無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究

譚松鶴 覃琪

摘要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)無線通信網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式有很大不同，傳統(tǒng)的路由協(xié)議并不適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，依據(jù)網(wǎng)絡(luò)最終的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以將無線傳感器路由協(xié)議分為平面型和層次型路由協(xié)議，文中研究分析了幾種典型的路由協(xié)議的算法和工作過程，發(fā)現(xiàn)層次型路由更優(yōu)于平面型路由。

關(guān)鍵詞：WSN；路由協(xié)議；LEACH；SPIN

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）17-0064-02

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks， WSN） 是由大量的靜止或移動(dòng)的傳感器結(jié)點(diǎn)以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域內(nèi)被感知對(duì)象的信息，并通過基站（Base Station，BS）收集信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)的所有者[2]。目前廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)控、軍事、智能交通等多個(gè)領(lǐng)域。

1 WSN路由協(xié)議概述

WSN的物理結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)功能等多方面和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比較都有很大的差異。第一，路由協(xié)議的設(shè)計(jì)目標(biāo)不同，Ad hoc、無線局域網(wǎng)等傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是公平高效地利用網(wǎng)絡(luò)帶寬以及提供服務(wù)質(zhì)量保證，所設(shè)計(jì)的路由協(xié)議的最主要目標(biāo)是尋找源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)間通信路徑最短或延時(shí)最小的路徑，重點(diǎn)考慮如何避免網(wǎng)絡(luò)擁塞、鏈路負(fù)載均衡和提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)帶寬的利用率等問題，傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)大多都有電源支持，因而能量消耗不是重點(diǎn)考慮的問題。但是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的情況則不一樣，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)基本都是依靠電池供電，往往能量非常有限，只有少數(shù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是可以移動(dòng)的，而且這些傳感器節(jié)點(diǎn)通常布置在一些的環(huán)境惡劣和危險(xiǎn)的地方，人類無法接近更換能源、補(bǔ)充能量，因此路由協(xié)議著重考慮如何能夠降低網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量消耗，從而延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。第二，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不同，WSN相比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量更多，節(jié)點(diǎn)分布散，且節(jié)點(diǎn)的發(fā)射機(jī)的功率通常都比較小，通常只能與網(wǎng)絡(luò)中相鄰節(jié)點(diǎn)通信而得到局部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息，因此如何利用局部網(wǎng)絡(luò)信息找到最優(yōu)的數(shù)據(jù)信息傳遞路徑才是WSN路由協(xié)議設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮的問題。

基于上述分析，傳統(tǒng)的路由協(xié)議以及專門為Ad hoc、無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)等設(shè)計(jì)的路由協(xié)議并不適用于WSN。主要原因有四個(gè)方面：一是傳統(tǒng)路由協(xié)議擴(kuò)展性不好而且沒有考慮網(wǎng)絡(luò)節(jié)能方面的要求，不符合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計(jì)的要求。二是WSN通常規(guī)模大，運(yùn)行一段時(shí)間會(huì)因?yàn)椴糠止?jié)點(diǎn)能量耗盡而使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕l繁發(fā)生變化，導(dǎo)致傳統(tǒng)路由協(xié)議不能適用。三是傳統(tǒng)路由協(xié)議通常要求全網(wǎng)范圍內(nèi)達(dá)到路由收斂，而傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力和能量有限，這樣容易導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)負(fù)載過重，造成能量的大量消耗，甚至消亡而不利于延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。四是傳統(tǒng)路由協(xié)議通常以最小延遲或最短路徑為優(yōu)化目標(biāo)，這就容易迅速耗盡那些處于關(guān)鍵路徑上節(jié)點(diǎn)能量，不利于延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。

