無線傳感器網絡路由協(xié)議研究綜述

邵俊平

摘 要：無線傳感器網絡不同于普通網絡，分布式自組織性、動態(tài)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(xié)議有特殊的要求。本文對無線傳感器網絡路由協(xié)議進行分類，對幾種路由協(xié)議進行分析比較，并指出其優(yōu)缺點。

關鍵詞：無線傳感器；路由協(xié)議；數據

中圖分類號： TP393 文獻標識碼：A

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(jié)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(fā)展，無線傳感器網絡相關技術的發(fā)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(tǒng)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(jié)能的、面向特定應用場景的路由協(xié)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(xié)議分為：平面路由協(xié)議、層次路由協(xié)議和基于地理位置的路由協(xié)議。FLOODING協(xié)議是平面路由協(xié)議，每個節(jié)點不需要維護位置、路由等信息，當有數據要發(fā)送時，節(jié)點在一跳范圍內廣播，接收到消息的鄰居節(jié)點再通過廣播將消息發(fā)送給它的鄰居節(jié)點，直到到達目的節(jié)點或達到最大跳數為止。FLOODING協(xié)議實現(xiàn)簡單，路由健壯性強，節(jié)點不需要維護狀態(tài)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(xié)議對FLOODING進行了改進，收到數據包的節(jié)點將數據包隨機發(fā)送給它的鄰居節(jié)點，直到發(fā)送給目的節(jié)點。Gossiping協(xié)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(xié)議通過協(xié)商機制進行數據的傳輸，協(xié)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(fā)送時，傳感器節(jié)點先發(fā)送ADV消息，收到ADV消息的節(jié)點判斷該數據是否是自己需要的，如果是，則發(fā)送REQ請求消息給發(fā)送節(jié)點，發(fā)送節(jié)點收到REQ后，將DATA數據發(fā)送給發(fā)送節(jié)點。SPIN協(xié)議體現(xiàn)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(jié)點對該信息感興趣但其所有鄰居節(jié)點都不需要該信息將導致該遠距離節(jié)點無法收到信息，造成信息空洞。

LEACH協(xié)議是經典的層次路由協(xié)議，許多路由協(xié)議都是在它的基礎上改進而來的。LEACH協(xié)議中，網絡區(qū)域被劃分為不同的簇，每個簇內存在簇首節(jié)點和簇成員節(jié)點，簇首節(jié)點負責管理簇成員節(jié)點、將簇成員節(jié)點發(fā)來的數據進行數據融合等處理后，發(fā)給Sink節(jié)點。由于簇首節(jié)點承擔更多的任務，需要消耗更多能量，所以LEACH協(xié)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(xié)議中，每個節(jié)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(xié)議隨機選舉簇首，可能造成簇首節(jié)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(jié)點通過單跳將數據發(fā)送給Sink節(jié)點，有些簇首節(jié)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(xié)議，相對于LEACH，LEACH-C通過集中控制選舉簇首節(jié)點，使簇的劃分和簇首節(jié)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(xiàn)象。PEGASIS協(xié)議借鑒了LEACH協(xié)議的分簇思想，該協(xié)議基于所有節(jié)點的地理位置用貪婪算法將節(jié)點組織成鏈。當有數據需要發(fā)送時，數據將沿著鏈依次傳遞給距離自己最近的鄰居節(jié)點，直到發(fā)給鏈頭節(jié)點，再通過鏈頭節(jié)點發(fā)送給Sink節(jié)點，鏈上節(jié)點輪流作為鏈頭節(jié)點。PEGASIS避免了組簇及維護簇結構的開銷，但頭節(jié)點的能量會消耗較快，PEGASIS需要知道每個節(jié)點的位置信息，增大開銷，同時，離鏈頭較遠的節(jié)點可能會產生較長的時延，實時性不好。

GAF路由協(xié)議是基于地理位置的路由協(xié)議，將網絡劃分為固定數目的虛擬網格，每個節(jié)點根據自身的位置確定所在的區(qū)域，每個區(qū)域在某個時間段只選一個節(jié)點處于活動狀態(tài)監(jiān)測信息并發(fā)送數據給Sink節(jié)點，其他節(jié)點睡眠，一段時間后重新選舉值守節(jié)點。GAF也屬于層次路由協(xié)議，根據節(jié)點的地理位置信息進行分簇，使得分簇更合理。GPSR協(xié)議也是基于地理位置信息的路由協(xié)議，每次都采用貪婪算法，選擇距離目的節(jié)點最近的節(jié)點作為下一跳，直到到達目的節(jié)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。基于地理位置的路由協(xié)議有效利用節(jié)點的地理位置信息使路由更合理，但獲取節(jié)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(xié)議，層次路由協(xié)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(xié)議利用節(jié)點的地理位置信息使路由更合理，但獲得節(jié)點的位置信息將增大成本。

參考文獻

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