無線傳感器網(wǎng)絡技術與應用現(xiàn)狀的研究畢業(yè)論文_第1頁
無線傳感器網(wǎng)絡技術與應用現(xiàn)狀的研究畢業(yè)論文_第2頁
無線傳感器網(wǎng)絡技術與應用現(xiàn)狀的研究畢業(yè)論文_第3頁
無線傳感器網(wǎng)絡技術與應用現(xiàn)狀的研究畢業(yè)論文_第4頁
無線傳感器網(wǎng)絡技術與應用現(xiàn)狀的研究畢業(yè)論文_第5頁
已閱讀5頁,還剩52頁未讀, 繼續(xù)免費閱讀

下載本文檔

版權說明:本文檔由用戶提供并上傳,收益歸屬內(nèi)容提供方,若內(nèi)容存在侵權,請進行舉報或認領

文檔簡介

1、中北大學2008屆畢業(yè)論文1 緒論1.1 課題背景和研究意義無線傳感器網(wǎng)絡綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、現(xiàn)代網(wǎng)絡及無線通信技術等多種先進技術。其主體是集成化微型傳感器,這些微型傳感器具有無線通信、數(shù)據(jù)采集和處理、協(xié)同合作的功能。無線傳感器網(wǎng)絡就是由成千上萬的傳感器節(jié)點通過自組織方式構成的網(wǎng)絡,它通過這些傳感器協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息,通過嵌入式系統(tǒng)對信息進行處理,并通過隨機自組織無線通信網(wǎng)絡以多跳中繼方式將所感知信息傳送到用戶終端,使用戶完全掌握監(jiān)測區(qū)域的情況并做出反應1。無線傳感器網(wǎng)絡的自組織性和容錯能力使其不會因為某些節(jié)點在惡意攻擊中的損壞而導致整個系統(tǒng)的崩潰

2、,所以傳感器網(wǎng)絡非常適合應用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境,包括監(jiān)控我軍兵力、裝備和物資狀態(tài);監(jiān)視沖突區(qū)域,偵察敵方地形和布防,定位攻擊目標;評估損失,偵察和探測核、生物及化學攻擊等。在戰(zhàn)場上,鋪設的傳感器將采集相應的信息,并通過匯聚節(jié)點將數(shù)據(jù)送至數(shù)據(jù)處理中心,再轉(zhuǎn)發(fā)到指揮部,最后融合來自各戰(zhàn)場的數(shù)據(jù),形成我軍完備的戰(zhàn)區(qū)態(tài)勢圖。也可以更隱蔽的方式近距離地觀察敵方的布防,或直接將傳感器節(jié)點撒向敵方陣地,在敵方還未來得及反應時迅速收集有利于作戰(zhàn)的信息。在生物和化學戰(zhàn)中,利用傳感器網(wǎng)絡,可及時、準確地探測爆炸中心,這會為我軍提供寶貴的反應時間,從而最大可能地減小傷亡。無線傳感器網(wǎng)絡是繼因特網(wǎng)之后,將對21世紀人類

3、生活方式產(chǎn)生重大影響的IT熱點技術。如果說因特網(wǎng)改變了人與人之間交流、溝通的方式,那么無線傳感器網(wǎng)絡則將邏輯上的信息世界與真實物理世界融合在一起,將改變?nèi)伺c自然交互的方式23。無線傳感器網(wǎng)絡是新興的下一代傳感器網(wǎng)絡,最早的代表性論述出現(xiàn)在1999年,題為“傳感器走向無線時代”。隨后在美國的移動計算和網(wǎng)絡國際會議上,提出了無線傳感器網(wǎng)絡是下一個世紀面臨的發(fā)展機遇。2003年,美國技術評論雜志論述未來新興十大技術時,無線傳感器網(wǎng)絡被列為第一項未來新興技術。同年,美國商業(yè)周刊又在其“未來技術專版”中發(fā)表文章指出,傳感器網(wǎng)絡是全球未來四大高技術產(chǎn)業(yè)之一,將掀起新的的產(chǎn)業(yè)浪潮。美國今日防務雜志更認為無線

4、傳感器網(wǎng)絡的應用和發(fā)展,將引起一場劃時代的軍事技術革命和未來戰(zhàn)爭的變革。2004年IEEE Spectrum雜志發(fā)表一期“傳感器的國度”,論述無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展和可能的廣泛應用??梢灶A計,無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展和廣泛應用,將對人們的社會生活和產(chǎn)業(yè)變革帶來極大的影響和產(chǎn)生巨大的推動。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點結構在不同應用中,傳感器節(jié)點的結構不盡相同,但一般都由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊四部分組成4,如圖1.1所示。傳感器模塊負責監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,傳感器的類型是由被監(jiān)測物理信號的形式?jīng)Q定的,如用于溫度監(jiān)測的鉑電阻傳感器,用于壓力傳感

5、的電容式傳感器等;處理器模塊負責控制整個傳感器節(jié)點的操作,存儲和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù);無線通信模塊負責與其他傳感器節(jié)點進行無線通信,交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù);能量供應模塊為傳感器節(jié)點提供運行所需的能量,通常采用微型電池,不過己有公司探索從周圍環(huán)境取得能量并將其轉(zhuǎn)換成微瓦電能的方法。傳感器模塊無線通信模塊能量供應模塊傳感器AC/DC處理器存儲器網(wǎng)絡MAC收發(fā)器圖1.1 傳感器節(jié)點結構1.2.2 無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議棧無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議棧包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層,與互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧的五層協(xié)議相對應,如圖1.3所示。另外,協(xié)議棧還包括能量管理平臺、移動管理平臺

6、和任務管理平臺。這些管理平臺使得傳感器節(jié)點能夠按照能源高效的方式協(xié)同工作,在節(jié)點移動的傳感器網(wǎng)絡中轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),并支持多任務和資源共享.各層協(xié)議和平臺的功能如下5,(1)物理層提供簡單但健壯的信號調(diào)制和無線收發(fā)技術;(2)數(shù)據(jù)鏈路層負責數(shù)據(jù)成幀,幀檢測、媒體訪問和差錯控制;(3)網(wǎng)絡層主要負責路由生成與路由選擇;(4)傳輸層負責數(shù)據(jù)流的傳輸控制,是保證通信服務質(zhì)量的重要部分;(5)應用層包括一系列基于監(jiān)測任務的應用層軟件;(6)能量管理平臺管理傳感器節(jié)點如何使用能源,在各個協(xié)議層都需要考慮節(jié)省能量;(7)移動管理平臺檢測并注冊傳感器節(jié)點的移動,維護到匯聚節(jié)點的路由,使得傳感器節(jié)點能夠動態(tài)跟蹤其鄰居

7、的位置;(8)任務管理平臺在一個給定的區(qū)域內(nèi)平衡和調(diào)度檢測任務。物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡層傳輸層應用層能量管理平臺移動管理平臺任務管理平臺圖1.2 無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議棧1.2.3 無線傳感器網(wǎng)絡的拓撲結構無線傳感器網(wǎng)絡特定的應用環(huán)境及其固有的特征,對傳感器網(wǎng)絡拓撲結構的設計提出了新的要求。在無線傳感器網(wǎng)絡中,節(jié)點需要完全以自組織的形式構成自治型網(wǎng)絡,并且能夠工作在無人值守的惡劣環(huán)境當中。到目前為止,無線傳感器網(wǎng)絡拓撲結構的研究主要集中在兩個方向,即平面型拓撲結構和層次型拓撲結構6。平面型拓撲結構,所有節(jié)點的地位平等、作用相同,既采集數(shù)據(jù)又進行數(shù)據(jù)通信的中轉(zhuǎn),網(wǎng)絡中不存在集中式控制中心。為了有效地節(jié)

