WSN的路由协议分类 - 全文

　　目前国内外科研人员已设计了多种面向WSN的路由协议，将其分为四类：以数据为中心的、分层次的、基于位置的、基于数据流模型和服务质量（QoS）要求的。

　　（1）以数据为中心的路由协议

　　此类路由协议是基于查询和目标数据命名之上的，通过数据融合减少冗余的数据传输。

　　①Flooding协议和Gossiping协议：这是两个最经典和简单的传统网络路由协议，在Flooding协议中，节点产生或收到数据后向所有邻节点广播，数据包直到过期或到达目的地才停止传播。该协议具有严重缺陷：内爆（implosiON），节点几乎同时从邻节点收到多份相同数据；交叠（overlap），节点先后收到监控同一区域的多个节点发送的几乎相同的数据；资源利用盲目（resource blindness），节点不考虑自身资源限制，在任何情况下都转发数据。Gossiping协议是对Flooding协议的改进，节点将产生或收到的数据随机转发，避免了内爆，但增加了时延。这两个协议不需要维护路由信息，也不需要任何算法，简单但扩展性很差。

　　②SPIN协议：SPIN（sensor protocols for inf°rmatlon vla negotiation）协议节点利用三种消息进行通信：数据描述ADV、数据请求REQ和数据DATA。该协议以抽象的元数据对数据进行命名，命名方式没有统一标准。节点产生或收到数据后，用包含元数据的ADV消息向邻节点通告，需要数据的邻节点用REQ消息提出请求，然后将DATA消息发送到请求节点。该协议的优点是ADV消息减轻了内爆问题；通过数据命名解决了交叠问题；节点根据自身资源和应用信息决定是否进行ADV通告，避免了资源利用盲目问题；与Flooding协议和Gossiping协议

　　相比，有效地节约了能量。其缺陷是：SPIN的广播机制不能保证数据的可靠传送，当产生或收到数据的节点的所有邻节点都不需要该数据时，将导致数据不能继续转发，以致较远节点无法得到数据；而当某sink点对任何数据都需要时，其周围节点的能量容易耗尽。图1表示了SPIN协议的路由建立与数据传输。

 

　　图1 SPIN协议的路曲建立与数据传输

　　③定向扩散（directed diffusion，DD）协议：DD协议用一组属性值命名它生成的数据。为建立路由，sink节点在整个网络或部分区域内flooding包含查询任务的Interest消息；沿途节点按需对各Interest进行缓存与合并，并根据Interest计算、创建包含数据上报率、下一跳等信息的梯度（gradient），从而建立多条指向sink点的路径。Interest中的地理区域内节点则按要求启动监测任务，并周期性地上报数据，途中各节点可对数据进行缓存与聚合；sink点可在数据传输过程中通过对某条路径发送上报间隔更小或更大的Interest，以增强或减弱数据上报率。该协议的优点是：采用多路径，健壮性好；使用数据聚合减少了数据通信量；sink点根据实际情况采取增强或减弱方式有效利用能量；使用查询驱动机制按需建立路由，避免了保存全网信息。其缺点是：不适合环境监测等应用；建立梯度开销很大，不适合多sink点网络；数据聚合采用时间同步技术，带来较大开销和时延。图2表示了Directed Diffusion协议的路由建立过程。

 

　　图2 Directed Diffusion协议的路由建立过程

　　④Rumor协议：Rumor协议引人了查询消息的单播随机转发。当节点监测到事件后将其保存，并创建称为代理（Agent）的生命周期较长的包括事件和源节点信息的数据包，将其按一条或多条随机路径在网络中转发，收到Agent的节点根据事件和源节点信息建立反向路径，并将Agent再次随机发送到相邻节点，并可在再次发送前在Agent中增加其已知的事仵信息。同时sink节点的查询请求也沿着一条随机路径转发，当两路径交叉时则路由建立；如不交叉，sink点可flooding查询请求。该协议优点是：适用于多sink点、查询请求数目很大、网络事件很少的情况。其缺点是：如果事件非常多，维护事件表和收发Agent带来的开销会很大；且因Rumor协议使用随机方式生成路径，数据传输路径不是最优，甚至可能存在路由环路问题。图3表示了Rumor协议中Agent路径与查询路径的交叉情形。

 

