无线传感器网络路由协议——directeddiffusion路由原理与仿真

无线传感器网络路由协议——directeddiffusion路由原理与仿真内容摘要：

发现和研究，下面仅列出部分关键技术。 （ 1）网络拓扑控制 对于无线的自组织的传感器网络而言，网络拓扑控制具有特别重要的意义。 通过拓扑控制自动生成的良好哦啊的网络拓扑结构，能够提高路由协议和 MAC 协议的效率，可为数据融合、时间同步和目标定位等很多方面奠定基础，有利于节省节点的能量来演唱网络的生存期。 所以，拓扑控制是无线传感器网络研究的核心技术之一。 传感器网络拓扑控制目前主要的研究问题是在满足网络覆盖和连通度的前提下，通过功率 控制和骨干网节点选择，剔除节点之间不必要的无线通信链路，生成一个高效的数据转发丁仿敏：无线传感器网络路由协议 —— Directed Diffusion 路由原理与仿真 6 的网络拓扑结构。 拓扑控制可以分为节点功率控制和层次型拓扑结构形成两个方面。 功率控制机制调节网络中每个节点的发射功率，在满足网络连通度前提下，减少节点的发送功率，均衡节点单跳可达的邻居数目；已经剔除了 COPOW 等统一功率分配算法， LINT/LILT 和LMN/LMA 等基于节点度数的算法， CBTC、 LMST、 RNG、 DRNG、和等基于邻近图的近似算法。 层次型的拓扑控制利用分簇机制，让一些节点作为簇头节点，由簇头节点形成一个处理并转发数据 的骨干网，其他非骨干网节点可以暂时关闭通信模块，进入休眠状态以节省能量：目前提出了 TopDisc 成簇算法，改进的 GAT 虚拟地理网格分簇算法，以及 LEACH 和HEED 等自组织成簇算法。 除了传统的功率控制和层次型拓扑控制，人们也提出了启发式的节点唤醒和休眠机制。 该机制能够使节点在没有事件发生时设置通信模块为睡眠状态，而在有事件发生时及时自动醒来并唤醒邻居节点，形成数据转发的拓扑结构。 这种机制重点在于解决节点在睡眠状态和活动状态之间的转换问题，不能够独立作为一种拓扑结构控制机制，因此需要与其他拓扑控制算法结合使 用。 （ 2）网络协议 由于传感器节点的计算能力、存储能力、通信能量以及携带的能量都十分有限，每个节点只能获取局部网络的拓扑信息，其上运行的网络协议也不能跳复杂。 同时，传感器拓扑结构动态变化，网络资源也在不断变化，这些都对网络协议提出了更高的要求。 传感器网络协议复杂使各个独立的节点形成一个多跳的数据传输网络，目前研究的重点是网络层协议和数据链路层协议。 网络层的路由协议觉得监测信息的传输路径；数据链路层的介质访问控制用来构建底层的基础结构，控制传感器节点的通信过程和工作模式。 在无线传感器网络中，路由协议不仅关 心单个节点的能量消耗，更关心整个网络能量的均衡消耗，这样才能延长整个网络的生存期。 同时，无线传感器网络是以数据为中心的，这在路由协议中表现得最为突出，每个节点没有必要采用全网统一的编址，选择路径可以不要根据节点的编址，更多的是根据感兴趣的数据建立数据源到汇聚节点之间的转发路径。 目前提出了多种类型的传感器网络路由协议，如多个能量感知的路由协议，定线扩散和谣传路由等基于查询的路由协议， GEAR 和 GEM 等基于地理位置的路由协议， SPEED 和 ReInForM 等支持 QoS 的路由协议。 传感器网络的 MAC 协议首先要考虑 节省能源和可扩展性，其次才考虑公平性、利用率和实时性等。 在 MAC 层的能量浪费主要表现在空闲侦听、接收不必要数据和碰撞重传等。 为了减少能量的消耗， MAC 协议通常采用“侦听 /睡眠”交替的无线信道侦听机制，传感器节点在需要收发数据时才侦听无线信道，没有数据需要收发时就尽量进入睡眠状态。 近期提出了 SMAC、 TMAC 和 Sift 等基于竞争的 MAC 协议， DEANA、 TRAMA、 DMAC 和周期性2020届通信工程专业毕业设计（论文） 7 调度等时分复用的 MAC 协议，以及 CSMA/CA 与 CDMA 相结合、 TDMA 和 FDMA 相结合的 MAC 协议。 由于传感器网络是应用相关 的网络，应用需求不同时，网络协议往往需要根据应用类型或应用目标环境特征定制，没有任何一个协议能够高效适应所有的不同应用。 （ 3）网络安全 无线传感器网络作为任务型的网络，不仅要进行数据的传输，而且要进行数据采集和融合、任务的协同控制等。 如何保证任务执行的机密性、数据产生的可靠性、数据融合的高效性以及数据传输的安全性，就成为无线传感器网络安全问题需要全面考虑的内容。 未来保证任务的机密布置和任务执行结果的安全传递和融合，无线传感器网络需要实现一些最基本的安全机制：机密性、点到点的消息认证、完整性鉴别、新鲜 性、认证广播和安全管理。 