无线传感器网络路由协议

1、无线传感器网络的关键技术有 路由协议 、MAC 协议、拓扑控制 、定位技术 等。路由协议：数据包的传送需要通过多跳通信方式到达目的端， 因此路由选择算法是网络 层设计的一个主要任务。 路由协议主要负责将数据分组从源节点通过网络转发到 目的节点，它主要包括两个方面的功能：1.寻找源节点和目的节点间的优化路径。2.将数据分组沿着优化路径正确转发。无线传感器与传统的无线网络协议不同之处， 它受到能量消耗的制约， 并且 只能获取到局部拓扑结构的信息 ，由于这两个原因， 无线传感器的路由协议要能 够在局部网络信息的基础上选择合适路径。 传感器由于它很强的应用相关性， 不 同应用中的路由协议差别很大， 没

2、有通用的路由协议。 无线路由器的路由协议应 具备以下特点：( 1) 能量优先 。需要考虑到节点的能量消耗以及网络能量均衡使用的问题。(2)基于局部拓扑信息。WSN为了节省通信能量，通常采用多跳的通信模式， 因此节点如何在只能获取到局部拓扑信息和资源有限的情况下实现简单 高效的路由机制，这是 WSN 的一个基本问题。( 3) 以数据为中心 。传统路由协议通常以地址作为节点的标识和路由的依据， 而 WSN 由于节点的随机分布，所关注的是 监测区域的感知数据 ，而不是 具体哪个节点获取的信息，要形成以数据为中心的消息转发路径。(4) 应用相关 。设计者需要针对每一个具体应用的需求， 设计与之适应的特

3、定 路由机制。现介绍几种常见的路由协议 (平面路由协议、 网络分层路由协议、 地理定位辅助 路由协议)：一、平面路由协议平面路由协议中， 逻辑结构时平面结构， 节点间地位平等， 通过局部操作和 反馈信息来生成路由。 当汇聚点向某些区域发送查询并等待来自于这些区域内传 感器所采集的相关数据，其中的数据不能采用全局统一的ID，而是要采用基于属性的命名机制进行描述。 平面路由的优点是结构简单、 鲁棒性(即路由机制的 容错能力) 较好，缺点是缺乏对通信资源的优化管理， 对网络动态变化的反应速 度较慢。其中典型的平面路由协议有以下几种：1.1. 洪泛式路由 ( Flooding) ：这是一种传统的网络通

4、信路由协议。 这种算法不要求维护网络的拓扑结构和 相关路由的计算，仅要求接受到信息的节点以广播形式转发数据包。例如：S节点要传送一段数据给 D 节点，它需要通过网络将副本传送给它每一个邻居节点， 一直到传送到节点 D 为止或者为该数据所设定的生存期限为零为止。优点在于： 实现简单；不需要为保持网络拓扑信息和实现复杂路由发现算法消耗计算资源； 适用于鲁棒性较高的场合。 但同时也有相应的缺点： 一个节点可能得到一个数据 的多个副本； 存在部分重叠， 如果相邻节点同时对某件事作出反应， 则两个节点 的邻居节点将收到两份数据副本；盲目使用资源，无法作出自适应的路由选择。为克服 Flooding 算法这

5、些固有的缺陷， S.Hedetniemi 等人提出闲聊式（Gossiping）策略。这种算法采用随机性原则，即节点发送数据时不再采用广播形式，而是随机选取一个相邻节点转发它接收到的数据副本（避免了消息爆炸的1.2.SPIN 路由：SPIN是一组基于协商并且具有能量自适应功能的信息传播协议。它有如下 两个特点：（1）每个节点在发送数据前需要通过协商来确定其他节点是否需要该 数据，同时每个节点通过元数据（meta-data来确定接受数据中是否有重复信息 的存在。（2）网络中节点必须实时监控本地能源消耗，根据能量等级改变工作模 式来延长节点自身和整个网络的运行时间。SPIN在运行过程中节点使用3种类

6、型的信息进行通信，即 ADV、REQ和 DATA信息。ADV 用于新数据广播。当一个节点有数据可共享时，它以广播 方式向外发送DATA数据包中的元数据。REQ用于请求发送数据。当一个节 点希望接受DATA数据包时，发送REQ数据包。DATA包含附上元数据头（meta-heade）的实际数据包。SPIN协商过程采用3次握手方式。Step1 :运行 SPIN协议的源节点在传送DATA信息前，首先向相邻节点广播包含 DATA数据 描述机制的ADV信息。Step2:需要该DATA信息的邻居节点，向信息源发送 REQ请求信息。Step3:源节点根据接受到得REQ信息，有选择地将DATA信息 发送给相应的

