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对几种重要的无线传感器网络路由协议的比较
作者：田琦 尹大力 周华章 刘福海 王振中 来源：《科技视界》2013年第29期
【摘 要】基于无线传感器网络的体系结构，本文针对当前几种主要的传感器网络协议展开研究。本文我们重点研究了路由协议的能量高效性、可扩展性、鲁棒性和快速收敛性等几个方面的特性，结合各自协议的特点研究了几种协议在这些特性的表现上的差异。最后，我们给出了比较的结果，以及对结果的分析。
【关键词】无线传感器网络；路由协议；比较 0 引言
无线传感器网络（wireless sensor network， WSN）是由部署在检测区域内的大量廉价微型传感器节点，形成一个多跳的自组织网络系统，使在小体积内集成信息采集、数据处理和无线通信等功能，实现协作感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并提供给终端用户。WSN 能够广泛应用于军事、环境检测和预报、健康护理、智能家居、建筑物状态监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理、以及机场、大型工业园区的安全检测和其他商业等，且将逐渐深入到人类生活的各个领域。20世纪90年代提出的“普适计算”[1-2]，揭开了无线网络的序幕，21世纪里，随着微电子技术、计算技术和无线通信技术的进步，多功能传感器快速发展，使无线网络从畅想逐步走向现实。无线网络引起了学术届、军界和工业界的极大关注，美国和欧洲相继启动了许多关于无线传感器网络的研究计划，特别是美国通过国家自然基金委、国防部等多种渠道投入巨资支持传感器网络技术的研究，进而使无线传感器网络成为目前研究热点[4-5]。 1 无线传感器网络的组成
WSN通常由数据获取节点、数据分布网络和信息处理中心三部分组成的。其主要组成部分是集成有传感器、数据处理单元和通信模块的传感器节点，各节点通过协议自组成一个分布式网络，再将采集来的数据通过优化后经无线电波传输给信息处理中心，如图1所示。 传感器节点是一个具有信息收集和处理能力的微系统，集成了传感器模块、信息处理模块、无线通讯模块和能量供应模块[3]。 2 常见的路由协议
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目前对于无线传感网络路由算法的设计，国内外提出了很多解决方案，针对不同传感器网络的应用，提出了不同的路由协议，这些路由算法即有其优势也有缺陷，并且针对不同的具体应用表现出来的性能也大不一样，具体表现为以下几种协议[2-3]。 2.1 泛洪式算法（Flooding）
泛洪式算法是一种传统的网络通信路由协议。它实现简单，不需要维护网络的拓扑结构和实现复杂的路由算法，接收到消息的节点以广播形式转发数据包给所有的相邻节点，重复执行该过程，直到数据包到达目的地或者已经达到预先设定的最大跳数。对于自组织的传感器网络，泛洪路由是一种较直接简单的实现方法，但存在消息的“内爆”（implosion）和“重叠”（overlap）以及“资源盲点”（resource blindness）的特点，并且没有考虑各节点的能量损耗，没有自适应路由选择，会导致网络寿命减少[5]。 2.2 定向路由扩散（DD）
定向扩散协议（Directed Diffusion）是一种基于查询的路由机制[10]。整个过程可以分为兴趣扩散、梯度建立以及路径加强三个阶段。在兴趣扩散阶段，汇聚节点向传感器节点发送其想要获取的信息种类或内容。兴趣消息中含有任务类型、目标区域、数据发送速率、时间戳等参数。当整个信息要求传遍整个传感器网络后，便在传感器节点和汇聚节点之间建立起一个梯度场，梯度场的建立是根据成本最小化和能量自适应原则。梯度场建立过程如图2所示。 2.3 动态源路由算法（DSR）
