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wsn中路由协议的研究刘娇 物联网技术xx年/第3期可靠传输Reliable Transmission420引言无线传感器网络（Wireless SensorNetworks，WSN）作为物联网的重要组成部分，具有广阔的应用前景1。 传统网络主要应用于用户间的数据通信和资源共享，相比之下，WSN应用范围更加广泛，例如环境监测、敌情侦查等。 对于WSN路由协议，应用场景的不同会导致它们之间存在某些差异。 本文主要从原理、特点以及优缺点三个方面对目前具有代表性的WSN路由协议进行分析，并对其特性进行归纳总结。 根据WSN中传感器节点的特性以及节点间数据传输的特征，可以将WSN路由协议分为以数据为中心的路由、层次路由、地理位置路由以及基于网络流量和服务质量的路由2。 1以数据为中心的路由传统网络中的路由协议通常是通过地址找到相对应的资源，即以地址为中心；而对于WSN，传感器节点的部署却无规律。 在这种情况下，节点的具体编号对用户来说并不重要，用户只需要得到融合后的、有价值的数据即可，即WSN主要以数据为中心。 以数据为中心的路由协议包括Flooding、Gossiping、SPIN、Directed Diffusion和Rumor。 1.1Flooding路由协议Flooding协议（洪泛路由协议）是一种传统的广播式路由协议3。 当环境中的某一传感器节点监测或接收到数据时，无条件的将数据转发给自己的邻居节点。 Flooding协议原理如图1所示。 Flooding协议最突出的特点在于节点对数据进行“无条件转发”，直到数据传遍整个网络或是达到规定的跳数上限为止。 这一特点使得该协议容易实现，并且能较好地适应网络拓扑结构的改变。 因此，它具有较强的鲁棒性，可以应用于军事领域或者恶劣环境。 但该特点也给Flooding协议带来了一个致命的弱点，即信息爆炸问题。 图1中同一个数据包被3次发送给E节点，这对于E节点来说，极大地浪费了能量。 图2所示为其重叠问题示意图，其中深色部分为A、B节点所能感知到的区域的重叠部分，如果重叠区域有事件发生，那么该事件信息将被发送给C节点两次。 重叠问题普遍存在而且很难避免，并且会随着节点分布密集程度的增大而变得愈发严重。 图1Flooding协议原理图图2重叠问题目前来讲，Flooding协议过于浪费网络资源和节点能量，因此很少被直接运用，一般将其作为衡量标准去评价其他路由算法。 1.2Gossiping路由协议Gossiping协议在Flooding协议的基础上演变而来。 改进之处在于数据包被随机转发给某几个相邻节点，并非所有相邻节点，这可以在一定程度上控制信息内爆问题。 但是由于节点转发数据包时随机选取的相邻节点可能并不是所有相邻节点里面距离该节点较近的几个点，很可能使得数据到达目的节点的时延增大，或是出现跳数已达最大但数据仍未传送到目WSN中路由协议的研究刘娇1，周昕宇1，张洪强2，周新丽1（1.国际关系学院信息科技学院，北京100091；2.中国石油大学胜利学院，山东东营257000）摘要无线传感器网络不同于传统网络，它对能源利用率要求较高，以便于延长网络寿命。 因此，传统网络的路由协议并不能很好地适用于WSN。 文中主要从原理、特点以及优缺点三个方面入手，对WSN中几种不同类型的典型路由协议进行了分析和总结。 关键词物联网；无线传感器网络；路由协议；能源利用率TP393A2095-1302 （xx）03-0042-04xx-12-03DOI:10.16667/j.issn.2095-1302.xx.03.013xx年/第3期物联网技术可靠传输Reliable Transmission43的节点所导致的信息传送失败问题。 1.3SPIN路由协议SPIN（Sensor Protocolfor Informationvia Negotiation）协议基于Flooding协议，改进之处在于节点之间通过协商（Negotiation）的方式缓解数据冗余问题。 该协议包含以下三种数据包类型消息广播包（ADV）、数据请求包（REQ）和数据包（DATA）。 图3所示为SPIN协议原理，其中S节点有新数据时则向其所有相邻节点发布ADV消息，假设A和C有该数据，则它们不回复给S任何消息；假设B没有该数据，则B需要回复REQ数据包，S收到REQ数据包后将原始数据DATA发送给B节点。 B接收到DATA后与自己的数据进行融合并对B的相邻节点重复该过程。 图3SPIN协议原理该路由协议的核心基于元数据（Metadata）的协商（Negotiation）过程。 协议中采用“三次握手”机制，即节点只对回复REQ信息的节点发送原始数据，这相比给所有相邻节点发送原始数据而言，大大减少了冗余数据的传输。 