WSN第4章、路由协议 - 360文档中心

无线传感器网络中的路由协议技术教程

无线传感器网络中的路由协议技术教程无线传感器网络（Wireless Sensor Network，简称WSN）是由大量分布式的无线传感器节点组成的网络，用于实时监测、采集和传输环境信息。

在WSN中，节点之间的通信主要通过路由协议来实现。

路由协议技术是WSN中的关键技术，它决定了网络中数据的传输路径和流量控制方式，直接影响着网络的能效、延迟和可靠性。

在WSN中，路由协议技术有许多不同的分类和应用场景。

本文将从三个方面介绍WSN中常用的路由协议技术：平面协议、层次协议和基于地理信息的协议。

首先，平面协议是WSN中最简单和常见的路由协议技术。

它将所有节点视为平等的，没有特定的节点负责管理整个网络。

这种协议通常基于最短路径算法，如Dijkstra算法和Bellman-Ford算法，根据节点间的距离选择最优路径进行数据传输。

平面协议适用于节点数量较少、网络结构简单的情况。

然而，随着节点数量的增加，平面协议的能效会降低，因为节点之间的通信开销变得过大。

其次，层次协议是为了解决平面协议在大规模网络中的能效问题而提出的。

层次协议将网络划分为多个层次，每个层次由一个或多个节点组成。

其中，每个层次内的节点通过一定的规则进行通信，而不同层次之间的节点通过特定的节点进行交互。

常见的层次协议有LEACH和PEGASIS。

LEACH协议以划分的簇为基础，按照轮次的方式选择簇头节点，由簇头节点负责转发数据。

而PEGASIS协议则采用链式结构，每个节点只与其临近的节点直接通信。

层次协议充分利用了节点之间的空间和能量优势，使得网络能效得到显著提升。

最后，基于地理信息的协议是利用节点位置信息进行路由决策的一种技术。

WSN中的节点通常配备有GPS等定位设备，可以准确获取节点的地理位置。

基于地理信息的协议可以根据节点的位置来选择最优的路由路径，以减少数据传输的能耗。

例如，Greedy Perimeter Stateless Routing （GPSR）协议通过在网络中建立位置簇，选择最近的邻居节点作为下一跳节点，以最短路径转发数据。

WSN中基于节点概率感知模型的覆盖路由协议

８
９１０１ｌ１２
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表示在上一轮结束开始到接收到簇头发来的控
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由于选举的簇头节点都是有很多邻居节点的，那
么它周围的节点密度可能比较大，了防止选举出来为
表１节点的感知概率统计
第２卷４
第９期
电脑开发与应用
文章编号ｌＯ３５５（Ｏ１０－０７０１Ｏ —８Ｏ２１）９０３— ３
ＷＳ中基于节点概率感知模型的覆盖路由协议Ｎ
ＲｅｅｒｈｏｖｒｇｕｅＰｒｔｃｌｏｏｅｂｓｄＰｒｂｂｌｔｅｏｓａｃｎＣｏｅａｅＲｏｔｏｏｏｆＮｄ — ａｅｏａｉｉｙＳｎｓｒ
盖和路由协议就至为关键。基于这个要求，采用接近实际的节点概率感知模型进行建模，对满足覆盖冗余节点的要求进行分析，并对传统分簇路由协议ＬＡＣ进行改进提出创新的覆盖路由协议ＬＡＣＣ，并通过ＥＨＥＨ— ＭＡＴＡＢ进行仿真分析。仿真结果表明，有效地提高了网络的覆盖度，延长了网络生命周期。Ｌ

WSN中基于代价函数的机会路由协议

WSN中基于代价函数的机会路由协议
无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是由大量的低能耗、分布式的无线传感器节点组成的网络系统，用于收集环境中的信息并将其传输到数据处理中心。

在WSN中，传感器节点通常是由有限的资源，如能量、计算能力和通信带宽。

机会路由协议（Opportunistic Routing Protocol）是指传感器节点在不确定节点之间的可靠连接时，通过选择机会节点进行数据传输的一种路由协议。

