Протоколы маршрутизации в беспроводных сенсорных сетях: иерархические, основанные на мобильности, мультиориентированные и основанные на гетерогенности

Протоколы маршрутизации в беспроводных сенсорных сетях: иерархические, основанные на мобильности, мультиориентированные и основанные на гетерогенности

Протоколы маршрутизации играют значительную роль в работе беспроводных сенсорных сетей (БСС). Благодаря им осуществляется самоорганизация узлов и доставка пакетов оптимальными маршрутами в соответствии с алгоритмами, декларированными в используемом в сети протоколе. С помощью протоколов маршрутизации можно оптимизировать использование ресурсов сенсорной сети, таких как расход энергии, использование процессорного времени, памяти и др. Следовательно, применение эффективных протоколов маршрутизации позволяет максимизировать время жизни сети. Это очень важно для БСС, поскольку узлы являются необслуживаемыми, и время жизни сети определяется как временем от начала ее работы до момента выхода из строя Ключевые слова: беспроводные сенсорные сети, первого узла. В большинстве случаев выход из строя узлов сети обусловлен истощением источ-

протоколы маршрутизации, энергосбережение, ника энергии. Представлено исследование существующих протоколов маршрутизации БСС и их

сенсоры узлы самоорганизация. возможности применения в зависимости от специфики категории, в которую входит протокол.

Махров С.С.,

аспирант, МТУСИ,

SlavaM4@yandex.iv

Беспроводные сенсорные сети — самоорганизующиеся, распределенные, масштабируемые сети, состоящие из множества автономных сенсоров (сенсорньх узлов), объединен-ньх посредством радиоканала. Целью сети является мониторинг детектируемых параметров некоторой внешней среды (температуры, звука, давления, шума, задымления, движение и т.д.) или воздействие на них или на некоторый объект управления. БСС состоят из множества маленьких узлов с функциями детектирования, вычисления, и возможностью беспроводной связи. Узлы имеют ограниченный энергоресурс, диапазон передачи, также как и возможности по обработке и хранению данных. Сенсорные сети делятся на IB mesh и прочие в зависимости от способа адресации (идентификации) узлов сети.

Использование протокола, который бы эффективно обеспечивал работу БСС в заданных условиях, при определенных параметрах и в зависимости от типа детектируемых (измеряемых) величин, является важной проблемой. Кроме того, как было отмечено ранее, одной из важных задач в этой связи является обеспечение максимально долгого времени жизни БСС, решение которой возлагается также и на протокол маршрутизации, под управлением которого функционирует БСС. Поэтому эффективность, адекватность получаемых данных и время жизни БСС напрямую зависит от протокола маршрутизации, который также правильно выбран согласно решаемой задаче мониторинга или контроля параметров внешней среды.

Протоколы маршрутизации в БСС решают такие задачи как:

1. Самоорганизация узлов сети (самокон-фигурирование, самовосстановление и само-оптимизация).

2. Маршрутизация и адресация узлов.

3. Минимизация энергопотребления узлов сети и увеличение общего времени жизни всей сети.

4. Сбор и агрегация данных.

5. Скорость передачи и обработки данных в сети.

6. Максимизация зоны покрытия сети.

7. Качество обслуживания (QoS).

8. Защита от несанкционированного доступа.

Протоколы маршрутизации для БСС отвечают за поддержку маршрутов в сети и должны га-

рантировать надежную связь даже в жестких неблагоприятных условиях. Многие протоколы маршрутизации, управления электропитанием, распространения данных, были специально разработаны для БСС, где энергосбережение является существенной проблемой, на решение которой направлен протокол. Другие же были разработаны для общего применения в беспроводных сетях, но нашли свое применение и в БСС.

В данной статье, рассматриваются наиболее известные протоколы маршрутизации, применяемые в современных БСС. Протоколы маршрутизации для БСС могут быть разделены на семь категорий, как показано в табл. 1.

Согласно приведенной классификации, рассмотрены некоторые протоколы из следующих категорий:

Таблица 1

Протоколы маршрутизации БСС

№

Категория протоколов

Протоколы

Основанные на местоположении узлов

MECN, SMECN, GAF, GEAR, Span, TBF, BVGF, GeRaF

Направленные на агрегацию данных

SPIN, Directed Diffusion, Rumor Routing, COUGAR, ACQUIRE, EAD, Information-Directed Routing, Gradient-Based Routing, Energy-aware Routing, Information-Directed Routing, Quorum-Based Information Dissemination, Home Agent Based Information Dissemination

3.

