無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究現(xiàn)狀與趨勢

摘 要：分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點和對路由協(xié)議的要求。闡述了路由協(xié)議的分類方法，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)，將路由協(xié)議分成平面和分層兩大類，對主要路由協(xié)議工作原理進行了敘述，比較了各個路由協(xié)議的特點。最后，對WSN路由協(xié)議的研究熱點和發(fā)展趨勢進行了闡述。

關(guān)鍵詞：無線傳感器; 路由協(xié)議; 自組網(wǎng)

中圖法分類號：TP393.04文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1001—3695(2007)02—0004—06

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)是一種特殊的無線自組網(wǎng)，它是由大量密集部署在監(jiān)控區(qū)域的智能傳感器節(jié)點構(gòu)成的一種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)。其快速方便的部署特性和完備的監(jiān)控能力使其被廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)過程控制、衛(wèi)生保健和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中一般有一個或多個節(jié)點充當(dāng)數(shù)據(jù)匯聚點（Sink），網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點收集的數(shù)據(jù)，通過多跳的方式傳送到Sink點，Sink 點將融合后的數(shù)據(jù)通過有線或無線的方式傳送給觀察者。

WSN可以采用各種無線傳輸協(xié)議進行傳輸，典型的有802.11，802.15，802.16和802.20等協(xié)議，可以根據(jù)WSN的具體應(yīng)用場合選用不同的傳輸協(xié)議（表1對主要傳輸協(xié)議進行了總結(jié)比較）。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般采用隨機部署的方式進行部署，各節(jié)點之間自組織形成網(wǎng)絡(luò)。但WSN中的節(jié)點性能受限，有可能使網(wǎng)絡(luò)拓撲發(fā)生動態(tài)變化，因此WSN的路由協(xié)議成為一個重要研究方向。

本文首先分析了WSN網(wǎng)絡(luò)的特點、路由協(xié)議的挑戰(zhàn)和分類。在此基礎(chǔ)上，對主要路由協(xié)議進行了對比分析，最后對WSN路由協(xié)議的技術(shù)發(fā)展趨勢作了預(yù)測。

1 WSN路由協(xié)議特點與分類

WSN除了與傳統(tǒng)的無線自組織(Ad hoc)網(wǎng)絡(luò)一樣具有網(wǎng)絡(luò)拓撲的動態(tài)變化、存在單向鏈路等性質(zhì)外，它還有許多新的特點。

一種典型的分層結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

傳統(tǒng)的Ad hoc網(wǎng)是以節(jié)點為中心的網(wǎng)絡(luò)，而WSN是以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。WSN并不需要維護網(wǎng)絡(luò)中任何兩個節(jié)點之間的路由，它僅僅需要維護傳感器節(jié)點與Sink點之間的路由，路由協(xié)議可以相對簡化。但通常傳感器節(jié)點資源受到更大的限制。傳感器節(jié)點帶有有限的、不可更換的電源，節(jié)點的計算、通信、存儲能力也非常有限，有些WSN網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點甚至沒有身份標(biāo)志。同時，WSN網(wǎng)絡(luò)部署的節(jié)點往往數(shù)量眾多，分布密集，各節(jié)點采集信息的冗余度很大，在傳輸過程中如果能進行數(shù)據(jù)融合將大大減少傳送的數(shù)據(jù)量。

這些新特點，使得MANET工作組提出的許多路由協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)和草案無法直接應(yīng)用到WSN中。WSN路由協(xié)議必須根據(jù)應(yīng)用場合的特點和任務(wù)的要求，在延長網(wǎng)絡(luò)存活時間和提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量、降低通信延遲之間作出折中。

目前用于WSN的路由協(xié)議很多，可以從不同的角度對它們進行分類。從是否需要節(jié)點事先知道自己的地理位置出發(fā)，可分為地理定位輔助路由和無地理定位輔助路由；從路由查詢發(fā)起策略出發(fā)，可分為先應(yīng)式路由與反應(yīng)式路由；從網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖出發(fā)，可分為平面路由與分級路由；從路由協(xié)議使用的對象不同，可以分成查詢路由（從Sink到傳感器節(jié)點）和匯聚路由（從傳感器到Sink）；從路由協(xié)議的操作特點出發(fā)，還可以分成QoS路由、安全路由和多徑路由等。

本文將主要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，將協(xié)議分成平面路由協(xié)議和分級路由協(xié)議進行闡述。主要協(xié)議的分類情況如圖2所示。

2 WSN主要平面路由協(xié)議

在平面結(jié)構(gòu)中，所有節(jié)點的地位是平等的，不存在任何等級和層次差異；原則上不存在瓶頸問題，具有較好的健壯性。其缺點是可擴充性差，維護動態(tài)變化的路由需要大量的控制信息。

