无线传感网络路由协议研究新动向

第33卷第4期湖南科技学院学报V ol.33 No.4 2012年4月 Journal of Hunan University of Science and Engineering Apr.2012
无线传感网络路由协议研究新动向
梁小芝李玲香
(湖南科技学院 计算机与通信工程系，湖南 永州 425100)
摘 要：无线传感器网络因其明显的性能优势和巨大的应用前景而受到学术界和工业界越来越广泛的重视。

在无线传感器体系结构中，网络层路由协议是无线传感网络的核心问题。

文章阐述了无线传感器网络的特点，路由协议的要求，并对重要的路由协议工作原理进行了技术分析，从协议性能的角度比较了各个路由协议的特点，最后在文中对WSN路由协议的研究仍存在的问题和挑战进行了论述，指出了未来无线传感器网络路由协议的研究方向。

关键词：无线传感器网络；路由协议；数据融合；QoS；安全机制
中图分类号：TP79文献标识码：A 文章编号：1673-2219（2012）04-0073-05
0 引 言
无线通信技术、数字信号处理以及传感器技术的高速发展和日益成熟，为以信息获取、信息处理和传输为基础的无线传感器网络[1]（Wireless Sensor Networks，WSNs）提供了有力的支持。

无线传感器网络在军事国防、环境监测、生物医疗、抢险救灾以及商业应用等领域具有广阔的应用前景。

与无线传感器网络最为相似的移动自组织网络（mobile Ad Hoc networks，MANET），尽管两者都是无线自组织多条网络，但差异很大：节点数量极大，节点不一定具有全球唯一的标识；分布密度远远超过以往ad hoc网络中的节点数；大部分节点不像MANET节点一样快速移动；节点出现故障的可能性明显大于MANE网络；节点的存储能力、计算能力和电能极其有限；节点主要采用广播方式通信，而MANET网络大都采用点对点方式通信；
这些差异使得MANETs 路由协议不适合直接运用到WSNs中，需要结合WSNs的特点对其进行改进，或提出新的路由协议。

1 无线传感网络路由协议特点和设计要求
1.1 无线传感网络路由协议的特点
和传统的路由协议相比，无线传感器的路由协议有以下
收稿日期：2012－03－30
基金项目：湖南省科技计划项目（项目编号2010FJ30 42）。

作者简介：梁小芝 (1963－)，女，湖南湘潭人，副教授, 高级实验师，研究方向为计算机应用技术，智能信息处理与物联网技术。

特点：
(1) 能量有限。

由于传感器节点能量的限制，无线传感器网络的路由协议设计要以节能作为首要考虑因素，减少节点能耗和延长网络的生存时间是协议设计要考虑的首要问题。

(2) 基于局部拓扑信息。

无线传感器网络为了节省通信能量，通常采用多跳的通信模式，而节点有限的存储资源和计算资源，使得节点不能存储大量的路由信息，不能进行太复杂的路由计算。

在节点只能获取局部拓扑信息和资源有限的情况下，如何实现简单高效的路由机制是无线传感器网络的一个基本问题。

(3) 无线传感器网络路由协议是以数据为中心进行路由的，它只提取某个区域的某个指标的值，而不会去关注某个具体节点的感知数据。

(4) 应用相关。

无线传感器网络的应用环境千差万别，不同的应用需要设计不同的路由协议与之相适应。

1.2 无线传感器网络协议的设计要求
针对无线传感器网络路由协议的上述特点，在设计路由协议时需要满足下列要求：
(1) 能量高效。

由于无线传感器网络节点能量有限，所以路由设计将能量高效放在首位，即要求路由算法尽可能简单，信息传输尽可能高效节能。

(2) 容错性。

传感器节点容易因为能量或环境影响而失效，这要求路由协议具有移动的容错能力。

(3) 鲁棒性。

路由算法应具备一定的自适应能力和容错能力，不能因为由于部分节点的失效而影响整个网络的工作，而且无需人为的干预就可自行适应各种不同的应用环
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境。