　　图3 谣传路由原理图

　　（2）分层次的路由协议

　　此类路由协议是让节点参与到特定的节点簇内的多跳通信，簇头再进行数据聚合，减少向sink节点传送的消息数量，从而达到节省能量和提高可扩展性的目的。

　　①低能量自适应聚簇分层（low energy adaptive clustering hierarchy，LEACH）协议的具体实现过程分两个阶段：成簇阶段和稳定阶段（即数据传输阶段），这两个阶段的时间总和为一轮（round）。在成簇阶段，每个节点选取一个介于0和1之间的随机数，如果这个数小于某个阈值，该节点成为簇头；然后，簇头向所有节点广播自己成为簇头的消息，每个节点根据接收到广播信号的强弱来决定加人哪个簇，并回复该簇簇头。在数据传输阶段，簇内的所有节点按照TDMA时隙向簇头发送数据，簇头将数据融合和计算。在簇间，各簇头节点采用CSMA协议竞用通道，获得通道的簇头将融合的数据发给基站。之后进行下一轮。该协议优点是：随机选举簇头避免簇头过分消耗能量，提高了网络生存时间；数据聚合有效减少了通信量。其缺点是：协议采用一跳通信，虽然传输时延小，但要求节点具有较大功率通信能力；扩展性差，不适合大规模网络；即使在小规模网络中，离sink点较远的节点由于采用大功率通信也会导致生存时间较短；而且频繁簇头选举引发的通信量耗费了能量。

　　②TEEN协议：节能的阈值敏感的传感器网络协议（threshold sensitive energy efficient sensor network protocol，TEEN），采用类似LEACH的分簇算法，该协议设置了硬、软两个门限，只有同时满足两个门限时节点才发送数据。硬门限的初值由用户根据应用确定；软门限的初值为0。在每轮簇头轮换的时候将两个阈值广播出去，当监测数据第一次超过设置的硬门限时，节点把这次数据设为新的硬门限，并在接下来的时隙内发送它。之后，只有监测数据超过硬门限并且监测数据的变化幅度不小于软门限时，节点才会传送最新的监测数据，并将它设为新的硬门限。通过设定两个门限值，在检测精度和系统能耗之间取得合理的平衡。采用这样的方法，可以监视一些突发事件和热点地区，减少网络通信量。但TEEN存在两个缺陷：一是如果门限值不能达到，节点不会传送任何数据；二是数据一旦符合门限值要求，节点立即传送，容易造成信号干扰，如果采用TDMA，则会造成数据延迟。

　　③两层数据发布（two tler data dissemination，TTDD）协议：TTDD协议适用的环境为静止传感区域内的移动sink节点和多sink节点的情形。当兴趣出现时，周围的节点选择其中一个节点作为源节点发送数据，源节点以自己作为一个格状网的交叉点构造一个格状网。主要过程是：源节点先计算出相邻交叉点位置，利用贪婪算法请求最接近该位置的节点成为新交叉点，新交叉点继续该过程直至请求过期或到达网络边缘。保存了事件和源节点信息的交叉点选作传输节点（dissem－Inatlon node）。数据查询时，sink本地洪泛查询请求到最近的传输节点，此后查询请求在传输点间传播直至源节点，数据则反向传送到sink节点。

　　该协议的优点是：在传输过程中，传输节点对数据进行汇聚处理，减少了数据的传输开销；该协议采用单路径，与Diffusion协议相比，能够提高网络生存时间。缺点是：节点必须知道自身位置；非sink点位置不能移动；要求节点密度较大；且子网的构造过于复杂，计算与维护格状网的开销较大；算法不具有能量感知功能。

　　（3）基于位置的路由协议

　　此类路由协议利用节点的位置信息，把查询或者数据转发给需要的区域而不是整个网络，缩减数据的传送范围进而来降低能耗。此外，设计时考虑了节点的移动性。

　　①地理自适应保真（geographical adaptive fidelity，GAF）路由协议：该协议主要为移动Ad Hoc网络设计，但是也用在传感器网络中。该协议把监测区域划分成虚拟单元格，将节点按照位置信息划人相应的单元格；在每个单元格中定期选举产生一个簇头节点，只有簇头节点保持活动，其他节点进入睡眠状态。在GAF中，节点轮流从睡眠状态变到工作状态，达到网络负载均衡。为了处理节点的移动性，节点估算自己离开网格的时间并将之通知相邻节点，因而睡眠节点可以相应调整睡眠时间，在工作节点离开本网格之前醒来接替工作，从而保持路由精度。GAF的优点是节点数量增加可大大提高网络寿命，同时它解决了节点移动性的问题。但是GAF的缺陷是在节点稀疏的情况下的节能效果不好，而且网格簇头的选择是随机的，没有考虑节点剩余能量。

