2011. 12. 2

1. 移动传感器网络及其路由协议研究进展 The Research Overview Of MWSN and Routing Protocol 刘 丁 2011. 12. 2

2. 内容提要 1 2 3 移动无线传感器网络概念 移动无线传感器网络QoS研究 移动无线传感器网络路由研究

3. 传统WSN 移动传感器网络概念 传统的WSN是由大量部署在观测环境中的微型廉价低功耗的传感器节 点通过多跳通信方式形成的网络系统[1]. 传感器节点具有数据采集、处理、无线通信和自组织的能力, 能协作地 完成大规模复杂的监测任务.网络中通常只有少量的汇聚节点(sink)负责 发布命令和收集数据, 实现与Internet的通信[1].

4. Mobile-WSN移动无线传感器网络 移动传感器网络概念 根据节点是否移动, 无线传感器网络可以分为移动传感器网络(MWSN)和非 移动传感器网络(或者称静态传感器网络). 尽管早在1991年就有人提出了MWSN的概念[3] , 相对于已经广泛应用的传 统静态传感器网络,MWSN近年来才引起人们的广泛关注. MWSN由分散的移动节点组成, 每个节点除了具有传统静态节点的传感、 计算和通信能力外, 还具有一定的机动能力.

5. MWSN移动无线传感器网络特性 动态拓扑结构 协议层（路由协议mac协议）需要变动 定位问题复杂 1 2 3 移动传感器网络概念

6. MWSN移动无线传感器网络优点 具有更有效的能量利用效率 MWSN可以更好地观察目标 可移动性可以使传感器节点之间拥有更好的通信质量 数据保真度 1 2 3 4 移动传感器网络概念

7. MWSN移动无线传感器网络分类 移动传感器网络概念 移动传感器网络根据节点的移动性又分为两种情况: 只有单个或者少数节 点移动(mobile sinks) 和所有传感器节点都移动。

8. 移动无线传感器网络的数据操作方式 移动无线传感器网络QoS研究 移动无线传感器网络的3层结构, 移动无线传感器网络由大量的静态传感 器节点(Sensors)和相对较少数量的移动sinks节点(Mobile sinks) 组成。

9. 移动无线传感器网络的数据操作方式 移动无线传感器网络QoS研究 MWSN 中存在2类数据操作: 1 基于查询驱动的应用(Query driven) 2 基于事件和时间驱动的应用(Event and time driven) 另外, 还有一种持续不断传输的应用( Continuous) , 即传感器节点不断 采集数据, 并以预先设定的速率发送给汇聚节点。

10. 内容提要 1 2 3 移动无线传感器网络概念 移动无线传感器网络QoS研究 移动无线传感器网络路由研究

11. 移动无线传感器网络的数据操作方式 移动无线传感器网络路由研究 移动传感器网络QoS 面临的挑战: 1 更大的网络动态性 2 能量和时延等QoS 之间的平衡 3 对多种业务类型的支持

12. 能量消耗与QoS 间的平衡机制 移动无线传感器网络QoS研究 能量消耗是无线传感器网络中必须考虑的重要QoS 指标, 一般来说, 追求高 的QoS 性能( 如时延性能) , 就必须消耗更多的能量, 从而缩短网络生命周期 因此必须在网络服务质量与能量消耗之间寻求平衡.

13. 内容提要 1 2 3 移动无线传感器网络概念 移动无线传感器网络QoS研究 移动无线传感器网络路由研究

14. MWSN路由协议的特殊性 移动无线传感器网络路由研究 问题？ 1 MWSN的路由协议不同于传统网络的路由协议 2 MWSN的路由协议不同于传统静态WSN 的网络协议 3 MWSN的路由协议也不同于(但很类似)移动Ad hoc (MANET)网络协议

15. Topology-based routing protocols (基于拓扑的路由协议) 移动无线传感器网络路由研究 Topology-based routing protocols use the information about the links that exist in the network to perform packet forwarding. They can be further divided into:[17] 1 proactive(先验式) 2 reactive(反应式) 3 hybrid approaches (混合式)

16. Topology-based routing protocols (基于拓扑的路由协议) 移动无线传感器网络路由研究 (1) Pro-active routing protocols（先验式路由协议） : 又称为表驱动路由协议，此协议试图维护网络中从各个节点到其它节 点的最新路由信息，所有路由信息保持一致。网络中的主机通过周期性 地交互路由信息得到所有其它主机的路由，而不管需不需要该路由进行 通信。节点必须维护去往全网所有节点的路由，每个节点维护一张或多 张路由表，这些路由表包含到达网络中所有节点的路由信息。 代表协议： DSDV(Destination Sequenced Distance Vector) OLSR(Optimized Link State Routing) 优点：时延小 缺点：开销大，由于快速的拓扑变化会导致路由协议始终处于不收敛状态

