1、毕业设计文献综述计算机信息技术无线传感器网络路由协议研究摘要路由协议是无线传感器网络的重要组成部分，节能是无线传感器网络路由协议设计所要解决的首要问题。本文重点分析了低功耗路由协议LEACH，同时简单介绍了其他几种典型的路由协议，并对各路由协议进行了综合比较。另外，还分析了MAC协议中基于竞争机制的典型协议，并进行了总结。关键字路由协议；节能；MAC协议；1引言由传感器、无线通信和网络三大技术融合而形成的传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术。而无线传感器网络1是计算机科学和通信技术的一个新的研究领域，由于其广阔的应用前景，近年来受到了越来越多的关注，各种面向具体应用的无线传感器网络路由协议
2、应运而生。无线传感器网络由大量微型传感器节点组成，且这种微型传感器节点能量有限而且一旦布设后不再更换，因此能量是无线传感器节点最重要的资源，它直接关系着网络的使用寿命。所以节能问题成为研究无线传感器网络一个主要的目标。2无线传感器网络的路由协议路由协议时网络中传感器节点相互通信的基础，同时也是网络层的主要功能。无线传感器网络中节点的电源续航能力、数据处理能力、通信带宽以及数据存储能力都很有限，由于无线传感器网络的特殊性，无法直接采用传统的路由协议，即使ADHOC的路由协议也无法直接使用。为无线传感器网络层设计有效的路由协议来提高通信质量、降低能量损耗、延长网络的生存时间是无线传感器网络技术的核
3、心问题之一2。21低功耗路由协议LEACH协议LEACHLOWENERGYADAPTIVECLUSTERINGHIERARCHY是MIT的CHANDRAKASAN等人为无线传感器网络设计的低功耗自适应分层路由算法3。它是以循环的方式随机选择簇头节点,将整个网络的能量负载平均分配到每个传感器节点中,从而达到降低网络能源消耗,提高网络整体生存时间的目的。LEACH在运行过程中不断地循环执行簇的重构过程。每个簇重构过程可以用轮的概念来描述。每个轮可以分成两个阶段初始化和稳定工作两个阶段。初始化阶段即簇的形成阶段。在每一轮的初始化阶段,每个传感器节点都要决定自己是否充当簇头节点。簇头节点必须从那些没有
4、当过簇头节点的节点中选择,直到网络中的所有节点都当过簇头节点,然后再进行重新选举。簇头节点还会使用压缩技术处理数据，减少发送的数据量，进而大大节约了能量。22其他典型路由协议221DD协议DDDIRECTEDDIFFUSION是ESTRIN等人专为无线传感器网络设计的路由协议4。汇聚节点将查询任务封装成兴趣消息INTEREST的形式,采用洪泛方式传播兴趣消息到其他节点,兴趣消息用来表达用户对监测区域内感兴趣的信息。在兴趣消息的传播过程中,协议逐跳地在每个节点上建立反向的从数据源到汇聚节点的数据传输梯度。节点将采集到的数据沿着梯度方向传送到汇聚节点。定向扩散的最大特点是引入网络梯度的概念,其优势
5、在于扩散过程能够将按照经验选取的较优路径缓存以实现节能,并且提高节点间的有效性、鲁棒性和协作的可扩展性。222GEAR协议GEARGEOGRAPHICALANDENERGYAWAREROUTING是一种典型的地理位置路由协议5。该算法的提出基于以下思想在传感器网络中向适当区域发送查询时,此查询数据中包含了位置属性信息,因此,可以利用这一信息将在整个网络中扩散的信息传送到适当的位置区域中。该算法引入了预估费用ESTIMATEDCOST和学习费用LEARNINGCOST,通过比较两者值的大小来选取更接近汇聚节点的传感器节点作为下一跳。GEAR利用能量和地理信息作为启发式选择路径向目标区域传送数据,
6、它是在DD的基础上提出的,但由于GEAR只考虑向某个特定区域发送兴趣,而不是像DD那样发布到整个网络,因此,GEAR相对DD更加节省能量。223SPIN协议SPINSENSORPROTOCOLSFORINFORMATIONVIANEGOTIATION协议6的设计思想是每个节点在发送数据前通过协商来确定其他节点是否需要该数据；同时,节点通过元数据确定接收数据中是否有重复信息存在。节点通过3种消息进行通信ADV数据描述，REQ数据请求和DATA数据。源节点在传送DATA信息之前,首先向相邻节点广播包含DATA数据描述机制的ADV信息,需要该DATA信息的邻节点向信息源发送REQ请求信息,源节点在收
7、到REQ信息后,有选择地将DATA信息发送给相应的邻节点。收到DATA后,该邻节点可以作为信息，按照前述过程将DATA信息继续传播到网络中的其他节点。该协议的优点是ADV消息减轻了内爆问题；通过数据命名解决了交叠问题；节点根据自身资源和应用信息决定是否进行ADV通告，避免了资源利用盲目的问题，进而有效地节约了能量。其缺陷是当产生或收到数据的节点的所有邻节点均不需要该数据时，将导致数据不能继续转发，会使较远节点无法得到数据。23无线传感器网络路由协议总结节能是无线传感器网络最重要的特征，因而高效地利用能量是无线传感器网络路由协议设计的根本出发点。LEACH和PEGASIS具有很好的节能策略，SP
