无线传感器网络路由协议
摘要： 本文在简要地介绍了无线传感器网络体系结构的基础上，研究了当前主要的几种无线传感器网络路由协议模型，并进行了比较分析。
引言
随着传感器技术、嵌入式技术、分布式信息处理技术和无线通讯技术的发展，以大量的具有微处理能力的微型传感器节点组成的无线传感器网络(WSN)逐渐成为学术界的研究热点问题。美国商业周刊和MIT技术评论在预测未来技术发展的报告中，分别将无线传感器网络列为21世纪最有影响的技术和改变世界的技术之一。与传统无线通讯网络Ad Hoc网络相比，WSN的自组织性、动态性、可靠性和以数据为中心等特点，使其可以应用到人员无法到达的地方，比如战场，沙漠等。因此，可以断定未来的无线传感器网络将有更为广泛的前景。
无线传感器网络体系结构
无线传感器网络体系结构[1]如图1所示,传感器网络通常包括传感器节点，汇聚节点和管理节点。传感器节点任意的分布在某一监测区域内，节点以自组织的形式构成网络，通过多跳中继方式将监测数据传送到汇聚节点，最后通过Internet或其他网络通讯方式将监测信息传送到管理节点。同样的，用户可以通过管理节点进行命令的发布，告知传感器节点收集监测信息。
图1 无线传感器网络体系结构图
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。其结构体系如图2所示。
图2 传感器节点体系结构
传感器模块负责监测区域内信息的采集和转换，信息处理模块负责管理整个传感器节点、存储和处理自身采集的数据或者其他节点发送来的数据，无线通讯模块负责与其他传感器节点进行通讯，能量供应模块负责对整个传感器网络的运行进行能量的供应。
传感器节点能量的供应是采用电池，节点能量有限，考虑尽可能的延长整个传感器网络的生命周期，在设计传感器节点时，保证能量供应的持续性是一个重要的设计原则。传感器节点能量消耗的模块主要是包括传感器模块、信息处理模块和无线通讯模块，而绝大部分的能量消耗是集中在无线通讯模块上，约占整个传感器节点能量消耗的80%。因此，目前提出的传感器节点通讯路由协议主要是围绕着减少能量消耗延长网络生命周期而进行设计的。
在无线传感器网络中，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。同时，无线传感器网络是以数据为中心的，这在路由协议中表现的最为突出，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，更多的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。目前提出了很多类型的传感器网络路由协议，就是基于上述的目的。
无线通讯网络路由协议
相对于传统无线通讯网络而言，传统无线通讯网络研究的重点放在无线通讯的服务质量(QoS)上，而无线传感器节点是随机分布，电池供电，因此目前无线传感器网络路由协议的研究重点是放在如何提高能量效率上，当前流行的几个无线传感器网络的路由协议如下：
泛洪协议
泛洪(Flooding)协议[2]是一种传统的无线通讯路由协议。该协议规定，每个节点接受来自其他节点的信息，并以广播的形式发送给其他邻居节点。如此继续下去，最后将信息数据发送给目的节点。但这个协议容易引起信息的“内爆”(Implosion)和“重叠”(Overlap),造成资源的浪费。因此在泛洪协议的基础上，提出了闲聊(Gossiping)协议。
Gossiping协议
Gossiping协议[6]是在泛洪协议的基础上进行改进而提出的。它传播信息的途径是通过随机的选择一个邻居节点，获得信息的邻居节点以同样的方式随机的选择下一个节点进行信息的传递。这种方式避免了以广播形式进行信息传播的能量消耗，但其代价是延长了信息的传递时间。虽然Gossiping协议在一定程度上解决了信息的内爆，但是仍然存在信息的重叠现象。
SPIN协议
SPIN(Sensor Protocol for Information via Negotiation)协议[7]是一种以数据为中心的自适应路由协议。SPIN协议的目的是：通过节点之间的协商，解决Flooding协议和Gossiping协议的内爆和重叠现象。SPIN协议有3种类型的消息，即ADC、REQ和DATA。
ADC用于数据的广播，当某一个节点有数据可以共享时，可以用其进行数据信息广播。
REQ用于请求发送数据，当某一个节点希望接受DATA数据包时，发送REQ数据包。
DATA为传感器采集的数据包。
在发送一个DATA数据包之前，一个传感器节点首先对外广播ADV数据包，如果某一个节点希望接受要传来的数据信息，则向发送ADV数据包的节点回复REQ数据包，因此，便建立起发送节点和接受节点的联系，发送节点便向接受节点发送DATA数据包，SPIN协议的工作流程如图3所示。
图3 SPIN协议工作流程
定向扩散(Directed Diffusion)协议