2.1 DD路由協(xié)議

定向擴散路由[2](Directed Diffusion，DD)是一種典型的以數(shù)據(jù)為中心的信息傳播協(xié)議，它與應(yīng)用緊密聯(lián)系。其基本思想是傳感器節(jié)點產(chǎn)生的數(shù)據(jù)用屬性值來表示，當(dāng)Sink點需要采集數(shù)據(jù)時，發(fā)送Interests消息，泛洪到全網(wǎng)。擁有數(shù)據(jù)標(biāo)志屬性和Interests相匹配的傳感器節(jié)點將數(shù)據(jù)按Interests的反向路徑發(fā)往Sink。這樣，Sink點不需要的數(shù)據(jù)將不再發(fā)送，大大減少了冗余信息的傳送，節(jié)約了網(wǎng)絡(luò)的能量，延長了網(wǎng)絡(luò)的時間。定向擴散路由協(xié)議可以分為周期性的興趣擴散、梯度建立和路徑加強三個階段。其示意圖如圖3所示。

（1）興趣擴散。首先由基站發(fā)送出該消息，Interest消息含有任務(wù)類型、目標(biāo)區(qū)域、梯度值和時間戳等參數(shù)，以廣播形式向所有傳感器節(jié)點發(fā)送。 

（2）建立梯度。收到Interest消息的節(jié)點，建立該節(jié)點向Sink點傳遞數(shù)據(jù)的梯度關(guān)系。

（3）路徑加強。當(dāng)節(jié)點收到Interest消息后，建立到Sink點的反向路徑。這可以從可能的多條路徑中選擇一條最好的路徑。節(jié)點檢查自己的信息列表中是否存有數(shù)據(jù)與Interest消息中要求的數(shù)據(jù)相匹配。如果有，則將數(shù)據(jù)沿著這條加強后的最好路徑單播返回Sink。

在定向擴散中，數(shù)據(jù)融合方法的性能受到很多因素的影響，包括源節(jié)點的位置、源端的數(shù)量、網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)等。為了研究這些因素，使用了兩種數(shù)據(jù)源放置模型，即事件半徑模型（ER）和隨機源模型（RS）。在ER模型中，網(wǎng)絡(luò)中的任何一個位置均可以表示一個事件發(fā)生地，以事件發(fā)生地為中心，半徑為S（稱作探測范圍）的范圍內(nèi)所有的傳感器節(jié)點，都被認為是數(shù)據(jù)源。在RS模型中，除了基站（與固網(wǎng)連接的節(jié)點）以外，網(wǎng)絡(luò)中所有的傳感器節(jié)點都可以作為數(shù)據(jù)源，從中隨機選取。

經(jīng)仿真分析，DD路由協(xié)議具有較好的節(jié)能和可擴展特性，特別適合在傳感器節(jié)點接收到數(shù)據(jù)請求之后，在較長時間內(nèi)需要連續(xù)向Sink點傳送數(shù)據(jù)的應(yīng)用場合。這種方式不適合收到請求后只發(fā)一次少量數(shù)據(jù)的情況，因為這需要花很大的代價來建立梯度。

2.2 謠言路由協(xié)議

謠言路由（Rumor Routing）[3]適合應(yīng)用在數(shù)據(jù)傳輸量較少的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，它可以看成是一種特殊的定向擴散路由協(xié)議。定向擴散需要經(jīng)過查詢消息的泛洪發(fā)送和路徑增加機制才能確定一條優(yōu)化的數(shù)據(jù)傳輸路徑，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的傳輸數(shù)據(jù)量很少時，定向擴散協(xié)議的開銷顯得太大。

謠言路由的基本思想是：事件區(qū)域中的傳感器節(jié)點產(chǎn)生代理（Agent）消息，代理消息沿著隨機路徑向外單播擴散，同時匯聚節(jié)點發(fā)送的查詢消息也沿著隨機路徑在網(wǎng)絡(luò)中傳播；當(dāng)代理消息和查詢消息的傳輸路徑交叉在一起時，將會形成一條匯聚節(jié)點到事件區(qū)域的完整路徑。其原理如圖4所示。

代理消息和查詢消息均是以單播的方式擴散；謠言路由僅僅維護一條源到目的的路徑，不用像定向擴散路由一樣維護很多路徑。仿真結(jié)果表明，謠言路由能顯著地降低路由開銷，節(jié)約能量。

謠言路由只適合于事件數(shù)比較少的情況。對于事件數(shù)比較多的情況，維護事件表和處理代理所花費的開銷會急劇增長。同時，由于謠言路由使用隨機的方式生成路徑，所以數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂讲皇亲顑?yōu)路徑，并且可能存在路由環(huán)路問題。

