【文章內(nèi)容簡介】 信息。謠傳路由協(xié)議的思想就是路由查詢信息到特定節(jié)點，這些節(jié)點己經(jīng)獲得了特定的事件，而不是采用向整個網(wǎng)絡廣播查詢的方法來獲得特定的事件。為了通過向整個網(wǎng)絡廣播事件，需要產(chǎn)生一個特定的信息包(Agent)。該包在整個網(wǎng)絡內(nèi)傳輸本地局部的事件信息。當某個節(jié)點產(chǎn)生關于某個事件的查詢時，事件表內(nèi)已經(jīng)存儲該信息的節(jié)點就會響應該查詢，這就避免了路由整個網(wǎng)絡的能量消耗。該路由協(xié)議僅僅維持從源節(jié)點到目的節(jié)點的一條路徑，而前面提到的定向擴散協(xié)議可以通過多條路徑傳送信息。(a)所示，節(jié)點A的探測區(qū)域內(nèi)，發(fā)生了Eventl事件。節(jié)點A將該事件封裝成Agent消息包的形式向網(wǎng)絡中的B傳送，B之后向C轉(zhuǎn)發(fā)該Agent消息包，C又向D轉(zhuǎn)發(fā)該消息包。經(jīng)過該過程。(b)中，當節(jié)點E向D節(jié)點發(fā)送Eventl事件的查詢，D節(jié)點會反饋給E節(jié)點Eventl事件發(fā)生的路徑((c)).經(jīng)過該過程，Eventl事件的發(fā)生路徑就己經(jīng)被建立起來了((d)). 謠傳路由協(xié)議工作過程 層次型路由協(xié)議層次路由協(xié)議又稱為分級路由協(xié)議，其基本思想是選一定數(shù)量的節(jié)點作為簇頭CH(Cluster Head)節(jié)點，簇頭節(jié)點通常具有較高的能量，負責其所在區(qū)域的內(nèi)信息的處理和轉(zhuǎn)發(fā):其它節(jié)點為非簇頭節(jié)點NCH(Non Cluster Head)，用于對監(jiān)控對象周圍的數(shù)據(jù)信息采集工作。因此，在該層次化結構中，各個節(jié)點之間不是平等的關系。另外，該類協(xié)議通常在CH節(jié)點進行數(shù)據(jù)的匯集和融合，減少網(wǎng)絡中需要傳送的數(shù)據(jù)量，:一是創(chuàng)建簇過程，即通過某種具體策略選擇CH節(jié)點，該CH節(jié)點和其管理的NCH節(jié)點共同構成簇結構。一是數(shù)據(jù)匯集、融合和轉(zhuǎn)發(fā)過程，即NCH節(jié)點收集特定區(qū)域內(nèi)的事件信息，并將該信息發(fā)送給CH節(jié)點，CH節(jié)點在對收集的NCH節(jié)點的數(shù)據(jù)進行融合后，轉(zhuǎn)發(fā)給其它CH節(jié)點或直接發(fā)送給基站(BS)。層次路由協(xié)議首先解決了傳感器網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)目龐大的問題。隨著節(jié)點密度的增加，單層網(wǎng)絡結構會引起網(wǎng)關(Gateway)節(jié)點的能量消耗過大，而通過分簇的方法，可以有效的解決該問題。另外，單層網(wǎng)絡由于傳輸路徑經(jīng)過節(jié)點個數(shù)較多(即跳數(shù)較多)，這就使網(wǎng)絡傳輸延時較大，對于一些實時性網(wǎng)絡，不能及時探測、追蹤重要事件的發(fā)生。層次路由協(xié)議主要有低能量自適應聚類LEACHE(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)路由協(xié)議[19]、敏感閾值能量有效路由TEENE(Threshold Sensitive Energy Efficient Sensor Network Protocol)協(xié)議、周期性自適應敏感閾值能量有效路由APTEEN(Adaptive Periodic ThresholdSensitive Energy Efficient sensor Network Protocol)協(xié)議[20]、能量有效性數(shù)據(jù)收集路由協(xié)議PEGASIS(PowerEfficient Gathering in Sensor Information Systems)[21]等。