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傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)
傳感器網(wǎng)絡(luò)通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)任意的分布在某一監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，節(jié)點(diǎn)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(diǎn)，最后通過Internet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(diǎn)。同樣的，用戶可以通過管理節(jié)點(diǎn)進(jìn)行命令的發(fā)布，告知傳感器節(jié)點(diǎn)收集監(jiān)測信息。
傳感器節(jié)點(diǎn)是一個(gè)具有信息收集和處理能力的微系統(tǒng)，集成了傳感器模塊、信息處理模塊、無線通訊模塊和能量供應(yīng)模塊。
傳感器模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和轉(zhuǎn)換，信息處理模塊負(fù)責(zé)管理整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)、存儲(chǔ)和處理自身采集的數(shù)據(jù)或者其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的數(shù)據(jù)，無線通訊模塊負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊，能量供應(yīng)模塊負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行進(jìn)行能量的供應(yīng)。
傳感器能量的供應(yīng)是采用電池，節(jié)點(diǎn)能量有限，考慮盡可能的延長整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期，在設(shè)計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)，保證能量供應(yīng)的持續(xù)性是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)原則。傳感器節(jié)點(diǎn)能量消耗的模塊主要是包括傳感器模塊、信息處理模塊和無線通訊模塊，而絕大部分的能量消耗是集中在無線通訊模塊上，約占整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)能量消耗的80%。因此，目前提出的傳感器節(jié)點(diǎn)通訊路由協(xié)議主要是圍繞著減少能量消耗延長網(wǎng)絡(luò)生命周期而進(jìn)行設(shè)計(jì)的。
在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，路由協(xié)議不僅關(guān)心單個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量消耗，更關(guān)心整個(gè)網(wǎng)能量的均衡消耗，這樣才能延長整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存期。同時(shí)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)為中心的，這在路由協(xié)議中表現(xiàn)的最為突出，每個(gè)節(jié)點(diǎn)沒有必要采用全網(wǎng)統(tǒng)一的編址，選擇路徑可以不用根據(jù)節(jié)點(diǎn)的編址，更多的是根據(jù)感興趣的數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)源到匯聚節(jié)點(diǎn)之間的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。目前提出了很多類型的傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，就是基于上述的目的。
無線通訊網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議
相對(duì)于傳統(tǒng)無線通訊網(wǎng)絡(luò)而言，傳統(tǒng)無線通訊網(wǎng)絡(luò)研究的重點(diǎn)放在無線通訊的服務(wù)質(zhì)量(QoS)上，而無線傳感器節(jié)點(diǎn)是隨機(jī)分布，電池供電，因此目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究重點(diǎn)是放在如何提高能量效率上，當(dāng)前流行的幾個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議如下：
泛洪協(xié)議
泛洪(Flooding)協(xié)議[2]是一種傳統(tǒng)的無線通訊路由協(xié)議。該協(xié)議規(guī)定，每個(gè)節(jié)點(diǎn)接受來自其他節(jié)點(diǎn)的信息，并以廣播的形式發(fā)送給其他鄰居節(jié)點(diǎn)。如此繼續(xù)下去，最后將信息數(shù)據(jù)發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)。但這個(gè)協(xié)議容易引起信息的“內(nèi)爆”(Implosion)和“重疊”(Overlap),造成資源的浪費(fèi)。因此在泛洪協(xié)議的基礎(chǔ)上，提出了閑聊(Gossiping)協(xié)議。
Gossiping協(xié)議
Gossiping協(xié)議[6]是在泛洪協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)而提出的。它傳播信息的途徑是通過隨機(jī)的選擇一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)，獲得信息的鄰居節(jié)點(diǎn)以同樣的方式隨機(jī)的選擇下一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息的傳遞。這種方式避免了以廣播形式進(jìn)行信息傳播的能量消耗，但其代價(jià)是延長了信息的傳遞時(shí)間。雖然Gossiping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。
SPIN協(xié)議
SPIN(Sensor Protocol for Information via Negotiation)協(xié)議[7]是一種以數(shù)據(jù)為中心的自適應(yīng)路由協(xié)議。SPIN協(xié)議的目的是：通過節(jié)點(diǎn)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ADC、REQ和DATA。
ADC用于數(shù)據(jù)的廣播，當(dāng)某一個(gè)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)可以共享時(shí)，可以用其進(jìn)行數(shù)據(jù)信息廣播。
REQ用于請求發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)某一個(gè)節(jié)點(diǎn)希望接受DATA數(shù)據(jù)包時(shí)，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(gè)DATA數(shù)據(jù)包之前，一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)首先對(duì)外廣播ADV數(shù)據(jù)包，如果某一個(gè)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)回復(fù)REQ數(shù)據(jù)包，因此，便建立起發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接受節(jié)點(diǎn)的聯(lián)系，發(fā)送節(jié)點(diǎn)便向接受節(jié)點(diǎn)發(fā)送DATA數(shù)據(jù)包。
定向擴(kuò)散(Directed Diffusion)協(xié)議 |
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