無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )路由協(xié)議的研究與改進(jìn)

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )WSN(Wireless Sensor Network)是傳感器、通信和計算機3種技術(shù)相結合的產(chǎn)物，南于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )將邏輯信息世界與客觀(guān)物理世界融合在一起，改變了人類(lèi)與自然界的交互方式，因而具有廣泛的應用前景。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )具有很多不同于傳統網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)，如能量嚴重受限、拓撲結構頻繁變化等。因此，WSN網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的設計同現有各種網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的設計大不同，因而面臨著(zhù)各種新的挑戰。在協(xié)議棧的眾多協(xié)議中，網(wǎng)絡(luò )層路由協(xié)議算法作為一項關(guān)鍵技術(shù)已成為目前研究的熱點(diǎn)。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的路由協(xié)議

　　由于WSN路由協(xié)議分類(lèi)標準有很多，因此路由協(xié)議的分類(lèi)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(lèi)型，并分析每種類(lèi)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(wǎng)絡(luò )中的各節點(diǎn)具有相同的功能和平等的角色，節點(diǎn)或將自己的事件檢測結果主動(dòng)報告給其他節點(diǎn)，或者是其他節點(diǎn)向檢測事件的節點(diǎn)發(fā)出查詢(xún)信息，數據傳輸通過(guò)多節點(diǎn)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(gè)以數據為中心的算法，通過(guò)節點(diǎn)問(wèn)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先對節點(diǎn)收到的數據的特點(diǎn)進(jìn)行高層次的抽象，形成描述節點(diǎn)收到數據特點(diǎn)的元數據(meta-data)。在轉發(fā)收到的數據前，節點(diǎn) A先用元數據與相鄰節點(diǎn)B進(jìn)行協(xié)商，發(fā)送ADV信號判斷節點(diǎn)B是否需要該數據(圖la)。如果節點(diǎn)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，然后節點(diǎn)A就將數據DATA轉發(fā)給節點(diǎn)B(圖lc)。節點(diǎn)B收到從節點(diǎn)A轉發(fā)來(lái)的數據后，采用與節點(diǎn)A相同的處理方法。先用元數據與其相連的所有節點(diǎn)協(xié)商是否需要該數據，發(fā)送ADV信號(圖1d)。如果節點(diǎn)有需求則回復REQ信號，無(wú)需求則直接將ADV信號丟棄(圖 1e)，然后節點(diǎn)B將向所有回復REQ信號的節點(diǎn)發(fā)送數據DATA(圖1f)。

　　SPIN算法并沒(méi)有明確定義元數據的格式。其具體格式和應用相關(guān)，如ADV和REQ的格式可根據具體應用做詳細規定。另外，當拓撲結構發(fā)生變化時(shí)，每個(gè)節點(diǎn)只需在局部范圍內維護與其相鄰的節點(diǎn)狀態(tài)，不需全網(wǎng)廣播，既節省能量又降低對節點(diǎn)運算能力的要求，這種SPIN稱(chēng)為SPIN-1。但SPIN-1不能保證遠程數據的正確遞送，如遠端節點(diǎn)需要數據而與源節點(diǎn)相鄰的近端節點(diǎn)則不需要，在轉發(fā)的開(kāi)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(wèn)題，在SPIN-2在SPIN-1的基礎上加入了能量門(mén)限機制。在遞送數據前先檢測相鄰節點(diǎn)的能量，如果能量值低于某一個(gè)門(mén)限值，則認為該節點(diǎn)沒(méi)有足夠能力完成遠程遞送任務(wù)，將該數據轉發(fā)給其他有足夠能量的相鄰節點(diǎn)。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(wǎng)絡(luò )這種多播網(wǎng)絡(luò )、SPIN-PP和SPIN-EC針對傳統的點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )都做出專(zhuān)門(mén)優(yōu)化。

