专题3无线传感器网络路由技术

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1、WMIIPL1 专题三：无线传感器网络路由技术 三、典型的路由协议 二、WSN节点能耗分析 一、WSN路由概述 四、无线传感器网络高可靠性路由 *电子科技大学自动化工程学 院 2 一、WSN路由概述 WSN路由是把信息从源穿过网络传递到目的行为 ，包括选定最优路径和传输数据包两个部分 源节 点 目的 节点 1、低能耗路由的重要性 v节点一般采用微型化设计并使用电池供电 ，很难提供充足的能量供给，如果大量节 点因为能量耗尽而失效，那么网络的可用 性将受到严重威胁 v在无线传感器网络各项技术中，最为核心 的技术挑战是如何降低能耗、延长网络使 用寿命 WMIIPL3 v低能耗成了几乎所有无线传感器网

2、络技术的标准 ，从最底层的天线设计、到MAC协议、到时间同 步和定位技术、到拓扑控制和路由技术，再到上 层的数据存储与查询等，都涉及到合理高效的利 用节点能量 v路由协议是无线传感器网络重要支撑技术之一， 它负责源节点和目的节点之间的数据传输，是无 线传感器网络数据交互的纽带，在传感器网络设 计中占有重要地位。为了最大限度的节省能量， 高能效的路由设计是减少能耗的根本保障，也是 延长网络生命周期的重要手段。 WMIIPL4 1、低能耗路由的重要性 *电子科技大学自动化工程学院 5 2、无线自组织路由协议需解决的问题 v无线信道的不断变化、节点的移动、加入、退出 等会引起网络拓扑结构的动态变化，

3、这种环境不 同于传统固定网络的路由协议，主要需解决以下 问题： （1）高鲁棒性路由适应环境因素的动态变化， 故障自恢复能力 （2）高可靠性路由 （3）节点能量最优化问题（节能） （1）路由鲁棒性 v将路由协议在其自身或外界因素摄动的情 况下维持原有性能的能力称为鲁棒性 v为数据传输而设计的路由协议很多是在数 据通信可靠的假设下设计的，而实际环境 往往不能保证可靠通信 v无线传感器网络的特殊运行环境、特殊能 量供给方式和组网模式使得网络很容易出 现故障，一些可控(通信功率大小、天线方 向等)及不可控(障碍、孤儿节点、移动等) 因素的摄动都将可能导致数据传输性能的 下降甚至系统崩溃。 WMIIPL

4、6 （1）路由鲁棒性 v频繁变化的网络拓扑结构使网络中的传感 器、感知对象和观察者这三要素都可能具 有很大的不确定性，并且经常有新节点的 加入或已有节点失效，这就要求无线传感 器网络有能力处理这些不定因素带来的网 络变化，并能迅速适应新的网络环境，防 止网络性能下降给系统带来不利影响 WMIIPL7 （1）路由鲁棒性 v无线传感器网络必须能够承受间歇性的资 源及通信失效，个别节点的失效不影响全 局工作，即要求系统能够在不降低性能或 者即使在较低性能下仍继续工作 v这就要求路由协议具有较高的鲁棒性，能 够消除典型错误，保证网络信息的传输， 达到网络高可用性和高可靠性的要求 WMIIPL8 （2）

5、高可靠性路由 v在现有高可靠性路由设计中，普遍采用的是多路 径(multi-path)路由方式，数据的多个拷贝沿着多 条可能的路径同时传输 v多路径的多跳通信方式虽然在一定程度上提高了 数据传输可靠性，但整个系统能量消耗比较大， 能效较低，使得网络的生命周期减小。 v因此，数据通信的可靠性和能量的高效性两者往 往是相互制约，在无线传感器网络路由设计中应 努力寻求两者的最佳结合点，使网络以最低的能 耗成本达到最满意的系统性能。 WMIIPL9 高能效、高可靠性路由协议 在无线传感器网络的发展中 占有重要地位，也是近年来 的一个研究热点 v有限的节点能量决定了无线传感器网络进 行数据传输、接收和处

