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無線傳感器網絡路由協(xié)議的節(jié)能
無線傳感器網絡路由協(xié)議的節(jié)能【1】
[摘要]介紹無線傳感器網絡特點及應用,將傳感器網絡路由協(xié)議分為平面路由協(xié)議和層次型路由協(xié)議,并對其中典型的路由協(xié)議進行節(jié)能方面的分析,指出路由協(xié)議未來的研究重點。
[關鍵詞]無線傳感器網絡路由協(xié)議
無線傳感器網絡是一種以采集數(shù)據(jù)為目的、高密度、自組織、低數(shù)據(jù)率的新型的無線通信網絡,無線傳感器網絡融合了傳感器技術、嵌入式計算技術、分布式信息處理技術和通信技術,能夠進行相對簡單的數(shù)據(jù)探測、簡易數(shù)據(jù)處理和有限范圍的無線通信,具有成本低廉、功耗低、尺寸小等特點。
適合在無人看管或人類難以到達、難以對網絡進行維護的環(huán)境中使用,在醫(yī)療、軍事、環(huán)境監(jiān)測以及商業(yè)應用等領域有著廣泛的應用前景。
在傳感器網絡中,節(jié)點通過飛機布撤,人工布置等方式,大量部署在感知對象內部或者附近。
這些節(jié)點通過自組織方式構成無線網絡,以協(xié)作的方式感知、采集和處理網絡覆蓋區(qū)中特定的信息,可以實現(xiàn)對任意地點信息在任意時間的采集,處理和分析。
這種以自組織形式構成的網絡,通過多跳中繼方式將數(shù)據(jù)傳回Sink節(jié)點(基站),最后借助Sink鏈路將整個區(qū)域內的數(shù)據(jù)傳送到遠程控制中心進行集中處理。
用戶可以通過sink節(jié)點對傳感器網絡進行配置和管理,發(fā)布監(jiān)測任務以及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。
無線傳感器網絡路由協(xié)議:無線傳感器網絡的特點決定了其動態(tài)的拓撲結構、較大的業(yè)務流量與有限的無線資源的矛盾,以及低功耗的設計要求。
無線傳感器網絡路由協(xié)議從網絡拓撲結構的角度可分為平面路由協(xié)議和層次型路由協(xié)議。
一、平面路由協(xié)議
平面路由協(xié)議中,節(jié)點間地位平等,優(yōu)點是簡單、易擴展,但缺乏對通信資源的優(yōu)化管理,對網絡動態(tài)變化的反應速度較慢。
典型的協(xié)議有:
SPIN協(xié)議,是一組基于協(xié)商的并且具有能量自適應功能的路由協(xié)議。
SPIN-1和SPIN-2是其中最主要的兩個協(xié)議。
SPIN協(xié)議是一種不需要了解網絡拓撲結構,因此適合在節(jié)點可以移動的無線傳感器網絡中使用。
SPIN協(xié)議引入元數(shù)據(jù)概念,減少了數(shù)據(jù)的傳輸量;通過使用協(xié)商機制和能量自適應機制,節(jié)省了能量,解決了信息“內爆”和數(shù)據(jù)“重疊”問題。
Directed Diffusion協(xié)議這是一個基于查詢的路由協(xié)議,該協(xié)議整個過程分為興趣擴散、梯度建立以及路徑加強三個階段。
梯度場的建立根據(jù)成本最小化和能量自適應原則。
該協(xié)議采用了數(shù)據(jù)融合方法有效地減少了網絡中的數(shù)據(jù)量,節(jié)省節(jié)點能量、提高帶寬利用率。
該協(xié)議主要用于具有大量查詢而只有少量事件的應用場景,不適合用于網路拓撲結構頻繁變動的、大規(guī)模的網絡。
Rumor Routing算法是對Directed Diffusion的改進,網絡每個節(jié)點都維持一個事件列表,其表項包含事件的基本描述、播報該事件的源節(jié)點、最先傳遞該事件的上一跳節(jié)點;引人了一個具有長生命周期的報文Agent,用于源節(jié)點廣播感知事件的描述信息并在網絡中傳播,該算法通過節(jié)點的事件列表信息維護一條與源節(jié)點的路徑,避免了SPIN協(xié)議中的大量泛洪過程,顯著節(jié)省能量。
二、層次路由協(xié)議
LEACH,是為無線傳感器網絡設計的低功耗自適應路由算法。
與平面多跳路由協(xié)議相比,該協(xié)議采用隨機選舉簇頭的方式平均分擔中繼通信業(yè)務,避免簇頭過分消耗能量,延長網絡生命周期,但協(xié)議無法保證簇頭節(jié)點能遍及整個網絡。
TEEN協(xié)議。