2 WSN路由協(xié)議研究分析

目前圍繞WSN路由協(xié)議研究的工作很多，最典型的研究是按照最終形成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)劃分為平面型路由協(xié)議和層次型路由協(xié)議。在平面型路由協(xié)議中，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)不分主次地位，通過局部操作和信息反饋來生成路由信息。優(yōu)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，路由機(jī)制的容錯(cuò)能力比較強(qiáng)，不容易發(fā)生網(wǎng)絡(luò)瓶頸問題，缺點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)需要大量的控制信息去維護(hù)動(dòng)態(tài)變化的路由，增加節(jié)點(diǎn)的能耗，且可擴(kuò)展性比較差。在層次型路由協(xié)議中，網(wǎng)絡(luò)采用分級(jí)的結(jié)構(gòu)把節(jié)點(diǎn)劃分為簇（cluster），每個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)不僅負(fù)責(zé)簇內(nèi)信息的收集和融合處理，還負(fù)責(zé)簇間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。優(yōu)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不需要維護(hù)復(fù)雜的路由信息，從而減少了網(wǎng)絡(luò)中路由控制信息的數(shù)量，同時(shí)具有很好的可擴(kuò)展性。缺點(diǎn)是簇頭節(jié)點(diǎn)因?yàn)橐?fù)責(zé)相對(duì)多的計(jì)算和數(shù)據(jù)融合等功能，容易消耗完能量而導(dǎo)致路由失敗而產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)瓶頸問題。

2.1 平面型路由

典型的平面路由協(xié)議主要有兩個(gè)：分別是定向擴(kuò)散路由DD協(xié)議和SPIN協(xié)議。DD的工作原理是匯聚（sink）節(jié)點(diǎn)通過興趣消息（interest）發(fā)出查詢?nèi)蝿?wù)，把網(wǎng)絡(luò)所有者對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域感興趣的信息（如濕度、溫度等環(huán)境信息）采用洪泛方式傳播到整個(gè)區(qū)域的或部分區(qū)域內(nèi)的所有傳感器節(jié)點(diǎn)。在興趣消息傳播的過程中，協(xié)議逐跳地在每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)上建立反向地從數(shù)據(jù)源到匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸梯度（gradient）。傳感器節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)沿著梯度方向傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)[2]。

SPIN協(xié)議的研究解決了DD擴(kuò)散法存在的不足，算法的核心是協(xié)商制度和資源自適應(yīng)機(jī)制。協(xié)商制度讓傳感器節(jié)點(diǎn)先協(xié)商比較找到那些有用的信息后再進(jìn)行傳送，這樣可以有效減少信息部分重疊問題，同時(shí)能夠避免泛洪傳播容易發(fā)生的信息爆炸現(xiàn)象。節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行協(xié)商時(shí)，只要發(fā)送一些描述采集的數(shù)據(jù)屬性的很小的元數(shù)據(jù)（meta-data），而不需要發(fā)送采集的全部數(shù)據(jù)。元數(shù)據(jù)相比采集的數(shù)據(jù)會(huì)小很多，因此，傳輸元數(shù)據(jù)并不會(huì)消耗網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)太多能量。資源自適應(yīng)機(jī)制保證了每個(gè)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)之前，都要先檢查各自剩余的能量情況，當(dāng)檢測(cè)到自己的剩余能量處于一個(gè)比較低的水平，就不再執(zhí)行一些操作（例如數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)）[2]，從而減少節(jié)點(diǎn)的能量消耗，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)省能量的目標(biāo)。

2.2 層次型路由

典型層次路由協(xié)議主要有LEACH、TEEN、PEGASIS，其中LEACH協(xié)議是最早提出的一種層次型路由協(xié)議，LEACH協(xié)議主要運(yùn)用了動(dòng)態(tài)分簇機(jī)制，工作時(shí)分成很多輪來進(jìn)行，每一輪中所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都有一定機(jī)率被選舉為“簇頭節(jié)點(diǎn)”，并在本輪中負(fù)責(zé)收集簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)信息并發(fā)送到基站，這樣避免了某些節(jié)點(diǎn)一直擔(dān)任簇頭節(jié)點(diǎn)而出現(xiàn)過快死亡的情況發(fā)生，從而達(dá)到在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部負(fù)載均衡的目的，另外還運(yùn)用了數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送前對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效融合，去除冗余信息，減少了發(fā)送的數(shù)據(jù)信息量，降低節(jié)點(diǎn)的能量消耗，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)約能量的目標(biāo)。