2.3 SPIN路由協(xié)議

SPIN(Sensor Protocols for Information via Negotiation)[4]是一組基于信息協(xié)商并且具有能量自適應(yīng)功能的信息傳播協(xié)議。 協(xié)議的基本思想是：任何兩個節(jié)點在傳輸數(shù)據(jù)前都要進行協(xié)商。節(jié)點將元數(shù)據(jù)(Metadata)對原始數(shù)據(jù)進行描述，元數(shù)據(jù)中包含了原始數(shù)據(jù)的一些關(guān)鍵信息。鄰居節(jié)點根據(jù)元數(shù)據(jù)中的信息，決定是否需要傳送原始數(shù)據(jù)。當(dāng)信息冗余度很高，原始數(shù)據(jù)量大大高于元數(shù)據(jù)的情況下，使用這種基于信息協(xié)商的協(xié)議能大大減少數(shù)據(jù)的發(fā)送量。

協(xié)議使用三種類型的信息進行通信，即ADV，REQ和DATA信息。 在傳送DATA信息前，傳感器節(jié)點僅廣播包含元數(shù)據(jù)的ADV信息；當(dāng)接收到相應(yīng)的REQ請求信息時，才由目的地單播發(fā)送包含原始數(shù)據(jù)的DATA。

SPIN家族的協(xié)議有很多，主要的兩個協(xié)議是SPIN1和SPIN—2。 SPIN1協(xié)議就是前面闡述的基本三次握手協(xié)商機制。擴展的SPIN—2協(xié)議是基于預(yù)設(shè)值資源提醒機制協(xié)議，當(dāng)資源充足時，SPIN—2使用的是三次握手協(xié)商機制；當(dāng)資源低于某個預(yù)設(shè)值時，它將減少參與數(shù)據(jù)發(fā)送的次數(shù)?？傮w上，SPIN1和SPIN—2都是簡單高效的協(xié)議，不用維護每個鄰居的狀態(tài)。其他的SPIN家族協(xié)議還有：

(1)SPINPP，用于點對點的通信，如HopbyHop路由；

(2)SPINEC，在SPINPP的基礎(chǔ)上考慮了節(jié)點的功耗，當(dāng)能量不低于設(shè)定閾值的節(jié)點時才參與數(shù)據(jù)交換；

(3)SPINBC，設(shè)計了廣播信道，使所有在有效半徑內(nèi)的節(jié)點可以同時完成數(shù)據(jù)交換；

(4)SPINRL，是對SPINBC的完善，主要考慮如何恢復(fù)無線鏈路引入的分組差錯與丟失。

SPIN協(xié)議的一個優(yōu)點是當(dāng)拓撲和位置改變時，節(jié)點只需要知道單跳的鄰居，特別適用于傳感器是運動的場合。SPIN通過協(xié)商機制處理信息冗余，能夠節(jié)約大量能量，很好地解決傳統(tǒng)的Flooding和Gossiping協(xié)議所帶來的信息爆炸、信息重復(fù)及資源浪費等問題。其缺點是無法保證數(shù)據(jù)能夠順利到達感興趣的目的節(jié)點。如果節(jié)點A對節(jié)點B的某個原始數(shù)據(jù)的內(nèi)容感興趣，而節(jié)點B的鄰居節(jié)點對這個數(shù)據(jù)不感興趣，那么節(jié)點A也無法接收到這個數(shù)據(jù)。

2.4 EAR路由協(xié)議

能量意識路由（Energy Aware Routing，EAR）[5]是一個反應(yīng)式路由協(xié)議，其主要目的是用于增加網(wǎng)絡(luò)的生命時間。協(xié)議操作可以分成三個主要階段：

（1）協(xié)議初始化。由Sink點發(fā)起協(xié)議初始化過程。初始化報文攜帶了路徑代價信息，每一個轉(zhuǎn)發(fā)初始化報文的節(jié)點，都將本節(jié)點的代價加入到路徑的總代價里面。這樣，每個節(jié)點均能建立到Sink節(jié)點的一條或者多條路由，并且知道每條路由的代價。

（2）數(shù)據(jù)傳輸。節(jié)點向Sink點傳送數(shù)據(jù)時，可以從多條路徑中按某種概率選取一條。代價越大的路徑，轉(zhuǎn)發(fā)的概率越小。

（3）路由維護。通過局部的泛洪，來更新路徑代價。如果節(jié)點的能量低于某個門限，可以使這條路徑失效。

EAR路由協(xié)議類似于DD協(xié)議，但它維護多條路徑而不是強迫使用一個最優(yōu)化路徑。它通過一定的概率選擇路徑并維護它們，概率值的確定依賴于每條路徑上能量的大小，這樣可以防止過分依賴某條路徑而導(dǎo)致該路徑能量消耗過大。仿真結(jié)果表明，與DD相比，該協(xié)議可以延長44％的網(wǎng)絡(luò)生命；但是，該路由協(xié)議需要收集位置信息并建立編址機制，增加了路由建立的復(fù)雜度。

