無線傳感網路由協議的分析比較

摘 要：無線傳感網技術是對當今經濟和社會進步發揮重要作用的技術，對于現代軍事、信息技術、制造業等多個重要的領域產生著巨大的影響。而無線路由協議則是無線傳感網研究中的熱點問題。文章對于幾個典型的平面路由協議和分層路由協議進行了介紹，分析了它們各自的利弊，并對它們進行了比較。

關鍵詞：無線傳感網；路由協議；傳感器節點

1 無線傳感網概述

無線網絡即使用無線傳輸介質的網絡。目前有兩種無線網絡，基礎設施網絡和對等網絡。基礎設施網絡的無線終端需要配置無線網卡，并通過接入點（AP）連接入網。對等網絡即Ad hoc網絡，不需要AP的支持，終端設備之間可以直接通信。無線Ad hoc網絡又可分為兩類，移動Ad hoc網絡和無線傳感器網絡。前者的終端是快速移動的，后者的結點是靜止的或者移動很慢。

無線傳感網由大量的靜止或移動的傳感器組成，它們以自組織和多跳的方式構成無線網絡，相互協作以探測、處理和傳輸網絡覆蓋區域內感知對象的監測信息，并報告給用戶。無線傳感器網絡技術在軍事應用、智能家居、環境監測、建筑物質量監控、醫療護理等各個方面都有廣泛應用[1]。

無線傳感網的系統結構包括監測區域（Sensor Field）、傳感器節點（Sensor Node）和匯聚節點（Sink Node）[2]。監測區域中包含了各種需要采集數據的觀察對象；傳感器節點用于采集觀察對象的相關數據，并將處理后數據傳給匯聚節點；匯聚節點用于收集由傳感器節點傳遞來數據，并將數據傳送到遠程中心進行集中處理。

2 無線路由協議

無線路由協議是無線傳感網研究中的熱點問題。無線傳感網的路由協議負責在源節點和目的節點之間可靠地傳輸數據，包括路由選擇和數據轉發兩個功能。根據網絡的拓撲結構是否有層次，可以將路由無線路由協議分為平面路由協議和分層路由協議[3]。

2.1 平面路由協議

平面路由協議適用于具有平面結構的網絡，所有節點之間地位平等，協議相對簡單。源節點和目的節點之間一般存在多條路徑，可共同承擔網絡負荷，通常不存在瓶頸，網絡具有較強的健壯性。然而，節點的組織、路由的建立、控制與維持所產生的開銷需要占用較大的帶寬，從而影響網絡數據的傳輸速率。另外，當網絡規模較大時需要損耗很大的能量，并且網絡的可擴展性較差。因此，平面路由協議只適用于規模較小的網絡。

2.1.1 Flooding協議。Flooding（洪泛）路由協議是最早也是最簡單的路由協議，節點接收到消息后以廣播形式轉發給所有相鄰的節點，直到數據包到達目的節點（成功）或跳數達到最大值（丟棄）。

此協議的優點是協議簡單，節點只負責無條件地轉發數據包，不需要維護網絡拓撲及相關路由算法，但也因此造成效率不高。另外，節點如果幾乎同時從鄰居節點收到多份相同數據會產生廣播風暴；節點如果先后收到監控同一區域的多個節點發送的幾乎相同的數據會產生交疊；節點不考慮自身資源限制，在任何情況下都轉發數據會造成資源的盲目利用。

2.1.2Grossing協議。Grossing（閑聊）路由協議在Flooding協議的基礎上進行了改進，節點對于產生或收到的數據并不是無條件轉發，而是隨機轉發，因此在一定程度上解決了Flooding協議廣播風暴的問題。但是隨機轉發數據增加了信息傳輸的平均時延，導致傳輸速度變慢，并且無法解決部分交疊和盲目利用資源問題。

2.1.3 SPIN協議。SPIN（信息協商傳感協議）是一種自適應路由協議，通過協商機制解決了廣播風暴的問題。節點不廣播完整的采集數據信息，而是先廣播數據的屬性描述信息（元數據）。只有當其他節點有相應的數據請求時，才有目的地向其發送完整數據信息。因此在SPIN協議中需要定義三種類型的消息，ADV、REQ和DATA。ADV即廣播的元數據，REQ用于請求發送數據，DATA即完整數據信息。