　　2．2 層次路由

　　層次路由(也稱(chēng)為以分簇為基礎的路由)是最早產(chǎn)生并應用于有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的，滿(mǎn)足大規模網(wǎng)絡(luò )的高效通信。因此層次路由的概念也被引入到WSN中，用于滿(mǎn)足傳感器節點(diǎn)的低能耗和高效率通信。在層次路由中，高能量節點(diǎn)可用于數據轉發(fā)、數據查詢(xún)、數據融合、遠程通信和全局路由維護等高耗能應用場(chǎng)合；低能量節點(diǎn)用于事件檢測、目標定位和局部路由維護等低耗能應用場(chǎng)合。這樣，將不同的應用按照節點(diǎn)不同的能力合理分配，使節點(diǎn)能充分發(fā)揮各自?xún)?yōu)勢，以應付大規模網(wǎng)絡(luò )情況，并有效提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的生存時(shí)間。層次路由主要包括兩個(gè)層次的路由：一是用于選擇簇頭節點(diǎn)，二是用于路由選擇。LEACH(low-energy adaptiveclustering hierarchy)是一個(gè)提出較早的基于分簇思想的WSN層次路由算法。與傳統網(wǎng)絡(luò )固定網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)能量較充足相比，WSN中的節點(diǎn)能量有限，故不能用同定簇頭節點(diǎn)作為網(wǎng)關(guān)。LEACH從WSN中隨機選擇少數節點(diǎn)作簇頭，考慮到網(wǎng)絡(luò )中各節點(diǎn)能耗的平衡性，讓其他沒(méi)有做過(guò)簇頭的節點(diǎn)輪流作為簇頭，使網(wǎng)絡(luò )不會(huì )因少數節點(diǎn)先耗盡能量造成網(wǎng)絡(luò )癱瘓。

　　LEACH算法分簇頭建立和穩定狀態(tài)兩階段，前者是LEACH算法實(shí)現的關(guān)鍵，后者是數據傳輸的保證。在簇頭建立階段，節點(diǎn)隨機選擇一個(gè)數值r (Or1)，如果該隨機數r小于閾值T(n)，則該節點(diǎn)成為這一輪的一個(gè)簇頭。用G表示最后的1/p輪中沒(méi)有被選為簇頭的節點(diǎn)集合，p表示簇頭節點(diǎn)濃度(如5％)，則T(n)為：

　　LEACH的分簇機制可降低網(wǎng)絡(luò )的整體能耗，延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )生存時(shí)間；在簇內節點(diǎn)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；數據采集和簇頭節點(diǎn)都是周期性的，網(wǎng)絡(luò )適合監測連續變化事件。

　　闡述無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的網(wǎng)絡(luò )層，以路由算法作為研究主線(xiàn)，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(wǎng)絡(luò )層或應用層進(jìn)行數據融合，網(wǎng)絡(luò )層主要依靠路由算法協(xié)調，以丟棄冗余分組，降低節點(diǎn)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(kāi)銷(xiāo)，算法不應太復雜。(3)對于WSN，除考慮節點(diǎn)靜止時(shí)的情況，節點(diǎn)移動(dòng)性也需考慮。如果不是移動(dòng)跟蹤節點(diǎn)，一般可在節點(diǎn)移動(dòng)時(shí)關(guān)閉射頻通道。(4)路由算法應處理好節點(diǎn)間的協(xié)調，即使在節點(diǎn)數量較大時(shí)也能完成正常數據轉發(fā)，不會(huì )造成在短時(shí)間內失效。(5)對于節點(diǎn)數量較大的WSN，由于網(wǎng)絡(luò )拓撲分布的隨機性，可能出現某些關(guān)鍵節點(diǎn)能耗較多，而其他節點(diǎn)能耗較少，網(wǎng)絡(luò )負載不平衡。因此，有必要用路南算法加強網(wǎng)絡(luò )負載平衡性。(6)由于WSN的特殊性，必須考慮節點(diǎn)的能耗。因此，研究WSN路由算法，要盡可能降低節點(diǎn)能耗，以延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )生存時(shí)間。