2.5 GBR路由協(xié)議

GBR(Grandient Based Routing)[6]路由協(xié)議是定向擴散路由的一種變種路由算法，其關(guān)鍵思想是當(dāng)DD協(xié)議中的興趣消息擴散到整個網(wǎng)絡(luò)時，節(jié)點需要記住到Sink的跳數(shù)，把這個跳數(shù)作為節(jié)點的高度，鄰居節(jié)點之間的高度差就是鏈路的梯度。當(dāng)數(shù)據(jù)報文發(fā)往Sink點時，沿著梯度最大的方向傳送。

GBR使用諸如數(shù)據(jù)融合、業(yè)務(wù)量散布等技術(shù)，以獲得均勻的網(wǎng)絡(luò)負載。當(dāng)多條路徑都要通過同一個節(jié)點時，該節(jié)點就成為了一個關(guān)鍵節(jié)點。關(guān)鍵節(jié)點可以采用三種數(shù)據(jù)分發(fā)技術(shù)：

（1）隨機機制。當(dāng)有多個鏈路的梯度相同時，節(jié)點隨機選擇一個梯度方向發(fā)送。

（2）基于能量的機制。當(dāng)一個節(jié)點的能量低于某個門限時，該節(jié)點增加它的高度，這樣，節(jié)點就能減少中繼的數(shù)據(jù)量。

（3）基于流的機制。當(dāng)一條路徑正在為其他數(shù)據(jù)流服務(wù)時，新增加的數(shù)據(jù)流用另外一條路徑傳輸，從而使各條路徑流量均衡。

仿真結(jié)果表明，使用這些技術(shù)，可以使整個網(wǎng)絡(luò)的負載均衡，這樣可以增加網(wǎng)絡(luò)的壽命，網(wǎng)絡(luò)整體性能超過了DD協(xié)議。

2.6 HREEMR

HREEMR(Highly Resilient Energy Efficient Multipath Routing)[7]是一種多路徑路由協(xié)議。它采用的路由建立機制與DD類似，不同之處在于它利用冗余路徑實現(xiàn)了能源有效的故障恢復(fù)。它在建立源和目的之間主路徑的同時，建立了多條備用路徑，平時采用主路徑進行傳輸，一旦發(fā)生失效現(xiàn)象，即可啟用備用路徑進行通信。

對于備用路徑的建立方法，文獻中提到不相交多路徑(Disjoint Multipath)和纏繞多路徑(Braid Multipath)兩種算法。這兩種多路徑的拓撲示意圖如圖5所示。

2.7 SPEED路由協(xié)議

SPEED[8]路由協(xié)議是一種實時的路由協(xié)議，它在一定程度上實現(xiàn)了端到端的傳輸速率保證、網(wǎng)絡(luò)擁塞控制和負載均衡機制。SPEED協(xié)議首先交換節(jié)點的傳輸延遲，以得到網(wǎng)絡(luò)的負載情況；然后利用局部地理信息和傳輸速率作出路由決定。SPEED路由協(xié)議由四部分組成：

（1）延時估計機制。它用來得到網(wǎng)絡(luò)的負載情況，判斷網(wǎng)絡(luò)是否發(fā)生擁塞。

（2）SNGF(Stateless Nondeterministic Geographic Forwarding)算法。它用來選擇滿足傳輸速率要求的下一跳節(jié)點。

（3）鄰居反饋策略（Neighborhood Feedback Loop）。它是當(dāng)SNGF路由算法找不到滿足傳輸速率要求的下一跳節(jié)點時采取的補償機制。

（4）反向壓力路由變更機制。它用來避開延遲太大的鏈路和路由空洞（Routing Hole）。

2.8 GEM路由協(xié)議

GEM（Graph Embedding）[9]路由協(xié)議是一種適用于數(shù)據(jù)中心存儲（Datacentric Storage）方式的基于位置的路由協(xié)議。其基本思想是建立一個虛擬極坐標(biāo)系統(tǒng)，用來表示實際的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點形成一個以匯聚節(jié)點為根的帶環(huán)樹（Ringed Tree）。每個節(jié)點用到樹根的跳數(shù)和角度范圍來表示。整個網(wǎng)絡(luò)形成一個樹狀的拓撲結(jié)構(gòu)，越靠近樹根的節(jié)點，對網(wǎng)絡(luò)整體的結(jié)構(gòu)就了解越多。當(dāng)一個節(jié)點不知道目的節(jié)點的路由時，就將數(shù)據(jù)報文向根的方向傳送，直到某個節(jié)點知道了到目的節(jié)點的路由。由于大部分數(shù)據(jù)都是發(fā)送到樹根的，因此這種樹狀結(jié)構(gòu)能很好地工作在傳感器網(wǎng)絡(luò)中。

