无线传感器网络路由协议研究

无线传感器网络路由协议研究

1wsn路由协议设计特点无线传感器网络（无线传感器网络）具有低通道宽度、有限节点能量、处理速度差、拓扑变化频繁等特点。在设计路径协议时，我们主要考虑以下性能指标：（1）能量高效。WSN路由协议应尽量延长网络的生存期,设计时不仅要选择一条低能耗的路径,而且要从整个网络的角度考虑,使网络的能量消耗均衡分布,避免热区。(2)分布式设计。传感器节点无法进行复杂的路由计算和存储大量的路由信息,只能根据局部拓扑信息来选择路径,要求路由协议采用分布式设计。(3)可扩展性。在WSN运行过程中,根据实际需要,检测区域范围可能扩大,节点密度可能增加,这些都会造成网络规模的变化。在WSN路由协议设计时,要充分考虑可扩展性要求,保证系统性能不会因网络规模的变化而明显下降。(4)鲁棒性。鲁棒性是指网络拓扑结构的变化不能影响WSN的应用功能。WSN中节点可能因为电池耗尽、物理损伤或环境干扰等因素而失效,这要求路由协议具有一定的容错能力,能够基于局部信息进行链路检测和自动重构,及时找到一条替换路径,保证网络的正常运行。(5)数据融合。在WSN中,节点采集的数据具有较大的冗余度,为了降低通信量,通常需要对数据进行合并和压缩,路由协议应尽量选择有利于数据融合的路径。2典型路由协议的路由机制针对不同的无线传感器网络应用,研究人员提出了许多各具特色的路由协议,我们选取其中几种典型的路由协议,对其路由机制和优缺点进行了分析。所选协议分为四类,即平面路由协议、分簇路由协议、服务质量(QoS)路由协议和多播路由协议。2.1关于平面路由的协议1ddos方法DD是以数据为中心的基于查询的路由协议,分为兴趣扩散、梯度建立以及数据传输三个阶段。在兴趣扩散阶段,Sink洪泛兴趣,兴趣包括:任务类型、上报间隔、持续时间、发送速率、目标区域等参数。沿途节点对兴趣进行缓存与合并,当兴趣传遍整个网络后,便在传感器节点和Sink之间建立起了一个梯度场,生成多条指向Sink的路径。兴趣指定区域内的节点按要求启动监测任务,并周期性地上报数据,途中各节点可对数据进行融合。DD协议通过正向加强机制来建立优化路径,Sink向最先发来数据的路径发送消息,设定更高的数据发送速率以加强该路径。优点:(1)采用多路径,健壮性好;(2)正向加强机制能快速优化传输路径;(3)数据融合能减少通信量;(4)使用查询驱动机制按需建立路由,避免保存全网信息。缺点:(1)梯度建立时兴趣的洪泛开销很大;(2)数据融合时需要采用时间同步技术,在WSN中实现困难。2基于gpsr的“政治网络”GPSR是基于位置的路由协议,网络中每个节点都知道自身位置,各节点采用贪婪算法将报文转发给离目的节点最近的邻居节点,但贪婪算法会产生“路由空洞”问题,即所有邻居节点中没有比自身更接近Sink的节点,如图1所示。节点x需要向Sink转发数据报文,而邻居节点A和C离Sink的距离都大于节点x离Sink的距离。当出现这种情况时,GPSR采用边缘恢复机制来解决“路由空洞”问题。先采用GG(GabrielGraph)算法,删除交叉边生成网络平面子图,再采用GPSR“右手规则”沿空洞周围传输。当数据包到达比路由空洞节点更接近目的地的节点时,再恢复贪婪转发模式。2.2分散道的协议1打造门限值和节点LEACH是第一个基于数据融合的分簇路由协议。网络的工作周期被分为若干轮,所有节点轮流担任簇首以达到能量均衡消耗的目的。在簇生成阶段,每个节点决定本轮自己是否成为簇首。为此每个节点产生一个之间的随机数,并根据当前轮数计算出一个门限值,如果随机数小于门限值,则该节点成为簇首。门限值的计算公式为:其中,r为当前轮数,S为最近1/P轮中未当选过簇首的节点的集合,P为簇首数占总节点数的百分比。节点当选为簇首后向全网广播它成为簇首的消息,普通节点则加入与之最近的簇。簇成员按TDMA时隙采集数据并发送给簇首,簇首融合后报告给Sink。优点:(1)采用周期性随机轮转方式选举簇首,避免簇首过分消耗能量,提高了网络的生存时间;(2)簇内数据融合减少了网络通信量,节省了能量。缺点:(1)簇首的位置是随机的,分布不均匀,容易造成局部网络负载过重;(2)选取簇首时没有考虑节点的剩余能量,有可能选择剩余能量很少的节点作为簇首;(3)簇首将数据直接传输到Sink,会消耗大量的能量。2无区分区分网络聚合式sik引领性能指标EEUC是基于非均匀分簇的WSN路由协议。在均匀分簇的情况下,靠近Sink的簇首由于需要转发远离Sink的簇首的数据,因而能耗较大,容易过早耗尽能量而死亡。为了均衡簇首的能量消耗,EEUC使用非均匀的竞争范围来构造大小不等的簇,簇半径的计算公式如下:其中,R0为候选簇首竞争半径的最大值,是预设常量;c在之间,为簇半径控制参数;dmax和dmin分别表示节点到Sink距离的最大值和最小值,d表示簇首i到Sink的距离。