分層次的路由協(xié)議 - WSN的路由協(xié)議分類

　?。?）分層次的路由協(xié)議

　　此類路由協(xié)議是讓節(jié)點參與到特定的節(jié)點簇內(nèi)的多跳通信，簇頭再進行數(shù)據(jù)聚合，減少向sink節(jié)點傳送的消息數(shù)量，從而達到節(jié)省能量和提高可擴展性的目的。

　?、俚湍芰孔赃m應(yīng)聚簇分層（low energy adaptive clustering hierarchy，LEACH）協(xié)議的具體實現(xiàn)過程分兩個階段：成簇階段和穩(wěn)定階段（即數(shù)據(jù)傳輸階段），這兩個階段的時間總和為一輪（round）。在成簇階段，每個節(jié)點選取一個介于0和1之間的隨機數(shù)，如果這個數(shù)小于某個閾值，該節(jié)點成為簇頭；然后，簇頭向所有節(jié)點廣播自己成為簇頭的消息，每個節(jié)點根據(jù)接收到廣播信號的強弱來決定加人哪個簇，并回復(fù)該簇簇頭。在數(shù)據(jù)傳輸階段，簇內(nèi)的所有節(jié)點按照TDMA時隙向簇頭發(fā)送數(shù)據(jù)，簇頭將數(shù)據(jù)融合和計算。在簇間，各簇頭節(jié)點采用CSMA協(xié)議競用通道，獲得通道的簇頭將融合的數(shù)據(jù)發(fā)給基站。之后進行下一輪。該協(xié)議優(yōu)點是：隨機選舉簇頭避免簇頭過分消耗能量，提高了網(wǎng)絡(luò)生存時間；數(shù)據(jù)聚合有效減少了通信量。其缺點是：協(xié)議采用一跳通信，雖然傳輸時延小，但要求節(jié)點具有較大功率通信能力；擴展性差，不適合大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)；即使在小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中，離sink點較遠的節(jié)點由于采用大功率通信也會導(dǎo)致生存時間較短；而且頻繁簇頭選舉引發(fā)的通信量耗費了能量。

　?、赥EEN協(xié)議：節(jié)能的閾值敏感的傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（threshold sensitive energy efficient sensor network protocol，TEEN），采用類似LEACH的分簇算法，該協(xié)議設(shè)置了硬、軟兩個門限，只有同時滿足兩個門限時節(jié)點才發(fā)送數(shù)據(jù)。硬門限的初值由用戶根據(jù)應(yīng)用確定；軟門限的初值為0。在每輪簇頭輪換的時候?qū)蓚€閾值廣播出去，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)第一次超過設(shè)置的硬門限時，節(jié)點把這次數(shù)據(jù)設(shè)為新的硬門限，并在接下來的時隙內(nèi)發(fā)送它。之后，只有監(jiān)測數(shù)據(jù)超過硬門限并且監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化幅度不小于軟門限時，節(jié)點才會傳送最新的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并將它設(shè)為新的硬門限。通過設(shè)定兩個門限值，在檢測精度和系統(tǒng)能耗之間取得合理的平衡。采用這樣的方法，可以監(jiān)視一些突發(fā)事件和熱點地區(qū)，減少網(wǎng)絡(luò)通信量。但TEEN存在兩個缺陷：一是如果門限值不能達到，節(jié)點不會傳送任何數(shù)據(jù)；二是數(shù)據(jù)一旦符合門限值要求，節(jié)點立即傳送，容易造成信號干擾，如果采用TDMA，則會造成數(shù)據(jù)延遲。

　　③兩層數(shù)據(jù)發(fā)布（two tler data dissemination，TTDD）協(xié)議：TTDD協(xié)議適用的環(huán)境為靜止傳感區(qū)域內(nèi)的移動sink節(jié)點和多sink節(jié)點的情形。當(dāng)興趣出現(xiàn)時，周圍的節(jié)點選擇其中一個節(jié)點作為源節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，源節(jié)點以自己作為一個格狀網(wǎng)的交叉點構(gòu)造一個格狀網(wǎng)。主要過程是：源節(jié)點先計算出相鄰交叉點位置，利用貪婪算法請求最接近該位置的節(jié)點成為新交叉點，新交叉點繼續(xù)該過程直至請求過期或到達網(wǎng)絡(luò)邊緣。保存了事件和源節(jié)點信息的交叉點選作傳輸節(jié)點（dissem－Inatlon node）。數(shù)據(jù)查詢時，sink本地洪泛查詢請求到最近的傳輸節(jié)點，此后查詢請求在傳輸點間傳播直至源節(jié)點，數(shù)據(jù)則反向傳送到sink節(jié)點。

