无线传感器网络路由协议的节能研究

来源:用户上传      作者: 刘玉秀 张德达

　　[摘要]介绍无线传感器网络特点及应用,将传感器网络路由协议分为平面路由协议和层次型路由协议,并对其中典型的路由协议进行节能方面的分析,指出路由协议未来的研究重点。
　　[关键词]无线传感器网络路由协议
　　
　　中图分类号:TP3文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)1120029-01
　　无线传感器网络是一种以采集数据为目的、高密度、自组织、低数据率的新型的无线通信网络,无线传感器网络融合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术,能够进行相对简单的数据探测、简易数据处理和有限范围的无线通信,具有成本低廉、功耗低、尺寸小等特点。适合在无人看管或人类难以到达、难以对网络进行维护的环境中使用,在医疗、军事、环境监测以及商业应用等领域有着广泛的应用前景。
　　在传感器网络中,节点通过飞机布撤,人工布置等方式,大量部署在感知对象内部或者附近。这些节点通过自组织方式构成无线网络,以协作的方式感知、采集和处理网络覆盖区中特定的信息,可以实现对任意地点信息在任意时间的采集,处理和分析。这种以自组织形式构成的网络,通过多跳中继方式将数据传回Sink节点(基站),最后借助Sink链路将整个区域内的数据传送到远程控制中心进行集中处理。用户可以通过sink节点对传感器网络进行配置和管理,发布监测任务以及收集监测数据。
　　无线传感器网络路由协议:无线传感器网络的特点决定了其动态的拓扑结构、较大的业务流量与有限的无线资源的矛盾,以及低功耗的设计要求。无线传感器网络路由协议从网络拓扑结构的角度可分为平面路由协议和层次型路由协议。
　　
　　一、平面路由协议
　　
　　平面路由协议中,节点间地位平等,优点是简单、易扩展,但缺乏对通信资源的优化管理,对网络动态变化的反应速度较慢。典型的协议有:
　　SPIN协议,是一组基于协商的并且具有能量自适应功能的路由协议。SPIN-1和SPIN-2是其中最主要的两个协议。SPIN协议是一种不需要了解网络拓扑结构,因此适合在节点可以移动的无线传感器网络中使用。SPIN协议引入元数据概念,减少了数据的传输量;通过使用协商机制和能量自适应机制,节省了能量,解决了信息“内爆”和数据“重叠”问题。
　　Directed Diffusion协议这是一个基于查询的路由协议,该协议整个过程分为兴趣扩散、梯度建立以及路径加强三个阶段。梯度场的建立根据成本最小化和能量自适应原则。该协议采用了数据融合方法有效地减少了网络中的数据量,节省节点能量、提高带宽利用率。该协议主要用于具有大量查询而只有少量事件的应用场景,不适合用于网路拓扑结构频繁变动的、大规模的网络。
　　Rumor Routing算法是对Directed Diffusion的改进,网络每个节点都维持一个事件列表,其表项包含事件的基本描述、播报该事件的源节点、最先传递该事件的上一跳节点;引人了一个具有长生命周期的报文Agent,用于源节点广播感知事件的描述信息并在网络中传播,该算法通过节点的事件列表信息维护一条与源节点的路径,避免了SPIN协议中的大量泛洪过程,显著节省能量。
　　
　　二、层次路由协议
　　
　　LEACH,是为无线传感器网络设计的低功耗自适应路由算法。与平面多跳路由协议相比,该协议采用随机选举簇头的方式平均分担中继通信业务,避免簇头过分消耗能量,延长网络生命周期,但协议无法保证簇头节点能遍及整个网络。
　　TEEN协议。通过设置硬阈值和软阈值两个参数大大减少了数据传送的次数,提高了网络能量利用率和网络生存时间;可以对突发事件做出快速反应,适用于实时应用系统,但是不能实现数据的周期性采集。
　　TTDD协议主要是解决传感器节点不动的网络中存在多sink点以及sink点移动情况。当多个节点探测到事件发生时,选择一个节点作为发送数据的源节点,源节点以自身为中心,整个网络变成源节点捕捉Sink节点的一个格状网。当Sink节点被发现,数据通过这个格状网传输到Sink节点。TTDD中提出的透明传输的概念,可以简化网络的管理和维护。与Directed Diffusion协议相比,该协议采用单路径方式提高网络生存时间,但计算与维护格状网的开销较大;节点必须知道自身位置;非sink点位里不能移动,要求节点密度较大。
　　无线传感器网络被认为是影响人类未来生活的重要技术之一,这一新兴技术为人们提供了一种全新的获取信息、处理信息的途径。无线传感器网络节点的处理、存储和通信能力有限,应根据无线传感器网络自身特点和实际应用需求,以能量为中心问题,设计出紧凑、节能而简单的协议。
　　
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