(4) 可扩展性。

不同的应用所需节点数量不同，网络规模也不同，路由设计应易于扩展，以便适应不同应用规模的需求。

(5) 低延时性。

不同的应用对时延有不同的要求，路由算法必须能满足各种应用对低延时要求，要及时准确地将数据传送到指定的节点。

(6) 减少冗余信息。

为尽可能减少数据发送，路由协议设计需要以数据为中心考虑，通过数据融合来有效减少信息冗余。

(7) 安全。

为防止监测数据被盗取和获取伪造的监测信息，路由协议应具有良好的安全性能，降低遭受攻击的可能性。

2 无线传感网络路由协议的分析
由于路由协议分类的不确定性，有时一种同时具有多种属性，可以同时分属于多类，本文就对当前典型的路由协议机制和优缺点进行分析。

（1）Flooding和Gossiping [2-3 ]：这是两个最为经典和简单的传统网络路由协议。

Flooding是一种传统的最基本的网络路由协议，不需要知道网络拓朴结构和使用任何路由算法。

节点将数据副本广播给每个邻居节点，邻居节点又将其传输给各自的每个邻居节点，直到将数据传输到目标节点为止。

Flood协议具有实现简单；不需要为保持网络拓扑信息和实现复杂的路由发现算法而消耗计算资源；适用于健壮性要求高的场合的优点，但存在信息爆炸(Implosion)问题和出现部分重叠(Overlap)现象和盲目使用资源的缺点。

Gossiping是Flooding的改进版本。

节点随机选择某一个邻居节点转发分组，而不是用广播，如果一个节点第二次收到它的邻居节点的数据副本，则将此数据发回邻居节点。

优点：节约能量，避免了“内爆”问题。

缺点：仍然无法解决部分重叠现象和盲目使用资源问题，而且数据传输平均时延拉长，传输速度变变慢。

（2）SPIN（Sensor Protocols for Information via Negotiation）[4]：SPIN是由Kaulik等提出的第一种以数据为中心的自适应通信路由协议。

协议的基本思想是采用3次握手协议来实现数据的交互，在数据转发过程中使用3种数据报文：ADV、REQ 和DATA。

当一个节点采集的数据后，将广播ADV 报文给其邻居节点，如果邻居节点希望接收该数据，则返回REQ 报文，数据源节点将发送DATA 报文给该节点。

该协议通过ADV 消息和数据命名机制解决了Flooding 协议中的内爆和重叠问题。

优点：元数据的传输耗能相对较少；只广播其它节点没有的数据，减少了能耗；不维护邻居节点信息，适应节点移动的情况。

缺点：健壮性差。

会出现“数据盲点”，进而影响整个网络信息的收集。

不适用于高密度节点分布的情况。

（3）DD（Directed Diffusion）[5]：是一种基于数据的查询驱动的路由协议。

DD路由机制分为周期性的兴趣（Interest）扩散、梯度（gradient）建立和路径加强三个阶段。

在兴趣扩散阶段，sink 节点通过广播兴趣消息来寻找数据源。

梯度建立阶段，网络中各节点对兴趣消息进行缓存与合并，并创建包含上报率、下一条等信息的梯度，从而建立多条指向sink 节点的路径。

路径加强阶段，sink 节点会对最先收到消息的邻节点发送路径加强信息。

接收到该信息的节点做路径加强工作，源节点沿这个较高梯度的路径发送数据。

当主路径失效时，其他发送梯度较小的路径作为备用路径。

这种机制增强了路由的稳定性。

优点：健壮性好；正向加强机制能快速优化传输路径；数据融合能减少通信量；使用查询机制按需建立路由，避免保存全网信息。

缺点：梯度建立的开销很大，不适合多sink 点网络；数据聚合过程采用时间同步技术，会带来较大开销和时延。

（4）GEAR (Geographic and Energy Aware Routing)[6]：GEAR也可以认为是Directed Diffusion方法的一种改进。

