无线传感网络第七章
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与其他网络不同，因此路由协议设计时也需要加以区别，主要考 虑数据传输方式、无线传输手段以及数据融合技术等。
7.1.2路由的过程
无线传感器网络的路由过程主要分为以下4个步骤： ①某一个设备发出路由请求命令帧，启动路由发现过程； ②对应的接收设备收到该命令后，回复应答命令帧； ③对潜在的各条路径开销(跳转次数、延迟时间)，进行评估比 较；
LEACH协议特点
1 为了减少传送到汇聚节点的信息数量，簇首节点负责融合 来自簇内不同源节点所产生的数据，并将融合后的数据发送到汇 聚点。 2 LEACH采用基于TDMA/CDMA的MAC层机制来减少簇内和簇间的 冲突。 3 由于数据采集是集中的和周期性的，因此该协议非常适合 于要求连续监控的应用系统。 4 对于终端使用者来说，由于它并不需要立即得到所有的数 据，因此协议不需要周期性的传输数据，这样可以达到限制传感 器节点能量消耗的目的。 5 在给定的时间间隔后，协议重新选举簇首节点，以保证无 线传感器网络获取统一的能量分布。
C1 C0 C2 C4 C3 BS(基站) C0 C1 C2 C3 C4
图 7-5 PEGASIS 数据传输链的形成
7.3.3 TEEN
阈值敏感的高效传感器网络TEEN协议(Threshold Sensitive Energy Efficient Sensor Network)，是一个基于簇群的路由协议，也是由LEACH发展 而来，在这个协议中定义了硬门限和软门限两个概念。 这个算法适用于实时性要求较高的应用场合，用户可以及时获取感兴趣的 信息。由于感应数据所耗能量比传输数据所耗能量要少得多，虽然节点一直处 于感应状态，但是由于减少了很多不必要的数据传输，因此相对来说还是节能 的。该协议也有一些不足之处： ①门限值达不到，节点就永远不会和簇头节点通信，用户就无法从网络得 到任何数据，即使节点已经死亡，用户也不知情； ②TDMA机制的运用保证了群中不会出现数据冲撞的情况，但是如果一个节 点没有数据要发送的话，属于它的时隙就浪费掉了，而其他节点却还在等待自 己的时隙，这样会向系统中引入过多的时延，不适于实时性要求太高的场合； ③没有相应的机制去区分那些没有感应到足够大变化的节点和处于关闭状 态的节点。群头节点的接收机要时刻处于激活状态，以便接收任何时候由成员 节点传来的数据，在某种程度上增加了簇头节点的负担。
洪泛路由算法是一个简单有效的路由算法，其基本思想 是每个节点都是用广播转发收到的数据分组，若收到重 复分组则进行丢弃处理。洪泛协议会导致数据分组以源 节点为中心进行扩散，为了不造成大面积的扩散占用过 多的网络资源以及使扩散收敛，需要设定合适的TTL值 （IP包被路由器丢弃之前允许通过的最大网段数量）， 保证数据分组只经过有限跳路由； 此外为了进行重复分组检测，每个节点需要维护一个数 据分组序号SEQ和一张路由表，源节点每发送一个数据 分组则将SEQ增1，并将该SEQ添加到数据分组的IP头部 ，其余节点收到数据分组后会将该SEQ记录到路由表并 根据该SEQ进行重复分组检测。
LEACH局限性
1 由于LEACH假定所有节点能够与汇聚节点直接通信， 并且每个节点都具备支持不同MAC协议的计算能力，因 此该协议不适合在大规模的无线传感器网络中应用。 2 协议没有说明簇头节点的数目怎么分布才能及于整个 网络。因此，很可能出现被选的簇头节点集中在网络某 一区域的现象，这样就会使得一些节点的周围没有任何 簇头节点。 3 由于LEACH假定在最初的簇头选择回合中，所有的节 点都携带相同的能量，并且每个成为簇头的节点都消耗 大致相同的能量。因此，协议不适合节点能量不均衡的 网络。
业务类型，保证满足不同业务需求的QoS路由协议。
7.2 平面路由协议 7.2.1 Flooding and Grossing 协议
1. 洪泛路由协议
