无线传感器网络的研究

无线传感器网络的研究

0无线传感器网络随着微电站技术和无线通信技术的快速发展，人们可以开发一个低能耗、低能量和多功能传感器节点。这些传感器节点由能量十分有限的电池供电,具有感知、数据处理的能力,以及无线通信功能。大量布撒在监测区域中的传感器节点通过自组织就构成了无线传感器网络(WirelessSensorNetworks,WSNs)。WSNs的应用前景非常广阔,在军事国防、环境监测、生物医疗、智能家居、危险区域的远程监控等领域都具有潜在的使用价值。WSNs与传统有线网络具有很大的差别。尽管它和移动自组织网络(MobileAdhocNetworks,MANET)都是无线自组织网络,但二者存在着很大的差异。这使得传统网络的路由协议和MANET的路由协议均不适用于WSNs,必须依据WSNs的特点设计新的路由协议,使之有效地保证WSNs功能的正常实施。1wsns路由协议与MANET相比,WSNs具有自身的特点,这使得必须根据WSNs的特点设计其路由协议,以适应网络规模大、拓扑易变化、能量有限的WSNs的需要,延长网络的生存周期。下面介绍WSNs的特点及其路由协议设计的关键问题:1)WSNs较之MANET的节点数目更为庞大(上千甚至上万),节点分布更为密集,这使得必须为WSNs设计适于大规模网络的路由协议;2)由于环境和能量的影响,WSNs节点更容易出现故障,容易造成网络拓扑的变化,这使得WSNs的路由协议要有更强的自适应性和鲁棒性;3)WSNs节点的能量、处理能力、存储能力和通信能力都十分有限,这使得为WSNs设计的路由协议必须简单且节能;4)MANET采用点对点传输模式,而WSNs的数据传输遵循多对一或一对多模式,这使得WSNs路由协议的设计必须考虑负载均衡;5)通常情况下,MANET中节点移动性很强,而大多数传感器节点是固定不动的;6)MANET是以地址为中心进行路由,而WSNs是以数据为中心的路由;且邻近节点间采集的数据具有相似性,需进行数据融合;7)MANET的首要设计目标是提供高服务质量和有效带宽利用,其次才考虑能源,而WSNs的首要设计目标是能源的高效使用,这使得必须为WSNs设计能量有效的路由协议;8)WSNs的路由协议是基于特定应用而设计的,很难设计具有通用性的路由协议。2路由协议的分类WSNs路由协议负责在汇聚节点和传感器节点间可靠地传输数据。由于WSNs的应用相关性,单一的路由协议不能满足各种应用需求,因而研究人员研究了众多的路由协议并按不同的标准对其进行了分类。由于分类标准的不同,同一路由协议可能隶属于不同的分类。下文总结了各种WSNs路由协议的分类方法及其所包含的路由协议,并对各种分类方法下的路由协议的共同特征从多方面进行了对比分析。2.1基于网络的逻辑结构根据网络的逻辑结构,可将WSNs路由协议分为平面路由和层次路由。该分类沿用了MANET中的路由协议分类,是早期的一种分类标准。2.1.1基于定向洪泛法的运动网络仿真平面路由中各节点都将收集到的数据传送到汇聚节点,所有节点具有相同的地位和功能,节点间相互协作共同完成感知和数据处理任务。典型的平面路由协议有Flooding,SPIN,DD,Rumor和SAR等。洪泛法(Flooding)是早期的路由协议之一,不需要任何路由维护的开销,且具有较好的容错性,但存在着信息内爆、重叠和盲目使用资源的缺点。针对其不足,研究人员提出了一些改进协议。文献提出了一个定向洪泛路由协议(DFlooding),该协议吸取了洪泛法容错性的优点,并仅将数据传送到指定区域。仿真结果表明,定向洪泛法在能耗和时延方面均优于传统的洪泛法。平面路由算法易于实现,但维护路由的开销大,数据传输跳数多,可扩展性差,只适用于小规模的网络。随着网络规模的扩大,单层网络中传感器节点的密度增大,导致汇聚节点负载过重;而且,由于传感器节点能量受限,不适宜长距离通信,只能通过多跳方式到达汇聚节点,单个汇聚节点的结构会成为WSNs可扩展性的瓶颈。