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1、WSN中的路由协议张道远firstcoming 1 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 WSN的OS tinyos和nesc8 举例 Tinyos中的multi hoproutingLEPS协议实现9 程序分析 LEPS FMAC PPT构成 2 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
2、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 3 Thesensornetworksprotocolstack physicallayer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applica
3、tionpowermanagementplane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 4 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
4、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 5 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 无线传感器网络的一个基本理念是以大量低成本节点组网 通过节点之间的协作获得比单一的高精度 高
5、可靠性和高成本的传感器更好的信息采集效果 单个传感器低能量和不可靠是无线传感器网络固有的 将对协议设计产生较大影响 6 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中信息报告模式分三类 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WSN 不同的信息报告模式影响路由的触发机制a 事件触发模式
6、 从节能的角度 按需建立路由更恰当b 周期报告模式 采用先应式的方法建立路由更加合适c 基于查询模式 查询信息的本身就可以辅助建立路由 7 2 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 以洪泛方式可以支持这种业务 但是开销太大 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
7、协议Voronoidiagramandconvexhullbasedgeocastingandrouting 基于Voronoi图和基于凸包的地域多播协议GEAR geographicalandenergyawarerouting 8 3 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开销过大特定情况 节点ID和位置具有一定绑定关系 可用ID代替位置
8、 如工业检测WSN从实现多跳通信的角度 需要在局部标识不同的节点 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 9 4 动态变化的网络拓扑 大部分的WSN中节点并不移动 造成网络拓扑变化的主要原因是节点的失效和存在不可靠性 非对称链路 为了节能和延长网络寿命 需要对网络进行休眠调度 会在一定程度上增加网络拓扑的动态性 在有些WSN中为了弥补节点失效造成的性能损失 进行再布设 re deployment 也会使网络拓扑发生变化 有些WSN中的节点是可移动的 如医疗监测WSN
9、 候鸟迁徙WSN 网络拓扑变化比较快 10 5 能量受限 结构简单的节点Node大都由电池供电 电池体积小 能量有限且难以更换许多场合需要WSN连续工作数年甚至更长 Node结构简单 存储 处理 通信能力低 单个节点可靠性差 要求协议尽可能简单 具有容错性 6 密集布设的大规模网络WSN通常密集布设大量节点 节点数量达到成千甚至上万 同时节点的密度也很高 有的情况下可以达到20个 m 这些使得协议的可扩展性变得十分重要 11 1 能量有效性提高能量有效性是WSN从硬件设计到软件开发都必须考虑的问题 从路由协议设计的角度有两种思路提高能量有效性 a 节能 寻找节能路由 减少路由建立和维护的控制开
10、销 提高路由可靠性b 能耗均衡 从空间上调度能量资源 使网络中节点能量均衡消耗 路由协议的关键问题分析 2 可扩展性可扩展性是指网络的性能不随着网络中节点的数量增加而有明显的下降两类重要策略 a 分层路由 网络分成若干层 低一层的群首构成高一层的网络 节点地位不同 首为局部控制中心 负责群内路由 信道接入 休眠调度等 大多数节点作为群成员其操作相对简单 控制开销较低b 地理路由 地理位置信息实际上体现节点间相对拓扑关系 利用这一信息路由能很大程度上降低用于收集拓扑信息付出的开销 提高协议的可扩展性地理路由使用的前提是节点能获得自己和目的节点的地理位置信息对于节点有移动性 任意两个节点之间都可能