机会路由协议的核心思想是基于数据包的传输机会，而不是单一的最佳路径选择。

基于代价函数的机会路由协议是一种根据节点之间的代价计算进行数据包传输的机会路由协议。

每个节点根据邻居节点的代价值来选择最佳的机会节点，并将数据包传输到该节点，最终传输到目的地节点。

代价函数的选择对基于代价函数的机会路由协议的性能有重要影响。

一般来说，代价函数越小表示节点之间的传输代价越小，选择代价函数较小的机会节点更有可能提高数据包的传输效率。

除了代价函数的选择，基于代价函数的机会路由协议还需要考虑其他因素，如网络拓扑结构、能量消耗、时延等。

在设计基于代价函数的机会路由协议时，需要全面考虑这些因素，并进行合理的折衷和权衡。

第4章WSN通信与组网技术-无线传感器网络技术原理及应用(第2版)-许毅-清华大学出版社

＊3 分布式协调功能(DCF)
DCF是IEEE802.11MAC层基本访问控制机制,提供异步数据服务,其基本访问模式如图4-11 所示。DCF 是基于 CSMA/CA 的,它包括两种介质访问机制:基本访问机制(BasicAccessMechanism,BAM)和 RTS/CTS机制,同时由于采用了退避规程,DCF实现了信道的良好利用率和数据可靠的传输。
,802.11协议簇规定了两种不同的 MAC 层访问机制,一种是分布式协调功能 (DistributedCoordinationFunction,DCF),用来传输异步数据,同时也是支持 PCF机制的基础。DCF 机制可以应用于所有的站点,无论其拓扑结构是基本网络配置还是IBSS;另一种访问机制称为点协调功能(PointCoordinationFunction,PCF),是可选的,它只可用于基本网络配置的拓扑结构。PCF 的工作原理主要为轮询机制,即由一个点协调器 (PointCoordinator,PC)来制令牌的循环,两种工作模式于要发送帧的STA而言，当该STA通过物理或虚拟载波机制发现媒质忙时，或STA被指出发送没有成功时，STA将调用退避算法。退避算法过程如图4-14所示。
图4-14退避算法过程
＊ 4 集中式协调功能(PCF)
PCF通过集中协调器(PC)控制下的轮询和应答机制提供无竞争的帧传输。（1）PCF基本访问; （2）无竞争期间的网络分配矢量操作; （3）PCF站点的帧发送过程。图4-15为 PCF工作模式下 PC 和 STA 间帧传输的例子。（4）无竞争轮询列表
图4-9 扩展服务集网络
2 IEEE 802.1l 协议MAC层的工作模式
载波监听多点接入 CSMA(CarrierSenseMultipleAccess)是从 ALOHA 演变出的一种改进协议, 又称为载波侦听多点访问协议。当信道中有帧存在时,称信道是忙碌的,否则称为空闲的。每站发送前先检测信道状态,是否发送数据根据信道状态来决定。例如,当信道忙碌时,不急于发送而是先退避一段时间再发送,这样可以减少发送的盲目性,CSMA 协议就是根据上述思想实现的。

WSN路由协议

一种新的无线传感器网络分簇路由算法刘垠电子科技大学，成都（610054）E-mail: manziliu@摘要：在无线传感器网络中，一种合理的路由算法对提高网络寿命有着非常重要的作用，这篇论文基于传统的分簇路由协议LEACH,以延长网络寿命和提高网络通信质量提出了一种新的路由算法。

这种路由算法引入了智能天线的使用。

算法在定向传播的基础上不但节省了网络能量，并且灵活的簇群配置，簇头交换策略使得这个新的算法不局限于特定拓扑分布无线传感器网络。

本算法的创新点在于利用天线的方向形成簇群，同时达到了在数据传输时能量节省和网络路由变化通信开销减少的目的关键词：分簇路由协议；无线传感器网络；智能天线；能量节省；定向传播中图分类号：TP3931.引言无线传感器网络（WSNs）技术发展迅猛得益于近年来传感器和无线通信技术的进步。

无线传感器网络中的节点可以同邻居节点通信或者和基站直接通信，大量的节点使得对于大面积区域的感应和监控精确化成为可能。

每个节点都可以把感应到的物理信息高效的转化为数字信息，并且根据需要决定是否融合其他节点数据，或者发送自身数据到特定的邻居节点或者是基站。

用户可以通过基础设施或者Internet连接到无线传感器网络来取得所需的信息。

但是WSNs有一些特定限制，比如：有限的能量供给，有限的计算能力和有限的连接传感器的无线链路带宽，而且在很多WSNs的应用领域中对路由协议中能量消耗提出了很严格的要求，比如，众多的传感器通常用飞机随意地分布在恶劣的或不可到达的环境中，所以人为更换电池是不可能的。

这些因素使得这篇路由算法的主要目标也是主要挑战就是在保证有效通信的基础上，尽量的延长无线传感器网络的寿命。

2.无线传感器网络基本概念无线传感器网络由大量传感器节点和一个或者多个基站（汇聚节点）构成，基站相当于是节点与其它网络通信的网关，众多的传感器采集到需要的数据信息发送到基站，基站根据用户需要把不同的数据发送到不同的用户网络或者终端。