17. Topology-based routing protocols (基于拓扑的路由协议) 移动无线传感器网络路由研究 (1) Pro-active routing protocols（先验式路由协议） : DSDV(Destination Sequenced Distance Vector) DSDV路由表的建立： 组网阶段或有新节点加入时，节点通过广播来告诉其他节点自己的存在， 邻居节点收到这个广播包后就将信息插入到路由表，并立即发送新的路由 表，这样，经过一段时间后，每个节点就可以建立一个完整的路由表，表 中包括了到网络内部所有可能的目的节点的路由。

18. Topology-based routing protocols (基于拓扑的路由协议) 移动无线传感器网络路由研究 DSDV路由表的维护： 每个节点周期性地在全网广播路由更新分组，把完整的路由信息发送给邻 居节点。 接到该分组的节点，确认是新的信息就将其metric加1后再发送，该过程一 直持续，直到每个节点都收到该分组的一个拷贝(metric不尽相同). 考虑到分组过期问题，通常在在目的节点端，每个路由表项都被赋予一个 序列号节点广播路由更新分组时，将自己的序列号加偶数再发出去, 邻居 节点收到更新分组后，先来比较一下序列号，如果序列号大于路由表中相 应目的节点的序列号，则删除旧的信息，添加这条新的信息，如果相等， 就比较metirc值，选择metirc小的，否则，忽略此更新分组，保留原路由表

19. Topology-based routing protocols (基于拓扑的路由协议) 移动无线传感器网络路由研究 DSDV数据包转发过程：

20. Topology-based routing protocols (基于拓扑的路由协议) 移动无线传感器网络路由研究 （2） Re-active routing protocols（反应式路由协议） : 又称为on demand（按需）路由协议，按需路由协议只有当源节点 需要时才寻找路径。当源节点需要一条通往目的节点的路径时，它 在网络中发起一次路径发现过程。当找到一跳路径后或者所有可能 的路径都被检查后，路径发现过程结束。路径一经建立，它就被某 个路由维护程序所维护，直到目的节点无法经由任何路径到达或者 该路径不再被需要。 代表协议:DSR(Dynamic Source Routing) AODV(Ad-hoc On-demand Distance Vector) 优点：节省资源（无需定期广播路由信息） 缺点：需要路由发现时，分组等待的时延大

21. Topology-based routing protocols (基于拓扑的路由协议) 移动无线传感器网络路由研究 AODV路由算法原理： • 在AODV路由协议中，网络中的每个节点在需要进行通信时才发送路 由分组，而不会周期性地交互路由信息以得到所有其它主机的路由; • 同时具有距离向量路由协议的一些特点，即各节点路由表只维护本节 点到其他节点的路由，而无须掌握全网拓扑结构。

22. Topology-based routing protocols (基于拓扑的路由协议) 移动无线传感器网络路由研究 AODV路由算法原理： • AODV路由协议中有三种类型的消息控制帧:路由请求，路由应答和 路由错误消息; • 当源节点需要发送数据而又没有到目的节点的有效路由时，启动一个路由发现过程向网络广播一个路由请求分组，允许中间节点响应，当收到请求的中间节点或目的节点有一条“足够新”的路由到达目的地时“足够新”的意思是这条路由对应的目的序列号大于或等于RREQ中的目的序列号，中间节点或目的节点以单播的方式向源节点返回一个分组，沿着刚建立的逆向路径传输回源节点，源节点收到该后则开始向对应目的节点发送数据。

23. Topology-based routing protocols (基于拓扑的路由协议) 移动无线传感器网络路由研究 AODV路由协议路由表结构

24. Topology-based routing protocols (基于拓扑的路由协议) 移动无线传感器网络路由研究 AODV路由协议路由表结构 对路由中的目的序列号的管理是避免路由环路出现的关键。一个站点在以 下两种情况下增加自己的序列号： • 在节点产生一个路由发现之前，立即增加它自己的序列号; 2) 在目的节点产生一个对进行应答之前，必需更新自己的序列号，更 新值为当前序列号与RREQ中的目的序列号之间的最大值。