　　②能量感知（geographical and energy aware routmg，GEAR）路由协议：协议假设已知事件区域的位置信息，每个节点知道自己的位置信息和剩余能量信息，通过一个简单的Hello消息交换机制知道所有邻居节点的位置信息和剩余能量信息。将数据分组传送到目标域中所有的节点分两个阶段：目标域数据传送和域内数据传送。在目标域数据传送阶段，当节点接收到数据分组，它将邻接点同目标域的代价和自己与目标域的代价相比较，代价更小，贝刂选择最小代价的邻接点作为下一跳节点；若不存在更小代价，则认为存在路由空洞“hole”，节点将根据邻居的最小代价来选择下一跳节点。在域内数据传送阶段，可通过域内直接洪泛和迭代的目标域数据传送这两种方式让数据在域内扩散直到目标域剩下唯一的节点。GEAR的优点是：它将网络中扩散的信息局限到适当的位置区域中，减少了中间节点的数量，从而降低了路由建立和数据传送的能源开销，进而更有效地提高了网络的生命周期。其缺点是依赖节点的GPS定位信息，成本较高。

　　（4）提供数据流和服务质量保障的路由协议

　　此类协议在提供数据路由功能的同时满足通信服务质量要求，建立路由路径的同时考虑端对端的时延要求。

　　①有序分配路由策略（sequential asstgnment routmg，SAR）：SAR是首先在路由判决中将QoS考虑进去的WSNs路由协议。SAR在每个节点与sink节点间生成多条路径，维护多个树结构，每个树以落在sink的有效传输半径内的节点为根向外生长，树干的选择需要满足一定的QoS要求和能量储各。这样使大多数节点可能同时属于多个树，可任选某一采集树回到sink。为了防止一些节点的死亡而导致网络拓扑结构的变化，sink会定期发起路径重建命令来保证网络的连通性。同时，SAR使用本地路径恢复机制的握手过程及增强路由表中每条路径上下行数据流的连通性来恢复错误。SAR的一个突出的优点是综合考虑了能效和QoS。虽然节点到Sink的多条路径增强了SAR的容错和恢复能力，但也增加了维护路由表及每个节点的状态表的开销，尤其在节点数目较大的时候。

　　②SPEED协议：这是一个实时路由协议。SPEED中的每个节点记录所有邻节点的位置信息和转发速度，并设定一个速度门限，当节点接收到一个数据包时，根据这个数据包的目的位置把相邻节点中距离目的位置比该节点近的所有节点划分为转发节点候选集合，然后把转发节点候选集合中转发速度高于速度门限的节点划分为转发节点集合，在这个集合中转发速度越高的节点被选为转发节点的几率越大。如果没有节点属于这个集合则利用反馈机制重新路由。该协议的优点是：在一定程度上实现了端到端的传输速率倮证、网络拥塞控制以及负载平衡机制。其缺点是：路由的过程没有考虑在多条路径上传输以提高平均寿命，传输的报文没有优先级机制。

　　平面路由协议的突出特点是可扩展性较差，由于无线传感器网络通常由密集分布在一定区域（如一片林区）的成百上千甚至数万个传感器节点构成，因此网络规模非常大，不能直接采用可扩展性差的平面路由协议。相反，分簇路由协议由于可扩展性好，能满足大型无线传感器网络的需求。

　　对于已有的路由方面研究成果而言，无论是平面路由还是分簇路由，其共同的缺点是通常只考虑能量约束。尽管节能是无线传感器网络的一个关键问题，但在设计路由协议时单纯只考虑节能问题是远不够的。随着传感器网络应用范围的迅速扩大和支持图像传送的新型传感器的应用，要求传感器网络不仅能传送数据业务，同时需要传输具有QoS要求的图像业务。同时，不同的传感数据的重要性和紧急性也不同，如传送火警的数据比温度数据更紧急，对传送的服务质量要求也更高。所有这些都要求传感器网络的路由协议不仅需要考虑可扩展性、节能等问题，同时需要具有QoS保证功能，另外，安全性也是路由协议需要考虑的一个重要方面，因为错误的路由信息会使传感数据不能到达接收节点，大量非法的路由信息甚至可能导致整个传感器网络的瘫痪。因此，需要进一步研究具有可扩展性好、提供QoS保证和良好的安全性的分簇路由协议。