无线传感器网络路由协议研究

谭松鹤 覃琪

摘要：无线传感器网络与传统无线通信网络的组网方式有很大不同，传统的路由协议并不适用于无线传感器网络，依据网络最终的拓扑结构，可以将无线传感器路由协议分为平面型和层次型路由协议，文中研究分析了几种典型的路由协议的算法和工作过程，发现层次型路由更优于平面型路由。

关键词：WSN；路由协议；LEACH；SPIN

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）17-0064-02

无线传感器网络（Wireless Sensor Networks， WSN） 是由大量的静止或移动的传感器结点以自组织和多跳的方式构成的无线网络，以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息，并通过基站（Base Station，BS）收集信息发送给网络的所有者[2]。目前广泛应用于环境监控、军事、智能交通等多个领域。

1 WSN路由协议概述

WSN的物理结构、网络功能等多方面和传统网络相比较都有很大的差异。第一，路由协议的设计目标不同，Ad hoc、无线局域网等传统无线网络设计的主要目标是公平高效地利用网络带宽以及提供服务质量保证，所设计的路由协议的最主要目标是寻找源节点到目的节点间通信路径最短或延时最小的路径，重点考虑如何避免网络拥塞、链路负载均衡和提高整个网络带宽的利用率等问题，传统无线网络中的节点大多都有电源支持，因而能量消耗不是重点考虑的问题。但是无线传感器网络的情况则不一样，网络节点基本都是依靠电池供电，往往能量非常有限，只有少数网络节点是可以移动的，而且这些传感器节点通常布置在一些的环境恶劣和危险的地方，人类无法接近更换能源、补充能量，因此路由协议着重考虑如何能够降低网络节点能量消耗，从而延长整个网络生存时间。第二，网络规模不同，WSN相比传统网络，节点数量更多，节点分布散，且节点的发射机的功率通常都比较小，通常只能与网络中相邻节点通信而得到局部拓扑结构信息，因此如何利用局部网络信息找到最优的数据信息传递路径才是WSN路由协议设计重点考虑的问题。

基于上述分析，传统的路由协议以及专门为Ad hoc、无线蜂窝网络等设计的路由协议并不适用于WSN。主要原因有四个方面：一是传统路由协议扩展性不好而且没有考虑网络节能方面的要求，不符合无线传感器网络路由协议设计的要求。二是WSN通常规模大，运行一段时间会因为部分节点能量耗尽而使得网络拓扑频繁发生变化，导致传统路由协议不能适用。三是传统路由协议通常要求全网范围内达到路由收敛，而传感器网络节点的计算能力和能量有限，这样容易导致节点负载过重，造成能量的大量消耗，甚至消亡而不利于延长网络的生存时间。四是传统路由协议通常以最小延迟或最短路径为优化目标，这就容易迅速耗尽那些处于关键路径上节点能量，不利于延长网络的生存时间。

2 WSN路由协议研究分析

目前围绕WSN路由协议研究的工作很多，最典型的研究是按照最终形成的网络拓扑结构划分为平面型路由协议和层次型路由协议。在平面型路由协议中，网络中所有节点不分主次地位，通过局部操作和信息反馈来生成路由信息。优点是网络结构比较简单，路由机制的容错能力比较强，不容易发生网络瓶颈问题，缺点是节点需要大量的控制信息去维护动态变化的路由，增加节点的能耗，且可扩展性比较差。在层次型路由协议中，网络采用分级的结构把节点划分为簇（cluster），每个簇头节点不仅负责簇内信息的收集和融合处理，还负责簇间数据转发。优点是网络节点不需要维护复杂的路由信息，从而减少了网络中路由控制信息的数量，同时具有很好的可扩展性。缺点是簇头节点因为要负责相对多的计算和数据融合等功能，容易消耗完能量而导致路由失败而产生网络瓶颈问题。

2.1 平面型路由

典型的平面路由协议主要有两个：分别是定向扩散路由DD协议和SPIN协议。DD的工作原理是汇聚（sink）节点通过兴趣消息（interest）发出查询任务，把网络所有者对监测区域感兴趣的信息（如湿度、温度等环境信息）采用洪泛方式传播到整个区域的或部分区域内的所有传感器节点。在兴趣消息传播的过程中，协议逐跳地在每个传感器节点上建立反向地从数据源到汇聚节点的数据传输梯度（gradient）。传感器节点将采集到的数据沿着梯度方向传送到汇聚节点[2]。