7、邻居节点，如下图3所示。收到DATA数据的节点可作为信息源敬 爱那个DATA信息传播到网络中的其他节点。fJlr1*tfU7Vf）11J(f图3 SPIN路由机制该协议除了提供数据传输过程中得协商机制，还引用了基于阖值的能量值适应机制。它要求每个节点都提供对其自身的能量管理功能以便跟踪能源的能耗状 况。当节点的剩余能量开始接近低能量阖值，节点便减少在协议中得参与行为。这种协商机制和能量自适应机制的SPIN协议能够很好地解决传统的Flooding和Gossiping协议所带来的信息爆炸、信息重复和资源浪费等问题。SPIN 协议的缺点是数据广告机制（ADV）不能保证数据的可靠传递，因此对于入侵 发

8、现等需要在定期间隔内可靠传递数据的应用系统来说，SPIN并不是一个很好的选择。1.3.DD 路由：定向扩散模型DD（ Directed Diffusion）是一种以数据为中心的信息传播协 议，运行DD的传感器节点使用基于属性的命名机制来描述该数据 （如图4所示）。其中，定向扩散算法在运行过程中包括以下 3个基本过程，即路径建立阶段、 数据发送阶段和增强路径阶段。路径建立阶段：汇聚点以广播、多跳的方式向网络中所有节点发布命令信息， 命令信息用含有任务类型、数据发送速率、时间戳等参数的兴趣描述。每个节点 通过记录获取到兴趣的相应邻居节点、数据速率和时间戳等来建立梯度。数据发送阶段：当节点采集到匹配

9、查询的数据时，通过梯度路径发向汇聚点。 中间节点利用本地化规则实现数据的融合。增强路径阶段：汇聚点在收到这些低速率数据后，向数据到达最快的邻居节 点发送增强消息，增强消息表示汇聚节点要求高速率发送数据。相应邻居节点按 照同样地方式，依次传递增强信息给其邻居节点， 直到到达数据源，从而构建数 据发送的主路径，数据以后就通过路径发送给汇聚点。在DD协议的网络中，节点能够利用选取的最优路径的缓存来实现节能的目 的。缓存技术能够提高传感器节点间的有效性、 鲁棒性和协作的可扩展性，这也 就是DD模式的本质。DD算法在WSN路由协议研究中的一个里程碑，其中最 大的特点就是引入了网络梯度概念。DD算法的优点

10、是：仿真结果分析说明，网 络梯度与本地化算法相结合应用于无线传感器网络的路由，可以很好地满足 WSN对节能、鲁棒性以及可扩展性的需求。缺点是：它不适用于环境监控这类要求连续传递数据的系统; 能量。选择与查询相匹配的数据会使传感器节点消耗更多的图4 DD路由机制1.4.HREEMR 路由：HREEMR是定向扩散路由机制的基础上提出的，目的是通过维护多条可用 路径来提高路由的可靠性。该协议在运行期间采用与DD相同的本地化算法建立 源节点和汇聚点间最优路径p,同时为了保障p发生失效时协议仍能正常运行构 建多条与p不想交的冗余路径（为了避免主路径失效的现象发生而采取的应急措 施）。HREEMR协议提出

11、了不相交多路径和缠绕多路径两种不同的多路径机制。（1）不相交路径：在汇聚点发送增强消息建立主路径p后，汇聚点发送次优路E路径P径增强消息给次节点A，节点A选择最优节点B把次优路径增强消息传递下去。 如果B在主路径p上，则B发回否定增强消息给A，A在向另外的次优节点传 递次优路径增强信息；相反如果 B不在主路径上则继续传递次优路径增强信息。 如此往复，就可以构造下一条次优路径（如图 5所示）in?Oo普定增强o O汇聚点QO%次路lip次优路径pi图5 HREEMR不相交路径（2）缠绕多路径：缠绕多路径采用一定策略允许冗余路径通最优路径p部分相交，从而较不相交路径减少了维持的冗余路径数量，节省了

