无线传感器网络的路由协议

WSN中的路由协议和拓扑控制

主要内容1.WSN的体系结构2.路由协议的定义3.WSN的特点及对路由设计的影响4.路由协议的关键问题分析5.路由协议的分类6.典型路由协议及其比较7.拓扑控制WSN的体系结构Node有四个基本组件构成sensingunitprocessingunitTransceiverunitpowerunit可能有的取决于应用程序需要的组件locationfindingsystem：许多路由技术和传感任务需要精确获悉节点位置powergenerator：在特定状况下需要提供长时间的电源支持Mobilizer：需要移动节点到另一个地方执行指定的任务Thesensornetworksprotocolstackphysicallayer实现简单、强壮的数据调制，发送、接收MAC层考虑节点的通信环境噪声和节点的移动，且需要降低能量消耗，最小化和邻居节点的广播冲突.负责数据成帧，帧检测，媒体访问控制和差错控制networklayer路由生成和路由选择transportlayer数据流传输控制，是保证通信服务质量的重要部分applicationlayer根据传感任务的不同，可以建立不同的applicationpowermanagementplane管理传感器节点如何使用能源，各个协议层都要考虑节省mobilitymanagementplane监测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由，使node能动态跟踪其邻居节点的位置taskmanagementplane在一个给定的区域内平衡和调度监测任务路由协议是WSN的关键技术之一，它负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点主要包括两个方面的功能：寻找源节点和目的节点的优化路径将数据分组沿着优化路径正确转发路由协议与有线网络和蜂窝式无线网络不同，WSN中没有基础设施和全网统一的控制中心，在这种无中心的环境下，路由可以看成分布式地获取网络拓扑信息，以一定准则计算路径并对路径进行维护的过程。

网络特点是路由设计的主要依据，对网络特点的分析是进行协议设计的前提WSN的特点及对路由设计的影响

无线传感网络中，网络业务的最大特点是具有明显的方向性。为了实现信息采集的目的，WSN的网络业务大都发生在数据汇聚节点（sink）和普通的传感器节点之间，包括sink节点到传感器节点的下行业务（如查询指令下达）和传感器节点到sink的上行业务（如采集信息的回传）传感器节点之间的横向业务所占比例较小，主要是网络的控制信息和网内信息处理所需要的信息。从对路由协议设计影响的角度，归纳WSN的特点1.形式多样的信息报告模式WSN中信息报告模式分四类：a.事件触发：节点采集信息后判断，若超过一定的阈值，则认为发生了某种事件，需要立即上报，如用于预警的WSNb.周期的：节点定期把采集到的信息报告给sink。如野生动植物和环境监测WSNc.基于查询：node不主动向sink上报采集到的信息，而是等待用户查询，根据用户需要反馈信息。d.混合模式：前三种的综合。如智能交通的WSN2.多对一和一对多为主的业务模式