11、进行通信的网络 为获得目的节点位置信息需不断更新位置信息 开销较大 地理路由的优势就不明显 12 3 数据传输可靠性数据传输的可靠性直接关系到WSN是否能给用户提供准确 全面和可靠的信息 而WSN中节点无线通信能力弱 应用环境复杂 实际的链路质量比较低 如何保证数据传输的可靠性是WSN路由设计中的一个关键问题影响WSN数据传输可靠性原因 a 无线信道上的碰撞导致分组无法正确接收b 节点故障使路由不可用 导致分组丢失c 链路不可靠 导致分组传输出错或丢失 路由协议的解决策略 a 建立多路径路由 建立信源节点到目标节点的多条路径 选择最优路径作为主路径 其他路径为备份 使用多条路径发送原始分组的多
12、个副本 即使其中一些传输丢失也不会影响端到端的可靠性b 选择可靠链路 13 几十种WSN路由协议 未统一分类标准一种分类方法 5类 路由协议的分类 1 基于聚簇的路由协议LEACH PEGASIS TEEN等 2 基于地理位置的路由协议基于地理位置的距离贪心路由协议 基于地理位置的角度贪心路由协议 GEM MAP LCR等 3 以数据为中心的路由协议DD Rumor routing TTDD 支持查询的近似路由算法等 4 能量感知路由协议Energyawarerouting GEAR 等 5 容错路由协议建立多条路径 重复传输数据包 基于编码的机会路由协议 MORE 等 14 泛洪路由 Flo
13、oding 扩散法 Flooding 是一种传统的网络路由协议 不需要知道网络拓扑结构和使用任何路由算法 典型的路由协议分析 协议内容 一节点S希望发送一块数据给节点D 节点S首先通过网络将数据副本传送给它的每一个邻居节点 每一个邻居节点又将其传输给各自的每一个邻居节点 除了刚刚给它们发送数据副本的节点S外 如此继续下去 直到将数据传输到目标节点D为止或者为该数据所设定的生命期限 在传感器网络里面通常定义为最大跳数 变为零为止或者所有节点拥有此数据副本为止 15 洪泛路由 Flooding 的优点 实现简单 不需要为保持网络拓扑信息和实现复杂的路由发现算法而消耗计算资源 适用于健壮性要求高的场
14、合 洪泛路由 Flooding 的不足 存在信息爆炸 Implosion 问题 即出现一个节点可能得到一个数据多个副本的现象 出现部分重叠 Overlap 现象 如果处于同一观测环境的两个相邻同类传感器节点同时对一个事件作出反应 二者采集的数据性质相同 数值相近 那么 这两个节点的邻居节点将收到双份数据副本 盲目使用资源 即扩散法不考虑各节点能量可用状况因而无法作出相应的自适应路由选择 洪泛路由 Flooding 的应用情况 网络资源过于浪费 实际很少直接采用 具有极好的健壮性 可用于军事应用 作为衡量标准评价其它路由算法 16 Gossiping路由协议 Gossiping协议是对Flood
15、ing协议的改进 节点将产生或收到的数据随机转发给一个或者若干个相邻节点 避免了内爆 但增加了时延 且无法避免重叠问题 SPIN协议 sensorprotocolforinformationvianegotiation SPIN是最早的以数据为中心的自适应路由协议 通过协商机制来解决洪泛算法中的 内爆 和 重叠 问题 节省了能量的消耗 a 为了避免出现扩散法的信息爆炸问题和部分重叠现象 传感器节点在传送数据之前彼此进行协商 协商制度可确保传输有用数据b 节点间通过发送元数据 即描述传感器节点采集的数据属性的数据 meta data 而不是采集的整个数据进行协商 由于元数据大小小于采集的数据 所
16、以 传输元数据消耗的能量相对较少 为避免盲目使用资源 所有传感器节点必须监控各自的能量变化情况 17 c 在传输或接收数据之前 每个节点都必须检查各自可用的能量状况 如果处于低能量水平 必须中断一些操作 比如充当路由器的角色 停止对其他节点的一些数据转发操作 SPIN协议簇有4种不同的形式 SPIN PP A3 StageHandshakeProtocolforPoint to PointMedia 适合点对点信道SPIN EC SPIN PPwithaLow EnergyThreshold 在SPIN PP基础上增加了能量限制SPIN BC A3 StageHandshakeProtocolforBroadcastMedia 适合于广播信道SPIN RL SPIN BCforLossyNetwork 考虑信道上存在分组丢失 d SPIN有3种数据包类型 即ADV REQ和DATA 节点用ADV宣布有数据发送 用REQ请求希望接收数据 用DATA封装数据ADV 用于新数据广播 当一个节点有数据可共享时 它可用ADV数据包 包含元数据 对外广播REQ 用于请求发送数据 当一个节点希望接收
