無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )路由協(xié)議

　　摘要： 本文在簡(jiǎn)要地介紹了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )體系結構的基礎上，研究了當前主要的幾種無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )路由協(xié)議模型，并進(jìn)行了比較分析。

　　關(guān)鍵詞： 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò );路由協(xié)議

　　引言

　　隨著(zhù)傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)的發(fā)展，以大量的具有微處理能力的微型傳感器節點(diǎn)組成的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(WSN)逐漸成為學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)問(wèn)題。美國商業(yè)周刊和MIT技術(shù)評論在預測未來(lái)技術(shù)發(fā)展的報告中，分別將無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )列為21世紀最有影響的技術(shù)和改變世界的技術(shù)之一。與傳統無(wú)線(xiàn)通訊網(wǎng)絡(luò )Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )相比，WSN的自組織性、動(dòng)態(tài)性、可靠性和以數據為中心等特點(diǎn)，使其可以應用到人員無(wú)法到達的地方，比如戰場(chǎng)，沙漠等。因此，可以斷定未來(lái)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )將有更為廣泛的前景。

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )體系結構

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )體系結構[1]如圖1所示,傳感器網(wǎng)絡(luò )通常包括傳感器節點(diǎn)，匯聚節點(diǎn)和管理節點(diǎn)。傳感器節點(diǎn)任意的分布在某一監測區域內，節點(diǎn)以自組織的形式構成網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)多跳中繼方式將監測數據傳送到匯聚節點(diǎn)，最后通過(guò)Internet或其他網(wǎng)絡(luò )通訊方式將監測信息傳送到管理節點(diǎn)。同樣的，用戶(hù)可以通過(guò)管理節點(diǎn)進(jìn)行命令的發(fā)布，告知傳感器節點(diǎn)收集監測信息。

　　圖1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )體系結構圖

　　傳感器節點(diǎn)是一個(gè)具有信息收集和處理能力的微系統，集成了傳感器模塊、信息處理模塊、無(wú)線(xiàn)通訊模塊和能量供應模塊。其結構體系如圖2所示。

　　圖2 傳感器節點(diǎn)體系結構

　　傳感器模塊負責監測區域內信息的采集和轉換，信息處理模塊負責管理整個(gè)傳感器節點(diǎn)、存儲和處理自身采集的數據或者其他節點(diǎn)發(fā)送來(lái)的數據，無(wú)線(xiàn)通訊模塊負責與其他傳感器節點(diǎn)進(jìn)行通訊，能量供應模塊負責對整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò )的運行進(jìn)行能量的供應。

　　傳感器節點(diǎn)能量的供應是采用電池，節點(diǎn)能量有限，考慮盡可能的延長(cháng)整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò )的生命周期，在設計傳感器節點(diǎn)時(shí)，保證能量供應的持續性是一個(gè)重要的設計原則。傳感器節點(diǎn)能量消耗的模塊主要是包括傳感器模塊、信息處理模塊和無(wú)線(xiàn)通訊模塊，而絕大部分的能量消耗是集中在無(wú)線(xiàn)通訊模塊上，約占整個(gè)傳感器節點(diǎn)能量消耗的80%。因此，目前提出的傳感器節點(diǎn)通訊路由協(xié)議主要是圍繞著(zhù)減少能量消耗延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )生命周期而進(jìn)行設計的。

　　在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，路由協(xié)議不僅關(guān)心單個(gè)節點(diǎn)的能量消耗，更關(guān)心整個(gè)網(wǎng)能量的均衡消耗，這樣才能延長(cháng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的生存期。同時(shí)，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是以數據為中心的，這在路由協(xié)議中表現的最為突出，每個(gè)節點(diǎn)沒(méi)有必要采用全網(wǎng)統一的編址，選擇路徑可以不用根據節點(diǎn)的編址，更多的是根據感興趣的數據建立數據源到匯聚節點(diǎn)之間的轉發(fā)路徑。目前提出了很多類(lèi)型的傳感器網(wǎng)絡(luò )路由協(xié)議，就是基于上述的目的。

