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无线传感器网络路由协议的设计

作者:向容,浙江工业大学浙西分校现代教育技术中心/凡志刚,成都电子科技大学计算机学院2009.03.04阅读 7005

  无线传感器网络是当今国内外研究的一大热点CONTROL ENGINEERING China版权所有,它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络以及无线通信技术、分布式信息处理技术等,能够通过各个传感器节点进行实时监测、感知和采集各种现场信息。它是一种新型的无基础设施网络,它的节点是传感器这种特殊的嵌入式设备,它们静态地随机分布于某一区域。无线传感器网络在国家军事、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、危险区域远程控制等许多重要领域都有潜在的实用价值,已经引起许多国家学术界和工业界的高度重视。
  在军事方面,美国五角大楼提出了“智能尘埃”的设计思想,目的是在战场上抛散千万个微小的具有无线通信能力的传感器模块,用于监控人的活动情况,同时美国陆军已确定努力开发多层次集成式传感器复杂系统~ssNc(灵巧传感器网络通信),并认为这是建成未来目标部队的关键之一;民用方面,由加州大学伯克利分校David culler教授领导的科研小组在缅因州的大鸭子岛上布置了32节点组成的传感器网络,实现对一种海燕生活习性的监测。国内已经有许多大学开展了对无线传感器网络的研究,但是还没有达到实用阶段,大部分工作还处于仿真或试验阶段。
  1无线传感器网络的系统结构
  无线传感器网络的基本思想是,在现场布置大量的节点,这些节点上的传感器感知现场的信息,微处理器对原始数据进行初步处理,再由无线收发模块将数据发送给相邻节点,数据经传感器网络节点的一级级转发,最终发送给基站,再由基站通过串口传送给主机,从而实现对现场的监控。
  在传感器网络中CONTROL ENGINEERING China版权所有,节点任意散落在被监测区域内,这一过程是通过飞行器散播、人工埋置和火箭弹射等方式完成的,节点以自组织形式构成网络。
  无线传感器网络可以采用平面结构和分级结构,通常采用分级结构。分级结构如图l所示,网络划分为多个簇,每个簇由一个簇头和多个簇成员组成。这些簇头形成了高一级的网络。
  在分层结构中,簇头结点负责簇间数据的转发,而簇成员只负责数据的采集。这大大减少了网络中路由控制信息的数量,因此具有很好的可扩充性。簇头可以预先指定,也可以由节点使用分簇算法自动选举产生。由于簇头可以随时选举产生,所以分层结构具有很强的抗毁性。
  ④簇内节点圆簇头酋基站

分级结构无线传感器网络

点击看原图


  图1分级结构无线传感器网络

  目前,还没有形成通用的无线传感器网络节点的设计方案,但一般都包括四个组成部分:传感器、微处理器、无线收发模块和电源。如图2www.cechina.cn,传感器负责监控物理信号,比如i是度、空气湿度、震动信息等。微处理器通常采用嵌入式cPu或者微控制器Mcu,无线收发单元主要由低功耗、短距离的无线通信模块组成。

无线传感器节点结构
  图2无线传感器节点结构

  2无线传感器网络中现有路由协议的分析
  无线传感器网络路由协议的分类基本上延续了传统Adhoc网的分类方法,从不同的角度可以进行不同的分类。从路由发现策略的角度,可分为主动路由和被动路由两种类型。
  2.1主动路由
  主动路由也称表驱动(Table D—ven)路由,其路由发现策略与传统路由协议类似CONTROL ENGINEERING China版权所有,节点通过周期性地广播路由信息分组,交换路由信息,主动发现路由,同时,节点必须维护去往全网所有节点的路由。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,为使路由更新能够紧随当前拓扑结构的变化,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幽更新变成计算机时代2007年第2期·15·过时信息,路由协议始终处于不收敛状态。传统的路由协议如ⅪP、0sPF都属于主动路由协议。
  主动路由协议一般包括“邻居节点探测”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,虽然没有显式的邻节点探测过程,但在与邻节点交换距离向量路由表时,隐含了邻节点探测。
  2.2被动路由
  被动路由也称按需(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,被动地搜索从源节点到目的节点的路由。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结构信息的一部分。它的优点是不需要周期性地路由信息广播,节省了一定的网络资源。缺点是发送数据分组时控制工程网版权所有,如果没有去往目的节点的路由,需要等待路由发现。
  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。路由器采用泛洪的方式,向整个网络广播路由请求分组。当有路由请求报文到达目的节点时,目的节点将向源节点发出

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