无线传感器网络典型路由协议

摘要：本文主要以节点的传播方式为出发点，分析集中典型的路由协议。

关键字：无线网络路由协议性能

1. 引言

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，进而使无线传感器网络（wireless sensor network, WSN）成为目前研究热点。WSN 是由部署在检测区域内的大量廉价微型传感器节点组成，形成一个多跳的自组织网络系统，使其在小体积内集成信息采集、数据处理和无线通信等功能，其目的是协作地感知、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。本文首先简要说明衡量路由协议的四个标准，然后就WSN 中路由协议的几种路由协议提出新的分类方法。

2. 路由协议的衡量标准

无线传感器网络的路由协议不同于传统网络的协议，它具有能量优先、基于局部的拓扑信息、以数据为中心和应用相关四个特点，因而，根据具体的应用设计路由机制时，从四个方面衡量路由协议的优劣：

（1）能量高效

（2）可扩展性

（3）健壮性

（4）快速收敛性

3. 路由协议的分类

针对不同传感器网络的应用，研究人员提出了不同的路由协议，目前已有的分类方式主要有两种：按网络结构可以分为平面路由协议、分级网络路由协议和基于位置路由协议；按协议的应用特征可以分为基于多径路由协议、基于可靠路由协议、基于协商路由协议、基于查询路由协议、基于位置路由协议和基于QoS 路由协议。本文就各个协议的不同侧重点提出一种新的分类方法，把现有的代表性路由协议按节点的传播方式划分为广播式路由协议、坐标式路由协议和分簇式路由协议。下面进行详细的介绍和分析。

4. 广播式路由协议

4.1 扩散法（Flooding）

扩散法是一种传统的网络通信路由协议。它实现简单，不需要为保持网络拓扑信息和实现复杂的路由算法消耗计算资源，适用于健壮性要求高的场合。但是，扩散发存在信息爆炸问题，即能出现一个节点可能得到数据多个副本的情况，而且也会出现部分重叠的现象。

4.2 定向路由扩散DD（Directed Diffusion）

C. Intanagonwiwat等人为传感器网络提出一种新的数据采集模型，即定向路由扩散。它通过泛洪方式广播兴趣消息给所有的传感器节点，随着兴趣消息在整个网络中传播，协议逐跳地在每个传感器节点上建立反向的从数据源节点到基站或者汇聚节点的传输梯度。该协议通过将来自不同源节点的数据聚集再重新路由达到消除冗余和最大程度降低数据传输量的目的，因而可以节约网络能量、延长系统生存期。

4.3 谣传路由（Rumor Routing）

D. Braginsky等人提出的适用于数据传输量较小的无线传感器网络高效路由协议。其基本思想是时间监测区域的感应节点产生代理消息，代理消息沿着随机路径向邻居节点扩散传播。同时，基站或汇聚节点发送的查询消息也沿着随机路径在网络中传播。当查询消息和代理消息的传播路径交叉在一起时就会形成一条基站或汇聚节点到时间监测区域的完整路径。

4.4 SPIN（Sensor Protocols for Information via Negotiation）

W. Heinzelman等人提出的一种自适应的SPIN 路由协议。该协议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。SPIN 协议通过协商完成资源自适应算法，即在发送真正数据之前，通过协商压缩重复的信息，避免了冗余数据的发送。

4.5 GEAR（Geographical and Energy Aware 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。把GEAR 划分为广播式路由协议有点牵强，但是由于它是在利用地理信息的基础上将数据发送到合适区域，而且又是基于DD 提出，这里仍然作为广播式的一种。

5. 坐标式路由协议

5.1 GEM（Graph Embedding）

J. Newsome 和D. Song 提出了建立一个虚拟极坐标系统（VPCS, Virtual

Polar 的Coordinate System）GEM 路由协议，用来代表实际的网络拓扑结构。整个网络节点形成一个以基站或汇聚节点为根的带环树（Ringed Tree）。每个节点用距离树根的跳数距离和角度范围两个参数表示。

5.2 GRWLI（Geographic Routing Without Location Information）

A. Rao等人提出了建立全局坐标系的路由协议，其前提是需要少数节点精确位置信息。首先确定节点在坐标系中的位置，根据位置进行数据路由。关键是利用某些知道自己位置信息的信标节点确定全局坐标系及其他节点在坐标系中的位置。

6. 分簇式路由协议

6.1 LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）

MIT 的Chandrakasan等人为无线传感器设计的一种分簇路由算法，其基本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。簇首的产生是簇形成的基础，簇首的选取一般基于节点的剩余能量、簇首到基站或汇聚节点的距离、簇首的位置和簇内的通信代价。

6.2 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。其基本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目的。

参考文献：

[1] 孙利民，李建中，陈渝，朱红松著. 无线传感器网络[M]. 北京：清华大学出版社， 2006.

[2] 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.

[3] 宋文，王兵，周应宾等著. 无线传感器网络技术与应用[M]. 北京：电子工业出版社，2007.