無線傳感器網絡路由協議的節能研究

劉玉秀 張德達

[摘要]介紹無線傳感器網絡特點及應用,將傳感器網絡路由協議分為平面路由協議和層次型路由協議,并對其中典型的路由協議進行節能方面的分析,指出路由協議未來的研究重點。

[關鍵詞]無線傳感器網絡路由協議

中圖分類號:TP3文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)1120029-01

無線傳感器網絡是一種以采集數據為目的、高密度、自組織、低數據率的新型的無線通信網絡,無線傳感器網絡融合了傳感器技術、嵌入式計算技術、分布式信息處理技術和通信技術,能夠進行相對簡單的數據探測、簡易數據處理和有限范圍的無線通信,具有成本低廉、功耗低、尺寸小等特點。適合在無人看管或人類難以到達、難以對網絡進行維護的環境中使用,在醫療、軍事、環境監測以及商業應用等領域有著廣泛的應用前景。

在傳感器網絡中,節點通過飛機布撤,人工布置等方式,大量部署在感知對象內部或者附近。這些節點通過自組織方式構成無線網絡,以協作的方式感知、采集和處理網絡覆蓋區中特定的信息,可以實現對任意地點信息在任意時間的采集,處理和分析。這種以自組織形式構成的網絡,通過多跳中繼方式將數據傳回Sink節點(基站),最后借助Sink鏈路將整個區域內的數據傳送到遠程控制中心進行集中處理。用戶可以通過sink節點對傳感器網絡進行配置和管理,發布監測任務以及收集監測數據。

無線傳感器網絡路由協議:無線傳感器網絡的特點決定了其動態的拓撲結構、較大的業務流量與有限的無線資源的矛盾,以及低功耗的設計要求。無線傳感器網絡路由協議從網絡拓撲結構的角度可分為平面路由協議和層次型路由協議。

一、平面路由協議

平面路由協議中,節點間地位平等,優點是簡單、易擴展,但缺乏對通信資源的優化管理,對網絡動態變化的反應速度較慢。典型的協議有:

SPIN協議,是一組基于協商的并且具有能量自適應功能的路由協議。SPIN-1和SPIN-2是其中最主要的兩個協議。SPIN協議是一種不需要了解網絡拓撲結構,因此適合在節點可以移動的無線傳感器網絡中使用。SPIN協議引入元數據概念,減少了數據的傳輸量;通過使用協商機制和能量自適應機制,節省了能量,解決了信息“內爆”和數據“重疊”問題。

Directed Diffusion協議這是一個基于查詢的路由協議,該協議整個過程分為興趣擴散、梯度建立以及路徑加強三個階段。梯度場的建立根據成本最小化和能量自適應原則。該協議采用了數據融合方法有效地減少了網絡中的數據量,節省節點能量、提高帶寬利用率。該協議主要用于具有大量查詢而只有少量事件的應用場景,不適合用于網路拓撲結構頻繁變動的、大規模的網絡。

Rumor Routing算法是對Directed Diffusion的改進,網絡每個節點都維持一個事件列表,其表項包含事件的基本描述、播報該事件的源節點、最先傳遞該事件的上一跳節點;引人了一個具有長生命周期的報文Agent,用于源節點廣播感知事件的描述信息并在網絡中傳播,該算法通過節點的事件列表信息維護一條與源節點的路徑,避免了SPIN協議中的大量泛洪過程,顯著節省能量。

二、層次路由協議

LEACH,是為無線傳感器網絡設計的低功耗自適應路由算法。與平面多跳路由協議相比,該協議采用隨機選舉簇頭的方式平均分擔中繼通信業務,避免簇頭過分消耗能量,延長網絡生命周期,但協議無法保證簇頭節點能遍及整個網絡。

TEEN協議。通過設置硬閾值和軟閾值兩個參數大大減少了數據傳送的次數,提高了網絡能量利用率和網絡生存時間;可以對突發事件做出快速反應,適用于實時應用系統,但是不能實現數據的周期性采集。

TTDD協議主要是解決傳感器節點不動的網絡中存在多sink點以及sink點移動情況。當多個節點探測到事件發生時,選擇一個節點作為發送數據的源節點,源節點以自身為中心,整個網絡變成源節點捕捉Sink節點的一個格狀網。當Sink節點被發現,數據通過這個格狀網傳輸到Sink節點。TTDD中提出的透明傳輸的概念,可以簡化網絡的管理和維護。與Directed Diffusion協議相比,該協議采用單路徑方式提高網絡生存時間,但計算與維護格狀網的開銷較大;節點必須知道自身位置;非sink點位里不能移動,要求節點密度較大。

無線傳感器網絡被認為是影響人類未來生活的重要技術之一,這一新興技術為人們提供了一種全新的獲取信息、處理信息的途徑。無線傳感器網絡節點的處理、存儲和通信能力有限,應根據無線傳感器網絡自身特點和實際應用需求,以能量為中心問題,設計出緊湊、節能而簡單的協議。

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