無線傳感器網(wǎng)絡中的路由協(xié)議

傳感器網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)

傳感器網(wǎng)絡通常包括傳感器節(jié)點，匯聚節(jié)點和管理節(jié)點。傳感器節(jié)點任意的分布在某一監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，節(jié)點以自組織的形式構(gòu)成網(wǎng)絡，通過多跳中繼方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送到匯聚節(jié)點，最后通過Internet或其他網(wǎng)絡通訊方式將監(jiān)測信息傳送到管理節(jié)點。同樣的，用戶可以通過管理節(jié)點進行命令的發(fā)布，告知傳感器節(jié)點收集監(jiān)測信息。

傳感器節(jié)點是一個具有信息收集和處理能力的微系統(tǒng)，集成了傳感器模塊、信息處理模塊、無線通訊模塊和能量供應模塊。

傳感器模塊負責監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和轉(zhuǎn)換，信息處理模塊負責管理整個傳感器節(jié)點、存儲和處理自身采集的數(shù)據(jù)或者其他節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)，無線通訊模塊負責與其他傳感器節(jié)點進行通訊，能量供應模塊負責對整個傳感器網(wǎng)絡的運行進行能量的供應。

傳感器能量的供應是采用電池，節(jié)點能量有限，考慮盡可能的延長整個傳感器網(wǎng)絡的生命周期，在設計傳感器節(jié)點時，保證能量供應的持續(xù)性是一個重要的設計原則。傳感器節(jié)點能量消耗的模塊主要是包括傳感器模塊、信息處理模塊和無線通訊模塊，而絕大部分的能量消耗是集中在無線通訊模塊上，約占整個傳感器節(jié)點能量消耗的80%。因此，目前提出的傳感器節(jié)點通訊路由協(xié)議主要是圍繞著減少能量消耗延長網(wǎng)絡生命周期而進行設計的。

在無線傳感器網(wǎng)絡中，路由協(xié)議不僅關(guān)心單個節(jié)點的能量消耗，更關(guān)心整個網(wǎng)能量的均衡消耗，這樣才能延長整個網(wǎng)絡的生存期。同時，無線傳感器網(wǎng)絡是以數(shù)據(jù)為中心的，這在路由協(xié)議中表現(xiàn)的最為突出，每個節(jié)點沒有必要采用全網(wǎng)統(tǒng)一的編址，選擇路徑可以不用根據(jù)節(jié)點的編址，更多的是根據(jù)感興趣的數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)源到匯聚節(jié)點之間的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。目前提出了很多類型的傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議，就是基于上述的目的。

無線通訊網(wǎng)絡路由協(xié)議

相對于傳統(tǒng)無線通訊網(wǎng)絡而言，傳統(tǒng)無線通訊網(wǎng)絡研究的重點放在無線通訊的服務質(zhì)量(QoS)上，而無線傳感器節(jié)點是隨機分布，電池供電，因此目前無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議的研究重點是放在如何提高能量效率上，當前流行的幾個無線傳感器網(wǎng)絡的路由協(xié)議如下：

泛洪協(xié)議

泛洪(Flooding)協(xié)議[2]是一種傳統(tǒng)的無線通訊路由協(xié)議。該協(xié)議規(guī)定，每個節(jié)點接受來自其他節(jié)點的信息，并以廣播的形式發(fā)送給其他鄰居節(jié)點。如此繼續(xù)下去，最后將信息數(shù)據(jù)發(fā)送給目的節(jié)點。但這個協(xié)議容易引起信息的“內(nèi)爆”(Implosion)和“重疊”(Overlap),造成資源的浪費。因此在泛洪協(xié)議的基礎上，提出了閑聊(Gossiping)協(xié)議。

Gossiping協(xié)議

Gossiping協(xié)議[6]是在泛洪協(xié)議的基礎上進行改進而提出的。它傳播信息的途徑是通過隨機的選擇一個鄰居節(jié)點，獲得信息的鄰居節(jié)點以同樣的方式隨機的選擇下一個節(jié)點進行信息的傳遞。這種方式避免了以廣播形式進行信息傳播的能量消耗，但其代價是延長了信息的傳遞時間。雖然Gossiping協(xié)議在一定程度上解決了信息的內(nèi)爆，但是仍然存在信息的重疊現(xiàn)象。

SPIN協(xié)議

SPIN(Sensor Protocol for Information via Negotiation)協(xié)議[7]是一種以數(shù)據(jù)為中心的自適應路由協(xié)議。SPIN協(xié)議的目的是：通過節(jié)點之間的協(xié)商，解決Flooding協(xié)議和Gossiping協(xié)議的內(nèi)爆和重疊現(xiàn)象。SPIN協(xié)議有3種類型的消息，即ADC、REQ和DATA。