下面分別介紹這些協(xié)議。LEACH是基于聚類的分布式路由協(xié)議()，該協(xié)議隨機選擇一些傳感器節(jié)點作為簇頭CH(Cluster Head)節(jié)點，CH節(jié)點對從其它節(jié)點收集的數(shù)據(jù)進行壓縮以減少需要傳送的數(shù)據(jù)，然后發(fā)送給基站BS(Base Station)。經(jīng)過一段固定的時間間隔后，又會隨機選擇一定的節(jié)點作為新的CH節(jié)點。由于該協(xié)議采用的分布式的數(shù)據(jù)收集方式，并且NCH節(jié)點間隔性的工作，因此適用于對某個地區(qū)進行長時間的監(jiān)控[19]。LEACH協(xié)議的工作過程分為兩個階段，建立階段和穩(wěn)定階段。在建立階段，建立簇結構，選擇簇頭；在穩(wěn)定階段，將數(shù)據(jù)傳送到基站。為了節(jié)省能量，穩(wěn)定階段應該比建立階段持續(xù)更長的時間。簇Nch節(jié)點Ch節(jié)點Sink節(jié)點監(jiān)控區(qū)域 LEACH協(xié)議分簇示意圖建立簇過程中，預先確定一個p值，該值表示簇頭節(jié)點的百分比。傳感器節(jié)點隨機產(chǎn)生一個在0和1之間的r值。如果r小于閩值T(n)，則節(jié)點變?yōu)楫斍拜喌拇仡^節(jié)點(閾值是根據(jù)期望簇頭的百分比計算出來的)。， ()其中，T(n)為第n個節(jié)點在第r輪成為CH的概率，P為CH節(jié)點占總節(jié)點數(shù)的百分比，r為當前輪數(shù)，G為在前1/P輪中未充當CH節(jié)點的集合。該協(xié)議使用TDMA/CDMA的MAC層協(xié)議來減少簇內(nèi)和簇間的通信碰撞。在穩(wěn)定階段，NCH節(jié)點在MAC層以時分多路TDMA(Time Division Multiple Access)的形式向CH節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。CH節(jié)點對這些數(shù)據(jù)進行處理，在每幀結束時以載波監(jiān)聽多路訪問CSMA(Carrier Sense Multiple Access)的方式將其轉(zhuǎn)發(fā)給基站BS(Base Station)。LEACH協(xié)議的特點:第一，LEACH采用的MAC協(xié)議減少了NCH節(jié)點的能量消耗。其采用的TDMA機制使NCH節(jié)點在屬于自己的時間片內(nèi)向CH節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，而在其它時間內(nèi)處于休眠狀態(tài)。第二，LEACH是一種自組織協(xié)議。由于CH節(jié)點消耗的能量較大，因此采用隨機選取CH節(jié)點的方式平均能量消耗。第三，LEACH中所有的節(jié)點的結構和能量相同，更容易在實際中應用。第四，LEACH協(xié)議中的穩(wěn)定階段要比建立簇階段長的多。LEACH雖然有以上優(yōu)點，但也存在如下缺點。第一，由于按照一定的概率選擇簇頭，因此實際的簇頭數(shù)量并不是一個確定的值。第二，由于簇在形成過程中是自適應分布式的，因此簇頭并不是網(wǎng)絡中最優(yōu)的節(jié)點。針對以上問題，Heinzelman等人提出了LEACHC協(xié)議。LEACH協(xié)議是分布式的路由協(xié)議，而LEACHC協(xié)議是集中式的路由協(xié)議。LEACHC協(xié)議采用模擬退火(Simulated Annealing Approach)的方法，按照與節(jié)點剩余能量有關的概率公式，選取k個最優(yōu)的CH節(jié)點來構建聚類。