無線傳感器網絡路由協議分析

◆李蘭鳳 馬佳榮

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無線傳感器網絡路由協議分析

◆李蘭鳳 馬佳榮

（西安文理學院 陜西 710065）

無線傳感器網絡的路由協議是WSN的重點研究方向之一。本文對目前存在的幾種路由協議進行了分類，以影響無線傳感器網絡路由協議性能的關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，發現不同的路由協議都有其獨特的優勢，可以適用于不同應用場景的特殊需求。

無線傳感器網絡；路由協議；平面路由；分層路由

0 引言

無線傳感器網絡[1]（Wireless Sensor Network，WSN）是由大量具有信息采集、數據處理、數據存儲和無線通信等功能的傳感器節點自組織形成的網絡系統。WSN一般應用于軍事、環境監測、地質預警等空曠、復雜的環境中，由于網絡中節點的計算能力、存儲能力和能量資源有限，這些成為無線傳感器網絡路由協議在設計過程中需要考慮的問題，也使得路由協議的設計成為WSN研究的關鍵技術之一。

1 無線傳感器網絡路由協議概述

路由協議主要負責將數據分組沿最優路徑從源地址安全可靠的轉發至目的地址，對于無線傳感器網絡來說是將源節點采集的數據高效、可靠的傳輸至匯聚節點。

1.1 無線傳感器網絡路由設計原則

無線傳感器網絡與傳統網絡不同，網絡節點的資源局限性較強，數量也較為龐大，位置放置較為隨機，網絡拓撲受節點能量影響易發生變化、數據冗余程度高。所以無線傳感器網絡的路由協議在設計時要注意以下幾個原則[2]。

（1）能量高效性：WSN節點的能量資源有限，因此其路由協議的設計要簡單、高效、節能以便能夠解決網絡節點間能量的負載均衡問題，延長網絡的生命周期。

（2）可擴展性：當網絡中有節點死亡、新的節點加入或者網絡規模發生動態變化時，依然能夠保持網絡良好的連通性和可靠性，快速應對發生的變化。

（3）快速收斂性。由于WSN節點的能量資源有限，因此當傳感器網絡拓撲結構發生變化時，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）數據融合：無線傳感器網絡中節點采集到的數據冗余度高，需要對數據進行融合以便降低網絡的數據傳輸量，進而減少能量消耗。

圖1 路由協議分類

（5）可靠性：傳感器網絡鏈路不穩定，數據在無線信道中傳輸時易出錯，必須設計可靠的路由機制來確保數據能夠正確交付。

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

（7）應用相關性：無線傳感器網絡應用范圍廣泛，所處環境各不相同，沒有一種路由協議能夠滿足所有條件，適用于所有環境，這就要求在設計路由時能夠根據環境特點和需求來設計。

1.2 路由協議分類

針對無線傳感器網絡的特征和具體的應用場景，目前已經提出了很多路由協議，這些路由協議各自具有其優勢特點[3]。本文從網絡拓撲結構、路由發現機制和路由實現方法這三個角度對路由協議進行了分類[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

上文提到了網絡拓撲結構、路由發現策略、路由實現方法這三種分類方法，本文按網絡拓撲結構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議。

2.1 平面路由協議

平面型路由協議中所有節點的地位和功能相同，不進行分級，彼此以對等的方式協同的完成數據采集、處理和轉發任務。其優點在于結構簡單、容錯性和魯棒性好；但其對網絡變化反應較慢，建立、維護路由能耗較大，比較適合小規模的無線傳感器網絡。

（1）Flooding協議

Flooding協議即洪泛路由協議，協議中節點以廣播的方式轉發數據包，當數據包達到最大跳數或到達匯聚節點時停止轉發，Flooding協議不需要維護網絡拓撲結構，算法簡單，數據傳播速度快，但存在內爆、數據重疊以及資源盲目利用等問題。

