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1、无线传感器网络路由协议无线传感器网络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：数据包传送需要通过多跳通信方式到达目端，因此路由选择算法是网络层设计一个主要任务。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节点，它主要包括两个方面功能：1.寻找源节点和目节点间优化路径。2.将数据分组沿着优化路径正确转发。无线传感器与传统无线网络协议不同之处，它受到能量消耗制约，并且只能获取到局部拓扑结构信息，由于这两个原因，无线传感器路由协议要能够在局部网络信息基础上选择合适路径。传感器由于它很强应用相关性，不同应用中路由协议差别很大，没有通用路由协议。无线路由器路由协议应具备以下特
2、点：（1） 能量优先。需要考虑到节点能量消耗以及网络能量均衡使用问题。（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情况下实现简单高效路由机制，这是WSN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标识和路由依据，而WSN由于节点随机分布，所关注是监测区域感知数据，而不是具体哪个节点获取信息，要形成以数据为中心消息转发路径。（4） 应用相关。设计者需要针对每一个具体应用需求，设计与之适应特定路由机制。现介绍几种常见路由协议（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
3、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相关数据，其中数据不能采用全局统一ID，而是要采用基于属性命名机制进行描述。平面路由优点是结构简单、鲁棒性（即路由机制容错能力）较好，缺点是缺乏对通信资源优化管理，对网络动态变化反应速度较慢。其中典型平面路由协议有以下几种：1.1.洪泛式路由（Flooding）：这是一种传统网络通信路由协议。这种算法不要求维护网络拓扑结构和相关路由计算，仅要求接受到信息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
4、，一直到传送到节点D为止或者为该数据所设定生存期限为零为止。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；适用于鲁棒性较高场合。但同时也有相应缺点：一个节点可能得到一个数据多个副本；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，无法作出自适应路由选择。为克服Flooding算法这些固有缺陷，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数据副本（避免了消息爆炸结果）。图1 洪泛式路由机制 图2
5、gossiping路由机制1.2.SPIN路由：SPIN是一组基于协商并且具有能量自适应功能信息传播协议。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运行时间。SPIN在运行过程中节点使用3种类型信息进行通信，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数据包中元数据。REQ用于请求发送数据。当一个节点希望接受DATA数据
6、包时，发送REQ数据包。DATA包含附上元数据头（meta-header）实际数据包。SPIN协商过程采用3次握手方式。Step1：运行SPIN协议源节点在传送DATA信息前，首先向相邻节点广播包含DATA数据描述机制ADV信息。Step2：需要该DATA信息邻居节点，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信息发送给相应邻居节点，如下图3所示。收到DATA数据节点可作为信息源敬爱那个DATA信息传播到网络中其他节点。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，还引用了基于阖值能量值适应机制。它要求每个节点都提供对其自身能量管理
7、功能以便跟踪能源能耗状况。当节点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SPIN协议能够很好地解决传统Flooding和Gossiping协议所带来信息爆炸、信息重复和资源浪费等问题。SPIN协议缺点是数据广告机制（ADV）不能保证数据可靠传递，因此对于入侵发现等需要在定期间隔内可靠传递数据应用系统来说，SPIN并不是一个很好选择。1.3.DD路由：定向扩散模型DD（Directed Diffusion）是一种以数据为中心信息传播协议,运行DD传感器节点使用基于属性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
8、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、时间戳等参数兴趣描述。每个节点通过记录获取到兴趣相应邻居节点、数据速率和时间戳等来建立梯度。数据发送阶段：当节点采集到匹配查询数据时，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，从而构建数据发送主路径，数据以后就通过路径发送给汇聚点。在D
9、D协议网络中，节点能够利用选取最优路径缓存来实现节能目。缓存技术能够提高传感器节点间有效性、鲁棒性和协作可扩展性，这也就是DD模式本质。DD算法在WSN路由协议研究中一个里程碑，其中最大特点就是引入了网络梯度概念。DD算法优点是：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路由，可以很好地满足WSN对节能、鲁棒性以及可扩展性需求。缺点是：它不适用于环境监控这类要求连续传递数据系统；选择与查询相匹配数据会使传感器节点消耗更多能量。图4 DD路由机制1.4.HREEMR路由：HREEMR是定向扩散路由机制基础上提出，目是通过维护多条可用路径来提高路由可靠性。该协议在运行期间采用