　　無(wú)線(xiàn)通訊網(wǎng)絡(luò )路由協(xié)議

　　相對于傳統無(wú)線(xiàn)通訊網(wǎng)絡(luò )而言，傳統無(wú)線(xiàn)通訊網(wǎng)絡(luò )研究的重點(diǎn)放在無(wú)線(xiàn)通訊的服務(wù)質(zhì)量(QoS)上，而無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)是隨機分布，電池供電，因此目前無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )路由協(xié)議的研究重點(diǎn)是放在如何提高能量效率上，當前流行的幾個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的路由協(xié)議如下：

　　泛洪協(xié)議

　　泛洪(Flooding)協(xié)議[2]是一種傳統的無(wú)線(xiàn)通訊路由協(xié)議。該協(xié)議規定，每個(gè)節點(diǎn)接受來(lái)自其他節點(diǎn)的信息，并以廣播的形式發(fā)送給其他鄰居節點(diǎn)。如此繼續下去，最后將信息數據發(fā)送給目的節點(diǎn)。但這個(gè)協(xié)議容易引起信息的“內爆”(Implosion)和“重疊”(Overlap),造成資源的浪費。因此在泛洪協(xié)議的基礎上，提出了閑聊(Gossiping)協(xié)議。

　　Gossiping協(xié)議

　　Gossiping協(xié)議[6]是在泛洪協(xié)議的基礎上進(jìn)行改進(jìn)而提出的。它傳播信息的途徑是通過(guò)隨機的選擇一個(gè)鄰居節點(diǎn)，獲得信息的鄰居節點(diǎn)以同樣的方式隨機的選擇下一個(gè)節點(diǎn)進(jìn)行信息的傳遞。這種方式避免了以廣播形式進(jìn)行信息傳播的能量消耗，但其代價(jià)是延長(cháng)了信息的傳遞時(shí)間。雖然Gossiping協(xié)議在一定程度上解決了信息的內爆，但是仍然存在信息的重疊現象。

　　SPIN協(xié)議

　　SPIN(Sensor Protocol for Information via Negotiation)協(xié)議[7]是一種以數據為中心的自適應路由協(xié)議。SPIN協(xié)議的目的是：通過(guò)節點(diǎn)之間的協(xié)商，解決Flooding協(xié)議和Gossiping協(xié)議的內爆和重疊現象。SPIN協(xié)議有3種類(lèi)型的消息，即ADC、REQ和DATA。

　　ADC用于數據的廣播，當某一個(gè)節點(diǎn)有數據可以共享時(shí)，可以用其進(jìn)行數據信息廣播。

　　REQ用于請求發(fā)送數據，當某一個(gè)節點(diǎn)希望接受DATA數據包時(shí)，發(fā)送REQ數據包。

　　DATA為傳感器采集的數據包。

　　在發(fā)送一個(gè)DATA數據包之前，一個(gè)傳感器節點(diǎn)首先對外廣播ADV數據包，如果某一個(gè)節點(diǎn)希望接受要傳來(lái)的數據信息，則向發(fā)送ADV數據包的節點(diǎn)回復REQ數據包，因此，便建立起發(fā)送節點(diǎn)和接受節點(diǎn)的聯(lián)系，發(fā)送節點(diǎn)便向接受節點(diǎn)發(fā)送DATA數據包，SPIN協(xié)議的工作流程如圖3所示。

　　圖3 SPIN協(xié)議工作流程

　　定向擴散(Directed Diffusion)協(xié)議

　　定向擴散協(xié)議[4]是一種基于查詢(xún)的路由機制。整個(gè)過(guò)程可以分為興趣擴散、梯度建立以及路徑加強三個(gè)階段。在興趣擴散階段，匯聚節點(diǎn)向傳感器節點(diǎn)發(fā)送其想要獲取的信息種類(lèi)或內容。興趣消息中含有任務(wù)類(lèi)型、目標區域、數據發(fā)送速率、時(shí)間戳等參數。每個(gè)傳感器節點(diǎn)在收到該信息后，將其保存在CACHE中。當整個(gè)信息要求傳遍整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò )后，便在傳感器節點(diǎn)和匯聚節點(diǎn)之間建立起一個(gè)梯度場(chǎng)，梯度場(chǎng)的建立是根據成本最小化和能量自適應原則。一旦傳感器節點(diǎn)收集到匯聚節點(diǎn)感興趣的數據，就會(huì )根據建立的梯度場(chǎng)尋求最快路徑進(jìn)行數據傳遞。梯度場(chǎng)建立過(guò)程如圖4所示。