为了解决上述问题,许多路由协议的设计中使用了分簇的思想,由此引入了层次路由。2.1.2分簇结构分类早期的层次路由中传感器节点按照不同的分簇方法分成相应的簇,每个簇中选举一个簇头节点,通过节点的多跳通信和数据融合来减少信息发送次数,以节约能耗,延长网络的生存周期。典型的层次路由协议有LEACH,PEGASIS和分层PEGASIS,TEEN和APTEEN,以及Younis等人提出的能量感知的分簇路由协议等。层次路由可扩展性好,适合大规模网络,但簇的重构及维护开销大,且簇头是路由的关键节点,其失效将导致路由失败。因此,近期的研究主要集中在对传统分簇协议的改进上,其中一类是对簇头选举方法的改进,另一类是对分簇结构的改进。对簇头选举方法的改进主要集中在利用某种算法(比如基于质心的分布式成簇算法CDCS和设定初始衰减时间的簇头选举算法等)使得分簇更加合理,全网节点能耗更加均匀。对分簇结构的改进主要集中在将WSNs分为若干个交叠簇,整个网络有簇间和簇内两级拓扑。节点在选择路由时先根据簇间拓扑选择簇间路由,当数据经过某个簇进行转发时,网关节点根据簇内拓扑产生簇内路由。在这些算法中,簇头只负责收集节点信息(包括采集的数据信息和剩余能量信息)并进行计算和数据融合,而交叠区域的节点被选为网关节点,用来在各簇间传输数据,最终将数据传送到基站。算法充分考虑了数据冗余性的消除及数据传输过程中节点能耗的均衡,可进一步延长网络生命周期。2.1.3路由协议对比分析上文根据网络的逻辑结构对WSNs路由协议进行了分类,通过以上分析,可从路由策略、路由协议的特点、性能几个方面对各类路由协议进行对比分析。详见表1。2.2wsns路由协议的类型WSNs的路由协议都是基于特定的应用而设计的,根据不同应用对WSNs各种特性的敏感度不同,将其路由协议分为能量感知路由、基于查询的路由、地理位置路由和可靠路由四种类型。2.2.1能量分析预处理该类路由从数据传输中的能量消耗出发,讨论最优能量消耗路径以及最长网络生存期等问题。包括最大PA(剩余能量)路由,最小能量消耗路由,最少跳数路由,最大最小PA节点路由以及由Shah等人提出的能量多路径路由。文献提出了一个利用能量为中心度量标准(ECscale)来监测WSNs不同区域的剩余能量分布,并进行路由优化和WSNs中近似的能量为中心路由的方案,以最大化网络的生存周期。仿真结果表明,与传统的路由协议相比,该协议具有良好的可扩展性,且节约能耗达数倍。2.2.2传感器节点间的融合在诸如环境监测、战场评估等应用中,需要不断查询传感器节点采集的数据。在这类应用中,通信流量主要是查询节点和传感器节点之间的命令和数据传输,同时传感器节点的采样信息在传输路径上通常要进行数据融合,通过减少通信流量来节省能量。典型的基于查询的路由协议有DD、Rumor、CADR和ACQUIRE等。该类路由协议是基于按需查询驱动的数据采集模型,不适用于需要连续采集数据的场合。此外,选择与查询相匹配的数据会使传感器节点消耗更多的能量。2.2.3区域的地理位置在一些WSNs的应用中,需要知道节点的地理位置信息。地理位置路由假设节点知道自己的地理位置,以及目的节点或者目的区域的地理位置,利用这些地理位置信息作为路由选择的依据,节点按照一定策略转发数据到目的节点。典型的地理位置路由协议有MECN,GAF和GEAR等。该类路由协议将查询信息或数据仅发布到指定区域,从而有效地减少了数据传输次数,节约了能耗,并可以降低专门维护路由协议的能耗。但一般都需要定位技术的支持,在节点数据较多的情况下,增加了大量额外的开销。2.2.4可靠路由协议WSNs的某些应用对通信服务质量有较高的要求,如可靠性和实时性等,特别是在传递视频和音频数据时。而在WSNs中,链路的稳定性难以保证,通信信道质量比较低,拓扑变化比较频繁,要实现服务质量保证,需要设计相应的可靠的路由协议。典型的可靠路由协议有基于不相交路径的多路径路由HREEMR,ReInForM路由,SPEED协议等。