10、与DD相同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不想交冗余路径（为了避免主路径失效现象发生而采取应急措施）。HREEMR协议提出了不相交多路径和缠绕多路径两种不同多路径机制。（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）。图5 HREEMR不相交路径（2）缠绕多路径
11、：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冗余路径数量，节省了能源消耗。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多路径策略实现了能源有效故障恢复，解决了DD为了提高协议鲁棒性，采用周期低速率扩散数据而带来能源浪费问题。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一项技术）意识路由协议。它特点是路由决
12、策不仅要考虑到每条路径能源，还要涉及端到端延迟需求和待发数据包优先级。每个树以落在汇聚点有效传输半径内节点为根向外生长，枝干选择需满足一定QoS要求并要有一定能量储备。节点可以根据每条路径能源、附加QoS度量和包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网络，在高一级网络中，又可以分簇，再次形成更高级网络，直至最高级（如图6所示）。在分层结构中，簇首节点不仅负责所管辖簇内信息收集
13、和融合处理，还负责簇间数据转发。分层路由协议中每个簇形成通常是基于传感器节点保留能量和与簇首接近程度，同时为了延长整个网络生命周期，簇首节点选择需要周期更新。分层路由优点是适合大规模无线传感器网络环境，可扩展性较好。缺点是簇首节点可靠性和稳定性对全网性能影响较大，信息采集和处理也会大量地消耗簇首能量。一些典型分层路由协议有LEACH、PEGASIS、TEEN、APTEEN和具有能量意识传感器网络分簇路由。图6 网络分层路由机制2.1.LEACH路由：LEACH基本思想是以循环方式随机选择簇首节点，将整个网络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目。仿
14、真表明，与一般平面多跳路由和静态分层算法相比，LEACH可以将网络生命周期延长15%。LEACH在运行过程中不断地循环执行簇重构过程。每个簇重构过程可以用“会合（round）”概念来描述。每个回合可以分成两个阶段：簇建立阶段和传输数据稳定阶段。其中，簇建立过程又可分为四个阶段：簇首节点选择、簇首节点广播、簇建立和调度机制生成。簇首节点选择：依据网络中所需要簇首节点总数和迄今为止每个节点已成为簇首次数决定，具体方法如下：每个传感器节点随机选择01之间一个值，如果选定值小于某一个阖值T(n)，那么这个节点成为簇首节点。其中，T(n)值计算如下：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
15、；r为已完成回合数。簇首节点广播：选定簇首节点后，通过广播告知整个网络。簇建立：网络中其他节点根据接受信息信号强度决定从属簇，并通知相应簇首节点，完成簇建立。调度机制形成：最后，簇首节采用TDMA（时分多址）方法为簇中每个节点分配向其传送数据时间片。在稳定阶段中，传感器节点将采集数据传送到簇首节点。簇首节点对簇中所有节点所采集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合理工作模式。稳定阶段持续一段时间后，网络重新进入簇建立阶段，进行下一回合簇重构，不断循环。但该协议还存在以下三个值得探讨问题：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。
16、协议没有说明簇首节点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网络。2.2.PEGASIS和分层PEGASISPEGASIS基本思想是为了延长网络生命周期，节点只需要和它们最近邻居之间进行通信。节点与汇聚点之间通信过程是轮流进行，只有当所有节点都与汇聚点通信后，节点才进行新一回合轮流通信。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强度来衡量其所有邻居节点距离远近，在
17、确定最近邻居同时调整发送信号强弱确保只有邻居节点听到。其次，链中只选择一个节点作为链首向汇聚点传输数据。采集到数据以点到点方式传送、融合，并最终被送到汇聚点。该协议优点在于：减少了LEACH在簇重构过程中所产生开销，并且通过数据融合降低了收发过程次数，从而降低了能量消耗。图7 PEGASIS链式结构分层PEGASIS协议是对PEGASIS扩展，该协议目标是降低数据包到汇聚点传送过程中所引起延迟。为此，协议采取了数据并行传输机制，并提出了两种方法来避免传感器间冲突和可能存在信号干扰。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节点可以同时传输数据。基于CDMA分层
18、PEGSIS协议采用树状分层结构方式，每一层选择节点向更高一级节点传送数据。协议要求在每个回合数据采集过程中，给定层节点都向附加邻居发送数据，所有接受数据节点被提升为上一层节点。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过程，如下图所示：图8 基于CDMA分层PEGASIS协议数据采集节点C3在第三个回合被指定为链首，假设节点C0在链中得位置为0，节点C3位置为3，为奇数，那么所有处于偶数位置节点都向右边邻居发送数据，接受到数据节点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，因此所有偶数位置节点再次融合他们接受到得数