該協(xié)議與LEACH相比有效提高了基站接收到的數(shù)據(jù)量，延長了網(wǎng)絡的生命周期。但由于采用集中式控制方式，各節(jié)點都要與基站進行通信，因此不能應用于大規(guī)模的傳感器網(wǎng)絡[19]。能量有效性數(shù)據(jù)收集協(xié)議典型的是PEGASIS。該協(xié)議采用鏈式傳輸數(shù)據(jù)的方式()，每個傳感器節(jié)點從鄰居節(jié)點傳送和接收數(shù)據(jù)，在該該條數(shù)據(jù)鏈中僅有一個節(jié)點與Sink節(jié)點進行通信。節(jié)點收集的數(shù)據(jù)沿著數(shù)據(jù)鏈路逐條傳輸。在傳輸過程中，接收該數(shù)據(jù)的節(jié)點將數(shù)據(jù)進行融合后，發(fā)送個該鏈路的下一個節(jié)點，直到數(shù)據(jù)最后傳送的Sink節(jié)點。該協(xié)議主要有兩點提高:一是由于采用鏈式傳輸路徑，節(jié)點只需與最近的鄰居節(jié)點進行通信；二是節(jié)點通信過程廣泛采用了數(shù)據(jù)融合技術[21]。雖然與LEACH協(xié)議相比，該協(xié)議有效地延長了網(wǎng)絡的生命周期，但是由于其采用鏈式傳輸路由，導致傳輸延遲很大。另外，由于采用單個鏈路的結構，如果該路徑中有一個節(jié)點由于某種原因而發(fā)生故障，則該節(jié)點就會變成網(wǎng)絡傳輸?shù)钠款i，這種影響直到新的一輪開始重新構成鏈路時才能夠消除。SINK節(jié)點傳感器節(jié)點 PEGASIS協(xié)議中的鏈式傳輸HierarchicalPEGASIS協(xié)議擴展了PEGASIS協(xié)議，并有效地解決了以上問題。HierarchicalPEGASIS協(xié)議形成數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉湫谓Y構，下層節(jié)點向上層節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)，最后到達根節(jié)點——基站BS。由于該協(xié)議采用了多層鏈式傳輸?shù)慕Y構，因此有效地解決了由于跳數(shù)過多造成數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t過大的問題。敏感閩值能量有效路由TEEN(Threshold Sensitive Energy Efficient Sensor Network Protocol)協(xié)議()。TEEN是一種應用于實時系統(tǒng)的協(xié)議。在TEEN協(xié)議中，傳感器節(jié)點持續(xù)地感知數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)是間歇性的傳送。該協(xié)議最重要的特點是有兩個參數(shù):硬實時值(Hard Threshold)和軟實時值(Soft Threshold)。硬實時值表示傳感數(shù)據(jù)的屬性值。軟實時值表示傳感數(shù)據(jù)的改變值。當傳感到的數(shù)據(jù)在硬實時值的范圍內(nèi)或傳感到的數(shù)據(jù)發(fā)生變化的范圍超過軟實時值時才進行傳輸。這樣就減少了傳感到的數(shù)據(jù)量?；径嗉壌仡^一級簇頭傳感器節(jié)點 TEEN和APTEEN協(xié)議的層次聚類在簇建立后，簇頭節(jié)點廣播這兩個值。在簇傳輸數(shù)據(jù)過程中，如果想調(diào)節(jié)接收到的數(shù)據(jù)量，可以動態(tài)地更改這兩個值，將其發(fā)送給非簇頭節(jié)點。周期性自適應敏感闡值能量有效路由APTEEN(Adaptive Periodic ThresholdSensitive Energy Eficient sensor Network Protocol)協(xié)議。APTEEN協(xié)議是對TEEN協(xié)議的擴展，該協(xié)議的目的是為了能夠感知間隔性的數(shù)據(jù)。