WSN中路由协议 课件

1、WSN中的路由协议1.概述 1.1无线传感器网络路由协议的特点 1.2无线传感器网络路由协议的分类2.无线传感器网络路由协议设计 2.1设计目标 2.2技术挑战3.无线传感器网络的路由协议 3.1基于分层的路由协议 3.2基于能量的路由协议 3.3基于位置的路由协议 3.4基于移动性的路由协议1.概述无线传感器网络是由大量传感器节点组成的一种分布式无线自组织网络。路由是WSN的核心技术之一。 WSN路由协议是一套保证数据从源节点传输到目的节点的机制。WSN是无基础设施的网络，一般用电池供电、无人看守，电池不能补充，要延长网络寿命就必须降低能耗。能耗主要用户数据无线传输上，所以单跳传输距离不能太

2、远，要实现WSN大范围覆盖，就需要多跳中继，即路由。1.1无线传感器网络路由协议的特点 节能优先 多对一传输 以数据为中心 应用相关1.1无线传感器网络路由协议的分类 平面路由协议 分层路由协议 基于能量的路由协议 基于多路径的路由协议 基于移动性的路由协议 基于位置的路由协议 基于机会的路由协议 以数据为中心的路由协议2无线传感器的设计2.1设计目标 能量效率（协议简单&节省能量&均衡消耗） 可扩展性（网络范围 & 节点密度） 鲁棒性（节点变化 & 快速确定备用路由） 自适应性 （节点加入退出快速适应& 拓扑变化）2.2技术挑战能量损耗均衡问题（能量有

3、限&汇聚节点附近热点效应）协议的复杂度问题（增加复杂度提高传输性能与能量损耗之间的矛盾）动态环境下的协议性能问题（拓扑结构变化 &鲁棒性）3无线传感器的路由协议3.1.1LEACH3.1基于分层的路由协议LEACH （low energy adaptive clustering hierarchy）协议是基于低能量自适应分簇的路由协议。LEACH协议每“轮”分为两个阶段：周期性的簇的建立阶段与稳定的数据通信阶段 。 簇的建立阶段又包括簇头的选举以及簇的形成这两部分。 稳定的数据传输阶段结束后，即进入下一“轮”的簇的建立阶段，整个网络开始下一“轮”的工作周期。LEACH协议将传感

4、器节点划分成不同的簇，每簇选举一个节点为簇头，其余节点为簇内节点。簇内节点将数据发送给本簇的簇头节点，簇头节点收集簇内信息进行数据处理后再发送给sink节点。簇头选举方式 T(n)是每轮选举的门限值，在创建时，各节点首先在0-1之间选择一个随机数。若随机数小于本轮的门限值，则成为簇头节点。当n?G,节点n的门限值用上面的公式计算，否则门限值为零。P为网络期望的簇头节点百分比，r为当前的伦数，G为最近1/P中没有被选为簇头的节点。0)/1mod(1)(PrPPnT优点：1.节点在分配时隙内进行数据传输，其他时间可以进入休眠，大大节省能量消耗。2、簇头向汇聚节点发送数据前把数据进行融合处理，有效减

5、少发送的数据量，降低发送数据所需的耗能。缺点：1、不同轮中产生的簇头的数量可能相差很大，影响网络性能。2、簇头和汇聚节点间选择的是直接发送数据的方式，耗能较大，距离远者耗能多。3、没有考虑节点剩余能量，无能量消耗均衡机制，影响网络生存时间。3.1.2PEGASISPEGASIS(Power-efficient gathering in sensor information systems)由LEACH发展而来，它是LEACH协议的一种改进版本，仍然采用动态选举簇头的思想,但为避免频繁选举簇头的通信开销,采用无通信量的簇头选举方法,且网络中所有节点只形成一个簇,称为链。该协议执行也是分两个阶段，

6、分别是链创建阶段和数据传输阶段。要求每个节点都知道网络中其他节点的位置,通过贪心算法选择最近的相邻节点形成链。簇头与sink点一跳通信,利用令牌控制链两端数据沿链传送到簇头本身,在传送过程中可聚合数据.当链两端数据都传送完成时,开始新一轮选举与传输。优点：1.有效的进行了数据融合，有效降低耗能。2、采用链式结构节点可以用小功率与最近的节点进行通信，高效的利用节点能量。缺点：1、这种单簇结构对簇头的稳定性要求很高，若簇头数据传输失败会使整个网络无法工作。2、如果链过长会导致时延过长。3、各个节点必须知道其他节点的位置，开销大。1.采用与LEACH协议相同的聚簇方式,但簇头根据与sink点距离的不