利用位置信息向某一个特定的区域广播查询请求，根据位置信息和节点能量剩余情况，将数据发回到汇聚节点。

优点：避免了扩散传播，节省能源，网络寿命延长。

缺点：由于缺乏足够的拓朴信息，路由过程中可能遇到路由空洞，反而降低了路由效率。

只适用于节点移动性不强的应用环境。

（5）LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）[7]：它是2000年麻省理工学院电子工程和计算机科学系的WendiHeizelman 等人为WSNs专门设计的分簇路由协议。

LEACH的基本思想是将整个网络划分为不同的簇，簇类节点的数据发送和接收由簇头负责，簇头节点以循环的方式随机选择，这样把网络的负载均匀地分布在整个网络上，很大程度上节约了通信过程中的能量损耗。

该协议分为两个阶段操作：簇的建立阶段和传输数据的稳定阶段。

在簇的建立阶段，相邻节点动态地形成簇，随机产生簇头；在数据通信阶段，簇内节点把数据发给簇头，簇头进行数据融合后把结果发送给基站。

其中，簇的建立过程又可以分成4个阶段：簇首节点的选择、簇首节点的广播、簇的建立和调度机制的生成。

优点：随机选择簇头，平均分担路由业务，减小了能耗。

缺点：不适合大范围的应用；集群分组方式带来了额外开销以及覆盖问题；仅适用于每个节点在单位时间内需要发送的数据量基本相同的情况，而不适合突发数据通信。

（6）PEGASIS协议[8]：PEGASIS实在LEACH协议的
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基础上改进设计的，并不是非常严格的簇类协议，却延用了簇的思想。

PEGASIS的基本思想是：节点通过定位装置或者通过发送能量递减的测试信号来发现距自己最近的邻居节点，然后从距基站最远的节点开始，采用贪婪算法来构造一条链，这条基于地理位置的链就是PEGASIS中的簇。

链上的相邻节点是地理位置上距离最短的两个邻居节点，前提是假设这些节点都是静止的。

PEGASIS中的数据传输使用令牌(Token)机制：簇头产生一个令牌，发送到链的一端，通知末梢节点开始传输数据，簇头与末梢之间的每个节点接收到数据之后，先与自己采集的数据进行融合处理，再向下一个节点转发，直至数据传输到簇头，簇头受到一侧的数据后再将令牌发送到链的另一端，开始同样的过程。

簇接收到两侧传送来的数据后再发送给BS。

PEGASIS中的数据在距离最短的相邻节点之间传输，因而节点只以最小功率发送数据分组，在每个中间节点还进行了数据融合，这样减少了业务流量，整个网络的功耗也就减少了。

（7）TEEN（Threshold Sensitive Energy Efficient Sensor Networkrotocol）[9]：TEEN是在LEACH算法的基础上，针对检测突发事件的场景，对sensor节点进行两次集群分组，同时利用了过滤方式来减少数据传输量。

该协议定义了硬、软两个门限来过滤发送数据。

只有满足如下两个条件的时候才能发送数据：当前数据的属性值大于硬门限；当前数据的属性值与上一次发送数据的属性值之间的差距大于软门限。

该协议通过利用软、硬门限减少了数据传输量。

优点：通过设置硬阈值和软阈值两个参数，TEEN能够大大地减少数据传送的次数，节省大量能源。

适合于需要实时感知的应用环境中。

缺点：如果某个节点的检测数据始终达不到硬门限，用户将无法得到任何数据，也无法知道这个节点是否失效，因此这个方法不适用于需周期性采样的网络。

其缺点是：如果数据的属性值一直达不到门限，节点不会发送数据，用户将接收不到网络的任何数据，并且不能得知所有节点是否死亡。

（8）SAR（Sequential Assignment Routing）[10]：它是1999 年Katayoun Sohrabi 等人在DARPA 支持的一个研究中提出的一种保证QoS 的路由协议。