　　該協(xié)議的優(yōu)點是：在傳輸過程中，傳輸節(jié)點對數(shù)據(jù)進行匯聚處理，減少了數(shù)據(jù)的傳輸開銷；該協(xié)議采用單路徑，與Diffusion協(xié)議相比，能夠提高網(wǎng)絡(luò)生存時間。缺點是：節(jié)點必須知道自身位置；非sink點位置不能移動；要求節(jié)點密度較大；且子網(wǎng)的構(gòu)造過于復(fù)雜，計算與維護格狀網(wǎng)的開銷較大；算法不具有能量感知功能。

　?。?）基于位置的路由協(xié)議

　　此類路由協(xié)議利用節(jié)點的位置信息，把查詢或者數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給需要的區(qū)域而不是整個網(wǎng)絡(luò)，縮減數(shù)據(jù)的傳送范圍進而來降低能耗。此外，設(shè)計時考慮了節(jié)點的移動性。

　?、俚乩碜赃m應(yīng)保真（geographical adaptive fidelity，GAF）路由協(xié)議：該協(xié)議主要為移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，但是也用在傳感器網(wǎng)絡(luò)中。該協(xié)議把監(jiān)測區(qū)域劃分成虛擬單元格，將節(jié)點按照位置信息劃人相應(yīng)的單元格；在每個單元格中定期選舉產(chǎn)生一個簇頭節(jié)點，只有簇頭節(jié)點保持活動，其他節(jié)點進入睡眠狀態(tài)。在GAF中，節(jié)點輪流從睡眠狀態(tài)變到工作狀態(tài)，達到網(wǎng)絡(luò)負載均衡。為了處理節(jié)點的移動性，節(jié)點估算自己離開網(wǎng)格的時間并將之通知相鄰節(jié)點，因而睡眠節(jié)點可以相應(yīng)調(diào)整睡眠時間，在工作節(jié)點離開本網(wǎng)格之前醒來接替工作，從而保持路由精度。GAF的優(yōu)點是節(jié)點數(shù)量增加可大大提高網(wǎng)絡(luò)壽命，同時它解決了節(jié)點移動性的問題。但是GAF的缺陷是在節(jié)點稀疏的情況下的節(jié)能效果不好，而且網(wǎng)格簇頭的選擇是隨機的，沒有考慮節(jié)點剩余能量。

　?、谀芰扛兄╣eographical and energy aware routmg，GEAR）路由協(xié)議：協(xié)議假設(shè)已知事件區(qū)域的位置信息，每個節(jié)點知道自己的位置信息和剩余能量信息，通過一個簡單的Hello消息交換機制知道所有鄰居節(jié)點的位置信息和剩余能量信息。將數(shù)據(jù)分組傳送到目標域中所有的節(jié)點分兩個階段：目標域數(shù)據(jù)傳送和域內(nèi)數(shù)據(jù)傳送。在目標域數(shù)據(jù)傳送階段，當(dāng)節(jié)點接收到數(shù)據(jù)分組，它將鄰接點同目標域的代價和自己與目標域的代價相比較，代價更小，貝刂選擇最小代價的鄰接點作為下一跳節(jié)點；若不存在更小代價，則認為存在路由空洞“hole”，節(jié)點將根據(jù)鄰居的最小代價來選擇下一跳節(jié)點。在域內(nèi)數(shù)據(jù)傳送階段，可通過域內(nèi)直接洪泛和迭代的目標域數(shù)據(jù)傳送這兩種方式讓數(shù)據(jù)在域內(nèi)擴散直到目標域剩下唯一的節(jié)點。GEAR的優(yōu)點是：它將網(wǎng)絡(luò)中擴散的信息局限到適當(dāng)?shù)奈恢脜^(qū)域中，減少了中間節(jié)點的數(shù)量，從而降低了路由建立和數(shù)據(jù)傳送的能源開銷，進而更有效地提高了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。其缺點是依賴節(jié)點的GPS定位信息，成本較高。