在簇頭形成以后，廣播兩種實時值，并傳送調(diào)度信息到非簇頭節(jié)點。該協(xié)議支持三種不同的類型的查詢方式:歷史信息查詢，分析已接收到的數(shù)據(jù)；一次查詢，對整個網(wǎng)絡進行一次快速的狀態(tài)查詢；階段查詢，對某一事件進行一段時間的探測。APTEEN協(xié)議是主動式與被動式網(wǎng)絡的結合，其性能介于LEACH和TEEN協(xié)議之間。TEEN和APTEEN協(xié)議共同的缺點是簇的形成過程需要消耗一定的能量，并且隨著簇層次的增加，這種消耗會更加明顯。與平面路由協(xié)議相比，層次路由協(xié)議由于采用簇頭轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的方法，因此傳輸鏈路經(jīng)過的跳數(shù)較少，網(wǎng)絡延時較小。對于大規(guī)模的傳感器網(wǎng)絡，層次路由協(xié)議能耗均勻，信道分配公平，但建立簇結構需要一定的能量開銷，部分協(xié)議的實現(xiàn)較為復雜。實際應用中，應根據(jù)具體需要選擇相應的協(xié)議。 基于地理位置信息的路由協(xié)議很多傳感器網(wǎng)絡的路由協(xié)議都需要節(jié)點的位置信息。位置信息被用來計算兩個特定節(jié)點之間的距離，以此來確定兩點之間傳送一定數(shù)據(jù)所消耗的能量。各個相鄰節(jié)點可以通過交換彼此信息來獲得彼此的位置。節(jié)點的位置信息可以通過安裝GPS來獲得，對于靜態(tài)的傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點，GPS只在該網(wǎng)絡開始工作前確認自身位置信息。能量位置意識路由GEARE(Geogaphicand Energy Aware Routing)。GEAR應用節(jié)點地理位置信息，使用啟發(fā)式方法選擇鄰居節(jié)點，發(fā)送數(shù)據(jù)到目標區(qū)域。通過將整個網(wǎng)絡化分成很多局部的區(qū)域，通過在各個局部區(qū)域之間傳輸數(shù)據(jù)而限制了在整個網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)的傳輸。數(shù)據(jù)包傳感器節(jié)點 GEAR協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸示意圖GEAR協(xié)議的工作過程()。具體過程分為兩個階段:目標域數(shù)據(jù)傳送和域內(nèi)數(shù)據(jù)傳送。在目標域數(shù)據(jù)傳送階段，節(jié)點將鄰接點與目標區(qū)域的距離和它自己與目標區(qū)域的距離相比教，若存在最小距離，選擇該最小距離的鄰接點作為下一跳節(jié)點。若不存在更小距離，則存在空洞(Hole)，即鄰接點比節(jié)點自身距離更遠，節(jié)點根據(jù)鄰居節(jié)點的最小花銷來選擇下一跳節(jié)點。域內(nèi)數(shù)據(jù)傳送階段，數(shù)據(jù)包到達指定區(qū)域后直接洪泛尋找目標傳送數(shù)據(jù)。GEAR協(xié)議減少了中間節(jié)點的數(shù)量，降低了路由建立和數(shù)據(jù)傳送的開銷，有效地提高了網(wǎng)絡的性能，但其工作必須依賴GPS系統(tǒng)。 基于工作特性劃分 基于多路徑的路由協(xié)議在傳感器網(wǎng)絡中，如果頻繁使用同一條路徑傳輸數(shù)據(jù)，會造成該條路徑上的節(jié)點由于能量消耗過快而過早失效，使網(wǎng)絡中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不能成功地傳輸?shù)侥康墓?jié)點。而如果在源節(jié)點和目標節(jié)點之間建立多跳路徑，根據(jù)路徑上節(jié)點的通信能力和剩余能量情況，為每條路徑給定一定的概率值，這樣使得數(shù)據(jù)傳輸能夠均勻消耗網(wǎng)絡的能量值。