無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究綜述

（沈陽理工大學(xué)，遼寧 沈陽 110159）

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究綜述

邵俊平

（沈陽理工大學(xué)，遼寧 沈陽 110159）

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不同于普通網(wǎng)絡(luò)，分布式自組織性、動態(tài)拓?fù)湫约百Y源有限性和應(yīng)用相關(guān)性是其主要特點(diǎn)，所以對其路由協(xié)議有特殊的要求。本文對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議進(jìn)行分類，對幾種路由協(xié)議進(jìn)行分析比較，并指出其優(yōu)缺點(diǎn)。

無線傳感器；路由協(xié)議；數(shù)據(jù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量體積微小，能量有限，具有有限的存儲、計(jì)算能力的傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線自組織的方式經(jīng)過單跳或多跳組成的網(wǎng)絡(luò)。隨著傳感器技術(shù)、微電子技術(shù)、嵌入式技術(shù)和無線通信等技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展日益迅速，得到了廣泛應(yīng)用，并成為人們研究的熱點(diǎn)。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，具有有限的能量和帶寬資源，并且不同的應(yīng)用場景對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有不同的要求，所以如何設(shè)計(jì)節(jié)能的、面向特定應(yīng)用場景的路由協(xié)議是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的一個重要問題。

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，一般將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議分為：平面路由協(xié)議、層次路由協(xié)議和基于地理位置的路由協(xié)議。FLOODING協(xié)議是平面路由協(xié)議，每個節(jié)點(diǎn)不需要維護(hù)位置、路由等信息，當(dāng)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，節(jié)點(diǎn)在一跳范圍內(nèi)廣播，接收到消息的鄰居節(jié)點(diǎn)再通過廣播將消息發(fā)送給它的鄰居節(jié)點(diǎn)，直到到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)或達(dá)到最大跳數(shù)為止。FLOODING協(xié)議實(shí)現(xiàn)簡單，路由健壯性強(qiáng)，節(jié)點(diǎn)不需要維護(hù)狀態(tài)信息，但容易產(chǎn)生信息內(nèi)爆和數(shù)據(jù)重疊問題，造成資源的浪費(fèi)。Gossiping路由協(xié)議對FLOODING進(jìn)行了改進(jìn)，收到數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)包隨機(jī)發(fā)送給它的鄰居節(jié)點(diǎn)，直到發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)。Gossiping協(xié)議有效緩解了信息內(nèi)爆，但還是存在數(shù)據(jù)重疊和資源浪費(fèi)，可能增大時延，造成分組丟失。SPIN協(xié)議通過協(xié)商機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，協(xié)議中包含三種報(bào)文：數(shù)據(jù)報(bào)文DATA，描述DATA的簡短消息ADV，請求消息REQ。當(dāng)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時，傳感器節(jié)點(diǎn)先發(fā)送ADV消息，收到ADV消息的節(jié)點(diǎn)判斷該數(shù)據(jù)是否是自己需要的，如果是，則發(fā)送REQ請求消息給發(fā)送節(jié)點(diǎn)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)收到REQ后，將DATA數(shù)據(jù)發(fā)送給發(fā)送節(jié)點(diǎn)。SPIN協(xié)議體現(xiàn)了“以數(shù)據(jù)為中心”的設(shè)計(jì)理念，避免了不必要的信息傳輸，但若遠(yuǎn)距離節(jié)點(diǎn)對該信息感興趣但其所有鄰居節(jié)點(diǎn)都不需要該信息將導(dǎo)致該遠(yuǎn)距離節(jié)點(diǎn)無法收到信息，造成信息空洞。

