无线传感器网络路由协议分析

◆李兰凤 马佳荣



无线传感器网络路由协议分析

◆李兰凤 马佳荣

（西安文理学院 陕西 710065）

无线传感器网络的路由协议是WSN的重点研究方向之一。本文对目前存在的几种路由协议进行了分类，以影响无线传感器网络路由协议性能的关键因素作为比较要点，重点分析研究了平面路由和分层路由的工作原理和性能，发现不同的路由协议都有其独特的优势，可以适用于不同应用场景的特殊需求。

无线传感器网络；路由协议；平面路由；分层路由

0 引言

无线传感器网络[1]（Wireless Sensor Network，WSN）是由大量具有信息采集、数据处理、数据存储和无线通信等功能的传感器节点自组织形成的网络系统。WSN一般应用于军事、环境监测、地质预警等空旷、复杂的环境中，由于网络中节点的计算能力、存储能力和能量资源有限，这些成为无线传感器网络路由协议在设计过程中需要考虑的问题，也使得路由协议的设计成为WSN研究的关键技术之一。

1 无线传感器网络路由协议概述

路由协议主要负责将数据分组沿最优路径从源地址安全可靠的转发至目的地址，对于无线传感器网络来说是将源节点采集的数据高效、可靠的传输至汇聚节点。

1.1 无线传感器网络路由设计原则

无线传感器网络与传统网络不同，网络节点的资源局限性较强，数量也较为庞大，位置放置较为随机，网络拓扑受节点能量影响易发生变化、数据冗余程度高。所以无线传感器网络的路由协议在设计时要注意以下几个原则[2]。

（1）能量高效性：WSN节点的能量资源有限，因此其路由协议的设计要简单、高效、节能以便能够解决网络节点间能量的负载均衡问题，延长网络的生命周期。

（2）可扩展性：当网络中有节点死亡、新的节点加入或者网络规模发生动态变化时，依然能够保持网络良好的连通性和可靠性，快速应对发生的变化。

（3）快速收敛性。由于WSN节点的能量资源有限，因此当传感器网络拓扑结构发生变化时，要求路由机制能够快速收敛，以减少通信开销，提高消息传输效率。

（4）数据融合：无线传感器网络中节点采集到的数据冗余度高，需要对数据进行融合以便降低网络的数据传输量，进而减少能量消耗。

图1 路由协议分类

（5）可靠性：传感器网络链路不稳定，数据在无线信道中传输时易出错，必须设计可靠的路由机制来确保数据能够正确交付。

（6）鲁棒性：WSN的应用环境通常较为恶劣、复杂，容易受到外界的干扰。因此路由协议需要具备一定的容错能力，可以及时进行自我修复。

（7）应用相关性：无线传感器网络应用范围广泛，所处环境各不相同，没有一种路由协议能够满足所有条件，适用于所有环境，这就要求在设计路由时能够根据环境特点和需求来设计。

1.2 路由协议分类

针对无线传感器网络的特征和具体的应用场景，目前已经提出了很多路由协议，这些路由协议各自具有其优势特点[3]。本文从网络拓扑结构、路由发现机制和路由实现方法这三个角度对路由协议进行了分类[4]。具体分类详细情况如图1所示。

2 平面路由与分层路由的分析比较

上文提到了网络拓扑结构、路由发现策略、路由实现方法这三种分类方法，本文按网络拓扑结构的分类方法进行分类，主要分析比较平面路由和分层路由中的几种路由协议。

2.1 平面路由协议

平面型路由协议中所有节点的地位和功能相同，不进行分级，彼此以对等的方式协同的完成数据采集、处理和转发任务。其优点在于结构简单、容错性和鲁棒性好；但其对网络变化反应较慢，建立、维护路由能耗较大，比较适合小规模的无线传感器网络。

（1）Flooding协议

Flooding协议即洪泛路由协议，协议中节点以广播的方式转发数据包，当数据包达到最大跳数或到达汇聚节点时停止转发，Flooding协议不需要维护网络拓扑结构，算法简单，数据传播速度快，但存在内爆、数据重叠以及资源盲目利用等问题。

（2）SPIN协议

SPIN是一种以数据为中心的自适应路由协议，节点在发送感知数据之前先发送元数据至邻居节点进行协商，在有需求时对邻居节点进行响应并发送感知数据。SPIN消除了数据冗余、有效解决了内爆问题，减少了资源的浪费，提高了网络中能量的利用效率。但同样SPIN也存在数据传输可靠性低的缺陷，当某个接收到数据的节点的所有邻居节点都不需要数据时，数据转发就会终止，这会导致数据丢失。

