簇協(xié)議的改進上,其中一類是對簇頭選舉方法的改進,另一類是對分簇結(jié)構(gòu)的改進。對簇頭選舉方法的改進主要集中在利用某種算法(比如基于質(zhì)心的分布式成簇算法CDCS和設(shè)定初始衰減時間的簇頭選舉算法等)使得分簇更加合理,全網(wǎng)節(jié)點能耗更加均勻。對分簇結(jié)構(gòu)的改進主要集中在將WSNs分為若干個交疊簇,整個網(wǎng)絡(luò)有簇間和簇內(nèi)兩級拓撲。節(jié)點在選擇路由時先根據(jù)簇間拓撲選擇簇間路由,當數(shù)據(jù)經(jīng)過某個簇進行轉(zhuǎn)發(fā)時,網(wǎng)關(guān)節(jié)點根據(jù)簇內(nèi)拓撲產(chǎn)生簇內(nèi)路由。在這些算法中,簇頭只負責(zé)收集節(jié)點信息(包括采集的數(shù)據(jù)信息和剩余能量信息)并進行計算和數(shù)據(jù)融合,而交疊區(qū)域的節(jié)點被選為網(wǎng)關(guān)節(jié)點,用來在各簇間傳輸數(shù)據(jù),最終將數(shù)據(jù)傳送到基站。算法充分考慮了數(shù)據(jù)冗余性的消除及數(shù)據(jù)傳輸過程中節(jié)點能耗的均衡,可進一步延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。2.1.3路由協(xié)議對比分析上文根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的邏輯結(jié)構(gòu)對WSNs路由協(xié)議進行了分類,通過以上分析,可從路由策略、路由協(xié)議的特點、性能幾個方面對各類路由協(xié)議進行對比分析。詳見表1。2.2wsns路由協(xié)議的類型WSNs的路由協(xié)議都是基于特定的應(yīng)用而設(shè)計的,根據(jù)不同應(yīng)用對WSNs各種特性的敏感度不同,將其路由協(xié)議分為能量感知路由、基于查詢的路由、地理位置路由和可靠路由四種類型。2.2.1能量分析預(yù)處理該類路由從數(shù)據(jù)傳輸中的能量消耗出發(fā),討論最優(yōu)能量消耗路徑以及最長網(wǎng)絡(luò)生存期等問題。包括最大PA(剩余能量)路由,最小能量消耗路由,最少跳數(shù)路由,最大最小PA節(jié)點路由以及由Shah等人提出的能量多路徑路由。文獻提出了一個利用能量為中心度量標準(ECscale)來監(jiān)測WSNs不同區(qū)域的剩余能量分布,并進行路由優(yōu)化和WSNs中近似的能量為中心路由的方案,以最大化網(wǎng)絡(luò)的生存周期。仿真結(jié)果表明,與傳統(tǒng)的路由協(xié)議相比,該協(xié)議具有良好的可擴展性,且節(jié)約能耗達數(shù)倍。2.2.2傳感器節(jié)點間的融合在諸如環(huán)境監(jiān)測、戰(zhàn)場評估等應(yīng)用中,需要不斷查詢傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)。在這類應(yīng)用中,通信流量主要是查詢節(jié)點和傳感器節(jié)點之間的命令和數(shù)據(jù)傳輸,同時傳感器節(jié)點的采樣信息在傳輸路徑上通常要進行數(shù)據(jù)融合,通過減少通信流量來節(jié)省能量。典型的基于查詢的路由協(xié)議有DD、Rumor、CADR和ACQUIRE等。該類路由協(xié)議是基于按需查詢驅(qū)動的數(shù)據(jù)采集模型,不適用于需要連續(xù)采集數(shù)據(jù)的場合。此外,選擇與查詢相匹配的數(shù)據(jù)會使傳感器節(jié)點消耗更多的能量。2.2.3區(qū)域的地理位置在一些WSNs的應(yīng)用中,需要知道節(jié)點的地理位置信息。地理位置路由假設(shè)節(jié)點知道自己的地理位置,以及目的節(jié)點或者目的區(qū)域的地理位置,利用這些地理位置信息作為路由選擇的依據(jù),節(jié)點按照一定策略轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到目的節(jié)點。典型的地理位置路由協(xié)議有MECN,GAF和GEAR等。該類路由協(xié)議將查詢信息或數(shù)據(jù)僅發(fā)布到指定區(qū)域,從而有效地減少了數(shù)據(jù)傳輸次數(shù),節(jié)約了能耗,并可以降低專門維護路由協(xié)議的能耗。但一般都需要定位技術(shù)的支持,在節(jié)點數(shù)據(jù)較多的情況下,增加了大量額外的開銷。2.2.4可靠路由協(xié)議WSNs的某些應(yīng)用對通信服務(wù)質(zhì)量有較高的要求,如可靠性和實時性等,特別是在傳遞視頻和音頻數(shù)據(jù)時。而在WSNs中,鏈路的穩(wěn)定性難以保證,通信信道質(zhì)量比較低,拓撲變化比較頻繁,要實現(xiàn)服務(wù)質(zhì)量保證,需要設(shè)計相應(yīng)的可靠的路由協(xié)議。典型的可靠路由協(xié)議有基于不相交路徑的多路徑路由HREEMR,ReInForM路由,SPEED協(xié)議等。文獻是對SPEED的擴展,提出了一個保證WSNs的QoS的新的數(shù)據(jù)包傳送機制,被稱為多路徑多速度路由協(xié)議(MMSPEED)。該協(xié)議通過實時性域和可靠性域來保證QoS。仿真結(jié)果表明,MMSPEED提高WSNs的實時和可靠流量的有效容量達50%以上。2.2.5不同道路結(jié)論的比較分析上文根據(jù)應(yīng)用場合對WSNs路由協(xié)議進行了分類,通過以上分析,可從路由協(xié)議的特點及性能等方面對路由協(xié)議進行對比分析,詳見表2。