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[摘 要]无线传感器网络作为计算，通信和传感器官项技术相结合的产物，目前成为计算机科学领域一个活跃的研究分支。结合近年来国外的研究成果，着重从路由协议方面介绍无线传感器网络的研究现状，比较分析了FLOODING、GOSSIPING、SPIN、DIRECTED DIFFUSION等多种路由协议，指出了各自的特色。
[关键词]无线传感器网络、路由协议、FLOODING
中图分类号：TN711 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）09-0044-02
1、引言
无线传感器网络的研究起步于20世纪90年代末期，无线传感器网络作为一个全新的研究领域，在基础理论和工程技术两个层面向科技工作者提出了大量的挑战性研究课题。无线传感网络的网络结构由三个主要部分组成[1]：传感节点，终端节点（Sink）和观察对象，节点由四部分组成：（1）由微处理器或微控制器构成的计算子系统；（2）用于无线通信的短距离无线收发电路，即通信子系统；（3）将节点与物理世界联系起来，由一组传感器和激励装置构成的传感子系统；（4）能量供应子系统，包括电池和AC-DC转换器。
2、路由协议的分类
网络数据传输离不开路由协议，無线传感器网络路由协议根据不同的角度可以进行不同的分类。根据路由发现策略的角度，可分为主动路由和被动路由两种类型；根据网络管理的逻辑结构可将路由协议分为平面路由和分层结构路由两类[2][3]。
3、无线传感器网络中现有路由协议分析
3.1 平面路由协议
3.1.1 扩散法[4]（Flooding）
扩散法是一种传统的网络路由协议，如图1所示：一节点A希望发送一块数据给节点D，使用扩散法，节点A首先通过网络将数据副本传送给它的每一个邻居节点，每一个邻居节点又将其传输给各自的每一个邻居节点，除了刚刚给它们发送数据副本的节点A外。如此继续下去，直到将数据传输到目标节点D为止或者为该数据所设定的生命期限变为零为止或者所有节点拥有此数据副本为止。
扩散法所具有的优点：①实现简单；②不需要为保持网络拓扑信息和实现复杂的路由发现算法而消耗计算资源；③适用于健壮性要求高的场合。表现不足的地方主要有：①存在信息爆炸（Implosion）问题，即出现一个节点可能得到一个数据多个副本的现象；②出现部分重叠（Overlap）现象；③盲目使用资源。
3.1.2 SPIN[5][6]（Sensor Protocol for Information via Negotiation）
SPIN是一种以数据为中心的自适应通信路由协议。其目标是通过使用节点间的协商制度和资源自适应机制，解决扩散法存在的不足之处。为了避免出现扩散法的信息爆炸问题和部分重叠现象，传感器节点在传送数据之前彼此进行协商，协商制度可确保传输有用数据。节点间通过发送元数据（即描述传感器节点采集的数据属性的数据。
3.1.3 定向扩散[7][8][9][10]（Directed Diffusion）
定向扩散路由是一种以数据为中心的信息传播协议，与已有的路由算法有着截然不同的实现机制，其突出特点是引入了梯度来描述网络中间节点对该方向继续搜索获得匹配数据的可能性，运行的传感器节点使用基于属性的命名机制来描述数据，并通过向所有节点发送对某个命名数据的（任务描述符）来完成数据收集。在传播的过程中，指定范围内的节点利用缓存机制动态维护接收数据的属性及指向信息源的梯度矢量等信息，同时激活传感器来采集与该相匹配的信息。节点对采集的信息进行简单的预处理后，利用本地化规则和加强算法建立一条到达目的节点的最佳路经。经仿真分析，该算法具有很好的节能和可扩展特性。
3.2 层次路由协议
3.2.1 LEACH[11]（Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy）
LEACH是一种基于聚类（Clustering）的路由协议，在无线传感器网络路由协议占有重要地位，其他基于聚类的路由协议如TEEN、APTEEN、PEGASIS等大都由LEACH发展而来。 它的基本思想是通过随机循环地选择聚类首节点将整个网络的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的目的。在运行过程中不断地循环执行聚类首节点重构过程，每个重构过程分成两个阶段： 类准备阶段（set-up phase）和就绪阶段（ready phase），为了节省资源开销， 就绪阶段的持续时间要长于类准备阶段的持续时间，与一般的基于平面多跳路由协议和静态的聚类路由协议相比，可以将网络整体生存时间延长15%.
