無線傳感器網絡路由協議研究

摘要：本文介紹了無線傳感器網絡的基本概念及特點，在此基礎上論述了無線傳感器網絡路由協議的特點及其分類，并對兩種主要路由協議的優缺點進行了比較分析和研究。

關鍵詞：無線傳感器網絡路由協議研究

1 無線傳感器網絡路由協議

1.1 無線傳感器網絡路由協議特點

無線傳感器網絡路由協議以處理網絡內數據為主要目的，有其固有的特點。

①傳感器節點數量龐大，不易建立全局地址。

②傳感器網絡感知數據量大，需要從多個源感知數據到基站。

③傳感器每個節點的傳輸能力、處理能力和存儲能力都十分有限。

④傳感器網絡根據不同應用場景有不同類型。

⑤在大部分應用場景中，傳感器節點一般固定在配置后面。

⑥數據聚集基于節點定位，故節點定位很重要，需要重視。

1.2 無線傳感器網絡路由協議設計要求

①算法的節能性：降低能量消耗是保證網絡周期長運行且具有較好的通信功能的決定因素。一個節能的算法可降低網絡的能耗量，延長網絡的生命周期。

②算法的擴展性：在無線路由傳感器網絡使用過程中，隨著傳感器節點數量的增加，網絡會逐漸繁冗，如果路由協議擴展性較好，可有效地融合新增節點，提高處理能力，延長網絡的使用壽命。

③算法的容錯性：分層結構中的傳感器節點容易失效，可能導致簇頭的高負載，甚至使網絡癱瘓。因此，需要算法有一定的容錯能力，維持網絡的正常運行。

④數據融合：無線傳感器在采集數據和傳遞的過程中可能產生較多冗余信息，加強數據融合可增強系統的簡潔性，提高信息的準確率。

1.3 與傳統網絡的比較

與傳統網絡相比，無線傳感器網絡具有以下不同點：

①無線傳感器網絡節點數目龐大，在網絡中無法給每一個節點賦予一個唯一的標識符，以與其他節點區分。所以典型的基于IP 的協議在無線傳感器網絡中不適用。

②無線傳感器網絡是無中心節點控制的自組織網絡，而傳統網絡是客戶端服務器模式。

③在傳送數據方式上，與典型通訊網絡不同的是，無線傳感器網絡需要將數據從多個源節點向一個匯節點傳送。

④從應用場合上看，傳統無線網絡側重于通信功能，而無線傳感器網絡以數據采集和傳輸為目的，通信數據量小，通信數據率較低。

2 無線傳感器網絡路由協議分類

無線傳感器網絡路由協議有多種分類方法。根據傳感器節點在網絡中的地位，無線傳感器網絡可分為平面型網絡和層次型網絡。因此將眾多的路由協議分成兩類——平面路由協議和分層路由協議。

2.1 平面路由協議

2.1.1 DD協議（Directed Diffusion）

定向擴散協議是以數據為中心的路由協議，由興趣、數據消息、梯度和加強4個元素組成。定向擴散路由機制一般包括興趣擴散、梯度建立和路徑加強三個周期性的階段。定向擴散協議以數據為中心進行工作，每一個節點都能收集數據、融合數據及存儲數據，并可對數據進行緩存，且對網絡拓撲沒有特殊要求，使無線傳感器網絡能夠保存更多的能量。所以，定向擴散協議具有較好的節能性和擴展性。但是其缺點是，定向擴散協議為了實現數據聚集，要求時間同步技術，這種技術在傳感器網絡中不易實現。由于定向擴散算法是詢問驅動的路由算法，并不適用于所有的傳感器網絡。

2.1.2 謠傳路由協議（Rumor routing）

定向擴散協議使用洪泛查詢整個網絡，在只有少量的數據被請求時，定向擴散協議的開銷太大。謠傳路由協議是對定向擴散協議的改進，是一種特殊的定向擴散協議，它的數據傳輸量較小。謠傳路由僅需維護一條源到目的的路徑，可顯著降低開銷。但是，謠傳路由也存在自身的問題。謠傳路由算法遇到網絡拓撲結構頻繁變化時會顯著下降。同時，由于謠傳路由的傳播路徑是隨機進行的，可能不是最優路徑。

