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1、无线传感器网络的路由协议综述 摘要：区别于传统的网络，无线传感器网络（ WSNs ）高度依赖于具体应用，并受到能源、存储容量和计算能力等因素的严重制约。为了延长整个网络的寿命，当我们设计或分析路由协议时，能源感知是一个重要的考虑因素。在本文中，我们提出了最近的WSNs路由协议的综合概述，并基于WSNs网络结构将其分为三类 。然后，我们描述了现有的路由协议，并讨论每个路由算法的优点和缺点。最后，我们结束了开放研究和挑战的问题。 关键词：无线传感器网络，路由协议，网络结构 导言 伴随着电子器件批量制造过程和无线通讯技术的发展，组成了大量的微型传感器节点，无线传感器网络最近在工业界和学术界成为热点问
2、题。这些传感器节点的低成本、低功耗和多功能等特点已广泛应用于军事、工业、交通、环境保护等诸多领域。特别是在骨干网络存在的离线情况下，如人类无法到达的危险区域，战场上，和其他破坏性的领域，无线传感器网络的应用前景必将是巨大的。目前，相关研究人员已经积累了丰富的成果。 如何有效路由收集到的节点间的数据是WSNs极为重要的课题。 以下是一些传感器网络与路由技术的主要特点： （ 1 ）传感器节点是有限的资源（能源、芯片运算能力、存储空间、通讯距离） ，并部署在预先确定的或随机的方式下; （ 2 ）由于传感器网络的节点具有大量的簇头和传感器 1 ，节点可能没有全球性识别码（ ID ）。 （ 3 ）通常情
3、况下，传感器网络中的数据是从水槽经下游到节点或从节点经上游下沉到水槽。无线传感器网络是一种指定应用程序的网络。 基于这些路由技术和WSNs的特点 ，研究人员目前已经提出了大量的路由协议在。在本文中，我们调查了目前具有代表性的路由协议，并把它们基于网络结构归类为三种。本文安排如下。首先，我们确定了无线传感器网络路由协议。然后，我们列举了现有的路由协议，并分析它们的优点和缺点。扩展了这些路由协议，并讨论最新的研究趋势。最后，我们以谈论现有的开放研究问题和其他值得考虑的许多方面的问题结束本文。 二 无线传感器网络的路由协议的分级由于传感器节点本身是有限的资源，因此目前的研究主要集中在如何设计一个有效
4、并具有能源感知的协议，以延长整个网络的具体应用环境的寿命。由于物理层和数据链路层是完全独立的特定应用层，我们集中于能源的意识的协议，特别是网络层的节能路由协议。然而，路由协议的网络层的设计依赖于特定的应用，需要考虑节点的限制，如能源、存储和计算能力。由于传感器节点没有给定一个统一的用来区别的身份识别ID，很多冗余数据聚集在目的节点，还存在着以下几个方面的限制：能源效率、可扩展性、延迟、容错性、准确性和服务质量（ QoS ）的限制，当我们设计或选择WSNs的路由协议时，我们必须仔细考虑。然而，共同的目标是以快速和低成本的方式建立一个稳定的传输路径。 当前大量的路由协议，是基于WSNs网络结构和数
5、据传输模式，一般来说，我们可以把路由协议分为三类：平板式路由（泛洪） ，分层路由（聚类）和基于定位的路由（物理的） 。 1 ）平板式路由（泛洪） 。在平板式路由中，所有节点通常是平等的行使相同的功能。每个节点不仅可以收集相关事件的数据，而且还可以作为中继节点传递信息数据。最初的路由表是溢满形成的。根据是否建立和维护路由表，最初下沉节点、平板路由协议可分为三种模式： a ）传统泛洪模式：最根本的泛洪、传感器节点将收到的讯息传送给他们的相邻节点直到信息到达下沉节点。 b）事件驱动的模式：当传感器节点感应到相关的数据，他们主动将这些信息传播到下沉节点，并根据路由表选择下一个跳点。 c）查询驱动模式：