19、据和自身采集到数据，并将融合后数据发送给他们右边邻居；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路由策略，它具有实时性，可以突发事件作出快速反应。TE
20、EN与LEACH采用相同多簇结构和运行方式，不同是在簇建立过程中，随着簇首节点选定，簇首除了通过TDMA方式实现数据调度，还向簇内成员广播有关数据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阖值，软阖值则规定被监测数据变动范围。在簇稳定阶段，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变置为当前检测值。在簇重构过程中，如果新一回合簇首已经确定，该簇首将重新设定和发布以上两个参数。如下
21、图所示：图9 （a）TEEN协议操作 （b）APTEEN协议操作APTEEN协议是TEEN协议扩展，是一种混合协议，可以根据用户需要和应用类型来改变TEEN协议周期性和相关阖值设定，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相同数据发送机制，但是为了克服TEEN不能周期性数据传送缺点，协议规定如果节点在计数时间CT内没有发送任何数据，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TDMA调度方法。（
22、4）支持3种不同查询类型，包括分析过去数据历史性查询、快速浏览网页一次性查询和一段时间内持续监控某一时间连续查询。仿真结果表明，在能量分布和网络生存时间指标上，TEEN和APTEEN性能要优于LEACH协议，而APTEEN性能位于TEEN和LEACH之间。2.4.具有能量意识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低能耗两种方式运行。节点内部感知电路、数据处理电路和无线收发器可以独立开启和关闭，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是簇首不受能量限制，它可以监控簇内节点能量变化，决定并维护传感器四种
23、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，选择成本最小路径作为节点与其通信最优路径。三、地理定位辅助路由协议无线传感器网络许多路由协议都需要传感器节点定位信息。由于WSN没有类似IP地址访问机制，并且分布在某个特定区域，它们可以利用地址信息使数据以某种节能方式进行传输。因此如果已知被感应区域，利用传感器位置，查询信息就会只发布到被感知区域，减少了数据传输次数。3.1.MECN和SNECNMECN协议和SMECN协议都利用低功耗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。M
24、ECN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节点发送数据，这种方式需要能量较少。MECN主要设计思想是构建子网，要求子网内部所含节点数目较少并且任意两个节点间传输数据都消耗更少能量。这样不必考虑网络中所有节点，就可以发现全局最小能量路径。这对于每个考虑到自身转发区域节点来说，利用本地搜索就可以实现到达目节点最小能量路径。MECN运行分为两阶段完成。第一阶段：获取二维平面位置信息，并构建包含所有发送节点外围外围图。外围图构建由节点内部本地计算来完成。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分布式
25、Belman-Ford最短路径算法来实现。MECN协议最大特点是具有自动重配置特点，因此可以动态地适应节点实效和网络分布。但这种协议是在假定网络中每两个节点能够直接通信前提下提出，在实际环境中并不容易做到。SMECN协议是MECN协议扩展。它在原先MECN基础上又考虑到了任意两种节点间不能直接通信情况。SMECN协议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。最大优点在于构造了满足最小能量转发子网要小于MECN所构造子网，但同时付出代价也比SMECN高。3.2.GEARGEAR协议利用地理信息将查询分布到合适区域。GEAR利用能量和
26、地理信息作为启发式选择路径向目标区域传送数据。它是下DD基础上提出，但由于GEAR只向特定区域发送，因此GEAR相对于DD更加节省能量。GEAR协议要求每个节点维护一个预估费用（estimated cost）和一个通过邻居节点到达目节点学习费用（learning cost）。预估费用是节点剩余能量与到目节点距离综合结果。学习费用则是对描述网络中环绕在洞周围路由所需预估费用改进。所谓洞（hole）现象是指某个节点周围没有任何邻居节点比它自身更接近目标区域。如果没有洞现象发生，那么预估费用等于学习费用。每当一个数据包成功到达目地，该节点学习费用就要被传播到上一跳。协议包含了两个阶段：（1）向目标区
27、域传递数据包：当节点收到数据包时首先检查是否有邻居节点比它更接近目标区域。如果有，就选择离目标区域最近节点作为数据传递下一跳节点。如果相对于该节点而言，所有邻居节点都比它更远离目标区域，就意味着该节点存在洞现象。在这种情况下，利用学习费用函数选择其中一个邻居节点来传递数据。（2）传递已在目标区域内数据包。如果数据包已经到达目标区域，可以利用递归地理传递方式和受限Flooding方式发布该数据。当传感器节点分布不太紧密时，受限Flooding方式是较好选择。而在高密度无线传感器网络内，递归地理传递方式相对受限Flooding方式更加节能。递归地理传递模式如下图所示，将目标区域分为四个部分，数据包也相应地被复制了4次，这种分割和数据传递过程不断重复，直到区域内只剩下一个节点为止。图10 递归地理传递方式GEAR协议不仅降低了路由建立过程中得能量消耗，而且在数据传递过程中表现出优于GPSR（降低了节点所需维护状态数量，但它要求维护与节点统一标志ID和节点位置相匹配位置服务）性能。