8、省能量,遠距離節(jié)點之間以多跳通信方式,如圖1.4所示。平面結構網(wǎng)絡比較簡單,無需任何的結構維護過程,節(jié)點根據(jù)預定的路由協(xié)議自組織成無線網(wǎng)絡。由于隨機分布、高密度等特性,源節(jié)點和目的節(jié)點之間可能存在多條傳輸路徑,如圖1.4中節(jié)點A和E之間存在兩條路徑:ACDE和ACFE,既可以使用多條路徑實現(xiàn)負載分擔,也可以為不同的數(shù)據(jù)傳輸需求選擇適當?shù)穆窂?。平面結構網(wǎng)絡中所有的傳感器節(jié)點理論上是對等的,不存在瓶頸和單點故障,所以比較健壯,但是網(wǎng)絡規(guī)模受限,動態(tài)擴展性差,難以維護。在平面結構中,源節(jié)點為了獲得目的節(jié)點信息通常需要傳輸大量的查詢消息,而且由于網(wǎng)絡的動態(tài)性,如節(jié)點失效、增加等,維護這些動態(tài)變化的路由

9、信息需要發(fā)送大量的控制消息.網(wǎng)絡規(guī)模越大路由維護的開銷就越大,當網(wǎng)絡的規(guī)模增加到某個程度時,網(wǎng)絡的所有帶寬可能被路由協(xié)議消耗掉,所以平面式結構的網(wǎng)絡擴展性較差。INTERNETSINK傳感區(qū)域傳感節(jié)點圖1.3 平面型拓撲結構層次型拓撲結構中,網(wǎng)絡根據(jù)具體應用需求,如地理區(qū)域、能源、應用類型等,劃分為簇,每個簇由一個簇頭節(jié)點和多個簇成員構成,多個簇頭節(jié)點抽象成高一級的網(wǎng)絡,在高一級網(wǎng)絡中可以繼續(xù)分簇,形成更高一級網(wǎng)絡,最終形成多層次組織結構的傳感器網(wǎng)絡,如圖1.4所示。C1簇C2簇C3簇簇頭傳感器節(jié)點圖1.4 層次型拓撲結構層次型拓撲結構中,不同層次以自己的局部概念進行交互,聚集起來實現(xiàn)期望的全

10、局任務。分層組織結構中,簇內(nèi)成員節(jié)點負責感知任務,以多跳方式將采集的信息發(fā)送到簇頭節(jié)點。簇頭節(jié)點作為簇類的中心節(jié)點,擔負著與遠程終端通訊、發(fā)布簇類管理信息、執(zhí)行更高層次的數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)分析等使命。為了有效利用能源和延長網(wǎng)絡的生命周期,簇頭節(jié)點通常依據(jù)能量概率分布由網(wǎng)絡節(jié)點輪流充當。這樣可以使簇頭節(jié)點的高能量消耗平均到網(wǎng)絡節(jié)點上,同時也避免了固定簇頭引起的網(wǎng)絡的脆弱性和不穩(wěn)定性,而且可以通過簇拆分來增加簇的個數(shù)或者簇聚合形成更高一級網(wǎng)絡來提高整個網(wǎng)絡的容量。但缺點是,為了維護層次化結構需要仔細設計簇頭選擇算法。而且簇間節(jié)點為了完成數(shù)據(jù)通信需要經(jīng)過簇頭轉(zhuǎn)發(fā),因此不一定能使用最佳路由,例如圖1.5中

11、的A,B節(jié)點,物理距離很接近,在平面結構中可以直接通信,但分簇后需要通過兩個簇的簇頭中繼進行通信。1.2.4 無線傳感器網(wǎng)絡研究內(nèi)容由于無線傳感器網(wǎng)絡涉及信息領域多個研究領域,有非常多的關鍵技術有待研究.(1)對網(wǎng)絡協(xié)議有效性的研究。主要是通過各種網(wǎng)絡協(xié)議的設計與仿真來提高網(wǎng)絡的綜合性能。傳感器網(wǎng)絡協(xié)議負責使各個獨立的節(jié)點間形成一條安全可靠的數(shù)據(jù)傳輸路徑。通過提出適應傳感器網(wǎng)絡特點的路由協(xié)議,提高傳輸數(shù)據(jù)的能量有效性;通過研究和改進己有的MAC層協(xié)議,來增強節(jié)點之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。較經(jīng)典的MAC協(xié)議有近期提出的基于競爭的S-MAC協(xié)議,TDMA與FDMA相結合的MAC協(xié)議7。(2)對時間同步

12、技術的研究。時間同步用來精準確定來自不同節(jié)點的監(jiān)測事件的先后關系。WSN中的通信協(xié)議和應用,比如基于TDMA的MAC協(xié)議和敏感時間的監(jiān)測任務等,都要求節(jié)點間的時鐘必須保持同步。設計高精度的時鐘同步機制是傳感網(wǎng)絡設計和應用的難點。已有的NTP(Network Time Protocol)就是一種經(jīng)典的同步策略8。(3)對定位技術的研究。定位技術就是位置未知的節(jié)點根據(jù)少數(shù)信標節(jié)點,按照某種定位機制確定自身的位置。節(jié)點不能完全依靠GPS來實現(xiàn)定位機制,這就要求相應的機制與算法。已有的定位機制與算法包括兩部分:節(jié)點自身定位和外部目標定位,前者是后者的基礎。通常方法有三邊測量法、三角測量法或極大似然估計

13、法。(4)對傳感器基礎層的軟、硬件資源的研究。提高電池的供電能力,接收信號的處理能力和芯片的集成能力。由于傳感器節(jié)點一方面特點是并發(fā)性密集;傳感器節(jié)點的另一方面特點是高度的模塊化。美國加州大學伯克利分校針對無線傳感器網(wǎng)絡研發(fā)了TinyOS操作系統(tǒng),在科研機構的研究中得到比較廣泛地應用。(5)對數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)融合技術的研究。由于傳感器網(wǎng)絡感知數(shù)據(jù)的海量性,因此必須對采集到的數(shù)據(jù)進行提取、壓縮和融合等處理,來保證采集數(shù)據(jù)的高效性9。在應用層設計中,利用分布式數(shù)據(jù)庫技術對采集到的數(shù)據(jù)進行篩選,達到融合的效果;在MAC層,通過減少數(shù)據(jù)發(fā)送沖突和頭部開銷達到節(jié)省能量的目的。美國加州大學伯克利分校的Tin

14、yDB+71系統(tǒng)和Cornel大學的Cougar18系統(tǒng)就是典型的傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)10。(6)對傳感器網(wǎng)絡安全性的研究。主要包括兩方面內(nèi)容:利用較少的能量和較小的計算量來完成數(shù)據(jù)加密、解密和身份認證;在受破壞或受千擾的情況下可靠的完成執(zhí)行任務。由于WSN的工作環(huán)境,可能面臨著信息被竊聽或被偽造的危險。這對該網(wǎng)絡的擁有者會造成極大的威脅,因此必須綜合考慮網(wǎng)絡安全性的影響。1.3 無線傳感器網(wǎng)絡的應用無線傳感器網(wǎng)絡具有廣闊的應用前景,被認為是將對21世紀產(chǎn)生巨大影響力的技術之一己有和潛在的傳感器網(wǎng)絡應用領域包括:軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療監(jiān)護、空間探索、城市交通管理、倉儲管理等等。隨著傳感器技