洪泛路由协议(Flooding Protocol)是一种最早的路由协议，接收到消 息的节点以广播的转发报文给所有的邻居节点， (如图7-1,2所示)。
Grossing（闲聊）路由协议
Grossing（闲聊）路由协议在Flooding协议的 基础上进行了改进，节点对于产生或收到的数 据并不是无条件转发，而是随机转发，因此在 一定程度上解决了Flooding协议广播风暴的问题 。但是随机转发数据增加了信息传输的平均时 延，导致传输速度变慢，并且无法解决部分交 叠和盲目利用资源问题。
第 7章
无线传感器网络的路由协议
7.1 路由协议概述
7.1.1无线传感器网络路由协议的考虑因素
设计无线传感器网络的路由要考虑的因素很多，大致分为以下两 种类型。 (1)网络特征：无线传感器网络具有与众不同的特征，应用 于路由协议设计时，主要应该考虑能量损耗、节点部署和网络拓 扑变化。
(2)数据传输特征：无线传感器网络的数据采集和传输要求
7.3.2 PEGASIS
高能效采集传感器信息系统PEGASIS协议(Power Efficient Gathering in Sensor Information Systems)是在LEACH协议上提出的一 种改进路由算法。PEGASIS路由协议在网络中选择一个节点作为起始节点 建立一条最优回路链，起始节点将数据融合后的数据信息发送给Sink节 点。由于起始节点的负载较重，PEGASIS采用了全网节点轮流作为回路链 起始节点的方式来进行均衡。 该路由协议中使用了贪婪算法(Greedy Algorithm)来形成链，如图 7-5所示。在每一轮通信之前才形成链。为确保每个节点都有其相邻节点， 从离基站最远的节点开始构建，链中邻居节点的距离会逐渐增大，因为 已经在链中的节点不能被再次访，当其中一个节点失效时，链必须重构。
存时间。
7.3 层次路由协议
LEACH在运行过程中不断的循环执行簇的重构过程，每个簇重构过程可以 用回合的概念来描述。每个回合可以分成两个阶段：簇的建立阶段和传输数 据的稳定阶段。为了节省资源开销，稳定阶段的持续时间要大于建立阶段的持 续时间。簇的建立过程可分成4个阶段：簇头节点的选择、簇头节点的广播、 簇头节点的建立和调度机制的生成。 簇头节点的选择依据网络中所需要的簇头节点总数和迄今为止每个节点已 成为簇头节点的次数来决定。具体的选择办法是：每个传感器节点随机选择01之间的一个值。如果选定的值小于某一个阈值，那么这个节点成为簇头节点。 选定簇头节点后，通过广播告知整个网络。网络中的其他节点根据接收信 息的信号强度决定从属的簇，并通知相应的簇头节点，完成簇的建立。最后， 簇头节点采用TDMA方式为簇中每个节点分配向其传递数据的时间点。 稳定阶段中，传感器节点将采集的数据传送到簇头节点。簇头节点对簇中 所有节点所采集的数据进行信息融合后再传送给汇聚节点，这是一种较少通信 业务量的合理工作模型。稳定阶段持续一段时间后，网络重新进入簇的建立阶 段，进行下一回合的簇重构，不断循环，每个簇采用不同的CDMA代码进行通信 来减少其他簇内节点的干扰。
1．SAR协议
顺序分配路由SAR协议(Sequential Assignment Routing)是第一个具 有QoS意识的路由协议。该协议通过构建以Sink的单跳邻居节点为根节点的 多播树来实现传感器节点到Sink节点的ຫໍສະໝຸດ Baidu跳路径。 2．DD协议 定向扩散路由DD协议(Directed Diffusion)是一种以数据为中心的信 息传播协议，与已有的路由算法有着截然不同的实现机制。
7.2.2 SPIN协议
基于协商机制的传感器网络SPIN协议(Sensor Protocols for Information via Negotiation)是一种以数据为中心的白适应通信方式， 使用3种类型的信息进行通信，即ADV、REQ和DATA信息。图7-4表示了SPIN
协议的工作过程。
图 7-4 SPIN协议工作过程
