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水下传感器网络研究——第5章 路由协议

路由协议主要负责简历源节点与目的节点之间的信息传输路径,即实现路由功能。 路由协议包含两个功能:

  1. 寻找源节点-目的节点之间的最佳路径;
  2. 沿路径正确转发数据分组。

目前,由于各种限制,陆地网络的路由协议不能直接有效地应用于水下网络。复杂的水下环境给网络层路由协议的设计带来了新的挑战。 与整个网络相比,水下传感器节点的通信半径和覆盖面积较小。同时,由于水声链路的高时空动态特性,在源节点和目的节点之间建立完整固定的通信路径是不现实的。因此,水下传感器网络需要:①采用多跳传输路由机制;②为了适应网络的动态变化,新,以适应网络的动态变化。

多跳中继节点转发信息,需要多个节点共同完成从源节点到目的节点的信息传输,这涉及到中间节点的选择。如何选择中间节点来减少传输延迟,提高数据传输率是路由协议解决的主要问题。

此外,水下传感器网络的路由协议还应具备: ①可扩展性。部分节点或链路因水下传感器网络中的节点受部署环境影响而失效。因此,水下传感器网络路由协议需要解决的主要问题是能够有效地检测和处理节点故障或移动引起的链路中断。 ②节能。大多数水下传感器节点由电池供电,功率有效,电池更换费时费力,节点传输功率相对较大。因此,提高能源效率是另一个主要目标。 ③容错性和鲁棒性。水下网络中节点故障难以避免,节点故障的主要原因是:1。能量耗尽;2。环境因素。此外,水声通道和通信质量难以保证,要求路由协议具有良好的鲁棒性,有效避免部分节点故障或链路中断对网络的影响。 ④快速收敛。 由于水下传感器网络拓扑结构的动态变化,节点能量和水声频谱带宽资源严重有限。因此,为了适应网络拓扑结构的动态变化,降低通信协议成本,提高信息传输效率,需要路由算法快速收敛。

5.1 水下传感器网络路由协议分类

类似于陆地多跳传感器网络,水下网络的路由协议可分为:①,②。 ①(也叫表驱动(table-driven)):在路由协议中,应建立并维护网络中每个节点的路由表,记录节点到网络中所有其他节点的路由信息,并根据网络的当前状态进行更新。

主动路由的缺点:①第一次路由建立、节点移动或节点故障导致路由重建连接将导致更大的网络费用。②路由表的建立和维护将导致网络成本巨大,节点频繁移动,网络拓扑的动态变化将加剧这种情况。 主动路由的路由信息主要来自基站周期性广播的控制包,主要包括DSDV(destination sequenced distance vector),WRP(wireless routing protocol)和OLSR(optimized link state routing)等。

(被动(反应)路由):网络节点不需要建立和维护到其他节点的路由信息,而是根据通信需要临时建立路由。只有当源节点向目的节点发送信息时,才能找到和建立源节点。路由建立后,将由一个特殊的路由维护程序进行维护,直到路由失效。 主要包含DSR,AODV和TORA。 根据通信需要临时建立按需路由协议的路由表,基站不需要定期广播路由信息。建立的路由将保存在缓存中供后续通信使用,无需节点维护,减少网络成本,减少网络资源浪费,更适合拓扑动态变化的网络。

  1. 基于地理信息路由 假设节点知道自己的路由信息和节点的地理位置,依靠网络中节点的地理位置信息来建立。 基于地理位置的两种常见路由协议:GFG和PTKF(partial topology knowledge forwarding)。 节点定位技术:①全球定位系统GPS,②定位基于测距,③定位基于非测距。

    不能使用GPS水下传感器网络很难准确定位节点,如何获取水下节点位置信息是建立地理路由的关键。

  2. 能量感知路由 能量感知路由协议包括三个过程:路径建立、数据传输和路由维护。其中,路径建设是核心。每个节点需要知道到达目的节点的所有下一个跳跃节点,并计算选择每个下一个跳跃节点的数据传输成本。价值是每条路径的加权平均值。

  3. 基于轨道路由路由协议 将Ad hoc与笛卡尔转发算法相结合转发算法相结合,Niculescu等人提出TBF路由算法。TBF算法的缺点:①与轨道相关的计算非常复杂,而水下传感器节点的计算能量有限,②表示轨迹的开销很大,占用了过多的带宽资源。

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