無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議分析

◆李蘭鳳 馬佳榮

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無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議分析

◆李蘭鳳 馬佳榮

（西安文理學(xué)院 陜西 710065）

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議是WSN的重點研究方向之一。本文對目前存在的幾種路由協(xié)議進行了分類，以影響無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議性能的關(guān)鍵因素作為比較要點，重點分析研究了平面路由和分層路由的工作原理和性能，發(fā)現(xiàn)不同的路由協(xié)議都有其獨特的優(yōu)勢，可以適用于不同應(yīng)用場景的特殊需求。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；路由協(xié)議；平面路由；分層路由

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[1]（Wireless Sensor Network，WSN）是由大量具有信息采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲和無線通信等功能的傳感器節(jié)點自組織形成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。WSN一般應(yīng)用于軍事、環(huán)境監(jiān)測、地質(zhì)預(yù)警等空曠、復(fù)雜的環(huán)境中，由于網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的計算能力、存儲能力和能量資源有限，這些成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議在設(shè)計過程中需要考慮的問題，也使得路由協(xié)議的設(shè)計成為WSN研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議概述

路由協(xié)議主要負責將數(shù)據(jù)分組沿最優(yōu)路徑從源地址安全可靠的轉(zhuǎn)發(fā)至目的地址，對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說是將源節(jié)點采集的數(shù)據(jù)高效、可靠的傳輸至匯聚節(jié)點。

1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)計原則

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不同，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的資源局限性較強，數(shù)量也較為龐大，位置放置較為隨機，網(wǎng)絡(luò)拓撲受節(jié)點能量影響易發(fā)生變化、數(shù)據(jù)冗余程度高。所以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議在設(shè)計時要注意以下幾個原則[2]。

（1）能量高效性：WSN節(jié)點的能量資源有限，因此其路由協(xié)議的設(shè)計要簡單、高效、節(jié)能以便能夠解決網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間能量的負載均衡問題，延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

（2）可擴展性：當網(wǎng)絡(luò)中有節(jié)點死亡、新的節(jié)點加入或者網(wǎng)絡(luò)規(guī)模發(fā)生動態(tài)變化時，依然能夠保持網(wǎng)絡(luò)良好的連通性和可靠性，快速應(yīng)對發(fā)生的變化。

（3）快速收斂性。由于WSN節(jié)點的能量資源有限，因此當傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，要求路由機制能夠快速收斂，以減少通信開銷，提高消息傳輸效率。

（4）數(shù)據(jù)融合：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)冗余度高，需要對數(shù)據(jù)進行融合以便降低網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸量，進而減少能量消耗。

圖1 路由協(xié)議分類

（5）可靠性：傳感器網(wǎng)絡(luò)鏈路不穩(wěn)定，數(shù)據(jù)在無線信道中傳輸時易出錯，必須設(shè)計可靠的路由機制來確保數(shù)據(jù)能夠正確交付。

（6）魯棒性：WSN的應(yīng)用環(huán)境通常較為惡劣、復(fù)雜，容易受到外界的干擾。因此路由協(xié)議需要具備一定的容錯能力，可以及時進行自我修復(fù)。

（7）應(yīng)用相關(guān)性：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用范圍廣泛，所處環(huán)境各不相同，沒有一種路由協(xié)議能夠滿足所有條件，適用于所有環(huán)境，這就要求在設(shè)計路由時能夠根據(jù)環(huán)境特點和需求來設(shè)計。

1.2 路由協(xié)議分類

針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特征和具體的應(yīng)用場景，目前已經(jīng)提出了很多路由協(xié)議，這些路由協(xié)議各自具有其優(yōu)勢特點[3]。本文從網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、路由發(fā)現(xiàn)機制和路由實現(xiàn)方法這三個角度對路由協(xié)議進行了分類[4]。具體分類詳細情況如圖1所示。

2 平面路由與分層路由的分析比較

上文提到了網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、路由發(fā)現(xiàn)策略、路由實現(xiàn)方法這三種分類方法，本文按網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的分類方法進行分類，主要分析比較平面路由和分層路由中的幾種路由協(xié)議。