GEM帶環(huán)樹的建立由匯聚點發(fā)起，通過逐步擴散從而建立覆蓋整個網(wǎng)絡(luò)的拓撲樹。它不依賴節(jié)點的精確位置信息，將網(wǎng)絡(luò)的實際拓撲映射到一個易于進行路由處理的邏輯拓撲中。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點位置改變，引起網(wǎng)絡(luò)拓撲變化時，樹的調(diào)整比較復(fù)雜，因此GEM適應(yīng)于拓撲結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定的傳感器網(wǎng)絡(luò)。

2.9 邊界定位路由協(xié)議

一般基于地理位置信息的路由協(xié)議，均要求每個節(jié)點具備感知位置信息的能力，這在傳感器網(wǎng)絡(luò)中往往無法實現(xiàn)。文獻[10]提出了一種邊界定位路由算法(Scalable CoordinateBased Routing，SCBR)，只需要少數(shù)節(jié)點具有精確位置信息，就可以進行正確路由的定位路由機制。其基本思想是通過少數(shù)能夠得到精確位置信息的節(jié)點（稱為信標(biāo)點），來確定一個全局的坐標(biāo)系。通過迭代算法，計算其他節(jié)點在這個坐標(biāo)系中的位置，當(dāng)所有節(jié)點的坐標(biāo)位置確定之后，就可以使用貪婪算法選擇合適的路由。因此，協(xié)議的關(guān)鍵部分是利用信標(biāo)節(jié)點建立坐標(biāo)系以及確定其他節(jié)點在坐標(biāo)系中的位置。

在文獻中，提到在三種情況下確定節(jié)點位置的算法：①網(wǎng)絡(luò)實際邊界上的節(jié)點都是信標(biāo)節(jié)點；②使用兩個信標(biāo)節(jié)點；③使用一個信標(biāo)節(jié)點的情況。信標(biāo)點越少，計算越復(fù)雜。

與其他基于位置的路由協(xié)議相比，邊界定位路由協(xié)議只需要少數(shù)節(jié)點知道精確位置信息，其降低了對傳感器節(jié)點的要求，使網(wǎng)絡(luò)成本降低。但是為了確定全局坐標(biāo)系和節(jié)點在坐標(biāo)系中的位置，節(jié)點需要交換大量信息，通信開銷大；同時使用迭代算法，節(jié)點的計算開銷也大。

2.10 有序分配路由協(xié)議

有序分配路由(Sequential Assignment Routing，SAR)[14]協(xié)議是第一個具有QoS意識的路由協(xié)議。該協(xié)議通過構(gòu)建以Sink的單跳鄰居節(jié)點為根節(jié)點的多播樹實現(xiàn)傳感器節(jié)點到Sink的多跳路徑。它的特點是路由決策不僅要考慮到每條路徑的能源，還要涉及端到端的延遲需求和待發(fā)送數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級。仿真結(jié)果顯示，與只考慮路徑能量消耗的最小能量度量協(xié)議相比，SAR 的能量消耗較少。該算法的缺點是不適用于大型的和拓撲頻繁變化的網(wǎng)絡(luò)。

3 WSN主要分層路由協(xié)議

在分級結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中，具有某種關(guān)聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成簇（Cluster）。在簇內(nèi)，通常有一個按一定規(guī)則選舉產(chǎn)生的，被稱為簇首（Sink）的節(jié)點。除了Sink節(jié)點外，一般節(jié)點成員的功能比較簡單，不需要維護復(fù)雜的路由信息。這大大減少了網(wǎng)絡(luò)中路由控制信息的數(shù)量，具有很好的可擴充性，其缺點是Sink可能會成為網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。

3.1 LEACH路由協(xié)議

LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)[11]是一種分簇結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議，分群結(jié)構(gòu)能夠在簇首進行數(shù)據(jù)融合，減少網(wǎng)絡(luò)整體需要的數(shù)據(jù)傳輸量。LEACH協(xié)議的基本思想是通過隨機循環(huán)地選擇簇首，將整個網(wǎng)絡(luò)的能量負載平均分配到每個傳感器節(jié)點中，從而達到降低網(wǎng)絡(luò)能源消耗、提高網(wǎng)絡(luò)整體生存時間的目的。

LEACH 定義了“輪”（Round）的概念，一輪由建立階段和穩(wěn)定工作兩個階段組成。在初始化階段，LEACH 協(xié)議隨機地選取一個傳感器節(jié)點作為簇首。選取的原則是：傳感器節(jié)點隨機生成一個0—1 之間的隨機數(shù)，如果大于閾值T，則該節(jié)點當(dāng)選為簇首。當(dāng)簇首選定之后，其向周圍節(jié)點廣播自己成為簇首的消息，節(jié)點根據(jù)接收到的消息強度來決定加入哪個簇，并告知相應(yīng)的簇首，從而進行通信。

