無線傳感器網絡路由協議研究綜述

（沈陽理工大學，遼寧 沈陽 110159）

無線傳感器網絡路由協議研究綜述

邵俊平

（沈陽理工大學，遼寧 沈陽 110159）

無線傳感器網絡不同于普通網絡，分布式自組織性、動態拓撲性及資源有限性和應用相關性是其主要特點，所以對其路由協議有特殊的要求。本文對無線傳感器網絡路由協議進行分類，對幾種路由協議進行分析比較，并指出其優缺點。

無線傳感器；路由協議；數據

無線傳感器網絡是由大量體積微小，能量有限，具有有限的存儲、計算能力的傳感器節點通過無線自組織的方式經過單跳或多跳組成的網絡。隨著傳感器技術、微電子技術、嵌入式技術和無線通信等技術的發展，無線傳感器網絡相關技術的發展日益迅速，得到了廣泛應用，并成為人們研究的熱點。由于無線傳感器網絡不同于傳統網絡，具有有限的能量和帶寬資源，并且不同的應用場景對無線傳感器網絡有不同的要求，所以如何設計節能的、面向特定應用場景的路由協議是無線傳感器網絡研究的一個重要問題。

根據網絡結構，一般將無線傳感器網絡路由協議分為：平面路由協議、層次路由協議和基于地理位置的路由協議。FLOODING協議是平面路由協議，每個節點不需要維護位置、路由等信息，當有數據要發送時，節點在一跳范圍內廣播，接收到消息的鄰居節點再通過廣播將消息發送給它的鄰居節點，直到到達目的節點或達到最大跳數為止。FLOODING協議實現簡單，路由健壯性強，節點不需要維護狀態信息，但容易產生信息內爆和數據重疊問題，造成資源的浪費。Gossiping路由協議對FLOODING進行了改進，收到數據包的節點將數據包隨機發送給它的鄰居節點，直到發送給目的節點。Gossiping協議有效緩解了信息內爆，但還是存在數據重疊和資源浪費，可能增大時延，造成分組丟失。SPIN協議通過協商機制進行數據的傳輸，協議中包含三種報文：數據報文DATA，描述DATA的簡短消息ADV，請求消息REQ。當有數據需要發送時，傳感器節點先發送ADV消息，收到ADV消息的節點判斷該數據是否是自己需要的，如果是，則發送REQ請求消息給發送節點，發送節點收到REQ后，將DATA數據發送給發送節點。SPIN協議體現了“以數據為中心”的設計理念，避免了不必要的信息傳輸，但若遠距離節點對該信息感興趣但其所有鄰居節點都不需要該信息將導致該遠距離節點無法收到信息，造成信息空洞。

LEACH協議是經典的層次路由協議，許多路由協議都是在它的基礎上改進而來的。LEACH協議中，網絡區域被劃分為不同的簇，每個簇內存在簇首節點和簇成員節點，簇首節點負責管理簇成員節點、將簇成員節點發來的數據進行數據融合等處理后，發給Sink節點。由于簇首節點承擔更多的任務，需要消耗更多能量，所以LEACH協議周期性進行簇首的輪轉以達到均衡網絡能耗的目的。LEACH協議中，每個節點只需要維護本簇內的路由信息，大大減小了數據存儲量和路由開銷，通過數據融合，減少了通信量，降低了能量消耗，同時，簇結構更有利于網絡的擴展。但LEACH協議隨機選舉簇首，可能造成簇首節點位于網絡的邊緣或其他可能增大通信距離的位置，消耗更多能量；同時，簇首節點通過單跳將數據發送給Sink節點，有些簇首節點可能會因單跳遠距離通信而消耗大量能量。LEACH-C是基于LEACH的改進協議，相對于LEACH，LEACH-C通過集中控制選舉簇首節點，使簇的劃分和簇首節點的分布更合理，避免了由于隨機選舉簇首帶來的分簇不合理現象。PEGASIS協議借鑒了LEACH協議的分簇思想，該協議基于所有節點的地理位置用貪婪算法將節點組織成鏈。當有數據需要發送時，數據將沿著鏈依次傳遞給距離自己最近的鄰居節點，直到發給鏈頭節點，再通過鏈頭節點發送給Sink節點，鏈上節點輪流作為鏈頭節點。PEGASIS避免了組簇及維護簇結構的開銷，但頭節點的能量會消耗較快，PEGASIS需要知道每個節點的位置信息，增大開銷，同時，離鏈頭較遠的節點可能會產生較長的時延，實時性不好。

GAF路由協議是基于地理位置的路由協議，將網絡劃分為固定數目的虛擬網格，每個節點根據自身的位置確定所在的區域，每個區域在某個時間段只選一個節點處于活動狀態監測信息并發送數據給Sink節點，其他節點睡眠，一段時間后重新選舉值守節點。GAF也屬于層次路由協議，根據節點的地理位置信息進行分簇，使得分簇更合理。GPSR協議也是基于地理位置信息的路由協議，每次都采用貪婪算法，選擇距離目的節點最近的節點作為下一跳，直到到達目的節點。GPSR能減小路由跳數，縮短時延，但可能會造成“熱點”問題和單路徑問題?；诘乩砦恢玫穆酚蓞f議有效利用節點的地理位置信息使路由更合理，但獲取節點的地理位置信息可能會增大成本。

總之，相對于平面路由協議，層次路由協議更有利于網絡的擴展，也能有效減小網絡能耗。基于地理位置的路由協議利用節點的地理位置信息使路由更合理，但獲得節點的位置信息將增大成本。

[1]Heinzelman WB, Chandrakasan AP, Balakrishnan H． An application specific protocol architecture for wireless microsensor networks．IEEE rans Wireless Commun ,2002,1（04）：660-70．

[2]孫利民,李建中,陳渝，等．無線傳感器網絡[M]．北京：清華大學出版社,2005．

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