对几种重要的无线传感器网络路由协议的比较

1、对几种重要的无线传感器网络路由协议的比较对几种重耍的无线传感器网络路由协议的比较【摘耍】基于无线传感器网络的体系结构，本文针对当前几 种主要的传感器网络协议展开研究。本文我们重点研究了路市协议的 能量高效性、可扩展性、鲁棒性和快速收敛性等几个方面的特性，结 合各自协议的特点研究了几种协议在这些特性的表现上的差异。最后, 我们给出了比较的结果，以及对结果的分析。【关键词】无线传感器网络；路由协议；比较0引言无线传感器网络(wireless sensor network, wsn)是|tl部署 在检测区域内的大量廉价微型传感器节点，形成一个多跳的自组织网 络系统，使在小体积内集成信息采集、数据处理

2、和无线通信等功能， 实现协作感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并提供 给终端用户。wsn能够广泛应用于军事、环境检测和预报、健康护理、 智能家居、建筑物状态监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、 大型车间和仓库管理、以及机场、大型工业园区的安全检测和其他商 业等，且将逐渐深入到人类生活的各个领域。20世纪90年代提出的 “普适计算” 1-2,揭开了无线网络的序幕，21世纪里，随着微电 子技术、计算技术和无线通信技术的进步，多功能传感器快速发展， 使无线网络从畅想逐步走向现实。无线网络引起了学术届、军界和工 业界的极大关注，美国和欧洲相继启动了许多关于无线传感器网络的 研究计划，特

3、別是美国通过国家自然基金委、国防部等多种渠道投入 资支持传感器网络技术的研究，进而使无线传感器网络成为目前研 究热点4-5 o1无线传感器网络的组成wsn通常由数据获取节点、数据分布网络和信息处理中心三部分 组成的。其主要组成部分是集成有传感器、数据处理单元和通信模块 的传感器节点，各节点通过协议自组成一个分布式网络，再将采集来 的数据通过优化后经无线电波传输给信息处理屮心，如图1所示。传感器节点是一个具有信息收集和处理能力的微系统，集成了传 感器模块、信息处理模块、无线通讯模块和能量供应模块3。2常见的路由协议目前对于无线传感网络路由算法的设计，国内外提出了很多解决 方案，针对不同传感器网络

4、的应用，提出了不同的路由协议，这些路 由算法即有其优势也有缺陷，并且针对不同的具体应用表现出來的性 能也大不一样，具体表现为以下儿种协议2-3 o2. 1泛洪式算法(flooding)泛洪式算法是一种传统的网络通信路由协议。它实现简单，不需 要维护网络的拓扑结构和实现复杂的路由算法，接收到消息的节点以 广播形式转发数据包给所有的相邻节点，重复执行该过程，直到数据 包到达目的地或者已经达到预先设定的最大跳数。对于自组织的传感 器网络，泛洪路由是一种较直接简单的实现方法，但存在消息的“内 爆” (implosion)和"重叠” (overlap)以及"资源盲点” (resour

5、ce blindness)的特点，并且没有考虑各节点的能量损耗，没有自适应 路由选择，会导致网络寿命减少5。2.2定向路由扩散(dd)定向扩散协议(directed diffusion)是一种基于查询的路由机 制10 o整个过程可以分为兴趣扩散、梯度建立以及路径加强三个阶 段。在兴趣扩散阶段，汇聚节点向传感器节点发送其想要获取的信息 种类或内容。兴趣消息中含有任务类型、目标区域、数据发送速率、 时间戳等参数。当整个信息要求传遍整个传感器网络后，便在传感器 节点和汇聚节点z间建立起一个梯度场，梯度场的建立是根据成本最 小化和能量自适应原则。梯度场建立过程如图2所示。2.3动态源路由算法(dsr)

6、动态源路由算法(dynamic source routing protocol)是按需 建立路由的一种自适应算法。当某个传感器节点采集到数据后，调用 路由选取机制，从它的邻居节点中选取-个信道较好、能量充沛或者 距离汇聚节点(sink节点)最近的节点作为其转发节点。其他节点 收到这样的数据包后运行同样的算法，从其邻居节点中找出一个最佳 转发节点进行转发，直到数据包被发送到目的地。这种算法简单，要 维护的数据结构简单，路由维护开销小，但是它路由选择时只考虑眼 前最优，没有考虑网络负载，容易导致部分节点提前失效，单路径发 送可靠性低，路由的选取具有盲目性，容易走向网络空洞。2. 4 spin (s

7、ensor protocols for information via negotiation)spin该协议基于协商并且具有能量自适应功能6-7,它假定网 络中所有节点都是sink节点，每一个节点都有用户需要的信息，而 且相邻的节点拥有类似的数据，所以只要发送其他节点没有的数据。 发送真正数据z前，通过协商压缩重复的信息，避免了冗余数据的发 送解决flooding协议和gossiping协议的内爆和重叠现象；spin协 议有权访问每个节点的当前能量水平，根据节点剩余能量水平调整协 议，所以可以在一定程度上延长网络的生存期。2.5 gear (geographical and energy a

8、ware routing)y. yu等人提出了 gear路由协议，即根据时间区域的地址位置， 建立基站或者汇聚节点到时间区域的优化路径。gear是充分考虑了 能源有效性的基于位置的路由协议，它比其他的基于位置的路由协议 能更好的应用于无线传感器网络之中o该协议利用数据包中存在区域 地质位置信息，把在整个网络中扩散的信息传送到适当的位置区域中, 同吋采用了查询驱动数据传送模式。它传送数据分组到目标域中所有 的节点的过程包括两个阶段：目标区域数据传送和域内数据传送。2.6低功耗自适应聚类路由算法(leacii)leach (low energy adaptive clustering hierar

