无线传感器网络路由协议综述 路由协议, 自适应路由协议, GBR, 协议, Rumor

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来源：网络
引言
　　无线传感器网络是由部署在监测区内的大量廉价微型传感器节点组成,通过无线通信方式形成一个多跳的、自组织的网络系统,其目的是协作的感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息,并送给观察者。相对与目前常见无线网络(包括移动通信网,无线局域网、蓝牙网络、Ad hoc 网络等),无线传感器网络具有硬件资源有限。电源容量有限,无中心,自组织,多跳路由,动态拓扑,节点数量众多,分布密集的特点。无线传感器网络在军事侦查,环境检测,医疗监护,农业养殖,工业生产过程监控,空间探索及商业应用等领域具有广阔的应用前景。

1 路由协议的分类和过程描述
据上海.羿歌所认识，无线传感器网络的路由协议的研究最早从Flooding 开始,逐渐受到关注。研究人员已经提出了许多针对无线传感器网络的路由协议,可以从不同的角度对它们进行分类。到目前为止,仍缺乏一个完整和清晰的路由协议分类。

本文根据路由协议的实现方法特点, 将现有的路由协议主要分为四类:基于聚簇的路由协议、以数据为中心路由协议、基于地理位置路由协议和能量感知路由协议。

1.1 基于聚簇的路由协议
　　1.1.1 LEACH
　　LEACH 协议是第一个基于聚簇的协议。它定义了“轮”(round)的概念,一轮由初始化和稳定工作两个阶段组成,每一轮初始化阶段重新选择聚类首领, 聚类首领必须选择没有当过聚类首领的节点,选取原则:传感器节点生成0,1 之间的随机数,如果小于阈值T,则选该节点为聚类首领。一旦聚类首领选定,它们主动向所有节点广播这一消息, 节点根据最小能量的原则选择属于哪个聚类,基于时分复用的方式,聚类首领为其中每个成员分配通信时隙;在稳定工作阶段,节点持续监测数据,按照时分复用时隙向聚类首领发送数据,簇首进行必要的数据融合处理,发往sink 节点。持续一段时间,整个网络进入下一轮工作周期。

1.1.2 TEEN
　　TEEN 和LEACH 的路由实现机制相似,但前者组织的网络是响应型而后者是主动型的。在TEEN 中定义了硬、软两个门限来确定是否需要发送数据,通过调节软门限值的大小,可以在监测精度与系统能耗之间取得合理的平衡。TEEN 通过拟制不必要的通信实现节省能量,比LEACH 更有效。TEEN 协议适用于实时性要求较高的应用场合,比如入侵警报,爆炸预警等。

1.1.3 PEGASIS
　　PEGASIS 是针对LEACH 的缺点提出的,在该协议中,所有节点视做一个簇,每一轮只选一个节点作为簇首与sink 节点进行一跳通信。为保负载平衡,轮转地选择簇首。节点只同最近的相邻节点通信,从而建立一条包含网络所有节点的链路。该协议避免LEACH 协议频繁选举簇头带来的通信开销, 每个节点都以最小功率发送数据分组,并完成必要的数据融合,减少业务流量,因此网络的功耗较小。

1.2 以数据为中心的路由协议
　　1.2.1 SPIN 协议

SPIN 协议是以数据为中心的自适应路由协议,通过协商机制解决泛洪协议的“内爆”和“重叠”问题,协议的主要思想:传感器节点在发送数据前先进行协商, 仅将数据发送到需要的相邻节点,这种协商制度可以确保有效的数据传输。节点用元数据描述传感器节点采集的数据属性, 元数据中包含了原始数据的一些关键信息。传感器节点间通过发送元数据,而不是整个的采集数据。元数据小于采集的数据,所以传输元数据可以节省能源。

SPIN 有3 种类型消息,即ADV、REQ 和DATA。用ADV 广播新数据,用REQ 请求接收数据, 用DATA 封装数据。

1.2.2 DD 协议

DD(Directed DiffusiON) 曹建玲: 讲师博士研究生协议是以数据为中心的路由协议中的典范。在定向扩散协议中, 路由的建立由sink 节点发起,sink节点向所有节点广播“兴趣”来寻找数据源。节点在收到“兴趣”

后保存在它的CACHE 中,每个兴趣项(intereST entry)包含一个时间标签域(time stampfield)和若干个梯度域。每个节点只了解发送请求的相邻节点,节点通过建立梯度(gradient)来转发“询问”

给它的相邻节点。最终“, 兴趣”到达源节点, 源节点到汇节点sink 之间的梯度场就建立起来了。一旦源节点采集到兴趣所需数据,沿梯度最大方向传数据到汇节点sink,梯度最大路径也就是功耗最低路径。

1.2.3 GBR 协议

GBR(gradient based routing)路由协议是DD 协议的一种改进路由算法,目的是使数据报文传输的总跳数最小。其关键思想是当DD 协议中的兴趣消息扩散到整个网络时, 节点需要记录跳数。由此,每个节点发现到sink 节点的最小跳数,并将这个跳数作为节点的height; 邻居节点之间的height 差就是链路的梯度。当数据报文发往sink 节点时, 沿着梯度最大的方向传送。