第4章WSN通信与组网技术---02

4.7.2 IEEE 802.11协议
1 IEEE 802.11网络拓扑结构
（1） Ad Hoc网络形式
（2）基础结构网络形式
（3）扩展服务集结构形式
2 IEEE 802.1l 协议MAC层的工作模式
载波监听多点接入CSMA(Carrier Sense Multiple Access)称为载波侦听多点访问协议。
DMAC协议中几个主要机制: （1）自适应占空比机制（2）数据预测机制（3）MTS分组机制
CSMA协议内容： (1)1-坚持CSMA； (2)非坚持CSMA； (3)P-坚持CSMA； (4)CSMA/CD(CSMA/Collision Detect)；
(5)CSMA/CA(CSMA/Collision Avoidance)。
IEEE 802.11协议族标准采用CSMA/CA机制，DMA机制的一些特点非常适合传感器网络节省能量的需求： TDMA机制没有竞争机制的碰撞重传问题；数据传输时不需要过多的控制信息；节点在空闲时槽能够及时进入睡眠状态。
1.基于分簇网络的MAC协议
对于分簇结构的传感器网络，基于TDMA机制的MAC协议如图5-17所示，所有传感器节点同时划分或自动形成多个簇，每个簇内有一个簇头节点。簇头负责为簇内所有传感器节点分配时槽，收集和处理簇内传感器节点发来的数据，并将数据发送给汇聚节点。
图5-6隐蔽终端问题
802.11 MAC协议中通过立即主动确认机制和预留机制来提高性能，在主动确认机制中，当目标节点收到一个发给它的有效数据帧(DATA)时，必须向源节点发送一个应答帧(ACK)，确认数据已被正确接收到。 RTS/CTS访问机制工作原理如图5-7所示。
图5-7 RTS/CTS访问机制

WSN协议分类

WSN的路由协议分类2011年11月07日14:03 来源：本站整理作者：秩名我要评论(0) 目前国内外科研人员已设计了多种面向WSN的路由协议，将其分为四类：以数据为中心的、分层次的、基于位置的、基于数据流模型和服务质量（QoS）要求的。

（1）以数据为中心的路由协议此类路由协议是基于查询和目标数据命名之上的，通过数据融合减少冗余的数据传输。

①Flooding协议和Gossiping协议：这是两个最经典和简单的传统网络路由协议，在Flooding协议中，节点产生或收到数据后向所有邻节点广播，数据包直到过期或到达目的地才停止传播。

该协议具有严重缺陷：内爆（implosiON），节点几乎同时从邻节点收到多份相同数据；交叠（overlap），节点先后收到监控同一区域的多个节点发送的几乎相同的数据；资源利用盲目（resource blindness），节点不考虑自身资源限制，在任何情况下都转发数据。

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，避免了内爆，但增加了时延。

这两个协议不需要维护路由信息，也不需要任何算法，简单但扩展性很差。

②SPIN协议：SPIN（sensor protocols for inf°rmatlon vla negotiation）协议节点利用三种消息进行通信：数据描述ADV、数据请求REQ和数据DATA。

该协议以抽象的元数据对数据进行命名，命名方式没有统一标准。

节点产生或收到数据后，用包含元数据的ADV 消息向邻节点通告，需要数据的邻节点用REQ消息提出请求，然后将DATA消息发送到请求节点。

该协议的优点是ADV消息减轻了内爆问题；通过数据命名解决了交叠问题；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；与Flooding 协议和Gossiping协议相比，有效地节约了能量。

其缺陷是：SPIN的广播机制不能保证数据的可靠传送，当产生或收到数据的节点的所有邻节点都不需要该数据时，将导致数据不能继续转发，以致较远节点无法得到数据；而当某sink点对任何数据都需要时，其周围节点的能量容易耗尽。

物联网环境中的WSN路由协议研究

物联网环境中的WSN路由协议研究作者：郭学文来源：《中国新通信》 2018年第4期传感器作为现代物联网应用系统中非常重要的环节，是物联网获得数据信息的关键手段，因此，一定要注重传感器组织、数据信息传输的路由协议及算法。

