無線傳感器網絡路由協議

引言 

　　隨著傳感器技術、嵌入式技術、分布式信息處理技術和無線通訊技術的發展，以大量的具有微處理能力的微型傳感器節點組成的無線傳感器網絡(WSN)逐漸成為學術界的研究熱點問題。美國商業周刊和MIT技術評論在預測未來技術發展的報告中，分別將無線傳感器網絡列為21世紀最有影響的技術和改變世界的技術之一。與傳統無線通訊網絡Ad Hoc網絡相比，WSN的自組織性、動態性、可靠性和以數據為中心等特點，使其可以應用到人員無法到達的地方，比如戰場，沙漠等。因此，可以斷定未來的無線傳感器網絡將有更為廣泛的前景。 

無線傳感器網絡體系結構

　　無線傳感器網絡體系結構[1]如圖1所示,傳感器網絡通常包括傳感器節點，匯聚節點和管理節點。傳感器節點任意的分布在某一監測區域內，節點以自組織的形式構成網絡，通過多跳中繼方式將監測數據傳送到匯聚節點，最后通過Internet或其他網絡通訊方式將監測信息傳送到管理節點。同樣的，用戶可以通過管理節點進行命令的發布，告知傳感器節點收集監測信息。


圖1 無線傳感器網絡體系結構圖

傳感器節點是一個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、無線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傳感器節點、存儲和處理自身采集的數據或者其他節點發送來的數據，無線通訊模塊負責與其他傳感器節點進行通訊，能量供應模塊負責對整個傳感器網絡的運行進行能量的供應。 

　　傳感器節點能量的供應是采用電池，節點能量有限，考慮盡可能的延長整個傳感器網絡的生命周期，在設計傳感器節點時，保證能量供應的持續性是一個重要的設計原則。傳感器節點能量消耗的模塊主要是包括傳感器模塊、信息處理模塊和無線通訊模塊，而絕大部分的能量消耗是集中在無線通訊模塊上，約占整個傳感器節點能量消耗的80%。因此，目前提出的傳感器節點通訊路由協議主要是圍繞著減少能量消耗延長網絡生命周期而進行設計的。 

　　在無線傳感器網絡中，路由協議不僅關心單個節點的能量消耗，更關心整個網能量的均衡消耗，這樣才能延長整個網絡的生存期。同時，無線傳感器網絡是以數據為中心的，這在路由協議中表現的最為突出，每個節點沒有必要采用全網統一的編址，選擇路徑可以不用根據節點的編址，更多的是根據感興趣的數據建立數據源到匯聚節點之間的轉發路徑。目前提出了很多類型的傳感器網絡路由協議，就是基于上述的目的。 

　　無線通訊網絡路由協議 

　　相對于傳統無線通訊網絡而言，傳統無線通訊網絡研究的重點放在無線通訊的服務質量(QoS)上，而無線傳感器節點是隨機分布，電池供電，因此目前無線傳感器網絡路由協議的研究重點是放在如何提高能量效率上，當前流行的幾個無線傳感器網絡的路由協議如下： 

　　泛洪協議 

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

　　Gossiping協議 

　　Gossiping協議[6]是在泛洪協議的基礎上進行改進而提出的。它傳播信息的途徑是通過隨機的選擇一個鄰居節點，獲得信息的鄰居節點以同樣的方式隨機的選擇下一個節點進行信息的傳遞。這種方式避免了以廣播形式進行信息傳播的能量消耗，但其代價是延長了信息的傳遞時間。雖然Gossiping協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協議 

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

　　ADC用于數據的廣播，當某一個節點有數據可以共享時，可以用其進行數據信息廣播。 

　　REQ用于請求發送數據，當某一個節點希望接受DATA數據包時，發送REQ數據包。

　　DATA為傳感器采集的數據包。 

　　在發送一個DATA數據包之前，一個傳感器節點首先對外廣播ADV數據包，如果某一個節點希望接受要傳來的數據信息，則向發送ADV數據包的節點回復REQ數據包，因此，便建立起發送節點和接受節點的聯系，發送節點便向接受節點發送DATA數據包，SPIN協議的工作流程如圖3所示。




定向擴散(Directed Diffusion)協議 

　　定向擴散協議[4]是一種基于查詢的路由機制。整個過程可以分為興趣擴散、梯度建立以及路徑加強三個階段。在興趣擴散階段，匯聚節點向傳感器節點發送其想要獲取的信息種類或內容。興趣消息中含有任務類型、目標區域、數據發送速率、時間戳等參數。每個傳感器節點在收到該信息后，將其保存在CACHE中。當整個信息要求傳遍整個傳感器網絡后，便在傳感器節點和匯聚節點之間建立起一個梯度場，梯度場的建立是根據成本最小化和能量自適應原則。一旦傳感器節點收集到匯聚節點感興趣的數據，就會根據建立的梯度場尋求最快路徑進行數據傳遞。梯度場建立過程如圖4所示。

圖4 定向擴散路由機制

　　LEACH協議 

　　LEACH[3][5](LOW-Energy Adaptive Clustering Hierarchy)是一種以最小化傳感器網絡能量損耗為目標的分層式協議。該協議的主要思想是通過隨機選擇類頭節點，平均分擔無線傳感器網絡的中繼通訊業務來達到平均消耗傳感器網絡中節點能量的目的，進而可以延長網絡的生命周期。LEACH協議可以將網絡生命周期延長15%。LEACH協議分為兩個階段：類準備階段和數據傳輸階段。類準備階段和就緒階段所持續的時間總和稱為一個輪回。 

　　在類準備階段，LEACH協議隨機選擇一個傳感器節點作為類頭節點，隨機性確保類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上。類頭節點是根據如下公式來選擇的： 

　　其中N為網絡中傳感器節點的數目，K為期望在當前輪回中的類頭節點的數目。Ci(t)為指示方程，用于表明在過去的輪回中，該節點是否做過類頭節點，若做過，則Ci(t)為0，否則Ci(t)為1。通過該式表明，只有那些以前的輪回中沒有做過類頭節點、能量消耗較少的節點才能夠成為當前輪回的類頭節點。 
　
　　結語 

　　近幾年，針對無線傳感器網絡路由協議的研究相對于傳統的無線通訊路由協議吸引了更多人的研究視線。從上面分析可以看出，每種協議之間是相互聯系的。因此，從某種意義上來講，很難說清楚到低是那種協議更有優勢。基于對這些協議的比較分析表明，一個好的無線傳感器網絡路由協議應具備如下特征：

　　具有動態的選擇匯聚節點的能力。很明顯，匯聚節點的生命周期直接影響到整個傳感器網絡的生命周期。在信息的傳遞過程中，匯聚節點的使用頻率最高，能量消耗最大。當某一個匯聚節點的能量消耗過大時，傳感器網絡能夠根據匯聚節點的能量消耗狀況，動態的選擇能量消耗少的節點，進行信息的傳遞，平衡整個網絡的匯聚節點的能量消耗，可以延長傳感器網絡的生命周期。

　　快速的數據融合技術。多傳感器的信息采集過程同時也是多信息的融合問題。如果信息能夠在傳感器節點進行快速的信息融合和分離，將提高整個網絡的運行效率。 

　　隨機路徑選擇能力。當有多條路徑可以進行信息傳遞時，系統可以根據整個網絡的能量消耗進行平衡，從多條路徑中選擇最適合的路徑。 

　　總之，無線傳感器網絡是一門全新的技術，還有許多課題需要科技工作者堅持不懈的努力。