7、同形成层次结构。2.聚簇完成后,sink点通过簇头向全网节点通告两个门限值(分别称为硬门限和软门限) 来过滤数据发送。3.在节点第1次监测到数据超过硬门限时,节点向簇头上报数据,并将当前监测数据保存为监测值(sensed value,简称SV)。4.此后只有在监测到的数据比硬门限大且其与SV之差的绝对值不小于软门限时,节点才向簇头上报数据,并将当前监测数据保存为SV。3.1.3Teen优点：1、通过软硬门限有效减少发送的数据量，降低耗能。2、采用多级分簇的结构，使节点能对数据进行很好的融合，进一步降低了耗能。缺点：1、如果软硬门限值设置不合理，节点就无法发送数据。簇头无法确认节点是失效还是死亡

8、。2、门限设置阻止了某些数据上报，不适用于需要周期性上报数据的应用。3.2.1最小功率路由最小功率路由是连接两个节点的所有路径当中，选择路径总功率值最小的一条路径。若令Ptx和Prx分别表示节点i向节点j发送单位数据所需的最小功率和节点j接收单位数据所消耗的功率，有在链路代价计算当中，可以忽略K，即K=1。因此链路中成功传送单位数据所消耗的功率为P(i,j)=Ptx +Prx=2E+K*daij3.2基于能量的路由协议EPdKEPrxajtx特点：1、最小功率路径倾向于选择短链路组成的路径，导致路径跳数较多，传输延迟较大。2、若网络节点是静止的且不考虑失效和链路动态等因素，链接两个节点最小功率

9、路径是固定的，流量容易集中，某些节点会先死亡。3、若所有节点发送功率相同而且不具备功率控制能力，最小路径就是最小跳数路径。3.2.2最大剩余能量路由3.2.3最小不情愿度路由3.2.4基于组合能量代价的优化路由3.3基于位置的路由协议基于位置的分组转发机制：要求每个节点具备自身位置、每个相邻节点位置和目的节点位置等来确定分组的最佳下一跳节点。在确定下一跳的时候有一下几种选择方法。（1）最大剩余能量节点选择法 最大剩余能量选择法在选择到目的节点的下一个节点的时候，从所有距离目的节点比当前节点更近的相邻中选择具有最大剩余能量的节点作为下一跳。(2)最近邻选择法(3)最接近目的节点选择法空洞绕行技术

10、在基于位置的逐跳分组转发机制中，当分组到达一个局部最小节点时，即当期持有分组节点的所有相邻距离目的节点都比当前节点远时，称分组达到了空洞区域。空洞绕行算法（greedy perimeter stateless routing）: GPSR是基于地理位置信息实现逐跳路由的一种协议，它结合了贪婪算法和空洞绕行技术来实现端到端路由。当数据转发过程中出现空洞的时候，空洞周围的节点能够检测到空洞的存在，并利用右手法则沿空洞边缘传输来解决问题。基于曲线的路由技术很多基于位置的贪婪路由协议都倾向于将分组沿直线传送。而基于曲线路由协（trajectory-based routing，TBR）倾向于沿预定曲线对

11、分组进行路由。曲线函数通常由分组的源节点指定的。根据源节点、目的节点和曲线函数就可以确定数据将行走的路径。选择下一跳节点的方式1、最靠近曲线选择：从相邻节点中选择最靠近目标曲线的节点作为下一跳。2、沿曲线前进距离最大选择：选择沿着前进方向距离最大的节点作为下一跳。3、随机选择3.4基于移动性的路由协议基于移动性的路由协议主要用于在传感器节点和移动节点间建立高效传输路径，以满足移动传感器网络的路由要求。3.4.1基于移动Sink节点的路由协议基于移动Sink节点的路由协议用于在传感器节点和移动汇聚节点之间建立高效的传输路径。（1）基于移动轨迹的路由协议 TRAIL协议是一种基于移动轨迹的无线传感

12、器网络协议。基于移动Sink节点可以采用任意的移动方式。TRAIL协议包括轨迹形成、数据转发、路径学习、轨迹刷新及随机行走等主要的组成部分。轨迹形成过程：监听到移动节点广播的HELLO包的传感器节点将会在网络中形成一条Sink节点移动轨迹。（2）联合移动与路由协议该协议认为移动Sink节点的最佳策略是沿着与网络边界平行的曲线移动。移动Sink节点的时候，传感器节点将持续追踪移动Sink节点的位置，并通过多跳路径传输数据。但是实现过程中存在以下问题：1）移动Sink节点需要在网络同心圆边界移动。2）网络中所有节点都需要实时获知移动Sink节点的位置，开销较大。3）Sink节点是骨干网的一部分，如何使得Sink节点在移动情况下实时连接到骨干网络同时可以访问无线传感器网络是网络设计的一个关键性问题。（3）基于位置和移动Sink节点的路由协议为了解决移动Sink节点的位置通告问题，通常采用以下几种存取方式：1）指定点存取方式，移动Sink节点总是实时的把自己最新的位置发送到与该位置距离最近的传感器节点，这个节点可以称为位置服务器，该位置可以指定的。2）基于Quorum的存取方式，这种方式是使网络中的每个位置服务器都可以提供位置存储和查