目前國內(nèi)外科研人員已設(shè)計(jì)了多種面向WSN的路由協(xié)議,將其分為四類:以數(shù)據(jù)為中心的、分層次的、基于位置的、基于數(shù)據(jù)流模型和服務(wù)質(zhì)量(QoS)要求的。
?。?)以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議
此類路由協(xié)議是基于查詢和目標(biāo)數(shù)據(jù)命名之上的,通過數(shù)據(jù)融合減少冗余的數(shù)據(jù)傳輸。
①Flooding協(xié)議和Gossiping協(xié)議:這是兩個(gè)最經(jīng)典和簡單的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議,在Flooding協(xié)議中,節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生或收到數(shù)據(jù)后向所有鄰節(jié)點(diǎn)廣播,數(shù)據(jù)包直到過期或到達(dá)目的地才停止傳播。該協(xié)議具有嚴(yán)重缺陷:內(nèi)爆(implosiON),節(jié)點(diǎn)幾乎同時(shí)從鄰節(jié)點(diǎn)收到多份相同數(shù)據(jù);交疊(overlap),節(jié)點(diǎn)先后收到監(jiān)控同一區(qū)域的多個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的幾乎相同的數(shù)據(jù);資源利用盲目(resource blindness),節(jié)點(diǎn)不考慮自身資源限制,在任何情況下都轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。Gossiping協(xié)議是對(duì)Flooding協(xié)議的改進(jìn),節(jié)點(diǎn)將產(chǎn)生或收到的數(shù)據(jù)隨機(jī)轉(zhuǎn)發(fā),避免了內(nèi)爆,但增加了時(shí)延。這兩個(gè)協(xié)議不需要維護(hù)路由信息,也不需要任何算法,簡單但擴(kuò)展性很差。
②SPIN協(xié)議:SPIN(sensor protocols for inf°rmatlon vla negotiation)協(xié)議節(jié)點(diǎn)利用三種消息進(jìn)行通信:數(shù)據(jù)描述ADV、數(shù)據(jù)請(qǐng)求REQ和數(shù)據(jù)DATA。該協(xié)議以抽象的元數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行命名,命名方式?jīng)]有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生或收到數(shù)據(jù)后,用包含元數(shù)據(jù)的ADV消息向鄰節(jié)點(diǎn)通告,需要數(shù)據(jù)的鄰節(jié)點(diǎn)用REQ消息提出請(qǐng)求,然后將DATA消息發(fā)送到請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)。該協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)是ADV消息減輕了內(nèi)爆問題;通過數(shù)據(jù)命名解決了交疊問題;節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身資源和應(yīng)用信息決定是否進(jìn)行ADV通告,避免了資源利用盲目問題;與Flooding協(xié)議和Gossiping協(xié)議
相比,有效地節(jié)約了能量。其缺陷是:SPIN的廣播機(jī)制不能保證數(shù)據(jù)的可靠傳送,當(dāng)產(chǎn)生或收到數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)的所有鄰節(jié)點(diǎn)都不需要該數(shù)據(jù)時(shí),將導(dǎo)致數(shù)據(jù)不能繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā),以致較遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)無法得到數(shù)據(jù);而當(dāng)某sink點(diǎn)對(duì)任何數(shù)據(jù)都需要時(shí),其周圍節(jié)點(diǎn)的能量容易耗盡。圖1表示了SPIN協(xié)議的路由建立與數(shù)據(jù)傳輸。
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圖1 SPIN協(xié)議的路曲建立與數(shù)據(jù)傳輸
③定向擴(kuò)散(directed diffusion,DD)協(xié)議:DD協(xié)議用一組屬性值命名它生成的數(shù)據(jù)。為建立路由,sink節(jié)點(diǎn)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)或部分區(qū)域內(nèi)flooding包含查詢?nèi)蝿?wù)的Interest消息;沿途節(jié)點(diǎn)按需對(duì)各Interest進(jìn)行緩存與合并,并根據(jù)Interest計(jì)算、創(chuàng)建包含數(shù)據(jù)上報(bào)率、下一跳等信息的梯度(gradient),從而建立多條指向sink點(diǎn)的路徑。Interest中的地理區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)則按要求啟動(dòng)監(jiān)測任務(wù),并周期性地上報(bào)數(shù)據(jù),途中各節(jié)點(diǎn)可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存與聚合;sink點(diǎn)可在數(shù)據(jù)傳輸過程中通過對(duì)某條路徑發(fā)送上報(bào)間隔更小或更大的Interest,以增強(qiáng)或減弱數(shù)據(jù)上報(bào)率。該協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)是:采用多路徑,健壯性好;使用數(shù)據(jù)聚合減少了數(shù)據(jù)通信量;sink點(diǎn)根據(jù)實(shí)際情況采取增強(qiáng)或減弱方式有效利用能量;使用查詢驅(qū)動(dòng)機(jī)制按需建立路由,避免了保存全網(wǎng)信息。其缺點(diǎn)是:不適合環(huán)境監(jiān)測等應(yīng)用;建立梯度開銷很大,不適合多sink點(diǎn)網(wǎng)絡(luò);數(shù)據(jù)聚合采用時(shí)間同步技術(shù),帶來較大開銷和時(shí)延。圖2表示了Directed Diffusion協(xié)議的路由建立過程。
