WSN中路由协议

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

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

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。

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/m³

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，低一层的群首构成高一层的网络。节点地位不同，首为局部控制中心，负责群内路由、信道接入、休眠调度等；大多数节点作为群成员其操作相对简单，控制开销较低

B 地理路由：地理位置信息实际上体现节点间相对拓扑关系，利用这一信息路由

能很大程度上降低用于收集拓扑信息付出的开销，提高协议的可扩展性地理路由使用的前提是节点能获得自己和目的节点的地理位置信息对于节点有移动性，任意两个节点之间都可能进行通信的网络，为获得目的节点位置信息需不断更新位置信息，开销较大，地理路由的优势就不明显

3、数据传输可靠性

数据传输的可靠性直接关系到WSN是否能给用户提供准确、全面和可靠的信息，而WSN中节点无线通信能力弱，应用环境复杂，实际的链路质量比较低。如何保证数据传输的可靠性是WSN路由设计中的一个关键问题

影响WSN数据传输可靠性原因：

A、无线信道上的碰撞导致分组无法正确接收

B、节点故障使路由不可用，导致分组丢失

C、链路不可靠，导致分组传输出错或丢失

路由协议的解决策略：

A、建立多路径路由：

①建立信源节点到目标节点的多条路径，选择最优路径作为主路径，其他路径为备份

②使用多条路径发送原始分组的多个副本，即使其中一些传输丢失也不会影响端到端的可靠性

B、选择可靠链路

五、路由协议的分类

几十种WSN路由协议，未统一分类标准

一种分类方法（5类）：

1、基于聚簇的路由协议

LEACH, PEGASIS, TEEN等

2、基于地理位置的路由协议

基于地理位置的距离贪心路由协议，基于地理位置的角度贪心路由协议，GEM，MAP，LCR等

3、以数据为中心的路由协议

DD，Rumor-routing，TTDD，支持查询的近似路由算法等

4、能量感知路由协议

Energy aware routing，GEAR,等

5、容错路由协议

建立多条路径，重复传输数据包，基于编码的机会路由协议（MORE）等

六、典型的路由协议分析

1、泛洪路由(Flooding)

扩散法(Flooding)是一种传统的网络路由协议，不需要知道网络拓扑结构和使用任何路由算法

协议内容：

一节点S希望发送一块数据给节点D，节点S首先通过网络将数据副本传送给它的每一个邻居节点，每一个邻居节点又将其传输给各自的每一个邻居节点，除了刚刚给它们发送数据副本的节点S外。如此继续下去，直到将数据传输到目标节点D为止或者为该数据所设定的生命期限（在传感器网络里面通常定义为最大跳数）变为零为止或者所有节点拥有此数据副本为止。

洪泛路由（Flooding）的优点：

①实现简单

②不需要为保持网络拓扑信息和实现复杂的路由发现算法而消耗计算资源

③适用于健壮性要求高的场合。

洪泛路由（Flooding）的不足：

①存在信息爆炸(Implosion)问题，即出现一个节点可能得到一个数据多个副本的现象

②出现部分重叠(Overlap)现象，如果处于同一观测环境的两个相邻同类传感器节点同时对一个事件作出反应，二者采集的数据性质相同，数值相近，那么，这两个节点的邻居节点将收到双份数据副本

③盲目使用资源，即扩散法不考虑各节点能量可用状况因而无法作出相应的自适应路由选择。

洪泛路由（Flooding）的应用情况：

①网络资源过于浪费，实际很少直接采用

②具有极好的健壮性，可用于军事应用

③作为衡量标准评价其它路由算法

2、Gossiping路由协议：

Gossiping协议是对Flooding协议的改进,节点将产生或收到的数据随机转发给一个或者若干个相邻节点,避免了内爆,但增加了时延，且无法避免重叠问题。

3、SPIN协议（sensor protocol for information via negotiation）

SPIN是最早的以数据为中心的自适应路由协议，通过协商机制来解决洪泛算法中的“内爆”和“重叠”问题，节省了能量的消耗。

a.为了避免出现扩散法的信息爆炸问题和部分重叠现象，传感器节点在传送数据之前彼此进行协商，协商制度可确保传输有用数据

b.节点间通过发送元数据(即描述传感器节点采集的数据属性的数据，meta-data)，而不是采集的整个数据进行协商。由于元数据大小小于采集的数据，所以，传输元数据消耗的能量相对较少。为避免盲目使用资源，所有传感器节点必须监控各自的能量变化情况。