15、術、無線通信技術、計算技術的不斷發(fā)展和完善,無線傳感器網(wǎng)絡將逐漸深入到人類生活的各個領域。(1)軍事應用在軍事領域,傳感器網(wǎng)絡將會成C41SRT系統(tǒng)不可或缺的一部分。C41SRT系統(tǒng)的目標是利用先進的高科技技術,為未來的現(xiàn)代化戰(zhàn)爭設計一個集命令、控制、通信、計算、智能、監(jiān)視、偵察和定位于一體的戰(zhàn)場指揮系統(tǒng),受到了軍事發(fā)達國家的普遍重視。因為傳感器網(wǎng)絡是由密集型、低成本、隨機分布的節(jié)點組成的,自組織性和容錯能力使其不會因為某些節(jié)點在惡意攻擊中的損壞而導致整個系統(tǒng)的崩潰,這一點是傳統(tǒng)的傳感器技術所無法比擬的,在軍事應用中,與獨立的衛(wèi)星和地面雷達系統(tǒng)相比,傳感器網(wǎng)絡的潛在優(yōu)勢表現(xiàn)在以下幾個方面:分布

16、節(jié)點中多角度和多方位信息的綜合有效地提高了信噪比,這一直是衛(wèi)星和雷達這類獨立系統(tǒng)難以克服的技術問題之一;傳感器網(wǎng)絡低成本、高冗余的設計原則為整個系統(tǒng)提供了較強的容錯能力;傳感器節(jié)點與探測目標的近距離接觸大大消除了環(huán)境噪聲對系統(tǒng)性能的影響;節(jié)點中多種傳感器的混合應用有利于提高探測的性能指標;多節(jié)點聯(lián)合,形成覆蓋面積較大的實時探測區(qū)域;借助于個別具有移動能力的節(jié)點對網(wǎng)絡拓撲結構的調(diào)整能力,可以有效地消除探測區(qū)域內(nèi)的陰影和盲點。(2)環(huán)境科學隨著人們對于環(huán)境的日益關注,環(huán)境科學所涉及的范圍越來越廣泛。通過傳統(tǒng)方式采集原始數(shù)據(jù)是一件困難的工作。傳感器網(wǎng)絡為野外隨機性的研究數(shù)據(jù)獲取提供了方便,比如,跟蹤

17、候鳥和昆蟲的遷移,研究環(huán)境變化對農(nóng)作物的影響,監(jiān)測海洋、大氣和土壤的成分等。類似地,傳感器網(wǎng)絡可實現(xiàn)對森林環(huán)境監(jiān)測和火災報告,傳感器節(jié)點背隨機密布在森林之中,平常狀態(tài)下定期報告森林環(huán)境數(shù)據(jù),當發(fā)生火災時,這些傳感器節(jié)點通過協(xié)同合作會在很短的時間內(nèi)將火源的具體地點、火勢的大小等信息傳送給相關部門。此外,傳感器網(wǎng)絡也可以應用在精細農(nóng)業(yè)中,以監(jiān)測農(nóng)作物中的害蟲、土壤的酸堿度和施肥狀況等。(3)醫(yī)療健康傳感器網(wǎng)絡在醫(yī)療系統(tǒng)和健康護理方面的應用包括監(jiān)測人體的各種生理數(shù)據(jù),跟蹤和監(jiān)控醫(yī)院內(nèi)醫(yī)生和患者的行動,醫(yī)院的藥物管理。如果在住院病人身上安裝特殊用途的傳感器節(jié)點,如心率和血壓監(jiān)測設備,利用傳感器網(wǎng)絡,醫(yī)

18、生就可以隨時了解被監(jiān)護病人的病情,進行及時處理。利用無線通信將各傳感器聯(lián)網(wǎng)可高效傳遞必要的信息從而方便接受護理。而且還可以減輕護理人員的負擔。英特爾主管預防性健康保險研究的董事Eric Dishman稱:“在開發(fā)家庭用護理技術方面,無線傳感器網(wǎng)絡是非常有前途的領域”。還可以利用傳感器網(wǎng)絡長時間地收集人的生理數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)在研制新藥品的過程中是非常有用的,而安裝在被監(jiān)測對象身上的微型傳感器也不會給人的正常生活帶來太多的不便15。此外,在藥物管理等諸多方面,它也有新穎而獨特的應用。總之,傳感器網(wǎng)絡為未來的遠程醫(yī)療提供了更加方便、快捷的技術實現(xiàn)手段11。(4)空間探索探索外部星球一直是人類夢寐以求的

19、理想,借助于航天器布撒的傳感器網(wǎng)絡節(jié)點實現(xiàn)對星球表面長時間的監(jiān)測,應該是一種經(jīng)濟可行的方案。NASA的JPL實驗室研制的Sensor Webs就是為將來的火星探測進行技術準備的,已在佛羅里達宇航中心周圍的環(huán)境監(jiān)測和完善。(5)智能家居在家電和家具中嵌入傳感器節(jié)點,通過無線網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)連接在一起,將會為人們提供更加舒適、方便和更具人性化的智能家居環(huán)境。利用遠程監(jiān)控系統(tǒng),可完成對家電的遠程遙控,也可以通過圖像傳感設備隨時監(jiān)控家庭安全情況。(6)其他商業(yè)應用自組織、微型化和對外部世界的感知能力是傳感器網(wǎng)絡的三大特點,這些特點決定了傳感器網(wǎng)絡在商業(yè)領域應該也會有不少的機會。比如城市車輛監(jiān)測和跟蹤系統(tǒng)中

20、成功地應用了傳感器網(wǎng)絡;德國某研究機構正在利用傳感器網(wǎng)絡技術為足球裁判研制一套輔助系統(tǒng),以減小足球比賽中越位和進球的誤判率。此外,在災難拯救、倉庫管理、交互式博物館、交互式玩具、工廠自動化生產(chǎn)線等眾多領域,無線傳感器網(wǎng)絡都將會孕育出全新的設計和應用模式12。2 無線網(wǎng)絡路由協(xié)議概述在OSI參考模型中,網(wǎng)絡層是通信子網(wǎng)的最高層。在一般的聯(lián)機系統(tǒng)和線路交換系統(tǒng)中,網(wǎng)絡層的功能意義不大。但是,當終端增多時,它們之間就需要有中繼設備相連,此時會出現(xiàn)一臺終端要求與多臺終端通信的情況,這就產(chǎn)生了把任意兩臺數(shù)據(jù)終端設備的數(shù)據(jù)鏈接起來的問題,即網(wǎng)絡路由問題。路由是把信息從源穿過網(wǎng)絡傳遞到目的的行為。路由技術其

21、實是由兩項最基本的活動組成,即決定最優(yōu)路徑和傳輸數(shù)據(jù)包。路徑選擇是實現(xiàn)高效通信的基礎。2.1 路由的基本概念路由包含兩個基本動作:確定最佳路徑和通過網(wǎng)絡傳輸信息。在路由的過程中,后者也稱為(數(shù)據(jù))交換。交換相對來說比較簡單,而選擇路徑很復雜13。2.1.1 路徑選擇為了幫助選路,路由算法初始化并維護包含路徑信息的路由表。路由算法根據(jù)目的地址和下一跳地址等諸多信息填充路由表。路由器彼此通信,通過交換路由信息維護其路由表,路由更新信息通常包含或部分路由表,通過分析來自其他路由器的路由更新信息,每個路由器都可以建立一個網(wǎng)絡拓撲圖。路由器間還發(fā)送鏈接狀態(tài)廣播信息來通知其他路由器發(fā)送者的鏈接狀態(tài)。鏈接信

