第二章 无线传感器网络技术关键技术(2)

2.3
无线传感器网络路由
Flooding路由严重缺陷AA
A
(A) (A)
q
A
rr
B
s
B
(A)
3、网络资源利用不合理！（是什么）
C
(A)
(q,r)
(r,s)
D
1、内爆现象(Implosion)
网络中的节点收到一个数据的多个副本
C
2、重叠现象(Overlap)
同一局部区域中，若干节点所接收到的数据副本具有较大的相关性
基于分层的路由协议
• 优点：降低能耗、易于实现高效数据融合、提高 能量效率和吞吐量、可扩展性好 • 节省网络节点的能量消耗，均摊网络能量; • 节点划分为多种类型，同类节点间交换数据; • 低一级节点将数据传至高一级节点进行数据融 合; • 减少了冗余数据的传输，加快路由算法的收敛 速度，节省能量; • 缺点：簇头压力大，能耗高，需要轮换！ • 典型代表LEACH、PEGASIS和TEEN路由协议。
2.3
无线传感器网络路由
LEACH路由协议稳定状态阶段
了解
簇内节点根据簇头安排的TDMA时间调度 传送数据。 簇内节点只需在其分配的时隙内开启其无 线发送装置，进行数据传输，其他时间进入 休眠。 簇头节点对接收到的簇内数据进行融合处 理，然后直接发送给汇聚节点。
2.3
无线传感器网络路由
0 1 2 3 4
2.3
无线传感器网络路由
定向扩散路由协议（Directed Diffusion） 兴趣消息扩散、数据传输梯度建立 和路径加强三个阶段。
2.3
无线传感器网络路由
理解
兴趣表项字段：
梯度字段1、2…… (邻居、 传输速率…) 持续时间字段 (TTL)
兴趣消息扩散阶段
D
源节点
B A
兴趣消息
时间字段 (接收时间)
数据发送速率 数据大小、时间戳…
2.3
无线传感器网络路由
兴趣表项字段：
梯度字段A、B…… (邻居、 传输速率…)
数据传输梯度建立
D
源节点
B A
持续时间字段 (TTL) 时间字段 (接收时间)
F
感知数据
汇聚节点
• 兴趣扩散完成后，各节点均建立了相应的梯度域，以源节点 (1) 在兴趣列表中查找是否有相匹配的表项，如果没有则丢弃该数据包， F通过A、 节点 F采集到与兴趣相匹配的数据时，将数据发送给其梯度域中的邻 每个节点可能收到多个邻居节点发送的兴趣消息，因此对于同一个数 (2) B、 否则，在数据缓冲区中查找最近是否收到过相同的数据，如果存就将数 D向汇聚节点传输感知数据为例，演示数据传输梯度建立的过程 居节点 A、B ，节点A、B接收到数据后， 据包会经过多条路径到达汇聚节点，汇聚节点通过一定的标准，比如最 据丢弃数据， (3)否则，就把数据写入缓冲区，检查梯度域中的数据传输率 小时延来选择一条最优路径作为强化路径。 E C 是否大于缓冲区接收数据速率，如果是则转发全部接收数据，否则按照比 例转发数据。转发的数据，在缓冲区均保留副本并记录转发时间。
2.3
无线传感器网络路由
LEACH路由协议选举簇头阶段
在确定簇头以及簇划分后，各个簇头以 TDMA方式为簇内节点传送数据安排时间调度。 簇内采用TDMA方式传送数据 簇间采用CDMA 在创建阶段，为了接收簇头节点发送的状 态信息，所有非簇头节点必须使其接收器保 持工作状态！
2.3
无线传感器网络路由
F
汇聚节点
•以 节点 B 收到节点 A发送过来的消息，(1) 判断是否与刚转发给 D的消息相 A 、 B 接收到兴趣消息后，节点 AA 向节点 B、D广播接收到的消 汇聚节点周期性向传感器网络内节点 A、 B 、 D 演示兴趣消息的扩散过程 、B广播兴趣消息 同，如果是则丢弃该消息，否则检查本地兴趣列表， (2) 如果无相同“兴 息，同时节点B向节点D广播接收到的消息。 兴趣消息字段： 趣”，则增加新表项，建立梯度域并转发“兴趣”， (3)否则判断表项梯 E C 任务类型 度域中是否有邻居节点等于兴趣消息数据包中的发送节点，如果是则更 目标区域、发送节点 新最新时间和持续时间字段，否则添加新邻居节点，转发“兴趣”。
生命周期在没到达目的节点之前就结束
2.3
无线传感器网络路由
定向扩散路由协议（Directed Diffusion）