Иерархические

LEACH, PEGASIS, HEED, TEEN, APTEEN

Основанные на мобильности

SEAD, TTDD, Joint Mobility and Routing, Data MULES,

Dynamic Proxy Tree-Base Data Dissemination

5.

Мульти-ориентированные

Sensor-Disjoint Multipath, Braided Multipath, N-to-1

Multipath Discovery_______________________________

Основанные на гетерогенности

IDSQ CADR, CHR

Основанные на качестве обслуживания (QoS)_________________________________

SAR, SPEED, Energy-aware routing

Кластеры

Рис. 1 . Основанная на кластерах иерархическая модель

• иерархические;

• основанные на мобильности;

• мультиориентированные (многопутевые);

• мснованные на гетерогенности.

Иерархические протоколы

Все множество сенсоров в иерархических протоколах делится на кластеры (группы, слои) — рис. 1. Каждым кластером управляет специальный узел, называемый головным кластерным узлом (ГКУ), который отвечает за координирование передачи и маршрутизацию детектируемых данных в своем кластере, а также до базовых станций. Объединение в кластеры позволяет продлить жизнь БСС [1].

Low-energy adaptive clustering hierarchy

В начале работы LEACH [2], узлы самоорганизуются в кластеры посредством выбора головных кластерных узлов (ГКУ), при этом каждый узел предлагает себя в качестве ГКУ с определённой вероятностью. После выбора ГКУ все узлы начинают передавать детектируемые данные своему ГКУ. Таким образом, образуются кластеры во главе с узлами, которым передаются все детектируемые из внешней среды данные. Каждый ГКУ принимает данные, производит их обработку и отправляет на базовую станцию (БС). Периодически в LEACH происходит перевыбор ГКУ на основании случайной выборки высокоэнергоэффективных узлов. В результате происходит перекластеризация, что необходимо для распределения энергетической нагрузки по сети.

Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems

PEGASIS [3] является расширением протокола LEACH, который формирует цепи (рис. 2) из сенсорных узлов вместо кластеров в LEACH

Базовая станция Рис. 2. Маршрутизация в PEGASIS

так, чтобы каждый узел передавал и получал от соседа. При этом, только один узел избирается из цепи для осуществления передачи данных на базовую станцию (БС, приемник). Данные агрегируются и перемещаются от узла к узлу, соединяясь, и в конечном счете, попадая на БС.

Hybrid, Energy-Efficient Distributed Clustering

HEED [4,5] расширяет базовую схему протокола LEACH, используя остаточную энергию и уровень узла или же плотность в качестве метрики для выбора кластера, с целью достижения баланса энергии в кластерах. В соответствии с алгоритмом, в HEED, периодически происходит выбор головных кластерных узлов согласно комбинации двух параметров кластеризации. Основной параметр — остаточная энергия каждого сенсорного узла (используется в вычислении вероятности присвоения ему статуса ГКУ), и второй параметр — внутрикластер-ная коммуникационная стоимость как функция плотности кластера или же используется уровень узла (то есть число соседей). Основной параметр используется для того, чтобы вероятностно выбрать начальный набор головных кластерных узлов, в то время как второй параметр используется для того, чтобы разорвать связи. Кластеризация HEED увеличивает время жизни лучше, чем LEACH, поскольку последний, беспорядочно выбирает головные кластерные узлы (и, следовательно, размер кластера), что может привести к более быстрому выходу из строя некоторых узлов.

Threshold Sensitive Energy Efficient Sensor Network Protocol

TEEN [6,7] является иерархическим протоколом кластеризации, который группирует сенсорные узлы в кластеры с выбором соответствующего ГКУ. При этом используется несколько иерархических уровней кластеров со своим ГКУ соответственно, каждый из которых аггрегирует данные и передает ГКУ более высшего уровня. На самом высоком уровне ГКУ передают данные БС.

К важным особенностям TEEN относится его пригодность для работы критичных ко времени приложений для сенсоров. Кроме того, так как передача сообщения расходует больше энергии, чем детектирование данных. Однако, TEEN не подходит для сбора данных, где существует необходимость в частой передаче сообщений, так как пользователь может вообще не получить данные, если пороги срабатывания не достигнуты.

