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無線傳感器網絡路由協議的節能
無線傳感器網絡路由協議的節能【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議分為平面路由協議和層次型路由協議,并對其中典型的路由協議進行節能方面的分析,指出路由協議未來的研究重點。
[關鍵詞]無線傳感器網絡路由協議
無線傳感器網絡是一種以采集數據為目的、高密度、自組織、低數據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據探測、簡易數據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境中使用,在醫療、軍事、環境監測以及商業應用等領域有著廣泛的應用前景。
在傳感器網絡中,節點通過飛機布撤,人工布置等方式,大量部署在感知對象內部或者附近。
這些節點通過自組織方式構成無線網絡,以協作的方式感知、采集和處理網絡覆蓋區中特定的信息,可以實現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據傳回Sink節點(基站),最后借助Sink鏈路將整個區域內的數據傳送到遠程控制中心進行集中處理。
用戶可以通過sink節點對傳感器網絡進行配置和管理,發布監測任務以及收集監測數據。
無線傳感器網絡路由協議:無線傳感器網絡的特點決定了其動態的拓撲結構、較大的業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議從網絡拓撲結構的角度可分為平面路由協議和層次型路由協議。
一、平面路由協議
平面路由協議中,節點間地位平等,優點是簡單、易擴展,但缺乏對通信資源的優化管理,對網絡動態變化的反應速度較慢。
典型的協議有:
SPIN協議,是一組基于協商的并且具有能量自適應功能的路由協議。
SPIN-1和SPIN-2是其中最主要的兩個協議。
SPIN協議是一種不需要了解網絡拓撲結構,因此適合在節點可以移動的無線傳感器網絡中使用。
SPIN協議引入元數據概念,減少了數據的傳輸量;通過使用協商機制和能量自適應機制,節省了能量,解決了信息“內爆”和數據“重疊”問題。
Directed Diffusion協議這是一個基于查詢的路由協議,該協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。
梯度場的建立根據成本最小化和能量自適應原則。
該協議采用了數據融合方法有效地減少了網絡中的數據量,節省節點能量、提高帶寬利用率。
該協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、大規模的網絡。
Rumor Routing算法是對Directed Diffusion的改進,網絡每個節點都維持一個事件列表,其表項包含事件的基本描述、播報該事件的源節點、最先傳遞該事件的上一跳節點;引人了一個具有長生命周期的報文Agent,用于源節點廣播感知事件的描述信息并在網絡中傳播,該算法通過節點的事件列表信息維護一條與源節點的路徑,避免了SPIN協議中的大量泛洪過程,顯著節省能量。
二、層次路由協議
LEACH,是為無線傳感器網絡設計的低功耗自適應路由算法。
與平面多跳路由協議相比,該協議采用隨機選舉簇頭的方式平均分擔中繼通信業務,避免簇頭過分消耗能量,延長網絡生命周期,但協議無法保證簇頭節點能遍及整個網絡。
TEEN協議。
通過設置硬閾值和軟閾值兩個參數大大減少了數據傳送的次數,提高了網絡能量利用率和網絡生存時間;可以對突發事件做出快速反應,適用于實時應用系統,但是不能實現數據的周期性采集。
TTDD協議主要是解決傳感器節點不動的網絡中存在多sink點以及sink點移動情況。
當多個節點探測到事件發生時,選擇一個節點作為發送數據的源節點,源節點以自身為中心,整個網絡變成源節點捕捉Sink節點的一個格狀網。
當Sink節點被發現,數據通過這個格狀網傳輸到Sink節點。
TTDD中提出的透明傳輸的概念,可以簡化網絡的管理和維護。
與Directed Diffusion協議相比,該協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;節點必須知道自身位置;非sink點位里不能移動,要求節點密度較大。
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。
無線傳感器網絡節點的處理、存儲和通信能力有限,應根據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、節能而簡單的協議。
參考文獻:
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無線傳感器網絡路由協議研究【2】
摘 要：本文通過介紹無線傳感器網絡路由協議的相關知識，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議的分類等方面，著重介紹無線傳感器網絡路由協議的平面路由協議和層次路由協議，給予廣大技術人員在無線傳感器網絡路由協議上的一些幫助和參考。