WSN的主要业务是传感器节点把采集到的信息传给sink和sink向WSN下达查询命令，这是典型的多对一和一对多的模式。为了支持这种通信模式，WSN中很多路由协议建立具有树状结构的路由此外还有“地域多播（geocast）”的业务模式WSN中，用户可能对一个地理信息区域内的信息感兴趣，因此需要把查询和命令发送到该区域内的所有节点。针对这种模式设计了以下一些路由协议：LBM：基于位置的多播协议Voronoidiagramandconvexhullbasedgeocastingandrouting：基于Voronoi图和基于凸包的地域多播协议GEAR:geographicalandenergyawarerouting3.数据为中心的设计理念把WSN看成是一个大型的数据库，用户关心的是从这里得到什么信息，而不关心数据库中的哪个元素（node）提供了该信息

该理念对网络层的一个重要影响是节点的地址分配一般情况下没必要为每个node分配全局唯一地址，node描述信息产生时间，地点和内容即可，统一编址，对大规模WSN开销过大

该理念还影响分组转发的过程

WSN中，原始数据可能存在一定的冗余，在满足信息采集的要求前提下，可以在数据转发过程中对其进行修改，甚至把多个分组合并成一个分组，从而降低能耗4.动态岸变化写的网锁络拓园扑大部眼分的WS馆N中节陷点并薄不移寒动，仁造成凡网络山拓扑猛变化壤的主晴要原均因是饿节点杰的失趟效和存在叹不可眨靠性血、非桨对称侍链路电。为蛇了节说能和府延长线网络唐寿命松，需熟要对库网络车进行票休眠林调度招，会在蓄一定佩程度汪上增够加网榜络拓汽扑的订动态捉性。街在有皂些WS稀N中为静了弥籍补节橡点失牢效造键成的性能强损失士，进逝行再辅布设聪（re滥-d鸦ep碗lo怪ym匹en稼t），仅也会辛使网隙络拓辨扑发析生变译化。有些WS煮N中的处节点炉是可棵移动偶的，转如医蚕疗监创测WS型N，候商鸟迁叛徙WS坑N，网序络拓洽扑变化转比较衬快5.能量丢受限酒、结兔构简尝单的荣节点No奥de大都舱由电恐池供跨电，僻电池体积亩小，丛能量孝有限唇且难贸以更换，掉许多惰场合量需要WS馒N连续工作缝数年店甚至颗更长召。No单de结构狗简单迅，存姐储、锣处理须、通析信能力飘低，割单个乔节点圆可靠劈燕性差计。要恩求协议尽青可能颤简单效，具昼有容梦错性1.能量刘有效厉性提高剑能量嫌有效吓性是WS稍N从硬霸件设奥计到泡软件版开发徒都必辰须考超虑的问题铲。从路富由协裂议设嗽计的页角度灿有两障种思阔路提槽高能不量有意效性劲：a.节能序：寻站找节嚼能路案由，绝减少谜路由锯建立蒸和维泪护的峡控制甘开销慰，提高路肚由可妖靠性b.能耗娇均衡旱：从惰空间吗上调方度能蹈量资诱源，软使网派络中代节点疤能量盐均衡消耗路由摧协议挠的关接键问胸题分列析2.可扩江展性可扩屋展性勤是指煌网络喉的性茶能不天随着踪蝶网络倦中节版点的俱数量踏增加棋而有明显风的下辅降3.数据脱传输警可靠攀性数据泛传输吹的可煮靠性奖直接棒关系痛到WS世N是否司能给余用户醒提供翻准确宁、全面和锄可靠渡的信取息，步而WS赶N中节捷点无势线通巷信能伪力弱拥，应磨用环夸境复杂，歉实际拨的链讲路质答量比阀较低煮。如提何保胳证数团据传冻输的伏可靠景性是WS效N路由柳设计灾中的原一个泥关键荐问题影响WS肤N数据笔传输缠可靠饿性原葛因：a.无线惑信道钥上的青碰撞丢导致生分组厅无法波正确商接收b.节点颠故障魔使路渠由不须可用扩，导吃致分耍组丢讲失c.链路笛不可搏靠，织导致沈分组卖传输沟出错恭或丢担失几十察种WS晴N路由项协议品，未刊统一贫分类倡标准一种酿分类闸方法首（5类）抗：路由右协议贸的分务类1.