从以上公式可以看出,靠近Sink的簇首具有较小的竞争半径,簇内成员数相对较少,这样簇首可以节省出部分能量供簇间数据转发时使用。优点:(1)簇间采用多跳通信,节省了网络能量;(2)考虑了簇首能量消耗不均衡的问题,延长了网络的存活时间。缺点:(1)离Sink距离不同的簇具有不同的簇半径,在数据采集精度上存在差异;(2)簇生成过程较复杂。2.3qos路由协议1基于约束的速率控制MMSPEED是对SPEED协议的扩展,是一个支持多路径、多速率的实时路由协议,同时提供实时性和可靠性保证。当节点的网络层收到数据包后,网络层分配器首先根据数据包的时延限制和当前节点到目的节点的距离计算出数据包传输所需的速率;然后分配器将数据包发送到能够满足速率要求的速率层,并从邻居节点中选出传输速率高于限制值的节点作为下一跳。每个速率层都对应了一个MAC层的优先级队列,数据包将按照速率层的优先级和队列中的先后顺序依次发送。另外,该协议采用了动态补偿机制来弥补仅靠局部信息决策所带来的差错,并采用多路径来提高数据传输的可靠性。优点:(1)考虑了实时性和可靠性两方面的需求,通过控制转发路径的数量来保证可靠性。缺点:(1)算法相对复杂,多路径传输能量消耗较大;(2)网络层的每一种速率值都要映射到MAC层的优先级分类器中,要求MAC层具有优先级区分机制。2qr算法分布式路由EQR是基于簇的能量感知的QoS路由协议,它根据到邻节点的距离、邻节点的剩余能量和链路的误码率来计算链路的费用,采用k-Dijkstra算法寻找k条费用最小的路径,并从中选出一条满足端到端时延要求的最小费用路径。EQR引入分类排队模型,每个节点设置了两个队列:非实时队列和实时队列,同时支持非实时业务和实时业务。优点:(1)能满足实时业务的QoS要求;(2)考虑了节点的剩余能量及能耗速率,能延长网络的生命期;(3)在满足实时流QoS要求的同时,能最大化非实时流的吞吐量。缺点:(1)属于集中式路由策略,每个节点需要保留全网的拓扑和路径代价等状态信息,不适合于大型网络;(2)所有节点中实时流的带宽分配都相同,缺乏灵活性;(3)采用k-Dijkstra算法,计算开销大。2.4多段路由协议1节点共算树的选择GMR是一个地理位置多播路由协议,它完全基于本地信息来转发多播数据包。GMR根据费用和推进距离之比来选择合适的转发节点,其中,费用对应于转发多播数据包所需要的邻居节点数,该值越大,意味着转发的数据包越多,能耗越大;推进距离等于源节点与各目的节点的距离之和减去中继节点与各目的节点的距离之和,推进距离越大表示转发效率越高。中继节点的选择需要在费用和推进距离之间取得一个较好的平衡。优点:(1)不需要全局信息,能生成较优的多播树。缺点是:(1)计算复杂度较大,只适合目的节点数较少的情况;(2)节点需具有位置信息。2基于距离降低比的启发式方法GMP是基于虚拟Steiner树的多播路由协议。源节点采用一种高效的启发式策略rrSTR(EuclideanSteinertreebasedonreductionratio),依次选出距离降低率最大的两个节点经虚拟点加入树中,直至所有的目的节点都加入为止,从而构建一棵长度最短的虚拟steiner树。假设源节点为s,一对目的节点为(u,v),经过虚拟点t转发时距离降低率为:优点:(1)发送节点基于目的节点和邻居节点的位置来构建树,不需要全局信息;(2)虚拟点不需要对应实际的传感器节点;(3)基于距离降低比的启发式方法能构建出性能优良的steiner树。缺点:(1)算法的计算复杂度较大;(2)数据包需携带完整的目的地址列表;(3)节点需具有位置信息。3wsn应用路由协议WSN具有很强的应用相关性,上述路由协议都是针对特定的WSN应用来设计的,各有自己的特色和优缺点,表1从多方面对这些路由协议进行了比较。4wsn可信路由协议的安全性分析通过对当前各种路由协议的分析,结合WSN应用的新特点,可以看出WSN路由协议具有以下发展趋势:(1)服务质量要求。近年来,WSN中对延迟敏感的应用(例如,音频、视频和图像信息)越来越多,这些应用要求从WSN得到的信息是连续的、实时的,QoS成为系统设计者必须考虑的重要因素之一。(2)安全性。由于采用无线信道、有限电源和分布式控制技术,传感器节点很容易受到攻击,在缺乏安全防御的情况下,简单的网络攻击便可造成整个网络瘫痪。因此,需要在路由协议中引入安全机制,建立具有安全性保障的WSN可信路由协议。(3)节能性。WSN中节点能量极其受限,需要采用短距离通信、数据融合和周期性睡眠等方法尽量减少节点的能耗。(4)多播传输。无线传感器网络中存在大量点到多点的通信需求,在此情况下多播是一种有效的通信手段,能够最大