無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)路由技術(shù)概述

陳亞楠

摘要：為了提高無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存周期和數(shù)據(jù)通信的效率，設(shè)計(jì)優(yōu)質(zhì)路由非常重要。首先提出了設(shè)計(jì)路由協(xié)議所面臨的問(wèn)題；然后介紹了平面路由協(xié)議和層次路由協(xié)議中幾種典型協(xié)議，并分析各協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn)；接著通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析和仿真，對(duì)各路由協(xié)議做比較；結(jié)果表明SPIN和GASA協(xié)議較好。

關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)；路由協(xié)議；層次路由；平面路由

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）23-0050-02

Abstract： In order to improve the life cycle of wireless sensor networks and data communication efficiency， it is very important to design high-quality routing. Firstly， the problems of designing routing protocols are proposed； and next several typical protocols in plane routing protocols and hierarchical routing protocols are introduced， and the advantages and disadvantages of each protocol are analyzed； then through the experimental analysis and simulation， each routing protocol is compared； It shows that the SPIN and GASA protocols are better.

Key words： wireless sensor network； routing protocol； hierarchical routing； plane routing

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)[1]（Wireless Sensor Networks，WSNs）中部署著許多廉價(jià)的節(jié)點(diǎn)，在監(jiān)測(cè)區(qū)域中這些節(jié)點(diǎn)收集相關(guān)信息，通過(guò)無(wú)線(xiàn)的方式發(fā)送給基站，基站把接收到的信息處理之后發(fā)送給用戶(hù)，從而達(dá)到對(duì)目標(biāo)區(qū)域的監(jiān)測(cè)。而節(jié)點(diǎn)通過(guò)什么樣的路由發(fā)送信息給基站，在短時(shí)間內(nèi)并且高效率的送至目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，說(shuō)明路由協(xié)議的選取很重要。

組成網(wǎng)絡(luò)的普通節(jié)點(diǎn)大多數(shù)體積小、能量有限，而且沒(méi)有固定的路由能適用任何情況下的網(wǎng)絡(luò)，所以網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)計(jì)也是目前研究的重點(diǎn)。

1 路由技術(shù)涉及的問(wèn)題

網(wǎng)絡(luò)中生成通信路徑時(shí)，具體涉及的問(wèn)題：

1） 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的部署問(wèn)題。一種通過(guò)手工方式部署，手工部署使得節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況比較好，但這種方式的效率不高。另一種是隨機(jī)部署方式，可以通過(guò)飛機(jī)隨機(jī)將節(jié)點(diǎn)拋灑到監(jiān)測(cè)環(huán)境中，雖然隨機(jī)部署的效率不高，但不能保證節(jié)點(diǎn)在部署環(huán)境下分布的均勻性，也就影響了網(wǎng)絡(luò)的性能。

2） 節(jié)點(diǎn)能耗問(wèn)題。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)能量?jī)H僅通過(guò)有限的電池來(lái)供應(yīng)，由于一些環(huán)境比較惡劣，節(jié)點(diǎn)的能量得不到及時(shí)的補(bǔ)充，如果網(wǎng)絡(luò)中有節(jié)點(diǎn)能量多早消耗，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就會(huì)相應(yīng)的發(fā)生變化，網(wǎng)絡(luò)的路由就需重新生成。

3） 網(wǎng)絡(luò)魯棒性問(wèn)題。在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)某些節(jié)點(diǎn)能量消耗完而死亡，那這個(gè)節(jié)點(diǎn)的死亡不能影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)，所以若某個(gè)節(jié)點(diǎn)失效，就會(huì)有新的路由來(lái)完成傳輸信息的任務(wù)。

4） 數(shù)據(jù)融合問(wèn)題。節(jié)點(diǎn)會(huì)收到許多鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的信息，這些信息可能很多部分存在重合的情況，那么發(fā)送相同的信息，不僅會(huì)增加信息的通信量，可能會(huì)發(fā)生重要信息丟失的情況，多次發(fā)送相同信息，還會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)能量消耗。所以節(jié)點(diǎn)可以將相同數(shù)據(jù)分組進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，減少信息的傳輸量。