c.在传输或接收数据之前，每个节点都必须检查各自可用的能量状况，如果处于低能量水平，必须中断一些操作，比如充当路由器的角色，停止对其他节点的一些数据转发操作

d. SPIN有3种数据包类型，即ADV、REQ和DATA.节点用ADV宣布有数据发送，用REQ请求希望接收数据，用DATA封装数据

ADV：用于新数据广播。当一个节点有数据可共享时，它可用ADV数据包(包含元数据)对外广播

REQ：用于请求发送数据。当一个节点希望接收DATA数据包时，发送REQ数据包DATA：包含附上元数据头(meta-data header)的传感器采集的数据的数据包

SPIN-PP采用点到点的通信模式，并假定两节点间的通信不受其他节点的干扰，分组不会丢失，功率没有任何限制

1、在发送一个DATA数据包之前，一个传感器节点首先对向邻居节点广播ADV数据包；

2、如果一个邻居节点在收到ADV后有意愿接收该DATA数据包，那么它向该节点发送一个REQ数据包，接着节点向该邻居节点发送DATA数据包。

3、类似地进行下去，DATA数据包可被传输到远方汇节点或基站。

SPIN协议的优点：

1、小ADV消息减轻了内爆问题;

2、通过数据命名解决了交叠问题；

3、节点根据自身资源和应用信息决定是否进行ADV通告，避免了资源利用盲目问题，有效地节约了能量。

SPIN协议的不足：

在传输新数据的过程中，直接向邻居节点广播ADV数据包，而没有考虑其所有邻居节点由于自身能量的原因，不愿承担起转发新数据的功能，则新数据无法传输，将会出现“数据盲点”，进而影响整个网络信息的收集

4、DD（Directed Diffusion）定向扩散路由协议：

Directed Diffusion是一种以数据为中心的路由协议，与已有的路由协议有着截然不同的实现机制，其突出特点是引入了梯度来描述网络中间节点对该方向继续搜索获得匹配数据的可能性。

在Directed Diffusion中，可以对路径进行修复。在建立多条数据源到Sink节点的路径之后，Sink节点可以选择增强其中的一条路径用于数据的传输，而同时保持另外一条低速数据传输的路径。当高速路径，也就是经过增强的路径出现故障时，Sink节点可以增强低速路径，保证源节点到Sink节点的数据传输。虽然保持低速路径的过程需要消耗一些能量，但是在故障时，可以节省很多能量开销。对于故障比较频繁的网络，保持一条低速路径是很有好处的。

DD与SPIN的最大区别：DD采用基于需求的数据查询机制。在DD中，由Sink节点发出数据查询请求，而在SPIN中，节点广播自己的数据，以允许其他节点来查询。

DD路由协议的优点：

1、采用多路径,健壮性好;