2.1.3 SPIN路由協議(Sensor Protocols for Information via Negotiation)

SPIN是一組基于信息協商并且能有效發布數據的協議簇，有很多協議，主要的兩個協議是SPIN-1和SPIN-2。SPIN-1和SPIN-2是簡單高效的協議，不需維護每個鄰居的狀態。該協議的基本思想是，節點使用元數據命名原始數據，鄰居節點根據元數據中包含的信息決定是否傳送原始數據，并通過協商消除冗余數據，減少數據的發送量。此外，節點還能根據特定的應用需求和資源類型判斷是否通信，有效地傳輸數據。

SPIN通過協商機制除去冗余信息， 能夠為無線傳感器網絡節約大量能量。其缺點是sink節點周圍的節點的電池消耗過快，并且無法保證數據能夠順利到達感興趣的目的節點，不具擴展性。

2.2 分層路由協議

2.2.1 LEACH(Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy)

LEACH是一種分簇結構的分等級路由協議，基本思想是根據節點接收的信號的強度進行分簇，將整個網絡的能量負載平均分配，在簇內輪流選擇簇頭節點，利用簇頭節點傳輸數據，節省數據傳輸量，降低網絡能源消耗。

LEACH算法提高了網絡的穩健性，利用簇頭傳遞信息減少節點與sink之間的能量消耗，且簇頭的選擇機制為動態的，可避免簇頭能量過快耗盡，延長網絡的生存時間。其缺點是建立階段需不斷分簇和選擇簇頭，協議開銷大；每個節點可以直接與簇頭和sink節點通信，導致網絡擴展性不強，不適用于大型網絡。

2.2.2 TEEN路由協議(Threshold-Sensitive Energy Efficient Protocols)

TEEN協議是在被觀測變量發生變化時才傳輸數據的路由協議。

TEEN算法的基本思想是，在TEEN協議中存在軟、硬兩個閾值。硬閥值是可以激活傳感器節點發送數據的最小屬性值，再調節軟閥值，感知屬性值的變化幅度，可平衡系統消耗與監測精度。通過合理設置硬、軟閥值的大小，可大大減少數據傳輸的次數，降低網絡能源消耗。該協議的缺點是若沒有收到門限值，節點將無法通信，用戶也得不到數據。由于閥值的設置使網絡復雜化，增加了網絡的開銷。

2.2.3 PEGASIS路由協議(Power-Efficient Gathering in Sensor Information System)

該協議是基于鏈的能量有效協議，是對LEACH協議的改進。該算法的基本思想是傳感器節點形成鏈，在傳輸數據時僅從鏈中選擇一個節點作為簇頭向sink點傳送。每個節點從鄰居節點接收和發送數據到另一個節點，并將數據聚集，最后傳輸到基站。

PEGASIS與LEACH相比，采用多跳路由方式，只用一個節點與基站通信，且利用數據融合，減少與基站的通信，避免了LEACH的動態分簇的開銷，延長了網絡的生存時間。PEGASIS的不足是鏈中遠距離的節點會延遲信息傳遞，單一的簇頭節點可能會成為數據傳輸的關卡。

3 結語

無線傳感器網絡是一種新型網絡，目前已有很多各具優點的路由協議，可從某些方面提高網絡性能，延長網絡生存時間。但是這些算法一般存在自身局限性，實際應用時存在較多問題。所以，無線傳感器網絡路由協議的研究仍是個重大課題，對于無線傳感器網絡能否大規模應用有著決定性的意義。

參考文獻：

[1]唐勇，周明天，張欣.無線傳感器網絡路由協議研究進展[J]. 軟件學報.2006(03).

[2]周賢偉，劉賓，覃伯平.無線傳感器網絡的路由算法研究[J]. 傳感技術學報.2006(02).

作者簡介：

劉定智，女，（1976-），貴州貴陽人，貴州職業技術學院實驗師，研究方向：算法設計，數據庫。