基于肠聚簇锁的路喂由协贵议LE戚AC桨H,队P多EG技AS纲IS瓶,坊TE到EN等2.基于陆地理惑位置狮的路谈由协问议GE呼M,荐MA筛P,横L蚂CR等3.以数搂据为煤中心栏的路麻由协怨议DD，Ru社mo蛛r-坐ro杰ut汉in德g，TT袜DD，支饼持查坑询的剩近似刚路由忆算法踩等4.能量撤感知灰路由身协议En压er继gy促a趟wa谦re卷r何ou枣ti向ng，GE拘AR剑,等5.容错党路由奖协议建立散多条浓路径惧，重率复传温输数纲据包绑，基键于编耐码的茫机会命路由莫协议丈（MO着RE）等泛洪耐路由(F绑lo打od膊in罗g)扩散高法(F心lo遥od亩in隙g)是一纪种传果统的眼网络路由阳协议均，不典需要糖知道贴网络服拓扑努结构和使薯用任岁何路宁由算杀法典型煤的路肌由协莫议分掌析协议朋内容道：一节塔点S希望艰发送判一块陆数据引给节秃点D，节厘点S首先齿通过稼网络贸将数完据副山本传货送给它刃的每喇一个档邻居得节点艘，每便一个护邻居透节点那又将激其传帝输给塌各自穷的每旁一个倦邻居节点蜂，除兆了刚座刚给先它们蹦发送孤数据圣副本撞的节歪点S外。找如此纹继续查下去亭，直盖到将数据活传输拦到目锯标节懒点D为止畜或者背为该纱数据拾所设凑定的砌生命湿期限筛（在麦传感海器网络里缸面通尊常定治义为强最大抖跳数击）变英为零搞为止白或者原所有录节点屿拥有片此数化据副森本为止嘴。洪泛轻路由逮（Fl猪oo著di杀ng）的吸优点圆：①实袍现简崖单②不冤需要煌为保各持网礼络拓抹扑信说息和谨实现绑复杂按的路蓬由发傅现算皮法而咸消耗计侦算资期源③适问用于民健壮喘性要椒求高证的场粗合。洪泛隆路由峰（Fl汪oo浮di略ng）的缝不足难：①存掏在信刷息爆叙炸(I辛mp凤lo号si甘on脸)问题狐，即墨出现城一个丛节点锻可能倡得到一个聪数据亩多个肠副本斗的现浴象②盲射目使昆用资修源，窄即扩睡散法坑不考裤虑各淋节点财能量伸可用故状况惧因而无法均作出垒相应伤的自荡适应透路由郊选择湖。洪泛代路由返（Fl勉oo滋di君ng）的别应用令情况茄：①网忙络资叉源过樱于浪福费，扇实际横很少绳直接淹采用②具梦有极享好的旬健壮磁性，砌可用丙于军月事应旁用③作昆为衡田量标件准评抖价其占它路我由算漠法SP后IN协议展（se屈ns娱or诵p刚ro遇to笑co鲁l秆fo煎r类in尸fo反rm枪at翼io妻n隙vi着a杠ne箱go设ti攀at扇io练n）SP朴IN是最悔早的爬以数奔据为吓中心址的自尾适应江路由过协议奸，通川过协驳商机制来相解决棒洪泛蠢算法牙中的猾“内懒爆”改和“喉重叠驻”问稻题，谁节省梳了能惜量的竭消耗a.为了救避免铲出现芳扩散生法的让信息艇爆炸询问题府和部凉分重销叠现缴象，油传感器节芹点在渡传送锈数据芦之前殖彼此视进行绵协商忍，协腐商制首度可猪确保钳传输饥有用数叹据b.节点叹间通严过发潮送元艇数据(即描属述传确感器即节点绪采集犹的数镇据属陷性的数据还，me股ta弟-d逢at欧a)，而赚不是放采集失的整伏个数珍据进悠行协闻商。惕由于皮元数据魄大小夫小于歼采集括的数恳据，搭所以邀，传川输元愧数据念消耗叶的能色量相会对较少猪。为盟避免牢盲目糊使用偏资源江，所隙有传壳感器辟节点瞎必须壮监控射各自讲的能量闸变化伶情况厅。SP馆IN偷-P亡P采用垒点到肺点的毒通信鼠模式先，并赠假定准两节巾点间活的通桃信不传受其乒他节并点的蛮干扰春，分组绪不会将丢失虹，功别率没损有任热何限泰制1.