协议中sink 节点的所有一跳邻节点都以自己为根建立生成树，其余各节点根据时延、丢包率等QoS 参数来反向建立到sink 节点的多条路径。

在选择路径时， SAR 协议充分考虑了功耗和分组优先权等特殊要求，采用局部路径恢复和多路径备份策略，避免由于节点或链路失败而引起的重新计算路由的开销。

(9) SPEED 协议[11]是一种提供端到端软实时保证，并具有一定拥塞控制功能的QoS 协议。

该协议保证网络上的数据包以一定的速率传输，从而根据传感结点到汇聚结点的距离和数据包的传输速率，能够估计出数据包的端到端传输延迟。

SPEED 协议中每个结点记录所有相邻结点的地理位置信息和转发速度，并设定一个速度门限。

当结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结点中距离目的位置比当前结点近的所有结点划分为转发结点候选集合，然后把转发结点候选集合中转发速度高于速度门限的结点划分为转发结点集合，在这个集合中转发速度越高的结点被选为转发结点的可能性越大。

如果没有结点属于这个集合，则利用反馈机制重新路由。

这样就保证传输的实时性，避免了拥塞。

同时，因为传输延时越小的区域传输负荷越小，这样就平衡了整个网络的传输负荷，从而分摊了每个结点的能量消耗。

(10）GAF[12]：GAF路由算法的基本思想是引入节点的动态睡眠调度机制，使传感器节点尽量处于睡眠状态，从而降低网络的能耗。

该协议首先通过划分虚拟网格的方式确定数据转发的等价节点，然后在在虚拟网格中只需要一个节点处于活动状态，其他节点睡眠来节约全网的整体能耗。

(11）GPSR[13]：路由算法是基于地理位置信息的路由算法，在数据转发时采用了贪婪策略选择下一跳网络节点，即数据源节点在自己的邻居节点中选择距离最近的一个节点作为下一跳节点。

MTE 路由协议最小化能量传输协议，在数据转发时在邻居节点中选择通往基站节点的能耗最小的节点作为下一跳路由。

3 无线传感网络路由协议综合比较
无线传感器网络的特点要求路由设计，必须首要考虑协议的节能性（生命周期）、数据融合性、扩展性、健壮性；其次考虑协议的安全性、移动支持性、QoS支持性等方面。

评价WSN路由协议性能可以从多个方面进行衡量。

为了更好地揭示协议的特点，表1从协议的网络的生存时间、路径选择、数据融合、节点定位、健壮性、可扩展性、是否提供QoS支持、对移动性支持的好坏以及是否提供安全机制等方面进行了总结。

从表-1比较结果可以看出每种路由协议都有其优缺点，分别适用于不同的应用场合，现有的无线传感器网络路由协议设计基本上都是以节能、延长网络生命周期为主要目的。

在一定程度上解决了能源消耗问题，但还存在以下问题：移动性的支持比较差；不支持QoS；没有安全机制；单路径协议占多数等。

由于无线传感器网络路由协议的设计与应用密切相关，在实际应用中到底选择哪一种路由协议，要根据具体应用和各路由协议的特点进行综合考虑。

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表-1 无线传感器网络路由协议综合比较
4 路由协议研究仍存在的问题及挑战
迄今为止，国内外已经提出了近百种无线传感器网络的路由协议，分别应用在不同的场合。

然而随着应用的不断发展，无线传感器网络路由协议仍存在许多问题有待进一步深入研究及面临新的挑战，主要体现在以下方面：
（1）节能性：由于传感器网络能量的限制，减少节点能耗和延长网络的生存时间仍将是路由协议设计首要考虑的问题。