22、息用于建立完整的拓撲圖,使路由器可以確定最佳路徑。2.1.2 交換交換算法相對而言較簡單,對大多數(shù)路由協(xié)議而言是相同的。多數(shù)情況下,某主機決定另一個主機發(fā)送數(shù)據(jù),通過某些方法獲得路由器的地址后,源主機發(fā)送指向該路由器的物理地址的數(shù)據(jù)包,該數(shù)據(jù)包中的IP協(xié)議地址指向目的主機。路由器查看了數(shù)據(jù)包的目的地址后,確定是否知道如何轉(zhuǎn)發(fā)該包.如果路由器不知道如何轉(zhuǎn)發(fā),通常就將之丟棄;如果路由器知道如何轉(zhuǎn)發(fā),就把目的物理地址變成下一跳的物理地址并向之發(fā)送。下一跳可能是最終的目的主機或另一個路由器。當數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡中流動時,其物理地址在改變,但其IP地址始終不變。ISO定義了用于描述源系統(tǒng)與目的系統(tǒng)交換過程的分

23、層術語,在該術語中,沒有轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包能力的網(wǎng)絡設備稱為端系統(tǒng)(end system,ES),有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)能力網(wǎng)絡設備稱為中介系統(tǒng)(intermediate system,IS)。IS又進一步被分成可在路由域內(nèi)通信的“域內(nèi)IS和可在路由域內(nèi)又可在域間通信的“域間IS。路由域通常被認為是通過統(tǒng)一的路由策略或路由協(xié)議互相交換路由信息的網(wǎng)絡,也稱為自治系統(tǒng)14。2.2 路由算法及協(xié)議路由算法在路由協(xié)議中起著至關重要的作用,采用何種算法往往決定了最終的路徑結果。通常需要綜合考慮以下幾個設計指標15(1)能量高效:傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議不僅要選擇能量消耗小的消息傳輸路徑,而且要從整個網(wǎng)絡的角度考慮,選擇使整個網(wǎng)絡

24、能量均衡消耗的路由。傳感器節(jié)點的資源有限,傳感器網(wǎng)絡的路由機制要能夠簡單而且高效地實現(xiàn)信息傳輸。(2)可擴展性:在無線傳感器網(wǎng)絡中,檢測區(qū)域防衛(wèi)或節(jié)點密度不同,造成網(wǎng)絡規(guī)模大小不同;節(jié)點失敗,新節(jié)點加入以及節(jié)點移動等,都會使得網(wǎng)絡拓撲結構動態(tài)發(fā)生變化,這就要求路由機制具有可擴展性,能夠適應網(wǎng)絡結構的變化。(3)魯棒性:路由算法處于非正常或不可預料的環(huán)境時,如硬件故障、負載過高或操作失誤時,都能正確運行。由于路由器分布在網(wǎng)絡連接點上,所以在它們出故障時會產(chǎn)生嚴重后果。最好的路由器算法通常能經(jīng)受時間的考驗,并在各種網(wǎng)絡環(huán)境可靠工作。(4)快速收斂性:收斂是在最佳路徑判斷上所有路由器達到一致的過程。

25、當某個網(wǎng)絡事件引起路由可用或不可用時,路由器就發(fā)出更新信息。路由更新信息遍及整個網(wǎng)絡,引發(fā)重新計算最佳路徑,最終達到所有路由器一致公認的最佳路徑。收斂慢的路由算法會造成路徑循環(huán)或網(wǎng)絡中斷。(5)靈活性:路由算法可以快速、準確地適應各種網(wǎng)絡環(huán)境。例如,某個網(wǎng)段發(fā)生故障,路由算法要能很快發(fā)現(xiàn)故障,并為使用該網(wǎng)絡段的所有路由選擇另一條最佳路徑。3 無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議研究路由協(xié)議負責將數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點通過網(wǎng)絡轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點,它主要包括兩個方面的功能:尋找源節(jié)點和目的節(jié)點間的優(yōu)化路徑,將數(shù)據(jù)分組沿著優(yōu)化路徑正確轉(zhuǎn)發(fā)。無線局域網(wǎng)等傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡的首要目標是提供高服務質(zhì)量和公平高效地利用網(wǎng)絡帶寬,這些網(wǎng)絡

26、路由協(xié)議的主要任務是尋找源節(jié)點到目的節(jié)點間通信延遲小的路徑,同時提高整個網(wǎng)絡的利用率,避免產(chǎn)生通信擁塞并均衡網(wǎng)絡流量等,而能量消耗問題不是這類網(wǎng)絡考慮的重點。在無線傳感器網(wǎng)絡中,節(jié)點能量有限且一般沒有能量補充,因此路由協(xié)議需要高效利用能量,同時傳感器網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)目往往很大,節(jié)點只能獲取局部拓撲結構信息,路由協(xié)議要能在局部網(wǎng)絡協(xié)議的基礎上選擇合適的路徑。傳感器網(wǎng)絡具有很強的應用相關性,不用應用中的路由協(xié)議可能差別很大,沒有一個通用的路由協(xié)議。此外,傳感器網(wǎng)絡的路由機制還經(jīng)常與數(shù)據(jù)融合技術聯(lián)系在一起,通過減少通信量而節(jié)省能量。因此,傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡的路由協(xié)議不適應無線傳感器網(wǎng)絡。3.1 無線傳感器網(wǎng)絡路

27、由協(xié)議需要解決的問題在無線傳感器網(wǎng)絡中,由于網(wǎng)絡內(nèi)節(jié)點資源有限,數(shù)據(jù)包的傳送需要通過多跳通信方式到達目的端,因此路由選擇算法是網(wǎng)絡層設計的一個主要任務。傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡的路由協(xié)議設計以避免網(wǎng)絡擁塞、保持網(wǎng)絡的連通性和提供高質(zhì)量網(wǎng)絡服務為主要目標。在路由實現(xiàn)過程中,首先利用網(wǎng)絡層定義的邏輯上的網(wǎng)絡地址(即IP地址)來區(qū)別不同節(jié)點以便實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換,然后通過路由選擇算法決定到達目的地的最佳路徑。與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡相比,雖然WSN具有與無線自組網(wǎng)絡極為相似的特征,但在網(wǎng)絡特點、通信模型和數(shù)據(jù)傳輸需求方面卻與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡有著很大的不同。具體體現(xiàn)在以下幾個方面:(1)能量受限的無線移動終端WSN的一個重要特征就是

28、能量受限。網(wǎng)絡內(nèi)每個傳感器節(jié)點通常使用容量有限、不可更換的電源,節(jié)點的計算、通信、存儲能力也非常有限。(2)以數(shù)據(jù)為中心的通信方式無線傳感器網(wǎng)絡是以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡,類似于分布式的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫,要查詢的數(shù)據(jù)分布在全部或部分節(jié)點中。在WSN中,與以地址為中心的傳統(tǒng)通信方式不同,由于網(wǎng)內(nèi)節(jié)點數(shù)量大和節(jié)點布設的隨機性等特點,每個傳感器節(jié)點不需要使用全局唯一的標識或地址。舉例來說,在某個與溫度相關的無線傳感器網(wǎng)絡應用中,用戶并不關心第27號傳感器的溫度,而是關心諸如“當前溫度超過30度的區(qū)域位置”等某區(qū)域內(nèi)多個傳感器采集的綜合數(shù)據(jù)信息。(3)鄰居節(jié)點數(shù)據(jù)的相似性無線傳感器網(wǎng)絡相鄰節(jié)點監(jiān)測的可能是同一個事

