【文章內容簡介】 知區(qū)域為 Q和 R，節(jié)點 B感知區(qū)域為 R和 S。 節(jié)點 A和 B向節(jié)點 C發(fā)送自身感知數(shù)據(jù)時，監(jiān)測區(qū)域 R被發(fā)送了兩次，因此造成了數(shù)據(jù)冗余現(xiàn)象的產(chǎn) 生。 圖 洪泛中的“內爆”現(xiàn)象 A B D C DATA 中北大學 2020 屆畢業(yè)論文 第 16 頁 共 54 頁 圖 洪泛中的“重疊”現(xiàn)象 SPIN是一類基于協(xié)商機制的自適應傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議。該類協(xié)議基于以下兩個基本思想設計 : 第一，各節(jié)點通過元數(shù)據(jù)進行協(xié)商，通過傳輸包含信息類型的元數(shù)據(jù)來減少數(shù)據(jù)傳輸量 ； 第二，改進了 Flooding協(xié)議的監(jiān)測區(qū)域“重疊”問題和“信息爆炸”問題。 SPIN類協(xié)議認為網(wǎng)絡中的每個節(jié)點都可以充當基站 (Base Station)的角色。這使得用戶能夠查詢任意節(jié)點的內容，快速獲得自身需要的信息。該協(xié)議利用網(wǎng)絡中相鄰節(jié)點具有相似數(shù)據(jù)的特性。 SPIN1有三種類型的消息幀 (如圖 )，ADV,REQ和 。當一個節(jié)點有數(shù)據(jù)可共享時，它可用 ADV數(shù)據(jù)包對外廣播 ； REQ用于請求發(fā)送數(shù)據(jù)。當一個節(jié)點希望接收 DATA數(shù)據(jù)包時，發(fā)送 REQ數(shù)據(jù)包 ； DATA包含元數(shù)據(jù)和采集數(shù)據(jù)。 SPIN2協(xié)議和 SPIN1協(xié)議類似，不同的是增加了能量約束，如果節(jié)點的能量的低于某個臨界值，則其不參加廣播等活動。 關于其它 SPIN協(xié)議如 下 : SPINBC:適用于廣播信道。 SPINPP:適用于點對點通信，采用單跳路由。 SPINEC:適用于點對點通信，采用能量約束機制。 SPIN類協(xié)議的優(yōu)點在于由于該類協(xié)議只需要局部信息，而不需要全局拓撲信C A B R S Q R,Q R,S 中北大學 2020 屆畢業(yè)論文 第 17 頁 共 54 頁 息，因此能夠適用于拓撲結構變化的網(wǎng)絡。另外，該協(xié)議與 Flooding協(xié)議相比，由于使用了協(xié)商機制，減少了冗余數(shù)據(jù)的發(fā)送量，因此節(jié)省了能量。 圖 SPIN協(xié)議工作過程示意圖 定向擴散 (Directed Difusion)是一種新的以數(shù) 據(jù)為中心的通信模型。其突出特點是引入了梯度來描述網(wǎng)絡中間節(jié)點對該方向繼續(xù)搜索獲得匹配數(shù)據(jù)的可能性。該協(xié)議要求傳感器節(jié)點產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)均以屬性一值對命名。通過將來自不同源節(jié)點的數(shù)據(jù)聚集再重新路由來達到消除冗余和最大程度降低數(shù)據(jù)傳輸量的目的。該協(xié)議創(chuàng)建源節(jié)點到單一目的節(jié)點的多條路徑，增加了數(shù)據(jù)的可靠性 [18]。 在定向擴散協(xié)議中，傳感器節(jié)點測量事件的發(fā)生，并在其相應的鄰居節(jié)點之間建立梯度 (Gradients)信息?；就ㄟ^廣播興趣 (Interest)消息來獲得需要的數(shù)據(jù)。興趣消息描述傳感器網(wǎng)絡所要完成的工作，該 消息通過網(wǎng)絡節(jié)點單跳擴散(hopbyhop)傳播。與此同時，梯度被建立指向發(fā)送該消息 (interest)的節(jié)點。如當基站通過發(fā)送興趣消息來查詢特定數(shù)據(jù)，接收到該興趣的傳感器節(jié)點轉發(fā)該興趣消息。最終，每一個接收到該興趣消息的傳感器節(jié)點都建立了一條指向發(fā)送興趣消息節(jié)點方向的梯度。該過程一直進行，直到從源節(jié)點到目的節(jié)點建立了一條完整的梯度路徑。工作過程詳見圖 。 DATA REQ ADV ADV ADV ADV REQ REQ REQ DATA DATA DATA a e d c b f 中北大學 2020 屆畢業(yè)論文 第 18 頁 共 54 頁 與前面提到的 SPIN類協(xié)議相比，定向擴散協(xié)議有兩點不同。第一，定向擴散協(xié)議著重于需求數(shù)據(jù)的查詢，這通過以 Flooding的形式傳播查詢來實現(xiàn) 。