2.3分類模型上的路由、地理位置和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Akkaya等人依據(jù)傳感器節(jié)點的特性和結(jié)構(gòu),將WSNs路由協(xié)議分為:數(shù)據(jù)為中心路由、層次路由、地理位置路由和基于網(wǎng)絡(luò)流量和服務(wù)質(zhì)量的路由。該分類方法可以看作上述兩種分類方法的結(jié)合,綜合考慮了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和具體的應(yīng)用場合以及節(jié)點的特性和結(jié)構(gòu)。層次路由和地理位置路由與前面討論的相同,在此僅討論數(shù)據(jù)為中心路由和基于網(wǎng)絡(luò)流量和服務(wù)質(zhì)量的路由。2.3.1節(jié)點數(shù)據(jù)命名機制由于WSNs內(nèi)的節(jié)點分布密度大,相鄰節(jié)點采集的數(shù)據(jù)大多都基于同一現(xiàn)象,經(jīng)常會出現(xiàn)冗余,由此導(dǎo)致了數(shù)據(jù)為中心路由的產(chǎn)生。該類路由協(xié)議采用基于屬性的命名機制來描述數(shù)據(jù),通過匯聚節(jié)點向特定的區(qū)域發(fā)送查詢請求來獲取數(shù)據(jù)信息,并在數(shù)據(jù)傳輸過程中進行數(shù)據(jù)融合以降低節(jié)點的能量消耗。但往往需要高效的標準數(shù)據(jù)命名機制的支持。典型的數(shù)據(jù)為中心路由協(xié)議有SPIN,DD,Rumor,以及后來提出的GBR、CADR和ACQUIRE等。文獻提出了一個新的數(shù)據(jù)為中心的多路徑路由方案,該方案在每個傳感器節(jié)點中引入一個模糊邏輯控制器架構(gòu),該架構(gòu)根據(jù)傳感器節(jié)點電池的能量級別和傳輸數(shù)據(jù)的類型來度量節(jié)點傳輸命名數(shù)據(jù)的能力。這樣就可以避免低能量的節(jié)點傳輸大量的數(shù)據(jù),且多路徑機制的引入可以保證網(wǎng)絡(luò)迅速從路徑失效中恢復(fù)以節(jié)約能量。2.3.2典型網(wǎng)絡(luò)性能分析在一些路由協(xié)議中,路由建立過程可以通過網(wǎng)絡(luò)流量問題來進行解決。而在另一些路由協(xié)議中,和前述的可靠路由相似,還需要考慮吞吐量和端到端時延等QoS性能參數(shù)。典型的基于網(wǎng)絡(luò)流量的路由協(xié)議有Chang等人提出的最大生存期能量路由,Kalapakis等人提出的最大生存期數(shù)據(jù)采集協(xié)議以及最小代價路由等。這類路由均利用網(wǎng)絡(luò)流量問題進行建模,采用某種代價函數(shù)和算法來確定到匯聚節(jié)點的最優(yōu)路徑,從而延長了網(wǎng)絡(luò)的生存周期。典型的基于QoS的路由協(xié)議有SAR,Younis等人提出的能量感知的QoS路由以及SPEED等。該類路由協(xié)議滿足了一定的QoS要求,且出現(xiàn)差錯易于恢復(fù),但一般均采用某種可靠性機制,因此引入了額外的開銷。2.3.3wsns路由協(xié)議分類上文通過網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和具體的應(yīng)用場合以及節(jié)點的特性和結(jié)構(gòu)對WSNs路由協(xié)議進行了分類,通過以上分析,可以從路由結(jié)構(gòu)、路由策略、路由協(xié)議的特點和性能等方面對路由協(xié)議進行對比分析,詳見表3。2.4wsns路由協(xié)議根據(jù)路由表的建立時機,可將WSNs路由協(xié)議分為主動路由和按需路由。根據(jù)協(xié)議的功能和操作方式,還可以將WSNs路由協(xié)議分為支持多路徑的路由協(xié)議和不支持多路徑的路由協(xié)議;支持數(shù)據(jù)融合的路由和不支持數(shù)據(jù)融合的路由;支持安全性的路由協(xié)議和不支持安全性的路由協(xié)議等等。另外還存在一些路由協(xié)議的分類,綜合了現(xiàn)存的路由協(xié)議分類方法,運用多種分類標準來進行分類,使每個路由協(xié)議所屬類別更加清晰,易于研究。3wsns路由協(xié)議分類方法WSNs因其自身的特點使其路由協(xié)議的研究較之以往的網(wǎng)絡(luò)更為復(fù)雜,好的分類方法有利于研究人員對路由協(xié)議進行研究和改進。分析總結(jié)了現(xiàn)存的WSNs路由協(xié)議的分類方法,并對各種分類進行了比較,指出了各類路由協(xié)議的優(yōu)缺點和有待改進的方面。通過以上分析,可以看出WSNs路由協(xié)議未來的研究熱點和發(fā)展趨勢:1優(yōu)化集群連接路徑2能量高效的qos路徑3高效利用能量此外,還要考慮路由協(xié)議的容錯性、節(jié)點的移動性以及有線網(wǎng)絡(luò)與無線網(wǎng)絡(luò)的融合等。由于WSNs是大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò),在路由協(xié)議中利用分簇技術(shù)可以提高其可擴展性,并使所有節(jié)點均衡全網(wǎng)的能耗。簇頭如何選擇才使其分布更加均勻,簇如何劃分才更加節(jié)約能耗、消除簇頭瓶頸、實現(xiàn)全網(wǎng)的通訊負載平衡,簇內(nèi)和簇間