29、件,如火災,從不同監(jiān)測點得到的數(shù)據(jù)具有較高的相似性。因此相鄰節(jié)點的數(shù)據(jù)存在信息冗余性,采用一定的數(shù)據(jù)融合方法可以有效地節(jié)省網(wǎng)絡資源。(4)面向特定的應用傳統(tǒng)網(wǎng)絡發(fā)展的趨勢是電信網(wǎng)、計算機網(wǎng)以及電視網(wǎng)的逐步融合,形成通用信息平臺以滿足各種應用需求。而在無線傳感器網(wǎng)絡中,傳感器節(jié)點和物理環(huán)境交互密切,WSN的通信構架及其所提供的服務都是針對每個特定的應用而設計的。WSN數(shù)據(jù)在傳輸過程中,中間傳感器節(jié)點需要針對特定應用,對來自其他節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)以及自身采集的數(shù)據(jù)進行融合、緩存和轉(zhuǎn)發(fā)。(5)頻繁變化的拓撲結構在WSN中,由于能量限制、環(huán)境干擾和人為破壞等因素的影響,傳感器節(jié)點會經(jīng)常損壞。由于節(jié)點的移動

30、或損壞,加上無線發(fā)射裝置發(fā)送功率的變化和信號之間的互相干擾等因素,網(wǎng)絡拓撲結構將頻繁變化。WSN的網(wǎng)絡特點和通信需求要求路由協(xié)議在設計過程中必須以節(jié)約能源為首要目標,并采用折中機制,使用戶可以在延長網(wǎng)絡存活時間和提高網(wǎng)絡吞吐量、降低通信延遲間做出選擇。而傳統(tǒng)網(wǎng)絡路由協(xié)議設計的首要目標是提供高的服務質(zhì)量和高效利用網(wǎng)絡帶寬,其次才考慮能量的節(jié)約。因此傳統(tǒng)路由協(xié)議不適合在WSN環(huán)境中運行,需要對其進行改進,提出適合應用于WSN網(wǎng)絡的路由協(xié)議。通過對WSN路由協(xié)議設計特點和設計目標的分析,不難看出,一個好的WSN網(wǎng)絡層路由協(xié)議設計應該滿足以下條件:為了高效地利用有限的網(wǎng)絡資源,盡可能壓縮不必要的開銷以

31、最大限度的延長網(wǎng)絡生存時間,路由協(xié)議的設計必須具備簡單性和節(jié)能性。為了盡可能減少無線傳感器網(wǎng)絡內(nèi)冗余信息的發(fā)送,節(jié)約有限的工作能源。路由協(xié)議的設計需要以數(shù)據(jù)為中心,具備數(shù)據(jù)融合能力。為了適應拓撲動態(tài)變化的網(wǎng)絡結構,提高系統(tǒng)的魯棒性,路由協(xié)議應該采用分布式運行方式。為了適應WSN節(jié)點數(shù)量多、網(wǎng)絡規(guī)模大和網(wǎng)絡易受損的特點,保證傳感器節(jié)點的隨時加入和退出不會影響到全局任務的正常執(zhí)行,路由協(xié)議的設計必須具備魯棒性和可擴展性。在可能的條件下,使設計的路由協(xié)議具有安全性,降低遭受攻擊的可能性。3.2 已有無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議的分類無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議可以從網(wǎng)絡結構和協(xié)議工作特性兩方面劃分(如圖3.1所

32、示)。無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議網(wǎng)絡拓撲結構劃分協(xié)議工作特性劃分平面性路由協(xié)議層次性路由協(xié)議基于地理位置路由查詢路由基于QOS路由基于多路徑路由基于協(xié)商的路由圖3.1 傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議分類3.3. 基于網(wǎng)絡結構劃分3.3.1 平面型路由協(xié)議在平面型路由協(xié)議中,每個傳感器節(jié)點有著相同的地位和作用,所有傳感器節(jié)點共同執(zhí)行收集信息的任務。由于節(jié)點數(shù)量的龐大,因此不可能為每個節(jié)點賦予一個全局的標號。該種路由協(xié)議適用于數(shù)據(jù)中心路由協(xié)議,由基站(Base Station)發(fā)送查詢到特定區(qū)域,之后等待該區(qū)域的節(jié)點收集該種信息。由于數(shù)據(jù)是通過查詢的方式獲得的,因此該種方式需要基于屬性的命名方法。該種協(xié)議比較典型

33、的有洪泛(Flooding)路由協(xié)議16、基于協(xié)商的路由協(xié)議SPIN17(Sensor Pr otocols for Information via Negotiation)和定向擴散協(xié)議18(Directed Diffusion)。這三種協(xié)議提出的許多設計思想對以后協(xié)議的設計具有重要的影響。洪泛(Flooding)路由協(xié)議。該協(xié)議是最早的一種無線傳輸協(xié)議,它不需要維護網(wǎng)絡拓撲結構和計算路由,接收到消息的節(jié)點以廣播的形式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包給所有的鄰居節(jié)點。洪泛路由協(xié)議實現(xiàn)簡單,是目前采用最廣的一種路由協(xié)議。但是,由于其轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的盲目性,帶來了“內(nèi)爆”和“重疊”現(xiàn)象。如圖3.2所示,A節(jié)點向B和C節(jié)點發(fā)

34、送DATA數(shù)據(jù),B和C節(jié)點又向其鄰居節(jié)點D發(fā)送該DATA數(shù)據(jù),因此,D節(jié)點在短時間內(nèi)收到兩個DATA數(shù)據(jù)。在有眾多節(jié)點的傳感器網(wǎng)絡中,由于各節(jié)點中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù),因而造成傳輸數(shù)據(jù)成指數(shù)級增長。在圖3.3中,節(jié)點A感知區(qū)域為Q和R,節(jié)點B感知區(qū)域為R和S。節(jié)點A和B向節(jié)點C發(fā)送自身感知數(shù)據(jù)時,監(jiān)測區(qū)域R被發(fā)送了兩次,因此造成了數(shù)據(jù)冗余現(xiàn)象的產(chǎn)生。ABDCDATA圖3.2 洪泛中的“內(nèi)爆”現(xiàn)象CABRSQR,QR,S圖3.3 洪泛中的“重疊”現(xiàn)象SPIN是一類基于協(xié)商機制的自適應傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議。該類協(xié)議基于以下兩個基本思想設計:第一,各節(jié)點通過元數(shù)據(jù)進行協(xié)商,通過傳輸包含信息類型的元數(shù)據(jù)來減少數(shù)據(jù)傳輸

35、量;第二,改進了Flooding協(xié)議的監(jiān)測區(qū)域“重疊”問題和“信息爆炸”問題。SPIN類協(xié)議認為網(wǎng)絡中的每個節(jié)點都可以充當基站(Base Station)的角色。這使得用戶能夠查詢?nèi)我夤?jié)點的內(nèi)容,快速獲得自身需要的信息。該協(xié)議利用網(wǎng)絡中相鄰節(jié)點具有相似數(shù)據(jù)的特性。SPIN-1有三種類型的消息幀(如圖3.4所示),ADV,REQ和DATA.ADV用于新數(shù)據(jù)廣播。當一個節(jié)點有數(shù)據(jù)可共享時,它可用ADV數(shù)據(jù)包對外廣播;REQ用于請求發(fā)送數(shù)據(jù)。當一個節(jié)點希望接收DATA數(shù)據(jù)包時,發(fā)送REQ數(shù)據(jù)包;DATA包含元數(shù)據(jù)和采集數(shù)據(jù)。SPIN-2協(xié)議和SPIN-1協(xié)議類似,不同的是增加了能量約束,如果節(jié)點的能