2 典型的網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議依據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分平面路由和層次路由兩種，一般平面路由包括泛洪法（Flooding）、Gossiping協(xié)議、信息協(xié)商傳感器協(xié)議（Sensor Protocols for Information via Negotiation， SPIN）等。層次路由包括低能自適應(yīng)聚類(lèi)體系（Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy，LEACH）、高效能量收集算法（Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems， PEGASIS）、GASA協(xié)議等。

2.1平面路由協(xié)議

1）ooding路由協(xié)議[2]

Flooding路由協(xié)議是最為經(jīng)典的路由協(xié)議，該協(xié)議不需要考慮網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和具體計(jì)算問(wèn)題。完成從源節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信息傳輸。一個(gè)節(jié)點(diǎn)從它的鄰居節(jié)點(diǎn)接收信息，然后再負(fù)責(zé)把接收的信息傳送給除源節(jié)點(diǎn)以外的其他鄰居節(jié)點(diǎn)，直到信息已經(jīng)送至目標(biāo)節(jié)點(diǎn)或信息已過(guò)期，傳送過(guò)程才完全截止。

該協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)是協(xié)議實(shí)現(xiàn)的條件簡(jiǎn)單，完全適合用于大規(guī)模或者復(fù)雜的環(huán)境中。當(dāng)然也存在缺點(diǎn)：信息爆炸、消耗大量空間存儲(chǔ)相同信息的副本、網(wǎng)絡(luò)能耗高。節(jié)點(diǎn)A發(fā)送信息給它的鄰居節(jié)點(diǎn)，即節(jié)點(diǎn)B、C、D收到節(jié)點(diǎn)A發(fā)送的信息，然后節(jié)點(diǎn)B、C、D再把信息發(fā)送給它們的鄰居節(jié)點(diǎn)，即節(jié)點(diǎn)D收到一份信息的三個(gè)副本。

2）ssiping協(xié)議[3]

該協(xié)議和泛洪協(xié)議一樣，不涉及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和路由計(jì)算問(wèn)題。對(duì)于洪泛協(xié)議的信息爆炸問(wèn)題，Gossiping協(xié)議考慮隨機(jī)原則。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)收到一份信息時(shí)，隨機(jī)選擇它的一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)來(lái)接收它發(fā)送的信息。而當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)收到相同信息時(shí)，該節(jié)點(diǎn)拒絕接收這份信息，反送給發(fā)此信息的鄰居節(jié)點(diǎn)。這種隨機(jī)原則有效避免了信息內(nèi)爆問(wèn)題。但這種拒絕接受信息，反送回信息的方式，增加了網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)。

3）IN協(xié)議[4]

SPIN協(xié)議是對(duì)Flooding協(xié)議和Gossiping協(xié)議的改進(jìn)，SPIN協(xié)議負(fù)責(zé)發(fā)送ADV、REQ和DATA三個(gè)信息。節(jié)點(diǎn)A向它的鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送ADV信息，比如節(jié)點(diǎn)C想接收DATA數(shù)據(jù)包，向A發(fā)送REQ數(shù)據(jù)包，然后節(jié)點(diǎn)C向它的鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送ADV信息，直至DATA數(shù)據(jù)包傳送到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。

SPIN協(xié)議通過(guò)協(xié)商機(jī)制，避免信息重復(fù)發(fā)送，不僅均衡網(wǎng)絡(luò)能耗，還克服了節(jié)點(diǎn)中信息冗余的問(wèn)題。但是SPIN協(xié)議未考慮如何節(jié)能，還是存在缺點(diǎn)。

2.2 層次路由協(xié)議

1） LEACH協(xié)議[5]

該協(xié)議采用輪的方式工作，輪包括簇的建立和穩(wěn)定階段兩個(gè)部分。簇的建立是將網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)先分成簇結(jié)構(gòu)，每個(gè)簇選取一個(gè)簇頭。穩(wěn)定階段是每個(gè)簇頭收集本簇中非簇頭節(jié)點(diǎn)的信息，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，最后把數(shù)據(jù)傳送給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的通信。簇頭節(jié)點(diǎn)要進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)通信操作，所以與普通節(jié)點(diǎn)相比，簇頭節(jié)點(diǎn)消耗的能量會(huì)比較多。為了延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期，LEACH協(xié)議采用輪換簇頭的方式防止節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)期擔(dān)任簇頭，消耗完節(jié)點(diǎn)的有限能量而死亡導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓。