2.2 分層路由協議

分層路由協議適用于分層結構網絡，網絡被劃分成多個簇。每個簇按照一定規則選舉一個簇頭，其它為簇成員。簇頭節點不僅負責所管轄簇內數據的收集和處理，還負責負責簇間數據的轉發，而簇成員只負責數據的采集。

2.2.1 LEACH協議。LEACH（低功耗自適應聚類）協議的基本思想是通過等概率地隨機循環選擇簇頭，將整個網絡的能量負荷平均分配到每個傳感器節點[4]。

在LEACH協議中，各個節點可以機會均等地成為簇頭節點，實現了負荷分攤，降低了網絡能量耗費、延長了網絡生命周期。但是不是每個節點都能與匯聚節點直接通信，擴展性差，不適合大規模網絡。同時，協議沒有考慮到簇頭節點的均勻分布，有可能某個區域簇頭節點較集中，而其他區域沒有任何簇頭。另外，頻繁選舉簇頭引發的通信量耗費了能量。

2.2.2 TEEN協議。TEEN（閾值敏感的高效節能傳感器網絡協議）是在LEACH的基礎上發展而來的，只是在數據傳送時采用了不同的策略。

該協議設置了硬、軟兩個閾值，在每次新簇頭產生時將它們廣播出去。節點監測到的數據第一次超過硬閾值時，就把此數據設為新的硬閾值，并在下一個時隙發送給簇頭。然后只有當監測到的數據超過硬閾值并且監測數據的變化幅度大于軟閾值時，節點才會傳送最新的監測數據，并將它設置為新的硬閾值。

通過調節兩個閾值的大小，可以在精度要求與系統能耗之間取得平衡。并且可以監視一些突發事件和熱點地區，減少了不必要的數據傳輸。但是門如果限值始終達不到，節點就不會和簇頭通信，用戶將無法得到任何數據。另外，節點監測到合適的數據會實時傳輸，但是采用TDMA方式會導致數據延遲。

2.2.3 PEGASIS協議。PEGASIS（傳感信息系統的節能積聚）并不是嚴格意義上的分層路由協議，但借鑒了分簇算法的思想。各傳感器節點選擇最近的鄰居節點形成鏈，并采用一定的算法選舉鏈首，鏈首與匯聚節點可直接通信。協議利用令牌來控制各節點的數據沿鏈傳送到鏈首，在傳送過程中可聚合數據，再由鏈首傳遞給匯聚節點。當鏈兩端的數據都傳送完成時，開始新一輪選舉與傳輸。

3 無線路由協議性能比較

由上可知，各路由協議各有利弊。下面協議的路由結構、生存時間、節點定位、健壯性、可擴展性、節能性、節點移動性等方面進行總結。

從表中可以看出，平面路由協議較為簡單，適用于小型網絡，而分層路由協議性能較好，適用于大型網絡。

4 結束語

文章首先介紹了無線傳感網的概念、系統結構和特點，然后將無線路由協議分為平面路由協議和分層路由協議，并介紹了幾種典型的無線路由協議，并對它們的優缺點進行了分析。最后對幾種路由協議從各個方面進行了比較。

參考文獻

[1]余成波，李洪兵，陶紅艷.無線傳感器網絡實用教程[M].北京：清華大學出版社，2012.

[2]李建中，李金寶，石勝飛.傳感器網絡及其數據管理的概念問題與進展[J].軟件學報，2003（3）.

[3]崔遜學，左從菊.無線傳感器網絡簡明教程[M].北京：清華大學出版社，2012.

[4]Gaurav Gupta， Mohamed Younis. Load-Balanced Clustering of Wireless Sensor Networks[J]. Proceedings of the 2nd ACM international symposium on Mobile ad hoc networking computing.2003.

作者簡介：石瑞華（1983-），女，江蘇蘇州人，碩士，蘇州工業職業技術學院講師，研究方向為通信技術。