除此之外，未来确保数据融合后数据源信息的保留，水印技术也成为无线传感器网络安全的研究内容。 （ 4）定位技术 位置信息是传感器节点采集数据中不可缺少的部分，没有位置信息的监测消息通常毫无意义。 确定事件发生的位置或采集数据的节点位置是传感器网络最基本的功能之一。 为了提供有效的位置信息，随机部署的传感器节点必须能够在布置后确定自身位置。 由于传感器节点存在资源有限、随机部署、通信易受环境干扰甚至节点失效等特点，定位机制必须满足自组织性、健壮性、能量高效、分布式计算等要求。 根据节点位置是否确 定，传感器节点分为信标节点和位置未知节点。 信标节点的位置是已知的，位置未知节点需要根据少数信标节点，按照某种定位机制确定自身的位置。 在传感器网络定位过程中，通常会使用三边测量法、三角测量法或极大似然估计法确定节点位置。 根据定位过程中是否实际测量节点间的距离或角度，把传感器网络中的定位分类为基于距离的定位和距离无关的定位。 基于距离的定位机制就是痛测量相邻节点间的实际距离或方位来确定未知节点的位置，通常采用测距、定位和修正等步骤实现。 根据测量节点间距离或方位时所采用的方法，基于距离的定位分为基于 TOA 的定位、 基于 TDOA 的定位、基于 AOA 的定位、基于 RSSI 的定位等。 由于要实际测量节点间的距离或角度，基于距离的定位机制通常定位精度相对较高，所以对节点的硬件也提出了很高的要求。 距离无关的定位机制无须实际测量节点间的绝对距离或方位就能够确定未知节点的位置，目前提出的定位机制主要有质心算法、 DVHop 算法、APIT 算法等。 由于无线测量节点间的绝对距离或方位，因而减低了对节点硬件的要求，使得节点成本更适合于大规模传感器网络。 距离无关的定位机制的定位性能受环境因素的影响较小，虽然定位误差相应有所增加，但定位精度能够满足 多数传感器网络的要求，是目前大家重点关注的定位机制。 丁仿敏：无线传感器网络路由协议 —— Directed Diffusion 路由原理与仿真 8 传感器网络协议栈 随着传感器网络的深入研究，研究人员提出了多个传感器节点上的协议栈。 这个协议栈包括物理层、数据链路层 、 网络层、传输层和应用层，与互联网协议栈的五层协议栈对应 [2]，如图 所示： 图 无线传感器网络的分层设计 物理层协议：物理层负责数据的调制、发送与接收。 该层的设计将直接影响到电路的复杂度和能耗。 研究的目标是设计低成本、低功耗、小体积的传感器节点。 数据链路层：数据链路层负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制。 网络层协议：网络层主要负责路由生成与路由选择，实现数据融合，负责路由发现、路由维护和路由选择，使得传感器节点可以进行有效的相互通信。 路由算法执行效率的高低，直接决定了传感器节点收发控制性数据与有效采集数据的比率。 控制性数据越少能量损耗越少，控制性数据越多能量损耗越多，从而影响到整个传感器网络的生存时间，可以说 “ 路由算法 ” 是网络层的最核心内容。 传输层协议： 传输层负责数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要部分。 应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件。 另外，协议栈还包括能量管理平台、移动管理平台和任务 管理平台。 能量管理平台管理传感器节点如何使用能源，在各个协议层都需要考虑节省能量；移动管理平台检测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居节点的位置；任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度监测任务。 2020届通信工程专业毕业设计（论文） 9 图 传感器网络协议栈 如图 新的协议栈， 它 细化并改进了原始模型。 定位和时间同步子层在协议栈中的位置比较特殊。 他们既要依赖于数据传输通道进行协作定位和时间同步协商，同时又要为网络协议各层提供信息支持，如基于地理位置的 路由 协议等很多传感器网络都需要定位和同 步信息。 路由协议概述和分类 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，它主要包括两个方面的功能：寻找源节点和目的节点间的优化路径，将数据分组沿着优化路径正确转发。 在无线传感器网络中，节点能量有限且一般没有能量补充，因此路由协议需要高效利用能量，同时传感器网络节点数目往往很大，节点只能获取局部拓扑结构信息，路由协议要能在局部网络信息的基础上选择合适的路径 [2]。 