在发央送一舰个DA乱TA数据浓包之恋前，宫一个沈传感傲器节叹点首肉先对今向邻镰居节恢点广军播AD景V数据文包；2.如果侄一个浑邻居经节点此在收长到AD严V后有深意愿惜接收下该DA励TA数据固包，壤那么蚂它向缩慧该节绒点发执送一个RE呜Q数据积包，光接着荡节点税向该喝邻居许节点锡发送DA购TA数据快包。3.类似钥地进伸行下粱去，DA嚷TA数据滔包可凡被传禾输到朋远方摄汇节龙点或姑基站温。SP佣IN协议睬的优看点：1.浅AD接V消息无减轻昆了内咱爆问穗题;2.节点秋根据如自身叹资源乐和应旧用信企息决欧定是背否进还行AD业V通告括，避酿免了资市源利详用盲衫目问往题，推有效镇地节幼约了抛能量高。SP集IN协议蜘的不浸足：在传熟输新洲数据照的过终程中蔽，直少接向络邻居析节点董广播AD械V数据科包，食而没有演考虑倡其所恒有邻彼居节胞点由芒于自脊身能班量的尚原因捆，不耽愿承妙担起转发宁新数性据的东功能遭，则担新数苏据无欣法传做输，撤将会尘出现豪“数什据盲巨点”黎，进而心影响溪整个功网络域信息位的收抹集MT斩E(托Mi咏ni妥mu机m宰Tr略an穗sm迫is佳si软on若E鹊ne膀rg筝y)路由辜协议啦：在MT予E协议谈中，虾节点机选择万离自带己平面钻距离沈最近脑的节屡点进帐行路云由中转当且舱仅当贼如下筐公式劲满足轻时，英节点A将会眉选择B转发暖自己江的数熊据到返节点C右图菜为MT艺E协议鞠示意闪图MT名E路由科协议底的优厌点：简单范、开增销小去，每悟个节盼点只口需要怕找到通往Si药nk节点吓的下这一跳肾节点凳，然验后把数据呈发给岩它MT偿E路由李协议冲的不俩足：靠近Si雁nk节点权的传仇感器赔节点柱会一旦直承采担路竟由器县的角色冒，节减点之华间负刃载不快平衡森，靠栋近Si裤nk节点菜的传感器却节点欺可能由很快染就耗园尽自猪己的翻能源尚而死糊亡，物缩短整尿个网袜络的巴生命吊周期LE培AC绪H（Lo观w-乏En茶er调gy辆A迟da丧pt陈iv胃e拖Cl拦us沫te袜ri锈ng策H达ie校ra抵rc弹hy）路秤由协院议：LE比AC姑H是一朵种基屠于聚报类路突由协放议，惭在WS赤N路由粪协议肢占有墨重要任地位餐，其他基盟于聚盗类的醉路由爹协议霉如TE唯EN、AP震TE杠EN、PE主GA强SI我S等大挂都由LE概AC千H发展孕而来LE乏AC影H路由血协议猴的核待心思原想：1.腹LE当AC艘H协议以分为朵两个肺阶段咬操作厚，即劈燕类准陷备阶沉段(s错et总-u女p鱼ph骂as菜e)和就涉绪阶址段(r肯ea解dyph冷as虑e)。为郊了使吧能耗眼最小跟化，烛就绪什阶段海持续坊的时柜间比添类准触备阶汉段长矿。类关准备左阶段和就运绪阶慨段所踩持续纯的时舰间总她和称遣为一精轮(r己ou杆nd眉)2.在类嚼准备牺阶段撒，LE零AC五H协议披随机钻选择脸一个猾传感汪器节慨点作愿为类烫头节芝点(c驻lu推st尤er桥h熔ea真dno鹊de菠)，随叫机性把确保揭类头聋与基诉站之劣间数兵据传私输的壁高能北耗成纯本均建匀地陕分摊如到所泉有传聪感器节固点。3.具体兄的选泽择办得法是年：一音个传冶感器冲节点间随机筝选择0和1之间吐的一河个值向，如范果选澡定的班值小炼于某富一个阈值T(所n)，那导么这态个节鞭点成及为类选头节乞点。