LEACH協(xié)議優(yōu)點(diǎn)是簇頭負(fù)責(zé)收集和融合信息后，再與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)通信，有效降低了網(wǎng)絡(luò)的通信量。定期輪換簇頭節(jié)點(diǎn)，均衡了網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的能耗。但選擇一個(gè)小于某隨機(jī)數(shù)的節(jié)點(diǎn)擔(dān)任簇頭，會(huì)導(dǎo)致生成的簇大小不均勻，也會(huì)存在能量較少的節(jié)點(diǎn)擔(dān)任簇頭。這些都影響無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能。

2） PEGASIS協(xié)議[6]

PEGASIS協(xié)議是在LEACH協(xié)議的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。該協(xié)議要求網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)是同構(gòu)的且靜止的，與貪婪算法原理相似，生成一條鄰節(jié)點(diǎn)間距離之和最小的一條路徑，然后隨機(jī)選取路徑中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)通信，路徑中的所有節(jié)點(diǎn)都有可能成為簇頭。

PEGASIS協(xié)議中節(jié)點(diǎn)只和自己的鄰居節(jié)點(diǎn)通信，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。該算法的優(yōu)點(diǎn)是與LEACH相比，降低了網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)銷(xiāo)，提高的網(wǎng)絡(luò)的生存周期。但PEGASIS設(shè)定網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)有相同級(jí)別的能量，所以會(huì)出現(xiàn)某個(gè)時(shí)刻大量節(jié)點(diǎn)死亡的現(xiàn)象。

3） GASA路由算法[7]

與LEACH、PEGASIS兩種協(xié)議相比，GASA克服了LEACH算法簇頭選取不考慮能量的問(wèn)題，克服了PEGASIS算法已陷入局部最優(yōu)解的問(wèn)題。該算法在貪婪算法的基礎(chǔ)上做了改進(jìn)，綜合利用遺傳算法和模擬退火算法生成一條各鄰點(diǎn)之間距離最小的路徑，同時(shí)選取路徑中剩余能量最多的作為鄰居節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的通信。

3 路由協(xié)議的比較

3.1 平面路由協(xié)議的比較

和其他兩種協(xié)議相比，F(xiàn)looding協(xié)議的生存時(shí)間最少，但健壯性最好。Flooding實(shí)現(xiàn)條件簡(jiǎn)單，不需要維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和形成路由相關(guān)計(jì)算問(wèn)題，所以它的健壯性最優(yōu)，適用于各種大規(guī)模和復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中。SPIN協(xié)議在Flooding協(xié)議與Gossiping協(xié)議的基礎(chǔ)上做了改進(jìn)，所以SPIN協(xié)議生存時(shí)間較長(zhǎng)，還考慮了節(jié)點(diǎn)的能耗問(wèn)題。

3.2 層次路由協(xié)議的比較

網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布，節(jié)點(diǎn)位置固定。根據(jù)層次路由的特點(diǎn)，比較三種協(xié)議經(jīng)過(guò)不同通信次數(shù)后，網(wǎng)絡(luò)中存活節(jié)點(diǎn)的能量占初始能量的百分比，LEACH協(xié)議能量消耗較快，相比LEACH協(xié)議，PEGASIS協(xié)議在一定程度上提高了網(wǎng)絡(luò)的生存周期，網(wǎng)絡(luò)能量消耗相對(duì)比較慢。但PEGASIS協(xié)議中設(shè)定網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)具有相同能量級(jí)，簇頭選取不合理等問(wèn)題，在通訊輪數(shù)較多時(shí)，出現(xiàn)大量節(jié)點(diǎn)死亡。與LEACH、PEGASIS相反，GASA協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)能耗較少，網(wǎng)絡(luò)剩余的能量最多。

4 總結(jié)

由于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量不是無(wú)限多，要實(shí)現(xiàn)從源節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間長(zhǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)通信，就需要研究網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議。本文分析了路由算法面臨的一些問(wèn)題。從層次路由和平面路由兩個(gè)角度介紹了幾種經(jīng)典的路由協(xié)議。通過(guò)數(shù)據(jù)分析和仿真來(lái)比較這幾種路由協(xié)議的優(yōu)劣。從經(jīng)典路由算法中得出它們的不足，為以后研究路由協(xié)議打下了夯實(shí)的基礎(chǔ)。

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