25. Topology-based routing protocols (基于拓扑的路由协议) 移动无线传感器网络路由研究 AODV路由协议分组格式

26. Topology-based routing protocols (基于拓扑的路由协议) 移动无线传感器网络路由研究 AODV路由协议分组格式

27. Topology-based routing protocols (基于拓扑的路由协议) 移动无线传感器网络路由研究 AODV路由算法基本操作－维护序列 在每个节点的每一个路由表项中，必须包含关于序列号的最新可用信息， 该序列号是路由表项中维护的目的节点地址的序列号。这一序列号称为目 的地序列号。当节点收到与目的节点相关的序列号的新信息时，对该目的 序列号进行更新。依赖在网络中的每个节点拥有并维护自身的目的序列号 来避免到该节点的所有路由出现环路。 目的节点在下列两种情况增加它自身的序列号 1）在节点产生一个路由发现之前，立即增加它自身的序列号，这样可以 防止到帧源节点的反向路由。 2）在目的节点产生一个对进行应答之前，必须立即将自己的序列号更新，更新值为当前序列号与报文序列号中的最大值

28. Topology-based routing protocols (基于拓扑的路由协议) 移动无线传感器网络路由研究 • How AODV to prevent formation of loops? • Assume that A does not know about failure of link C-D because RERR sent by C is lost • Now C performs a route discovery for D. Node A receives the RREQ (say, via path C-E-A) • Node A will reply since A knows a route to D via node B • Results in a loop (for instance, C-E-A-B-C ) A B C D E

29. Topology-based routing protocols (基于拓扑的路由协议) • Loop C-E-A-B-C B A C D E

30. Topology-based routing protocols (基于拓扑的路由协议) 移动无线传感器网络路由研究 AODV路由表项 节点收到来自邻居的控制报文，或者为特定目的地建立或更新了一条路由 的时候，它会检测路由表中对应该目的地的表项。在没有该目的地的对应 表项的情况下，则建立表项，并利用控制报文记录的源地址和前一跳节点 地址建立到源节点的反向路由表项。 路由仅在下列情况下进行更新 a. 新序列号高于路由表中的目的地序列号 b. 新序列号与路由表中序列号相等，但是跳数小于路由表中存在的跳数 c. 路由表序列号未知

31. Topology-based routing protocols (基于拓扑的路由协议) 移动无线传感器网络路由研究 AODV路由请求的产生 如果节点确定它需要一条到目的节点的路由而该路由并不可用，则节点发 起一个RREQ.在消息中的目的序列号字段是最近知道的目的节点的目的序 列号，从路由表中的目的序列号复制。如果源节点不知道目的节点的序列 号，必须设置未知序列号标记。消息中的发起者序列号是节点自身的序列 号，在填入RREQ之前加1。 RREQ ID字段为当前节点上一次使用的 RREQ ID号加1。每个节点只维护一个RREQ ID. RREQ ID和发起者的地址联合起来标志一个独一无二的报文，从而避免从 它的邻居收到同样的报文。

32. Topology-based routing protocols (基于拓扑的路由协议) 移动无线传感器网络路由研究 AODV处理路由请求和转发路由请求 节点在下列两种情况下产生RREP: 1) 节点本身是目的地节点; 2) 节点具有到目的地的有效路由，节点现有的到目的地节点的路由表项的 目的地序列号有效，并且大于或者等于消息中的目的地序列号. 如果节点收到一个要返回发起节点由发起者地址标识的，就需要这条反向 路由，反向路由建立或更新的时候，路由需要进行下列操作: 从中拷贝发起者序列号至路由表项中对应的目的地序列号,路由表中的下一 跳设置为向它发出的节点.

33. Topology-based routing protocols (基于拓扑的路由协议) 移动无线传感器网络路由研究 AODV产生路由应答 如果节点收到对于某个目的地的路由请求，当节点具有一条足够新的路由 来满足该路由请求，或者它本身就是目的地节点，那么这个节点产生一个 消息，节点拷贝RREQ消息中的目的地地址和发起者序列号到的对应字段 。一旦建立了RREP ，就把RREP单播至通往RREQ请求发起者的下一跳， 该下一跳在到发起者的路由表项中指出.

