无线传感器网络路由协议分析及探讨

高永琳+程晓荣

摘要：无线传感器网络路由协议的研究对无线传感器网络的应用具有重要的指导意义。协议研究的关键在于分析、比较各类协议。该文对已有协议的特点和应用领域进行分析与比较。在此基础上，给出了定向扩散路由协议（DD）中路径加强阶段的改进方法。分析并选择高能量、低跳数、短距离的路径作为需要加强的路径。理论分析表明，改进的协议能有效提高网络生命周期。

关键词：无线传感器网络；路由协议；定向扩散协议；能耗

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）27-0052-02

无线传感器网络（wireless sensor network，WSN）是当前科学技术研究领域的热点，它是一种分布式的传感网络，集传感器技术、嵌入式计算技术、分布式处理技术、无线通信技术等[1]，能够对部署环境区域进行实时地感知信息，通过路由算法对信息收集、传送。可快速部署、维护成本低、自组织等特性是无线传感器网络的显著优势。目前，已被广泛应用于国防军事、环境监测、交通运输、机械控制、医疗卫生、智能家居、智能电网及空间探索等领域[2-3]。

路由协议是无线传感器网络的一项关键技术[4-5]，是网络节点之间相互通信的基础。其主要目的是在源节点与目标节点之间寻找到一条或若干条高效、节能的路径，使数据能够从源节点快速传输到目标节点，以达到最优、可靠传输。

1 WSN路由协议分析

1.1 协议分类分析

无线传感器网络路由协议较多，从实际情况出发，路由协议可以归纳为以下几类：以数据为中心的路由协议、基于簇的路由协议、基于位置的路由协议，基于能量感知的路由协议[6-8]。

1） 以数据为中心的路由协议是基于数据的、查询驱动的协议，该种协议重点关注监测区域中的感知数据。典型协议有：DD协议、SPIN协议、Rumor-routing、TTDD等。定向扩散协议过程为Sink节点向感知节点区域广播请求信息，同时反向建立梯度，再进行数据传输。缺点是广播消息会加大网络能量消耗。

2） 基于聚簇的路由协议具有层次结构，采用一定的机制把传感器节点分为若干个簇，每个簇内含簇首和传感器节点，簇与簇之间地位平等，每个簇首把汇集融合后的数据传递给Sink节点。典型协议有LEACH、TEEN、PEGASIS等。

3） 基于节点地理信息的路由协议，大多数协议是基于角度、距离进行节点定位的。每个节点内存储着邻居节点和目标节点的地理信息，不需要存储路由信息表，无需知道网络拓扑，利用位置信息实现路由和数据转发。定位技术的发展促进该类协议的进步。主要有GEM、GPSR、LCR等协议。

4） 节点能量利用率是路由协议设计的重要原则，能量感知路由协议基于最低能量消耗，协议衡量节点剩余能量概率后，选择一条最低能量路由。主要协议有GEAR、EAR等。

1.2 经典路由协议比较

表1为经典路由协议在不同方面进行的比较，表2 为经典路由协议在应用领域的对比。

2 协议改进

基于多目标优化思想，对DD协议路径加强阶段进行探讨改进，给出改进方法。为尽量维持网络的生命周期，在路径加强阶段，选择加强的路径具有能量高、跳数少、距离短等特点就显得十分必要。把能量、跳数、距离属性信息作为衡量最优路径的指标。

2.1 改进方案

汇聚节点中存储了网络中的源节点地址、从源节点到目的节点的跳数、节点能量信息、节点间距离等信息。当汇聚节点接收到源节点发送来的数据后，获取并比较各路径中的能量、跳数、距离信息后，选择最优的路径作为待加强的数据传输路径。下图表3 是传输路径上的参数。

2.2 改进DD协议的分析与比较

传统的DD协议在路径加强阶段，只考虑了时间因素：Sink节点会加强最先到达它的那条路径。带来的问题是加速网络中某个节点的能量消耗，这会使整个网络生命周期缩短。另外，传统方法没有综合考虑路径中的节点包含的信息，强调“最先到达”这一指标，影响因素单一化。

网络的生命周期受多种因素影响。给出的方法从能量、跳数、距离三个方面综合考虑，能量越高、跳数越少、距离越短的路径越容易被加强。从目标函数可以看出，能量越高，目标函数值越大；而跳数越多、路程越远，则目标函数值越小。选择能量高的路径能避免网络中低能量节点过早死亡；选择跳数少、路程短的路径能减少数据转发时的能量消耗。当加强路径被确定时，从汇聚节点发出的加强信号会按路径反向方向传播下去，直至到达源节点。

综上所述，改进后的协议与传统方法相比，改进后的定向扩散路由协议能显著平均节点能耗，提高数据传输量，达到延长整个网络生命周期的目的。

3 结论

基于实际应用，对现有无线传感器网络路由协议进行分析比较。针对定向扩散路由协议（DD）中存在能量消耗不均等问题，给出了多目标优化的路径加强方法，改进了路径加强阶段。通过比较不同路径下的能量、跳数、距离信息，选择一条能量高、跳数少、距离近的路径进行加强。理论分析证明改进后的方法在提高网络生命周期、平均节点能耗、增强数据传输量方面效果显著。

目前在无线传感器网络路由协议方面仍有很多关键问题需要解决，仍有很多技术需要提高，如数据融合、路由安全、节能与QoS等。本文提出的方法，对今后进行更深层次路由协议研究提供参考。

参考文献：

[1] 李晓玥.无线传感器网络关键技术研究[D].北京交通大学，2017.

[2] 洪锋，褚红伟，金宗科，单体江，郭忠文.无线传感器网络应用系统最新进展综述[J].计算机研究与发展，2010，47（Supply）：81-87.

[3] M. EL Brak， S. EL Brak， M. Essaaidi and D. Benhaddou.Wireless Sensor Network applications in smart grid[C].2014 International Renewable and Sustainable Energy Conference （IRSEC）， Ouarzazate， 2014：587-592.

[4] K. Samara and H. Hosseini.A Routing Protocol for Wireless Sensor Networks with Reliable Delivery of Data[C]. 2015 IEEE International Conference on Data Science and Data Intensive Systems， Sydney， NSW，2015：632-635.

[5] Y. Gu， L. Ma， J. Guo and D. Jing.Improved Directed Diffusion Protocol Based on Visible Forwarding Path and Promoted Evaluation Criterion[C].2014 Second International Conference on Advanced Cloud and Big Data， Huangshan， 2014：174-179.

[6] M. C. Zheng and X. C. Zhao.Research on directed diffusion routing protocol in wireless sensor networks[C].2013 10th International Computer Conference on Wavelet Active Media Technology and Information Processing （ICCWAMTIP）， Chengdu， 2013：53-57.

[7] 陳志泊，徐孝成.一种改进的基于跳数的无线传感器网络路由算法[J].计算机科学，2013（4）：83-85，114.

[8] 黄妙媛.无线传感器网络安全路由协议研究[D].东华大学，2017.endprint