定向扩散协议[4]是一种基于查询的路由机制。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。每个传感器节点在收到该信息后，将其保存在CACHE中。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之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。一旦传感器节点收集到汇聚节点感兴趣的数据，就会根据建立的梯度场寻求最快路径进行数据传递。梯度场建立过程如图4所示。
图4 定向扩散路由机制
LEACH协议
LEACH[3][5](LOW-Energy Adaptive Clustering Hierarchy)是一种以最小化传感器网络能量损耗为目标的分层式协议。该协议的主要思想是通过随机选择类头节点，平均分担无线传感器网络的中继通讯业务来达到平均消耗传感器网络中节点能量的目的，进而可以延长网络的生命周期。LEACH协议可以将网络生命周期延长15%。LEACH协议分为两个阶段：类准备阶段和数据传输阶段。类准备阶段和就绪阶段所持续的时间总和称为一个轮回。
在类准备阶段，LEACH协议随机选择一个传感器节点作为类头节点，随机性确保类头与基站之间数据传输的高能耗成本均匀的分摊到所有传感器节点上。类头节点是根据如下公式来选择的：
其中N为网络中传感器节点的数目，K为期望在当前轮回中的类头节点的数目。Ci(t)为指示方程，用于表明在过去的轮回中，该节点是否做过类头节点，若做过，则Ci(t)为0，否则Ci(t)为1。通过该式表明，只有那些以前的轮回中没有做过类头节点、能量消耗较少的节点才能够成为当前轮回的类头节点。
结语
近几年，针对无线传感器网络路由协议的研究相对于传统的无线通讯路由协议吸引了更多人的研究视线。从上面分析可以看出，每种协议之间是相互联系的。因此，从某种意义上来讲，很难说清楚到低是那种协议更有优势。基于对这些协议的比较分析表明，一个好的无线传感器网络路由协议应具备如下特征：
具有动态的选择汇聚节点的能力。很明显，汇聚节点的生命周期直接影响到整个传感器网络的生命周期。在信息的传递过程中，汇聚节点的使用频率最高，能量消耗最大。当某一个汇聚节点的能量消耗过大时，传感器网络能够根据汇聚节点的能量消耗状况，动态的选择能量消耗少的节点，进行信息的传递，平衡整个网络的汇聚节点的能量消耗，可以延长传感器网络的生命周期。
快速的数据融合技术。多传感器的信息采集过程同时也是多信息的融合问题。如果信息能够在传感器节点进行快速的信息融合和分离，将提高整个网络的运行效率。
随机路径选择能力。当有多条路径可以进行信息传递时，系统可以根据整个网络的能量消耗进行平衡，从多条路径中选择最适合的路径。
总之，无线传感器网络是一门全新的技术，还有许多课题需要科技工作者坚持不懈的努力。
参考文献：
1. Sinha A,Chandrakasan A.Energy aware software[A].Proc.VLSI Design 2000 [C].Calcutta,India,2000,1.
2. J.QiangFeng 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 networks[J].IEEE Design & TEX of Computers.2001,18(2):62-74.
4. C.Intanagonwiwat,R.Govindan and D.Estrin. Directed Diffusion A Scalable and Robust Communication Paradigm for Sensor Networks.presented at Proceedings of the 6th Annual ACM/IEEE International Conference on Mobile Computing and Networking(MobiCom'00),Boston,MA,2000.
5. K.Akkaya and M.Younis. A Survey on Routing Protocols for Wireless Sensor Networks. Elsevier Ad Hoc Network Journal,vol.3.pp.325-349,2005.
6. Hedetniemi S,Liestman A.A Survey of Gossiping and Protocols in Communication networks [J],Networks,1998,18(4):319-349.
7. W.Heinzelman,J.Kulik,H. Balakrishnan. Adaptive Protocols for information Dissemination in Wireless Sensor Networks.Proc.5th ACM/IEEE Mobicom Conference(MobiCom'99),Seattle, WA,August,1999,174-185.
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