ADC用于數(shù)據(jù)的廣播，當某一個節(jié)點有數(shù)據(jù)可以共享時，可以用其進行數(shù)據(jù)信息廣播。

REQ用于請求發(fā)送數(shù)據(jù)，當某一個節(jié)點希望接受DATA數(shù)據(jù)包時，發(fā)送REQ數(shù)據(jù)包。

DATA為傳感器采集的數(shù)據(jù)包。

在發(fā)送一個DATA數(shù)據(jù)包之前，一個傳感器節(jié)點首先對外廣播ADV數(shù)據(jù)包，如果某一個節(jié)點希望接受要傳來的數(shù)據(jù)信息，則向發(fā)送ADV數(shù)據(jù)包的節(jié)點回復REQ數(shù)據(jù)包，因此，便建立起發(fā)送節(jié)點和接受節(jié)點的聯(lián)系，發(fā)送節(jié)點便向接受節(jié)點發(fā)送DATA數(shù)據(jù)包。

定向擴散(Directed Diffusion)協(xié)議

定向擴散協(xié)議[4]是一種基于查詢的路由機制。整個過程可以分為興趣擴散、梯度建立以及路徑加強三個階段。在興趣擴散階段，匯聚節(jié)點向傳感器節(jié)點發(fā)送其想要獲取的信息種類或內(nèi)容。興趣消息中含有任務類型、目標區(qū)域、數(shù)據(jù)發(fā)送速率、時間戳等參數(shù)。每個傳感器節(jié)點在收到該信息后，將其保存在CACHE中。當整個信息要求傳遍整個傳感器網(wǎng)絡后，便在傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點之間建立起一個梯度場，梯度場的建立是根據(jù)成本最小化和能量自適應原則。一旦傳感器節(jié)點收集到匯聚節(jié)點感興趣的數(shù)據(jù)，就會根據(jù)建立的梯度場尋求最快路徑進行數(shù)據(jù)傳遞。

LEACH協(xié)議

LEACH[3][5](LOW-Energy Adaptive Clustering Hierarchy)是一種以最小化傳感器網(wǎng)絡能量損耗為目標的分層式協(xié)議。該協(xié)議的主要思想是通過隨機選擇類頭節(jié)點，平均分擔無線傳感器網(wǎng)絡的中繼通訊業(yè)務來達到平均消耗傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點能量的目的，進而可以延長網(wǎng)絡的生命周期。LEACH協(xié)議可以將網(wǎng)絡生命周期延長15%。LEACH協(xié)議分為兩個階段：類準備階段和數(shù)據(jù)傳輸階段。類準備階段和就緒階段所持續(xù)的時間總和稱為一個輪回。

在類準備階段，LEACH協(xié)議隨機選擇一個傳感器節(jié)點作為類頭節(jié)點，隨機性確保類頭與基站之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)母吣芎某杀揪鶆虻姆謹偟剿�有傳感器�?jié)點上。類頭節(jié)點是根據(jù)如下公式來選擇的：

其中N為網(wǎng)絡中傳感器節(jié)點的數(shù)目，K為期望在當前輪回中的類頭節(jié)點的數(shù)目。Ci(t)為指示方程，用于表明在過去的輪回中，該節(jié)點是否做過類頭節(jié)點，若做過，則Ci(t)為0，否則Ci(t)為1。通過該式表明，只有那些以前的輪回中沒有做過類頭節(jié)點、能量消耗較少的節(jié)點才能夠成為當前輪回的類頭節(jié)點。

結(jié)語

近幾年，針對無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議的研究相對于傳統(tǒng)的無線通訊路由協(xié)議吸引了更多人的研究視線。從上面分析可以看出，每種協(xié)議之間是相互聯(lián)系的。因此，從某種意義上來講，很難說清楚到低是那種協(xié)議更有優(yōu)勢。基于對這些協(xié)議的比較分析表明，一個好的無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議應具備如下特征：

具有動態(tài)的選擇匯聚節(jié)點的能力。很明顯，匯聚節(jié)點的生命周期直接影響到整個傳感器網(wǎng)絡的生命周期。在信息的傳遞過程中，匯聚節(jié)點的使用頻率最高，能量消耗最大。當某一個匯聚節(jié)點的能量消耗過大時，傳感器網(wǎng)絡能夠根據(jù)匯聚節(jié)點的能量消耗狀況，動態(tài)的選擇能量消耗少的節(jié)點，進行信息的傳遞，平衡整個網(wǎng)絡的匯聚節(jié)點的能量消耗，可以延長傳感器網(wǎng)絡的生命周期。

快速的數(shù)據(jù)融合技術(shù)。多傳感器的信息采集過程同時也是多信息的融合問題。如果信息能夠在傳感器節(jié)點進行快速的信息融合和分離，將提高整個網(wǎng)絡的運行效率。

隨機路徑選擇能力。當有多條路徑可以進行信息傳遞時，系統(tǒng)可以根據(jù)整個網(wǎng)絡的能量消耗進行平衡，從多條路徑中選擇最適合的路徑。

總之，無線傳感器網(wǎng)絡是一門全新的技術(shù)，還有許多課題需要科技工作者堅持不懈的努力。