SPIN协议的研究解决了DD扩散法存在的不足，算法的核心是协商制度和资源自适应机制。协商制度让传感器节点先协商比较找到那些有用的信息后再进行传送，这样可以有效减少信息部分重叠问题，同时能够避免泛洪传播容易发生的信息爆炸现象。节点间进行协商时，只要发送一些描述采集的数据属性的很小的元数据（meta-data），而不需要发送采集的全部数据。元数据相比采集的数据会小很多，因此，传输元数据并不会消耗网络节点太多能量。资源自适应机制保证了每个节点在发送或接收数据之前，都要先检查各自剩余的能量情况，当检测到自己的剩余能量处于一个比较低的水平，就不再执行一些操作（例如数据转发）[2]，从而减少节点的能量消耗，实现网络节省能量的目标。

2.2 层次型路由

典型层次路由协议主要有LEACH、TEEN、PEGASIS，其中LEACH协议是最早提出的一种层次型路由协议，LEACH协议主要运用了动态分簇机制，工作时分成很多轮来进行，每一轮中所有的网络节点都有一定机率被选举为“簇头节点”，并在本轮中负责收集簇内节点信息并发送到基站，这样避免了某些节点一直担任簇头节点而出现过快死亡的情况发生，从而达到在网络内部负载均衡的目的，另外还运用了数据压缩技术在网络节点发送前对数据进行有效融合，去除冗余信息，减少了发送的数据信息量，降低节点的能量消耗，从而实现网络节约能量的目标。

TEEN协议是的由LEACH发展的一个基于分簇的路由协议，算法中分别定义了硬门限值和软门限值，设定了如果节点传感器收集到的数据量足够大，且超过算法所设定的硬门限值，则节点必须打开发射机将收集到的数据传送给簇头节点。只有节点测试到的数据的变化值足够大，且超过了算法所设定的软门限值的时候，则节点才打开发射机将收集到的数据传送给簇头节点。通常在不需要传送数据的情况下，节点通过关闭发射机，可以有效地降低节点能量消耗。

PEGASIS协议是一种基于“链”的路由协议。在PEGASIS的网络模型中，假设了所有节点都能够直接发送数据到基站，且都能够获取其他节点的在网络中的相关位置信息，另外节点在网络中的位置是固定且不能移动的。PEGASIS的工作原理是传感器节点先从一边相邻的节点接收数据，然后向另一边相邻的节点发送数据，最终传到一个“链头”节点形成一个“链”的结构，最后 “链头”节点负责把采集到的数据发送给基站。该算法的优点：一是每个节点只需要和自己相邻的两个节点进行通信，节点的通信距离缩短了，有效地降低网络中的能力消耗；二是网络中的节点可以轮流担任“链头”的角色发送信息给基站，增强了网络对于随机节点死亡的抗干扰能力，有效延长网络生存周期。三是相邻节点在进行数据传递过程中进行了数据融合减少了数据信息量。

3 结束语

路由协议是无线传感器网络研究的关键技术，本文通过分析比较了几种典型平面型和层次型的算法和工作过程。得出结论，层次型路由相比平面型路由具有以下几点优势：

1）层次型路由协议是基于分簇策略，选举簇头后的子网络比较稳定，不会因为拓扑结构的变化而影响路由协议；

2）层次型路由协议中网络节点能量消耗比较平均，可以让网络内部能量负载均衡，实现延长网络生存周期的目标；

3）层次性路由协议管理简单， 基站主要通过簇头节点向网络中其他节点发送有效的命令。簇头节点对所在簇内的节点进行管理，同时将节点的能量、安全性、故障等相关信息发送到基站；

4）层次型路由协议中通常参与路由计算只有少数网络节点，相应产生的路由表信息相对很小，网络节点只需要较少的通信和内存开销就可以完成路由信息的交换和维护工作，大大节省了能量消耗。

参考文献：

[1] 孫利民，李建中，陈渝，等.无线传感器网络[M]. 北京：清华大学出版社，2005 .

[2] 王法.无线传感器网络分簇协议LEACH协议中的簇头选择的改进研究[D].电子科技大学，2008.

[3] 鲍喜荣.基于能量效率的无线传感器网络关键技术研究[D].东北大学，2011.