第四章 路由协议

方式：决定节点是否发送监测数据
硬门限——判断检测数据的绝对大小 软门限——判断检测数据的变化幅度 以此来减少节点传送的数据量，降低节点能量消耗。
特点：如果门限值设置不合理，会使节点无法发送
数据；
集群结构路由协议
TTDD: A Two-tier Data Dissemination Model for Large-scale Wireless Sensor Networks
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路由协议分类（2）
◦ 分层路由:
与平面路由协议相对应的是分层结构路由协议。 它采用簇的概念对传感器节点进行层次划分。 若干个相邻节点构成一个簇，每一个簇有一个簇首。簇与簇之间 可以通过网关通信。 网关可以是簇首也可以是其它簇成员。网关之间的连接构成上层 骨干网，所有簇间通信都通过骨干网转发。 分层路由协议包括成簇协议、簇维护协议、簇内路由协议和簇间 路由协议四个部分。
内容提要

WSN路由协议概述
WSN路由协议分类 能量感知路由协议 基于查询的路由协议 集群结构路由协议 地理位置路由协议
路由协议分类（1）

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按路由发现策略划分
◦ 主动路由:
也叫表驱动(Table Driven)路由， 主动路由的路由发现策略与传统路由协议类似，节点通 过周期性地广播路由信息分组，交换路由信息，主动发 现路由， 节点必须维护去往全网所有节点的路由。 优点:当节点需要发送数据分组时，只要去往目的节点的 路由存在，所需的延时就会很小。 缺点:需要花费较大开销，尽可能使得路由更新能够紧随 当前拓扑结构的变化，浪费了一些资源来建立和重建那 些根本没有被使用的路由。
WSN路由协议概述


WSN路由协议分类
基于查询的路由协议


能量感知路由协议
集群结构路由协议

地理位置路由协议
集群结构路由协议
LEACH : Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy
集群结构路由原理
集群结构路由协议实际是分层结构路由协 议，网络划分为多个簇，每个簇由一个簇 头和簇成员组成，这些簇头形成高一级网 络，在高一级网络中，可以再一次分簇， 形成更高一级网络 簇头管理簇内节点，收集和融合簇内信息 和簇间数据的转发。 优点：扩展性好，适宜大规模网络
第五章 路由协议
内容提要

WSN路由协议概述 WSN路由协议分类 能量感知路由协议 基于查询的路由协议 集群结构路由协议 地理位置路由协议
内容提要

WSN路由协议概述 WSN路由协议分类 能量感知路由协议 基于查询的路由协议 集群结构路由协议 地理位置路由协议
关键问题
使用Leach协议后，形成两级星形结构， 如图4-1 簇内节点与簇头距离近，功耗小；簇头 进行数据融合，减少通信量 簇头消耗大量能量，所以定期选举簇 头

簇头选举算法

每个传感器节点选择[0，1]之间的一个随机数，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，计算如下：
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路由协议分类（1）
◦ 被动路由:
也叫按需(On Demand)路由 与主动路由相反，被动路由认为在动态变化的网络环境中， 没有必要维护去往其它所有节点的路由。 仅在有去往目的节点路由的时候才“按需”进行路由发现。 被动路由协议根据网络分组的传输请求，被动地搜索从源节 点到目的节点的路由。 当没有分组传递请求时，路由器处于静默状态，并不需要交 换路由信息。 拓扑结构和路由表内容按需建立，它可能仅仅是整个拓扑结 构信息的一部分。 优点:不需要周期性的路由信息广播，节省了一定的网络资源。 缺点:发送数据分组时，如果没有去往目的节点的路由，数据 分组需要等待因路由发现引起的延时。
成簇协议解决如何在动态分布式网络环境下使移动节点高效地聚集成簇， 它是分层路由协议的关键。 簇维护协议要解决在节点移动过程中的簇结构维护，其中包括移动节点退 出和加入簇，簇的产生和消亡等功能。
分层路由协议比较适合于无线传感器网络，但成簇过程会产生一 定的能源消耗，如何产生有效的簇类也正是各地学者深入研究的 问题。
与传统网络不同：
点在能耗上）
（传统网络（如GSM）放在QoS上；WSN重
WSN特点
自组织的网络（随机部署） 数据的冗余性（多节点监测同一事件，需要数据融合） 基于局部拓扑信息（硬件限制） 网络功能：数据收集，多对一 （一个sink节点） WSN路由与应用相关，(不同的应用采用不同的路由，降低路由
每个节点直接和Sink节点通信：
LEACH算法
节点能量消耗过大 节点密度较大时冲突过大，效率低
LEACH算法：
最早的一种分层路由算法，主要考虑簇内节点能耗 簇头作为一定区域所有节点的代理，负责和Sink的通 信； 非簇头节点可以使用小功率和簇头节点通信； 簇头节点可以对所辖区域节点数据进行融合，减少网 络中传输的数据； 簇头选举算法的设计，要求保证公平性
LEACH协议将传感器节点划分成不同的簇，每簇选
举一个节点为簇头，其余节点为簇内节点。簇内节 点将数据发送给本簇的簇头节点，簇头节点收集簇 内信息进行数据处理后再发送给sink节点。
2018/11/14
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LEACH算法