2.1 平面路由協(xié)議

平面型路由協(xié)議中所有節(jié)點的地位和功能相同，不進行分級，彼此以對等的方式協(xié)同的完成數(shù)據(jù)采集、處理和轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)。其優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單、容錯性和魯棒性好；但其對網(wǎng)絡(luò)變化反應(yīng)較慢，建立、維護路由能耗較大，比較適合小規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

（1）Flooding協(xié)議

Flooding協(xié)議即洪泛路由協(xié)議，協(xié)議中節(jié)點以廣播的方式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，當數(shù)據(jù)包達到最大跳數(shù)或到達匯聚節(jié)點時停止轉(zhuǎn)發(fā)，F(xiàn)looding協(xié)議不需要維護網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，算法簡單，數(shù)據(jù)傳播速度快，但存在內(nèi)爆、數(shù)據(jù)重疊以及資源盲目利用等問題。

（2）SPIN協(xié)議

SPIN是一種以數(shù)據(jù)為中心的自適應(yīng)路由協(xié)議，節(jié)點在發(fā)送感知數(shù)據(jù)之前先發(fā)送元數(shù)據(jù)至鄰居節(jié)點進行協(xié)商，在有需求時對鄰居節(jié)點進行響應(yīng)并發(fā)送感知數(shù)據(jù)。SPIN消除了數(shù)據(jù)冗余、有效解決了內(nèi)爆問題，減少了資源的浪費，提高了網(wǎng)絡(luò)中能量的利用效率。但同樣SPIN也存在數(shù)據(jù)傳輸可靠性低的缺陷，當某個接收到數(shù)據(jù)的節(jié)點的所有鄰居節(jié)點都不需要數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)就會終止，這會導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。

（3）DD協(xié)議

DD(DirectedDiffusion)路由是以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議。其工作原理是匯聚節(jié)點以廣播的方式向整個網(wǎng)絡(luò)發(fā)布包含興趣消息的查詢?nèi)蝿?wù)，收到興趣消息的傳感器節(jié)點對興趣消息進行緩存與合并，并將采集數(shù)據(jù)與興趣消息的屬性值進行匹配，建立與數(shù)據(jù)傳播反向的興趣梯度。當節(jié)點采集的數(shù)據(jù)與興趣消息的屬性值匹配時，在本地對數(shù)據(jù)進行融合后沿梯度方向向匯聚節(jié)點傳輸。DD協(xié)議對數(shù)據(jù)融合后傳輸，減少了傳輸過程中的能量消耗，但是在進行興趣消息匹配過程中會增加額外的開銷，特別是網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時，網(wǎng)絡(luò)時延較大。

（4）SAR協(xié)議

SAR是一種基于QoS的路由協(xié)議，WSN中匯聚節(jié)點的所有第一鄰節(jié)點以自身為根建立生成樹，從而反向建立從各節(jié)點至匯聚節(jié)點的多條數(shù)據(jù)傳輸路線，生成樹的建立過程中考慮節(jié)點的丟包率、時延、能量等QoS因素。SAR協(xié)議維護路由、QoS等信息，具有容錯能力，能夠提供QoS保證，但是其在維護路由等信息時增加了額外的開銷，尤其網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化時，不能快速的應(yīng)對，收斂速度較慢。

2.2 分層路由協(xié)議

分層路由也叫分簇路由，網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點被分成多個簇，每個簇都有一個族首和若干簇成員，所有簇首形成的高一級網(wǎng)絡(luò)進行二次分簇，直至最高級網(wǎng)絡(luò)。最高級網(wǎng)絡(luò)中的簇首和匯聚節(jié)點進行通信，并負責本簇內(nèi)簇成員數(shù)據(jù)的處理和轉(zhuǎn)發(fā)。分層路由協(xié)議可擴展性好，能夠高效、均衡的利用能量。缺點是當簇首節(jié)點失效時會造成部分節(jié)點路由失效。其代表性協(xié)議主要有以下幾種：