關鍵詞：傳感器;無線傳感器;網絡路由協議;平面路由協議;層次路由協議
一、引言
近年來，隨著現代化科技的蓬勃發展，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，主要由傳感節點、終端節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療監護、社區監控、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，以及平面路由協議和層次路由協議等兩大分類的認識和了解，對于無線傳感器技術的發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議
1.無線傳感器網絡路由協議的特點
無線傳感器網絡路由協議，主要是用來處理網絡中的傳輸數據，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)終端節點的特點。
傳感器的節點數量相對較大，促使其能夠作用于計算子系統、通信子系統、傳感子系統和能量供應子系統等多個方面，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，由于終端節點的數量龐大，且通常是數據聚集的主要地方，因此，在進行傳感器定位上，主要工作是由終端節點來完成的。
(3)傳感器網絡特點。
根據不同的應用場景，傳感器網絡的作用類型也不同。
呈現功能多樣化的特點。
2.無線傳感器網絡路由協議的設計
(1)注重路由算法節能。
在無線傳感器網絡路由協議的設計上，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，終端節點的數量也在不斷增加，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點，從而提高網絡處理數據的能力，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.要求數據融合
通過強化數據的融合，能夠減少無線傳感器在采集和傳遞數據方面造成的大量冗余信息，確保網絡系統的簡潔和信息的精確。
4.無線傳感器網絡路由協議的類別及分析
根據不同的角度，無線傳感器網絡路由協議可以劃分的類別也不同。
通過路由發現策略，可以分為主動路由和被動路由，而從邏輯結構出發，則可以劃分成平面路由協議和層次路由協議等兩種。
(1)平面路由協議。
擴散法。
即傳統的網絡路由協議，是通過源節點將網絡數據副本傳輸給相鄰節點，相鄰節點又將其發送給下一相鄰節點，以此來達到數據擴散并最終將數據傳輸給目標節點的方法。
具有簡單實現、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、重疊發送信息及盲目使用資源等現象。
SPIN協議。
是基于節點間的協商制度和資源自適應機制研發出來的通信路由協議，用于處理擴散法中的缺陷。
通過在傳輸數據過程中，節點與節點之間的協商，能夠保證傳輸的數據的可靠性和可用性。
定向擴散。
是采用梯度的形式，對節點傳輸數據方向進行搜索，以此來獲得匹配數據的新協議。
運行的終端節點主要用命名機制來描述數據，并通過向所有節點發送被命名數據的任務描述符，從而實現數據的采集。
相對來說，這種定向擴散協議，在節能和擴展方面具有更大的優勢。
(2)層次路由協議。
LEACH協議。
通過采用聚類的形式發展起來的LEACH路由協議，能夠不斷隨機循環執行聚類首節點重構過程，以此來實現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，能夠有效地節省資源，進而提高整個網絡生存的時長到15%。
PEGAGIS協議。
是基于LEACH協議設計的，并在假定終端節點的同構和靜止的前提下，通過終端節點發送能量遞減的測試信號來找出相鄰最近節點。
從而明確各節點之間的位置關系，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，同時由于融合數據降低了收發次數，進而節省了系統能源。
不過對于鏈中遠距離的節點，則較為容易引起數據延遲。
TEEN協議。
該協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、軟閾值來發送檢測數據的協議。
新硬閾值是由監測數據首次超過設定硬閾值時確定的。
當節點發送的硬閾值變化幅度大于軟閾值界定范圍，則節點重新采集數據設定硬閾值。
同時，節點能夠通過調節軟閾值大小，有效平衡監測精度與系統能耗。
TEEN協議的實時性，促使其能快速反應并處理突發事件，但受其自身限制，該協議并不適合持續采集數據的應用環境。
通過對無線傳感器網絡路由協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展。
參考文獻：
[1]周集良.無線傳感器網絡路由協議的安全與優化研究[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議研究[D].杭州電子科技大學.2009.12.(01)
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