TEEN協(xié)議是的由LEACH發(fā)展的一個(gè)基于分簇的路由協(xié)議，算法中分別定義了硬門限值和軟門限值，設(shè)定了如果節(jié)點(diǎn)傳感器收集到的數(shù)據(jù)量足夠大，且超過算法所設(shè)定的硬門限值，則節(jié)點(diǎn)必須打開發(fā)射機(jī)將收集到的數(shù)據(jù)傳送給簇頭節(jié)點(diǎn)。只有節(jié)點(diǎn)測(cè)試到的數(shù)據(jù)的變化值足夠大，且超過了算法所設(shè)定的軟門限值的時(shí)候，則節(jié)點(diǎn)才打開發(fā)射機(jī)將收集到的數(shù)據(jù)傳送給簇頭節(jié)點(diǎn)。通常在不需要傳送數(shù)據(jù)的情況下，節(jié)點(diǎn)通過關(guān)閉發(fā)射機(jī)，可以有效地降低節(jié)點(diǎn)能量消耗。

PEGASIS協(xié)議是一種基于“鏈”的路由協(xié)議。在PEGASIS的網(wǎng)絡(luò)模型中，假設(shè)了所有節(jié)點(diǎn)都能夠直接發(fā)送數(shù)據(jù)到基站，且都能夠獲取其他節(jié)點(diǎn)的在網(wǎng)絡(luò)中的相關(guān)位置信息，另外節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的位置是固定且不能移動(dòng)的。PEGASIS的工作原理是傳感器節(jié)點(diǎn)先從一邊相鄰的節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)，然后向另一邊相鄰的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，最終傳到一個(gè)“鏈頭”節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)“鏈”的結(jié)構(gòu)，最后 “鏈頭”節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給基站。該算法的優(yōu)點(diǎn)：一是每個(gè)節(jié)點(diǎn)只需要和自己相鄰的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，節(jié)點(diǎn)的通信距離縮短了，有效地降低網(wǎng)絡(luò)中的能力消耗；二是網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可以輪流擔(dān)任“鏈頭”的角色發(fā)送信息給基站，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)對(duì)于隨機(jī)節(jié)點(diǎn)死亡的抗干擾能力，有效延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存周期。三是相鄰節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞過程中進(jìn)行了數(shù)據(jù)融合減少了數(shù)據(jù)信息量。

3 結(jié)束語

路由協(xié)議是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的關(guān)鍵技術(shù)，本文通過分析比較了幾種典型平面型和層次型的算法和工作過程。得出結(jié)論，層次型路由相比平面型路由具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

1）層次型路由協(xié)議是基于分簇策略，選舉簇頭后的子網(wǎng)絡(luò)比較穩(wěn)定，不會(huì)因?yàn)橥負(fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化而影響路由協(xié)議；

2）層次型路由協(xié)議中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量消耗比較平均，可以讓網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部能量負(fù)載均衡，實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存周期的目標(biāo)；

3）層次性路由協(xié)議管理簡(jiǎn)單， 基站主要通過簇頭節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送有效的命令。簇頭節(jié)點(diǎn)對(duì)所在簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理，同時(shí)將節(jié)點(diǎn)的能量、安全性、故障等相關(guān)信息發(fā)送到基站；

4）層次型路由協(xié)議中通常參與路由計(jì)算只有少數(shù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，相應(yīng)產(chǎn)生的路由表信息相對(duì)很小，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)只需要較少的通信和內(nèi)存開銷就可以完成路由信息的交換和維護(hù)工作，大大節(jié)省了能量消耗。

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