而在 SPIN類協(xié)議中，傳感器節(jié)點廣播自身允許其它節(jié)點查詢的數(shù)據(jù)信息。第二，在定向擴散中，相鄰節(jié)點在進行數(shù)據(jù)傳送時能夠進行數(shù)據(jù)緩沖與數(shù)據(jù)融合 ； 而在 SPIN類協(xié)議中，不需要維持定向擴散協(xié)議中的全局網(wǎng)絡拓撲信息。另外，由于定向擴散協(xié)議是基于查詢驅動的協(xié)議因此不能用于要求傳送持續(xù)性數(shù)據(jù)的應用。 圖 定向擴散協(xié)議工作過程示意圖 除以上兩種平面路由協(xié)議外，謠傳路由協(xié)議也是比較重要的平面路由協(xié)議。 謠傳 (Rumor)路由主要用于不能獲得地理位置信息的環(huán)境 。 通常情況下，當沒有節(jié)點位置限制時，定向擴散協(xié)議廣播查詢信息到整個網(wǎng)絡。但在查詢節(jié)點少量數(shù)據(jù)信息的情況下，通過 Flooding方式向整個網(wǎng)絡廣播查詢需要浪費大量的能量。在事件信息較小而查詢信息較多時，可以采用廣播事件 (Event)信息的方法來代替廣播查詢 (Query)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a b c 事件區(qū)域 左側首節(jié)點都為源節(jié)點 右側末節(jié)點都為匯聚節(jié)點 中北大學 2020 屆畢業(yè)論文 第 19 頁 共 54 頁 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。如圖 (a)所示，節(jié)點 A的探測區(qū)域內，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轉發(fā)該 Agent消息包， C又向 D轉發(fā)該消息包。經(jīng)過該過程，網(wǎng)絡中的節(jié)點 D的事件表里都有了 Eventl事件和該事件發(fā)生的路徑。在圖 (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 (圖(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 (圖 (d)). 圖 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)域的內信息的處理和轉發(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，以節(jié)省能量 .層次路由協(xié)議通常有兩個主要工作過程 :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)中北大學 2020 屆畢業(yè)論文 第 20 頁 共 54 頁 匯集、融合和轉發(fā)過程，即 NCH節(jié)點收集特定區(qū)域內的事件信息，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 (如圖 )，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，并采用輪換 CH節(jié)點的方式平均能量消耗 .在 LEACH協(xié)議中， 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。 中北大學 2020 屆畢業(yè)論文 第 21 頁 共 54 頁 圖 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 )。如式 ， 11 m o d ( )(),0P nGPrTn P? ?? ????? ?????, 如 果否 則 () 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向 CH節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，而在其它時間內處于休眠狀態(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。 簇 Nch 節(jié)點 Ch 節(jié)點 Sink 節(jié)點 監(jiān)控區(qū)域 中北大學 2020 屆畢業(yè)論文 第 22 頁 共 54 頁 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(如圖 )，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。 中北大學 2020 屆畢業(yè)論文 第 23 頁 共 54 頁 圖 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 (如圖 )。 T