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圖2 Directed Diffusion協(xié)議的路由建立過程
④Rumor協(xié)議:Rumor協(xié)議引人了查詢消息的單播隨機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測到事件后將其保存,并創(chuàng)建稱為代理(Agent)的生命周期較長的包括事件和源節(jié)點(diǎn)信息的數(shù)據(jù)包,將其按一條或多條隨機(jī)路徑在網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā),收到Agent的節(jié)點(diǎn)根據(jù)事件和源節(jié)點(diǎn)信息建立反向路徑,并將Agent再次隨機(jī)發(fā)送到相鄰節(jié)點(diǎn),并可在再次發(fā)送前在Agent中增加其已知的事仵信息。同時(shí)sink節(jié)點(diǎn)的查詢請(qǐng)求也沿著一條隨機(jī)路徑轉(zhuǎn)發(fā),當(dāng)兩路徑交叉時(shí)則路由建立;如不交叉,sink點(diǎn)可flooding查詢請(qǐng)求。該協(xié)議優(yōu)點(diǎn)是:適用于多sink點(diǎn)、查詢請(qǐng)求數(shù)目很大、網(wǎng)絡(luò)事件很少的情況。其缺點(diǎn)是:如果事件非常多,維護(hù)事件表和收發(fā)Agent帶來的開銷會(huì)很大;且因Rumor協(xié)議使用隨機(jī)方式生成路徑,數(shù)據(jù)傳輸路徑不是最優(yōu),甚至可能存在路由環(huán)路問題。圖3表示了Rumor協(xié)議中Agent路徑與查詢路徑的交叉情形。
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圖3 謠傳路由原理圖
?。?)分層次的路由協(xié)議
此類路由協(xié)議是讓節(jié)點(diǎn)參與到特定的節(jié)點(diǎn)簇內(nèi)的多跳通信,簇頭再進(jìn)行數(shù)據(jù)聚合,減少向sink節(jié)點(diǎn)傳送的消息數(shù)量,從而達(dá)到節(jié)省能量和提高可擴(kuò)展性的目的。
①低能量自適應(yīng)聚簇分層(low energy adaptive clustering hierarchy,LEACH)協(xié)議的具體實(shí)現(xiàn)過程分兩個(gè)階段:成簇階段和穩(wěn)定階段(即數(shù)據(jù)傳輸階段),這兩個(gè)階段的時(shí)間總和為一輪(round)。在成簇階段,每個(gè)節(jié)點(diǎn)選取一個(gè)介于0和1之間的隨機(jī)數(shù),如果這個(gè)數(shù)小于某個(gè)閾值,該節(jié)點(diǎn)成為簇頭;然后,簇頭向所有節(jié)點(diǎn)廣播自己成為簇頭的消息,每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到廣播信號(hào)的強(qiáng)弱來決定加人哪個(gè)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(diǎn)按照TDMA時(shí)隙向簇頭發(fā)送數(shù)據(jù),簇頭將數(shù)據(jù)融合和計(jì)算。在簇間,各簇頭節(jié)點(diǎn)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(jìn)行下一輪。該協(xié)議優(yōu)點(diǎn)是:隨機(jī)選舉簇頭避免簇頭過分消耗能量,提高了網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間;數(shù)據(jù)聚合有效減少了通信量。其缺點(diǎn)是:協(xié)議采用一跳通信,雖然傳輸時(shí)延小,但要求節(jié)點(diǎn)具有較大功率通信能力;擴(kuò)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(diǎn)較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)由于采用大功率通信也會(huì)導(dǎo)致生存時(shí)間較短;而且頻繁簇頭選舉引發(fā)的通信量耗費(fèi)了能量。
②TEEN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(gè)門限,只有同時(shí)滿足兩個(gè)門限時(shí)節(jié)點(diǎn)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(shí)候?qū)蓚€(gè)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(shí),節(jié)點(diǎn)把這次數(shù)據(jù)設(shè)為新的硬門限,并在接下來的時(shí)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(shí),節(jié)點(diǎn)才會(huì)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(gè)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(diǎn)地區(qū),減少網(wǎng)絡(luò)通信量。但TEEN存在兩個(gè)缺陷:一是如果門限值不能達(dá)到,節(jié)點(diǎn)不會(huì)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(diǎn)立即傳送,容易造成信號(hào)干擾,如果采用TDMA,則會(huì)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(dòng)sink節(jié)點(diǎn)和多sink節(jié)點(diǎn)的情形。