（2）SPIN協議

SPIN是一種以數據為中心的自適應路由協議，節點在發送感知數據之前先發送元數據至鄰居節點進行協商，在有需求時對鄰居節點進行響應并發送感知數據。SPIN消除了數據冗余、有效解決了內爆問題，減少了資源的浪費，提高了網絡中能量的利用效率。但同樣SPIN也存在數據傳輸可靠性低的缺陷，當某個接收到數據的節點的所有鄰居節點都不需要數據時，數據轉發就會終止，這會導致數據丟失。

（3）DD協議

DD(DirectedDiffusion)路由是以數據為中心的路由協議。其工作原理是匯聚節點以廣播的方式向整個網絡發布包含興趣消息的查詢任務，收到興趣消息的傳感器節點對興趣消息進行緩存與合并，并將采集數據與興趣消息的屬性值進行匹配，建立與數據傳播反向的興趣梯度。當節點采集的數據與興趣消息的屬性值匹配時，在本地對數據進行融合后沿梯度方向向匯聚節點傳輸。DD協議對數據融合后傳輸，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，特別是網絡規模較大時，網絡時延較大。

（4）SAR協議

SAR是一種基于QoS的路由協議，WSN中匯聚節點的所有第一鄰節點以自身為根建立生成樹，從而反向建立從各節點至匯聚節點的多條數據傳輸路線，生成樹的建立過程中考慮節點的丟包率、時延、能量等QoS因素。SAR協議維護路由、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，尤其網絡發生變化時，不能快速的應對，收斂速度較慢。

2.2 分層路由協議

分層路由也叫分簇路由，網絡中的傳感器節點被分成多個簇，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絡進行二次分簇，直至最高級網絡。最高級網絡中的簇首和匯聚節點進行通信，并負責本簇內簇成員數據的處理和轉發。分層路由協議可擴展性好，能夠高效、均衡的利用能量。缺點是當簇首節點失效時會造成部分節點路由失效。其代表性協議主要有以下幾種：

（1）LEACH協議

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，簇首向周圍節點發送廣播信息，其他節點按照接收到的信號強弱選擇加入該簇，一輪結束后重新選舉簇首。簇首隨機選擇可以避免簇首因頻繁通信和數據處理所造成的能量過度消耗，延長網絡的生存周期，但簇首與匯聚節點采用單跳通信，離匯聚越遠的簇首能量消耗越大，易形成“熱區”和“非熱區”，不適合大規模傳感器網絡。

（2）PEGASIS協議

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

（3）TEEN協議

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

（4）GAF協議

GAF是基于位置的感知路由協議，它使用了一種新的分簇方法，即虛擬網格。GAF協議將網絡區域分成固定的區域，形成虛擬單元格，每個虛擬單元格輪流選取簇首保持活動，負責監視和傳輸數據，其余節點則進入休眠。GAF協議關閉了沒有任務的節點，極大節省了能量，但當節點被關閉時，恰好處于路由數據包的激活狀態時，GAF只能通過網絡路由協議自身的機制進行重路由，這可能會出現丟包問題。

2.3 無線傳感器網絡路由協議的性能比較

表1從生命周期、實時性、可靠性、魯棒性、數據融合、擴展性這六個方面對上文中提到的路由協議進行了對比。

表1 路由協議性能比較

3 結束語

無線傳感器網絡的路由協議種類繁雜，每種路由協議都是在不同的應用場景的需求下被設計出來，它們在性能上各自具有其優缺點。而每個應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議。因此針對不同的應用場景，在組織無線傳感器網絡時，應當根據實際情況選擇合適的路由協議，以發揮無線傳感器網絡的最佳性能。

[1]孫利民.無線傳感器網絡[M].清華大學出版社，2005.

[2]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，2006，17(3)：410?421

[3]付曉陽.無線傳感器網絡路由協議概述[J].電腦知識與技術，2013(11).

[4]畢俊蕾，任新會，郭拯危.無線傳感器網絡路由協議分類研究[J].計算機科學技術與發展，2008(05).

[5]譚松鶴，覃琪.無線傳感器網絡路由協議研究[J].電腦知識與技術，2018，14(17).