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1、WSN路由协议介绍 1 1协议分类 1 划分路由协议种类有不同的标准 按是否需要外界辅助的地理信息准则 可划分为基于地理位置信息的协议和非基于地理位置信息的协议 按照网络中数据发送模式 路由机制可以相应地采用适合周期性地发送数据连续模式 事件驱动模式 请求驱动模式 事件驱动和请求驱动混合模式的协议 按照网络路由是否动态生成 可划分为表驱动路由协议和按需路由协议等 下面介绍各个协议的工作方式 SPIN采用广告 请求 数据三种消息类型 节点A在发送DATA数据包之前 会对外采用泛洪方式广播ADV包 若某个节点B希望接受要传来的数据 向A回复REQ数据包 A将向B发送数据包 GPSR对节点位置进行了
2、统一编址 选择邻居节点中离数据包目的节点更近的点作为转发节点 当数据到达没有比当前节点更接近目的节点的区域 空洞 数据无法传输 可利用平面图解决空洞问题 DIRECTEDDIFFUSION路由过程分为请求 梯度建立和路径加强三阶段 请求含有目标区域 数据发送速率等参数 节点接收到请求后 若当前请求缓存中没有相同的请求记录 加入新记录 记录中包含了相邻节点数据发送率 称 梯度 当请求扩散整个网络后 选择 梯度 最大的路径将反向把数据快速路由 模拟过程如图1所示GEAR发出请求后 数据扩散过程包括目标域传送和域内传送 若在目标区域传输遇到空洞现象 则根据开销函数选择开销最小的邻居作为下一跳节点 在
3、域内传送阶段 主要是通过两种方式 泛洪 区域递归 使数据在域内扩散 LEACH随机选择簇头 普通节点按接收到信号强弱加入簇层 簇层内节点单跳与簇头通讯 簇头与汇聚节点通讯 TEEN划分出多级簇层结构 子簇头单跳和父簇头通讯 PEGASIS在网络中节点中采用算法构造一个数据链 各个节点向靠近唯一网络簇头的邻居发送 接收其他节点传来的数据 2 3 4 1 2路由协议决策要考虑的准则 设计协议要考虑多种因素 包括数据通讯量 带宽 网络负载情况 网络拓扑结构动态变化 网络节点增加 数据融合 可靠性等 图2中 数据从A传送到节点C 若要求传送及时 路由可采用A B C路径 减少了传送中继节点 若要求以负
4、载平衡达到节能目的 路由应该根据实际负载情况采用负载相对较小的路径 若要求对不同节点的数据进行融合 可以选择A E F G H C融合更多节点的数据 若要求可靠性 路由可以同时选择这两条路径 若被监测区域内的节点位置发生无规律变化 路由应该具备适应网络拓扑结构不断发生变化的能力 若要采集详尽数据而添加节点 协议还应具备支持更多节点协同工作的能力 5 6 7 1 3路由协议的性能参数 1 数据通讯量把一块数据路由到观察者 不同算法会使得该数据的通讯量大小不一致 协议会在不同的程度上产生该数据块副本 通讯量越大 网络能耗越大 2 延迟延迟指观察者对网络发出请求到接收到数据所历经的时间 3 可扩展性
5、在某些特殊的实际应用中 被监测区域需要大量节点 这样就要求路由协议能够协同大量节点同时工作 8 2路由协议的路由通讯量分析 LEACH通过划分簇层和数据融合技术减少数据通讯量 TEEN采用相似的层次通讯方式 并使用软门阀值和硬门阀值控制数据传输的次数 PEGASIS通过有效的链式数据聚合和数据融合技术 减少了的数据收发次数和数据通讯量 图3是两者之间以及和FLOODING洪泛协议通讯量比较 SPIN采用基于数据描述的协商机制进行数据的转发 从而避免了产生要转发数据的大量副本 DIRECTEDDIFFUSION采用请求驱动的数据传送模式和局部的数据聚集 融合 减少网络数据通讯量 图4是这两种协议
6、间以及和FLOODING之间通讯量大小示意表示 GPSR将数据发送给符合要求的下一跳邻居 针对某个特定节点A 在网络拓扑结构不发生变化的情况下 发送数据的路由比较固定 GEAR考虑到汇聚节点的地理位置信息 并将其添加到数据包的地理信息字段 数据传输到特定方向 9 3路由协议的路由延迟分析 DIRECTEDDIFFUSION在数据传输阶段采用一条 梯度 最大路径 数据传输时间短 LEACH采用划分簇层方式减少路由中间的传感器数量 也具备短延迟特性 TEEN协议延迟也比较小 和LEACH同属于层次式路由协议 GPSR只依赖直接邻的节点进行路由 因为使用接近最短欧式距离的路由 因此数据传输延迟短 G
7、EAR采用了域内和位置区域地理位置划分 这样减少了路由上的跳数 数据能及时到达汇聚节点 PEGASIS数据延迟和簇头位置有很大的关系 普通节点距簇头的地理位置比较远 会明显增加数据传输的延迟 SPIN采用三种消息模型来发布信息扩散整个网络 解决了FLOODING中的 信息内爆 和 信息重叠 问题 但此消息发布模型导致延迟增加 图5给出了层次性协议在相应延迟示意比较 表2作了路由延迟分析的总结 10 11 4路由协议的可扩展性分析 某些协议 因节点大量增加导致网络数据通讯量过大 路由数据的延迟过长等等而不适用于网络 TEEN不断加入节点形成新簇层 子簇头数据会向父簇头传送 不必像LEACH协议一
8、样要求普通节点必须具备和汇聚节点直接通讯的能力 DIRECTEDDIFFUSION也具备良好可扩展 梯度场 的建立确保了数据传输的及时性 备用路径保证了路由的畅通性 可靠性 GPSR有可达路由只要求保持网络连通性 GEAR具备好的可扩展性 但需要GPS定位信息的支持 即使增加节点 在地理位置和 两个阶段 的支持下 不会影响协议 PEGASIS可扩展性差 当大量节点涌入到网络中 要构造的数据链长度会急剧增加 将数据传送到簇头 不仅耗费大量能量还增加延时时间 SPIN可扩展性差 当产生或收到数据的节点的所有相邻节点都不需要该数据时 将导致数据不能继续转发 可能导致相当部分网络不能接收到该数据 此外 汇聚节点对任何类型的数据都需要时 周围的节点会能量耗尽 表3给出了协议总结 12 13