T(标n)值按丑右边抬公式骆计算吊：N：网牛络中遮传感悠器节榨点的治总数牛；p：一苹轮中姓网络标的类搂头节商点数海；r：己替完成从的轮供数；Gr：在轧剩余捷的N/贞k-魔r个回向合中屿未成驾为类隐头节资点的顿传感社器节垂点组习成的店集合绿；4.在类傲头节表点选仇定后蓬，该泰类头恰节点视对网档络中包所有肥节点顾进行但广播写，广椒播数全据包赔含有脊该节点成杏为类颠头节网点的北信息黄。一毒旦传迫感器慢节点起收到巴广播昏数据探包，门根据壮接收摩到的娱各个带类头节点追广播然信号召强度仅，该隆节点占选择为信号顺强度冠最大缺的类肯头节租点加雹入，漆向其永发送博成为黎其成员的蔑数据联包。祥类形气成后自，类锻头节肠点采时用TD索MA策略饭分配猫通道箩使用冰权给滤类内场节点趟。5.一旦墨处于衔就绪平阶段逮，类少头节萍点开颜始接今收类诉内各气节点世采集孔的数也据，越然后呆采用佛数据狭融合和数衬据压雷缩等牢技术辰进行愚汇聚夺，将敏整合熟后的渠数据怒传输如给Si讯nk节点龙。在优就绪搭阶段浅持续劝了一段塞时间伞后，奴网络羽又进位入了滋另一鲜次的豆类准氧备阶炒段。LE蠢AC坦H路由协议葵模型LE往AC未H缺点1、簇蹈头选朱举随慨机性葛很强大，可驾能会答出现离簇头殊集中将在某合一个恭区域挡的现侮象，塔造成只簇头程分布魔不均位匀。2、信晴息的促融合涂和传牌输都垂是通仙过簇矩头节纠点来既进行备，造素成了紫簇头燃节点组能量辰消耗灶过快衬的问怠题；3、发逃射机园和接坊收机欠必须鸣严格头遵守夜时隙帽的要祥求，梯避免佳在时姻间上坝互相套重叠趁，然军而，天维持悉时间卸同步饱又增葡加了丢一些银额外躺的信疾令通醉信量剥。节双点的尸时间蜡表可染能会动需要焦较大妈的存茧储器舍。4、LE煌AC纽奉H要求方节点鹿之间沟和节毁点与Si结nk点之困间都唐能进盗行直介接通恒信，列网络瞧的扩丧展性里差，然对于爷大规晨模网真络而舞言，践节点战直接瞒进行煌通信弹需要等消耗扁大量室的能环量。贯并且忌采用简单跳砖路由寇方式怀，增折加了栽交换拜数据蛮的能撞量。TT固DD（tw滴o-叼ti梯er皇d票at蛛a教di访ss导em梳in瓣at折io梁n）路搏由协伯议：TT绸DD协议是一孕个层舌次路颜由协险议,主要训是解电决网你络中纳存在敬多si逼nk点及si汤nk点移动缸问题TT顺DD协议红的基各本原占理：1.当多仆个节炼点探脱测到袜事件模发生且时,选择膀一个钱节点俗作为狸发送吼数据筐的源合节点,源节点短以自监身作巩为格杀状网(g厚ri汽d)的一偶个交寺叉点蔑构造唤一个咐格状疾网.2.其过瓣程是:源节恭点先沈计算铲出相短邻交运叉点灰位置,利用镜贪心何算法仿请求她最接拍近该位置璃的节轰点成鲜为新睛交叉徒点；3.新交驳叉点探继续盒该过小程直垒至请自求过纵期或古到达腐网络宪边缘.4.交叉覆点保杠存了昌事件毒和源泥节点院信息.进行枕数据郊查询摘时,s歼in念k点本愧地fl鱼oo捷di虹ng查询请驱求到兵最近躲的交凉叉节掉点,此后粉查询注请求晒在交省叉点肚间传循播,最终衬源节善点收滩到查询建请求,数据拐反向轮传送怀到si殿nk点.下图相为TT耐DD格状厘网建沟立与丧数据网查询源节削点B发起钟建立根格状疯网Si岭nk点向钢源节酿点B查询坦数据TT峡DD协议唉的优舌点：与Di汗re院ct取ed好D炼if禁fu脑si倚on协议沾相比,该协剃议采师用单币路径,能够跳提高阵网络钉生存纹时间TT推DD协议茧的不厅足：1.计算下与维纱护格罗状网恭的开材销较高大;2.节点尿必须占知道键自身妥位置;3.非si慨nk点位氏置不李能移齿动;4.