無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議與改進(jìn)-工業(yè)控制
1 引言
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor Network)是傳感器、通信和計算機(jī)3種技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，南于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將邏輯信息世界與客觀物理世界融合在一起，改變了人類與自然界的交互方式，因而具有廣泛的應(yīng)用前景。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有很多不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的特點，如能量嚴(yán)重受限、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)頻繁變化等。因此，WSN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計同現(xiàn)有各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計大不同，因而面臨著各種新的挑戰(zhàn)。在協(xié)議棧的眾多協(xié)議中，網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議算法作為一項關(guān)鍵技術(shù)已成為目前研究的熱點。
2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議
由于WSN路由協(xié)議分類標(biāo)準(zhǔn)有很多，因此路由協(xié)議的分類方法也多種多樣。根據(jù)路由協(xié)議不同的工作原理將路由協(xié)議劃分為兩種類型，并分析每種類型的典型路由協(xié)議。
2．1 平面路由
平面路由認(rèn)為傳感器網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點具有相同的功能和平等的角色，節(jié)點或?qū)⒆约旱氖录z測結(jié)果主動報告給其他節(jié)點，或者是其他節(jié)點向檢測事件的節(jié)點發(fā)出查詢信息，數(shù)據(jù)傳輸通過多節(jié)點的多跳路由協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)完成。信息協(xié)商傳感器SPIN(Sensor Protocols for Information via Negotiation)是平面路由中第一個以數(shù)據(jù)為中心的算法，通過節(jié)點問的協(xié)商機(jī)制減少數(shù)據(jù)冗余和能量損耗。SPIN是一種基于協(xié)商機(jī)制的以數(shù)據(jù)為中心的路由算法，SPIN先對節(jié)點收到的數(shù)據(jù)的特點進(jìn)行高層次的抽象，形成描述節(jié)點收到數(shù)據(jù)特點的元數(shù)據(jù)(meta-data)。在轉(zhuǎn)發(fā)收到的數(shù)據(jù)前，節(jié)點 A先用元數(shù)據(jù)與相鄰節(jié)點B進(jìn)行協(xié)商，發(fā)送ADV信號判斷節(jié)點B是否需要該數(shù)據(jù)(圖la)。如果節(jié)點B對元數(shù)據(jù)代表的數(shù)據(jù)有需求，就發(fā)出反饋信號REO(圖 lb)。否則就丟棄該ADV信號，然后節(jié)點A就將數(shù)據(jù)DATA轉(zhuǎn)發(fā)給節(jié)點B(圖lc)。節(jié)點B收到從節(jié)點A轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)后，采用與節(jié)點A相同的處理方法。先用元數(shù)據(jù)與其相連的所有節(jié)點協(xié)商是否需要該數(shù)據(jù)，發(fā)送ADV信號(圖1d)。如果節(jié)點有需求則回復(fù)REQ信號，無需求則直接將ADV信號丟棄(圖 1e)，然后節(jié)點B將向所有回復(fù)REQ信號的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)DATA(圖1f)。
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SPIN算法并沒有明確定義元數(shù)據(jù)的格式。其具體格式和應(yīng)用相關(guān)，如ADV和REQ的格式可根據(jù)具體應(yīng)用做詳細(xì)規(guī)定。另外，當(dāng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，每個節(jié)點只需在局部范圍內(nèi)維護(hù)與其相鄰的節(jié)點狀態(tài)，不需全網(wǎng)廣播，既節(jié)省能量又降低對節(jié)點運算能力的要求，這種SPIN稱為SPIN-1。但SPIN-1不能保證遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的正確遞送，如遠(yuǎn)端節(jié)點需要數(shù)據(jù)而與源節(jié)點相鄰的近端節(jié)點則不需要，在轉(zhuǎn)發(fā)的開始就將代表該數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)丟棄，不做REQ回復(fù)，造成數(shù)據(jù)遞送失敗。為了解決這一問題，在SPIN-2在SPIN-1的基礎(chǔ)上加入了能量門限機(jī)制。在遞送數(shù)據(jù)前先檢測相鄰節(jié)點的能量，如果能量值低于某一個門限值，則認(rèn)為該節(jié)點沒有足夠能力完成遠(yuǎn)程遞送任務(wù)，將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給其他有足夠能量的相鄰節(jié)點。除此之外，針對不同的應(yīng)用情況，SPIN的其他擴(kuò)展協(xié)議，如SPIN- BC和SPIN-RL針對傳感器網(wǎng)絡(luò)這種多播網(wǎng)絡(luò)、SPIN-PP和SPIN-EC針對傳統(tǒng)的點對點網(wǎng)絡(luò)都做出專門優(yōu)化。
2．2 層次路由
層次路由(也稱為以分簇為基礎(chǔ)的路由)是最早產(chǎn)生并應(yīng)用于有線網(wǎng)絡(luò)的，滿足大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的高效通信。因此層次路由的概念也被引入到WSN中，用于滿足傳感器節(jié)點的低能耗和高效率通信。在層次路由中，高能量節(jié)點可用于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)融合、遠(yuǎn)程通信和全局路由維護(hù)等高耗能應(yīng)用場合；低能量節(jié)點用于事件檢測、目標(biāo)定位和局部路由維護(hù)等低耗能應(yīng)用場合。這樣，將不同的應(yīng)用按照節(jié)點不同的能力合理分配，使節(jié)點能充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，以應(yīng)付大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)情況，并有效提高整個網(wǎng)絡(luò)的生存時間。層次路由主要包括兩個層次的路由：一是用于選擇簇頭節(jié)點，
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