SPIN协议的缺点是没有考虑节能和多种信道条件下的数据传输问题。
因此，后续又出现了SPIN-PP (Point to Point，点到点的通信模式)、 SPIN-EC (Energy Control，点到点模式下的节能路由)、SPIN-RL (Route
Lossy，点到点通信中的信道衰减模式)、SPIN-BC (Broadcast Channel，
低功耗自适应聚类分级LEACH协议(LOW Energy Adaptive Clustering Hierarchy)是无线传感器网络中最早提出的分层路 由算法。LEACH可以将网络整体生存时间延长15％，其基本思想 是通过随机循环地选择簇头节点将整个网络的能量负载平均分配
到每个传感器节点中，从而降低网络能源消耗，提高网络整体生
3．MCFA协议
最小开销前行算法MCFA协议(Minimum Cost For warding Algorithm for Large Sensor Networks)充分利用了传感器网络中的数据传输不对称的 特点，即大多的数据流都是从传感器节点向Sink节点的方向传输。
7.3 层次路由协议
7.3.1 LEACH
（x） A （x）
q
A
r
C
s
B （x） D
C
（q,r）
（x）
B
（r,s）
C
图 7-2 洪泛法的信息重叠问题
S 1(x)
图 7-1 洪泛法的信息爆炸问题
2. 闲聊法
闲聊法(Grossing)是洪泛法的改进 版本。 如图7-3所示
4(x) A 2(x) E 图 7-3 闲聊法协议过程 B (x)3 D
洪泛路由协议
洪泛路由协议
洪泛算法最大的问题是会产生大量的重复分组 ，占用网络资源，使路由器和链路的资源过于 浪费，以致效率很低。但是洪泛路由算法是一 个最简单和最可靠的路由算法，在节点运动剧 烈、进出网络频繁变化的场景下，全网洪泛是 有效的方式，其具有极好的健壮性，可用于军 事应用，也可以作为衡量标准评价其他的路由 算法。
7.3.4 APTEEN、TTDD和EARSN协议 1．APTEEN
APTEEN (Adaptive Periodic TEEN) 协议是对TEEN的扩展，
它是一种结合响应型和主动型传感器网络策略的混合型网络路由
协议，可以根据用户需要和应用类型来设定协议的周期性和相关 阀值，即可以周期性采集数据又可以对突发事件作出快速反应。 APTEEN在TEEN的基础上定义了一个计数时间，当节点从上一次发 送数据开始经历这个计数时间还没有发送数据，那么不管当前的 数据是否满足软、硬门限的要求都会发送这个数据。APTEEN可以 通过改变计数时间来控制能量消耗。
④将评估确定之后的最佳路由记录添加到此路径上各个设备的
路由表中。
7.1.3无线传感器网络路由协议分类方法
1．按源节点获取路径的方法
主动路由协议、按需路由协议 、混合路由协议 2．按节点参与通信的方式
直接通信路由协议、平面路由协议、层次路由协议
3．按路由的发现过程 以位置信息为中心的路由协议、以数据为中心的路由协议 4．按路由选择是否考虑服务质量(QoS)约束 保证QoS的路由协议是指在路由建立时，考虑时延、丢包率等QoS参 数，从多条可行的路由中选择一条最适合QoS应用要求的路由；或者根据
广播信道模式)等在SPIN基础上改进的路由协议。
7.2.3 SAR、DD和MCFA协议
1．SAR协议
顺序分配路由SAR协议(Sequential Assignment Routing)是第一个具 有QoS意识的路由协议。该协议通过构建以Sink的单跳邻居节点为根节点的 多播树来实现传感器节点到Sink节点的多跳路径。 2．DD协议 定向扩散路由DD协议(Directed Diffusion)是一种以数据为中心的信 息传播协议，与已有的路由算法有着截然不同的实现机制。
3．MCFA协议
最小开销前行算法MCFA协议(Minimum Cost For warding Algorithm for Large Sensor Networks)充分利用了传感器网络中的数据传输不对称的 特点，即大多的数据流都是从传感器节点向Sink节点的方向传输。