6、下沉节点传播指定的应用请求（相关的）到相邻节点 ，泛洪整个网络。请求的节点然后选择一个适当的路径来回答这个查询。 2 ）分层路由（集群聚类） 。这个网络中节点扮演不同的角色。聚类算法主要包括两层路由，一层用来选取集群头，另外一层用于路由。算法依据的是大量的高密度的传感器节点，并着重于路由的可扩展性。主要特点是将整个WSNs分裂成若干集群方面的具体规则。 3 ）基于定位的路由（物理的） 。通常假定传感器节已知或能计算位置，因此，数据传输可直接发送到指定的区域。从而这些算法可避免数据传输的问题，如泛洪引起的传播风暴。 三 基于平板的路由（泛洪） A.传统泛洪模型 泛洪和闲置 2 是最基本的传统网络
7、路由。他们并不需要知道网络的拓扑结构。每个传感器节点将收到的信息转移到相邻节点，反复进行这一过程，直至信息到达下沉节点或是由于TTL （通常定义为WSNs的最大跳点）超时 。闲置在某些方面提高泛洪算法的性能，每个传感器节点的信息只转移给一个随机的相邻节点。不过，即使泛洪和闲置算法非常简单，并适用于任何网络结构，但这两种算法都没有实际的应用到指定的网络，因为他们很容易引起爆炸和重叠的问题。 B 事件驱动模式 1 ）信息协商的传感器协议（SPIN） ：SPIN 3 是第一个以数据为中心的路由协议。协议认为，相邻节点感知数据具有相似性，每一个传感器节点仅传播相邻节点没有的不同的数据。通过这种方式，S
8、PIN消除了冗余的数据传输，从而有效地降低了能源消耗。与此同时，每一个节点使用元数据来命名他们的数据，每一个节点可以基于数据特定的应用知识和现有资源的知识来做出决策，使传感器节点高效地利用有限的能源来分配数据。 SPIN使用三种信息数据：ADV、REQ和DATA。AVD是用来将自己的元数据传播到相关事件节点；REQ发出通知给相邻节点，该节点发送的组数据，DATA指的是原始数据。 任何数据真实传播之前，节点执行元数据的协商功能。协商是通过交换ADV和REQ的发送者和接受者信息。 SPIN不需要维持相邻的信息，它可以使自己适应情况，节点在一定程度转移；仿真结果表明，SPIN比传统的模式更节能。然而
9、，该算法不能确保数据到达目标节点，尤其不适合用于高密度分布的节点。 2 ）谣传路由 4 每个节点维护一个事件表，该表条目包含该事件的基本描述，源节点，最后一个跳节点；此外，存在着一种长寿命的信息，这是用来传播WSNs的事件描述。谣传路由在本质和SPIN是相同的；主要区别是，它包含一系列的事件信息表，因此，保持一个到达源节点的路径。泛洪初始化后，相应的路径资讯已经建立。因此，它避免了SPIN中大量的泛洪过程，大大节省能源。 该协议主要适用于那些大量查询和少量活动的情景。如果网络拓扑结构经常变化，谣传路由的执行力将大大减少。 3 ）能源感知路由 能源感知路由 5 考虑，是否所有的数据都通过最优路径
10、传送，与这些路径相关的能源节点是否会很快用尽。因此，在建立路由路径这一过程中，一些次优路径和概率模型将保持在同一时间。然后，我们根据每个路径的概率值来选择传输路径，以使最初的网络负载平衡，从而延长了整个网络的寿命。能源感知路由的缺点是需要交换相邻节点之间的当地信息，所有节点有一个统一的地址，这就增加了建设路由路径的成本。没有充分考虑单一节点传送失败的可能性，不适合于具有移动功能的传感器节点。 C 查询驱动模式 1 ）定向扩散 命名后，数据将在节点之间定向传送，由下降节点提供。 在定向扩散中，存在着利益信息，以一个属性值的方式，其中载有相关属性查询和梯度场，传播过程中不断更新。查询转化为有利益扩