當(dāng)興趣出現(xiàn)時(shí),周圍的節(jié)點(diǎn)選擇其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù),源節(jié)點(diǎn)以自己作為一個(gè)格狀網(wǎng)的交叉點(diǎn)構(gòu)造一個(gè)格狀網(wǎng)。主要過程是:源節(jié)點(diǎn)先計(jì)算出相鄰交叉點(diǎn)位置,利用貪婪算法請(qǐng)求最接近該位置的節(jié)點(diǎn)成為新交叉點(diǎn),新交叉點(diǎn)繼續(xù)該過程直至請(qǐng)求過期或到達(dá)網(wǎng)絡(luò)邊緣。保存了事件和源節(jié)點(diǎn)信息的交叉點(diǎn)選作傳輸節(jié)點(diǎn)(dissem-Inatlon node)。數(shù)據(jù)查詢時(shí),sink本地洪泛查詢請(qǐng)求到最近的傳輸節(jié)點(diǎn),此后查詢請(qǐng)求在傳輸點(diǎn)間傳播直至源節(jié)點(diǎn),數(shù)據(jù)則反向傳送到sink節(jié)點(diǎn)。
該協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)是:在傳輸過程中,傳輸節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)間。缺點(diǎn)是:節(jié)點(diǎn)必須知道自身位置;非sink點(diǎn)位置不能移動(dòng);要求節(jié)點(diǎn)密度較大;且子網(wǎng)的構(gòu)造過于復(fù)雜,計(jì)算與維護(hù)格狀網(wǎng)的開銷較大;算法不具有能量感知功能。
(3)基于位置的路由協(xié)議
此類路由協(xié)議利用節(jié)點(diǎn)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(gè)網(wǎng)絡(luò),縮減數(shù)據(jù)的傳送范圍進(jìn)而來降低能耗。此外,設(shè)計(jì)時(shí)考慮了節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性。
①地理自適應(yīng)保真(geographical adaptive fidelity,GAF)路由協(xié)議:該協(xié)議主要為移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì),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(diǎn)按照位置信息劃人相應(yīng)的單元格;在每個(gè)單元格中定期選舉產(chǎn)生一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn),只有簇頭節(jié)點(diǎn)保持活動(dòng),其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。在GAF中,節(jié)點(diǎn)輪流從睡眠狀態(tài)變到工作狀態(tài),達(dá)到網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡。為了處理節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性,節(jié)點(diǎn)估算自己離開網(wǎng)格的時(shí)間并將之通知相鄰節(jié)點(diǎn),因而睡眠節(jié)點(diǎn)可以相應(yīng)調(diào)整睡眠時(shí)間,在工作節(jié)點(diǎn)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(diǎn)是節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加可大大提高網(wǎng)絡(luò)壽命,同時(shí)它解決了節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性的問題。但是GAF的缺陷是在節(jié)點(diǎn)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(jī)的,沒有考慮節(jié)點(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)知道自己的位置信息和剩余能量信息,通過一個(gè)簡單的Hello消息交換機(jī)制知道所有鄰居節(jié)點(diǎn)的位置信息和剩余能量信息。將數(shù)據(jù)分組傳送到目標(biāo)域中所有的節(jié)點(diǎn)分兩個(gè)階段:目標(biāo)域數(shù)據(jù)傳送和域內(nèi)數(shù)據(jù)傳送。在目標(biāo)域數(shù)據(jù)傳送階段,當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)分組,它將鄰接點(diǎn)同目標(biāo)域的代價(jià)和自己與目標(biāo)域的代價(jià)相比較,代價(jià)更小,貝刂選擇最小代價(jià)的鄰接點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn);若不存在更小代價(jià),則認(rèn)為存在路由空洞“hole”,節(jié)點(diǎn)將根據(jù)鄰居的最小代價(jià)來選擇下一跳節(jié)點(diǎn)。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(biāo)域數(shù)據(jù)傳送這兩種方式讓數(shù)據(jù)在域內(nèi)擴(kuò)散直到目標(biāo)域剩下唯一的節(jié)點(diǎn)。GEAR的優(yōu)點(diǎn)是:它將網(wǎng)絡(luò)中擴(kuò)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(diǎn)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(jìn)而更有效地提高了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。其缺點(diǎn)是依賴節(jié)點(diǎn)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(shí)滿足通信服務(wù)質(zhì)量要求,建立路由路徑的同時(shí)考慮端對(duì)端的時(shí)延要求。