7.2.3 SAR、DD和MCFA协议
7.1.2路由的过程
无线传感器网络的路由过程主要分为以下4个步骤： ①某一个设备发出路由请求命令帧，启动路由发现过程； ②对应的接收设备收到该命令后，回复应答命令帧； ③对潜在的各条路径开销(跳转次数、延迟时间)，进行评估比 较；
LEACH协议特点
1 为了减少传送到汇聚节点的信息数量，簇首节点负责融合 来自簇内不同源节点所产生的数据，并将融合后的数据发送到汇 聚点。 2 LEACH采用基于TDMA/CDMA的MAC层机制来减少簇内和簇间的 冲突。 3 由于数据采集是集中的和周期性的，因此该协议非常适合 于要求连续监控的应用系统。 4 对于终端使用者来说，由于它并不需要立即得到所有的数 据，因此协议不需要周期性的传输数据，这样可以达到限制传感 器节点能量消耗的目的。 5 在给定的时间间隔后，协议重新选举簇首节点，以保证无 线传感器网络获取统一的能量分布。
C1 C0 C2 C4 C3 BS(基站) C0 C1 C2 C3 C4
图 7-5 PEGASIS 数据传输链的形成
7.3.3 TEEN
阈值敏感的高效传感器网络TEEN协议(Threshold Sensitive Energy Efficient Sensor Network)，是一个基于簇群的路由协议，也是由LEACH发展 而来，在这个协议中定义了硬门限和软门限两个概念。 这个算法适用于实时性要求较高的应用场合，用户可以及时获取感兴趣的 信息。由于感应数据所耗能量比传输数据所耗能量要少得多，虽然节点一直处 于感应状态，但是由于减少了很多不必要的数据传输，因此相对来说还是节能 的。该协议也有一些不足之处： ①门限值达不到，节点就永远不会和簇头节点通信，用户就无法从网络得 到任何数据，即使节点已经死亡，用户也不知情； ②TDMA机制的运用保证了群中不会出现数据冲撞的情况，但是如果一个节 点没有数据要发送的话，属于它的时隙就浪费掉了，而其他节点却还在等待自 己的时隙，这样会向系统中引入过多的时延，不适于实时性要求太高的场合； ③没有相应的机制去区分那些没有感应到足够大变化的节点和处于关闭状 态的节点。群头节点的接收机要时刻处于激活状态，以便接收任何时候由成员 节点传来的数据，在某种程度上增加了簇头节点的负担。
洪泛路由算法是一个简单有效的路由算法，其基本思想 是每个节点都是用广播转发收到的数据分组，若收到重 复分组则进行丢弃处理。洪泛协议会导致数据分组以源 节点为中心进行扩散，为了不造成大面积的扩散占用过 多的网络资源以及使扩散收敛，需要设定合适的TTL值 （IP包被路由器丢弃之前允许通过的最大网段数量）， 保证数据分组只经过有限跳路由； 此外为了进行重复分组检测，每个节点需要维护一个数 据分组序号SEQ和一张路由表，源节点每发送一个数据 分组则将SEQ增1，并将该SEQ添加到数据分组的IP头部 ，其余节点收到数据分组后会将该SEQ记录到路由表并 根据该SEQ进行重复分组检测。
LEACH局限性
1 由于LEACH假定所有节点能够与汇聚节点直接通信， 并且每个节点都具备支持不同MAC协议的计算能力，因 此该协议不适合在大规模的无线传感器网络中应用。 2 协议没有说明簇头节点的数目怎么分布才能及于整个 网络。因此，很可能出现被选的簇头节点集中在网络某 一区域的现象，这样就会使得一些节点的周围没有任何 簇头节点。 3 由于LEACH假定在最初的簇头选择回合中，所有的节 点都携带相同的能量，并且每个成为簇头的节点都消耗 大致相同的能量。因此，协议不适合节点能量不均衡的 网络。
业务类型，保证满足不同业务需求的QoS路由协议。
7.2 平面路由协议 7.2.1 Flooding and Grossing 协议
1. 洪泛路由协议
洪泛路由协议(Flooding Protocol)是一种最早的路由协议，接收到消 息的节点以广播的转发报文给所有的邻居节点， (如图7-1,2所示)。
