无线传感网路由技术概述

摘要：为了提高无线传感器网络的生存周期和数据通信的效率，设计优质路由非常重要。首先提出了设计路由协议所面临的问题；然后介绍了平面路由协议和层次路由协议中几种典型协议，并分析各协议的优缺点；接着通过实验分析和仿真，对各路由协议做比较；结果表明SPIN和GASA协议较好。

关键词：无线传感网网络；路由协议；层次路由；平面路由

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）23-0050-02

Abstract： In order to improve the life cycle of wireless sensor networks and data communication efficiency， it is very important to design high-quality routing. Firstly， the problems of designing routing protocols are proposed； and next several typical protocols in plane routing protocols and hierarchical routing protocols are introduced， and the advantages and disadvantages of each protocol are analyzed； then through the experimental analysis and simulation， each routing protocol is compared； It shows that the SPIN and GASA protocols are better.

Key words： wireless sensor network； routing protocol； hierarchical routing； plane routing

无线传感器网络[1]（Wireless Sensor Networks，WSNs）中部署着许多廉价的节点，在监测区域中这些节点收集相关信息，通过无线的方式发送给基站，基站把接收到的信息处理之后发送给用户，从而达到对目标区域的监测。而节点通过什么样的路由发送信息给基站，在短时间内并且高效率的送至目标节点，说明路由协议的选取很重要。

组成网络的普通节点大多数体积小、能量有限，而且没有固定的路由能适用任何情况下的网络，所以网络路由设计也是目前研究的重点。

1 路由技术涉及的问题

网络中生成通信路径时，具体涉及的问题：

1） 网络節点的部署问题。一种通过手工方式部署，手工部署使得节点在网络覆盖情况比较好，但这种方式的效率不高。另一种是随机部署方式，可以通过飞机随机将节点抛洒到监测环境中，虽然随机部署的效率不高，但不能保证节点在部署环境下分布的均匀性，也就影响了网络的性能。

2） 节点能耗问题。网络中的节点能量仅仅通过有限的电池来供应，由于一些环境比较恶劣，节点的能量得不到及时的补充，如果网络中有节点能量多早消耗，网络的拓扑结构就会相应的发生变化，网络的路由就需重新生成。

3）网络鲁棒性问题。在数据传输的过程中，可能会出现某些节点能量消耗完而死亡，那这个节点的死亡不能影响整个网络的服务，所以若某个节点失效，就会有新的路由来完成传输信息的任务。

4） 数据融合问题。节点会收到许多邻居节点发送过来的信息，这些信息可能很多部分存在重合的情况，那么发送相同的信息，不仅会增加信息的通信量，可能会发生重要信息丢失的情况，多次发送相同信息，还会增加网络能量消耗。所以节点可以将相同数据分组进行数据融合，减少信息的传输量。

2 典型的网络路由协议

无线传感器网络的路由协议依据拓扑结构分平面路由和层次路由两种，一般平面路由包括泛洪法（Flooding）、Gossiping协议、信息协商传感器协议（Sensor Protocols for Information via Negotiation， SPIN）等。层次路由包括低能自适应聚类体系（Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy，LEACH）、高效能量收集算法（Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems， PEGASIS）、GASA协议等。

2.1平面路由协议

1）ooding路由协议[2]

Flooding路由协议是最为经典的路由协议，该协议不需要考虑网络结构和具体计算问题。完成从源节点到目标节点的信息传输。一个节点从它的邻居节点接收信息，然后再负责把接收的信息传送给除源节点以外的其他邻居节点，直到信息已经送至目标节点或信息已过期，传送过程才完全截止。

该协议的优点是协议实现的条件简单，完全适合用于大规模或者复杂的环境中。当然也存在缺点：信息爆炸、消耗大量空间存储相同信息的副本、网络能耗高。节点A发送信息给它的邻居节点，即节点B、C、D收到节点A发送的信息，然后节点B、C、D再把信息发送给它们的邻居节点，即节点D收到一份信息的三个副本。

2）ssiping协议[3]

该协议和泛洪协议一样，不涉及网络结构和路由计算问题。对于洪泛协议的信息爆炸问题，Gossiping协议考虑随机原则。当一个节点收到一份信息时，随机选择它的一个邻居节点来接收它发送的信息。而当一个节点收到相同信息时，该节点拒绝接收这份信息，反送给发此信息的邻居节点。这种随机原则有效避免了信息内爆问题。但这种拒绝接受信息，反送回信息的方式，增加了网络的延时。

3）IN协议[4]

SPIN协议是对Flooding协议和Gossiping协议的改进，SPIN协议负责发送ADV、REQ和DATA三个信息。节点A向它的邻居节点发送ADV信息，比如节点C想接收DATA数据包，向A发送REQ数据包，然后节点C向它的邻居节点发送ADV信息，直至DATA数据包传送到目标节点。