目前，在已经存在的传感器网络路由和算法中，主要通过分簇方式设计路由，该种的饿昂视能够实现传感器网络数据传输的高效管理。

但是，以分簇算法为主的路由协议还存在一定问题，本文在此基础上进行分析，并深入研究了物联网环境下WSN 路由协议，希望对有关单位起到一定帮助。

一、WSN 路由协议分析现阶段，从网络形式下的拓扑结构进行分析，WSN 中的路由协议主要包括两种，分别为平面路由协议和分层路由协议。

对于平面路由协议来说，所有传感器节点所形成的网络逻辑结构都是平面结构，而且不同节点之间相互平等，不存在级别上的差异，通过局部操作和各种反馈信息完成路由数据和信息的转发。

反之，分层路由协议中的传感器网络由多个簇组成，而且每个簇中都包括簇首和簇成员，在这种情况下，簇首不仅要负责簇内信息的收集和处理，还要进行数据、信息的接受和转发，导致节点能力消耗迅速。

因此，为了能够延长无线网络的使用寿命，一定要对簇首节点的选择加以重视，从而顺利解决网络节点能量消耗问题[1]。

二、分层路由协议中存在的问题通过对WSN 路由协议进行分析，可以得出分层路由协议中仍然存在一些问题，其中主要包括以下几点：① 对于簇首节点在簇结构中的位置以及簇首消耗问题没有深入分析，而且在确定簇首时，如果其位置在整个结构的边缘，那么将会消耗较多的能量，对无线传感器网络的生存周期造成严重影响。

② 对于所有网络节点的部署而言，没有深入考虑节点分布密度不均匀时对簇首能量消耗所造成的影响。

在传感器网络运行过程中，如果遇到节点分布比较大的区域，簇首节点数据通信及传输量也会增大，同样会导致较多的能量消耗。

③ 在分层路由协议下确定簇首之后，都要重新确定簇结构中的成员，在这种情况下，动态化的分簇算法就会致使网络中的拓扑结构不断转变，需要大量增加广播通信业，使整个无线传感器网络中消耗过多的能量。

典型的WSN路由协议

典型的WSN路由协议无线传感器网络(WSN)是一种由大量分布在特定区域内的无线传感器节点组成的网络系统。

WSN被广泛应用于环境监测、农业、医疗保健和军事等领域。

在WSN中，传感器节点通常具有有限的能量供应和计算能力，因此需要高效的路由协议来确保数据的可靠传输和网络寿命的最大化。

下面介绍几种典型的WSN路由协议：1. LEACH (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy)LEACH协议是一种典型的集群协议，在WSN中广泛应用。

LEACH协议将网络节点分为若干个集群，每个集群选择一个临时的簇首节点来进行数据聚集和传输。

其他节点将数据发送到簇首节点，从而减少网络中节点之间的直接通信，降低能量消耗。

LEACH协议通过定期选举新的簇首节点来平衡网络中各节点的负载，从而延长网络寿命。

2. AODV (Ad-hoc on Demand Distance Vector)AODV协议是一种广泛使用的基于距离向量的路由协议，适用于动态网络环境。

AODV协议中的节点通过广播请求来查找目标节点，并构建临时的路由表以进行数据传输。

AODV协议支持多跳传输，节点只需要知道相邻节点的存在和距离，而不需要全局网络拓扑信息。

该协议具有较低的资源消耗和快速的路由建立速度。

3. DSR (Dynamic Source Routing)DSR协议是一种基于源节点的路由协议，在WSN中被广泛应用。

DSR 协议中的节点通过缓存已知的路由信息来提高数据传输效率。

当源节点要发送数据时，将构建一条路由路径，并将该路径传递给目标节点。

中间节点会缓存已经知道的路由信息，以便下次路由选择时直接使用。

DSR协议适用于小型WSN网络，能够提供快速的路由发现和适应快速变化的网络拓扑。

4. TEEN (Threshold sensitive Energy Efficient sensor Network)TEEN协议是一种面向事件驱动的路由协议，在需要主动检测环境事件的应用中效果较好。

基于分类和代价期望的WSN QoS路由协议

选择路由，采用的排队机制也不相同。协议中还应用了拥塞反馈机制。仿真实验结果表明，ＣＣＥＣＲＰ协议能够有效
地延长网络生存期，增加收包数，提高投递率，实现重要包的可靠、快速传输。ＣＣＥＣＲＰ协议提高了ＷＳＮ的利用效
ｃｏｌ（ＣＣＥＣＲＰ）ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｃｏｓｔｅｘｐｅｃｔａｔｉｏｎｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅｌｉｎｋｂｅｔｗｅｅｎｔｉｍｅｄｅｌａｙ，ｒａｔｅｏｆｐａｃｋｅｔ
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