Grossing（闲聊）路由协议
Grossing（闲聊）路由协议在Flooding协议的 基础上进行了改进，节点对于产生或收到的数 据并不是无条件转发，而是随机转发，因此在 一定程度上解决了Flooding协议广播风暴的问题 。但是随机转发数据增加了信息传输的平均时 延，导致传输速度变慢，并且无法解决部分交 叠和盲目利用资源问题。
第 7章
无线传感器网络的路由协议
7.1 路由协议概述
7.1.1无线传感器网络路由协议的考虑因素
设计无线传感器网络的路由要考虑的因素很多，大致分为以下两 种类型。 (1)网络特征：无线传感器网络具有与众不同的特征，应用 于路由协议设计时，主要应该考虑能量损耗、节点部署和网络拓 扑变化。
(2)数据传输特征：无线传感器网络的数据采集和传输要求
7.3.2 PEGASIS
高能效采集传感器信息系统PEGASIS协议(Power Efficient Gathering in Sensor Information Systems)是在LEACH协议上提出的一 种改进路由算法。PEGASIS路由协议在网络中选择一个节点作为起始节点 建立一条最优回路链，起始节点将数据融合后的数据信息发送给Sink节 点。由于起始节点的负载较重，PEGASIS采用了全网节点轮流作为回路链 起始节点的方式来进行均衡。 该路由协议中使用了贪婪算法(Greedy Algorithm)来形成链，如图 7-5所示。在每一轮通信之前才形成链。为确保每个节点都有其相邻节点， 从离基站最远的节点开始构建，链中邻居节点的距离会逐渐增大，因为 已经在链中的节点不能被再次访，当其中一个节点失效时，链必须重构。
存时间。
7.3 层次路由协议
LEACH在运行过程中不断的循环执行簇的重构过程，每个簇重构过程可以 用回合的概念来描述。每个回合可以分成两个阶段：簇的建立阶段和传输数 据的稳定阶段。为了节省资源开销，稳定阶段的持续时间要大于建立阶段的持 续时间。簇的建立过程可分成4个阶段：簇头节点的选择、簇头节点的广播、 簇头节点的建立和调度机制的生成。 簇头节点的选择依据网络中所需要的簇头节点总数和迄今为止每个节点已 成为簇头节点的次数来决定。具体的选择办法是：每个传感器节点随机选择01之间的一个值。如果选定的值小于某一个阈值，那么这个节点成为簇头节点。 选定簇头节点后，通过广播告知整个网络。网络中的其他节点根据接收信 息的信号强度决定从属的簇，并通知相应的簇头节点，完成簇的建立。最后， 簇头节点采用TDMA方式为簇中每个节点分配向其传递数据的时间点。 稳定阶段中，传感器节点将采集的数据传送到簇头节点。簇头节点对簇中 所有节点所采集的数据进行信息融合后再传送给汇聚节点，这是一种较少通信 业务量的合理工作模型。稳定阶段持续一段时间后，网络重新进入簇的建立阶 段，进行下一回合的簇重构，不断循环，每个簇采用不同的CDMA代码进行通信 来减少其他簇内节点的干扰。
1．SAR协议
顺序分配路由SAR协议(Sequential Assignment Routing)是第一个具 有QoS意识的路由协议。该协议通过构建以Sink的单跳邻居节点为根节点的 多播树来实现传感器节点到Sink节点的ຫໍສະໝຸດ Baidu跳路径。 2．DD协议 定向扩散路由DD协议(Directed Diffusion)是一种以数据为中心的信 息传播协议，与已有的路由算法有着截然不同的实现机制。
7.2.2 SPIN协议
基于协商机制的传感器网络SPIN协议(Sensor Protocols for Information via Negotiation)是一种以数据为中心的白适应通信方式， 使用3种类型的信息进行通信，即ADV、REQ和DATA信息。图7-4表示了SPIN
协议的工作过程。
图 7-4 SPIN协议工作过程
SPIN协议的缺点是没有考虑节能和多种信道条件下的数据传输问题。