LEACH協(xié)議是經(jīng)典的層次路由協(xié)議，許多路由協(xié)議都是在它的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來的。LEACH協(xié)議中，網(wǎng)絡(luò)區(qū)域被劃分為不同的簇，每個簇內(nèi)存在簇首節(jié)點(diǎn)和簇成員節(jié)點(diǎn)，簇首節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)管理簇成員節(jié)點(diǎn)、將簇成員節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合等處理后，發(fā)給Sink節(jié)點(diǎn)。由于簇首節(jié)點(diǎn)承擔(dān)更多的任務(wù)，需要消耗更多能量，所以LEACH協(xié)議周期性進(jìn)行簇首的輪轉(zhuǎn)以達(dá)到均衡網(wǎng)絡(luò)能耗的目的。LEACH協(xié)議中，每個節(jié)點(diǎn)只需要維護(hù)本簇內(nèi)的路由信息，大大減小了數(shù)據(jù)存儲量和路由開銷，通過數(shù)據(jù)融合，減少了通信量，降低了能量消耗，同時，簇結(jié)構(gòu)更有利于網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展。但LEACH協(xié)議隨機(jī)選舉簇首，可能造成簇首節(jié)點(diǎn)位于網(wǎng)絡(luò)的邊緣或其他可能增大通信距離的位置，消耗更多能量；同時，簇首節(jié)點(diǎn)通過單跳將數(shù)據(jù)發(fā)送給Sink節(jié)點(diǎn)，有些簇首節(jié)點(diǎn)可能會因單跳遠(yuǎn)距離通信而消耗大量能量。LEACH-C是基于LEACH的改進(jìn)協(xié)議，相對于LEACH，LEACH-C通過集中控制選舉簇首節(jié)點(diǎn)，使簇的劃分和簇首節(jié)點(diǎn)的分布更合理，避免了由于隨機(jī)選舉簇首帶來的分簇不合理現(xiàn)象。PEGASIS協(xié)議借鑒了LEACH協(xié)議的分簇思想，該協(xié)議基于所有節(jié)點(diǎn)的地理位置用貪婪算法將節(jié)點(diǎn)組織成鏈。當(dāng)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時，數(shù)據(jù)將沿著鏈依次傳遞給距離自己最近的鄰居節(jié)點(diǎn)，直到發(fā)給鏈頭節(jié)點(diǎn)，再通過鏈頭節(jié)點(diǎn)發(fā)送給Sink節(jié)點(diǎn)，鏈上節(jié)點(diǎn)輪流作為鏈頭節(jié)點(diǎn)。PEGASIS避免了組簇及維護(hù)簇結(jié)構(gòu)的開銷，但頭節(jié)點(diǎn)的能量會消耗較快，PEGASIS需要知道每個節(jié)點(diǎn)的位置信息，增大開銷，同時，離鏈頭較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)可能會產(chǎn)生較長的時延，實(shí)時性不好。

GAF路由協(xié)議是基于地理位置的路由協(xié)議，將網(wǎng)絡(luò)劃分為固定數(shù)目的虛擬網(wǎng)格，每個節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身的位置確定所在的區(qū)域，每個區(qū)域在某個時間段只選一個節(jié)點(diǎn)處于活動狀態(tài)監(jiān)測信息并發(fā)送數(shù)據(jù)給Sink節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)睡眠，一段時間后重新選舉值守節(jié)點(diǎn)。GAF也屬于層次路由協(xié)議，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的地理位置信息進(jìn)行分簇，使得分簇更合理。GPSR協(xié)議也是基于地理位置信息的路由協(xié)議，每次都采用貪婪算法，選擇距離目的節(jié)點(diǎn)最近的節(jié)點(diǎn)作為下一跳，直到到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。GPSR能減小路由跳數(shù)，縮短時延，但可能會造成“熱點(diǎn)”問題和單路徑問題。基于地理位置的路由協(xié)議有效利用節(jié)點(diǎn)的地理位置信息使路由更合理，但獲取節(jié)點(diǎn)的地理位置信息可能會增大成本。

總之，相對于平面路由協(xié)議，層次路由協(xié)議更有利于網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展，也能有效減小網(wǎng)絡(luò)能耗。基于地理位置的路由協(xié)議利用節(jié)點(diǎn)的地理位置信息使路由更合理，但獲得節(jié)點(diǎn)的位置信息將增大成本。

[1]Heinzelman WB, Chandrakasan AP, Balakrishnan H． An application specific protocol architecture for wireless microsensor networks．IEEE rans Wireless Commun ,2002,1（04）：660-70．

[2]孫利民,李建中,陳渝，等．無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M]．北京：清華大學(xué)出版社,2005．

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