WSN中的路由协议

第 1 页 共 9 页 WSN 中的路由协议 主讲彭菊萍 组员马小龙、任海英、王玉龙 班级兰州大学 2008 级计算机技术班 PPT 构成 1、WSN 的体系结构 2、路由协议的定义 3、WSN 的特点及对路由设计的影响 4、路由协议的关键问题分析 5、路由协议的分类 6、典型路由协议 一、WSN 的体系结构 Node 有四个基本组件构成 sensing unit processing unit Transceiver unit power unit 可能有的取决于应用程序需要的组件 location finding system许多路由技术和传感任务需要精确获悉节点位置 power generator在特定状况下需要提供长时间的电源支持 Mobilizer需要移动节点到另一个地方执行指定的任务 第 2 页 共 9 页 The sensor networks protocol stack physical layer 实现简单、强壮的数据调制，发送、接收 MAC 层 考虑节点的通信环境噪声和节点的移动，且需要降低能量消耗，最小化和邻居节点的广播冲突.负责 数据成帧，帧检测，媒体访问控制和差错控制 network layer 路由生成和路由选择 transport layer 数据流传输控制，是保证通信服务质量的重要部分 application layer 根据传感任务的不同，可以建立不同的 application power management plane 管理传感器节点如何使用能源，各个协议层都要考虑节省 mobility management plane 监测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由，使 node 能动 态跟踪其邻居节点的位置 task management plane 在一个给定的区域内平衡和调度监测任务 二、路由协议 路由协议是 WSN 的关键技术之一，它负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节 点 主要包括两个方面的功能 寻找源节点和目的节点的优化路径 将数据分组沿着优化路径正确转发 与有线网络和蜂窝式无线网络不同，WSN 中没有基础设施和全网统一的控制中心在这 种无中心的环境下，路由可以看成分布式地获取网络拓扑信息，以一定准则计算路径并对路 径进行维护的过程。 三、WSN 的特点及对路由设计的影响 网络特点是路由设计的主要依据，对网络特点的分析是进行协议设计的前提 无线传感网络中，网络业务的最大特点是具有明显的方向性。 为了实现信息采集的目的，WSN 的网络业务大都发生在数据汇聚节点（sink） 和普通的传感器节点之间，包括 sink 节点到传感器节点的下行业务（如查询指令下达） 和传感器节点到 sink 的上行业务（如采集信息的回传） 传感器节点之间的横向业务所占比例较小，主要是网络的控制信息和网内信息处理所 需要的信息。 无线传感器网络的一个基本理念是以大量低成本节点组网， 通过节点之间的协作获得比 单一的高精度、高可靠性和高成本的传感器更好的信息采集效果。单个传感器低能量和不可 靠是无线传感器网络固有的，将对协议设计产生较大影响。 从对路由协议设计影响的角度，归纳 WSN 的特点 1、形式多样的信息报告模式 WSN 中信息报告模式分三类 a.事件触发节点采集信息后判断，若超过一定的阈值，则认为发生了某种事件，需要 立即上报，如用于预警的 WSN b.周期的节点定期把采集到的信息报告给 sink。如野生动植物和环境监测 WSN c.基于查询node 不主动向 sink 上报采集到的信息，而是等待用户查询，根据用户需 要反馈信息。 d.混合模式前三种的综合。如智能交通的 WSN 不同的信息报告模式影响路由的触发机制 第 3 页 共 9 页 a.事件触发模式从节能的角度，按需建立路由更恰当 b.周期报告模式采用先应式的方法建立路由更加合适 c.基于查询模式查询信息的本身就可以辅助建立路由 2、多对一和一对多为主的业务模式 WSN的主要业务是传感器节点把采集到的信息传给sink和sink向WSN下达查询命令， 这是典型的多对一和一对多的模式。 为了支持这种通信模式，WSN 中很多路由协议建立具有树状结构的路由 此外还有“地域多播（geocast）”的业务模式 WSN 中，用户可能对一个地理信息区域内 的信息感兴趣，因此需要把查询和命令发送到该区域内的所有节点。以洪泛方式可以支持这 种业务，但是开销太大。针对这种模式设计了以下一些路由协议 LBM基于位置的多播协议 Voronoi diagram and convex hull based geocasting and routing 基于 Voronoi 图和基于凸包的地域多播协议 GEAR geographical and energy aware routing 3、数据为中心的设计理念 把 WSN 看成是一个大型的数据库，用户关心的是从这里得到什么信息，而不关心数据 库中的哪个元素（node）提供了该信息 该理念对网络层的一个重要影响是节点的地址分配 一般情况下没必要为每个 node 分配全局唯一地址，node 描述信息产生时间，地点和 内容即可，统一编址，对大规模 WSN 开销过大 特定情况，节点 ID 和位置具有一定绑定关系，可用 ID 代替位置。如工业检测 WSN 从实现多跳通信的角度，需要在局部标识不同的节点。 该理念还影响分组转发的过程WSN 中，原始数据可能存在一定的冗余，在满足信息 采集的要求前提下， 可以在数据转发过程中对其进行修改， 甚至把多个分组合并成一个分组， 从而降低能耗 4、动态变化的网络拓扑 大部分的 WSN 中节点并不移动， 造成网络拓扑变化的主要原因是节点的失效和存在不 可靠性、非对称链路。为了节能和延长网络寿命，需要对网络进行休眠调度，会在一定程度 上增加网络拓扑的动态性。在有些 WSN 中为了弥补节点失效造成的性能损失，进行再布设 （re-deployment） ，也会使网络拓扑发生变化。 第 4 页 共 9 页 有些 WSN 中的节点是可移动的，如医疗监测 WSN，候鸟迁徙 WSN，网络拓扑变化比 较快 5、能量受限、结构简单的节点 Node 大都由电池供电，电池体积小，能量有限且难以更换，许多场合需要 WSN 连续 工作数年甚至更长。 Node 结构简单，存储、处理、通信能力低，单个节点可靠性差。要求协议尽可能简单， 具有容错性 6、密集布设的大规模网络 WSN 通常密集布设大量节点，节点数量达到成千甚至上万。 同时节点的密度也很高，有的情况下可以达到 20 个/m 这些使得协议的可扩展性变得十分重要 四、路由协议的关键问题分析 1、能量有效性 提高能量有效性是 WSN 从硬件设计到软件开发都必须考虑的问题。 从路由协议设计的角度有两种思路提高能量有效性 A 节能寻找节能路由，减少路由建立和维护的控制开销，提高路由可靠性 B 能耗均衡从空间上调度能量资源，使网络中节点能量均衡消耗 2、可扩展性 可扩展性是指网络的性能不随着网络中节点的数量增加而有明显的下降 两类重要策略 A 分层路由网络分成若干层，低一层的