专题3 无线传感器网络路由技术

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一种分布式的节能簇算法HEED
HEED算法综合节点的剩余能量和其他参数(如 候选节点与邻居节点的邻近性)来周期性地选择 簇头。HEED算法比传统的簇算法具有更小的 消息开销，并且HEED可以保证簇头节点在整 个网络中分布良好
EADEEG算法
在簇头的竞选中也考虑了节点剩余能量及节点 周围邻居的平均剩余能量两种信息，很好地解 决了能量异构问题。然而，在簇形成阶段节点 仍然需要交互多个控制信息包，即消耗了大量 无用能耗，因而增大了系统的能量开销 29 WMIIPL
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3 路由算法设计指标
最优化：选择最佳路径的能力
简洁性：算法开销小，能量高效
路由算法 设计指标
鲁棒性：自恢复能力 快速收敛：算法速度 灵活性：适应各种环境的能力
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二、WSN节点能耗分析 节点主要由传感器模块、处理器模块和无 线通信模块构成，随着微机电系统 (MicroElectro-Mechanical Systems， MEMS)、集成制造技术的飞速发展，传感 器和处理器模块的功耗变得很低，而主要 的能耗点在无线通信模块
（1）路由鲁棒性 无线传感器网络必须能够承受间歇性的资 源及通信失效，个别节点的失效不影响全 局工作，即要求系统能够在不降低性能或 者即使在较低性能下仍继续工作 这就要求路由协议具有较高的鲁棒性，能 够消除典型错误，保证网络信息的传输， 达到网络高可用性和高可靠性的要求
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（2）高可靠性路由
BS
簇 簇头节点 成员节点
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簇成员采集的数据不是直接发送给基站 (BS)，而是将其传送给自己的簇头，簇头 把成员节点的传感数据进行聚集和融合， 再传送给基站。同时，簇头还可以负责簇 间数据的转发和基站控制消息的分发，负 荷较重，能耗较大 簇成员和簇头之间通信可以采取直接通信 的方式，也可以通过多跳路由方式
采用多跳通信方式 减少通信流量 增加休眠时间 功率控制
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采用多跳通信方式 通信模块的能耗很大程度取决于无线发射 功率，在自由空间模型下，能耗 与通信距 离 的关系为 ，E=εdn。可见，随着通信距 离的增加，能耗将成指数级急剧增加。 因此，应该尽量减少单跳通信距离，增加 传感器节点的部署密度，减小无线电覆盖 范围，降低无线发射功率，最终达到节省 能耗延长网络寿命的目的。 多跳通信方式是无线传感器网络，特别是 在大规模无线传感器网络普遍采用的方式 。
1、低能耗路由的重要性 节点一般采用微型化设计并使用电池供电 ，很难提供充足的能量供给，如果大量节 点因为能量耗尽而失效，那么网络的可用 性将受到严重威胁 在无线传感器网络各项技术中，最为核心 的技术挑战是如何降低能耗、延长网络使 用寿命
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1、低能耗路由的重要性
低能耗成了几乎所有无线传感器网络技术的标准 ，从最底层的天线设计、到MAC协议、到时间同 步和定位技术、到拓扑控制和路由技术，再到上 层的数据存储与查询等，都涉及到合理高效的利 用节点能量 路由协议是无线传感器网络重要支撑技术之一， 它负责源节点和目的节点之间的数据传输，是无 线传感器网络数据交互的纽带，在传感器网络设 计中占有重要地位。为了最大限度的节省能量， 高能效的路由设计是减少能耗的根本保障，也是 延长网络生命周期的重要手段。
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将簇进行更细粒度的划分就形成多层嵌套 的簇结构，即簇头节点还可以再选举产生 更高一级簇头 多层簇结构适用于规模更大的网络，但通 常两层结构己可以满足大多数应用需求
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基于簇的路由主要研究内容
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细分为：
簇如何形成 [1] 簇规模优化 [2~4] 平均能耗 [5~8] TDMA [9] 路由优化 [10] 负载均衡
电子科技大学自动化工程学院
2016/11/19