SPIN协议通过协商机制，避免信息重复发送，不仅均衡网络能耗，还克服了节点中信息冗余的问题。但是SPIN协议未考虑如何节能，还是存在缺点。

2.2 层次路由协议

1） LEACH协议[5]

该协议采用轮的方式工作，轮包括簇的建立和稳定阶段两个部分。簇的建立是将网络中所有节点先分成簇结构，每个簇选取一个簇头。稳定阶段是每个簇头收集本簇中非簇头节点的信息，然后进行数据融合，最后把数据传送给目标节点，实现与目标节点的通信。簇头节点要进行数据融合和数据通信操作，所以与普通节点相比，簇头节点消耗的能量会比较多。为了延长网络的生命周期，LEACH协议采用轮换簇头的方式防止节点长期担任簇头，消耗完节点的有限能量而死亡导致网络瘫痪。

LEACH协议优点是簇头负责收集和融合信息后，再与目标节点通信，有效降低了网络的通信量。定期轮换簇头节点，均衡了网络中各节点的能耗。但选择一个小于某随机数的节点担任簇头，会导致生成的簇大小不均匀，也会存在能量较少的节点担任簇头。这些都影响无线传感器网络的性能。

2） PEGASIS协议[6]

PEGASIS协议是在LEACH协议的基础上发展而来的。该协议要求网络中节点是同构的且静止的，与贪婪算法原理相似，生成一条邻节点间距离之和最小的一条路径，然后随机选取路径中的一个节点与目标节点通信，路径中的所有节点都有可能成为簇头。

PEGASIS协议中节点只和自己的邻居节点通信，延长了网络的生命周期。该算法的优点是与LEACH相比，降低了网络的开销，提高的网络的生存周期。但PEGASIS设定网络中所有节点有相同级别的能量，所以会出现某个时刻大量节点死亡的现象。

3） GASA路由算法[7]

与LEACH、PEGASIS两种协议相比，GASA克服了LEACH算法簇头选取不考虑能量的问题，克服了PEGASIS算法已陷入局部最优解的问题。该算法在贪婪算法的基础上做了改进，综合利用遗传算法和模拟退火算法生成一条各邻点之间距离最小的路径，同时选取路径中剩余能量最多的作为邻居节点实现与目标节点的通信。

3 路由协议的比较

3.1 平面路由协议的比较

和其他两种协议相比，Flooding协议的生存时间最少，但健壮性最好。Flooding实现条件简单，不需要维护网络拓扑结构和形成路由相关计算问题，所以它的健壮性最优，适用于各种大规模和复杂的网络环境中。SPIN协议在Flooding协议与Gossiping协议的基础上做了改进，所以SPIN协议生存时间较长，还考虑了节点的能耗问题。

3.2 层次路由协议的比较

网络中节点随机分布，节点位置固定。根据层次路由的特点，比较三种协议经过不同通信次数后，网络中存活节点的能量占初始能量的百分比，LEACH协议能量消耗较快，相比LEACH协议，PEGASIS协议在一定程度上提高了网络的生存周期，网络能量消耗相对比较慢。但PEGASIS协议中设定网络中所有节点具有相同能量级，簇头选取不合理等问题，在通讯轮数较多时，出现大量节点死亡。与LEACH、PEGASIS相反，GASA协议的网络能耗较少，网络剩余的能量最多。

4 总结

由于无线传感器网络中节点的能量不是无限多，要实现从源节点与目标节点之间长时间数据通信，就需要研究网络的路由协议。本文分析了路由算法面临的一些问题。从层次路由和平面路由两个角度介绍了几种经典的路由协议。通过数据分析和仿真来比较这几种路由协议的优劣。从经典路由算法中得出它们的不足，为以后研究路由协议打下了夯实的基础。

参考文献：

[1]毕烨，陈丽娜，苗春雨.无线传感器网络节点定位与漂移检测[J].小型微型计算机系统，2018， 39（1）：156-160.

[2]唐坚刚， 潘锐. Flooding算法改进及其应用[J]. 软件导刊， 2016， 15（8）：6-9.

[3]戴思思.無线传感器网络中的高效率定向扩散和分布式势能路由算法[D].上海交通大学， 2010.

[4]方旺盛，孙建.狭长直巷道中WSN的SPIN路由算法的改进[J].传感技术学报， 2014（4）：564-569.

[5]林楠，史苇杭.无线传感器LEACH算法的优化及仿真[J].计算机仿真，2011， 28（1）：178-181.

[6]胡峻浩，刘兴长，谈昨非.基于禁忌算法的无线传感器网络PEGASIS算法改进[J]. 后勤工程学院学报， 2013（4）：91-96.

[7]赵永波，李慧，覃春淼.基于GASA算法的DFCW-LFM波形设计[J].系统工程与电子技术， 2014， 36（11）：2186-2191.

【通联编辑：代影】

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