無線傳感器網絡路由協議綜述

摘要：本文以典型路由協議為樣本。分析、歸納和總結了在數據通訊量、延遲、可擴展性上的性能表現，從而為無線網絡具體應用提供有力的參考。

關鍵詞：傳感器節點

匯聚節點 能量 簇頭 路由協議

中圖分類號：TP316.4

文獻標識碼：

A

文章編號：1002-2422(2010)03-0002-03

1WSN路由協議介紹

1，1協議分類

劃分路由協議種類有不同的標準。按是否需要外界輔助的地理信息準則，可劃分為基于地理位置信息的協議和非基于地理位置信息的協議；按照網絡中數據發送模式，路由機制可以相應地采用適合周期性地發送數據連續模式、事件驅動模式、請求驅動模式、事件驅動和請求驅動混合模式的協議；按照網絡路由是否動態生成，可劃分為表驅動路由協議和按需路由協議等。

下面介紹各個協議的工作方式。

SPIN采用廣告、請求、數據三種消息類型。節點A在發送DATA數據包之前，會對外采用泛洪方式廣播ADV包，若某個節點B希望接受要傳來的數據，向A回復BEQ數據包。A將向B發送數據包。

GPsR對節點位置進行了統一編址。選擇鄰居節點中離數據包目的節點更近的點作為轉發節點。當數據到達沒有比當前節點更接近目的節點的區域(空洞)，數據無法傳輸。可利用平面圖解決空洞問題。

DIRECTED DIFFUSION路由過程分為請求、梯度建立和路徑加強三階段。請求含有目標區域、數據發送速率等參數。節點接收到請求后，若當前請求緩存中沒有相同的請求記錄，加入新記錄。記錄中包含了相鄰節點數據發送率，稱“梯度”。當請求擴散整個網絡后，選擇“梯度”最大的路徑將反向把數據快速路由。模擬過程如圖1所示。

GEAR發出請求后，數據擴散過程包括目標域傳送和域內傳送。若在目標區域傳輸遇到空洞現象，則根據開銷函數選擇開銷最小的鄰居作為下一跳節點。在域內傳送階段，主要是通過兩種方式(泛洪、區域遞歸)使數據在域內擴散。

LEACH隨機選擇簇頭，普通節點按接收到信號強弱加入簇層。簇層內節點單跳與簇頭通訊，簇頭與匯聚節點通訊。TEEN劃分出多級簇層結構。子簇頭單跳和父簇頭通訊。PEGASIS在網絡中節點中采用算法構造一個數據鏈，各個節點向靠近唯一網絡簇頭的鄰居發送、接收其他節點傳來的數據。

1，2路由協議決策要考慮的準則

設計協議要考慮多種因素，包括數據通訊量、帶寬、網絡負載情況、網絡拓撲結構動態變化、網絡節點增加、數據融合、可靠性等。圖2中，數據從A傳送到節點c。若要求傳送及時，路由可采用A－B－C路徑，減少了傳送中繼節點；若要求以負載平衡達到節能目的，路由應該根據實際負載情況采用負載相對較小的路徑；若要求對不同節點的數據進行融合，可以選擇A－E－F－G－H－C融合更多節點的數據；若要求可靠性，路由可以同時選擇這兩條路徑。若被監測區域內的節點位置發生無規律變化。路由應該具備適應網絡拓撲結構不斷發生變化的能力；若要采集詳盡數據而添加節點，協議還應具備支持更多節點協同工作的能力。

1，3路由協議的性能參數

(1)數據通訊量

把一塊數據路由到觀察者，不同算法會使得該數據的通訊量大小不一致。協議會在不同的程度上產生該數據塊副本。通訊量越大，網絡能耗越大。

(2)延遲

延遲指觀察者對網絡發出請求到接收到數據所歷經的時間。

(3)可擴展性

在某些特殊的實際應用中，被監測區域需要大量節點。這樣就要求路由協議能夠協同大量節點同時工作。

2路由協議的路由通訊量分析

LEACH通過劃分簇層和數據融合技術減少數據通訊量。TEEN采用相似的層次通訊方式，并使用軟門閥值和硬門閥值控制數據傳輸的次數。PEGASIS通過有效的鏈式數據聚合和數據融合技術，減少了的數據收發次數和數據通訊量。圖3是兩者之間以及和FLOODING洪泛協議通訊量比較。

SPIN采用基于數據描述的協商機制進行數據的轉發，從而避免了產生要轉發數據的大量副本。

DIRECTED DIFFUSION采用請求驅動的數據傳送模式和局部的數據聚集、融合，減少網絡數據通訊量。圖4是這兩種協議間以及和FLOODING之間通訊量大小示意表示。

GPSR將數據發送給符合要求的下一跳鄰居。針對某個特定節點A，在網絡拓撲結構不發生變化的情況下，發送數據的路由比較固定。GEAR考慮到匯聚節點的地理位置信息，并將其添加到數據包的地理信息字段，數據傳輸到特定方向。

3路由協議的路由延遲分析

DIRECTED DIFFUSION在數據傳輸階段采用一條“梯度”最大路徑。數據傳輸時間短。LEACH采用劃分簇層方式減少路由中間的傳感器數量，也具備短延遲特性。TEEN協議延遲也比較小，和LEACH同屬于層次式路由協議。GPSR只依賴直接相鄰的節點進行路由。因為使用接近最短歐式距離的路由，因此數據傳輸延遲短。GEAR采用了域內和位置區域地理位置劃分，這樣減少了路由上的跳數，數據能及時到達匯聚節點。

PEGASIS數據延遲和簇頭位置有很大的關系。普通節點距簇頭的地理位置比較遠，會明顯增加數據傳輸的延遲。SPIN采用三種消息模型來發布信息擴散整個網絡。解決了FLOODING中的“信息內爆”和“信息重疊”問題，但此消息發布模型導致延遲增加。

圖5給出了層次性協議在相應延遲示意比較。表2作了路由延遲分析的總結。

4路由協議的可擴展性分析

某些協議，因節點大量增加導致網絡數據通訊量過大、路由數據的延遲過長等等而不適用于網絡。

TEEN不斷加入節點形成新簇層。子簇頭數據會向父簇頭傳送，不必像LEACH協議一樣要求普通節點必須具備和匯聚節點直接通訊的能力。

DIRECTED DIFFUSION也具備良好可擴展。“梯度場”的建立確保了數據傳輸的及時性。備用路徑保證了路由的暢通性、可靠性。

GPSR有可達路由只要求保持網絡連通性。GEAR具備好的可擴展性，但需要GPS定位信息的支持。即使增加節點，在地理位置和“兩個階段”的支持下，不會影響協議。

PEGASIS可擴展性差。當大量節點涌入到網絡中，要構造的數據鏈長度會急劇增加。將數據傳送到簇頭，不僅耗費大量能量還增加延時時間。

SPIN可擴展性差。當產生或收到數據的節點的所有相鄰節點都不需要該數據時，將導致數據不能繼續轉發。可能導致相當部分網絡不能接收到該數據。此外，匯聚節點對任何類型的數據都需要時，周圍的節點會能量耗盡。表3給出了協議總結。

5結束語

在實際應用中，路由協議的選擇應該做到具體問題具體分析，揚長避短。