8、IN，DD，GEAR也分别具有相应的节能策略。但是，无线传感器网络与应用高度相关，所以路由协议在节能的前提下还能要满足以下方面的性能要求以数据为中心、支持数据融合、基于节点定位、具有可扩展性、鲁棒性、提供QOS支持等。依据上述性能指标,对描述的路由协议特点进行对比的结果如表1所示。表1协议节能数据融合节点定位扩展性鲁棒性QOS支持LEACH很好有不是好好不是PEGASIS很好有不是好好不是SPIN好有不是受限好不是GEAR好没有是受限好是DD好有不是受限好不是3MAC层协议有效调节多个节点共享信道资源，避免冲突发生是无线网络面临的关键问题之一，直接影响着无线资源的使用效率、网络吞吐和时延等重要
9、性能。媒质接入控制（MAC）协议，又称为多址接入协议，就是为解决次问题而引入的无线发送控制规程。31典型的MAC协议311SMAC协议SMAC协议是一种典型的基于竞争的随机访问协议MAC协议，它是建立在IEEE8021MAC协议7的基础上，针对传感器网络的节省能量需求而提出来的传感器网络MAC协议。其冲突避免机制类似于IEEE80211DCF，采用物理载波侦听和虚拟载波侦听两种方式冲突发生概率，RTS/CTS握手机制避免隐藏终端问题。此外，SMAC首先引入了周期激活/休眠机制以避免空闲侦听，如图11所示，每个节点周期地再一段时间内侦听信道，等待是否有业务到来，然后进入休眠直到下一激活期开始。S
10、MAC协议具有良好的扩展性，不要求严格的时间同步，但是它也存在着节点活动时间无法根据通信负载动态变化以及节点休眠带来的延迟问题7。图11节点的周期侦听休眠时序32SHIFT协议SHIFT协议7的设计目标是对于检测到时间的N个节点，使其中R个节点能在最短的时间内无冲突成功发送出事件监测消息，而抑制剩余NR个节点的消息发送。SHIFT协议使用了竞争窗口长度CW固定的窗口，节点不是从发送窗口选择发送时隙，而在不同的时隙选择发送数据的概率，如果能选择一种发送概率分布，使每个时隙上有且仅有一个节点发送成功的概率最大，就能达到使监测到同一事件的多个节点在竞争窗口前面的各个时隙内不断无冲突发送的目的。SHI
11、FT协议的核心就是选择合适的发送概率分布，为不同的时隙在整个竞争节点集中筛选出一个发送节点。SHIFT协议的主要优点是消息的发送概率分布，为不同的时隙在整个竞争节点集中筛选出一个发送节点。4总结由于WSNS资源有限且与应用高度相关，研究人员在设计路由协议时采用了多种策略。其中好的协议应具有以下特点针对节点能量高度受限，路由协议必须要高效利用能量以便延长网络生存时问；针对节点数据有相关性、包头开销大、节点能量有限等特点，路由协议需要采用数据聚合、数据过滤等技术；针对节点移动性不大的特点，路由协议不需要维护节点的移动性；针对节点因所处位置及承担的责任不同而导致负载不平衡的特点，路由协议需采用通信量
12、负载均衡技术；针对网络相对封闭、不提供计算等特点，路由协议只在SINK点考虑与其他网络互连；针对网络节点不常编址的特点，路由协议需采用基于数据或基于位置的通信机制；针对节点易失效的特点，通信协议需采用多路径机制。基于竞争的MAC协议在一定程度上节省了能力，在有些应用场合有较大的应用，但是其降低了宽带利用率和增加了通信时延，另外基于竞争的协议没有确切地保证不同节点的数据包的优先级。因此，其需要解决的是提供一个实时性的统计上界、限制优先级倒置的概率以建立统计上的端到端的时延保证。如果将路由层的设计渗透到MAC层中，采用跨层设计，实现对节点工作模式的有效控制，减少控制开销，从而取得更好的网络性能。这
13、也是无线传感器网络发展的一个方向。参考文献1孙利民无线传感器网络M清华大学出版社,20052何志亨,程荣祥,邓德隽NS2仿真实验多媒体和无线网络通信M,电子工业出版社,20093HEINZELMANW,CHANDRAKASANA,BALAKRISHNANHENERGYEFFICIENTCOMMUNICATIOAPROTOCOLSORWIIELESSSENSORNETWORKSAIEEEPROCEEDINGSOFTHEHAWAIIINTERNATIONALCONFERENCESYSTEMSCIENCESOOC2090300530144INTANAGONWIWATC,GOVINDANR,ESTRI
14、NDDIRECTEDDIFFUSIONFORWIRELESSSENSORNETWORKINGTRANSACTIONSONNETWORKING,2003,1112165YUY,GOVINDANR，ESTRINDGEOGRAPHICALANDENERGYAWAREROUTINGAREEURSIVEDATADISSEMINATIONPMTOOOLFORWIRELESSSENSORNETWORKSRUCLACOMPUTERSCIENCEDEPARTMENTTECHNICALREPORTUCLACSDTR一010023,20016KULIKJ,HEINZELMANW,BALAKRISHNANHNEGOTIATIONBASEDPROTOCOLSFORDISSEMINATINGINFORMATIONINWIRELESSSENSORNETWORKSJWIRELESSNETWORKS,2002,831691857于宏毅,李欧,张效义无线传感器网络理论、技术与实现M,国防工业出版社,20088张少军,无线传感器网络技术及应用,中国电力出版社,2010