為了節(jié)省資源開銷，穩(wěn)定階段的持續(xù)時間要長于建立階段的持續(xù)時間。與一般的基于平面結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議和靜態(tài)的基于多簇結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議相比，LEACH網(wǎng)絡(luò)的整體生存時間能夠更長。

LEACH 的不足之處在于每輪都要選擇簇首和分簇，所以建立階段的協(xié)議開銷較大；其次，它要求傳感器節(jié)點之間以及傳感器節(jié)點與Sink 點之間均可以直接通信，所以網(wǎng)絡(luò)的擴展性不強，不適用于大型網(wǎng)絡(luò)。在LEACH算法的思想上，衍生出許多新的改進算法，如PEGASIS(Power Efficient Gathering in Sensor Information Systems)等。

3.2 TEEN路由協(xié)議

主動型傳感器網(wǎng)絡(luò)持續(xù)監(jiān)測周圍的物質(zhì)現(xiàn)象，并以恒定速率發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)；而響應(yīng)型傳感器網(wǎng)絡(luò)只是在被觀測變量發(fā)生突變時才傳送數(shù)據(jù)。TEEN[12]是應(yīng)用在響應(yīng)型傳感器網(wǎng)絡(luò)中的路由協(xié)議。在TEEN中定義了硬、軟兩個門限值，以確定是否需要發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)。

初始階段，簇頭發(fā)送給成員一個硬門限值（測量值）和一個軟門限值（測量值的變化值）。當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)第一次超過設(shè)定的硬門限時，節(jié)點用它作為新的硬門限，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)采集點。在接下來的過程中，如果監(jiān)測數(shù)據(jù)與硬門限值相比較，差值大于軟門限界定的范圍，則節(jié)點傳送最新采集的數(shù)據(jù)，并將它設(shè)定為新的硬門限。通過調(diào)節(jié)軟門限值的大小，可以在監(jiān)測精度與系統(tǒng)能耗之間取得合理的平衡。

該機制的主要缺陷是如果沒有收到門限值，節(jié)點將無法通信，從而使用戶得不到數(shù)據(jù)。采用ARTEEN[13]則可以在一定程度克服這種缺陷。ARTEEN是一種混合式的路由協(xié)議，平時采用與TEEN協(xié)議一樣的工作方式，但是如果超過一定的時間，節(jié)點沒有發(fā)送任何數(shù)據(jù)，則強制要求節(jié)點傳送一次數(shù)據(jù)。它的主要缺點是增加了協(xié)議的復(fù)雜度，需要一個軟、硬門限值和定時。

對TEEN和APTEEN的仿真結(jié)果表明，這兩個協(xié)議優(yōu)于LEACH；在網(wǎng)絡(luò)壽命方面，APTEEN介于TEEN和LEACH之間；在發(fā)送次數(shù)上，TEEN獲得的性能最好。兩個協(xié)議在軟、硬門限值的更新和簇的形成過程中，開銷均較大。

3.3 GAF路由協(xié)議

GAF路由協(xié)議[15]是基于位置信息的能量感知路由協(xié)議，其最初是應(yīng)用在Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中，但對于很多傳感器網(wǎng)絡(luò)同樣適用。協(xié)議的基本思想是將網(wǎng)絡(luò)區(qū)域劃分成很多小區(qū)，每個小區(qū)內(nèi)的節(jié)點相互協(xié)作，一部分節(jié)點保持正常工作狀態(tài)，完成數(shù)據(jù)收集和轉(zhuǎn)發(fā)等任務(wù)；另一部分節(jié)點可以處于睡眠狀態(tài)以節(jié)省能量，延長網(wǎng)絡(luò)整體壽命。小區(qū)內(nèi)處于正常工作的節(jié)點就相當(dāng)于群首。

協(xié)議的缺點是每個節(jié)點都需要通過GPS得到自己的地理信息，這大大增加了節(jié)點的成本和復(fù)雜度，不適用于很多場合。

3.4 GEAR路由協(xié)議

GEAR(Geographic and Energy Aware Routing)[16]與GAF協(xié)議一樣，也是將整體網(wǎng)絡(luò)按地理區(qū)域劃分成多個小區(qū)域，也是一種基于位置信息的能量感知路由。其核心思想是將定向擴散協(xié)議的興趣消息限制在一定的區(qū)域，而不是在全網(wǎng)廣播。

GEAR協(xié)議中，節(jié)點根據(jù)能量和距離信息，估計到目的地的路徑代價。當(dāng)一個節(jié)點到目的節(jié)點的代價比所有鄰居節(jié)點到目的節(jié)點的代價都大時，這個節(jié)點就是路由空洞點，通過調(diào)整路徑代價可以解決路由空洞問題。每當(dāng)一個數(shù)據(jù)包到達目的節(jié)點時，通過反饋代價信息，從而調(diào)整下一個數(shù)據(jù)包的傳輸路徑。數(shù)據(jù)傳輸可以分成兩個部分：①從其他區(qū)域傳遞到目的區(qū)域。②在區(qū)域內(nèi)的傳輸。相當(dāng)于群間的傳輸和群內(nèi)的傳輸。