Adaptive Periodic Threshold Sensitive Energy Efficient Sensor Network Protocol

APTEEN — гибридный, основанный на кластеризации протокол маршрутизации, являющийся продвинутой версией TEEN. В протоколе сенсорные узлы периодически передают свои данные и реагируют на любое внезапное изменение значения измеряемого параметра, сообщая о соответствующих значениях своим ГКУ. Архитектура APTEEN является такой же как и в TEEN, используя концепцию иерархической кластеризации для обеспечения энергоэффективной связи между сенсорами-источниками и приемником. APTEEN поддерживает три различных запроса, а именно: исторический запрос для анализа предыдущих значений данных; одноразовый запрос для получения снимка представления сети; постоянные запросы для мониторинга событий в течение заданного промежутка времени

APTEEN гарантирует более низкое энергопотребление, чем TEEN и большее число действующий сенсорных узлов [8].

Протоколы, основанные на мобильности

Основанные на мобильности протоколы предполагают мобильность приемника. Здесь выдвигается требование гарантированной доставки данных, порожденных сенсорами-источниками, мобильной БС

Joint Mobility and Routing Protocol

В данном протоколе [9], сенсорные узлы, окружающие мобильную БС, в результате её движения, меняют свое местоположение относительно неё в течение времени. При этом каждый сенсорный узел периодически может работать в качестве ретранслятора данных, направляемых к БС. Это позволяет осуществлять

балансировку нагрузки маршрутизации данных на всех сенсорных узлах.

В протоколе существует несколько стратегий движения БС, при этом, предполагается, что поле из сенсорных узлов — круг: движение по концентрическим окружностям; перемещение в окружностях; симметричная стратегия (движение по границе сети). Наиболее оптимальной в большинстве случаев считается последняя стратегия.

Scalable Energy-Efficient Asynchronous

Dissemination

В протоколе [10] распространение данных от сенсоров-источников может осуществляться до различных БС. Протокол состоит из трех главных компонентов: построение дерева распространения (d-дерево); распространение данных; поддержание связей с мобильными БС.

Предполагается, что сенсоры знают о своих собственных географических местоположениях. Каждый сенсор-источник строит свое дерево распространения данных, где корнем является он сам. Все деревья распространения для всех сенсоров-источников строятся отдельно.

Dynamic Proxy Tree-Based Data

Dissemination

Протокол [11] строит дерево для каждого сенсора-источника, соединяющее его с несколькими мобильными БС. При этом, считается, что сами сенсоры-источники стационарны, но целевые объекты детектирования являются мобильными. Вследствие мобильности целевого объекта может измениться сенсор-источник, с которого БС получает данные. Это происходит при достижении величины расстояния некоторого порога. Следовательно, ближайший к целевому объекту сенсорный узел может стать источником. Каждый источник является прокси-источником. Аналогичное верно для БС (приемников). Источник и прокси-приемники являются временными в том смысле, что они сменяются по мере того, как меняются источники в зависимости от положения целевого объекта, а также в зависимости от того, как перемещаются приемники. Прокси уменьшают стоимость передачи и запроса данных у источника и прокси-приемников.

Мультиориентированные (многопутевые) протоколы

При рассмотрении передачи данных между сенсорами-источниками и приемниками, имеют место быть две парадигмы маршрутизации: однопутевая маршрутизация и многопутевая маршрутизация. В однопутевой маршрутизации, каждый сенсор-источник посылает

свои данные к приемнику через кратчайший путь. В многопутевой маршрутизации, каждый сенсор-источник находит первые k кратчайших путей к приемнику и делит его нагрузку равномерно среди этих путей.

Disjoint Paths

Является [12,14] многопутевым протоколом маршрутизации несвязанных сенсоров, где вычисляется несколько альтернативных путей передачи данных, у которых нет ни одного общего с основным маршрутом сенсорного узла. В маршрутизации несвязанных сенсоров, основной путь является наилучшим из имеющихся, тогда как альтернативные пути менее желательны, поскольку у них есть более длительное время ожидания. Несвязность делает эти альтернативные пути независимыми от основного. Таким образом, если отказ происходит на основном пути, то это остается локальной проблемой и не затрагивает ни один из альтернативных путей. Приемник может определить, кто из соседних сенсорных узлов может ему предоставить данные наивысшего качества, где последнее характеризуется низкими потерями или самой малой задержкой сетевого флудинга. Хотя несвязные пути более гибки к отказам сенсоров, они могут быть потенциально более длинными, чем основной путь и, таким образом, менее энергосберегающими.

Braided Paths

Является протоколом маршрутизации [13,14] со множеством плетеных путей, являясь в свою очередь версией протокола Disjoint Paths с более ослабленными правилами построения альтернативных путей. Отличие заключается в том (рис. 3), что альтернативные пути могут включать в себя некоторые узлы основного пути. При этом, перед построением альтернативных путей, сначала должен быть вычислен основной маршрут. Таким образом, такие альтернативные пути называются частично несвязными путями.