11、散或泛洪在利益节点地区。当该地区的传感器节点接收到利益，它的传感器被激活，并开始监测此利益事件。遥感数据以反向路径返回利益的复制值。下沉节点激发利益穿过泛洪，到达所有的传感器网络节点；节点将利益信息保持在本地缓存。如果数据适合利益要求，它就将沿路径前进。 定向扩散最明显的特点是提前传播查询利益信息和以泛洪方式建立下沉节点之间和所有其他传感器节点的路径。然而，这也限制了这种协议的应用范围。例如，某特定的应用需要下沉节点可以访问不同类型的数据，那么保持每个传感器节点的缓存成本将大幅度增加。 2 ）基于梯度的路由 该算法 6 是定向扩散的改进算法，以获得最低的总跳跃数量而不是总最短时间。传递利益信息
12、的过程中，该算法取的是下沉节点和传感器节点到达其高值时的最小跳跃，并计算出其与其邻近的节点为连接梯度的两个节点的高度差。路由数据未满，节点选择连接最大的梯度到数据。当数据泛洪，利息信息记录跳跃数。这使节点可以发现跳跃到下沉节点的最低数目，称为节点高度。节点高度和它的相邻节点高度之间的差别被看成是梯度链接。链接与最大坡度相关。虽然来提高网络寿命的技术建立在GBR基础上，主要原则是它一般足够并且也适用于其他特设的路由协议。 该算法还介绍了一些辅助方法，如数据集成和负载平衡，以提高WSNs最高寿命周期。 四 层次路由（聚类） A 单层模式（单并列） 1 ）LEACH（低能量自适应聚类层次） 该算法
13、7 主要是基于选择一个节点作为一组节点的簇头。簇头负责下沉节点和其组节点的数据汇聚。这样，在传感器节点之间的数据交换数量就减少了。因此，该算法对节能具有较大贡献。如果当前值低于门槛值，该节点轮流成为簇头。选出的CH传播广告的信息给网络中的其余节点，其余节点是新的簇头。 LEACH是完全分布式的，数据传输延迟非常小。然而，该算法假设，即所有的簇头可以直接与水槽通信，因此，假设可能并不实际，则就不能适合大规模的应用。与此同时，这种划分集群的做法可能带来额外的成本和重叠的问题。 2 ） PEGASIS和层次PEGASIS 考虑到划分集群的间接问题，PEGASIS在LEACH基础上进行了改进，设计一个
14、节点链来取代群集组。在所有的传感器节点中，只选择一个节点作为网关来与水槽通信，链中的其他节点轮流把网关。在收到信息以后，每个节点需要聚集自己的遥感数据。最后，将这些数据传送到网关节点。 虽然在消除动态集群形成的过头方面，PEGASIS 8 表现优于LEACH，因为是异步传输，传输的时间延长了太多。层次PEGASIS进行了进一步的改进，节点不相邻时它也允许同时传输。 与LEACH相比，后两个算法消除形成集群的过头问题，但两者选择路由路径时，都没有考虑下个跳跃的能源条件，因此它们不适合于重负载网络。当WSNs中节点数量很大时，数据传输的中断非常明显，所以他们也没有较大规模的应用，也不适合于全球性知
15、识不容易获得的传感器网络。 B 层次模式（层次并列） 1 ）TEEN和APTEEN 在LEACH基础上，TEEN（阈值敏感的高效率能源的传感器网络协议） 9 两次分组集群传感器节点，以检测现场突然发生变化的遥感属性，如温度。集群形成以后，TEEN将簇头分离成双层簇头，并使用硬阈值和软阈值来检测突然变化。硬阈值用来触发传感器节点，在分布式的感应值回应数据查询时；当传感式分布中很少或根本没有变化值时，软阈值将进一步减少传输数量。 TEEN不适合于需要定期报告的应用模式。 APTEEN （自适应阈值敏感节能传感器网络协议）在其基础上进行了改进，旨在支持时间要求严格的事件进行定期报告。两种算法的主要缺