动态源路由算法（Dynamic Source Routing protocol）是按需建立路由的一种自适应算法。当某个传感器节点采集到数据后，调用路由选取机制，从它的邻居节点中选取一个信道较好、能量充沛或者距离汇聚节点（sink节点）最近的节点作为其转发节点。其他节点收到这样的数据包后运行同样的算法，从其邻居节点中找出一个最佳转发节点进行转发，直到数据包被发送到目的地。这种算法简单，要维护的数据结构简单，路由维护开销小，但是它路由选择时只考虑眼前最优，没有考虑网络负载，容易导致部分节点提前失效，单路径发送可靠性低，路由的选取具有盲目性，容易走向网络空洞。
2.4 SPIN （Sensor Protocols for Information via Negotiation）
SPIN该协议基于协商并且具有能量自适应功能[6-7]，它假定网络中所有节点都是Sink节点，每一个节点都有用户需要的信息，而且相邻的节点拥有类似的数据，所以只要发送其他节点没有的数据。发送真正数据之前，通过协商压缩重复的信息，避免了冗余数据的发送解决Flooding协议和Gossiping协议的内爆和重叠现象；SPIN 协议有权访问每个节点的当前能量水平，根据节点剩余能量水平调整协议，所以可以在一定程度上延长网络的生存期。 2.5 GEAR （Geographical and Energy Aware Routing）
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Y. Yu 等人提出了GEAR路由协议，即根据时间区域的地址位置，建立基站或者汇聚节点到时间区域的优化路径。GEAR是充分考虑了能源有效性的基于位置的路由协议，它比其他的基于位置的路由协议能更好的应用于无线传感器网络之中。该协议利用数据包中存在区域地质位置信息，把在整个网络中扩散的信息传送到适当的位置区域中，同时采用了查询驱动数据传送模式。它传送数据分组到目标域中所有的节点的过程包括两个阶段：目标区域数据传送和域内数据传送。
2.6 低功耗自适应聚类路由算法（LEACH）
LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）是MIT的Chandrakasan等人为无线传感器网络设计的低功耗自适应聚类路由算法[8，9]，是第一个在无线传感器网络中提出的层次式路由协议，其基本思想是以循环的方式随机选择簇首节点，平均分配整个网络的能量到每个传感器节点，从而可以降低网络能源消耗，延长网络生存时间。LEACH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。为了避免额外的处理开销，稳定状态一般持续相对较长的时间。
采用LEACH方法使因能量耗尽而失效的节点呈随机分布状态，因而与一般的多跳路由协议和静态聚类算法相比，LEACH 可以将网络生命周期延长15%。但是LEACH 假设所有的节点都能直接与簇首节点和终端节点通讯，采用连续数据发送模式和单跳路径选择模式，因此在需要监测面积范围大的应用中不适用，而且动态分簇带来了拓扑变换和大量广播这样的额外开销。
2.7 GAF （Geographic Adaptive Fidelity）
Y.Xu 等人提出的一种利用分簇进行通信的路由算法。它最初是为移动Ad Hoc 网络应用设计的，也可以适用于无线传感器网络。其基本思想是网络区被分成固定区域，形成虚拟网格，每个网格里选出一个簇首节点在某段时间内保持清醒，其他节点都进入睡眠状态，但是簇首节点并不做任何数据汇聚或融合工作。GAF 算法即关掉网络中不必要的节点节省能量，同样可以达到延长网络生存期的目的。 3 比较与分析
在以上的几种路由协议中，泛洪式算法由于需要区域内的所有节点参与传递信息，每个消息传送都会产生多种不同的路径，需要消耗更多的能量，但是由于多条传输路径可供选择，其网络具有很好鲁棒性，但是可能的内暴或重叠现象，不利于快速收敛；定向路由扩散协议相比泛洪式算法在路径选择和抑制內暴和重叠上稍有改进，加速了快速收敛，从而在一定的范围内降低了能量损耗，但是也降低了网络鲁棒性。动态路由协议能够选择出一条能量充足的路径保证当前的数据的传输，同时维护一个简单的数据结构，降低了选择路由时的能量损耗，但是，该路由算法可能导致网络节点过度使用而失效，所以该算法鲁棒性没有泛洪式算法和定向路由好，但是能量利用率较高，收敛性好；SPIN协议在传输时压缩了数据量，降低传输过程中的