　?。?）提供數(shù)據(jù)流和服務(wù)質(zhì)量保障的路由協(xié)議

　　此類協(xié)議在提供數(shù)據(jù)路由功能的同時滿足通信服務(wù)質(zhì)量要求，建立路由路徑的同時考慮端對端的時延要求。

　　①有序分配路由策略（sequential asstgnment routmg，SAR）：SAR是首先在路由判決中將QoS考慮進去的WSNs路由協(xié)議。SAR在每個節(jié)點與sink節(jié)點間生成多條路徑，維護多個樹結(jié)構(gòu)，每個樹以落在sink的有效傳輸半徑內(nèi)的節(jié)點為根向外生長，樹干的選擇需要滿足一定的QoS要求和能量儲各。這樣使大多數(shù)節(jié)點可能同時屬于多個樹，可任選某一采集樹回到sink。為了防止一些節(jié)點的死亡而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的變化，sink會定期發(fā)起路徑重建命令來保證網(wǎng)絡(luò)的連通性。同時，SAR使用本地路徑恢復(fù)機制的握手過程及增強路由表中每條路徑上下行數(shù)據(jù)流的連通性來恢復(fù)錯誤。SAR的一個突出的優(yōu)點是綜合考慮了能效和QoS。雖然節(jié)點到Sink的多條路徑增強了SAR的容錯和恢復(fù)能力，但也增加了維護路由表及每個節(jié)點的狀態(tài)表的開銷，尤其在節(jié)點數(shù)目較大的時候。

　?、赟PEED協(xié)議：這是一個實時路由協(xié)議。SPEED中的每個節(jié)點記錄所有鄰節(jié)點的位置信息和轉(zhuǎn)發(fā)速度，并設(shè)定一個速度門限，當(dāng)節(jié)點接收到一個數(shù)據(jù)包時，根據(jù)這個數(shù)據(jù)包的目的位置把相鄰節(jié)點中距離目的位置比該節(jié)點近的所有節(jié)點劃分為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點候選集合，然后把轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點候選集合中轉(zhuǎn)發(fā)速度高于速度門限的節(jié)點劃分為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點集合，在這個集合中轉(zhuǎn)發(fā)速度越高的節(jié)點被選為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的幾率越大。如果沒有節(jié)點屬于這個集合則利用反饋機制重新路由。該協(xié)議的優(yōu)點是：在一定程度上實現(xiàn)了端到端的傳輸速率倮證、網(wǎng)絡(luò)擁塞控制以及負載平衡機制。其缺點是：路由的過程沒有考慮在多條路徑上傳輸以提高平均壽命，傳輸?shù)膱笪臎]有優(yōu)先級機制。

　　平面路由協(xié)議的突出特點是可擴展性較差，由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常由密集分布在一定區(qū)域（如一片林區(qū)）的成百上千甚至數(shù)萬個傳感器節(jié)點構(gòu)成，因此網(wǎng)絡(luò)規(guī)模非常大，不能直接采用可擴展性差的平面路由協(xié)議。相反，分簇路由協(xié)議由于可擴展性好，能滿足大型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的需求。

　　對于已有的路由方面研究成果而言，無論是平面路由還是分簇路由，其共同的缺點是通常只考慮能量約束。盡管節(jié)能是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個關(guān)鍵問題，但在設(shè)計路由協(xié)議時單純只考慮節(jié)能問題是遠不夠的。隨著傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用范圍的迅速擴大和支持圖像傳送的新型傳感器的應(yīng)用，要求傳感器網(wǎng)絡(luò)不僅能傳送數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，同時需要傳輸具有QoS要求的圖像業(yè)務(wù)。同時，不同的傳感數(shù)據(jù)的重要性和緊急性也不同，如傳送火警的數(shù)據(jù)比溫度數(shù)據(jù)更緊急，對傳送的服務(wù)質(zhì)量要求也更高。所有這些都要求傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議不僅需要考慮可擴展性、節(jié)能等問題，同時需要具有QoS保證功能，另外，安全性也是路由協(xié)議需要考慮的一個重要方面，因為錯誤的路由信息會使傳感數(shù)據(jù)不能到達接收節(jié)點，大量非法的路由信息甚至可能導(dǎo)致整個傳感器網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。因此，需要進一步研究具有可擴展性好、提供QoS保證和良好的安全性的分簇路由協(xié)議。

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