無線傳感器網絡路由協(xié)議的研究與改進

無線傳感器網絡WSN(Wireless Sensor Network)是傳感器、通信和計算機3種技術相結合的產物，南于無線傳感器網絡將邏輯信息世界與客觀物理世界融合在一起，改變了人類與自然界的交互方式，因而具有廣泛的應用前景。無線傳感器網絡具有很多不同于傳統(tǒng)網絡的特點，如能量嚴重受限、拓撲結構頻繁變化等。因此，WSN網絡協(xié)議的設計同現(xiàn)有各種網絡協(xié)議的設計大不同，因而面臨著各種新的挑戰(zhàn)。在協(xié)議棧的眾多協(xié)議中，網絡層路由協(xié)議算法作為一項關鍵技術已成為目前研究的熱點。

無線傳感器網絡的路由協(xié)議

　　由于WSN路由協(xié)議分類標準有很多，因此路由協(xié)議的分類方法也多種多樣。根據路由協(xié)議不同的工作原理將路由協(xié)議劃分為兩種類型，并分析每種類型的典型路由協(xié)議。

　　2．1 平面路由

　　平面路由認為傳感器網絡中的各節(jié)點具有相同的功能和平等的角色，節(jié)點或將自己的事件檢測結果主動報告給其他節(jié)點，或者是其他節(jié)點向檢測事件的節(jié)點發(fā)出查詢信息，數據傳輸通過多節(jié)點的多跳路由協(xié)作轉發(fā)完成。信息協(xié)商傳感器SPIN(Sensor Protocols for Information via Negotiation)是平面路由中第一個以數據為中心的算法，通過節(jié)點問的協(xié)商機制減少數據冗余和能量損耗。SPIN是一種基于協(xié)商機制的以數據為中心的路由算法，SPIN先對節(jié)點收到的數據的特點進行高層次的抽象，形成描述節(jié)點收到數據特點的元數據(meta-data)。在轉發(fā)收到的數據前，節(jié)點 A先用元數據與相鄰節(jié)點B進行協(xié)商，發(fā)送ADV信號判斷節(jié)點B是否需要該數據(圖la)。如果節(jié)點B對元數據代表的數據有需求，就發(fā)出反饋信號REO(圖 lb)。否則就丟棄該ADV信號，然后節(jié)點A就將數據DATA轉發(fā)給節(jié)點B(圖lc)。節(jié)點B收到從節(jié)點A轉發(fā)來的數據后，采用與節(jié)點A相同的處理方法。先用元數據與其相連的所有節(jié)點協(xié)商是否需要該數據，發(fā)送ADV信號(圖1d)。如果節(jié)點有需求則回復REQ信號，無需求則直接將ADV信號丟棄(圖 1e)，然后節(jié)點B將向所有回復REQ信號的節(jié)點發(fā)送數據DATA(圖1f)。

　　SPIN算法并沒有明確定義元數據的格式。其具體格式和應用相關，如ADV和REQ的格式可根據具體應用做詳細規(guī)定。另外，當拓撲結構發(fā)生變化時，每個節(jié)點只需在局部范圍內維護與其相鄰的節(jié)點狀態(tài)，不需全網廣播，既節(jié)省能量又降低對節(jié)點運算能力的要求，這種SPIN稱為SPIN-1。但SPIN-1不能保證遠程數據的正確遞送，如遠端節(jié)點需要數據而與源節(jié)點相鄰的近端節(jié)點則不需要，在轉發(fā)的開始就將代表該數據的元數據丟棄，不做REQ回復，造成數據遞送失敗。為了解決這一問題，在SPIN-2在SPIN-1的基礎上加入了能量門限機制。在遞送數據前先檢測相鄰節(jié)點的能量，如果能量值低于某一個門限值，則認為該節(jié)點沒有足夠能力完成遠程遞送任務，將該數據轉發(fā)給其他有足夠能量的相鄰節(jié)點。除此之外，針對不同的應用情況，SPIN的其他擴展協(xié)議，如SPIN- BC和SPIN-RL針對傳感器網絡這種多播網絡、SPIN-PP和SPIN-EC針對傳統(tǒng)的點對點網絡都做出專門優(yōu)化。