GEAR路由協(xié)議與GPSR（Greedy Perimeter Stateless Routing）路由協(xié)議類似，都是基于地理信息的貪婪路由算法。不同的是GPSR沒有考慮能量問題。GEAR與之相比較，網(wǎng)絡(luò)整體能量消耗和性能都更好。GEAR適用于節(jié)點移動較少的網(wǎng)絡(luò)場合。

3.5 SPAN路由協(xié)議

SPAN[17]是一種基于位置的路由協(xié)議，協(xié)議根據(jù)各個節(jié)點的地理位置，從中選取出一些協(xié)調(diào)點。協(xié)調(diào)點將組成一個骨干網(wǎng)，傳感器節(jié)點收集的信息，沿著協(xié)調(diào)點組成的骨干網(wǎng)傳送到Sink點。

協(xié)調(diào)點的選取有一個基本原則，即如果其兩個鄰居節(jié)點不能直接通信，并且通過現(xiàn)有的一個或者兩個協(xié)調(diào)點依然無法連接通信，那么這個節(jié)點將成為協(xié)調(diào)點。SPAN協(xié)議中，協(xié)調(diào)點需要保存兩跳或者三跳范圍內(nèi)的節(jié)點信息，因此協(xié)調(diào)點并不需要直接相連。

3.6 SOP路由協(xié)議

SOP（SelfOrganization Protocol）[18]路由協(xié)議將網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點分成了兩類，即傳感器節(jié)點和路由節(jié)點。協(xié)議中的傳感器節(jié)點是可以移動的，但路由節(jié)點不能移動。路由節(jié)點形成主干網(wǎng)，傳感器節(jié)點收集的數(shù)據(jù)經(jīng)過路由節(jié)點到達Sink點。每個傳感器應(yīng)該能夠到達一個路由器。

路由節(jié)點之間構(gòu)成一個樹狀拓撲，從而與Sink相連接。傳感器節(jié)點僅僅與最近的路由節(jié)點保持連接。協(xié)議的操作可以分成四個階段：

（1）發(fā)現(xiàn)階段。該階段發(fā)現(xiàn)自己的鄰居節(jié)點。

（2）自組織階段。該階段形成分簇結(jié)構(gòu)，計算簇內(nèi)和簇首到Sink間的路由，形成樹狀結(jié)構(gòu)。

（3）維護階段。該階段維護傳感器節(jié)點移動和鏈路斷開以后的拓撲變化。

（4）重組階段。當(dāng)路由節(jié)點失效或者網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)分裂時，重新組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

3.7 MECN協(xié)議

最小能量通信網(wǎng)絡(luò)（Minimum Energy Communication Network，MECN）[19]協(xié)議是基于節(jié)點定位的路由協(xié)議，其基本思想是利用低功率的GPS，通過構(gòu)建具有ME (最小能量)屬性的子圖來降低傳輸數(shù)據(jù)所消耗的能量。協(xié)議為每個節(jié)點定義了一個中繼區(qū)域，中繼區(qū)域由一系列節(jié)點構(gòu)成，傳感器通過中繼區(qū)域?qū)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給Sink點，比自己直接發(fā)送給Sink點更節(jié)約能量，使得各個節(jié)點的能量消耗更平均。中繼區(qū)域可以通過局部查找算法確定。MECN能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)變化小的應(yīng)用場合。

SMECN(Small Minimum Energy Communication Network)[20]協(xié)議是在MECN協(xié)議上發(fā)展而來的。MECN是假定網(wǎng)絡(luò)中任何兩個節(jié)點間可以直接通信，而SMECN還能適用于兩個節(jié)點間不能直接通信的情況，但它也要求整個網(wǎng)絡(luò)是全連通的。仿真結(jié)果顯示， SMECN 構(gòu)建的子圖小于MECN 構(gòu)建的子圖，在拓撲變化不太頻繁的傳感器網(wǎng)絡(luò)中能夠很好地應(yīng)用。

3.8 EARSN路由協(xié)議

EARSN(Energy Aware Routing for Cluster Based Sensor Network)[21]是簇首固定的分簇結(jié)構(gòu)路由協(xié)議。該協(xié)議要求網(wǎng)絡(luò)運行前由終端用戶Sink將傳感器節(jié)點劃分成簇，并通知每個簇首節(jié)點的ID標(biāo)志和簇內(nèi)所分配節(jié)點的位置信息。傳感器節(jié)點能以活動和備用的低能耗兩種方式運行，并可以下面四種狀態(tài)之一存在，即感知、轉(zhuǎn)發(fā)、感知并轉(zhuǎn)發(fā)休眠。

