1、本科毕业设计 (论文 )文献综述 电子信息 工程 无线传感器网络的路由协议 摘要 ： 无线通信技术、低功耗处理器和芯片制造技术的飞速发展，造就了无线传感器网络(Wireless Sensor Network， WSN)的诞生。其广阔的应用前景引起了学术界、军界和工业界的极大关注。本文着重讨论无线传感器网络及其分层路由协议的介绍及应用。然后按照网络拓扑结构的不同分析目前常用的平面路由协议与分层路由协议的基本思路，并分析各种技术的特点及优缺点。 关键词：无线传感器网络；路由协议； LEACH； 1、 无线传感器网络 (WSN)概 述 无线传感器网络 (WSN， Wireless Sensor Ne
2、twork) 1是微机电系统 (MEMS， MicroElectro-Mechanism System)、片上系统 (SOC， System on Chip)和无线通信技术三者高度集合出的一种新型获取和处理信息的网络。它由大量的随机分布的集成有感应装置、数据处理单元和通信模块的廉价、微小节点组成，通过无线通信方式形成的一个无线网络。可以协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，可以使人们在任何时间、 地点以及任何环境条件下获取大量详细而可靠的信息。这种网络的特点为：大规模、自组织、动态性、可靠、应用相关、以数据为中心。 线传感器网络 2是由传感器
3、节点 (sensor nodes)，接收发送器汇节点 (sink)， Internet或通信卫星，任务管理节点 (task manager node)四部分组成。传感器节点散布在指定的感知区域内，每个节点在网络中可以充当数据采集者、数据中转站或簇头节点 (cluster-head node)的角色；作为数据采集者，节点收集周围环境的数据 (如温度，湿度等 )，通过无线信道 直接将数据传输给汇节点：作为数据中转站，节点除完成采集任务外，另外还要接收邻居节点的数据，将数据转发给距离汇节点更近的邻居节点或汇节点；作为簇头节点，节点负责收集该簇域内所有节点采集的数据，融合后发送给汇节点，信息通过“多跳
4、”方式传送至 Usink节点，同样，汇节点也以相同方式将任务指示等命令发送给监测区域内节点。另一方面， sink节点直接与 Internet或卫星进行信息交换。如图一所示： 图 1：典型的无线传感器网络 2、 路由协议 3,4 路由协议是无线传感器网络通信层的核心技术。其主要负责感知节点的数据传输。与传统网络的路由协议不同，无线传感网络的路由协议必须考虑无线传感网络的自身特点，其中最重要的就是能量问题 5,6,7。其次，对于无线传感网络而言，其最为关注的是无线传感网络中的感知数据，而一般不会关注于某一传感节点的具体 ID 以及感知数据的具体来源。另外，无线传感网络的应用范围非常广泛，针对不同的
5、应用，其对无线传感网络的各项指标要求也不尽相当，这就需要在进行路由协议的设计过程中，根据不同的需要设计不同的路由协议。不同应用中的路由协议相差很大 8。因此对于无线传感网络而言，其路由协议一般需要考虑能量、可扩展性、容错性、实时性、高效性等因素。 无线传感器网络路由协议按照最终形成的拓扑结构 9。划分为平面路由协议和分 层路由协议。在文献 10提到的平面路由协议中，所有节点的地位是平等的，原则上不存在问题的。但它的缺点是可扩充性差，维护动态的路由环境需要大量的控制信息。而在分层结构网中，群结构比较简单，而且具有很好的可扩充性，它的缺点是群首节点可能会出现一些网络上的问题。 平面路由协议 11是
6、指网络中各节点的地位相同，没有分层管理机制。因为网络中没有特殊的节点，网络流量均匀地分散在网络中，路由算法易于实现。缺点是可扩充性小，在一定程度上限制了网络的规模。典型的平面路由协议有洪泛法、通过协商的传感器协议 (SPIN , Sensor Protoco ls for Information Negotiation)、 连续分配路由协议 ( SAR, Sequential Assignment Routing)。 在文献 12中与平面路由协议相对应的是分层结构的路由协议。层次路由协议采用簇的概念对传感器节点进行层次划分。若干个相邻节点构成一个簇 , 每一个簇有一个簇首。簇与簇之间可以通过网