文献是对SPEED的扩展,提出了一个保证WSNs的QoS的新的数据包传送机制,被称为多路径多速度路由协议(MMSPEED)。该协议通过实时性域和可靠性域来保证QoS。仿真结果表明,MMSPEED提高WSNs的实时和可靠流量的有效容量达50%以上。2.2.5不同道路结论的比较分析上文根据应用场合对WSNs路由协议进行了分类,通过以上分析,可从路由协议的特点及性能等方面对路由协议进行对比分析,详见表2。2.3分类模型上的路由、地理位置和网络结构Akkaya等人依据传感器节点的特性和结构,将WSNs路由协议分为:数据为中心路由、层次路由、地理位置路由和基于网络流量和服务质量的路由。该分类方法可以看作上述两种分类方法的结合,综合考虑了网络结构和具体的应用场合以及节点的特性和结构。层次路由和地理位置路由与前面讨论的相同,在此仅讨论数据为中心路由和基于网络流量和服务质量的路由。2.3.1节点数据命名机制由于WSNs内的节点分布密度大,相邻节点采集的数据大多都基于同一现象,经常会出现冗余,由此导致了数据为中心路由的产生。该类路由协议采用基于属性的命名机制来描述数据,通过汇聚节点向特定的区域发送查询请求来获取数据信息,并在数据传输过程中进行数据融合以降低节点的能量消耗。但往往需要高效的标准数据命名机制的支持。典型的数据为中心路由协议有SPIN,DD,Rumor,以及后来提出的GBR、CADR和ACQUIRE等。文献提出了一个新的数据为中心的多路径路由方案,该方案在每个传感器节点中引入一个模糊逻辑控制器架构,该架构根据传感器节点电池的能量级别和传输数据的类型来度量节点传输命名数据的能力。这样就可以避免低能量的节点传输大量的数据,且多路径机制的引入可以保证网络迅速从路径失效中恢复以节约能量。2.3.2典型网络性能分析在一些路由协议中,路由建立过程可以通过网络流量问题来进行解决。而在另一些路由协议中,和前述的可靠路由相似,还需要考虑吞吐量和端到端时延等QoS性能参数。典型的基于网络流量的路由协议有Chang等人提出的最大生存期能量路由,Kalapakis等人提出的最大生存期数据采集协议以及最小代价路由等。这类路由均利用网络流量问题进行建模,采用某种代价函数和算法来确定到汇聚节点的最优路径,从而延长了网络的生存周期。典型的基于QoS的路由协议有SAR,Younis等人提出的能量感知的QoS路由以及SPEED等。该类路由协议满足了一定的QoS要求,且出现差错易于恢复,但一般均采用某种可靠性机制,因此引入了额外的开销。2.3.3wsns路由协议分类上文通过网络结构和具体的应用场合以及节点的特性和结构对WSNs路由协议进行了分类,通过以上分析,可以从路由结构、路由策略、路由协议的特点和性能等方面对路由协议进行对比分析,详见表3。2.4wsns路由协议根据路由表的建立时机,可将WSNs路由协议分为主动路由和按需路由。根据协议的功能和操作方式,还可以将WSNs路由协议分为支持多路径的路由协议和不支持多路径的路由协议;支持数据融合的路由和不支持数据融合的路由;支持安全性的路由协议和不支持安全性的路由协议等等。另外还存在一些路由协议的分类,综合了现存的路由协议分类方法,运用多种分类标准来进行分类,使每个路由协议所属类别更加清晰,易于研究。3wsns路由协议分类方法WSNs因其自身的特点使其路由协议的研究较之以往的网络更为复杂,好的分类方法有利于研究人员对路由协议进行研究和改进。分析总结了现存的WSNs路由协议的分类方法,并对各种分类进行了比较,指出了各类路由协议的优缺点和有待改进的方面。通过以上分析,可以看出WSNs路由协议未来的研究热点和发展趋势:1优化集群连接路径2能量高效的qos路径3高效利用能量此外,还要考虑路由协议的容错性、节点的移动性以及有线网络与无线网络的融合等。由于WSNs是大规模的网络,在路由协议中利用分簇技术可以提高其可扩展性,并使所有节点均衡全网的能耗。簇头如何选择才使其分布更加均匀,簇如何划分才更加节约能耗、消除簇头瓶颈、实现全网的通讯负载平衡,簇内和簇间