2、节点只需要和邻居节点通信，因而不需要全局的地址机制，使用查询驱动机制按需建立路由,避免了保存全网信息；

3、每个节点都可以进行数据融合操作，能减少数据通信量，节省能量消耗；

4、sink点根据实际情况采取增强或减弱方式能有效利用能量；

5、节点不需要维护网络的拓扑结构，数据的发送是基于需求的，因此它是一个非常节能的路由协议。

DD路由协议的缺点：

1、基于查询驱动模型的，不适用于环境监测的WSN；

2、Gradient的建立开销很大,不适合多sink点网络；

3、数据聚合过程采用时间同步技术,会带来较大开销和时延；

4、不同的应用中需要定义不同的命名方案，也就是<属性，值>对，从而限制了它的应用。

5、Rumor 路由协议（谣传路由）：

Rumor Routing是在Directed Diffusion的基础上演化而来的。通常情况下，Directed Diffusion协议需要向整个网络广播兴趣，而在某些应用中，只有少量的数据需要从源节点传递到Sink节点。在这种情况下，没有必要向整个网络广播兴趣。当WSN中的事件（对应着数据的传递）数量很少，而查询（对应着兴趣的广播）数量很多的时候，可以采用广播事件的方法，以节省能量的消耗。Rumor Routing是一个介于事件广播（向整个网络广播事件）和兴趣广播（向整个网络广播兴趣）之间的一种路由协议在多sink点、查询请求数目很大、网络事件很少的情况下，Rumor协议较为有效。但如果事件非常多,维护事件表和收发Agent 带来的开销会很大。

6、GPSR(Greedy Perimeter Stateless Routing)路由协议：

GPSR协议核心思想：

GPSR协议是一个典型的基于位置的路由协议。使用GPSR协议，网络节点都知道自身地理位置并被统一编址，各节点利用贪心算法尽量沿直线转发数据。产生或收到数据的节点向以欧氏距离计算最靠近目的节点的邻节点转发数据，但由于数据会到达没有比该节点更

接近目的点的区域(称为空洞)，导致数据无法传输，当出现这种情况时，空洞周围的节点能够探测到，并利用右手法则沿空洞周围传输来解决此问题。

GPSR协议优点：

1、避免了在节点中建立、维护、存储路由表，只依赖直接邻节点进行路由选择，几乎是一个无状态的协议；

2、使用接近于最短欧氏距离的路由，数据传输时延小;并能保证只要网络连通性不被破坏，一定能够发现可达路由。

GPSR协议的不足：

1、当网络中sink点和源节点分别集中在两个区域时，由于通信量不平衡易导致部分节点失效，从而破坏网络连通性；

2、需要GPS定位系统或其他定位方法协助计算节点位置信息。

7、LEACH（Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy）路由协议：

LEACH是一种基于聚类(Clustering)路由协议，在WSN路由协议占有重要地位，其他基于聚类的路由协议如TEEN、APTEEN、PEGASIS等大都由LEACH发展而来。

LEACH路由协议的核心思想：

1、LEACH协议分为两个阶段操作，即类准备阶段(set-up phase)和就绪阶段(ready phase)。为了使能耗最小化，就绪阶段持续的时间比类准备阶段长。类准备阶段和就绪阶段所持续的时间总和称为一轮(round)

2、在类准备阶段，LEACH协议随机选择一个传感器节点作为类头节点(cluster head node)，随机性确保类头与基站之间数据传输的高能耗成本均匀地分摊到所有传感器节点。

3、具体的选择办法是：一个传感器节点随机选择0和1之间的一个值，如果选定的值小于某一个阈值T(n)，那么这个节点成为类头节点。

T(n)值按右边公式计算：

N：网络中传感器节点的总数；

p：一轮中网络的类头节点数；

r：己完成的轮数；

Gr：在剩余的N/k-r个回合中未成为类头节点的传感器节点组成的集合；

4、在类头节点选定后，该类头节点对网络中所有节点进行广播，广播数据包含有该节点成为类头节点的信息。一旦传感器节点收到广播数据包，根据接收到的各个类头节点广播信号强度，该节点选择信号强度最大的类头节点加入，向其发送成为其成员的数据包。类形成后，类头节点采用TDMA策略分配通道使用权给类内节点。

5、一旦处于就绪阶段，类头节点开始接收类内各节点采集的数据，然后采用数据融合和数据压缩等技术进行汇聚，将整合后的数据传输给Sink节点。在就绪阶段持续了一段时间后，网络又进入了另一次的类准备阶段。

LEACH协议的优点：

随机选择簇头，平均分担路由业务，减小了能耗

LEACH协议的不足：

①不适合大范围的应用；

②集群分组方式带来了额外开销以及覆盖问题

③仅适用于每个节点在单位时间内需要发送的数据量基本相同的情况，而不适合突发数据通信。