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无线传感器网络路由协议综述

无线传感器网络路由协议综述
 
摘要:无线传感器网络路由协议主要考虑如何针对不同的应用和网络技术,
在不损害数据传输的前提下采用有效的路由算法,实现整个网络的生命周期最大化。提出了无线传感器网络路由协议分类方法, 然后着重分析了当前一些较为重要的路由协议的核心路由机制,对这些协议的特点进行了比较,最后展望了未来这一研究方向的发展趋势。
关键词:无线传感器网络;路由协议;汇聚节点;传感器节点
 
 
1.引言
无线传感器网络与传统网络有很大区别,这主要体现在几个方面,一是无线传感器网
络中节点数量庞大,所以不可能为每个节点都建立一个ID;二是无线传 感器网络中很多节点传输的数据相关性较大,存在相当程度的冗余信息,而这些冗余信息是完全可以剔除的; 三是无线传感器网络的数据包更小,因而数据传输开销更大;四是无线传感器网络节点的计算、存储、通信、 传输和处理能力均十分有限,需要高效的网络资源管理 手段;五是无线传感器网络节点通信高能耗,数据计算低能耗。
无线传感器网络的上述特点使得其不能直接采用众多传统网络的路由协议,因此产生了许多专门为无线传感器网络量身打造的路由协议。本文分析了无线传感器网络路由协议的设计原则,对无线传感器网络路由协议进行了分类,总结了当前典型的无线传感器网络路由协 议的机制与特点,指出了未来无线传感器网络路由协议的研究策略与发展趋势。
2.WSN路由协议的设计
对于无线传感器网络而言,路由协议主要是解决如何在传感器节点与汇聚节点之间确立最佳路径,并通过网络将信息从信息源传输到目的地。
路由协议的设计是无线传感器网络的重要研究内容,鉴于无线传感器网络存在诸如结点数量庞大、数据冗余大等特点,其路由协议的设计应考虑几个关键因素:(1)建立能源有效性路径。尽可能降低能源消 耗,选择能量消耗小的路径延长网络生命周期,是路由协议设计的首要原则;(2)可扩展性。路由设计应能 够适应网络结构的变化,具有一定的可扩展性;(3)容错性。能源耗尽或环境干扰等因素要求路由具有一定 的容错性,使得部分结点的失效不至于影响整个网络的 运行;(4)低延迟。能量和通信带宽等资源受限等因 素要求设计路由协议时应尽可能减少延迟。
3.WSN路由协议的分类
无线传感器网络的路由协议依据不同的标准有不同的分类方法,常见的有:(1)根据网络的拓扑结构以及节点在路由过程中的作用是否有差异,可分为平面式路由协议、分等级路由协议和位置路由协议。平面式路由协议中,所有节点的地位是平等的,分等级路由协议 中,节点角色不同;位置路由协议中,节点的位置被用来发送数据。(2)根据如何获得从源到目的的路由, 无线传感器网络路由协议也可以分为先验式、响应式和混合式。先验式路由协议中,所有的路由都经过预先计算,然后根据需要选用;响应式路由只在需要发起时才 按需计算路由; 混合式路由为两种方法的组合。(3)根据传输过程中采用路径的多少,可分为单路径路由协议和多路径路由协议。前者只采用一条路径进行传输,优点是节约存储空间,适合数据通信量少的情况下采用后者可从众多路由中选择一条最佳路由,鲁棒性强,具有一定的容错性。
4.典型路由协议分析
4.1 Flooding协议
Flooding路由协议是种传统的网络通信路由协议。某节点DS如果希望将数据发送给另一个节点DD,则节点DS首先通过网络将数据副本发送给每一个邻节点,每一个邻节点又将其传输给自己的每一个邻接点。这样继续下去,直到满足结束条件为止。所谓结束条件主要包括 将数据传输到目标节点DD、所有节点都拥有此数据副本 或者所设定的生命期限变为零等几种情况。
4.2 Directed diffusion协议[4,5]
Directed diffusion 协议是一种基于查询的路由机制, 也是一种平面式路由协议,与现有路由协议相比,其最大特点是引入了梯度的概念。汇聚节点或基站向所有传感器节点发送其兴趣消息(Interest,即通过分配不同属性 值来表示不同任务的描述符),每个传感器节点在收到兴趣消息后保存在各自的缓存(Cache)中。每个兴趣消息 项包含一个时间标签域和若干个梯度域。当一个兴趣消息传遍整个网络后,从源节点(即嗜好所在区域的传感器 节点 )到汇聚节点(即接收发送器)之间的梯度就建立起来了。一旦源节点采集到兴趣节点所需的数据,那么源 节点沿着该兴趣消息的梯度路径传输数据到汇聚节点。
4.3 Rumor协议[6]
Rumor 协议主要针对数据量传输较小的传感器网 络,是对Directed Diffusion 协议的一种改进,它引入了查 询消息的单播随机转发,克服了泛洪路由所存在的开销 过大问题。Rumor 协议借鉴了欧氏平面图上任意两条曲线交叉几率很大的思想。其基本原理是:事件区域中的 传感器节点产生事件信息,事件信息沿着随机路径向外 扩散传播,同时汇聚节点发送的查询请求也沿着一条随 机路径转发,当它与事件路径交叉时,就会形成一条汇聚节点到事件区域的完整路径,如果没有交叉,汇聚节点可以广播查询请求。
4.4 GPSR协议[7]
GPSR 协议是个典型的基于位置的路由协议。各结点产生或收到数据的结点向以欧氏距离计算最靠近网关节点的相邻节点作为下一跳节点并转发数据。由于数据会到达没有比当前结点更接近网关节点的区域,即出现了空洞(hole) ,导致数据无法传输。当出现这种情况时, 采用右手法则沿空洞周边转发数据来解决此问题。反复运行此过程,从而最终将数据发送到网关节点。
4.5 LEACH协议[8]
LEACH路由协议采用的是低功耗自适应的聚类路由算法,该协议的特点是数据融合和分级,这样不但能够减少通信数据量,而且有利于网络的扩展。LEACH协议分为两个阶段:
1:无线传感器路由协议的特点比较