　　2．2 層次路由

　　層次路由(也稱為以分簇為基礎的路由)是最早產生并應用于有線網絡的，滿足大規(guī)模網絡的高效通信。因此層次路由的概念也被引入到WSN中，用于滿足傳感器節(jié)點的低能耗和高效率通信。在層次路由中，高能量節(jié)點可用于數據轉發(fā)、數據查詢、數據融合、遠程通信和全局路由維護等高耗能應用場合；低能量節(jié)點用于事件檢測、目標定位和局部路由維護等低耗能應用場合。這樣，將不同的應用按照節(jié)點不同的能力合理分配，使節(jié)點能充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，以應付大規(guī)模網絡情況，并有效提高整個網絡的生存時間。層次路由主要包括兩個層次的路由：一是用于選擇簇頭節(jié)點，二是用于路由選擇。LEACH(low-energy adaptiveclustering hierarchy)是一個提出較早的基于分簇思想的WSN層次路由算法。與傳統(tǒng)網絡固定網關節(jié)點能量較充足相比，WSN中的節(jié)點能量有限，故不能用同定簇頭節(jié)點作為網關。LEACH從WSN中隨機選擇少數節(jié)點作簇頭，考慮到網絡中各節(jié)點能耗的平衡性，讓其他沒有做過簇頭的節(jié)點輪流作為簇頭，使網絡不會因少數節(jié)點先耗盡能量造成網絡癱瘓。

　　LEACH算法分簇頭建立和穩(wěn)定狀態(tài)兩階段，前者是LEACH算法實現(xiàn)的關鍵，后者是數據傳輸的保證。在簇頭建立階段，節(jié)點隨機選擇一個數值r (Or1)，如果該隨機數r小于閾值T(n)，則該節(jié)點成為這一輪的一個簇頭。用G表示最后的1/p輪中沒有被選為簇頭的節(jié)點集合，p表示簇頭節(jié)點濃度(如5％)，則T(n)為：

　　LEACH的分簇機制可降低網絡的整體能耗，延長網絡生存時間；在簇內節(jié)點間采用TDMA編碼，在簇頭與基站間采用CDMA編碼，保證信息有效傳輸；數據采集和簇頭節(jié)點都是周期性的，網絡適合監(jiān)測連續(xù)變化事件。

　　闡述無線傳感器網絡的網絡層，以路由算法作為研究主線，深入分析WSN的兩種路由算法。路由算法研究主要存在以下難題：(1)在網絡層或應用層進行數據融合，網絡層主要依靠路由算法協(xié)調，以丟棄冗余分組，降低節(jié)點能耗和提高數據轉發(fā)效率。(2)為保證數據傳輸的可靠性，盡量降低多路徑維護的開銷，算法不應太復雜。(3)對于WSN，除考慮節(jié)點靜止時的情況，節(jié)點移動性也需考慮。如果不是移動跟蹤節(jié)點，一般可在節(jié)點移動時關閉射頻通道。(4)路由算法應處理好節(jié)點間的協(xié)調，即使在節(jié)點數量較大時也能完成正常數據轉發(fā)，不會造成在短時間內失效。(5)對于節(jié)點數量較大的WSN，由于網絡拓撲分布的隨機性，可能出現(xiàn)某些關鍵節(jié)點能耗較多，而其他節(jié)點能耗較少，網絡負載不平衡。因此，有必要用路南算法加強網絡負載平衡性。(6)由于WSN的特殊性，必須考慮節(jié)點的能耗。因此，研究WSN路由算法，要盡可能降低節(jié)點能耗，以延長網絡生存時間。