1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與路由協(xié)議研究Zha ng Ming(淮海工學院電子工程系，江蘇連云港 222005(Department of Electronic Engineering, Huaihai Institute ofTech no logy, Jia ngsu Lia nyungang 222005摘要：在分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和特性的基礎(chǔ)上，論述了無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、節(jié)點體系結(jié)構(gòu)、與距離有關(guān)的節(jié)點能量計算模型、帶有 Flag 標志和長期睡眠機制的狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型，并給出了幾種流行的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路 由算法及其特點，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和研究有著深遠的意義。關(guān)鍵詞：無線傳

2、感器網(wǎng)絡(luò)(WSN ;體系結(jié)構(gòu)；自組織網(wǎng)絡(luò)；路由協(xié)議中圖分類號:TP311文獻標識碼:A 文章編號：1671-4792-(20079-0017-03Abstract: Based on analyze the application and characterization of wireless sensornetworks statements the networks framework,node framework,node energy calculatemodel based on distanee and the state change model which have sign

3、 of flag andIong-term sleep for wireless sen sor n etworks,a nd give some prevale nt routi ngalgorithm and characterization for wireless sensor networks. It will have importantsignificanee on the research and application for wireless sensor networks.Keyword: Wireless Sensor Networks(WSN; Framework;

4、Adhoc Networks; Routi ngProcotol0 引言無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network 1是研究 的一個熱點領(lǐng)域，它在環(huán)境監(jiān)測、軍事、醫(yī)療健康、家庭智能監(jiān)控和其他商業(yè)領(lǐng)域2有著廣泛的應(yīng)用前 景。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)需要自組織（Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。盡管已有許多 Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議和算法，但并不能夠滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)的需求。具體來說,相對于一般意義上的自組織網(wǎng)絡(luò)，傳感器網(wǎng)絡(luò)有以下一些特色，需要在體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計中特殊 考慮2。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點數(shù)目高出 Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)目幾個 數(shù)量 級,這就對傳感器網(wǎng)絡(luò)的可擴展性提出了要求；自組織傳感

5、器網(wǎng)絡(luò)最大的特點 就是能量受限。傳感器節(jié)點受環(huán)境的限制,通常由電量有限且不可更換的電池供電 所以在考慮傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)以及各層協(xié)議設(shè)計時，節(jié)能是設(shè)計的主要考慮目標 之一；由于傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境的特殊性、無線信道不穩(wěn)定以及能源受限的特點,傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點受損 的概率遠大于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，因此自組織網(wǎng)絡(luò)的健壯性保 障是必須的以保證部分傳感器網(wǎng)絡(luò)的損壞不會影響到全局任務(wù)的進行；傳感器節(jié)點高密度部署，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)變化快，對于拓撲結(jié)構(gòu)的維護也提出了挑戰(zhàn)。上述這些特點使得無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)有別于傳統(tǒng)的自組織網(wǎng)絡(luò)，并在當前的一些體系 結(jié)構(gòu)設(shè) 計的嘗試中得到了突出的表現(xiàn)。1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)1.1 無線傳感

6、器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)1如圖一所示，傳感器網(wǎng)絡(luò)通 常包括傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和管理節(jié)點。 傳感器節(jié)點任意 的分布在某一監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，節(jié)點以自組織的 形式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，通過多跳中繼方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送到匯聚節(jié)點，最后通過 In ternet 或 其他網(wǎng)絡(luò)通訊方式將監(jiān)測信息傳送到管理節(jié)點。同樣的，用戶可以通過管理節(jié)點進行命令的發(fā)布，告知傳感器節(jié)點收集監(jiān)測信息。圖一無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)圖1.2 傳感器節(jié)點體系結(jié)構(gòu)傳感器節(jié)點是一個具有信息收集和處理能力的微系統(tǒng)基金項目：江蘇省教育廳自然科學基金資助項目（05KJB510004, 淮海工學院自然科學基金項目（Z2006037 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)

7、構(gòu)與路由 協(xié)議研究科技廣場 2007.9202.2Gossip ing 協(xié)議Gossip ing 協(xié)議7是在泛洪協(xié)議的基礎(chǔ)上進行改進而提 出的。它傳播信息的途徑是隨機的選擇一個鄰居節(jié)點，獲得信息的鄰居節(jié)點以同樣的方式隨機的選擇下 一個節(jié)點進行信 息的傳遞。這種方式避免了以廣播形式進行信息傳播的能量消耗,但其代價是延長了信息的傳遞時間。雖然Gossip ing 協(xié)議在一定程度上解決了信息的內(nèi)爆”但是仍然存在信 息的重疊”現(xiàn)象。2.3SPIN 協(xié)議SPIN(Sensor Protocol for Information via Negotiation 協(xié)議8是一種以數(shù) 據(jù)為中心的自適應(yīng)路由協(xié)議。S