通過設置硬閾值和軟閾值兩個參數(shù)大大減少了數(shù)據(jù)傳送的次數(shù),提高了網絡能量利用率和網絡生存時間;可以對突發(fā)事件做出快速反應,適用于實時應用系統(tǒng),但是不能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的周期性采集。
TTDD協(xié)議主要是解決傳感器節(jié)點不動的網絡中存在多sink點以及sink點移動情況。
當多個節(jié)點探測到事件發(fā)生時,選擇一個節(jié)點作為發(fā)送數(shù)據(jù)的源節(jié)點,源節(jié)點以自身為中心,整個網絡變成源節(jié)點捕捉Sink節(jié)點的一個格狀網。
當Sink節(jié)點被發(fā)現(xiàn),數(shù)據(jù)通過這個格狀網傳輸?shù)絊ink節(jié)點。
TTDD中提出的透明傳輸?shù)母拍?可以簡化網絡的管理和維護。
與Directed Diffusion協(xié)議相比,該協(xié)議采用單路徑方式提高網絡生存時間,但計算與維護格狀網的開銷較大;節(jié)點必須知道自身位置;非sink點位里不能移動,要求節(jié)點密度較大。
無線傳感器網絡被認為是影響人類未來生活的重要技術之一,這一新興技術為人們提供了一種全新的獲取信息、處理信息的途徑。
無線傳感器網絡節(jié)點的處理、存儲和通信能力有限,應根據(jù)無線傳感器網絡自身特點和實際應用需求,以能量為中心問題,設計出緊湊、節(jié)能而簡單的協(xié)議。
參考文獻:
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無線傳感器網絡路由協(xié)議研究【2】
摘 要：本文通過介紹無線傳感器網絡路由協(xié)議的相關知識，包括介紹其主要特征、設計要求，以及無線傳感器網絡路由協(xié)議的分類等方面，著重介紹無線傳感器網絡路由協(xié)議的平面路由協(xié)議和層次路由協(xié)議，給予廣大技術人員在無線傳感器網絡路由協(xié)議上的一些幫助和參考。
關鍵詞：傳感器;無線傳感器;網絡路由協(xié)議;平面路由協(xié)議;層次路由協(xié)議
一、引言
近年來，隨著現(xiàn)代化科技的蓬勃發(fā)展，無線傳感器技術也越來越受到人們的關注和重視。
無線傳感器網絡，主要由傳感節(jié)點、終端節(jié)點和觀察對象等三個部分組成。
就目前來看，無線傳感器網絡在醫(yī)療監(jiān)護、社區(qū)監(jiān)控、礦井生產及軍事偵探等多個領域的應用正日趨廣泛。
無線傳感器網絡路由協(xié)議，作為無線傳感器網絡中的關鍵技術，通過對其基本特征和設計要求，以及平面路由協(xié)議和層次路由協(xié)議等兩大分類的認識和了解，對于無線傳感器技術的發(fā)展和變革有著不容忽視的促進作用。
二、無線傳感器網絡路由協(xié)議
1.無線傳感器網絡路由協(xié)議的特點
無線傳感器網絡路由協(xié)議，主要是用來處理網絡中的傳輸數(shù)據(jù)，在無線傳感器網絡中充當著極為重要的角色。
通過對無線傳感器網絡路由協(xié)議的分析，認為其具有以下幾點鮮明特點和局限性。
(1)終端節(jié)點的特點。
傳感器的節(jié)點數(shù)量相對較大，促使其能夠作用于計算子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)、傳感子系統(tǒng)和能量供應子系統(tǒng)等多個方面，不過同時也加大了建立全局地址的難度，而且各節(jié)點的傳輸能力、處理能力和存儲能力也極為有限。
(2)傳感器定位特點。
在無線傳感器中，由于終端節(jié)點的數(shù)量龐大，且通常是數(shù)據(jù)聚集的主要地方，因此，在進行傳感器定位上，主要工作是由終端節(jié)點來完成的。
(3)傳感器網絡特點。
根據(jù)不同的應用場景，傳感器網絡的作用類型也不同。
呈現(xiàn)功能多樣化的特點。
2.無線傳感器網絡路由協(xié)議的設計
(1)注重路由算法節(jié)能。
在無線傳感器網絡路由協(xié)議的設計上，降低路由算法的耗能，在網絡周期運行、通信功能等方面起著決定性的作用。
通過降低算法能量消耗，能夠有效延長網絡的生命周期。
(2)注重路由算法擴展。
隨著無線傳感器的應用日趨廣泛，終端節(jié)點的數(shù)量也在不斷增加，給網絡造成了一定程度的繁冗。
為此，在設計時注重路由算法擴展性的提高，能夠有效地融合新節(jié)點，從而提高網絡處理數(shù)據(jù)的能力，延長使用壽命。
(3)注重路由算法容錯。
注重路由算法容錯能力的提高，能夠保證在分層結構的終端節(jié)點失效時，最大限度減輕簇頭的高負載，以免整個網絡陷入癱瘓。
3.要求數(shù)據(jù)融合