這就是多路徑路由協(xié)議的基本思想。典型的多路徑協(xié)議有MDR和HREEMR兩種。多路徑分為兩種:一種是路徑之間無交點的是Disjoint Multipath()；一種是路徑之間有交點的Braided Multipath()?？梢愿鶕?jù)網(wǎng)絡實際所處的環(huán)境來決定使用哪種多路徑方法。對于出錯概率較大的網(wǎng)絡，可以選擇Disjoint Multipath；對于出錯概率相對較小的網(wǎng)絡，選擇Braided Multipath。具體過程分為路徑建立、數(shù)據(jù)傳輸和路由維護三個階段。路徑建立階段是該類協(xié)議的重點。在路徑建立階段，每個節(jié)點都要知道下一跳節(jié)點，并計算選擇下一跳節(jié)點的概率。概率的計算由通信代價公式來計算。不同的協(xié)議通信代價公式不同[22]。源節(jié)點目的節(jié)點 Disjoint Multipath示意圖源節(jié)點目的節(jié)點 Braided Multipath示意圖也可以根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路徑的數(shù)量將待轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)分為P份，即為每條路徑只發(fā)送全部數(shù)據(jù)的一部分，每份的大小與路徑跳數(shù)和節(jié)點能量有關，在目標節(jié)點再將收到的P份數(shù)據(jù)進行組合，這樣就可以得到與原數(shù)據(jù)相同的新數(shù)據(jù)。如果某一條路徑形成斷路，不需要重發(fā)全部數(shù)據(jù)，只需發(fā)送有問題的部分數(shù)據(jù)，這樣就節(jié)省了能量。多路徑傳輸雖然會提高數(shù)據(jù)發(fā)送的成功率，但建立多路徑需要一定的時間，會造成數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r。 基于查詢的路由協(xié)議目標節(jié)點在網(wǎng)絡中散播一個查詢信息。如果有傳感器節(jié)點收集的數(shù)據(jù)匹配該查詢信息，則向目標節(jié)點發(fā)送查詢匹配的信息，再通過某種方法構造路由路徑后，向目標節(jié)點傳送節(jié)點收集到的具體信息。前面介紹的定向擴散(Directed Difusion)和謠傳(Rumor)路由就是典型的基于查詢的路由協(xié)議。定向擴散是通過發(fā)送興趣(Interest)消息，在得到應答消息后，建立梯度路徑來確定路由路徑。謠傳路由在網(wǎng)絡中發(fā)送一個特殊的信息包(Agent)通知網(wǎng)絡中其它節(jié)點本地發(fā)生的局部事件。接收到信息包(Agent)的節(jié)點在其事件表(Event Table)中保存事件發(fā)生的路徑信息。當有節(jié)點發(fā)送該事件的查詢信息時，節(jié)點就會從事件表中查詢事件發(fā)生節(jié)點的路由路徑，并將該信息反饋給查詢節(jié)點。 基于QOS的路由協(xié)議該類協(xié)議的重點在于平衡能量消耗和傳輸數(shù)據(jù)的質(zhì)量。其中，SPEED是最具代表性的協(xié)議。SPEED協(xié)議主要工作過程:①延遲估計機制，用來得到網(wǎng)絡的負載情況。節(jié)點記錄到鄰居節(jié)點的通信延遲，表示網(wǎng)絡局部通信負載。②使用SNGF算法來選擇滿足傳輸數(shù)率要求的下一跳節(jié)點。節(jié)點選擇距離目標節(jié)點距離更近的節(jié)點為備選節(jié)點。如果無備選節(jié)點，使用反相壓力路由變更機制。③使用SNGF找不到滿足要求的路由時，使用鄰居反饋策略NFL(Neighborhood Feedback NFL)的補償機制。由MAC層收集錯誤信息，由差錯率計算轉(zhuǎn)發(fā)概率: