无线传感器网络路由协议设计原则

2009年2月湖北第二师范学院学报

Feb .2009第26卷第2期

Journal of Hubei University of Educati on

Vol .26　No 12

无线传感器网络路由协议设计原则

王　娅

(湖北第二师范学院物理与电子工程系,武汉430205)

摘　要:随着通信技术、嵌入式计算技术、信息处理技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟,集数据采集、

处理、传输、通信于一体的无线传感器网络引起了人们极大的重视。目前,各国研究者致力于无线传感器网络的路由协议、MAC 层协议、QoS 、网络拓扑控制、网络安全等各方面的研究,并取得了一定的研究成果。本文将着重研究无线传感器网络路由协议的设计原则及在设计中需要考虑的因素。关键词:无线传感器网络;路由协议;设计原则收稿日期:2008212221

中图分类号:T N919 文献标识码:A 文章编号:16742344X (2009)022*******作者简介:王娅(1982-),女,湖北黄冈人,助教,硕士,研究方向为无线传感器网络。 微电子技术、计算技术和无线通信等技术的进步,推动了低功耗多功能传感器的快速发展,使其在微小体积内能够集成信息采集、数据处理和无线通信等多种功能。目前,各国研究者致力于无线传感器网络的路由协议、MAC 层协议、QoS 、网络拓扑控制、网络安全等各方面的研究,并取得了一定的研究成果。1　无线传感器网络的概念和特征

无线传感器网络(wireless sens or net w ork,W S N )就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成,通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统,其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感

知对象的信息,并发送给观察者[1]

。

无线传感器网络和塑料电子学、仿生人体器官被称

为全球未来的三大高科技产业。它的主要特点是[2]

:1.1　大规模网络。为了获取精确信息,在监测区域通常部署大量传感器节点,传感器节点数量可能达到成千上万,甚至更多。传感器网络的大规模性包括两方面的含义:一方面是传感器节点分布在很大的地理区域,如在原始大森林采用传感器网络进行森林防火和环境监测,需要部署大量的传感器节点;另一方面传感器节点部署很密集,在一个面积不是很大的空间内,密集部署了大量的传感器节点。1.2　自组织网络。在传感器网络应用中,通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方。传感器节点的位置不能预先精确设定,节点之间的相互邻居关系预先也不知道,如通过飞机播撒大量传感器节点到面积广阔的原始森林中,或随意放置到人不可到达或危险的区域。这样就要求传感器节点具有自组织的能力,能够自动进

行配置和管理,通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。

在传感器网络使用过程中,部分传感器节点由于能量耗尽或环境因素造成失效,也有一些节点为了弥补失效节点、增加监测精度而补充到网络中,这样在传感器网络中的节点个数就动态地增加或减少,从而使网络的拓扑结构随之动态地变化。传感器网络的自组织性要能够适应这样网络拓扑结构的动态变化。

1.3　动态性网络。传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变:(1)环境因素或电能耗尽造成的传感器

节点出现故障或失效;(2)环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化,甚至时断时通;(3)传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性;(4)新节点的加入。这就要求传感器网络系统要能够适应这种变化,具有动态的系统可重构性。1.4　可靠的网络。传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域,传感器节点可能工作在露天环境中,遭受太阳的暴晒或风吹雨淋,甚至遭到无关人员或动物的破坏。传感器节点往往采用随机部署,如通过飞机播撒或发射炮弹到指定区域进行部署。这些都要求传感器节点非常坚固,不易损坏,适应各种恶劣环境条件。

由于监测区域环境的限制以及传感器节点数目巨大,不可能人工“照顾”每个传感器节点,网络的维护十分困难甚至不可维护。传感器网络的通信保密性和安全性也十分重要,要防止监测数据被盗取和获取伪造的监测信息。因此,传感器网络的软硬件必须具有鲁棒性和容错性。?

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1.5　应用相关的网络。传感器网络用来感知客观物理世界,获取物理世界的信息量。客观世界的物理量多种多样,不可穷尽。不同的传感器网络应用关心不同的物理量,因此对传感器的应用系统也有多种多样的要求。

不同的应用背景对传感器网络的要求不同,其硬件平台、软件系统和网络协议必然会有很大差别。所以传感器网络不能像I nternet一样,有统一的通信协议平台。对于不同的传感器网络应用虽然存在一些共性问题,但在开发传感器网络应用中,更关心传感器网络的差异。只有让系统更贴近应用,才能做出更高效的目标系统。针对每一个具体应用来研究传感器网络技术,这是传感器网络设计不同于传统网络的显著特征。

1.6　以数据为中心的网络。目前的互联网是先有计算机终端系统,然后再互联成为网络,终端系统可以脱离网络独立存在。在互联网中,网络设备用网络中唯一的I P 地址标识,资源定位和信息传输依赖于终端、路由器、服务器等网络设备的I P地址。如果想访问互联网中的资源,首先要知道存放资源的服务器I P地址。可以说目前的互联网是一个以地址为中心的网络。

传感器网络是任务型的网络,脱离传感器网络谈论传感器节点没有任何意义。传感器网络中的节点采用节点编号标识,节点编号是否需要全网唯一取决于网络通信协议的设计。由于传感器节点随机部署,构成的传感器网络与节点编号之间的关系是完全动态的,表现为节点编号与节点位置没有必然联系。用户使用传感器网络查询事件时,直接将所关心的事件通告给网络,而不是通告给某个确定编号的节点。网络在获得指定事件的信息后汇报给用户。这种以数据本身作为查询或传输线索的思想更接近于自然语言交流的习惯。所以通常说传感器网络是一个以数据为中心的网络。

2　无线传感器网络的路由技术

2.1　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[3]:

2.1.1　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的节点的能量有限,延长整个网络的生存期成为传感器网络路由协议的重要目标,因此需要考虑节点的能量消耗以及网络能量均衡使用的问题。

2.1.2　基于局部拓扑信息。无线传感器网络为了节省通信能量,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,如何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。

2.1.3　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依靠,而无线传感器网络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,以数据为中心形成信息的转发路径。

2.1.4　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。

2.2　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:

2.2.1　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。

2.2.2　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;节点失败、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,能够适应网络结构的变化。

2.2.3　鲁棒性。能量用尽或环境因素造成传感器节点的失效,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特性要求路由机制具有一定的容错能力。

2.2.4　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。

3　W SN路由协议设计原则

3.1　W S N路由协议考虑的因素。在路由协议的设计过程中,主要考虑以下因素[4]:

3.1.1　节能(Energy efficiency):因为无线传感器网络节点是由电池提供能量,所以将能量的高效运用来延长系统的生命周期作为路由协议设计过程中首要考虑的问题。系统的生命周期可以用一些普通的参数衡量,如:有一半节点死亡的时间;也可以用特定的应用尺度衡量,如:网络停止运行而不能提供可靠信息服务的时间。

3.1.2　传输延迟(Latency):网络研究人员注重考虑网络中的信息传输延迟时间。网络延迟时间的精确测量是依靠应用环境来决定。

3.1.3　精确度(Accuracy):获取信息的高精确度是研究人员首要考虑的目标,它是依靠应用环境决定。网络的节能、传输延迟和精确度是相互制约的三个条件。在许多实际应用中,研究人员需要协调三者关系来实现最小

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能量消耗下期望的精确度和传输延迟。例如:在既能够使用少量节点高频率发送数据,又能够使用多数节点低频率发送数据的情况下,我们就要协调三者关系,找出更加合适的方案实现数据的传输。

3.1.4　容错性(Fault-t olerance):健壮性(Haleness)是路由协议应具备的基本特征。在W S N中,由于能量限制、环境干扰和频繁变化的拓扑结构,传感器节点会经常损坏。路由协议具有健壮性(或称容错性)可以保证部分传感器节点的损坏不会影响到全局任务。网络容错性可以通过数据复制的方式实现,然而数据复制本身就会消耗节点能量,因此要均衡数据复制和能量间的关系。

3.1.5　可扩展性(Scalability):评估无线传感器网络的另一个关键因素是可扩展性。对于大规模网络,层次设计和数据融合的局部重叠设计将可能是保证网络可扩展性的一个至关重要条件。

