引言

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)內(nèi)的大量廉價微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成,通過無線通信方式形成一個多跳的、自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),其目的是協(xié)作的感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息,并送給觀察者。相對與目前常見無線網(wǎng)絡(luò)(包括移動通信網(wǎng),無線局域網(wǎng)、藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)、Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)等),無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有硬件資源有限。電源容量有限,無中心,自組織,多跳路由,動態(tài)拓?fù)?節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多,分布密集的特點(diǎn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事偵查,環(huán)境檢測,醫(yī)療監(jiān)護(hù),農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖,工業(yè)生產(chǎn)過程監(jiān)控,空間探索及商業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　1 路由協(xié)議的分類和過程描述

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議的研究早從Flooding 開始,逐漸受到關(guān)注。研究人員已經(jīng)提出了許多針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議,可以從不同的角度對它們進(jìn)行分類。到目前為止,仍缺乏一個完整和清晰的路由協(xié)議分類。

　　本文根據(jù)路由協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方法特點(diǎn), 將現(xiàn)有的路由協(xié)議主要分為四類:基于聚簇的路由協(xié)議、以數(shù)據(jù)為中心路由協(xié)議、基于地理位置路由協(xié)議和能量感知路由協(xié)議。

　　1.1 基于聚簇的路由協(xié)議

　　1.1.1 LEACH

　　LEACH 協(xié)議是個基于聚簇的協(xié)議。它定義了“輪”(round)的概念,一輪由初始化和穩(wěn)定工作兩個階段組成,每一輪初始化階段重新選擇聚類首領(lǐng), 聚類首領(lǐng)必須選擇沒有當(dāng)過聚類首領(lǐng)的節(jié)點(diǎn),選取原則:傳感器節(jié)點(diǎn)生成0,1 之間的隨機(jī)數(shù),如果小于閾值T,則選該節(jié)點(diǎn)為聚類首領(lǐng)。一旦聚類首領(lǐng)選定,它們主動向所有節(jié)點(diǎn)廣播這一消息, 節(jié)點(diǎn)根據(jù)能量的原則選擇屬于哪個聚類,基于時分復(fù)用的方式,聚類首領(lǐng)為其中每個成員分配通信時隙;在穩(wěn)定工作階段,節(jié)點(diǎn)持續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù),按照時分復(fù)用時隙向聚類首領(lǐng)發(fā)送數(shù)據(jù),簇首進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)融合處理,發(fā)往sink 節(jié)點(diǎn)。持續(xù)一段時間,整個網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入下一輪工作周期。

　　1.1.2 TEEN

　　TEEN 和LEACH 的路由實(shí)現(xiàn)機(jī)制相似,但前者組織的網(wǎng)絡(luò)是響應(yīng)型而后者是主動型的。在TEEN 中定義了硬、軟兩個門限來確定是否需要發(fā)送數(shù)據(jù),通過調(diào)節(jié)軟門限值的大小,可以在監(jiān)測與系統(tǒng)能耗之間取得合理的平衡。TEEN 通過擬制不必要的通信實(shí)現(xiàn)節(jié)省能量,比LEACH 更有效。TEEN 協(xié)議適用于實(shí)時性要求較高的應(yīng)用場合,比如入侵警報,爆炸預(yù)警等。

　　1.1.3 PEGASIS

　　PEGASIS 是針對LEACH 的缺點(diǎn)提出的,在該協(xié)議中,所有節(jié)點(diǎn)視做一個簇,每一輪只選一個節(jié)點(diǎn)作為簇首與sink 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一跳通信。為保負(fù)載平衡,輪轉(zhuǎn)地選擇簇首。節(jié)點(diǎn)只同近的相鄰節(jié)點(diǎn)通信,從而建立一條包含網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)的鏈路。該協(xié)議避免LEACH 協(xié)議頻繁選舉簇頭帶來的通信開銷, 每個節(jié)點(diǎn)都以功率發(fā)送數(shù)據(jù)分組,并完成必要的數(shù)據(jù)融合,減少業(yè)務(wù)流量,因此網(wǎng)絡(luò)的功耗較小。

　　1.2 以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議

　　1.2.1 SPIN 協(xié)議

　　SPIN 協(xié)議是以數(shù)據(jù)為中心的自適應(yīng)路由協(xié)議,通過協(xié)商機(jī)制解決泛洪協(xié)議的“內(nèi)爆”和“重疊”問題,協(xié)議的主要思想:傳感器節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)前先進(jìn)行協(xié)商, 僅將數(shù)據(jù)發(fā)送到需要的相鄰節(jié)點(diǎn),這種協(xié)商制度可以確保有效的數(shù)據(jù)傳輸。節(jié)點(diǎn)用元數(shù)據(jù)描述傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)屬性, 元數(shù)據(jù)中包含了原始數(shù)據(jù)的一些關(guān)鍵信息。傳感器節(jié)點(diǎn)間通過發(fā)送元數(shù)據(jù),而不是整個的采集數(shù)據(jù)。元數(shù)據(jù)小于采集的數(shù)據(jù),所以傳輸元數(shù)據(jù)可以節(jié)省能源。