6、理的能力是有限的 ，这个能力用网络生命周期进行衡量。 v为了最大限度的延长网络生命周期，在无 线传感器网络设计的各个层面上都必须贯 穿高能效的设计理念 v不仅在节点的能耗设计上采用了低能耗策 略，更在路由协议的设计上采取了一系列 高能效的措施 WMIIPL10 （3）节点能量最优化问题 3 路由算法设计指标 v路由算法 设计指标 WMIIPL11 最优化：选择最佳路径的能力 简洁性：算法开销小，能量高效 鲁棒性：自恢复能力 快速收敛：算法速度 灵活性：适应各种环境的能力 二、WSN节点能耗分析 v节点主要由传感器模块、处理器模块和无 线通信模块构成，随着微机电系统 (MicroElectro-

7、Mechanical Systems， MEMS)、集成制造技术的飞速发展，传感 器和处理器模块的功耗变得很低，而主要 的能耗点在无线通信模块 WMIIPL12 v无线通信模块划分了四个工作状态：发送 、接收、空闲和休眠 v发送状态时能耗最大，而接收和空闲状态 下能耗相当。 WMIIPL13 降低能耗的措施 v除了设计低功耗的无线通信模块和天线外 ，减少无线通信模块的能量损耗主要措施 还有： 采用多跳通信方式 减少通信流量 增加休眠时间 功率控制 WMIIPL14 采用多跳通信方式 v通信模块的能耗很大程度取决于无线发射 功率，在自由空间模型下，能耗 与通信距 离 的关系为 ，E=dn。可见，

8、随着通信距 离的增加，能耗将成指数级急剧增加。 v因此，应该尽量减少单跳通信距离，增加 传感器节点的部署密度，减小无线电覆盖 范围，降低无线发射功率，最终达到节省 能耗延长网络寿命的目的。 v多跳通信方式是无线传感器网络，特别是 在大规模无线传感器网络普遍采用的方式 。 WMIIPL15 减少通信流量 v除了无线发射功率外，数据传输、接收的 时间跨度也是无线通信模块能耗的重要方 面，因此，应尽量减少数据包不必要的转 发和接收，不需要通讯时使节点尽快进入 睡眠状态，特别是在路由算法中应尽量减 少路由建立过程中的控制包数量。 v此外，减少冲突、增加错误校验和校正机 制、减少控制包的开销、数据融合(

9、Data aggregation)等，也能有效地减少传输的 报文数量和长度 WMIIPL16 增加休眠时间 v通信模块处于休眠状态时能耗最低，对于 Mica2 Mote，发送、接收、空闲和休眠状 态下的能耗分别为81mw ，30mw ，30mw ， 0.003mw v而即使处于没有数据传输的空闲状态下， 节点也在不断的监听信道，在无线传感器 网络中空闲状态的能耗也是惊人的。因此 ，当不需要通信时，应尽量使节点处于休 眠状态，以节省无线通信模块的能耗 WMIIPL17 功率控制 v功率控制主要是通过调整发送节点的信号 发射功率，在保证一定通信质量的前提下 尽量降低信号发射功率。 v在物理层采用发

10、射功率等级可变的无线网 卡，根据收发信机之间的距离，结合节点 运动预测，采用自适应天线改变发射功率 的大小，以及根据信道特性合理分配功率 等来提高能量的利用率 WMIIPL18 三、典型的路由协议 v 1、平面路由 从网络拓扑结构的角度看，路由可分为平面路 由协议和层次路由协议两类。在平面路由协议 中，各个网络节点地位平等，不存在等级和层 次差异，路由简单，易扩展，无需进行任何架 构维护，不易产生瓶颈效应，具有较好的健壮 性 WMIIPL19 典型的平面路由算法如SPIN ，DD，SAR， Romor Routing 等 平面路由的最大缺点在于：网络中无管理节点 ，缺乏对通信资源的优化管理，自

11、组织协同工 作算法复杂，网络规模受限，路由跳数往往较 多，因而对网络动态变化的反应速度较慢等 WMIIPL20 v2、层次路由协议 层次路由协议的典型方式是分簇 通过分簇路由协议将网络划分为多个簇 (Cluster)。 所谓簇，就是具有某种关联的网络节点集合， 簇将网络节点划分为不同功能的个体，它们依 据特定的方式在簇中扮演不同的角色 WMIIPL21 v簇一般包括一个簇头(Cluster Head，CH)和多个 簇成员(Cluster Member，CM) WMIIPL22 v簇成员采集的数据不是直接发送给基站 (BS)，而是将其传送给自己的簇头，簇头 把成员节点的传感数据进行聚集和融合，