该协议仍然有一些不足之处。 若某一个节点收到多个相邻节点的REQ消息，这时需采用“退避算法”，该方法可能会增加时延，也可能会有某些节点对许多消息都“感兴趣”，那么它将接收大量数据，这些节点的能量容易耗尽。 1.4DD路由协议DD协议（Directed Diffusion定向扩散路由协议）中路径的建立过程需要经历以下三个阶段 （1）“兴趣扩散”阶段，汇聚节点（Sink）采用周期性洪泛方式广播自己的“兴趣”，即自己要接收何种类型的消息； （2）“梯度建立”阶段，兴趣扩散路径即为数据传输路径，只是传输方向相反； （3）“强化路径”阶段，即从“梯度建立”阶段所得到的路径中选取合适路径进行数据传输。 DD协议实现过程如图4所示。 当加强路径中的某一段出现故障时，原加强路径上的节点会启动新的加强过程，从而建立新的加强路径。 “加强路径”的修复如图5所示。 DD协议中路径加强机制可以显著提高数据的传输速率，但加强路径上的节点会消耗大量能量，为了确保能量均衡消耗，需要周期性替换加强路径，这将增加网络维护的难度。 当某一加强路径出现故障并且暂未更新加强路径时，多次失败的发送过程也会增大端到端时延并耗费部分节点的能量4。 图4DD协议实现过程图5“加强路径”的修复图1.5Rumor路由协议对于某些节点较少、需要传输的数据量较少或是已知事件发生区域的WSN来说，运用上面提及的几种路由协议将会带来一些不必要的开销。 Rumor协议（谣传路由协议）能够在一定程度上缓解这种问题，减少网络中的冗余数据量。 该协议中引入代理（Agent）消息概念，代理消息由感知到信息的传感器节点产生5。 Sink节点产生查询消息、源节点产生代理消息，两者均在网络中随机传播，到两者传播路径出现交点为止，即构成一条完整的数据传输路径。 Rumor路由协议原理如图6所示，实线为代理消息传播路径，虚线为查询消息传播路径，两条路径在B点处会合，从而形成一条完整的传输线路。 图6Rumor路由协议原理物联网技术xx年/第3期可靠传输Reliable Transmission44Rumor协议使用单播随机转发方式能够在一定程度上减少网络的开销，但由于每个传感器节点需要维护的列表数目增加了，维护的难度也就增大了。 协议中采用的随机转发方式无法保证数据传输的路径是最短路径，因此无法保证数据传输的时效性，并且容易出现环路。 2层次路由层次路由也叫集群结构路由，它通过引入簇的概念实现网络内节点的分层管理。 簇头和簇成员各司其职，共同完成数据的传输。 2.1LEACH协议LEACH协议（Low-energy AdaptiveClustering Hierarchy，低功耗自适应集簇分层型协议）通过特定的簇头选举算法确定哪些节点为某一个特定周期内的簇头，簇头通过广播方式告知其它节点自己是簇头。 非簇头节点选择加入某个簇之后，会被分配固定的时间片用于发送消息，簇头负责对后续的消息发送过程进行管理。 该协议通过对传感器节点的分层管理，优化网络体系结构，并且利用簇头节点的信息融合能力减少网络中的冗余数据。 不足之处在于，通过簇头选举算法选举产生的多个簇头并不一定能够遍及整个网络，因此可能导致某些节点无法接收和发送数据。 2.2TTDD路由协议TTDD协议（Two-Tier DataDissemination）相比其他WSN路由协议而言可以很好地处理Sink节点移动问题。 传输数据前先以源节点为中心建立网格，最接近网格交叉点的节点负责转发数据。 Sink节点在其所处网格区间通过洪泛方式发起查询请求，距离Sink节点最近的转发节点作为直接转发节点并向其上游节点传送查询消息，直到查询消息传送到源节点为止。 查询消息走过的路径即为数据传输路径，但两者传送方向相反。 该协议中定义了初级代理（PA）和直接代理（IA），以便Sink节点在等待数据时可以继续移动。 TTDD适用于节点分布较为密集的网络，代理机制的存在使得Sink节点即使是在等待查询数据时仍然可以继续移动，这更贴近实际的网络环境。 但网格尺寸的确定对整个算法的效率来讲影响较大，因此划分合适大小的网格对于该算法来讲较为重要。 3地理位置路由对于WSN网络来讲，短距离、少跳数的传输通常情况下能够缩短传播时延并节省能量6。 节点可以利用一些地理位置信息选择合适的发送路径，从而提高网络性能。 地理位置路由协议主要包括GPSR协议和GEAR协议。 3.1GPSR路由协议GPSR协议（Greedy PerimeterStateless Routing）要求节点知道自己的地理位置，想要发送数据的节点利用贪婪算法选取转发节点。 贪婪算法的示意图如图7所示，B节点有数据需要发送，B的邻居节点C比B节点离目的节点A更近，因此B将数据转发给C。 