与传统网络的路由协议相比，无线传感器网络的路由协议具有以下特点： （ 1）能量优先。 传统路由协议在选择最优路径时，很少考虑节点的 能量消耗问题。 而无线传感器网络中节点的能量有限，延长整个网络的生存期成为传感器网络路由协议设计的重要目标，因此需要考虑节点的能力消耗以及网络能量均衡使用的问题。 （ 2）基于局部拓扑信息。 无线传感器网络为了节省通信能力，通常采用多跳的通信模式，而节点有限的存储资源和计算资源，使得节点不能存储大量的路由信息，不能进行太复杂的路由计算。 在节点只能获取局部拓扑信息和资源有限的情况下，图和实现简单高效的路由机制是无线传感器网络的一个基本问题。 （ 3）以数据为中心。 传统的路由协议通常以地址作为节点的标识和路由的一句，而 无线传感器完了中大量节点随机部署，所关注的是监测区域的感知数据，而不是具体哪个节点获取的信息，不依赖于全网唯一的标识。 传感器网络通常包含多个传感器节点到少数汇聚节丁仿敏：无线传感器网络路由协议 —— Directed Diffusion 路由原理与仿真 10 点的数据流，按照对感知数据的需求、数据通信模式和流向等，以数据为中心形成消息的转发路径。 （ 4）应用相关。 传感器网络的应用环境千差万别，数据通信模式不同，没有一个路由机制适合所有的应用，这是传感器网络应用相关性的一个体现。 设计者需要针对每一个具体应用的需求，设计与之适应的特定路由机制。 针对传感器网络路由机制的上述特点，在根据具体应用设计路由机制时 ，要满足下面的传感器网络路由机制的要求： （ 1）能量高效。 传感器网络路由协议不仅要选择能量消耗小的消息传输路径，而且要从整个网络的角度考虑，选择使整个网络能量均衡消耗的路由。 传感器节点的资源有限，传感器网络的路由机制要能够简单而且高效地实现信息传输。 （ 2）可扩展性。 在无线传感器网络中，检测区域范围或节点密度不同，造成网络规模大小不同；节点失散、新节点加入以及节点移动等，都会使得网络拓扑结构动态发生变化，这就要求路由机制具有可扩展性，能够适应网路结构的变化。 （ 3）鲁棒性。 能量用尽或环境因素造成传感器节点的 失败，周围环境影响无线链路的通信质量以及无线链路本身的缺点等，这些无线传感器网络的不可靠性要求路由机制具有一定的容错能力。 （ 4）快速收敛性。 传感器网络的拓扑结构动态变化，节点能量和通信带宽等资源有限，因此要求路由机制能够快速收敛，以适应网络拓扑的动态变化，减少通信协议开销，提高消息传输的效率。 无线传感器网络路由协议的分类基本上延续了传统 Ad Hoc 网的分类方法，根据不同的角度可以进行不同的分类。 主动路由协议与被动路由协议：根据路由发现策略，可分为主动路由和被动路由两种类型 [4,5]。 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，节点通过周期性的广播路由信息分组，交换路由信息，主动发现路由；同时，节点必须维护所有节点的路由。 它的优点是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，所需的延时很小。 缺点是主动路由需要花费较大开销，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。 而且，动态变化的拓扑结构可能使得这些路由更新变成过时信息，路由协议始终处于不收敛状态。 传统路由协议如 RIP， OSPF 都属于主动路由协 议。 主动路由协议一般包括“邻居节点检测”和“路由广播”两个过程。 路由器向各通信端口周期广播 Hello 分组，来实现邻居节点探测。 在距离矢量算法中，虽然没有显示的邻居节2020届通信工程专业毕业设计（论文） 11 点探测过程，但在与邻居节点交换距离向量路由表时，隐含了邻居节点探测。 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他所有节点的路由。 它仅在没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，被动地搜索从数据源到接收点的路由。 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信息的一部分。 它的优点是不需要周期性的广播路由信息，节省了一定的网路资源。 缺点的发送数据分组时，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。 被动路由协议主要包括“路由发现”和“路由维护”两个过程。 当源节点需要获得到目的节点的路由，而该路由又没有在路由表中时，路由发现过程被激活。 路由器采用洪泛的方式，向整个网。