Основанные на гетерогенности протоколы

В архитектуре гетерогенной сенсорной сети существует два типа сенсорных узлов: сенсоры с линией питания, которые не имеют никакого ограничения энергии; сенсоры с питанием от батареи, имеющие ограничение времени работы и, следовательно, должны использовать свой доступный энергоресурс экономно, минимизируя затраты на вычисления и передачу данных.

Information-Driven Sensor Query

В протоколе [13,14] для сохранения энергии, необходимо, чтобы в активном состоянии

3 N-1

Ь)

Рис. 3. Сравнение путей протоколов Disjoint Paths

находилось только некоторое подмножество сенсоров, которые вводиться в строй по мере наличия в разных частях сети определенных событий. Выбор подмножества активных сенсоров, у которых есть наиболее полезная информация, сбалансирован коммуникационной стоимостью, необходимой между этими сенсорами. Полезная информация может быть найдена на основе аппроксимации времени и пространства, — где и когда могут произойти события. В протоколе IDSQ первым шагом должен быть выбран один сенсор в качестве ведущего в кластере сенсоров. Этот ведущий будет ответственен за оптимальный выбор сенсоров на основании некоторой меры служебной информации.

Cluster-Head Relay Routing

Протокол предполагает формирование гетерогенной сети посредством использования двух категорий сенсоров: большого количества низкокачественных и небольшого высококачественных. Первые обозначаются как L, а последние как H. Все сенсоры имеют информацию о своих местоположениях. Протокол делит сеть на кластеры, которые формируются с помощью L-сенсоров, во главе которых ставится один из числа H-сенсоров. L-сенсоры детектируют данные и передают между собой с помощью "мультихопов" на малые расстояния до своего главного сенсора в рамках данного кластера, который выбирается из числа H-сенсоров. Последние передают данные на дальние расстояния до других H-сенсоров, на пути к приемнику [15].

Заключение

В данной статье представлено исследование некоторых протоколов в соответствии с приведенной классификацией.

Иерархическая маршрутизация является эффективным способом снижения потребления

энергии внутри кластера, благодаря агрегированию и слиянию данных. Это позволяет уменьшить количество передаваемых сообщений БС. Иерархическая маршрутизация является двуслойной. При этом, один слой используется для выбора ГКУ, а другой для маршрутизации.

Основанные на мобильности протоколы позволяют использовать БС, в качестве которой может служить передвижная техника, планшетный, портативный компьютер и др. Такие протоколы обеспечивают гарантированную доставку данных до БС, которая может периодически выходить из зоны досягаемости БСС.

Мультиориентированные (многопутевые) протоколы являются альтернативой однопутевой маршрутизации. Принцип работы протоколов состоит в выборе нескольких путей для доставки данных от источников к БС. Вследствие данной особенности многопутевой маршрутизации — использовании избыточных путей, в значительной степени решаются проблемы, присущие однопутевой маршрутизации — это надежность, безопасность и балансировка нагрузки на один маршрут.

Основанные на гетерогенности протоколы эффективны при использовании в сети двух типов узлов — с неограниченным источником питания и автономных.

Одной из главных проблем в разработке протоколов маршрутизации для БСС является эффективность использования энергии, вследствие ограниченных энергетических ресурсов сенсорных узлов. Протокол должен поддерживать работоспособность сети настолько долго, насколько это возможным, тем самым, продлевая время жизни сети. При этом, важно заметить, что потребление энергии, в основном, преобладает во время приема или передачи данных.

Таким образом, протоколы маршрутизации в БСС должны обеспечивать сбережение энергии настолько, насколько это возможно, для того чтобы продлить время жизни отдельных

узлов, и следовательно, время жизни всей сети.

Второй проблемой является обеспечение самоорганизации, при которой в работу сети будет включено как можно больше узлов. При этом, конечной целью является задействование всех узлов сети. Эта проблема возникает, поскольку при дислокации узлов в целевую область, вследствие препятствий, возможны проблемы с обнаружением узлами друг друга и в итоге, неверной или неполной самоорганизацией сети.

Важным аспектом является соответствие используемого протокола маршрутизации решаемой задаче. Следовательно, необходим правильный выбор протокола в зависимости от условий, в которых предполагается его работа, а также тип и способ сбора, обработки и передачи данных.

Литература

1. D. B Johnson et al., "Dynamic Source Routing in Ad Hoc Wireless Networks", in Mobile Computing, edited by Tomas Imielinski and Hank Korth, Kluwer Academic Publishers, ISBN: 0792396979, 1996, Chapter 5. Pp. 153-181.