簇首作為網(wǎng)絡(luò)的中心管理者，可以監(jiān)控節(jié)點的能量變化，決定并維護傳感器的四種狀態(tài)。算法依據(jù)兩個節(jié)點間的能量消耗、延遲最優(yōu)化等性能指標(biāo)計算路徑代價函數(shù)。簇首節(jié)點利用代價函數(shù)作為鏈路成本，選擇最小成本的路徑作為節(jié)點與其通信的最優(yōu)路徑。

協(xié)議要求簇首不受能量的限制并且固定，這限制了協(xié)議的應(yīng)用場合。經(jīng)仿真分析，該協(xié)議在運行過程中具有很好的節(jié)能性、較高的吞吐量和較低的通信延遲。

4 協(xié)議的綜合比較

評價WSN路由協(xié)議性能可以從多個方面進行衡量。對于上述分析的路由協(xié)議，這里從路由協(xié)議的拓撲結(jié)構(gòu)、協(xié)議的節(jié)能性能、網(wǎng)絡(luò)的生存時間、是否需要維護多路徑、健壯性、可擴展性、是否提供QoS支持、對移動性支持的好壞以及是否提供安全機制等方面進行了總結(jié)，如表2所示。

表2 WSN路由協(xié)議性能對比

5 研究發(fā)展方向

WSN路由協(xié)議缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化組織，因此提出的路由協(xié)議數(shù)量眾多。迄今為止，國內(nèi)外已經(jīng)提出幾十種WSN的路由協(xié)議，分別應(yīng)用在不同的場合。然而，仍有許多課題有待研究，這些課題主要有以下八個方面：

（1）移動性的支持。相比于普通的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)路由，由于受資源的限制，目前的WSN路由協(xié)議對網(wǎng)絡(luò)的拓撲感知能力和移動性的支持比較差，許多路由協(xié)議只適應(yīng)在拓撲變化很少的場合。如何在控制協(xié)議開銷的前提下，支持快速拓撲感知，是一個重要挑戰(zhàn)。

（2）IPv6與WSN的結(jié)合。下一代網(wǎng)絡(luò)的核心是IPv6協(xié)議，WSN未來必將與IPv6緊密結(jié)合在一起。一方面，實現(xiàn)WSN與IPv6協(xié)議網(wǎng)的互連；另一方面，將IPv6應(yīng)用在WSN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中。由于受資源的限制，將IPv6應(yīng)用在WSN中時，需要采用精簡格式的IPv6協(xié)議。

（3）QoS路由。QoS路由是指在具體的路由協(xié)議中增加QoS參數(shù)對路由的約束，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的可用資源來決定傳送路徑，從而提供更好的數(shù)據(jù)傳送性能。即使在有線網(wǎng)中，QoS路由仍然是一個帶有挑戰(zhàn)性的問題；在WSN中，由于增加了動態(tài)拓撲、資源有限等因素，QoS路由的實現(xiàn)具有更大的難度。

（4）跨層協(xié)議優(yōu)化。將路由協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議（如IPv6）和鏈路層協(xié)議（如鏈路質(zhì)量）等結(jié)合起來設(shè)計，跨層設(shè)計，共享各層信息，消除冗余報文，減少協(xié)議開銷，實現(xiàn)協(xié)議的優(yōu)化設(shè)計。

（5）組播路由。組播是一種優(yōu)化帶寬的路由技術(shù)，允許IP數(shù)據(jù)流從一個源或多個源發(fā)送到多個目的地，這有助于節(jié)省帶寬和減少控制開銷。組播路由選擇本身就是網(wǎng)絡(luò)的一個難題，在WSN的動態(tài)環(huán)境中進行組播路由更具有挑戰(zhàn)性。

（6）支持單向信道。受地理環(huán)境和無線終端功率受限等因素影響，單向信道在WSN中是一種客觀存在。在已經(jīng)提出的WSN路由協(xié)議中，許多協(xié)議不支持單向信道。如何增加或改善路由協(xié)議，支持單向信道的性能，是今后需研究的一個重要課題。

（7）路由安全。WSN具有開放媒體、無中心認證機構(gòu)、分布式協(xié)作等基本特性，其安全問題比有線網(wǎng)更為嚴重。路由協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)攻擊的主要目標(biāo)，但目前已經(jīng)提出的路由協(xié)議很少考慮其安全問題。如何用較小的代價，獲得較好的路由安全性能，可能是今后努力的方向。

（8）可擴展性。WSN網(wǎng)絡(luò)一般節(jié)點數(shù)量眾多，可擴展性是衡量路由協(xié)議性能的一個重要方面。一般來說，分級路由協(xié)議的可擴展性優(yōu)于平面路由，但分級路由的健壯性也需考慮。無論平面還是分級的路由協(xié)議，提高可擴展性以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大，都是一個無法回避的問題。

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