（1）路由鲁棒性 将路由协议在其自身或外界因素摄动的情 况下维持原有性能的能力称为鲁棒性 为数据传输而设计的路由协议很多是在数 据通信可靠的假设下设计的，而实际环境 往往不能保证可靠通信 无线传感器网络的特殊运行环境、特殊能 量供给方式和组网模式使得网络很容易出 现故障，一些可控(通信功率大小、天线方 向等)及不可控(障碍、孤儿节点、移动等) 因素的摄动都将可能导致数据传输性能的 下降甚至系统崩溃。
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2、层次路由协议
层次路由协议的典型方式是分簇 通过分簇路由协议将网络划分为多个簇 (Cluster)。 所谓簇，就是具有某种关联的网络节点集合， 簇将网络节点划分为不同功能的个体，它们依 据特定的方式在簇中扮演不同的角色
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簇一般包括一个簇头(Cluster Head，CH)和多个 簇成员(Cluster Member，CM)
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2、无线自组织路由协议需解决的问题
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无线信道的不断变化、节点的移动、加入、退出 等会引起网络拓扑结构的动态变化，这种环境不 同于传统固定网络的路由协议，主要需解决以下 问题： （1）高鲁棒性路由——适应环境因素的动态变化， 故障自恢复能力 （2）高可靠性路由 （3）节点能量最优化问题（节能）
专题三：无线传感器网络路由技术
一、WSN路由概述
二、WSN节点能耗分析
三、典型的路由协议
四、无线传感器网络高可靠性路由
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一、WSN路由概述
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WSN路由是把信息从源穿过网络传递到目的行为 ，包括选定最优路径和传输数据包两个部分
源节 点
目的 节点
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2016/11/19
文献“Energy Adaptive Cluster Head Selection for Wireless Sensor Networks.”引入上一轮节点剩余能量和簇 平均能量以及消耗的能量三个参数重新改 进了LEACH中阈值 ，降低了低能量节点当 选簇头的概率，进一步提高了簇头选择的 合理性 依据节点能量信息进行簇头选举的算法比 较典型的还有DEEC、REECP等
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针对LEACH的不足，Heinzelman等人又与 2002年提出了改进的LEACH算法LEACH-C
引入剩余能量来竞选簇头，因而，网络中的节 点都需要告知BS自身位置及剩余能量信息，由 BS进行优化运算，然后将结果广播给网络中的 各个节点。 但是，作为一种集中式的路由算法，网络需要 交互的控制信息增多，浪费能耗加大，时间延 迟增加，节省的有用能耗往往不能抵消浪费能 耗，算法还需进一步改善。
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分簇路由的改进
簇头的选择、簇的划分及簇的数据传输是基于 簇结构的路由要解决的三大核心问题，在簇路 由的不断发展过程中，针对这三个方面的优化 问题涌现出了很多改进算法。
1) 对簇头选举方法的改进
为了延长网络周期，簇头需要更新，目前的簇 头选择算法一般需考虑以下因素：①节点的剩 余能量；②簇内通信代价，包括簇头到簇成员 间的距离、跳数等信息；③邻居节点数；④簇 头的位置分布，包括连通度和覆盖度等
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除了剩余能量外，节点间的距离信息也是 竞选簇头的一个重要参考指标，距离信息 一般包括节点到基站距离以及节点到簇内 其余节点的距离平方和等参数。 距离信息的引入可以使所形成的簇在簇内 的通信代价进一步缩小，这类算法如 HYENAS、EAREC等
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一些算法在竞选簇头过程中参考了节点的 邻居数等信息，比如WCA、MECH等，其 中WCA在簇头选举过程中，除了节点邻居 信息外，还依据了节点的通信能力、电池 寿命以及节点的移动情况等。
簇间重叠问题 簇头不在簇中央 簇头在网络内分布不均匀 通信障碍问题 [11] 数据传输过程中的能量浪费 簇内节点定位问题
簇
电子科技大学自动化工程学 院
2016/11/19