　　圖4 定向擴散路由機制

　　LEACH協(xié)議

　　LEACH[3][5](LOW-Energy Adaptive Clustering Hierarchy)是一種以最小化傳感器網(wǎng)絡(luò )能量損耗為目標的分層式協(xié)議。該協(xié)議的主要思想是通過(guò)隨機選擇類(lèi)頭節點(diǎn)，平均分擔無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的中繼通訊業(yè)務(wù)來(lái)達到平均消耗傳感器網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)能量的目的，進(jìn)而可以延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )的生命周期。LEACH協(xié)議可以將網(wǎng)絡(luò )生命周期延長(cháng)15%。LEACH協(xié)議分為兩個(gè)階段：類(lèi)準備階段和數據傳輸階段。類(lèi)準備階段和就緒階段所持續的時(shí)間總和稱(chēng)為一個(gè)輪回。

　　在類(lèi)準備階段，LEACH協(xié)議隨機選擇一個(gè)傳感器節點(diǎn)作為類(lèi)頭節點(diǎn)，隨機性確保類(lèi)頭與基站之間數據傳輸的高能耗成本均勻的分攤到所有傳感器節點(diǎn)上。類(lèi)頭節點(diǎn)是根據如下公式來(lái)選擇的：

　　其中N為網(wǎng)絡(luò )中傳感器節點(diǎn)的數目，K為期望在當前輪回中的類(lèi)頭節點(diǎn)的數目。Ci(t)為指示方程，用于表明在過(guò)去的輪回中，該節點(diǎn)是否做過(guò)類(lèi)頭節點(diǎn)，若做過(guò)，則Ci(t)為0，否則Ci(t)為1。通過(guò)該式表明，只有那些以前的輪回中沒(méi)有做過(guò)類(lèi)頭節點(diǎn)、能量消耗較少的節點(diǎn)才能夠成為當前輪回的類(lèi)頭節點(diǎn)。

　　結語(yǔ)

　　近幾年，針對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )路由協(xié)議的研究相對于傳統的無(wú)線(xiàn)通訊路由協(xié)議吸引了更多人的研究視線(xiàn)。從上面分析可以看出，每種協(xié)議之間是相互聯(lián)系的。因此，從某種意義上來(lái)講，很難說(shuō)清楚到低是那種協(xié)議更有優(yōu)勢?；趯@些協(xié)議的比較分析表明，一個(gè)好的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )路由協(xié)議應具備如下特征：

　　具有動(dòng)態(tài)的選擇匯聚節點(diǎn)的能力。很明顯，匯聚節點(diǎn)的生命周期直接影響到整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò )的生命周期。在信息的傳遞過(guò)程中，匯聚節點(diǎn)的使用頻率最高，能量消耗最大。當某一個(gè)匯聚節點(diǎn)的能量消耗過(guò)大時(shí)，傳感器網(wǎng)絡(luò )能夠根據匯聚節點(diǎn)的能量消耗狀況，動(dòng)態(tài)的選擇能量消耗少的節點(diǎn)，進(jìn)行信息的傳遞，平衡整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的匯聚節點(diǎn)的能量消耗，可以延長(cháng)傳感器網(wǎng)絡(luò )的生命周期。

　　快速的數據融合技術(shù)。多傳感器的信息采集過(guò)程同時(shí)也是多信息的融合問(wèn)題。如果信息能夠在傳感器節點(diǎn)進(jìn)行快速的信息融合和分離，將提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的運行效率。

　　隨機路徑選擇能力。當有多條路徑可以進(jìn)行信息傳遞時(shí)，系統可以根據整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的能量消耗進(jìn)行平衡，從多條路徑中選擇最適合的路徑。

　　總之，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是一門(mén)全新的技術(shù)，還有許多課題需要科技工作者堅持不懈的努力。

　　參考文獻：

　　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.