《传感器网络原理与应用》学习报告

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三、最新的路由协议

Protocol 1:EAGR[3](energy-aware geographic routing)

工作原理是:在发送数据之前,先建立锚节点表来引导数据的传

输,每个数据分组以锚节点为次目的节点,在源节点、次目的节点和目的节点间选择能量优化的中继节点来转发。在转发数据过程中,EAGR 结合网络能量消耗特征值、节点位置信息及能量消耗代价来选择转发节点,统筹考虑了节点在贪婪模式和边缘转发模式下的能量消耗。针对可能遇到的路由空洞,EAGR 通过建立锚节点表来绕行。图4给出了EAGR 工作示意图,其主要由4 个部分构成:

(1) 邻居节点信息收集与交换; (2) 锚节点表的建立; (3) 下一跳的选择;

(4) 传输功率的改变与分组的传输。

由于只使用贪婪模式沿着能量优化路径转发数据,EAGR 有效地降低了网络能量消耗,同时减小了网络传输时延。在具有有限路由空洞节点的传感网中,如果锚节点间传感节点均匀分布,则EAGR 能够有效降低网络通信能量消耗;否则,其有效性将显著降低。

图4 EAGR 工作示意图

研究能量感知地理路由的意义主要体现在: (1) 有利于降低节点能量消耗与延长网络寿命 (2)

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Protocol 2:WSN分簇路由协议

在WSN体系结构中,网络层的路由技术对WSN的性能好坏有着重要影响。

随着国内外WSN的研究发展,许多路由协议被提了出来,从网络拓扑结构的角度我们可以大体把它们分为两类:平面路由协议和分簇路由协议。

在平面路由协议中,所有网络节点的地位是平等的,不存在等级和层次差异。它们通过相互之间的局部操作和信息反馈来生成路由。在这类协议中,目的节点(sink)向监测区域的节点(source)发出查询命令,监测区域内的节点收到查询命令后,向目的节点发送监测数据。平面路由的优点是简单、易扩展,无须进行任何结构维护工作,所有网络节点的地位平等,不易产生瓶颈效应,因此具有较好的健壮性。典型的平面路由算法有DD(directed diffusion)[4],SAR(sequential assignment routing)[5],SPIN(sensor protocols for information via negotiation)[6],Romor Routing[7]等。平面路由的最大缺点在于:网络中无管理节点,缺乏对通信资源的优化管理,自组织协同工作算法复杂,对网络动态变化的反应速度较慢等。

在分簇路由协议中,网络通常被划分为簇(cluster)。所谓簇,就是具有某种关联的网络节点集合。每个簇由一个簇头(cluster head)和多个簇内成员(cluster member)组成,低一级网络的簇头是高一级网络中的簇内成员,由最高层的簇头与基站BS(base station)通信(如图1所示)。这类算法将整个网络划分为相连的区域。

在分簇的拓扑管理机制下,网络中的节点可以划分为簇头节点和成员节点两类。在每个簇内,根据一定的机制算法选取某个节点作为簇头,用于管理或控制整个簇内成员节点,协调成员节点之间的工作,负责簇内信息的收集和数据的融合处理以及簇间转发。

分簇路由机制具有以下几个优点:

(1) 成员节点大部分时间可以关闭通信模块,由簇头构成一个更上一层的连通网络来负责数据的长距离路由转发。这样既保证了原有覆盖范围内的数据通信,也在很大程度上节省了网络能量;

(2) 簇头融合了成员节点的数据之后再进行转发,减少了数据通信量,从而节省了网络能量;

(3) 成员节点的功能比较简单,无须维护复杂的路由信息。这大大减少了网络中路由控制信息的数量,减少了通信量;

(4) 分簇拓扑结构便于管理,有利于分布式算法的应用,可以对系统变化作

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出快速反应,具有较好的可扩展性,适合大规模网络;

(5) 与平面路由相比,更容易克服传感器节点移动带来的问题。

簇头的产生是簇形成的基础。分簇路由算法的第一步就是考虑怎样产生簇头。在一些协议中,比如max-min zPmin,ECMR(energy-conscious message routing),簇头是被预先指定部署的,且假设它们的能量并不受限。这与一般的WSN情况不同,大多数分簇路由协议是让资源受限的传感器节点承担簇头的任务。为了延长网络的生命周期,簇头需要周期性地更新。簇头的产生方法、数量和位置决定了最终形成的簇的结构、大小和数量,也影响了节点的能量耗费进度和网络的生命周期。目前的簇头选择算法一般基于以下一些准则:(1) 节点的剩余能量;(2) 簇头到基站的距离;(3) 簇头的位置分布,包括簇头的连通度和覆盖度;(4) 簇内通信代价。

簇头产生算法:CEFL[4]

CEFL(cluster-head election using fuzzy logic)采用Mamdani模糊逻辑方法选择簇头。CEFL的输入变量是节点能量、节点密集度和节点向心性。节点密集度是指节点所在位置周围节点的密度,节点向心性是指节点靠近簇的中心程度,用该节点到簇内其他节点的距离平方和来度量。节点能量和节点密集度被安排成3种等级的隶属度:high,medium,low;节点向心性也被安排成3种等级的隶属度:close,adequate,far;模糊输出集合包括7种结果:very small,small,rather small,medium,rather large,large,very large,表示节点当选簇头的可能性。CEFL采用重心法(center of gravity)进行解模糊判决,从模糊输出隶属函数中找出一个最能代表模糊集合的精确量。该算法适合中等规模网络。实验结果表明,该簇头选择

LEACH

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Protocol 3:基于机会的路由协议[5](ExOR opportunistic

机会路由充分利用了无线多跳网络的信道广播特性,通过多个潜在中继节点

multi-hop routing for wireless networks)

竞争并自主智能选择下一跳节点,来提高无线网络的传输可靠性和端到端的吞吐率。

机会转发可以选择多个中间节点作为转发中继节点。每次数据发送后,都有更多的被接收和再次转发的机会。如图5 所示(链路上的值代表该链路分组成功投递率),假设从源节点Src 到每个中间节点的转发成功率为25%,从每个中间节点到目的节点Dst 的转发成功率是100%。使用传统确定性路由方法,源节点将从4 个中间节点中选择一个节点作为下一跳节点。此时,从源节点到目的节点的转发成功率只有25%,即源节点平均发送4次,目的节点才能成功收到1 次。如果使用机会路由的方式,建立一个转发节点集(forwarder candidate set),把4 个中继节点同时作为备选转发节点,只要其中一个收到源节点发来的数据包就可以继续向目的节点转发,转发率可以提高到[1-(1-0.25)4]*100%≈68%,转发率从25%上升到了68%,从而显著提高了端到端的吞吐量。

图5 增加单跳传输可靠性

机会路由协议也可以减少端到端转发跳数、降低延迟、提高吞吐量。如图6 所示,5 个中间节点在源节点和目的节点之间沿直线分布,图中长度相同的链路具有相同的分组投递率。传统路由协议事先确定源到目的节点所要经过的中间节点,例如Src-B-D-Dst。当源节点向下一跳节点B 发送数据时,B 收到了数据包,但同时C 也收到了同样的数据包。机会路由策略允许C 向下游转发,而不是由

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