8、PIN 協(xié)議的目的是：通過節(jié)點之間的協(xié)商，解決 Flooding 協(xié)議和 Gossiping 協(xié)議的 內(nèi)爆”和 重疊”現(xiàn)象。SPIN 協(xié)議有 3 種類型的 消息，即 ADV、REQ 和 DATA。ADV 用于數(shù)據(jù)的廣播，當某一個節(jié)點有數(shù)據(jù)可以共享時，可以用其進行數(shù)據(jù)信 息廣播。REQ 用于請求發(fā)送數(shù)據(jù),當某一個節(jié)點希望接受 DATA 數(shù)據(jù)包時，發(fā)送 REQ 數(shù) 據(jù)包。DATA 為傳感器采集的數(shù)據(jù)包。在發(fā)送一個 DATA 數(shù)據(jù)包之前,一個傳感器節(jié)點首先對外 廣播 ADV 數(shù)據(jù)包,如果某一個節(jié)點希望接受要傳來的數(shù)據(jù)信息，則向發(fā)送 ADV 數(shù)據(jù)包的節(jié)點回復REQ 數(shù)據(jù)包，因此，便建立起發(fā)送節(jié)點和接受

9、節(jié)點的聯(lián)系，發(fā)送節(jié)點便向接受節(jié)點 發(fā) 送DATA 數(shù)據(jù)包,SPIN 協(xié)議的工作流程如圖五所示。圖五 SPIN 協(xié)議工作流程2.4 定向擴散(Directed Diffusion 協(xié)議定向擴散協(xié)議9是一種基于查詢的路由機制。 整個過程 可以分為興趣擴散、梯度建立以及路徑加強三個階段。在興趣擴散階段，匯聚節(jié)點向傳感器節(jié)點發(fā)送其想要獲取的信息 種類或內(nèi)容。興趣消息中含有任務(wù)類型、目標區(qū)域、數(shù)據(jù)發(fā)送速率、時間戳等參數(shù)。每個傳感器節(jié)點在收到該信息后，將其保存在 CACHE 中。當整個信息要求傳遍整個傳感器網(wǎng)絡(luò)后,便在傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點之間建立起一 個梯度場,梯度場的建立是根據(jù)成本最小化和能量自適應(yīng)原則

10、。一旦傳感 器節(jié)點收集到匯聚節(jié)點感興趣的數(shù)據(jù)，就會根據(jù)建立的梯度場尋求最快路徑進行數(shù)據(jù)傳 遞。梯度場建立過程如圖六所 示。圖六定向擴散路由機制 3 結(jié)束語本文在分析無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和特性的基礎(chǔ)上，論述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、節(jié)點體系結(jié)構(gòu)、節(jié)點能量模型和節(jié)點狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型，并給出了幾 種流行的無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)路由算法及其特點，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和研 究提供 了一定的理論基礎(chǔ)和參考。因此只有從網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的研究入手，帶動傳感器組織 方式及通信技術(shù)的研究，才能更有力地推動這一具有戰(zhàn)略意義的新技術(shù)的研究和發(fā) 展。參考文獻1 AkyildizI F, Su W, Sanakarasubr

11、amaniam Y, et al. WirelessSensor Networks: A Survey J. Computer Networks, 2002,38(4:393 422.2 趙志峰，鄭少仁.Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)研究J.電信科學，2001,17(1:14-17.3 ESTRIN D. Tutorial wireless sensor networks part IV: SensorNetworks ProtocolsR. Mobicom,2002. 4SUN L M, LI J Z, CHEN Y. Wireless sensornetwork M.Beijing: Tsin

12、ghua University Press,2005.5 Lin k, Zhao H etc. Energy prediction and rout-ing algorithm inwireless sensor networksJ.Journal on Communications.2006,27(5:21-236 J.QiangFeng and D.Manivannan. Routing proto-cols for sensornetworks.Presented at consumer commu-nications and NetworkingConference,CCNC 2004

13、.First IEEE.2004.7 Hedetniemi S,Liestman A.A Survey of Gossiping and Protocols inCommu ni catio n networksJ.Networks, 1998,18(4:319-349.8 W.Heinzelman,J.Kulik,H. Balakrishnan. Adaptive Protocols forinformation Dissemination in Wireless Sensor Networks.Proc.5th ACM/IEEEMobicom Conference (MobiCom99,Seattle, WA,August,1999:174-185.9 C .In ta nagon wiwat,R.Govi ndan and D.Estri n. Di-rected Diffusi on AScalable and Robust Communication Paradigm for SensorNetworks.presented at