主要思想：A 汇聚节点根据不同的应用需求定义不同的兴趣请求 消息，汇聚节点周期地通过泛洪方式广播这种兴趣消息， 告诉网络节点需要搜集何种信息。兴趣在网络中扩散的 同时建立从源Fra Baidu bibliotek点到汇聚节点的路由路径（梯度 Gradients)。通过兴趣扩散阶段建立的路径，源节点将 数据消息传送到汇聚节点。汇聚节点选择一条最优的路 径进行强化，后续的数据沿着这条路径传输。
2.3
无线传感器网络路由
基于洪泛机制的路由协议
Flooding路由协议：最简单、最基本、最健壮！
基本思想：节点在任何时刻产生或收到数据后向所有邻 节点广播，数据包直到过期或达到目的地才停止传播。
接收到信息后以广播的方式转发； 邻居节点重复上述过程，直到生命周期结束； 数据包的生命周期(Time to Live,TTL)为最大跳数或生存时间。 分组需携带源节点ID和源节点分配的唯一序列号，避免重复发送。
2.3
无线传感器网络路由
LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)
LEACH是第一个低功耗自适应分簇路由协议； 基本思想B：将节点组织成簇结构形式，每个簇有 一个簇头节点（Cluster Head Node）,其他节点作为非 簇头节点，所有非簇头节点只与本簇的簇头节点通信， 而簇头节点收集簇内非簇头节点的数据，进行融合后 传输到汇聚节点。 •簇头节点能耗高，需要采用随机轮循机制选举节点成 为簇头； •将能量负载均匀分布到网络中的所有节点，每轮循环 分为簇的建立阶段和稳定状态阶段。
2.3
无线传感器网络路由
对flooding的改进
Gossiping路由协议
基本思想C：节点接收到数据包后，按照一定概率随 机地将数据包转发给邻居中不同于发送节点的某一个节 点，该节点再按照同样的方式向其他相邻节点进行转发 数据，直到数据包到达汇聚节点。
改进点：解决信息内爆现象问题 缺点： 不能解决重叠现象和网络资源利用不合理的问题 导致数据包的端到端延时增加
2.3
无线传感器网络路由
LEACH协议的执行过程是按“轮（Round）” 周期性的进行! 每轮由两个阶段构成A： 簇的建立阶段 ：节点分簇
• 随机产生簇头节点，邻居节点动态地形成簇。
簇的稳定状态阶段 ：数据传送
• 簇头节点收集簇内非簇头节点的数据并进行数据 融合，然后把融合后的结果发送给汇聚节点。
路由加强的标准不是唯一的，当加强路径上节点发现下一跳发送数据速 •以数据传输时延作为标准演示路由加强阶段的过程 节点 A收到消息后，经过分析确定该消息为一个已有兴趣，只增加了数 汇聚节点选择首先发来最新数据的邻居节点 A作为加强路径的下一跳， 率明显减小或者收到来自其他节点的新位臵，推断加强路径下一跳节点 据发送速率，判断其为一条路径加强消息，从而更新相应兴趣表项中的 向该邻居节点发送路径加强消息，其中包含新设定的较高发送数据速率 失效，就需要使用上述加强机制重新确定下一跳节点。 数据传输速率，按照同样的规则选择选择下一跳节点。 值。 E C
2.7 无线传感器网络定位技术
2.8 无线传感器网络时间同步技术 2.9 通信标准
2.3
2.3.1
无线传感器网络路由
无线传感器网络路由技术概述
定义A：
无线传感器网络路由协议负责将数据分组从源节 点通过网络转发到目的节点。
功能A：
• 搜索从源节点到目的节点的优化路径(确定最佳 路径)； • 转发数据分组。（交换数据）
2.3
无线传感器网络路由
基于分层的路由协议
基本思想 A：将网络中的传感器节点分成多 个簇，每个簇由簇头和若干成员节点组成。
簇头：负责接收簇内成员采集的数据，并通过与其 它簇头共同形成的路径将数据传输到目的节点。 成员：只需要与簇头节点进行通信，没有任务可以 休眠，节省能量。
2.3
无线传感器网络路由
GRID路由协议
基于地理栅格的分层网络路由协议