12、能源的消耗。缠绕多 路径在建立主路径p后，p上除了源端和靠近源端的节点以外，每一个节点都要 发送备用路径增强消息给次优节点 A ，次有节点寻找最优节点 B 传播该备用路 径增强消息，如果 B 不在主路径 p 上，继续向最优节点传播直到与主路径 p 相 交。总而言之， HREEMR 的多路径策略实现了能源有效的故障恢复， 解决了 DD 为了提高协议的鲁棒性，采用周期低速率扩散数据而带来的能源浪费问题。1.5.SAR 路由：SAR协议是第一个具有 QoS （服务质量，是一种网络安全机制，用于解决 网络延迟及阻塞问题的一项技术） 意识的路由协议。 它的特点是路由决策不仅要 考虑到每条路径的能源，还要

13、涉及 端到端的延迟需求 和待发数据包的优先级 。每个树以落在汇聚点有效传输半径内的节点为根向外生长， 枝干的选择需满 足一定的 QoS 要求并要有一定的能量储备。节点可以根据每条路径的能源、附 加的 QoS 度量和包的优先级选择某棵树将信息返回给汇聚点。仿真结果显示， 与只考虑路径能量消耗的最小能量度量协议相比， SAR 能量消耗更少，但缺点 是不适合于大型和拓扑频繁变化的网络。二、网络分层路由协议分层路由协议中， 网络通常被划分为簇， 每个簇由一个簇首和多个簇成员组 成，多个簇首形成高一级的网络，在高一级网络中，又可以分簇，再次形成更高 级的网络，直至最高级（如图 6 所示）。在分层结构中，

14、 簇首节点不仅负责所管辖簇内信息的收集和融合处理， 还负 责簇间数据的转发。 分层路由协议中每个簇的形成通常是基于传感器节点的保留 能量和与簇首的接近程度， 同时为了延长整个网络的生命周期， 簇首节点的选择 需要周期更新。 分层路由的优点是适合大规模的无线传感器网络环境， 可扩展性 较好。缺点是簇首节点的可靠性和稳定性对全网性能影响较大， 信息的采集和处 理也会大量地消耗簇首的能量。一些典型的分层路由协议有 LEACH 、PEGASIS、TEEN、APTEEN 和具有 能量意识的传感器网络分簇路由。汇聚点2A八严 l 2x> 002，“* 124 "一:7彳 W PJ/ ；/Q

15、Hf *F丸IJ.4Jb p;1.5 /、0、' *Pl.I传感器节点级叢首图6网络分层的路由机制2.1. LEACH 路由：LEACH的基本思想是以循环的方式随机选择簇首节点，将整个网络的能量 负载平均分配到每个传感器节点中，从而达到降低网络能源消耗、提高网络整体 生存时间的目的。仿真表明，与一般平面多跳路由和静态分层算法相比，LEACH 可以将网络的生命周期延长15%。LEACH在运行过程中不断地循环执行簇的重构过程。每个簇重构过程可以 用“会合(round)”的概念来描述。每个回合可以分成两个阶段：簇的建立阶段和传输数据的稳定阶段。其中，簇的建立过程又可分为四个阶段： 簇首节点的

16、选 择、簇首节点的广播、簇的建立和调度机制的生成。簇首节点的选择：依据网络中所需要的簇首节点总数和迄今为止每个节点已 成为簇首的次数决定，具体方法如下：每个传感器节点随机选择01之间的一个 值，如果选定的值小于某一个阖值T( n)，那么这个节点成为簇首节点。其中，T(n)值计算如下：T( n )二其他情况N为网络中传感器节点总数；k为一个回合网络中簇首节点数；r为已完成 回合数。簇首节点的广播：选定簇首节点后，通过广播告知整个网络。簇的建立：网络中其他节点根据接受信息的信号强度决定从属的簇，并通知相应的簇首节点，完成簇的建立。调度机制的形成：最后，簇首节采用 TDMA （时分多址）方法为簇中每