34. Route Requests in AODV Y Z S E F B C M L J A G H D K I N Represents a node that has received RREQ for D from S

35. Route Requests in AODV Y Broadcast transmission Z S E F B C M L J A G H D K I N Represents transmission of RREQ

36. Route Requests in AODV Y Z S E F B C M L J A G H D K I N Represents links on Reverse Path

37. Reverse Path Setup in AODV Y Z S E F B C M L J A G H D K I N • Node C receives RREQ from G and H, but does not forward • it again, because node C has already forwarded RREQ once

38. Reverse Path Setup in AODV Y Z S E F B C M L J A G H D K I N

39. Reverse Path Setup in AODV Y Z S E F B C M L J A G H D K I N • Node D does not forward RREQ, because node D • is the intended target of the RREQ

40. Route Reply in AODV Y Z S E F B C M L J A G H D K I N Represents links on path taken by RREP

41. Topology-based routing protocols (基于拓扑的路由协议) 移动无线传感器网络路由研究 (3) Hybrid Routing Protocols（混合路由协议） : 混合路由协议是结合了表驱动(先应式)路由协议和按需(反应式)驱动路由协 议特点的协议。它将网络分成不同的区域(zone)或是簇(cluster)，并在其中 采用表驱动路由协议，而在区域或是簇之间，则采用按需驱动路由协议。 这种协议比较适合较大的网络或是网络经常被划分成较小的簇的情况。 代表协议： ZRP(Zone Routing Protocol),区域路由协议

42. Topology-based routing protocols (基于拓扑的路由协议) 移动无线传感器网络路由研究 (3) ZRP协议 : 区域路由协议ZRP即(zone routing protocol) ，是一种建立在区域概念上的路由 协议。 区域(zone)，指到此节点的最短距离不大于某一常数的节点所覆盖的范围。距离 ，用跳数(hop)来表示。这个常数，被称为区域半径(radius)，用符号ρ来表示。 如何选择区域半径？ 与网络规模，网络密度，网络节点移动速度，平均节点请求数等因素密切相 关。 如果0< ρ<<rbest，当ρ→0时，ZRP演变成按需驱动路由协议; 如果rbest<<ρ< rnet，当ρ→rnet时，ZRP演变成表驱动路由协议;

43. Topology-based routing protocols (基于拓扑的路由协议) 移动无线传感器网络路由研究 (3) ZRP协议 : 区域路由协议ZRP即(zone routing protocol) ，是一种建立在区域概念上的路由 协议。 区域(zone)，指到此节点的最短距离不大于某一常数的节点所覆盖的范围。距离 ，用跳数(hop)来表示。这个常数，被称为区域半径(radius)，用符号ρ来表示。 如何选择区域半径？ 总原则： 一般说来， 节电移动速度快的高密度型网络，选择小网络区域;相反,节点移动速度慢 的网络，选择较大的网络区域。

44. Topology-based routing protocols (基于拓扑的路由协议) 移动无线传感器网络路由研究 ZRP协议的示例

45. Topology-based routing protocols (基于拓扑的路由协议) 移动无线传感器网络路由研究 ZRP模型： 作为混合路由协议的模型，ZRP主要有两个功能模块:区域内路由模块和区域 间路由模块。 ZRP的区域内路由模块由传统的表驱动路由协议来担当，我们称之为IARP即 (Intrazone Routing Protocol)，但是需要对其做出必要的修改，以保证其主要 完成区域内部的信息控制。 ZRP的区域间路由模块由传统的按需驱动路由协议来担当，我们称之为IERP 即(Interzone Routing Protocol)，主要完成当目的地出现在区域外时寻找路 由，维护路由的一系列活动。

46. Topology-based routing protocols (基于拓扑的路由协议) 移动无线传感器网络路由研究 ZRP区域结构与分级结构的区别： • ZRP是一种平面结构的路由协议，而簇则是分级结构的； • 分级结构路由协议可以看成是一系列分等级的平面结构路由协议的集合； • ZRP区域内的节点的地位都是平等的，没有高低优先级的差别，所以ZRP中的区域是相互重叠的； • IERP也不像簇间通信协议屏蔽底层的信息来单单完成簇头之间的分组转发，它需要借助IARP即提供的信息来有效的转发数据。

47. C A E B ZRP: Example with Zone Radius = d = 2 S performs route discovery for D S D F Denotes route request

48. C A E B ZRP: Example with d = 2 S performs route discovery for D S D F E knows route from E to D, so route request need not be forwarded to D from E Denotes route reply

49. C A E B ZRP: Example with d = 2 S performs route discovery for D S D F Denotes route taken by Data

50. Position-Based Routing Protocols (基于位置的路由协议) 移动无线传感器网络路由研究 Position-based routing protocols use the geographic position information of the nodes to forward packets. 代表协议:GPSR LAR TRR AFR EASE DREAM