网络按照周期工作，每个周期分为两个阶段：
簇头建立阶段：
节点运行算法，确定本次自己是否成为簇头（选 簇）； 簇头节点广播自己成为簇头的事实； 其他非簇头节点按照信号强弱选择应该加入的簇头， 并通知该簇头节点； 簇头节点按照TDMA的调度，给依附于他的节点分 配时间片；
LEACH Family

LEACH-c：
簇头由Sink节点指定； 通过模拟退火算法选择簇头；

PEGASIS：
将网络中所有节点连成一条线； 每次只有一个簇头节点负责和Sink的通信，簇头在链上移动；
PEGASIS协议

基本思想：基于LEACH协议的分层路由协
议，采用动态选举簇头的思想，网络中所有 节点只形成一个簇，成为“链”。
T ( n)

k N k [ r mod( n / k )]
如n G 其它情况
0
N表示网络中传感器节点的个数，k为一个网络中的簇 头节点数，r为已完成的回合数，G为网络生存期总 的回合数。
LEACH协议每“轮”分为两个阶段： 周期性的簇的建立阶段与稳定的数据通信阶段 。 簇的建立阶段又包括簇头的选举以及簇的形成这两 部分。 稳定的数据传输阶段结束后，即进入下一“轮”的 簇的建立阶段，整个网络开始下一“轮”的工作周 期。
◦ 典型协议：
GPSR, GEAR，GEM
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无线传感器的路由协议
按网络结构分类
协议的应用特征分类
平面网络 分级网络 基于位置 基于多径 基于可靠 基于协商 基于查询 基于位置 基于QoS 路由协议 路由协议 路由协议 路由协议 路由协议 路由协议 路由协议 路由协议 路由协议
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内容提要

数据传输阶段：
节点在分配给他的时间片上发送数据；
LEACH算法评价
优点
优化了传输数据所需能量； 优化了网络中的数据量（簇头数据融合）；
缺点
节点硬件需要支持射频功率自适应调整； 无法保证簇头节点能遍及整个网络； 分簇与簇头选举 要公平 簇头数量可能相差很大，并且分布不均匀； 簇头选举时，未考虑节点剩余能量，影响能耗 均衡。
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路由协议分类（2）
◦ 分层路由:
典型协议： LEACH, TTDD
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路由协议分类（3）
◦ 地理信息路由协议
在目标跟踪类应用中，往往需要唤醒距离跟踪目标最近 的传感器节点，以得到关于目标的更精确位置等相关信 息。 在这类应用中，通常需要知道目的节点的精确或者大致 地理位置。 把节点的位置信息作为路由选择的依据，不仅能够完成 节点路由功能，还可以降低系统专门维护路由协议的能 耗。 节点知道自己的地理位置，利用位置进行路由
路由协议概述 ——路由协议功能