9、chy) 是 mit 的chandrakasan等人为无线传感器网络设计的低功耗口适应聚类路 由算法8, 9,是笫一个在无线传感器网络中提出的层次式路由协议， 其基木思想是以循环的方式随机选择簇首节点，平均分配整个网络的 能量到每个传感器节点，从而可以降低网络能源消耗，延长网络生存 时间。leacii定义了 “轮”(round)的概念，一轮由初始化和稳定 工作两个阶段组成。为了避免额外的处理开销，稳定状态一般持续相 对较长的吋间。！-endprint-> <!-startprint->采用leacii方法使因能量耗尽而失效的节点呈随机分布状态，因而与一般 的多跳路由协议和静态

10、聚类算法相比，leach可以将网络牛命周期延 长15%。但是leach假设所有的节点都能直接与簇首节点和终端节点 通讯，采用连续数据发送模式和单跳路径选择模式，因此在需要监测 面积范围大的应用中不适用，而見动态分簇带来了拓扑变换和大量广 播这样的额外开销。2.7 gaf (geographic adaptive fidelity)y. xu等人提出的一种利用分簇进行通信的路由算法。它最初是 为移动ad hoc网络应用设计的，也可以适用于无线传感器网络。其 基木思想是网络区被分成固定区域，形成虚拟网格，每个网格里选出 一个簇首节点在某段时间内保持清醒，其他节点都进入睡眠状态，但 是簇首节点并不做

11、任何数据汇聚或融合工作。gaf算法即关掉网络中 不必要的节点节省能量，同样可以达到延长网络生存期的冃的。3比较与分析在以上的儿种路由协议中，泛洪式算法由于需要区域内的所有节 点参与传递信息，每个消息传送都会产生多种不同的路径，需要消耗 更多的能量，但是由于多条传输路径可供选择，其网络具有很好鲁棒 性，但是可能的内暴或重叠现象，不利于快速收敛；定向路由扩散协 议相比泛洪式算法在路径选择和抑制 暴和重叠上稍有改进，加速了 快速收敛，从而在一定的范围内降低了能量损耗，但是也降低了网络 鲁棒性。动态路由协议能够选择出条能量充足的路径保证当前的数 据的传输，同时维护个简单的数据结构，降低了选择路由时的能

12、量 损耗，但是，该路由算法可能导致网络节点过度使用而失效，所以该 算法鲁棒性没有泛洪式算法和定向路由好，但是能量利用率较高，收 敛性好；spin协议在传输时压缩了数据量，降低传输过程中的能量 损耗，具有能量自适应性，提高了能量利用率；leacii算法是一个层 次式的路由协议，可以很好地适应网络的扩展性同吋也通过簇节点的 选择，降低网络损耗，尽可能的延长网络生命周期，gaf算法使用网 格的概念，适当的使部分不需要参与通信节点进入睡眠状态，大大降 低了网络的整体能量损耗，延长整个网络的牛命周期，同吋虚拟网格 是网络更容易扩展，提高了网络的鲁棒性。关于以上网络协议的其他 性能比较，在不同的使用领域具

13、有不同的表现，其综合比较如表1所 示。4总结本文首先确定了衡量路由协议的标准，分析了当前用到的九种路 由协议，并对以上协议进行了比较，得出定的范围内比较结果。由 比较结果得知，当前的各种工程应用中，仍然期望有一种尽可能考虑 多方面要求的路由协议。同吋得出，考虑降低网络能量损耗，增加网 络的生命周期是在协议中应该重点考虑的问题，而汇聚节点的选择、 快速的数据融合和随机路径选择等技术，影响着数据的传输、节点计 算过程中的能量消耗，因此，一个良好的wsn需要具有动态选择耗能 少、使用频率高的汇聚节点，快速的融合多传感器信息和随机路径选 择的能力，从而降低能量损耗，延长节点和网络的生命周期。在wsn中

14、，每种协议针对特定的应用而设计，在不同的环境表现 出各自的特色和优势，通过分析每种协议的特点，对它们的信息处理、 路由优化方式和网络体系结构的表现不同。路由协议不仅关心单个节 点的能量消耗，更关心整个网能量的均衡消耗，这样才能延长整个网 络的生存期。同吋，无线传感器网络是以数据为中心的，每个节点没 有必要采用全网统一的编址，选择路径可以不用根据节点的编址，而 是根据感兴趣的数据建立数据源到汇聚节点之间的转发路径。【参考文献】1 21 ideas for the 21st centuryj business week, pp. 78-167, aug. 30. 1999.2 j. qiangfe

15、ng and d. manivannan. routing protocols for sensor networks .presented at consumer communications and networking conference, ccnc, 2004.first ieee, 2004.3 sinha a, chandrakasan a. an dynamic power management in wireless sensor networksjieee design & tex of computers, 2001, 18 (2)： 62-74.4 周东清，葛午未,朱娜.基于qos的无线传感器网络路由j 计算机工程与应用，2007, 43 (23)： 157-160.孙利民，李建中，陈渝，朱红松.无线传感器网络m北京: 清华大学出版社，2006.6 范武,李力.无线传感器网络spin路由协议改进的方法j 计算机与现代化,2007, 139： 93-96.7宋文，王兵，周应宾，等.无线传感器网络技术与应用m北 京：电子工业出版社，2007.8沈波，张世永，钟亦平无线传感器网络分簇路由协议d. 上海：复旦大学，2006.9于海斌，曾鹏，等.智能无线传感器