3.1.6　服务质量(QoS):自组网中的QoS支持问题是考虑如何动态地配置网络资源使数据效率更高的问题。与传统Ad-hoc网络不同的是,WS N不仅要考虑到如何在拓扑结构和信道状态频繁变化的环境中实现QoS,还要对如何在降低能耗和QoS间达到平衡等问题进行深入的研究。

3.2　W S N路由协议设计原则。根据在路由协议设计过程中要考虑的主要因素,现阶段W S N路由协议设计要遵从如下原则[5]:

3.2.1　能量利用率优先考虑:由于W S N节点采用电池一类的可耗尽能源,因此能量受限是W S N的主要特点,实施有效的节能策略是延长W S N的生存时间的重要手段。无线传感器网络的路由协议都是以节能为目标,通过采用数据描述机制、基于数据描述的协商机制、数据融合技术、本地化算法等各种方式减少通信消耗。同时,为了延长整个网络的生存期和出现网络分割的时间,有些路由协议将转发负载平均分配到各个节点来保证节点的电池耗费相对公平。

3.2.2　数据为中心:在传感器网络的很多应用中,用户需要的是与任务(interest)相关区域内传感器所产生的数据,而并非单个节点产生的数据。因此W S N内每个传感器节点不需要传统网络中所需要的全局唯一的标识或地址。以数据为中心的路由协议要求采用基于属性的命名机制。传感器节点通过命名机制来描述数据,并通过向所有节点发送对某个命名数据的interest完成数据收集。由于以数据为中心的路由协议关心的不是单个节点产生的数据,因此某个节点的故障并不会影响整个协议的运行,从而提高了网络的健壮性。

3.2.3　不影响传感器节点探测精度条件下的数据聚合: W S N中的每个传感器以不同精度感知目标环境中相同的特征,因此,以数据为中心的路由协议在数据采集和传递过程中会产生大量冗余和重叠的信息。数据聚合技术利用抑制(消除重复)、最小、最大和平均计算等操作将来自不同源点的相似数据结合起来,通过数据的简化实现传输数量的减少,从而达到能源节约的目的。在一些网络体系结构中,数据聚合又被称为数据融合。在数据融合中,节点不仅能实现数据的简化,还可以针对特定的应用环境,将多个传感器节点所产生的数据按照数据的特点综合成有意义的信息,从而提高了感知信息的准确性,同时增强了系统的鲁棒性。

3.2.4　理想的节点定位和目标追踪。节点定位是指确定每个传感器节点在WS N系统中的相对位置或绝对地理坐标。在许多情况下,WS N路由协议需要传感器节点的位置信息来估算节点间的距离和传输据所消耗的能量以便达到路由决策的目的。另外,通过节点定位,WS N系统可以智能地选择一些特定的节点来完成任务,这种工作模式可以大大降低整个系统的能量消耗,提高系统的生存时间。

在无线传感器网络路由协议的设计过程中,我们需要依据相应的设计原则,综合考虑相关的环境因素,这样设计出来的无线传感器网络路由协议会更加符合设计要求,具有更佳的可行性。

参考文献:

[1][2][3]孙利民,李建中,陈渝,朱红松.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社,2005.

[4]高传善,杨珉,毛迪林.无线传感器网络路由协议研究综述[J].世界科技研究与发展,2005,(8).

[5]梁英,于害斌,曾鹏.无线传感器路由协议[J].信息与控制,2005,(3).

The Design Princi p les of Routing f orW ireless Sens or Net w orks

WANG Ya

(Depart m ent of Physics and Electr onic Engineering,Hubei University of Educati on,W uhan430205,China) Abstract:W ith the devel opment of co mmunicati on technol ogy,e mbedded co mputing technol ogy,inf or mati on p r ocessing technol ogy and sens or technol ogy,the wireless sens or net w orks at data acquisiti on,p r ocessing,co mmunicati on and trans m issi on ar oused peop leπs s pecial attenti on.A t p resent,the researchers in every country are studying on r outing,MAC,QoS,t opol ogy,security and s o on of the wireless sens or net w orks.This paper will pay attenti on t o the design princi ples of r outing f or wireless sens or net w orks.

Key words:wireless sens or net w ork;r outing;design p rinci p le

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