因此，后续又出现了SPIN-PP (Point to Point，点到点的通信模式)、 SPIN-EC (Energy Control，点到点模式下的节能路由)、SPIN-RL (Route
Lossy，点到点通信中的信道衰减模式)、SPIN-BC (Broadcast Channel，
低功耗自适应聚类分级LEACH协议(LOW Energy Adaptive Clustering Hierarchy)是无线传感器网络中最早提出的分层路 由算法。LEACH可以将网络整体生存时间延长15％，其基本思想 是通过随机循环地选择簇头节点将整个网络的能量负载平均分配
到每个传感器节点中，从而降低网络能源消耗，提高网络整体生
3．MCFA协议
最小开销前行算法MCFA协议(Minimum Cost For warding Algorithm for Large Sensor Networks)充分利用了传感器网络中的数据传输不对称的 特点，即大多的数据流都是从传感器节点向Sink节点的方向传输。
7.3 层次路由协议
7.3.1 LEACH
（x） A （x）
q
A
r
C
s
B （x） D
C
（q,r）
（x）
B
（r,s）
C
图 7-2 洪泛法的信息重叠问题
S 1(x)
图 7-1 洪泛法的信息爆炸问题
2. 闲聊法
闲聊法(Grossing)是洪泛法的改进 版本。 如图7-3所示
4(x) A 2(x) E 图 7-3 闲聊法协议过程 B (x)3 D
洪泛路由协议
洪泛路由协议
洪泛算法最大的问题是会产生大量的重复分组 ，占用网络资源，使路由器和链路的资源过于 浪费，以致效率很低。但是洪泛路由算法是一 个最简单和最可靠的路由算法，在节点运动剧 烈、进出网络频繁变化的场景下，全网洪泛是 有效的方式，其具有极好的健壮性，可用于军 事应用，也可以作为衡量标准评价其他的路由 算法。
7.3.4 APTEEN、TTDD和EARSN协议 1．APTEEN
APTEEN (Adaptive Periodic TEEN) 协议是对TEEN的扩展，
它是一种结合响应型和主动型传感器网络策略的混合型网络路由
协议，可以根据用户需要和应用类型来设定协议的周期性和相关 阀值，即可以周期性采集数据又可以对突发事件作出快速反应。 APTEEN在TEEN的基础上定义了一个计数时间，当节点从上一次发 送数据开始经历这个计数时间还没有发送数据，那么不管当前的 数据是否满足软、硬门限的要求都会发送这个数据。APTEEN可以 通过改变计数时间来控制能量消耗。
④将评估确定之后的最佳路由记录添加到此路径上各个设备的
路由表中。
7.1.3无线传感器网络路由协议分类方法
1．按源节点获取路径的方法
主动路由协议、按需路由协议 、混合路由协议 2．按节点参与通信的方式
直接通信路由协议、平面路由协议、层次路由协议
3．按路由的发现过程 以位置信息为中心的路由协议、以数据为中心的路由协议 4．按路由选择是否考虑服务质量(QoS)约束 保证QoS的路由协议是指在路由建立时，考虑时延、丢包率等QoS参 数，从多条可行的路由中选择一条最适合QoS应用要求的路由；或者根据
广播信道模式)等在SPIN基础上改进的路由协议。
7.2.3 SAR、DD和MCFA协议
1．SAR协议
顺序分配路由SAR协议(Sequential Assignment Routing)是第一个具 有QoS意识的路由协议。该协议通过构建以Sink的单跳邻居节点为根节点的 多播树来实现传感器节点到Sink节点的多跳路径。 2．DD协议 定向扩散路由DD协议(Directed Diffusion)是一种以数据为中心的信 息传播协议，与已有的路由算法有着截然不同的实现机制。
3．MCFA协议
最小开销前行算法MCFA协议(Minimum Cost For warding Algorithm for Large Sensor Networks)充分利用了传感器网络中的数据传输不对称的 特点，即大多的数据流都是从传感器节点向Sink节点的方向传输。
7.2.3 SAR、DD和MCFA协议