17、个 节点分配向其传送数据的时间片。 在稳定阶段中，传感器节点将采集的数据传送 到簇首节点。簇首节点对簇中所有节点所采集的数据进行信息融合后再传送给汇 聚点，这是一种减小通信业务量的合理工作模式。稳定阶段持续一段时间后，网络重新进入簇的建立阶段，进行下一回合的簇 重构，不断循环。但该协议还存在以下三个值得探讨的问题： 并不是每个节点都能够直接与 汇聚点直接通信，因此该协议不适合在大规模无线传感器网络中应用。协议没有说明簇首节点的数目怎样分布才能遍及整个网络。有可能某个簇首节点集中于网络某一个区域，而其他区域节点周围没有任何簇首。该协议未能考虑到节点 能量不均衡的网络。2.2. PEGASIS 和

18、分层 PEGASISPEGASIS的基本思想是为了延长网络的生命周期，节点只需要和它们最近 的邻居之间进行通信。节点与汇聚点之间的通信过程是轮流进行的，只有当所有节点都与汇聚点通信后，节点才进行新一回合的轮流通信。由于这种轮流通信机 制使得能量消耗统一分布到每个节点上，因此降低了整个传输所需消耗的能量。PEGASIS协议在传感器节点中采用 链式结构进行连接。运行PEGASIS协议 时每个节点首先利用信号的强度来衡量其所有邻居节点距离的远近， 在确定最近 邻居的同时调整发送信号强弱确保只有邻居节点听的到。 其次，链中只选择一个 节点作为链首向汇聚点传输数据。采集到的数据以点到点的方式传送、融合，

19、并 最终被送到汇聚点。该协议的优点在于：减少了 LEACH在簇重构过程中所产生的开销，并且通 过数据融合降低了收发过程的次数，从而降低了能量的消耗。匸萃忌图7 PEGASIS的链式结构分层PEGASIS协议是对PEGASIS的扩展，该协议的目标是 降低数据包到 汇聚点传送过程中所引起的延迟。为此，协议采取了数据并行传输的机制，并提 出了两种方法来避免传感器间的冲突和可能存在的信号干扰。第一种方法结合了 信号编码方式，如码分多址 CDMA ;第二种方法只允许空间上分隔的节点可以 同时传输数据。基于CDMA的分层PEGSIS协议采用树状分层结构的方式，每一层选择的 节点向更高一级的节点传送数据。协

20、议要求在每个回合的数据采集过程中，给定 层的节点都向附加的邻居发送数据，所有接受数据的节点被提升为上一层的节 点。依次类推，最后顶层只有一个节点被保留下来并成为链首节点。举例说明该协议每个回合路径选择的过程，如下图所示：汇聚点c,图8基于CDMA的分层PEGASIS协议的数据采集节点C3在第三个回合被指定为链首，假设节点CO在链中得位置为0,节点 C3的位置为3,为奇数，那么所有处于偶数位置的节点都向右边的邻居发送数 据，接受到数据的节点 C1、C3、C5、C7成为第二层节点。在第二层节点中由 于C3仍处于奇数位置1,因此所有偶数位置的节点再次融合他们接受到得数据 和自身采集到的数据，并将融合

21、后的数据发送给他们右边的邻居；在第三层中节点C3不是奇数位置，为了保证C3作为链首，节点C7融合接受到得数据和自身 数据并将其传给C3,节点C3将当前数据和从C7中接受到得数据融合起来并最 终传递给汇聚点。这种分层方式保证了数据的并行传输并有效地降低了传输时 延。2.3. TEEN 和 APTEEN按照应用模式的不同，无线传感器网络可以分为主动式和反应式两种类型。 主动式无线传感器网络持续监测周围的物质现象，并以恒定速率发送监测数据； 而反应式无线传感器网络只是在被观测变量发生冲突时才传送数据。TEEN协议就是为反应式无线传感器网络而设计的路由策略，它具有实时性，可以突发事件作出快速反应。TE

22、EN与LEACH采用相同的多簇结构和运行 方式，不同的是在簇的建立过程中，随着簇首节点的选定，簇首除了通过TDMA 方式实现数据的调度，还向簇内成员广播有关数据的硬阖值和软阖值两个参数。 硬阖值是被监测数据所不能逾越的阖值，软阖值则规定被监测数据的变动范围。 在簇的稳定阶段，节点通过传感器不断地感知其周围环境。当节点首次监测到数 据到达硬阖值，便打开收发器进行数据传送，同时将该检测值存入节点内部变量 SV中。节点如需再次传送需要两个条件：1当前检测值大于硬阖值；2当前检测 值与SV的差异大于等于软阖值。只要节点发送数据，变量SV变置为当前的检测值。在簇重构的过程中，如果新一回合的簇首已经确定，

