無線傳感器網絡路由協議研究

王瑩瑩 王亭

【摘要】 在無線傳感器網絡（WSNs）中，建立良好的路由是減少網絡能耗、延長網絡生命周期的有效措施。本文對路由協議的發展現狀進行研究，分析了各種路由協議面臨的問題與挑戰；并對網絡路由協議的發展趨勢進行了總結與展望。

【關鍵詞】 WSNs 路由協議 節能 網絡壽命

一、引言

在WSNs中，節點能量有限，節點能量耗盡將影響整個網絡的性能。

近幾年，很多研究人員以減少網絡能耗、延長網絡生命周期為目的，對WSNs展開了研究。節點的能耗主要集中在數據采集與數據傳輸兩個方面，而數據傳輸的能耗遠遠大于數據采集。

因此，通過建立良好的路由來減少網絡能耗，成為WSNs的研究重點與熱點。近幾年研究人員以減少節點的能量消耗、提高網絡能效性、延長網絡生命周期為目的，對WSNs展開了研究[1]。

二、WSN路由協議研究現狀

根據網絡的拓撲結構，路由協議分為平面路由協議與分簇路由協議。在平面路由協議中，由于網絡中沒有中心管理節點，不能夠實現網絡資源的優化，且數據從源節點到目的節點經過的跳數較多，數據時延較長，不適于大規模的網絡，而WSNs的規模卻越來越大，所以平面路由協議不能適應當前WSNs的發展趨勢。

在分簇路由協議中，普通節點采集到數據后將數據發送給自己的簇首，簇首將數據進行處理后，轉發至目的節點。該種路由協議可擴展性強，在數據傳輸過程中引入數據融合來減少數據量，拓撲管理方便，可以應用于大規模的網絡。

近幾年，致力于分簇算法的研究主要集中在：簇首選舉、成簇規則、簇首路由三個方面，在算法設計過程中將減少網絡能耗作為重要指標。

為防止低能量節點被選作簇首，使節點的剩余能量與節點成為簇首的概率成正比，來減少低能量節點成為簇首的可能性；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點的剩余能量為標準來選擇簇首，簇首間采用簇首剩余能量和鏈路傳輸代價的權值來建立簇首間的多跳路由。

為防止靠近目的節點的簇首因轉發大量的數據而造成能量過早耗盡，EEUC將非均勻分簇與簇間多跳相結合，使靠近目的節點的簇半徑較小，節省出更多的能量用于數據轉發，平衡了簇首能耗。

DBCP將節點密度作為節點競選簇首的標準，來緩解非均勻網絡中的能耗不均問題。但是大部分的分簇算法僅在某一個或某幾個方面表現出較好的性能，整體性能仍然有待提高[2]。

三、WSNs路由的機遇與挑戰

無線傳感器網絡路由算法經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展。

WSNs路由協議的研究面臨的機遇與挑戰主要集中在：

3.1降低節點能耗

節點的大部分能量消耗在數據通信階段，建立有效的路由機制，可以減少網絡中數據的傳輸量，減少能耗。所以在設計路由協議時，在保證數據正確傳輸的前提下，減少節點能耗，延長網絡生命周期成為首先要考慮的因素。

3.2節點間能耗的均衡性

網絡中的某個或某些節點能量過早耗盡，將造成網絡拓撲結構的改變，影響網絡的連通性。

3.3數據融合

在數據傳輸過程中進行數據融合，可以減少數據的冗余，從而減少傳輸數據所消耗的能量。但是數據融合技術也仍然存在許多亟需解決。

3.4可擴展性

節點的移動、節點壽命的結束、節點的物理損傷以及環境的干擾等因素都可能會造成網絡拓撲結構的變化，因此設計的路由協議要具有一定的容錯能力，當網絡拓撲發生變化的時候能夠迅速地重新建立路由，保證網絡的正常運行。

3.5安全性

分簇路由協議比較適合大規模的網絡，但是在設計過程中并沒有過多的考慮到數據的安全問題，因此在考慮節點能耗的同時兼顧數據的安全性仍然是今后的一個發展方向。

3.6應用相關性

WSNs已經廣泛的應用于工業、農業、軍事醫療、環境監測等各個領域。應用于不同領域的傳感器網絡對路由協議的要求也是不同的，因此必須要結合實際的應用需求設計出相適應的路由協議。

參 考 文 獻

[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.