36、量的低于某個臨界值,則其不參加廣播等活動。關于其它SPIN協(xié)議如下:SPIN-BC:適用于廣播信道。SPIN-PP:適用于點對點通信,采用單跳路由。SPIN-EC:適用于點對點通信,采用能量約束機制。SPIN類協(xié)議的優(yōu)點在于由于該類協(xié)議只需要局部信息,而不需要全局拓撲信息,因此能夠適用于拓撲結構變化的網(wǎng)絡。另外,該協(xié)議與Flooding協(xié)議相比,由于使用了協(xié)商機制,減少了冗余數(shù)據(jù)的發(fā)送量,因此節(jié)省了能量。DATAREQADVADVADVADVREQREQREQDATADATADATAaedcbf圖3.4 SPIN協(xié)議工作過程示意圖定向擴散(Directed Difusion)是一種新的以數(shù)據(jù)為

37、中心的通信模型。其突出特點是引入了梯度來描述網(wǎng)絡中間節(jié)點對該方向繼續(xù)搜索獲得匹配數(shù)據(jù)的可能性。該協(xié)議要求傳感器節(jié)點產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)均以屬性一值對命名。通過將來自不同源節(jié)點的數(shù)據(jù)聚集再重新路由來達到消除冗余和最大程度降低數(shù)據(jù)傳輸量的目的。該協(xié)議創(chuàng)建源節(jié)點到單一目的節(jié)點的多條路徑,增加了數(shù)據(jù)的可靠性18。在定向擴散協(xié)議中,傳感器節(jié)點測量事件的發(fā)生,并在其相應的鄰居節(jié)點之間建立梯度(Gradients)信息?;就ㄟ^廣播興趣(Interest)消息來獲得需要的數(shù)據(jù)。興趣消息描述傳感器網(wǎng)絡所要完成的工作,該消息通過網(wǎng)絡節(jié)點單跳擴散(hop-by-hop)傳播。與此同時,梯度被建立指向發(fā)送該消息(inte

38、rest)的節(jié)點。如當基站通過發(fā)送興趣消息來查詢特定數(shù)據(jù),接收到該興趣的傳感器節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)該興趣消息。最終,每一個接收到該興趣消息的傳感器節(jié)點都建立了一條指向發(fā)送興趣消息節(jié)點方向的梯度。該過程一直進行,直到從源節(jié)點到目的節(jié)點建立了一條完整的梯度路徑。工作過程詳見圖3.5所示。與前面提到的SPIN類協(xié)議相比,定向擴散協(xié)議有兩點不同。第一,定向擴散協(xié)議著重于需求數(shù)據(jù)的查詢,這通過以Flooding的形式傳播查詢來實現(xiàn);而在SPIN類協(xié)議中,傳感器節(jié)點廣播自身允許其它節(jié)點查詢的數(shù)據(jù)信息。第二,在定向擴散中,相鄰節(jié)點在進行數(shù)據(jù)傳送時能夠進行數(shù)據(jù)緩沖與數(shù)據(jù)融合;而在SPIN類協(xié)議中,不需要維持定向擴散協(xié)議中

39、的全局網(wǎng)絡拓撲信息。另外,由于定向擴散協(xié)議是基于查詢驅(qū)動的協(xié)議因此不能用于要求傳送持續(xù)性數(shù)據(jù)的應用。abc事件區(qū)域左側(cè)首節(jié)點都為源節(jié)點右側(cè)末節(jié)點都為匯聚節(jié)點圖3.5 定向擴散協(xié)議工作過程示意圖除以上兩種平面路由協(xié)議外,謠傳路由協(xié)議也是比較重要的平面路由協(xié)議。謠傳(Rumor)路由主要用于不能獲得地理位置信息的環(huán)境。通常情況下,當沒有節(jié)點位置限制時,定向擴散協(xié)議廣播查詢信息到整個網(wǎng)絡。但在查詢節(jié)點少量數(shù)據(jù)信息的情況下,通過Flooding方式向整個網(wǎng)絡廣播查詢需要浪費大量的能量。在事件信息較小而查詢信息較多時,可以采用廣播事件(Event)信息的方法來代替廣播查詢(Query)信息。謠傳路由協(xié)議

40、的思想就是路由查詢信息到特定節(jié)點,這些節(jié)點己經(jīng)獲得了特定的事件,而不是采用向整個網(wǎng)絡廣播查詢的方法來獲得特定的事件。為了通過向整個網(wǎng)絡廣播事件,需要產(chǎn)生一個特定的信息包(Agent)。該包在整個網(wǎng)絡內(nèi)傳輸本地局部的事件信息。當某個節(jié)點產(chǎn)生關于某個事件的查詢時,事件表內(nèi)已經(jīng)存儲該信息的節(jié)點就會響應該查詢,這就避免了路由整個網(wǎng)絡的能量消耗。該路由協(xié)議僅僅維持從源節(jié)點到目的節(jié)點的一條路徑,而前面提到的定向擴散協(xié)議可以通過多條路徑傳送信息。如圖3.6(a)所示,節(jié)點A的探測區(qū)域內(nèi),發(fā)生了Eventl事件。節(jié)點A將該事件封裝成Agent消息包的形式向網(wǎng)絡中的B傳送,B之后向C轉(zhuǎn)發(fā)該Agent消息包,C又

41、向D轉(zhuǎn)發(fā)該消息包。經(jīng)過該過程,網(wǎng)絡中的節(jié)點B.C和D的事件表里都有了Eventl事件和該事件發(fā)生的路徑。在圖3.6(b)中,當節(jié)點E向D節(jié)點發(fā)送Eventl事件的查詢,D節(jié)點會反饋給E節(jié)點Eventl事件發(fā)生的路徑(圖3.6(c).經(jīng)過該過程,Eventl事件的發(fā)生路徑就己經(jīng)被建立起來了(圖3.6(d).圖3.6 謠傳路由協(xié)議工作過程3.3.2 層次型路由協(xié)議層次路由協(xié)議又稱為分級路由協(xié)議,其基本思想是選一定數(shù)量的節(jié)點作為簇頭CH(Cluster Head)節(jié)點,簇頭節(jié)點通常具有較高的能量,負責其所在區(qū)域的內(nèi)信息的處理和轉(zhuǎn)發(fā):其它節(jié)點為非簇頭節(jié)點NCH(Non Cluster Head),用于

42、對監(jiān)控對象周圍的數(shù)據(jù)信息采集工作。因此,在該層次化結構中,各個節(jié)點之間不是平等的關系。另外,該類協(xié)議通常在CH節(jié)點進行數(shù)據(jù)的匯集和融合,減少網(wǎng)絡中需要傳送的數(shù)據(jù)量,以節(jié)省能量.層次路由協(xié)議通常有兩個主要工作過程:一是創(chuàng)建簇過程,即通過某種具體策略選擇CH節(jié)點,該CH節(jié)點和其管理的NCH節(jié)點共同構成簇結構;一是數(shù)據(jù)匯集、融合和轉(zhuǎn)發(fā)過程,即NCH節(jié)點收集特定區(qū)域內(nèi)的事件信息,并將該信息發(fā)送給CH節(jié)點,CH節(jié)點在對收集的NCH節(jié)點的數(shù)據(jù)進行融合后,轉(zhuǎn)發(fā)給其它CH節(jié)點或直接發(fā)送給基站(BS)。層次路由協(xié)議首先解決了傳感器網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)目龐大的問題。隨著節(jié)點密度的增加,單層網(wǎng)絡結構會引起網(wǎng)關(Gateway

43、)節(jié)點的能量消耗過大,而通過分簇的方法,可以有效的解決該問題。另外,單層網(wǎng)絡由于傳輸路徑經(jīng)過節(jié)點個數(shù)較多(即跳數(shù)較多),這就使網(wǎng)絡傳輸延時較大,對于一些實時性網(wǎng)絡,不能及時探測、追蹤重要事件的發(fā)生。層次路由協(xié)議主要有低能量自適應聚類LEACHE(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)路由協(xié)議19、敏感閾值能量有效路由TEENE(Threshold Sensitive Energy Efficient Sensor Network Protocol)協(xié)議、周期性自適應敏感閾值能量有效路由APTEEN(Adaptive Periodic Threshol