23、该簇首将重新设定和 发布以上两个参数。如下图所示：丿丿 1时间濮更轴时间V簇首搂受时间图 9（a） TEEN 协议操作（ b） APTEEN 协议操作APTEEN 协议是 TEEN 协议的扩展，是一种混合协议，可以根据用户需要 和应用类型来改变 TEEN 协议的周期性和相关阖值的设定， 既能周期性地采集数 据又可以对突发事件作出快速反应。其特点如下：（1）随着簇首节点的确定，簇首向簇内所有成员广播以下参数：属性，阖 值，调度，计数时间。（2）在发送数据时会采用与 TEEN 相同的数据发送机制，但是为了克服 TEEN 不能周期性数据传送的缺点，协议规定如果节点在计数时间 CT 内没有发 送任何数

24、据，便强迫节点监测和向汇聚点传送数据。（3）为了更好地实现协议在混合网络系统中得应用， APTEEN 采用了修改 后的 TDMA 调度方法。（4）支持 3 种不同的查询类型，包括分析过去数据的历史性查询、快速浏 览网页的一次性查询和一段时间内持续监控某一时间的连续查询。仿真结果表明，在能量分布和网络生存时间的指标上， TEEN 和 APTEEN 的性能要优于 LEACH 协议，而 APTEEN 的性能位于 TEEN 和 LEACH 之间。2.4. 具有能量意识的传感器网络分簇路由 网络运行前由汇聚点将传感器节点划分成簇， 传感器节点可以以活动方式和 备用的低能耗两种方式运行。 节点内部的 感知

25、电路、 数据处理电路和无线收发器 可以独立的开启和关闭， 簇内节点可以采取以下 4 种工作方式之一： 感知、转发、 感知并转发、 休眠。与上述路由协议不同的是簇首不受能量的限制， 它可以监控 簇内节点的能量变化，决定并维护传感器的四种状态，采用 TDMA 机制为采集 到得感知数据设置多跳路由。 协议依据两节点间的能量消耗、 延迟最优化等性能 指标计算路径代价函数。 簇首节点利用代价函数作为链路成本， 选择成本最小的 路径作为节点与其通信的最优路径。三、地理定位辅助路由协议无线传感器网络的许多路由协议都需要传感器节点的定位信息。由于 WSN 没有类似 IP 地址的访问机制，并且分布在某个特定区域

26、，它们可以利用 地址信 息使数据以某种节能的方式进行传输。 因此如果已知被感应的区域， 利用传感器 的位置，查询信息就会只发布到被感知的区域，减少了数据传输的次数。3.1.MECN 和 SNECNMECN 协议和 SMECN 协议都利用低功耗的 GPS 定位系统，通过计算和构 建能源有效地子网实现节能目标。MECN协议为每个节点设置了转发区域（relay region）。转发区域可以表示 为一组节点集， 发送节点通过转发区域内的节点发送数据， 这种方式需要的能量 较少。 MECN 的主要设计思想是 构建子网 ，要求子网内部所含节点的数目较少 并且任意两个节点间传输的数据都消耗更少的能量。 这样

27、不必考虑网络中所有的 节点，就可以发现全局最小能量的路径。 这对于每个考虑到自身转发区域的节点 来说，利用本地搜索就可以实现到达目的节点的最小能量路径。MECN 的运行分为两阶段完成。第一阶段：获取二维平面的位置信息，并 构建包含所有发送节点外围的外围图。 外围图的构建由节点内部的本地计算来完 成。第二阶段： 在外围图中搜索出最优链路， 搜索过程采用以能量消耗作为代价 度量的分布式 Belman-Ford 最短路径算法来实现。MECN 协议最大的特点是具有 自动重配置 的特点，因此可以动态地适应节 点的实效和网络的分布。 但这种协议是在假定网络中每两个节点能够直接通信的 前提下提出的，在实际环境中并不容易做到。SMECN 协议是 MECN 协议的扩展。它在原先 MECN 的基础上又考虑到了 任意两种节点间不能直接通信的情况。 SMECN 协议的主要思想也是通过计算和 构建子网，使得对于原网络中得仍以节点对（ u，v ）来说，都存在子网内最低能 量消耗路径。最大的优