（3）DD协议

DD(DirectedDiffusion)路由是以数据为中心的路由协议。其工作原理是汇聚节点以广播的方式向整个网络发布包含兴趣消息的查询任务，收到兴趣消息的传感器节点对兴趣消息进行缓存与合并，并将采集数据与兴趣消息的属性值进行匹配，建立与数据传播反向的兴趣梯度。当节点采集的数据与兴趣消息的属性值匹配时，在本地对数据进行融合后沿梯度方向向汇聚节点传输。DD协议对数据融合后传输，减少了传输过程中的能量消耗，但是在进行兴趣消息匹配过程中会增加额外的开销，特别是网络规模较大时，网络时延较大。

（4）SAR协议

SAR是一种基于QoS的路由协议，WSN中汇聚节点的所有第一邻节点以自身为根建立生成树，从而反向建立从各节点至汇聚节点的多条数据传输路线，生成树的建立过程中考虑节点的丢包率、时延、能量等QoS因素。SAR协议维护路由、QoS等信息，具有容错能力，能够提供QoS保证，但是其在维护路由等信息时增加了额外的开销，尤其网络发生变化时，不能快速的应对，收敛速度较慢。

2.2 分层路由协议

分层路由也叫分簇路由，网络中的传感器节点被分成多个簇，每个簇都有一个族首和若干簇成员，所有簇首形成的高一级网络进行二次分簇，直至最高级网络。最高级网络中的簇首和汇聚节点进行通信，并负责本簇内簇成员数据的处理和转发。分层路由协议可扩展性好，能够高效、均衡的利用能量。缺点是当簇首节点失效时会造成部分节点路由失效。其代表性协议主要有以下几种：

（1）LEACH协议

LEACH是一种典型的分簇路由算法，它周期性的按轮随机选举簇首，簇首向周围节点发送广播信息，其他节点按照接收到的信号强弱选择加入该簇，一轮结束后重新选举簇首。簇首随机选择可以避免簇首因频繁通信和数据处理所造成的能量过度消耗，延长网络的生存周期，但簇首与汇聚节点采用单跳通信，离汇聚越远的簇首能量消耗越大，易形成“热区”和“非热区”，不适合大规模传感器网络。

（2）PEGASIS协议

PEGASIS协议是对LEACH协议的改进，与LEACH一样采用轮流选举簇首的思想，不同的是PEGASIS协议的簇首在选举过程中不与其他节点进行通信，而是基于节点的位置信息进行选择，在网络中也只产生一个簇，称之为链。链中的节点只与离它最近的邻居节点通信，数据采用多跳的方式通过簇首节点传输至汇聚节点。PEGASIS协议减少了簇首选举过程中的通信量，提高了能量利用率，延长了网络生存周期。但网络中唯一的簇首一旦失效会造成整个网络路由失败，此外当网络规模很大时，会使传输时延增加，不利于实时监测。

（3）TEEN协议

TEEN是一种响应型的路由协议，它也是对LEACH协议的改进，将簇分为两个等级，建立过程与LEACH协议基本相同。不同的是TEEN协议设置了软、硬两个阈值，硬阈值是当前数据的最小属性值，软阈值是当前数据与上一次数据属性值的变化幅度最小值，节点只在数据属性值超过这两个阈值时发送数据。TEEN协议通过设置软硬阈值极大地减少了数据量的传输，节省了能量。但如果节点数据始终不能激发软硬阈值，节点不能主动发送数据，无法判断节点的活性。

（4）GAF协议

GAF是基于位置的感知路由协议，它使用了一种新的分簇方法，即虚拟网格。GAF协议将网络区域分成固定的区域，形成虚拟单元格，每个虚拟单元格轮流选取簇首保持活动，负责监视和传输数据，其余节点则进入休眠。GAF协议关闭了没有任务的节点，极大节省了能量，但当节点被关闭时，恰好处于路由数据包的激活状态时，GAF只能通过网络路由协议自身的机制进行重路由，这可能会出现丢包问题。

2.3 无线传感器网络路由协议的性能比较

表1从生命周期、实时性、可靠性、鲁棒性、数据融合、扩展性这六个方面对上文中提到的路由协议进行了对比。

表1 路由协议性能比较

3 结束语

无线传感器网络的路由协议种类繁杂，每种路由协议都是在不同的应用场景的需求下被设计出来，它们在性能上各自具有其优缺点。而每个应用场景都有其独特的要求，不存在适用于任何场景的通用路由协议。因此针对不同的应用场景，在组织无线传感器网络时，应当根据实际情况选择合适的路由协议，以发挥无线传感器网络的最佳性能。

[1]孙利民.无线传感器网络[M].清华大学出版社，2005.

[2]唐勇，周明天，张欣.无线传感器网络路由协议研究进展[J].软件学报，2006，17(3)：410−421

[3]付晓阳.无线传感器网络路由协议概述[J].电脑知识与技术，2013(11).

[4]毕俊蕾，任新会，郭拯危.无线传感器网络路由协议分类研究[J].计算机科学技术与发展，2008(05).

[5]谭松鹤，覃琪.无线传感器网络路由协议研究[J].电脑知识与技术，2018，14(17).