定义： 路由是WSN的核心技术之一 WSN不适合设计通用的路由协议：能 耗、计算复杂度。
WSN路由协议是一套将数据从源节点传输到目的节点的机 制。
WSN是无基础设施的网络，一般用电池供 电、无人看守，电池不能补充，要延长网 络寿命就必须降低能耗。 能耗主要用户数据无线传输上，所以单跳 传输距离不能太远，要实现WSN大范围覆 盖，就需要多跳中继，即路由

具有高可扩展性
网络规模，节点上千个，节点越多，路由收敛越慢、路由越不稳定， Ad Hoc的路由不能照搬

网络拓扑变化强
节点移动、失效 & 无线信道 & 规模大，拓扑变化频繁，如何建立快速 收敛、复杂度低的路由？）

传感器网络路由中使用数据融合技术（数据为中心）
传统网络以点对点通信，保证数据“完整无误”；WSN强调数据汇聚， 为了降耗，每个节点都进行数据融合，减小通信量
传感器网络中流量分布不对称 数据收集网络&多源单Sink，越接近Sink，流量越大 其他：冗余设计、定位、覆盖性、QoS等

传感器网络路由协议的挑战
自组织布撒（Ad
hoc deployment） 能量消耗（Energy consumption ） 路由精度（Routing accuracy） 计算能力（Computation capabilities） 通信能力（Communication tolerance） 容错能力（Fault tolerance） 可扩展性（Scalability） 控制负载（Control overhead，带宽 有限，重载情况下，如何保证QoS）
设计目标
满足应用需求 （WSN路由与应用相关） 低网络开销 （内存、计算复杂度、节能） 资源利用的整体有效性 网络高吞吐率
WSN使用环境恶劣
无线信道不稳定 节点的移动与失效
WSN拓扑结构随时可能变化，这与 传统Internet不同，因此传统路由不能 用于WSN
WSN路由协议特点
复杂度)
以数据为中心
WSN路由协议要求
要求
能量高效（协议简单&节省能量&均衡消耗） 可扩展性（网络范围 & 节点密度） 鲁棒性（节点变化 & 拓扑变化） 快速收敛性 （在移动的节点时，更需要快速收敛）
WSN路由协议关键技术

考虑网络和节点能量优化
节点能量限制，大部分能量用于通信，所以研究低功耗的通信协议，尤 其是路由协议
2、使节点使用小功率与最近距离的 相邻节点进行通信。 3、簇头可靠性非常重要； 4、每个节点必须具有与汇聚节点通 信的能力 5、链不宜过长，否则会有延迟。 6、节点必须知道和维护其他节点位 置信息，需要较大的额外开销。
TEEN协议
基本思想：专门针对响应型无线传感网提出的一种
分层路由协议，采用多级分簇结构并利用过滤方式 减少网络中传输的数据，达到动态均衡网络能量效 率和响应时间的目的。
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路由协议分类（2）

按网络管理的逻辑结构划分
◦ 平面结构路由:
平面结构是指网络中各节点在路由功能上地位相同， 没有引入分层管理机制。 优点：网络中没有特殊节点，网络流量均匀地分散在 网络中，路由算法易于实现。 缺点：可扩张性小，在一定程度上限制了网络的规模。 典型路由：Flooding,Gossiping,SPIN,DD，Rumor

要求：每个节点都知道其他节点位置，选择最近
节点形成链； 各节点轮流成为簇头； 数据以点对点方式传输，令牌控制节点； 传送中进行数据融合； 最后数据由链首给汇聚节点。
PEGASIS协议

两个阶段：链创建阶段、数据传输阶段 链创建阶段—— 数据传输阶段——时隙调度、令牌控制 特点—— 1、有效数据融合

集群结构路由协议
LEACH : Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy
LEACH协议
基本思想:把网络划分成多个簇，簇内成员 节点将所采集的数据发送给簇头，簇头对 接收到的数据进行融合处理后，再将数据 发送给汇聚节点或终端用户。 特点：

1）尽可能使节点短距离发送数据； 2）通过数据融合减少数据量； 3）簇内TDMA方式传输数据、 簇间CSMA向汇聚节点传输数据。