通過強化數(shù)據(jù)的融合，能夠減少無線傳感器在采集和傳遞數(shù)據(jù)方面造成的大量冗余信息，確保網絡系統(tǒng)的簡潔和信息的精確。
4.無線傳感器網絡路由協(xié)議的類別及分析
根據(jù)不同的角度，無線傳感器網絡路由協(xié)議可以劃分的類別也不同。
通過路由發(fā)現(xiàn)策略，可以分為主動路由和被動路由，而從邏輯結構出發(fā)，則可以劃分成平面路由協(xié)議和層次路由協(xié)議等兩種。
(1)平面路由協(xié)議。
擴散法。
即傳統(tǒng)的網絡路由協(xié)議，是通過源節(jié)點將網絡數(shù)據(jù)副本傳輸給相鄰節(jié)點，相鄰節(jié)點又將其發(fā)送給下一相鄰節(jié)點，以此來達到數(shù)據(jù)擴散并最終將數(shù)據(jù)傳輸給目標節(jié)點的方法。
具有簡單實現(xiàn)、降低網絡拓撲信息以及路由算法消耗的能源，且能夠適用于要求較高的場合等優(yōu)勢，但從另一個角度來看，這種擴散法很可能會造成信息爆炸、重疊發(fā)送信息及盲目使用資源等現(xiàn)象。
SPIN協(xié)議。
是基于節(jié)點間的協(xié)商制度和資源自適應機制研發(fā)出來的通信路由協(xié)議，用于處理擴散法中的缺陷。
通過在傳輸數(shù)據(jù)過程中，節(jié)點與節(jié)點之間的協(xié)商，能夠保證傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的可靠性和可用性。
定向擴散。
是采用梯度的形式，對節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)方向進行搜索，以此來獲得匹配數(shù)據(jù)的新協(xié)議。
運行的終端節(jié)點主要用命名機制來描述數(shù)據(jù)，并通過向所有節(jié)點發(fā)送被命名數(shù)據(jù)的任務描述符，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。
相對來說，這種定向擴散協(xié)議，在節(jié)能和擴展方面具有更大的優(yōu)勢。
(2)層次路由協(xié)議。
LEACH協(xié)議。
通過采用聚類的形式發(fā)展起來的LEACH路由協(xié)議，能夠不斷隨機循環(huán)執(zhí)行聚類首節(jié)點重構過程，以此來實現(xiàn)無線傳感器網絡中能量負載均衡分配。
其重構過程主要分為類準備階段和就緒階段等兩部分。
通過延長就緒階段的時間，同時縮短類準備階段的用時，能夠有效地節(jié)省資源，進而提高整個網絡生存的時長到15%。
PEGAGIS協(xié)議。
是基于LEACH協(xié)議設計的，并在假定終端節(jié)點的同構和靜止的前提下，通過終端節(jié)點發(fā)送能量遞減的測試信號來找出相鄰最近節(jié)點。
從而明確各節(jié)點之間的位置關系，并通過選擇所屬聚類來完成到sink的鏈路優(yōu)化。
不但促使整個網絡的生存時間是LEACH的兩倍左右，同時由于融合數(shù)據(jù)降低了收發(fā)次數(shù)，進而節(jié)省了系統(tǒng)能源。
不過對于鏈中遠距離的節(jié)點，則較為容易引起數(shù)據(jù)延遲。
TEEN協(xié)議。
該協(xié)議的主要特點是實時性，是基于LEACH的聚類結構及其運行模式，采用硬、軟閾值來發(fā)送檢測數(shù)據(jù)的協(xié)議。
新硬閾值是由監(jiān)測數(shù)據(jù)首次超過設定硬閾值時確定的。
當節(jié)點發(fā)送的硬閾值變化幅度大于軟閾值界定范圍，則節(jié)點重新采集數(shù)據(jù)設定硬閾值。
同時，節(jié)點能夠通過調節(jié)軟閾值大小，有效平衡監(jiān)測精度與系統(tǒng)能耗。
TEEN協(xié)議的實時性，促使其能快速反應并處理突發(fā)事件，但受其自身限制，該協(xié)議并不適合持續(xù)采集數(shù)據(jù)的應用環(huán)境。
通過對無線傳感器網絡路由協(xié)議相關知識點的分析和思考，能夠進一步加深人們對無線傳感器網絡的研究，推動該技術在國內相關領域的普及和發(fā)展。
參考文獻：
[1]周集良.無線傳感器網絡路由協(xié)議的安全與優(yōu)化研究[D].東華大學.2009.06.(01)
[2]徐智福.基于無線傳感器網絡的路由協(xié)議研究[D].杭州電子科技大學.2009.12.(01)
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