聚类阶段和数据传输阶段。在聚类阶段,随机选择节点作为聚类中心,之后聚类中心向周围 广播信息,其余节点根据接收到广播信息的强度来决定 它所要加入的聚类,并通知相应的聚类中心。聚类中心具有和汇聚节点直接通信的“特权”,而一般聚类成员只能与相应的聚类中心通信。在数据传输阶段,节点持续采集监测数据,并传送给聚类中心,经聚类中心对接 收到的数据进行融合处理后,发送给汇聚节点。为了均 衡分担能量,传感器节点轮流担任聚类中心,仅聚类中 心节点传输数据将节省能量,最佳的聚类中心数为总节点数的5%。
4.6 PEGASIS协议[9]
PEGASIS协议是LEACH 协议的改进,是基于链的能量有效协议。协议中结点只同距它最近的相邻结点通信,而且所有结点形成一个聚簇,每一轮只选一个结点作为簇头,避免了LEACH的动态分簇所带来的额 外开销。在 PEGASIS 协议中,传感器节点利用贪婪算法构造一条“链”,每个节点从邻节点接收和发送, 仅从链中选择一个节点作为簇头向基站传输数据。每个节点接收和发送数据到另一个节点,并与自己感知的数据聚集,最后传输到基站。如果距离接收器结点较远的结点充当簇头,该结点与汇聚节点之间的通信开销过大,会导致这个节点过早泯灭,为避免这种现象发生, PEGASIS 设置了一个距离阈值,如果结点到汇聚结点的 距离超过这个阈值,则将该结点作簇头。当链两端数据都传送完成时,开始新一轮选择与传输。
4.7 GEAR协议[10]
GEAR路由协议是一种充分考虑了能量有效性的基于位置信息的路由协议,主要是通过限制定向扩散协议中的兴趣数量,即仅发送兴趣给特定区域而不是整个网络以避免洪泛广播方式,从而降低能耗。其基本思想是:利用在传感器网络中向适当的区域发送的查询数据中包 含位置信息这一特点,将在整个网络中扩散的信息传送到适当的位置区域。该路由协议传送数据的过程分为两个阶段:即目标区域数据传送和域内数据传送。在目标区域数据传送阶段,当结点接收到一个数据分组,它就检 查自己的邻结点中是否有比自己离目标域的距离更近, 如有则选择与目标域距离最近的邻接点作为下一跳结点;若无,则认为出现了hole现象,根据邻节点的最小开销来选择下一跳节点。开销函数与结点能量和结点距离 目的结点的距离相关。在域内数据传送阶段,可通过两种方式让数据在域内扩散:①域内直接泛洪,②递归 目标区域数据传送,直到区域内剩下唯一的结点。
除了以上提及的无线传感器网络路由协议之外,还有SPEED[11]、TTDD[12]、TEEN[13]
Gossiping[14]、Spin[15]协议等。由于无线传感器网络路由协议与应用密切相关,所以直接说某种协议优于另外一种协议是不合适的,实际应用中选择哪一种路由协议需根据具体应用背 景并综合考虑各路由协议的特点。
5.结论与展望
未来的无线传感器网络路由协议将具有以下发展趋势:(1)安全性。由于 WSNs 的固有特性,其路由协议极易受到安全威胁,是网络攻击的重要对象,因此在一些应用中,尤其是秘级很高的应用领域如军事应用中,必须考虑设计设计简单、有效、适用于WSNs的安全机制。 (2)容错性。由于WSNs 节点容易发生故障,因此应可能 地利用节点易获得的信息来计算路由,并可采用多路径传输来提高数据传输的可靠性,从而确保路由出现故障的情况下能尽快恢复正常,以及如何进行数据的高可靠传输, 是路由协议需解决的关键问题。(3)平衡性。WSNs 中数据通信最为耗能,今后尽量通过使用数据融合技术、过滤 机制来减少通信量,并通过让各节点平均消耗能量、分担数据传输来保持通信量的负载均衡,提高整个网络的生存时间。(4)节能性。即通过减少通信量以节约能量,因为 WSNs 中频繁的数据通信非常耗能,因此应在协议中应在满足通信要求的前提下尽量减少数据通信量。例如可采用某种过滤或聚类手段,将冗余或不必要的数据剔除掉。 (5)实时性。实时地传输视频和图像数据将成为未来无线传感器网络非常普遍的应用需求。设计传输质量高、传输延迟小、实时性强的路由协议已成为未来路由协议研究的一个重要发展趋势。
 
 
参考文献
 
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网址:http://www.dgdxs.com/lunwen/dili/1978.html
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