16、点是超过开支和形成集群的复杂性。 2 ）基于集群的网络的能源敏感 该算法 10 也是LEACH的改进，介绍了一种资源无限网关节点。通过两个级别组的方式，网关节点可以聚集数据和改变节点的状态：休眠，遥感或中继符合检测传感器节点的能量。 为了克服模棱两可的信号传播或获得更好的路由性能，根据网络吞吐量和端到端的延迟，提出许多路由方法的变量。由于空间有限，在这里我们不逐一分析。 五 基于定位的路由（物理协议） 这些算法需要传感器节点的位置信息。我们假定传感器节点可以直接获得他们的位置或根据其他已知节点的位置计算距离。值得指出的是，在Ad Hoc网络中有许多基于定位的协议，当我们以某些方式为无线传感器网
17、络移植研究成果，这种算法的影响很大。 A GEAR（地理和能源感知路由） 这样做是为了限制利益在定向扩散中的数量，并添加地理信息到利息数据包，只需要考虑某一地区而不是以泛洪的方式发送利益到整个网络。GEAR 11 利用能源感应，地理性地通知相关选择，启发路由数据包向目标区域。因此用这种方式GEAR能大大节省能源消耗 。GEAR引进了估计成本和学习费用，并通过计算估计费用和学习费用之间的差价来选择下一跳跃。 B MECN （最低能源通信网） MECN 12 起先是专为无线网络设计，后来研究人员发现它也可以直接应用于WSNs。注意到两个节点直接通信的成本高于几个中继节点转发数据的成本。所以MECN
18、为每个节点确定了中继区域，其中包括所有中继节点，比直接传输具有更高的能源效率。当两个节点需要交流信息时， MECN将根据贝尔曼-福特最短路径的方法选择一个最小的能量路径来传输数据。 因此， MECN是自我改造，并可以动态地解决节点的故障问题或部署新的传感器。然而，该算法是最适用于非移动的传感器网络，流动性WSNs情况下 ，中继地区计算路径的能源成本将大幅上升。 存在着许多其他基于定位的路由协议，如GEDIR、 GOAFR和SPAN，可直接应用于无线传感器网络。然而出于篇幅和内容的限制，这些算法在本文中将不予讨论。 六 结论和遗留的问题 近年来，WSNs路由协议已经成为研究领域一个最重要的议题，
19、并已存在了大量的研究成果。在本文中，我们提出了大量的分析和研究，并根据网络结构进行分类，将路由协议分为三类：平面路由（泛洪） 、分层路由（聚类）和基于定位的路由（地理）。还有从其他角度展开的一些研究人员，给出其他类型的分类，我们出于篇幅和内容限制在这里不予讨论。尽管如此，关于WSNs路由协议仍然存在着一系列的挑战。 正如我们的研究显示，一个路由算法不可能适用于所有情况和所有应用程序。虽然针对WSNs提出了许多路由协议，很多问题仍然存在，传感器网络依然有许多挑战需要解决。以下部分描述了一些问题和挑战： 效果：针对具体应用，如何有效地利用带宽和能源；如何有效地将整个网络进行分组和协调所有传感器节点
20、的工作量。 适应性：如何适应移动的传感器网络，使传感器节点能自组织和自重构。 可伸缩性：如何让大量的节点满足高密集的传感器网络，并延长寿命。 安全性：如何使WSNs路由协议安全，保证传播的信息不会被窃听和篡改。 参考文献 1 I. Akyildiz, W. Su, Y. Sankarasubramaniam, and E. Cayiri, “A survey on sensor networks,” IEEE Communications Magazine, vol.40, Issue:8 pp. 102-114, August 2002. 2 S. Hedetniemi, A. Liestm
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