12、再传送给基站。同时，簇头还可以负责簇 间数据的转发和基站控制消息的分发，负 荷较重，能耗较大 v簇成员和簇头之间通信可以采取直接通信 的方式，也可以通过多跳路由方式 WMIIPL23 v将簇进行更细粒度的划分就形成多层嵌套 的簇结构，即簇头节点还可以再选举产生 更高一级簇头 v多层簇结构适用于规模更大的网络，但通 常两层结构己可以满足大多数应用需求 WMIIPL24 *电子科技大学自动化工程学 院 25 基于簇的路由主要研究内容 簇 簇如何形成 1 簇规模优化 24 平均能耗 58 TDMA 9 路由优化 10 负载均衡 细分为： 簇间重叠问题 簇头不在簇中央 簇头在网络内分布不均匀 通信障碍

13、问题 11 数据传输过程中的能量浪费 簇内节点定位问题 3、典型的簇路由 v簇路由的发展自2000年麻省理工学院电子 工程和计算机科学系的Heinzelman等提出 LEACH算法开始 v但是，由于其簇头所占百分比的确定与网 络规模和节点的密度相关，比较难以量化 ，同时，各节点随机决定是否成为簇头， 导致簇头位置和簇成员个数很不均匀，而 且采用了簇头直接与基站通信的路由模式 ，能耗较大，这些缺点使得LEACH算法的 应用非常受限。 WMIIPL26 v针对LEACH的不足，Heinzelman等人又与 2002年提出了改进的LEACH算法LEACH-C 引入剩余能量来竞选簇头，因而，网络中的节

14、 点都需要告知BS自身位置及剩余能量信息，由 BS进行优化运算，然后将结果广播给网络中的 各个节点。 但是，作为一种集中式的路由算法，网络需要 交互的控制信息增多，浪费能耗加大，时间延 迟增加，节省的有用能耗往往不能抵消浪费能 耗，算法还需进一步改善。 WMIIPL27 v分簇路由的改进 簇头的选择、簇的划分及簇的数据传输是基于 簇结构的路由要解决的三大核心问题，在簇路 由的不断发展过程中，针对这三个方面的优化 问题涌现出了很多改进算法。 v1) 对簇头选举方法的改进 为了延长网络周期，簇头需要更新，目前的簇 头选择算法一般需考虑以下因素：节点的剩 余能量；簇内通信代价，包括簇头到簇成员 间的

15、距离、跳数等信息；邻居节点数；簇 头的位置分布，包括连通度和覆盖度等 WMIIPL28 v一种分布式的节能簇算法HEED HEED算法综合节点的剩余能量和其他参数(如 候选节点与邻居节点的邻近性)来周期性地选择 簇头。HEED算法比传统的簇算法具有更小的 消息开销，并且HEED可以保证簇头节点在整 个网络中分布良好 vEADEEG算法 在簇头的竞选中也考虑了节点剩余能量及节点 周围邻居的平均剩余能量两种信息，很好地解 决了能量异构问题。然而，在簇形成阶段节点 仍然需要交互多个控制信息包，即消耗了大量 无用能耗，因而增大了系统的能量开销WMIIPL29 v文献“Energy Adaptive C

16、luster Head Selection for Wireless Sensor Networks.”引入上一轮节点剩余能量和簇 平均能量以及消耗的能量三个参数重新改 进了LEACH中阈值 ，降低了低能量节点当 选簇头的概率，进一步提高了簇头选择的 合理性 v依据节点能量信息进行簇头选举的算法比 较典型的还有DEEC、REECP等 WMIIPL30 v除了剩余能量外，节点间的距离信息也是 竞选簇头的一个重要参考指标，距离信息 一般包括节点到基站距离以及节点到簇内 其余节点的距离平方和等参数。 v距离信息的引入可以使所形成的簇在簇内 的通信代价进一步缩小，这类算法如 HYENAS、EAREC等 WMIIPL31 v一些算法在竞选簇头过程中参考了节点的 邻居数等信息，比如WCA、MECH等，其 中WCA在簇头选举过程中，除了节点邻居 信息外，还依据了节点的通信能力、电池 寿命以及节点的移动情况等。 WMIIPL32 v为了提高簇结构的网络应付突发情况的能 力，同时分摊簇头的部分任