（2）可靠性：无线传感器网络的结点容易出现故障。

如何利用结点易获得的网络信息计算路由，确保在路由出现故障时能够尽快得到恢复，以及如何进行数据的高可靠传输，是路由协议设计需解决的关键问题。

（3）QoS支持：近年来，实时传输图像、视频将成为无线传感器网络极其普遍的应用需求，无线多媒体传感网正成为一种崭新研究领域。

无线多媒体路由协议应解决由视频和图像传感以及实时应用引起的QoS问题。

设计传输质量高，传输时延小、满足实时性要求的QoS保障的路由机制成为首要策略。

即使在有线网络中，QoS路由实现仍然是一个带有挑战性的问题，在无线传感器网络，由于增加了动态拓扑结构，资源受限（能量受限、带宽受限、计算能力受限、存储受限），QoS路由的实现具有更大的难度。

（4）安全性：无线传感器网络的固有特性使得其路由协议极易受到安全威胁。

对于秘级很高的应用领域，如军事应用，对路由协议的安全性提出了新的需求，目前这方面的研究尚在起步阶段。

（5）可扩展性：无线传感器网络一般节点众多，可扩展性是衡量路由协议的一个重要方面。

为了适应网络规模的扩大，提高路由协议的可扩展性是一个无法回避的问题。

（6）组播路由：组播是一种优化带宽的路由技术，允许IP数据流从一个源或多个源发送到多个目的地，有助于节省带宽和减少控制开销。

组播路由选择本身就是网络的一个难题，在无线传感器网络动态环境中进行组播更具有挑战性。

（7）跨层协议优化：传统的严格分层设计方法不能很好地适应无线通信的特点，没有充分利用网络资源以实现最优的性能。

近年来无线传感器网络的跨层优化设计也成为了研究的一个新的热点。

（8）支持单向路由信道：受地理位置和无线传感器。

（9）移动性的支持：相比于普通的Ad Hoc网络路由，由于目前的无线传感器网络路由协议对网络的拓扑结构感知能力和移动性的支持比较差，许多路由协议只支持在拓扑结构变化很少的场合。

如何在控制协议的开销的条件下，支持快速拓扑感知，是一个重要挑战。

（10）WSNs与其他网络融合。

物联网的发展势必带来异构网络之间的融合。

其中包括WSNs与IPv6融合和WSNs 与移动通信网络的融合。

设计异构的无线传感器路由协议是网络融合技术的关键。

（11）无线传感器网络路由协议将继续基于数据、位置的方向发展。

这是由无线传感器网络一般不统一编址和以数据为中心的特点决定的。

5 结束语
无线传感器网络的路由协议研究一直是该研究领域的热点。

尽管人们提出很多很好的路由算法，但与实践应用还是有一定的差距，需要进一步改进原由算法，同时随着无线传感器网络的应用不断发展和网络规模不断扩大，路由设计面临许多的新的问题和挑战。

本文通过对当前各种协议进行了分析与总结，并指出路由协议设计研究存在的问题及未来发展方向。

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Flooding 否多跳无否好差无一般无Gropssing 一般单跳无否差差无一般无SPIN 是单跳有不是差一般无好无DD 是多跳有不是好较好无好无GEAR 是多跳有是好一般无一般无LEACH 是单跳有否好好无一般无PEGASIS 是多跳有否差一般无无无TEEN 是多跳有不是有好无无无SAR 是多跳无不是一般好无一般有SPEED 是单挑不是好一般无不好有GAF 是不是有不是好一般无一般无
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（责任编校：周欣）
New Study Trends of Routing Protocol in Wireless Sensor
LIANG Xiao-zhi, LI Ling-xiang
(Department of Computer Science, Hunan University of Science and Engineering, Yongzhou, Hunan 425100, China) Abstract: Wireless sensor network is extensive concerned by academia and industry for its obvious advantages and great application prospect. In wireless sensor system structure, the network layer routing protocol is the core of wireless sensor network . The characteristics of wireless sensor network, and design principles of routing protocol are described in this paper. Secondly, the current representative routing protocols are analyzed on Routing mechanism, and compared the characteristics of those routing protocols on performance parameters. Finally, some problems and challenges of routing protocol research are discussed, and point out the future wireless sensor network routing protocol research trends in this paper.
Keywords: Wireless Sensor Networks(WSNs); Routing protocol; Data fusion; QoS; Security Mechanism
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