44、d-Sensitive Energy Efficient sensor Network Protocol)協(xié)議20、能量有效性數(shù)據(jù)收集路由協(xié)議PEGASIS(Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems)21等。下面分別介紹這些協(xié)議。LEACH是基于聚類的分布式路由協(xié)議(如圖3.7所示),該協(xié)議隨機選擇一些傳感器節(jié)點作為簇頭CH(Cluster Head)節(jié)點,并采用輪換CH節(jié)點的方式平均能量消耗.在LEACH協(xié)議中,CH節(jié)點對從其它節(jié)點收集的數(shù)據(jù)進行壓縮以減少需要傳送的數(shù)據(jù),然后發(fā)送給基站BS(Base Station)。經(jīng)過

45、一段固定的時間間隔后,又會隨機選擇一定的節(jié)點作為新的CH節(jié)點。由于該協(xié)議采用的分布式的數(shù)據(jù)收集方式,并且NCH節(jié)點間隔性的工作,因此適用于對某個地區(qū)進行長時間的監(jiān)控19。LEACH協(xié)議的工作過程分為兩個階段,建立階段和穩(wěn)定階段。在建立階段,建立簇結構,選擇簇頭;在穩(wěn)定階段,將數(shù)據(jù)傳送到基站。為了節(jié)省能量,穩(wěn)定階段應該比建立階段持續(xù)更長的時間。簇Nch節(jié)點Ch節(jié)點Sink節(jié)點監(jiān)控區(qū)域圖3.7 LEACH協(xié)議分簇示意圖建立簇過程中,預先確定一個p值,該值表示簇頭節(jié)點的百分比。傳感器節(jié)點隨機產(chǎn)生一個在0和1之間的r值。如果r小于閩值T(n),則節(jié)點變?yōu)楫斍拜喌拇仡^節(jié)點(閾值是根據(jù)期望簇頭的百分比計算

46、出來的)。如式3.1所示, (3.1)其中,T(n)為第n個節(jié)點在第r輪成為CH的概率,P為CH節(jié)點占總節(jié)點數(shù)的百分比,r為當前輪數(shù),G為在前1/P輪中未充當CH節(jié)點的集合。該協(xié)議使用TDMA/CDMA的MAC層協(xié)議來減少簇內(nèi)和簇間的通信碰撞。在穩(wěn)定階段,NCH節(jié)點在MAC層以時分多路TDMA(Time Division Multiple Access)的形式向CH節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。CH節(jié)點對這些數(shù)據(jù)進行處理,在每幀結束時以載波監(jiān)聽多路訪問CSMA(Carrier Sense Multiple Access)的方式將其轉(zhuǎn)發(fā)給基站BS(Base Station)。LEACH協(xié)議的特點:第一,LEAC

47、H采用的MAC協(xié)議減少了NCH節(jié)點的能量消耗。其采用的TDMA機制使NCH節(jié)點在屬于自己的時間片內(nèi)向CH節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù),而在其它時間內(nèi)處于休眠狀態(tài)。第二,LEACH是一種自組織協(xié)議。由于CH節(jié)點消耗的能量較大,因此采用隨機選取CH節(jié)點的方式平均能量消耗。第三,LEACH中所有的節(jié)點的結構和能量相同,更容易在實際中應用。第四,LEACH協(xié)議中的穩(wěn)定階段要比建立簇階段長的多。LEACH雖然有以上優(yōu)點,但也存在如下缺點。第一,由于按照一定的概率選擇簇頭,因此實際的簇頭數(shù)量并不是一個確定的值。第二,由于簇在形成過程中是自適應分布式的,因此簇頭并不是網(wǎng)絡中最優(yōu)的節(jié)點。針對以上問題,Heinzelman等人

48、提出了LEACH-C協(xié)議。LEACH協(xié)議是分布式的路由協(xié)議,而LEACH-C協(xié)議是集中式的路由協(xié)議。LEACH-C協(xié)議采用模擬退火(Simulated Annealing Approach)的方法,按照與節(jié)點剩余能量有關的概率公式,選取k個最優(yōu)的CH節(jié)點來構建聚類。該協(xié)議與LEACH相比有效提高了基站接收到的數(shù)據(jù)量,延長了網(wǎng)絡的生命周期。但由于采用集中式控制方式,各節(jié)點都要與基站進行通信,因此不能應用于大規(guī)模的傳感器網(wǎng)絡19。能量有效性數(shù)據(jù)收集協(xié)議典型的是PEGASIS。該協(xié)議采用鏈式傳輸數(shù)據(jù)的方式(如圖3.8所示),每個傳感器節(jié)點從鄰居節(jié)點傳送和接收數(shù)據(jù),在該該條數(shù)據(jù)鏈中僅有一個節(jié)點與Sin

49、k節(jié)點進行通信。節(jié)點收集的數(shù)據(jù)沿著數(shù)據(jù)鏈路逐條傳輸。在傳輸過程中,接收該數(shù)據(jù)的節(jié)點將數(shù)據(jù)進行融合后,發(fā)送個該鏈路的下一個節(jié)點,直到數(shù)據(jù)最后傳送的Sink節(jié)點。該協(xié)議主要有兩點提高:一是由于采用鏈式傳輸路徑,節(jié)點只需與最近的鄰居節(jié)點進行通信;二是節(jié)點通信過程廣泛采用了數(shù)據(jù)融合技術21。雖然與LEACH協(xié)議相比,該協(xié)議有效地延長了網(wǎng)絡的生命周期,但是由于其采用鏈式傳輸路由,導致傳輸延遲很大。另外,由于采用單個鏈路的結構,如果該路徑中有一個節(jié)點由于某種原因而發(fā)生故障,則該節(jié)點就會變成網(wǎng)絡傳輸?shù)钠款i,這種影響直到新的一輪開始重新構成鏈路時才能夠消除。SINK節(jié)點傳感器節(jié)點圖3.8 PEGASIS協(xié)議中

50、的鏈式傳輸Hierarchical-PEGASIS協(xié)議擴展了PEGASIS協(xié)議,并有效地解決了以上問題。Hierarchical-PEGASIS協(xié)議形成數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉湫谓Y構,下層節(jié)點向上層節(jié)點傳輸數(shù)據(jù),最后到達根節(jié)點基站BS。由于該協(xié)議采用了多層鏈式傳輸?shù)慕Y構,因此有效地解決了由于跳數(shù)過多造成數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t過大的問題。敏感閩值能量有效路由TEEN(Threshold Sensitive Energy Efficient Sensor Network Protocol)協(xié)議(如圖3.9所示)。TEEN是一種應用于實時系統(tǒng)的協(xié)議。在TEEN協(xié)議中,傳感器節(jié)點持續(xù)地感知數(shù)據(jù),但數(shù)據(jù)是間歇性的傳送。該協(xié)

51、議最重要的特點是有兩個參數(shù):硬實時值(Hard Threshold)和軟實時值(Soft Threshold)。硬實時值表示傳感數(shù)據(jù)的屬性值;軟實時值表示傳感數(shù)據(jù)的改變值。當傳感到的數(shù)據(jù)在硬實時值的范圍內(nèi)或傳感到的數(shù)據(jù)發(fā)生變化的范圍超過軟實時值時才進行傳輸。這樣就減少了傳感到的數(shù)據(jù)量。基站多級簇頭一級簇頭傳感器節(jié)點圖3.9 TEEN和APTEEN協(xié)議的層次聚類在簇建立后,簇頭節(jié)點廣播這兩個值。在簇傳輸數(shù)據(jù)過程中,如果想調(diào)節(jié)接收到的數(shù)據(jù)量,可以動態(tài)地更改這兩個值,將其發(fā)送給非簇頭節(jié)點。周期性自適應敏感闡值能量有效路由APTEEN(Adaptive Periodic Threshold-Sensi