（1）LEACH協(xié)議

LEACH是一種典型的分簇路由算法，它周期性的按輪隨機選舉簇首，簇首向周圍節(jié)點發(fā)送廣播信息，其他節(jié)點按照接收到的信號強弱選擇加入該簇，一輪結(jié)束后重新選舉簇首。簇首隨機選擇可以避免簇首因頻繁通信和數(shù)據(jù)處理所造成的能量過度消耗，延長網(wǎng)絡(luò)的生存周期，但簇首與匯聚節(jié)點采用單跳通信，離匯聚越遠的簇首能量消耗越大，易形成“熱區(qū)”和“非熱區(qū)”，不適合大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)。

（2）PEGASIS協(xié)議

PEGASIS協(xié)議是對LEACH協(xié)議的改進，與LEACH一樣采用輪流選舉簇首的思想，不同的是PEGASIS協(xié)議的簇首在選舉過程中不與其他節(jié)點進行通信，而是基于節(jié)點的位置信息進行選擇，在網(wǎng)絡(luò)中也只產(chǎn)生一個簇，稱之為鏈。鏈中的節(jié)點只與離它最近的鄰居節(jié)點通信，數(shù)據(jù)采用多跳的方式通過簇首節(jié)點傳輸至匯聚節(jié)點。PEGASIS協(xié)議減少了簇首選舉過程中的通信量，提高了能量利用率，延長了網(wǎng)絡(luò)生存周期。但網(wǎng)絡(luò)中唯一的簇首一旦失效會造成整個網(wǎng)絡(luò)路由失敗，此外當網(wǎng)絡(luò)規(guī)模很大時，會使傳輸時延增加，不利于實時監(jiān)測。

（3）TEEN協(xié)議

TEEN是一種響應(yīng)型的路由協(xié)議，它也是對LEACH協(xié)議的改進，將簇分為兩個等級，建立過程與LEACH協(xié)議基本相同。不同的是TEEN協(xié)議設(shè)置了軟、硬兩個閾值，硬閾值是當前數(shù)據(jù)的最小屬性值，軟閾值是當前數(shù)據(jù)與上一次數(shù)據(jù)屬性值的變化幅度最小值，節(jié)點只在數(shù)據(jù)屬性值超過這兩個閾值時發(fā)送數(shù)據(jù)。TEEN協(xié)議通過設(shè)置軟硬閾值極大地減少了數(shù)據(jù)量的傳輸，節(jié)省了能量。但如果節(jié)點數(shù)據(jù)始終不能激發(fā)軟硬閾值，節(jié)點不能主動發(fā)送數(shù)據(jù)，無法判斷節(jié)點的活性。

（4）GAF協(xié)議

GAF是基于位置的感知路由協(xié)議，它使用了一種新的分簇方法，即虛擬網(wǎng)格。GAF協(xié)議將網(wǎng)絡(luò)區(qū)域分成固定的區(qū)域，形成虛擬單元格，每個虛擬單元格輪流選取簇首保持活動，負責監(jiān)視和傳輸數(shù)據(jù)，其余節(jié)點則進入休眠。GAF協(xié)議關(guān)閉了沒有任務(wù)的節(jié)點，極大節(jié)省了能量，但當節(jié)點被關(guān)閉時，恰好處于路由數(shù)據(jù)包的激活狀態(tài)時，GAF只能通過網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議自身的機制進行重路由，這可能會出現(xiàn)丟包問題。

2.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的性能比較

表1從生命周期、實時性、可靠性、魯棒性、數(shù)據(jù)融合、擴展性這六個方面對上文中提到的路由協(xié)議進行了對比。

表1 路由協(xié)議性能比較

3 結(jié)束語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議種類繁雜，每種路由協(xié)議都是在不同的應(yīng)用場景的需求下被設(shè)計出來，它們在性能上各自具有其優(yōu)缺點。而每個應(yīng)用場景都有其獨特的要求，不存在適用于任何場景的通用路由協(xié)議。因此針對不同的應(yīng)用場景，在組織無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時，應(yīng)當根據(jù)實際情況選擇合適的路由協(xié)議，以發(fā)揮無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的最佳性能。

[1]孫利民.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].清華大學(xué)出版社，2005.

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