7、关通信。网关可以是簇首也可以是其它簇成员。网关之间的连接构成上层骨干网 , 所有簇间通信都通过骨干网转发。下面介绍几种典型的分层路由协议： Leach是为无线传感器网络 13,14,15设计的一种低功耗分层路由协议。核心思想是基于分簇的层次型路由，主要思想史以循环方式获取簇首节点，能量负载可以平均分配，延长网络的生存周期。 由于簇首需要完成数据融合、与汇聚点通信等工作 , 簇首的能量消耗非常高 ,各节点需要等概率地担任簇首 , 这样才能使网络中所有节点比较均衡地消耗能量 , 有利于延长整个网络的生存期 。 在目前的无线传感网络研究中，路由协议层出不穷，包括面向能量高效的路由协议等、基于查询的路
8、由等、基于地理位置路由等、可靠路由协议等诸多路由协议。 TEEN 路由协 议把传感器网络分为节点周期性发送信息的主动网络 (proactive network) 和及时监测突发事件的反应网络（ reactive network )。在反应网络中 , 人们只对属性值高于给定阀值的数据感兴趣。 TEEN 协议是应用于反应网络的对 L EACH协议的改进 , 其核心作过程为 : 在簇首选举以后 , 簇首会把绝对阀值和相对阀值两个参数广播给其他成员。传感器节点持续地采集数据 , 当采集的数据第一次大于绝对阀值 , 节点把数据记录下来 , 同时发送给簇首 ; 在以后时间内 , 这个节点只有满足采集的数据
9、大于绝对阀 值 , 而且与前一次记录结果之差大于相对阀值时 , 才对数据进行记录并发送给簇首。 TEEN 协议的改进操作有两个好处 : 第一 , 对于突发事件能够及时响应 ; 第二 , 对于持续的突发事件 , 相邻两次数据之差在不大于阀值时 , 无需不断地发送数据 , 减少通信流量。 Estrin等提出了一种两层的分簇算法。处于某一层的节点同其广播半径及跳数有关，所处层次越高，所覆盖面积越大。此算法可以扩展成一个多层的簇体系。其优点是适合大型网络。缺点是在形成多层簇类的过程中会额外消耗一些能源，而且网络需要形成多少层，什么方法形成层 次等都是值得继续探讨的课题。 Younis等人提出了基于三层
10、体系结构的路由协议。用户划分簇，并将簇头 ID(Identity，身份标识号码 )和簇内节点位置通知每个簇头。簇头监控节点的能量变化，决定并维护节点的状态 (感知、转发、感知并转发、休眠 )，评价节点间传输链路的成本，选择最小成本路径作为最优路径。优点：具有很好的节能性能、较高的吞吐量和较低的通信延迟。 小结与展望 由于传感器节点能量有限 , 且只具有局部网络信息 , 传感器网络中的路由协议具有很多传统网络路由协议没有的特点。首先 , 无线传感器网络路由 协议关心整个网络能量的均衡消耗。由于节点的能量有限 , 只有降低整个协议的能量开销 , 并且尽量在节点间均衡消耗能量 , 才能尽可能地延长网
11、络生存期 16。其次 , 传感器网络的路由协议是以数据为中心的。传感器网络的路由协议不再采用传统网络中以地址为中心的路由方式 , 而是根据感兴趣的数据建立数据源到汇聚节点或者负责节点的路径 17。最后 ,传感器网络的路由协议具有应用相关性 , 不同应用中的路由协议可能差别很大 , 没有一个通用的路由协议。在今后的研究中 , 可以设计兼有平面结构和层次结构优点的路由协议 , 这样既能有效 地管理网络拓扑结构 , 较好地处理节点的移动性 , 又能有效地利用能量传输数据 , 还能克服层次结构中由于簇头的原因所带来的一系列问题 18。从而 , 进一步完善无线传感器网络路由技术 , 发挥其更大价值。 参
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