52、tive Energy Eficient sensor Network Protocol)協(xié)議。APTEEN協(xié)議是對TEEN協(xié)議的擴展,該協(xié)議的目的是為了能夠感知間隔性的數(shù)據(jù)。在簇頭形成以后,廣播兩種實時值,并傳送調(diào)度信息到非簇頭節(jié)點。該協(xié)議支持三種不同的類型的查詢方式:歷史信息查詢,分析已接收到的數(shù)據(jù);一次查詢,對整個網(wǎng)絡進行一次快速的狀態(tài)查詢;階段查詢,對某一事件進行一段時間的探測。APTEEN協(xié)議是主動式與被動式網(wǎng)絡的結合,其性能介于LEACH和TEEN協(xié)議之間。TEEN和APTEEN協(xié)議共同的缺點是簇的形成過程需要消耗一定的能量,并且隨著簇層次的增加,這種消耗會更加明顯。與平面路由協(xié)議

53、相比,層次路由協(xié)議由于采用簇頭轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的方法,因此傳輸鏈路經(jīng)過的跳數(shù)較少,網(wǎng)絡延時較小。對于大規(guī)模的傳感器網(wǎng)絡,層次路由協(xié)議能耗均勻,信道分配公平,但建立簇結構需要一定的能量開銷,部分協(xié)議的實現(xiàn)較為復雜。實際應用中,應根據(jù)具體需要選擇相應的協(xié)議。3.3.3 基于地理位置信息的路由協(xié)議很多傳感器網(wǎng)絡的路由協(xié)議都需要節(jié)點的位置信息。位置信息被用來計算兩個特定節(jié)點之間的距離,以此來確定兩點之間傳送一定數(shù)據(jù)所消耗的能量。各個相鄰節(jié)點可以通過交換彼此信息來獲得彼此的位置。節(jié)點的位置信息可以通過安裝GPS來獲得,對于靜態(tài)的傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點,GPS只在該網(wǎng)絡開始工作前確認自身位置信息,在工作中并不需要花費

54、能量更新其位置信息.該類協(xié)議較著名的是GEAR協(xié)議。能量位置意識路由GEARE(Geogaphicand Energy Aware Routing)。GEAR應用節(jié)點地理位置信息,使用啟發(fā)式方法選擇鄰居節(jié)點,發(fā)送數(shù)據(jù)到目標區(qū)域。通過將整個網(wǎng)絡化分成很多局部的區(qū)域,通過在各個局部區(qū)域之間傳輸數(shù)據(jù)而限制了在整個網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)的傳輸。數(shù)據(jù)包傳感器節(jié)點圖3.10 GEAR協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸示意圖GEAR協(xié)議的工作過程(見圖3.10所示)。具體過程分為兩個階段:目標域數(shù)據(jù)傳送和域內(nèi)數(shù)據(jù)傳送。在目標域數(shù)據(jù)傳送階段,節(jié)點將鄰接點與目標區(qū)域的距離和它自己與目標區(qū)域的距離相比教,若存在最小距離,選擇該最小距離的鄰接點作

55、為下一跳節(jié)點;若不存在更小距離,則存在空洞(Hole),即鄰接點比節(jié)點自身距離更遠,節(jié)點根據(jù)鄰居節(jié)點的最小花銷來選擇下一跳節(jié)點。域內(nèi)數(shù)據(jù)傳送階段,數(shù)據(jù)包到達指定區(qū)域后直接洪泛尋找目標傳送數(shù)據(jù)。GEAR協(xié)議減少了中間節(jié)點的數(shù)量,降低了路由建立和數(shù)據(jù)傳送的開銷,有效地提高了網(wǎng)絡的性能,但其工作必須依賴GPS系統(tǒng)。3.4 基于工作特性劃分3.4.1 基于多路徑的路由協(xié)議在傳感器網(wǎng)絡中,如果頻繁使用同一條路徑傳輸數(shù)據(jù),會造成該條路徑上的節(jié)點由于能量消耗過快而過早失效,使網(wǎng)絡中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不能成功地傳輸?shù)侥康墓?jié)點。而如果在源節(jié)點和目標節(jié)點之間建立多跳路徑,根據(jù)路徑上節(jié)點的通信能力和剩余能量情況,為每條路徑

56、給定一定的概率值,這樣使得數(shù)據(jù)傳輸能夠均勻消耗網(wǎng)絡的能量值。這就是多路徑路由協(xié)議的基本思想。典型的多路徑協(xié)議有MDR和HREEMR兩種。多路徑分為兩種:一種是路徑之間無交點的是Disjoint Multipath(如圖3.11所示);一種是路徑之間有交點的Braided Multipath(如圖3.12所示)??梢愿鶕?jù)網(wǎng)絡實際所處的環(huán)境來決定使用哪種多路徑方法。對于出錯概率較大的網(wǎng)絡,可以選擇Disjoint Multipath;對于出錯概率相對較小的網(wǎng)絡,選擇Braided Multipath。具體過程分為路徑建立、數(shù)據(jù)傳輸和路由維護三個階段。路徑建立階段是該類協(xié)議的重點。在路徑建立階段,每

57、個節(jié)點都要知道下一跳節(jié)點,并計算選擇下一跳節(jié)點的概率。概率的計算由通信代價公式來計算。不同的協(xié)議通信代價公式不同22。源節(jié)點目的節(jié)點圖3.11 Disjoint Multipath示意圖源節(jié)點目的節(jié)點圖3.12 Braided Multipath示意圖也可以根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路徑的數(shù)量將待轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)分為P份,即為每條路徑只發(fā)送全部數(shù)據(jù)的一部分,每份的大小與路徑跳數(shù)和節(jié)點能量有關,在目標節(jié)點再將收到的P份數(shù)據(jù)進行組合,這樣就可以得到與原數(shù)據(jù)相同的新數(shù)據(jù)。如果某一條路徑形成斷路,不需要重發(fā)全部數(shù)據(jù),只需發(fā)送有問題的部分數(shù)據(jù),這樣就節(jié)省了能量。多路徑傳輸雖然會提高數(shù)據(jù)發(fā)送的成功率,但建立多路徑需要一定的時間,會造成數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r。3.4.2 基于查詢的路由

溫馨提示

  • 1. 本站所有資源如無特殊說明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請下載最新的WinRAR軟件解壓。
  • 2. 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請聯(lián)系上傳者。文件的所有權益歸上傳用戶所有。
  • 3. 本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網(wǎng)頁內(nèi)容里面會有圖紙預覽,若沒有圖紙預覽就沒有圖紙。
  • 4. 未經(jīng)權益所有人同意不得將文件中的內(nèi)容挪作商業(yè)或盈利用途。
  • 5. 人人文庫網(wǎng)僅提供信息存儲空間,僅對用戶上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護處理,對用戶上傳分享的文檔內(nèi)容本身不做任何修改或編輯,并不能對任何下載內(nèi)容負責。
  • 6. 下載文件中如有侵權或不適當內(nèi)容,請與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
  • 7. 本站不保證下載資源的準確性、安全性和完整性, 同時也不承擔用戶因使用這些下載資源對自己和他人造成任何形式的傷害或損失。

評論

0/150

提交評論