3、典型的簇路由 簇路由的发展自2000年麻省理工学院电子 工程和计算机科学系的Heinzelman等提出 LEACH算法开始 但是，由于其簇头所占百分比的确定与网 络规模和节点的密度相关，比较难以量化 ，同时，各节点随机决定是否成为簇头， 导致簇头位置和簇成员个数很不均匀，而 且采用了簇头直接与基站通信的路由模式 ，能耗较大，这些缺点使得LEACH算法的 应用非常受限。
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功率控制 功率控制主要是通过调整发送节点的信号 发射功率，在保证一定通信质量的前提下 尽量降低信号发射功率。 在物理层采用发射功率等级可变的无线网 卡，根据收发信机之间的距离，结合节点 运动预测，采用自适应天线改变发射功率 的大小，以及根据信道特性合理分配功率 等来提高能量的利用率
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无线通信模块划分了四个工作状态：发送 、接收、空闲和休眠 发送状态时能耗最大，而接收和空闲状态 下能耗相当。 功耗/mW
16 14 12 10 6 5 4 2 0 传感器 处理器
文 本 文 本
文本
文本
发送
接收
空闲
Βιβλιοθήκη Baidu
睡眠
无线通信模块
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文 本
降低能耗的措施 除了设计低功耗的无线通信模块和天线外 ，减少无线通信模块的能量损耗主要措施 还有：
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（1）路由鲁棒性 频繁变化的网络拓扑结构使网络中的传感 器、感知对象和观察者这三要素都可能具 有很大的不确定性，并且经常有新节点的 加入或已有节点失效，这就要求无线传感 器网络有能力处理这些不定因素带来的网 络变化，并能迅速适应新的网络环境，防 止网络性能下降给系统带来不利影响
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增加休眠时间 通信模块处于休眠状态时能耗最低，对于 Mica2 Mote，发送、接收、空闲和休眠状 态下的能耗分别为81mw ，30mw ，30mw ， 0.003mw 而即使处于没有数据传输的空闲状态下， 节点也在不断的监听信道，在无线传感器 网络中空闲状态的能耗也是惊人的。因此 ，当不需要通信时，应尽量使节点处于休 眠状态，以节省无线通信模块的能耗
在现有高可靠性路由设计中，普遍采用的是多路 径(multi-path)路由方式，数据的多个拷贝沿着多 条可能的路径同时传输 高能效、高可靠性路由协议 多路径的多跳通信方式虽然在一定程度上提高了 数据传输可靠性，但整个系统能量消耗比较大， 在无线传感器网络的发展中 能效较低，使得网络的生命周期减小。 占有重要地位，也是近年来 因此，数据通信的可靠性和能量的高效性两者往 往是相互制约，在无线传感器网络路由设计中应 的一个研究热点 努力寻求两者的最佳结合点，使网络以最低的能 耗成本达到最满意的系统性能。
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（3）节点能量最优化问题 有限的节点能量决定了无线传感器网络进 行数据传输、接收和处理的能力是有限的 ，这个能力用网络生命周期进行衡量。 为了最大限度的延长网络生命周期，在无 线传感器网络设计的各个层面上都必须贯 穿高能效的设计理念 不仅在节点的能耗设计上采用了低能耗策 略，更在路由协议的设计上采取了一系列 高能效的措施
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减少通信流量 除了无线发射功率外，数据传输、接收的 时间跨度也是无线通信模块能耗的重要方 面，因此，应尽量减少数据包不必要的转 发和接收，不需要通讯时使节点尽快进入 睡眠状态，特别是在路由算法中应尽量减 少路由建立过程中的控制包数量。 此外，减少冲突、增加错误校验和校正机 制、减少控制包的开销、数据融合(Data aggregation)等，也能有效地减少传输的 报文数量和长度
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三、典型的路由协议 1、平面路由
从网络拓扑结构的角度看，路由可分为平面路 由协议和层次路由协议两类。在平面路由协议 中，各个网络节点地位平等，不存在等级和层 次差异，路由简单，易扩展，无需进行任何架 构维护，不易产生瓶颈效应，具有较好的健壮 性
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典型的平面路由算法如SPIN ，DD，SAR， Romor Routing 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，网络规模受限，路由跳数往往较 多，因而对网络动态变化的反应速度较慢等