?、儆行蚍峙渎酚刹呗裕╯equential asstgnment routmg,SAR):SAR是首先在路由判決中將QoS考慮進(jìn)去的WSNs路由協(xié)議。SAR在每個(gè)節(jié)點(diǎn)與sink節(jié)點(diǎn)間生成多條路徑,維護(hù)多個(gè)樹結(jié)構(gòu),每個(gè)樹以落在sink的有效傳輸半徑內(nèi)的節(jié)點(diǎn)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(chǔ)各。這樣使大多數(shù)節(jié)點(diǎn)可能同時(shí)屬于多個(gè)樹,可任選某一采集樹回到sink。為了防止一些節(jié)點(diǎn)的死亡而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化,sink會(huì)定期發(fā)起路徑重建命令來保證網(wǎng)絡(luò)的連通性。同時(shí),SAR使用本地路徑恢復(fù)機(jī)制的握手過程及增強(qiáng)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(cuò)誤。SAR的一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)是綜合考慮了能效和QoS。雖然節(jié)點(diǎn)到Sink的多條路徑增強(qiáng)了SAR的容錯(cuò)和恢復(fù)能力,但也增加了維護(hù)路由表及每個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)表的開銷,尤其在節(jié)點(diǎn)數(shù)目較大的時(shí)候。
②SPEED協(xié)議:這是一個(gè)實(shí)時(shí)路由協(xié)議。SPEED中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)記錄所有鄰節(jié)點(diǎn)的位置信息和轉(zhuǎn)發(fā)速度,并設(shè)定一個(gè)速度門限,當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí),根據(jù)這個(gè)數(shù)據(jù)包的目的位置把相鄰節(jié)點(diǎn)中距離目的位置比該節(jié)點(diǎn)近的所有節(jié)點(diǎn)劃分為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)候選集合,然后把轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)候選集合中轉(zhuǎn)發(fā)速度高于速度門限的節(jié)點(diǎn)劃分為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集合,在這個(gè)集合中轉(zhuǎn)發(fā)速度越高的節(jié)點(diǎn)被選為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的幾率越大。如果沒有節(jié)點(diǎn)屬于這個(gè)集合則利用反饋機(jī)制重新路由。該協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)是:在一定程度上實(shí)現(xiàn)了端到端的傳輸速率倮證、網(wǎng)絡(luò)擁塞控制以及負(fù)載平衡機(jī)制。其缺點(diǎn)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?bào)文沒有優(yōu)先級(jí)機(jī)制。
平面路由協(xié)議的突出特點(diǎn)是可擴(kuò)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(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成,因此網(wǎng)絡(luò)規(guī)模非常大,不能直接采用可擴(kuò)展性差的平面路由協(xié)議。相反,分簇路由協(xié)議由于可擴(kuò)展性好,能滿足大型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的需求。
對(duì)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(diǎn)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(gè)關(guān)鍵問題,但在設(shè)計(jì)路由協(xié)議時(shí)單純只考慮節(jié)能問題是遠(yuǎn)不夠的。隨著傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用范圍的迅速擴(kuò)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(shí)需要傳輸具有QoS要求的圖像業(yè)務(wù)。同時(shí),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(duì)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(kuò)展性、節(jié)能等問題,同時(shí)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(gè)重要方面,因?yàn)殄e(cuò)誤的路由信息會(huì)使傳感數(shù)據(jù)不能到達(dá)接收節(jié)點(diǎn),大量非法的路由信息甚至可能導(dǎo)致整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。因此,需要進(jìn)一步研究具有可擴(kuò)展性好、提供QoS保證和良好的安全性的分簇路由協(xié)議。
評(píng)論
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