　　SPIN 有3 種類型消息,即ADV、REQ 和DATA。用ADV 廣播新數(shù)據(jù),用REQ 請求接收數(shù)據(jù), 用DATA 封裝數(shù)據(jù)。

　　1.2.2 DD 協(xié)議

　　DD(Directed Diffusion) 曹建玲: 講師博士研究生協(xié)議是以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議中的典范。在定向擴(kuò)散協(xié)議中, 路由的建立由sink 節(jié)點(diǎn)發(fā)起,sink節(jié)點(diǎn)向所有節(jié)點(diǎn)廣播“興趣”來尋找數(shù)據(jù)源。節(jié)點(diǎn)在收到“興趣”

　　后保存在它的CACHE 中,每個興趣項(xiàng)(interest entry)包含一個時間標(biāo)簽域(time stampfield)和若干個梯度域。每個節(jié)點(diǎn)只了解發(fā)送請求的相鄰節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)通過建立梯度(gradient)來轉(zhuǎn)發(fā)“詢問”

　　給它的相鄰節(jié)點(diǎn)。終“, 興趣”到達(dá)源節(jié)點(diǎn), 源節(jié)點(diǎn)到匯節(jié)點(diǎn)sink 之間的梯度場就建立起來了。一旦源節(jié)點(diǎn)采集到興趣所需數(shù)據(jù),沿梯度方向傳數(shù)據(jù)到匯節(jié)點(diǎn)sink,梯度路徑也就是功耗路徑。

　　1.2.3 GBR 協(xié)議

　　GBR(gradient based routing)路由協(xié)議是DD 協(xié)議的一種改進(jìn)路由算法,目的是使數(shù)據(jù)報文傳輸?shù)目偺鴶?shù)。其關(guān)鍵思想是當(dāng)DD 協(xié)議中的興趣消息擴(kuò)散到整個網(wǎng)絡(luò)時, 節(jié)點(diǎn)需要記錄跳數(shù)。由此,每個節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)到sink 節(jié)點(diǎn)的跳數(shù),并將這個跳數(shù)作為節(jié)點(diǎn)的height; 鄰居節(jié)點(diǎn)之間的height 差就是鏈路的梯度。當(dāng)數(shù)據(jù)報文發(fā)往sink 節(jié)點(diǎn)時, 沿著梯度的方向傳送。

　　GBR 使用諸如數(shù)據(jù)融合、負(fù)載均衡等技術(shù),以獲得均勻的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。

　　1.2.4 Rumor 協(xié)議

　　Rumor 協(xié)議借鑒了歐氏平面圖上任意兩條曲線交叉幾率很大的思想?；舅枷胧?事件區(qū)域中的傳感器節(jié)點(diǎn)感知到事件后產(chǎn)生代理(Agent)消息。Agent 包括事件和源節(jié)點(diǎn)信息,且有一定的時限。代理消息沿著一條或多條隨機(jī)路徑向外擴(kuò)散, 同時sink 節(jié)點(diǎn)發(fā)送的查詢消息也沿著一條隨機(jī)路徑在網(wǎng)絡(luò)中傳播;當(dāng)代理消息和查詢消息的傳輸路徑交叉在一起時, 將會形成一條sink 到事件區(qū)域的完整路徑。如不交叉,sink 可Flooding 查詢請求。

　　1.3 基于地理位置的路由協(xié)議

　　1.3.1 GPSR 協(xié)議

　　GPSR 協(xié)議是基于地理位置的距離貪心路由協(xié)議。協(xié)議的思想:當(dāng)節(jié)點(diǎn)向目的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時,選擇距離目的節(jié)點(diǎn)近的鄰節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),當(dāng)滿足條件的鄰居節(jié)點(diǎn)不存在時出現(xiàn)問題,即數(shù)據(jù)到達(dá)了沒有比該節(jié)點(diǎn)更接近目的點(diǎn)的區(qū)域(稱為空洞),導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法傳輸。當(dāng)出現(xiàn)這種情況時, 空洞周圍的節(jié)點(diǎn)能夠探測到,并利用“右手法則”沿空洞周圍傳輸來解決這一問題。

　　1.3.2 GEM 協(xié)議

　　GEM(Graph Embedding)路由協(xié)議基本思想是用一個虛擬極坐標(biāo)系統(tǒng)表示W(wǎng)SN 的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)形成一個以匯聚節(jié)點(diǎn)為根的帶環(huán)樹(Ringed Tree),并在這個帶環(huán)樹上實(shí)現(xiàn)路由。GEM 帶環(huán)樹的建立由匯聚點(diǎn)發(fā)起,通過逐步擴(kuò)散從而建立覆蓋整個網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)錁?。它不依賴?jié)點(diǎn)的位置信息,將網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際拓?fù)溆成涞揭粋€易于進(jìn)行路由處理的邏輯拓?fù)渲?。?dāng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)位置改變引起網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓瘯r,樹的調(diào)整比較復(fù)雜,因此,GEM 適應(yīng)于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定的傳感器網(wǎng)絡(luò)。