整个网络划分成一 个个正方形的小栅 节点 r 栅格划分： r d 格，节点通过每个 边长的选择 5 0 栅格簇头节点的选择 GRID 路由协议主 栅格内的簇头节点 d是两节点之间的通 原则是按照停留在栅 要包括 3个阶段： 构成网络的骨干网 信距离。 格内时间最长的节点 络完成数据通信。 1 栅格划分 任意两个相邻的栅格 作为簇头节点，一旦 每个栅格都有自己 路由建立 之间，若要使得在两 某节点担当了簇头节 的编号，栅格内的 栅格中任意地理位置 2 路由维护 点，只有其离开该栅 所有节点都共享这 的两簇头都能够正常 格时才会进行新一轮 个栅格编号，栅格 通信，则边长 r与通 的簇头选择。 内的簇头节点负责 3 信半径 d满足： 栅格中分组转发。 2 2 r r2 d 2 节点以自己和归属栅格中心点的距离设定定时器，定时器到时，选举自己 成为簇头，并周期性地发送通告消息，其他节点接收到消息后，则加入该 栅格。如果同时有多个节点竞争簇头，在收到其他簇头的通告消息后，距 离栅格中心较远的簇头放弃簇头地位，保证栅格中的簇头个数不超过一个。
2.3
无线传感器网络路由
一个节点的梯度可以理解为该节点到汇聚节点的距离， 可以是跳数距离、端到端传输最小功率等路径代价。
2.3
无线传感器网络路由
兴趣表项字段：
梯度字段1、2……
路径加强阶段
D
源节点
B A
加强消息
(邻居、 传输速率) 持续时间字段 (TTL)
F
加强消息
时间字段 (接收时间)
汇聚节点
LEACH协议的优点与不足
优点： LEACH协议能够保证各节点等概率的担任簇头 节点，使得网络节点相对均匀地消耗能量，平摊路 由业务，减少能耗 缺点： • 不同轮中产生簇头时，未考虑节点剩余能量，影响 节点间能耗的均衡，同时数量可能相差很大，分布 不均，影响网络性能， • 此外簇头节点与汇聚节点的单跳通信方式，直接发 送会导致较大的能量消耗，限制了网络的规模。 • 仅适用每个节点在单位时间内需要发送数据量基本 相同的情况，而不适合突发数据通信
2.3
2.3.2
无线传感器网络路由 无线传感器网络路由概述
典型的无线传感器网络路由协议
WSN路由协议分类 • 以数据为中心的路由协议
Flooding、Gossiping、SPIN、DD、Rumor Routing
• 基于分层的路由协议
LEACH、PEGASIS、TEEN
• 基于地理信息的路由协议
GRID、AF、GEAR、GEM
• 基于多路径的路由协议
SAR、DMR、 MPDMR、BMR
2.3
无线传感器网络路由
了解
数据为中心的路由协议
传统网络的路由都是以地址为中心的， WSN的路由是以数据为中心。 以数据为中心的路由协议用于在传感器节点 与汇聚节点之间动态地建立一种高效的数据收 集路径结构，使得路径上的中间节点可以高效 地对相应的数据进行融合处理，并将融合处理 后的数据传送给汇聚节点。
无线传感器网络技术导论
第二章 无线传感器网络关键技术
网络层——Network Layer
应用层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 能 量 管 理 平 台
移 动 管 理 平 台
任 务 管 理 平 台
课程目录
2.1 物理层关键技术 2.2信道接入技术 2.3 无线传感器网络路由 2.4 无线传感器网络拓扑控制技术 物理层关键技术 2.5 无线传感器网络覆盖技术 2.6 无线传感器网络的数据融合技术
2.3
无线传感器网络路由
定向扩散路由协议（Directed Diffusion）
• • • • • • • 一种以数据为中心，基于查询的路由机制； 汇聚节点通过兴趣请求消息定义查询需求； 采用洪泛的方式广播兴趣消息； 在兴趣消息扩散过程中，建立反向数据传输梯度； 源节点沿着梯度方向将数据传送到汇聚节点； 汇聚节点选择最优路径强化； 最终后续数据沿着强化选择的路径传输数据。
特点：无需知道局部拓扑、地理信息等； 无需维护路由
2.3
无线传感器网络路由
Flooding路由协议
B
P
P
P P
C
P
P
P
A
E
F
D
• 源节点A需要将数据包p发送至汇聚节点D • 节点A首先将p的副本广播，则其邻居节点 B接收到p副本 G H • 节点B直接将p副本通过广播的形式转发给E、F、C • 以此类推，直到p到大汇聚节点D或到达TTL