無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議

引言 

　　隨著傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和無(wú)線通訊技術(shù)的發(fā)展，以大量的具有微處理能力的微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)逐漸成為學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)問(wèn)題。美國(guó)商業(yè)周刊和MIT技術(shù)評(píng)論在預(yù)測(cè)未來(lái)技術(shù)發(fā)展的報(bào)告中，分別將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為21世紀(jì)最有影響的技術(shù)和改變世界的技術(shù)之一。與傳統(tǒng)無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)相比，WSN的自組織性、動(dòng)態(tài)性、可靠性和以數(shù)據(jù)為中心等特點(diǎn)，使其可以應(yīng)用到人員無(wú)法到達(dá)的地方，比如戰(zhàn)場(chǎng)，沙漠等。因此，可以斷定未來(lái)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將有更為廣泛的前景。 

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)[1]如圖1所示,傳感器網(wǎng)絡(luò)通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)任意的分布在某一監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，節(jié)點(diǎn)以自組織的形式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)多跳中繼方式將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)，最后通過(guò)Internet或其他網(wǎng)絡(luò)通訊方式將監(jiān)測(cè)信息傳送到管理節(jié)點(diǎn)。同樣的，用戶可以通過(guò)管理節(jié)點(diǎn)進(jìn)行命令的發(fā)布，告知傳感器節(jié)點(diǎn)收集監(jiān)測(cè)信息。


圖1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)圖

傳感器節(jié)點(diǎn)是一個(gè)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(wú)線通訊模塊和能量供應(yīng)模塊。其結(jié)構(gòu)體系如圖2所示。 

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)

　　傳感器模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)信息的采集和轉(zhuǎn)換，信息處理模塊負(fù)責(zé)管理整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)、存儲(chǔ)和處理自身采集的數(shù)據(jù)或者其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，無(wú)線通訊模塊負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊，能量供應(yīng)模塊負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行進(jìn)行能量的供應(yīng)。 

　　傳感器節(jié)點(diǎn)能量的供應(yīng)是采用電池，節(jié)點(diǎn)能量有限，考慮盡可能的延長(zhǎng)整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期，在設(shè)計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)，保證能量供應(yīng)的持續(xù)性是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)原則。傳感器節(jié)點(diǎn)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(wú)線通訊模塊，而絕大部分的能量消耗是集中在無(wú)線通訊模塊上，約占整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)能量消耗的80%。因此，目前提出的傳感器節(jié)點(diǎn)通訊路由協(xié)議主要是圍繞著減少能量消耗延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期而進(jìn)行設(shè)計(jì)的。 

　　在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，路由協(xié)議不僅關(guān)心單個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量消耗，更關(guān)心整個(gè)網(wǎng)能量的均衡消耗，這樣才能延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存期。同時(shí)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(gè)節(jié)點(diǎn)沒(méi)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(diǎn)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(diǎn)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(luò)路由協(xié)議，就是基于上述的目的。 

　　無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議 

　　相對(duì)于傳統(tǒng)無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)而言，傳統(tǒng)無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)研究的重點(diǎn)放在無(wú)線通訊的服務(wù)質(zhì)量(QoS)上，而無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)是隨機(jī)分布，電池供電，因此目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究重點(diǎn)是放在如何提高能量效率上，當(dāng)前流行的幾個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(wú)線通訊路由協(xié)議。該協(xié)議規(guī)定，每個(gè)節(jié)點(diǎn)接受來(lái)自其他節(jié)點(diǎn)的信息，并以廣播的形式發(fā)送給其他鄰居節(jié)點(diǎn)。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(diǎn)。但這個(gè)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(fèi)。因此在泛洪協(xié)議的基礎(chǔ)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(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)而提出的。它傳播信息的途徑是通過(guò)隨機(jī)的選擇一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)，獲得信息的鄰居節(jié)點(diǎn)以同樣的方式隨機(jī)的選擇下一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息的傳遞。這種方式避免了以廣播形式進(jìn)行信息傳播的能量消耗，但其代價(jià)是延長(zhǎng)了信息的傳遞時(shí)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(yīng)路由協(xié)議。SPIN協(xié)議的目的是：通過(guò)節(jié)點(diǎn)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(dāng)某一個(gè)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)可以共享時(shí)，可以用其進(jìn)行數(shù)據(jù)信息廣播。 

