無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究

王瑩瑩 王亭

【摘要】 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSNs）中，建立良好的路由是減少網(wǎng)絡(luò)能耗、延長網(wǎng)絡(luò)生命周期的有效措施。本文對(duì)路由協(xié)議的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行研究，分析了各種路由協(xié)議面臨的問題與挑戰(zhàn)；并對(duì)網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的發(fā)展趨勢進(jìn)行了總結(jié)與展望。

【關(guān)鍵詞】 WSNs 路由協(xié)議 節(jié)能 網(wǎng)絡(luò)壽命

一、引言

在WSNs中，節(jié)點(diǎn)能量有限，節(jié)點(diǎn)能量耗盡將影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能。

近幾年，很多研究人員以減少網(wǎng)絡(luò)能耗、延長網(wǎng)絡(luò)生命周期為目的，對(duì)WSNs展開了研究。節(jié)點(diǎn)的能耗主要集中在數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)傳輸兩個(gè)方面，而數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芎倪h(yuǎn)遠(yuǎn)大于數(shù)據(jù)采集。

因此，通過建立良好的路由來減少網(wǎng)絡(luò)能耗，成為WSNs的研究重點(diǎn)與熱點(diǎn)。近幾年研究人員以減少節(jié)點(diǎn)的能量消耗、提高網(wǎng)絡(luò)能效性、延長網(wǎng)絡(luò)生命周期為目的，對(duì)WSNs展開了研究[1]。

二、WSN路由協(xié)議研究現(xiàn)狀

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，路由協(xié)議分為平面路由協(xié)議與分簇路由協(xié)議。在平面路由協(xié)議中，由于網(wǎng)絡(luò)中沒有中心管理節(jié)點(diǎn)，不能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的優(yōu)化，且數(shù)據(jù)從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)經(jīng)過的跳數(shù)較多，數(shù)據(jù)時(shí)延較長，不適于大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，而WSNs的規(guī)模卻越來越大，所以平面路由協(xié)議不能適應(yīng)當(dāng)前WSNs的發(fā)展趨勢。

在分簇路由協(xié)議中，普通節(jié)點(diǎn)采集到數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)發(fā)送給自己的簇首，簇首將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點(diǎn)。該種路由協(xié)議可擴(kuò)展性強(qiáng)，在數(shù)據(jù)傳輸過程中引入數(shù)據(jù)融合來減少數(shù)據(jù)量，拓?fù)涔芾矸奖悖梢詰?yīng)用于大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)。

近幾年，致力于分簇算法的研究主要集中在：簇首選舉、成簇規(guī)則、簇首路由三個(gè)方面，在算法設(shè)計(jì)過程中將減少網(wǎng)絡(luò)能耗作為重要指標(biāo)。

為防止低能量節(jié)點(diǎn)被選作簇首，使節(jié)點(diǎn)的剩余能量與節(jié)點(diǎn)成為簇首的概率成正比，來減少低能量節(jié)點(diǎn)成為簇首的可能性；為防止簇首分布不均，簇范圍差異太大，以簇首的競爭半徑和節(jié)點(diǎn)的剩余能量為標(biāo)準(zhǔn)來選擇簇首，簇首間采用簇首剩余能量和鏈路傳輸代價(jià)的權(quán)值來建立簇首間的多跳路由。

為防止靠近目的節(jié)點(diǎn)的簇首因轉(zhuǎn)發(fā)大量的數(shù)據(jù)而造成能量過早耗盡，EEUC將非均勻分簇與簇間多跳相結(jié)合，使靠近目的節(jié)點(diǎn)的簇半徑較小，節(jié)省出更多的能量用于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，平衡了簇首能耗。

DBCP將節(jié)點(diǎn)密度作為節(jié)點(diǎn)競選簇首的標(biāo)準(zhǔn)，來緩解非均勻網(wǎng)絡(luò)中的能耗不均問題。但是大部分的分簇算法僅在某一個(gè)或某幾個(gè)方面表現(xiàn)出較好的性能，整體性能仍然有待提高[2]。

三、WSNs路由的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法經(jīng)歷了從平面路由到分層路由，從單跳路由到多跳路由，從均勻分簇到非均勻分簇的發(fā)展。

WSNs路由協(xié)議的研究面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)主要集中在：

3.1降低節(jié)點(diǎn)能耗

節(jié)點(diǎn)的大部分能量消耗在數(shù)據(jù)通信階段，建立有效的路由機(jī)制，可以減少網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的傳輸量，減少能耗。所以在設(shè)計(jì)路由協(xié)議時(shí)，在保證數(shù)據(jù)正確傳輸?shù)那疤嵯拢瑴p少節(jié)點(diǎn)能耗，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期成為首先要考慮的因素。

3.2節(jié)點(diǎn)間能耗的均衡性

網(wǎng)絡(luò)中的某個(gè)或某些節(jié)點(diǎn)能量過早耗盡，將造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變，影響網(wǎng)絡(luò)的連通性。

3.3數(shù)據(jù)融合

在數(shù)據(jù)傳輸過程中進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，可以減少數(shù)據(jù)的冗余，從而減少傳輸數(shù)據(jù)所消耗的能量。但是數(shù)據(jù)融合技術(shù)也仍然存在許多亟需解決。

3.4可擴(kuò)展性

節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)、節(jié)點(diǎn)壽命的結(jié)束、節(jié)點(diǎn)的物理損傷以及環(huán)境的干擾等因素都可能會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，因此設(shè)計(jì)的路由協(xié)議要具有一定的容錯(cuò)能力，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化的時(shí)候能夠迅速地重新建立路由，保證網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。

3.5安全性

分簇路由協(xié)議比較適合大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，但是在設(shè)計(jì)過程中并沒有過多的考慮到數(shù)據(jù)的安全問題，因此在考慮節(jié)點(diǎn)能耗的同時(shí)兼顧數(shù)據(jù)的安全性仍然是今后的一個(gè)發(fā)展方向。

3.6應(yīng)用相關(guān)性

WSNs已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測等各個(gè)領(lǐng)域。應(yīng)用于不同領(lǐng)域的傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)路由協(xié)議的要求也是不同的，因此必須要結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用需求設(shè)計(jì)出相適應(yīng)的路由協(xié)議。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] Pantazis N A， at el. Energy-efficient routing protocols in wireless sensor networks： A survey[J]. Communications Surveys & Tutorials， IEEE， 2013， 15（2）： 551-591.

[2] Lai W K， Lin Y C， Chen T H.. Load-Balance Directed Diffusion in Wireless Sensor Networks[C]. Proceeding of the fifth ICGEC， 2011： 65-68.