　　1.4 能量感知路由協(xié)議

　　能量路由是早提出的WSNs 路由機(jī)制之一,包括PA(剩余能量)路由,能量消耗路由,少跳數(shù)路由,PA節(jié)點(diǎn)路由, 這些能量路由策略的實(shí)現(xiàn)需要知道整個網(wǎng)絡(luò)的全局信息。由于WSNs 存在能量約束,節(jié)點(diǎn)只能獲取局部的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息,所以它們只是理想情況下研究討論用的策略。為此,Shah 等提出了一種能量感知路由協(xié)議。此外還有基于地理位置的能量感知路由協(xié)議GAF 和GEAR。

　　1.4.1 EAR 協(xié)議

　　EAR(energy aware routing)協(xié)議是Shah 等人提出一個能量感知路由協(xié)議,該協(xié)議的主要思想:使用地理位置和節(jié)點(diǎn)類型標(biāo)識節(jié)點(diǎn),在源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間建立多條通信路徑,每條路徑都有一個與節(jié)點(diǎn)剩余能量相關(guān)的選擇概率, 當(dāng)原節(jié)點(diǎn)需要向目的節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)時, 協(xié)議根據(jù)路徑的選擇概率選擇一條路徑進(jìn)行傳輸。數(shù)據(jù)傳輸均衡消耗整個網(wǎng)絡(luò)能量,延長整個網(wǎng)絡(luò)的生存周期。

　　1.5 其他路由協(xié)議

　　大多數(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議都符合我們的分類, 還有一些路由協(xié)議采用不同的實(shí)現(xiàn)方法,例如,典型的基于網(wǎng)絡(luò)流量的路由協(xié)議有Chang 等人提出的化生存時間路由協(xié)議以及代價路由。典型的基于QoS 的路由協(xié)議有SAR 以及SPEED。

　　2 路由協(xié)議綜合比較

　　WSNs 具有與應(yīng)用高度相關(guān)的特點(diǎn),所以WSNs 路由協(xié)議同樣具有多樣性的特點(diǎn),很難說哪個協(xié)議更為優(yōu)越,表1 對本文重點(diǎn)討論的路由協(xié)議的特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)與比較。

　　3 研究發(fā)展方向

　　通過對典型協(xié)議的總結(jié)與比較, 可以看出每種路由協(xié)議都有其優(yōu)缺點(diǎn),分別適用于不同的應(yīng)用場合,現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計(jì)基本上都是以節(jié)能、延長網(wǎng)絡(luò)生命周期為主要目的。在一定程度上解決了能源消耗問題, 但是還存在以下問題:不支持QoS;移動性的支持比較差,沒有安全機(jī)制;單路徑協(xié)議占多數(shù)。可以看出將來無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議采用的某些研究策略與發(fā)展趨勢:

　　(1)QoS 路由。目前傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究重點(diǎn)主要集中在能量效率上, 而在未來的研究中可能還需要解決由視頻和成像傳感器以及實(shí)時應(yīng)用引起的QoS 問題。

　　(2)支持移動性。目前的WSNs 路由協(xié)議對網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涓兄芰鸵苿有缘闹С直容^差,如何在控制協(xié)議開銷的前提下,支持快速拓?fù)涓兄且粋€重要挑戰(zhàn)。

　　(3)安全路由。由于WSNs 的固有特性,其路由協(xié)議極易受到安全威脅, 是網(wǎng)絡(luò)攻擊的主要目標(biāo), 設(shè)計(jì)簡單、有效、適用于WSNs 的安全機(jī)制是今后努力的方向。

　　(4)有效功耗。WSNs 中數(shù)據(jù)通信為耗能,今后盡量通過使用數(shù)據(jù)融合技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸中采用過濾機(jī)制來減少通信量,并通過讓各節(jié)點(diǎn)平均消耗能量來保持通信量的負(fù)載均衡。

　　(5)容錯性。由于WSNs 節(jié)點(diǎn)容易發(fā)生故障,應(yīng)盡量利用節(jié)點(diǎn)易獲得的網(wǎng)絡(luò)信息計(jì)算路由, 以確保在路由出現(xiàn)故障時能夠盡快得到恢復(fù),可采用多路徑傳輸來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/P>

　　4 結(jié)束語

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中的熱點(diǎn)問題。本文對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了全面的描述。本文作者創(chuàng)新點(diǎn):根據(jù)路由協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方法特點(diǎn)把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的路由協(xié)議主要分為四類, 就這些分類分別描述了現(xiàn)有典型協(xié)議的原理,對各種協(xié)議進(jìn)行了綜合比較,明確了當(dāng)前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議存在的問題, 對未來的研究熱點(diǎn)問題進(jìn)行了展望。