　　REQ用于請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)某一個(gè)節(jié)點(diǎn)希望接受DATA數(shù)據(jù)包時(shí)，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(gè)DATA數(shù)據(jù)包之前，一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)首先對(duì)外廣播ADV數(shù)據(jù)包，如果某一個(gè)節(jié)點(diǎn)希望接受要傳來(lái)的數(shù)據(jù)信息，則向發(fā)送ADV數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)回復(fù)REQ數(shù)據(jù)包，因此，便建立起發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接受節(jié)點(diǎn)的聯(lián)系，發(fā)送節(jié)點(diǎn)便向接受節(jié)點(diǎn)發(fā)送DATA數(shù)據(jù)包，SPIN協(xié)議的工作流程如圖3所示。




定向擴(kuò)散(Directed Diffusion)協(xié)議 

　　定向擴(kuò)散協(xié)議[4]是一種基于查詢的路由機(jī)制。整個(gè)過(guò)程可以分為興趣擴(kuò)散、梯度建立以及路徑加強(qiáng)三個(gè)階段。在興趣擴(kuò)散階段，匯聚節(jié)點(diǎn)向傳感器節(jié)點(diǎn)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(wù)類型、目標(biāo)區(qū)域、數(shù)據(jù)發(fā)送速率、時(shí)間戳等參數(shù)。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)在收到該信息后，將其保存在CACHE中。當(dāng)整個(gè)信息要求傳遍整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)后，便在傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)之間建立起一個(gè)梯度場(chǎng)，梯度場(chǎng)的建立是根據(jù)成本最小化和能量自適應(yīng)原則。一旦傳感器節(jié)點(diǎn)收集到匯聚節(jié)點(diǎn)感興趣的數(shù)據(jù)，就會(huì)根據(jù)建立的梯度場(chǎng)尋求最快路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。梯度場(chǎng)建立過(guò)程如圖4所示。

圖4 定向擴(kuò)散路由機(jī)制

　　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(luò)能量損耗為目標(biāo)的分層式協(xié)議。該協(xié)議的主要思想是通過(guò)隨機(jī)選擇類頭節(jié)點(diǎn)，平均分擔(dān)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的中繼通訊業(yè)務(wù)來(lái)達(dá)到平均消耗傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能量的目的，進(jìn)而可以延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。LEACH協(xié)議可以將網(wǎng)絡(luò)生命周期延長(zhǎng)15%。LEACH協(xié)議分為兩個(gè)階段：類準(zhǔn)備階段和數(shù)據(jù)傳輸階段。類準(zhǔn)備階段和就緒階段所持續(xù)的時(shí)間總和稱為一個(gè)輪回。 

　　在類準(zhǔn)備階段，LEACH協(xié)議隨機(jī)選擇一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)作為類頭節(jié)點(diǎn)，隨機(jī)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(jǐn)偟剿袀鞲衅鞴?jié)點(diǎn)上。類頭節(jié)點(diǎn)是根據(jù)如下公式來(lái)選擇的： 

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

　　近幾年，針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究相對(duì)于傳統(tǒng)的無(wú)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(lái)講，很難說(shuō)清楚到低是那種協(xié)議更有優(yōu)勢(shì)?；趯?duì)這些協(xié)議的比較分析表明，一個(gè)好的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議應(yīng)具備如下特征：

　　具有動(dòng)態(tài)的選擇匯聚節(jié)點(diǎn)的能力。很明顯，匯聚節(jié)點(diǎn)的生命周期直接影響到整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期。在信息的傳遞過(guò)程中，匯聚節(jié)點(diǎn)的使用頻率最高，能量消耗最大。當(dāng)某一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)的能量消耗過(guò)大時(shí)，傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠根據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)的能量消耗狀況，動(dòng)態(tài)的選擇能量消耗少的節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行信息的傳遞，平衡整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點(diǎn)的能量消耗，可以延長(zhǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)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(guò)程同時(shí)也是多信息的融合問(wèn)題。如果信息能夠在傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行快速的信息融合和分離，將提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效率。 

　　隨機(jī)路徑選擇能力。當(dāng)有多條路徑可以進(jìn)行信息傳遞時(shí)，系統(tǒng)可以根據(jù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量消耗進(jìn)行平衡，從多條路徑中選擇最適合的路徑。 

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