无线传感网路由协议的分析比较

无线传感网路由协议的分析比较

无线传感网技术是对当今经济和社会进步发挥重要作用的技术，对于现代军事、信息技术、制造业等多个重要的领域产生着巨大的影响。而无线路由协议则是无线传感网研究中的热点问题。文章对于几个典型的平面路由协议和分层路由协议进行了介绍，分析了它们各自的利弊，并对它们进行了比较。

标签：无线传感网；路由协议；传感器节点

1 无线传感网概述

无线网络即使用无线传输介质的网络。目前有两种无线网络，基础设施网络和对等网络。基础设施网络的无线终端需要配置无线网卡，并通过接入点（AP）连接入网。对等网络即Ad hoc网络，不需要AP的支持，终端设备之间可以直接通信。无线Ad hoc网络又可分为两类，移动Ad hoc网络和无线传感器网络。前者的终端是快速移动的，后者的结点是静止的或者移动很慢。

无线传感网由大量的静止或移动的传感器组成，它们以自组织和多跳的方式构成无线网络，相互协作以探测、处理和传输网络覆盖区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。无线传感器网络技术在军事应用、智能家居、环境监测、建筑物质量监控、医疗护理等各个方面都有广泛应用[1]。

无线传感网的系统结构包括监测区域（Sensor Field）、传感器节点（Sensor Node）和汇聚节点（Sink Node）[2]。监测区域中包含了各种需要采集数据的观察对象；传感器节点用于采集观察对象的相关数据，并将处理后数据传给汇聚节点；汇聚节点用于收集由传感器节点传递来数据，并将数据传送到远程中心进行集中处理。

2 无线路由协议

无线路由协议是无线传感网研究中的热点问题。无线传感网的路由协议负责在源节点和目的节点之间可靠地传输数据，包括路由选择和数据转发两个功能。根据网络的拓扑结构是否有层次，可以将路由无线路由协议分为平面路由协议和分层路由协议[3]。

2.1 平面路由协议

平面路由协议适用于具有平面结构的网络，所有节点之间地位平等，协议相对简单。源节点和目的节点之间一般存在多条路径，可共同承担网络负荷，通常不存在瓶颈，网络具有较强的健壮性。然而，节点的组织、路由的建立、控制与维持所产生的开销需要占用较大的带宽，从而影响网络数据的传输速率。另外，当网络规模较大时需要损耗很大的能量，并且网络的可扩展性较差。因此，平面路由协议只适用于规模较小的网络。

2.1.1 Flooding协议。Flooding（洪泛）路由协议是最早也是最简单的路由协议，节点接收到消息后以广播形式转发给所有相邻的节点，直到数据包到达目的节点（成功）或跳数达到最大值（丢弃）。

此协议的优点是协议简单，节点只负责无条件地转发数据包，不需要维护网络拓扑及相关路由算法，但也因此造成效率不高。另外，节点如果几乎同时从邻居节点收到多份相同数据会产生广播风暴；节点如果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会产生交叠；节点不考虑自身资源限制，在任何情况下都转发数据会造成资源的盲目利用。

2.1.2 Grossing协议。Grossing（闲聊）路由协议在Flooding协议的基础上进行了改进，节点对于产生或收到的数据并不是无条件转发，而是随机转发，因此在一定程度上解决了Flooding协议广播风暴的问题。但是随机转发数据增加了信息传输的平均时延，导致传输速度变慢，并且无法解决部分交叠和盲目利用资源问题。

2.1.3 SPIN协议。SPIN（信息协商传感协议）是一种自适应路由协议，通过协商机制解决了广播风暴的问题。节点不广播完整的采集数据信息，而是先广播数据的属性描述信息（元数据）。只有当其他节点有相应的数据请求时，才有目的地向其发送完整数据信息。因此在SPIN协议中需要定义三种类型的消息，ADV、REQ和DATA。ADV即广播的元数据，REQ用于请求发送数据，DATA 即完整数据信息。

2.2 分层路由协议

分层路由协议适用于分层结构网络，网络被划分成多个簇。每个簇按照一定规则选举一个簇头，其它为簇成员。簇头节点不仅负责所管辖簇内数据的收集和处理，还负责负责簇间数据的转发，而簇成员只负责数据的采集。

2.2.1 LEACH协议。LEACH（低功耗自适应聚类）协议的基本思想是通过等概率地随机循环选择簇头，将整个网络的能量负荷平均分配到每个传感器节点[4]。

在LEACH协议中，各个节点可以机会均等地成为簇头节点，实现了负荷分摊，降低了网络能量耗费、延长了网络生命周期。但是不是每个节点都能与汇聚节点直接通信，扩展性差，不适合大规模网络。同时，协议没有考虑到簇头节点的均匀分布，有可能某个区域簇头节点较集中，而其他区域没有任何簇头。另外，频繁选举簇头引发的通信量耗费了能量。

2.2.2 TEEN协议。TEEN（阈值敏感的高效节能传感器网络协议）是在LEACH 的基础上发展而来的，只是在数据传送时采用了不同的策略。

该协议设置了硬、软两个阈值，在每次新簇头产生时将它们广播出去。节点

监测到的数据第一次超过硬阈值时，就把此数据设为新的硬阈值，并在下一个时隙发送给簇头。然后只有当监测到的数据超过硬阈值并且监测数据的变化幅度大于软阈值时，节点才会传送最新的监测数据，并将它设置为新的硬阈值。

通过调节两个阈值的大小，可以在精度要求与系统能耗之间取得平衡。并且可以监视一些突发事件和热点地区，减少了不必要的数据传输。但是门如果限值始终达不到，节点就不会和簇头通信，用户将无法得到任何数据。另外，节点监测到合适的数据会实时传输，但是采用TDMA方式会导致数据延迟。

2.2.3 PEGASIS协议。PEGASIS（传感信息系统的节能积聚）并不是严格意义上的分层路由协议，但借鉴了分簇算法的思想。各传感器节点选择最近的邻居节点形成链，并采用一定的算法选举链首，链首与汇聚节点可直接通信。协议利用令牌来控制各节点的数据沿链传送到链首，在传送过程中可聚合数据，再由链首传递给汇聚节点。当链两端的数据都传送完成时，开始新一轮选举与传输。

3 无线路由协议性能比较

由上可知，各路由协议各有利弊。下面协议的路由结构、生存时间、节点定位、健壮性、可扩展性、节能性、节点移动性等方面进行总结。

从表中可以看出，平面路由协议较为简单，适用于小型网络，而分层路由协议性能较好，适用于大型网络。

4 结束语

文章首先介绍了无线传感网的概念、系统结构和特点，然后将无线路由协议分为平面路由协议和分层路由协议，并介绍了几种典型的无线路由协议，并对它们的优缺点进行了分析。最后对几种路由协议从各个方面进行了比较。

参考文献

[1]余成波，李洪兵，陶红艳.无线传感器网络实用教程[M].北京：清华大学出版社，2012.

[2]李建中，李金宝，石胜飞.传感器网络及其数据管理的概念问题与进展[J].软件学报，2003（3）.

[3]崔逊学，左从菊.无线传感器网络简明教程[M].北京：清华大学出版社，2012.

[4]Gaurav Gupta，Mohamed Younis. Load-Balanced Clustering of Wireless Sensor Networks[J]. Proceedings of the 2nd ACM international symposium on Mobile ad hoc networking & computing.2003.