GBR 使用诸如数据融合、负载均衡等技术,以获得均匀的网络负载。

1.2.4 Rumor 协议

Rumor 协议借鉴了欧氏平面图上任意两条曲线交叉几率很大的思想。基本思想是:事件区域中的传感器节点感知到事件后产生代理(Agent)消息。Agent 包括事件和源节点信息,且有一定的时限。代理消息沿着一条或多条随机路径向外扩散, 同时sink 节点发送的查询消息也沿着一条随机路径在网络中传播;当代理消息和查询消息的传输路径交叉在一起时, 将会形成一条sink 到事件区域的完整路径。如不交叉,sink 可Flooding 查询请求。

1.3 基于地理位置的路由协议
　　1.3.1 GPSR 协议

GPSR 协议是基于地理位置的距离贪心路由协议。协议的思想:当节点向目的节点转发数据时,选择距离目的节点最近的邻节点转发数据,当满足条件的邻居节点不存在时出现问题,即数据到达了没有比该节点更接近目的点的区域(称为空洞),导致数据无法传输。当出现这种情况时, 空洞周围的节点能够探测到,并利用“右手法则”沿空洞周围传输来解决这一问题。

1.3.2 GEM 协议
　　GEM(Graph Embedding)路由协议基本思想是用一个虚拟极坐标系统表示WSN 的网络拓扑结构。网络中的节点形成一个以汇聚节点为根的带环树(Ringed Tree),并在这个带环树上实现路由。GEM 带环树的建立由汇聚点发起,通过逐步扩散从而建立覆盖整个网络的拓扑树。它不依赖节点的精确位置信息,将网络的实际拓扑映射到一个易于进行路由处理的逻辑拓扑中。当网络中节点位置改变引起网络拓扑变化时,树的调整比较复杂,因此,GEM 适应于拓扑结构相对稳定的传感器网络。

1.4 能量感知路由协议
　　能量路由是最早提出的WSNs 路由机制之一,包括最大PA(剩余能量)路由,最小能量消耗路由,最少跳数路由,最大最小PA节点路由, 这些能量路由策略的实现需要知道整个网络的全局信息。由于WSNs 存在能量约束,节点只能获取局部的网络拓扑结构信息,所以它们只是理想情况下研究讨论用的策略。为此,Shah 等提出了一种能量感知路由协议。此外还有基于地理位置的能量感知路由协议GAF 和GEAR。

1.4.1 EAR 协议
　　EAR(energy aware routing)协议是Shah 等人提出一个能量感知路由协议,该协议的主要思想:使用地理位置和节点类型标识节点,在源节点和目的节点之间建立多条通信路径,每条路径都有一个与节点剩余能量相关的选择概率, 当原节点需要向目的节点传输数据时, 协议根据路径的选择概率选择一条路径进行传输。数据传输均衡消耗整个网络能量,延长整个网络的生存周期。

1.5 其他路由协议
　　大多数无线传感器网络路由协议都符合我们的分类, 还有一些路由协议采用不同的实现方法,例如,典型的基于网络流量的路由协议有Chang 等人提出的最大化生存时间路由协议以及最小代价路由。典型的基于QoS 的路由协议有SAR 以及SPEED。

2 路由协议综合比较
　　WSNs 具有与应用高度相关的特点,所以WSNs 路由协议同样具有多样性的特点,很难说哪个协议更为优越,表1 对本文重点讨论的路由协议的特点进行了总结与比较。



3 研究发展方向
　　通过对典型协议的总结与比较, 可以看出每种路由协议都有其优缺点,分别适用于不同的应用场合,现有的无线传感器网络路由协议设计基本上都是以节能、延长网络生命周期为主要目的。在一定程度上解决了能源消耗问题, 但是还存在以下问题:不支持QoS;移动性的支持比较差,没有安全机制;单路径协议占多数。可以看出将来无线传感器网络路由协议采用的某些研究策略与发展趋势:
　　(1)QoS 路由。目前传感器网络路由协议的研究重点主要集中在能量效率上, 而在未来的研究中可能还需要解决由视频和成像传感器以及实时应用引起的QoS 问题。
　　(2)支持移动性。目前的WSNs 路由协议对网络的拓扑感知能力和移动性的支持比较差,如何在控制协议开销的前提下,支持快速拓扑感知是一个重要挑战。
　　(3)安全路由。由于WSNs 的固有特性,其路由协议极易受到安全威胁, 是网络攻击的主要目标, 设计简单、有效、适用于WSNs 的安全机制是今后努力的方向。
　　(4)有效功耗。WSNs 中数据通信最为耗能,今后尽量通过使用数据融合技术、数据传输中采用过滤机制来减少通信量,并通过让各节点平均消耗能量来保持通信量的负载均衡。
　　(5)容错性。由于WSNs 节点容易发生故障,应尽量利用节点易获得的网络信息计算路由, 以确保在路由出现故障时能够尽快得到恢复,可采用多路径传输来提高数据传输的可靠性。

4 结束语
　　无线传感器网络的路由协议是无线传感器网络研究中的热点问题。本文对无线传感器网络路由协议的发展现状进行了全面的描述。本文作者创新点:根据路由协议的实现方法特点把无线传感器网络中的路由协议主要分为四类, 就这些分类分别描述了现有典型协议的原理,对各种协议进行了综合比较,明确了当前无线传感器网络路由协议存在的问题, 对未来的研究热点问题进行了展望。