2. W.R. Heinzelman, A Chandrakasan, and H. Balakrishnan, "Energy-efficient Communication Protocol lor Wireless Microsensor Networks", in IEEE Computer Society Proceedings of the Thirty Third Hawaii International Conference on System Sciences (HICSS '00), Washington, DC, USA, Jan. 2000, vol. 8. Pp. 8020.

3. W.R. Heinzelman, A Chandrakasan, and H. Balakrishnan, "An Application-Specific Protocol Architecture for Wireless Microsensor Networks" in IEEE Tmnsactions on Wireless Communications (October 2002), vol. 1(4). Pp. 660-670.

4. S. Lindsey and C.S. Raghavendra, "PEGASIS: Power-efficient Gathering in Sensor Information System", Proceedings IEEE Aerospace Conference, vol. 3, Big Sky, MT, Mar. 2002, Pp. 1125-1130.

5. Ossama Younis and Sonia Fahmy, "Distributed Clustering in Ad-hoc Sensor Networks: A Hybrid, Energy-efficient Approach", September 2002.

6. Ossama Younis and Sonia Fahmy "Heed: A

hybrid, Energy-elficient, Distributed Clustering Approach for Ad-hoc Networks", IEEE Transactions on Mobile Computing, vol. 3, no. 4, Oct.-Dec. 2004, pp.

7. A. Manjeshwar and D. P Agrawal, 'TEEN: A Protocol lor Enhanced Efficiency in Wireless Sensor Networks", in the Proceedings of the 1 st International Workshop on Parallel and Distributed Computing Issues in Wireless Networks and Mobile Computing, San Francisco, CA, April 2001.

8. W. Lou, "An Efficient N-to-1 Multipath Routing Protocol in Wireless Sensor Networks", Proceedings of IEEE MASS'05, Washington DC, Nov. 2005. Pp. 1-8.

9. A Manjeshwar and D. P. Agrawal, "APTEEN: A Hybrid Protocol for Efficient Routing and Comprehensive Information Retrieval in Wireless Sensor Networks", in the Proceedings of the 2nd International Workshop on Parallel and Distributed Computing Issues in Wireless Networks and Mobile computing, San Francisco CA, April 2001. Pp. 2009-1015.

10. B. Karp and H. T Kung, "GPSR: Greedy perimeter stateless routing for wireless networks", Proceedings ACM MobiCom'00, Boston, MA, Aug. 2000. Pp. 243-254.

11. W. Chang, G. Cao, and T. La Porta, "Dynamic proxy tree-based data dissemination schemes for wireless sensor networks", Proceedings IEEE MASS'04, Fort Lauderdale, FL, Oct. 2004. Pp. 21-30.

12. S. Lindsey, C.S. Raghavendra, and K.M. Siva-lingam, "Data gathering in sensor networks using the energy delay metric", Proceedings IPDPS'01, San Francisco, CA, Apr. 2001. Pp. 2001-2008.

13. S. Lindsey, C.S. Raghavendra, and K.M. Siva-lingam, "Data gathering algorithms in sensor networks using energy metrics", IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems, vol. 13, no. 9, Sept. 2002. Pp. 924-935.

14. M. Chu, H. Haussecker, and F Zhao, "Scalable information-driven sensor querying and routing for ad hoc heterogeneous sensor networks", International Journal of High Performance Computing Applications, vol. 16, no. 3, Feb. 2002. Pp. 293-313.

15. X. Du and F Lin, "Improving routing in sensor networks with heterogeneous sensor nodes", Proceedings IEEE VTC'05, Dallas, TX, Sept. 2005. Pp. 2528-2532.

Routing protocols in wireless sensor networks: hierarchical, based on mobility, multi-oriented and based on the heterogeneity

Mahrov S.S., MTUCI, Russia, SlavaM4@yandex.ru

Abstract

Routing protocols play an important role in wireless sensor networks (WSN). Because of them is produced a self-organization of nodes and packet delivery by optimal routes in accordance with the algorithms, declared in using network protocol. In addition, with help of routing protocols is possible to optimize using of sensor network resources, such as power consumption, CPU time, memory, etc. Therefore, a using of efficient routing protocols is allow to maximize the lifetime of the network. It is very important for WSN, because the nodes are maintenance-free, and the lifetime of the network is defined as the time from the beginning of its operation until the failure of the first node. In most cases, the failure of the nodes in the network relates with depletion of the energy source. This paper presents a research of existing routing protocols in WSN and their ability to use depending on the specific category, which includes protocol.

Keywords wireless sensor networks, routing protocols, sensors, nodes, self-organization.