C再根据贪婪算法重复此过程，当数据包传送到目的节点A时此次传送过程才结束。 由图7贪婪算法示意图不难发现，B-C-D-E-A的传送距离比实线标出的线路更短，但是由于F点相比E点距离D点更近，因此D点选择把数据发送给F点。 贪婪算法所产生的“局部优化”问题，可能会增加数据的传播时延。 图7贪婪算法示意图GPSR协议中不需要花费大量精力去维护网络拓扑结构，它既能支持静态WSN，又能支持动态WSN。 但贪婪算法的使用可能导致协议实现过程中出现路由空洞问题，这时需要采用其他算法以达到整个路由算法收敛的目的，因而会在一定程度上增加传播时延7。 3.2GEAR协议GEAR协议（Geographic andEnergy AwareRouting）与GPSR协议都需要将目标区域分割成若干个子区域，但GEAR协议中消息是向子区域的中心位置发送。 GEAR协议与GPSR协议不同之处在于，节点需要知道自身剩余能量，并根据位置和剩余能量两个要素按照一定权重计算代价。 代价计算见公式 （1）所示估计代发F（N i，R）=D（N i，R）+（1）LE（N i）实际代发F（N i，R）=EC（N i，R）+（1）LE（N i） （1）说明N i为具有转发需求节点的邻居节点，R为目标区域的中心位置。 若N不知道N i的实际代价时使用估计代价。 D(N i，R)代表N i和R的距离；LE(N i)表示N i的剩余能量；EC(N i，R)表示N i到R的能量损耗；代表权重。 GEAR协议利用位置信息避免了查询消息的内爆问题，同时它在选择转发路径时考虑了节点到达指定区域的代价，这其中涉及消息传送过程消耗的能量以及节点剩余能量，以此达到均衡消息的目的。 但由于使用了贪婪算法，该协议在实现过程中较容易出现路由空洞问题。 xx年/第3期物联网技术可靠传输Reliable Transmission45因此，本应用方案主要有以下优势 （1）利用低频段（2MHz7MHz）通信，通过频率搬移和频率压缩保证能够抵抗此频段的噪声； （2）由于频率较低，所以抗衰减能力突出，在普通随行电缆上传输300m仍有10Mb/s带宽； （3）频率较低，电磁辐射小，对电梯其他设备几乎无干扰，可保障设备安全运行。 参考文献1杨雷，林开伟，李泽研，等.电梯物联网传媒系统J.物联网技术，xx，5 （9）51-54.2张德民，李莲.基于CANBus的电梯物联网监控系统设计J.自动化与仪表，xx （8）38-41.3黄勤陆，阳巍，肖甘.物联网技术在电梯检测报警管理系统的应用J.制造业自动化，xx，35 （1）30-33.4陈家焱，洪涛，刘钢海，等.物联网技术在电梯安全监控系统研究J.中国计量学院学报，xx，24 （3）231-236.5蔡琛，张学忠.物联网技术助力电梯维保检验监管J.物联网技术，xx，5 （3）80-81.6庆光蔚，王会方.智慧城市电梯物联网应用标准化实践及探索J.标准科学，xx （10）15-18.7闫海英，黄波，王晓喃.物联网在电梯行业中的应用研究J.工业控制与计算机，xx，26 （8）102-103.8魏振媚，刘向勇.物联网技术在电梯中的应用J.机电工程技术，xx，44 （3）91-93.9王莉，杜友福.基于物联网的电梯安全运行监控管理研究J.消费电子，xx （20）175-176.10张敏，陈春俊，黄海莲.基于物联网的电梯实时监测系统设计J.中国测试，xx，38 （1）101-105.4基于网络流量和服务质量的路由对于WSN这个特殊的网络，传输路径的选择需要参考网络流量或是QoS性能指标，这时需要使用基于网络流量和服务质量的路由协议。 例如基于QoS的SAR协议和SPEED协议。 4.1SAR协议SAR协议（Sequential AssignmentRouting）是首个在WSN中做到保证网络服务质量的路由协议8。 在该协议中，Sink节点的所有一跳邻居节点都以它为根创建生成树，见图8第一部分；其他节点重复此过程，多个生成树的叠加可以得到图8中第二部分。 在路径汇总图中，有多条可达Sink节点且具有不同QoS参数的路径可供选择。 节点发送数据时，按照QoS以及能量剩余情况选择合适路径进行传输。 图8SAR协议原理图SAR协议在保证QoS的基础上，通过维护传感器节点和Sink节点间的多条路径，使得某个节点或某条路径出现故障时，网络仍可以正常运行，从而增强网络的健壮性。 不足之处在于节点需存储大量冗余路由信息，不仅浪费资源还导致路由信息维护的难度增大。 4.2SPEED协议SPEED协议是一种QoS协议，它通过设定一个速度门限对下一跳节点进行挑选，实现拥塞控制功能8。 当节点准备发送数据包时，通过节点自身、邻居节点和目的节点三者的距离关系划分出一个转发结点候选集合，选取转发速度高于规定的门限值的节点构成转发节点集合。 如果转发节点集合为空，可以通过调整门限值重新选