要求杀节点躲密度絮较大路由兰协议握的分应类比预较路由臭协议独的特炭点比否较路由阵协议科的应秃用范壶围比终较贪心拒算法损：所谓非贪心听算法扔是指画，在欲对问勺题求许解时候，总能是做装出在宰当前杜看来矿是最库好的号选择逗。也就察是说洋，不淘从整驻体最赴优上认加以认考虑嫁，他存所做烈出的领仅是环在某助种意裁义上叹的局竞部最熟优解贪心绸算法扭不是泼对所允有问轰题都脑能得剃到整般体最亮优解获，但虽对范杠围相秒当广抓泛的碰许多科问题他例能产纳生整眼体最桂优解老或者批是整怨体最鞭优解壮的近雷似解糊。贪心搞算法谣的基暂本思扩路如希下：1.建立摔数学轨模型洲来描分述问选题。2.把求翻解的丸问题截分成仆若干禾个子宿问题绸。3.对每痕一子梯问题珍求解骡，得灾到子卡问题披的局近部最逝优解许。4.把子说问题章的解茫局部闹最优许解合爬成原能来解敲问题腾的一脊个解咽。实现斯该算班法的席过程沿：从问隶题的怠某一袜初始药解出曲发；wh惭il狮e能朝严给定联总目绞标前谜进一何步do求出称可行慕解的凳一个苗解元妙素；由所假有解胳元素敬组合限成问玩题的蚊一个跪可行驶解；附录府：拓扑湿控制怎的概狼念与象意义概念拓扑竭控制床（to魂po验lo捏gy址c个on社tr微ol）是一针种协逼调节塑点间查各自榴传输井范围或的技扔术，宾可以抗减少帽节点错的能役耗或曾增加加网络踢的传肤输能戴力。意义(1息)影响糊整个榴网络唉的生鉴存时愈间。(2油)减小族节点样间通府信干浮扰，狠提高质网络直通信洽效率疼。(3尖)为路大由协伙议提龙供基摆础。(4漆)影响福数据梯融合斗。(5稼)弥补卡节点正失效剪的影熔响。拓扑慌控制错的研涝究方果向WS德N中拓翁扑控吃制可僵以分沿为两畏个研清究方裹向：助功率敌控制先和层昏次拓竭扑结脚构控摸制。功率搞控制决机制疼调整送网络坛中每堡个节桶点的电发射张功率贿，保针证网争络连岛通，虚在均跳衡节达点中叮直接同邻居泽数目(单跳感可达枪邻居沃数目)的同技时，共降低施节点间之间田的通援信干穿扰。层次胡拓扑性控制家是利脖用分教簇思闻想，虑使网盏络中扭的部里分节蚁点处摆于激恋活状鸟态，裙成为寒簇头令节点敞。由对这些小簇头忌节点揭构建胞一个条连通疼的网端络来雷处理消和传越输网渐络中框的数甚据，露并定驴期或世不定零期地隶重新凶选择摊簇头烧节点档，以拼均衡形网络就中节抚点的锣能量述消耗建。拓扑炒控制魂的评堂价指棋标连通施性在没键有拓猪扑算桐法前允，两愁个节断点之解间存蜜在k条路房诚径，纹那么五使用求拓扑魔算法挣后，沙这两铜个节挡点中哨也应盏该存吐在k条路招径。覆盖烛性覆盖谣问题乒中，勇最重勒要的航因素籍是网追络对螺物理慌世界虾的感蛮知能疗力。吞吐速量化简循后的磁网络黄拓扑姨结构侄应该姑能够锣支持赵与原僻始网货络相坡似的炒通信绣量。扩展安性（岗网络冒容量咸）减少看数据设传输泡节点骡所能木影响白的邻核居节再点的念数量,减少件节点棉通信毅的传扰输范泪围,可以访有效慰减小豪网络旺中的踪蝶冲突饼域,从而踩降低击通信花冲突角的概氧率。拓扑旨控制溜的应得用效驰果实现朴拓扑培控制塞的手趁段1、在想保证娱网络迹的连寒通性畜与覆坑盖性吗的情赢况下惨，控制恭节点爪的发土射距探离，火减少遵发射至功耗，同猫时减宅少分贿组冲绸突的闪可能锋性，你减少成不必公要的观开销请；2、尽融可能这让多滤的节遣点进辈行休道眠，乎降低粗功耗孕；3、数清据融王合，膛减少疮分组断的冗海余。拓扑帅控制姑的表绿现