LEACH定义了“轮”（round）的概念，类准备阶段和就绪阶段所持续的时间总和称为一轮（round）。
在类准备阶段，LEACH协议随机选择一个传感器节点作为类头节点（cluster head node），随机性确保类头与基站之间数据传输的高能耗成本均匀地分摊到所有传感器节点。
在类头节点选定后，该类头节点对网络中所有节点进行广播，广播数据包含有该节点成为类头节点的信息。一旦传感器节点收到广播数据包，根据接收到的各个类头节点广播信号强度，该节点选择信号强度最大的类头节点加入，向其发送成为其成员的数据包。类形成后，类头节点采用TDMA策略分配通道使用权给类内节点。
一旦处于就绪阶段，类头节点开始接收类内各节点采集的数据，然后采用数据融合和数据压缩等技术进行汇聚，将整合后的数据传输给Sink节点。在就绪阶段持续了一段时间后，网络又进入了另一次的类准备阶段。
3.2.2 PEGAGIS[12]（power-efficient gathering in sensor information system） PEGAGIS协议是在LEACH基础上改进设计的，不同于LEACH的聚类结构， 它假定组成网络的传感器节点是同构且静止的，节点发送能量递减的测试信号，通过检测应答来确定离自己最近的相邻节点。通过这种方式，网络中的所有节点能够了解彼此的位置关系，进而每个节点依据自己的位置选择所属的聚类，聚类的首节点参照位置关系优化出到sink节点的最佳链路。研究结果表明，PEGASIS支持的传感器网络的生命周期是LEACH的近两倍。PEGAGIS协议的优点是减小了LEACH在聚类首节点重构过程中所产生的开销，并且通过数据融合降低了收发过程的次数，从而降低了能量的消耗.它的缺点是链中远距离的节点会引起过多的数据延迟，节点维护位置信息（相当于传统网络中的拓扑信息）需要额外的资源，而且聚类首节点的唯一性使得聚类会成为瓶颈。
3.2.3 TEEN[13][14]（Threshold sensitive Energy Efficient sensor Network protocol）
TEEN是具有实时性的路由协议，它采用与LEACH相同的聚类结构和运行方式，在TEEN中定义了硬、软两个阈值，以确定是否需要发送监测数据，当监测数据第一次超过设定的硬阈值时，节点用它作为新的硬阈值，并在接着到来的时隙内发送它。在接下来的过程中，如果监测数据的变化幅度大于软阈值界定的范围，则节点传送最新采集的数据，并将它设定为新的硬阈值，通过调节软阈值的大小，可以在监测精度和系统能耗之间取得合理的平衡。不同的是在聚类的建立过程中，随着聚类首节点的选定，聚类首 除了通过TDMA方法实现数据的调度，还向聚类成员广播有关数据的硬阈值和软阈值两个参数。通过设置硬阈值和软阈值两个参数，TEEN能够大大地减少数据传送的次数，从而达到比LEACH算法更节能的目的。TEEN协议的优点是适用于实时应用系统，可以对突发事件做出快速反应。它的缺点是不适用于需要持续采集数据的应用环境。
4 特性比较
如表1。
5、结束语
随着人们对无线传感器网络的研究与应用的进一步加深，无线传感器网络路由协议的设计吸引了越来越多的技术人员的关注与研究。本文整理总结了当前常见的路由协议的相关特点，并对各种路由协议的特点进行了分析和比较，希望对从事相关研究与设计的技術人员有所帮助，进一步推动无线传感器网络技术在国内相关领域内的应用。
参考文献
[1] 任丰原、黄海宁、林闯.无线传感器网络.软件学报，2003-3.
[2] 肖永康山秀明任勇无线Adhoc网络及其研究难点.电信科学.2002年，12～14.
[3] 史美林，英春自组网路由协议综述通信学报，2001年，Vol.22.No1193～103.
[4] M. Weiser. The computer for the 21st century.Scienttific American， 1991， 265（3） ：66-75.
[5] W. Heinzelman， J. Kulik， H. Balakrishnan. Adaptive protocols for information dissemination in wireless sensor networks. Proceedings of the 5th Annual ACM/IEEE International Conference on Mobile Computing and Networking （MobiCom'99），Seattle， WA，1999：174-185.
[6] J. Kulik， et al. Negotiation-based protocols for disseminating information in wireless sensor networks. Wireless Networks， 2002， （8），：169-185.
[关键词]无线传感器网络、路由协议、FLOODING
中图分类号：TN711 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）09-0044-02
1、引言
无线传感器网络的研究起步于20世纪90年代末期，无线传感器网络作为一个全新的研究领域，在基础理论和工程技术两个层面向科技工作者提出了大量的挑战性研究课题。无线传感网络的网络结构由三个主要部分组成[1]：传感节点，终端节点（Sink）和观察对象，节点由四部分组成：（1）由微处理器或微控制器构成的计算子系统；（2）用于无线通信的短距离无线收发电路，即通信子系统；（3）将节点与物理世界联系起来，由一组传感器和激励装置构成的传感子系统；（4）能量供应子系统，包括电池和AC-DC转换器。
2、路由协议的分类
网络数据传输离不开路由协议，無线传感器网络路由协议根据不同的角度可以进行不同的分类。根据路由发现策略的角度，可分为主动路由和被动路由两种类型；根据网络管理的逻辑结构可将路由协议分为平面路由和分层结构路由两类[2][3]。
3、无线传感器网络中现有路由协议分析
3.1 平面路由协议
3.1.1 扩散法[4]（Flooding）
扩散法是一种传统的网络路由协议，如图1所示：一节点A希望发送一块数据给节点D，使用扩散法，节点A首先通过网络将数据副本传送给它的每一个邻居节点，每一个邻居节点又将其传输给各自的每一个邻居节点，除了刚刚给它们发送数据副本的节点A外。如此继续下去，直到将数据传输到目标节点D为止或者为该数据所设定的生命期限变为零为止或者所有节点拥有此数据副本为止。
扩散法所具有的优点：①实现简单；②不需要为保持网络拓扑信息和实现复杂的路由发现算法而消耗计算资源；③适用于健壮性要求高的场合。表现不足的地方主要有：①存在信息爆炸（Implosion）问题，即出现一个节点可能得到一个数据多个副本的现象；②出现部分重叠（Overlap）现象；③盲目使用资源。
3.1.2 SPIN[5][6]（Sensor Protocol for Information via Negotiation）
SPIN是一种以数据为中心的自适应通信路由协议。其目标是通过使用节点间的协商制度和资源自适应机制，解决扩散法存在的不足之处。为了避免出现扩散法的信息爆炸问题和部分重叠现象，传感器节点在传送数据之前彼此进行协商，协商制度可确保传输有用数据。节点间通过发送元数据（即描述传感器节点采集的数据属性的数据。
3.1.3 定向扩散[7][8][9][10]（Directed Diffusion）
定向扩散路由是一种以数据为中心的信息传播协议，与已有的路由算法有着截然不同的实现机制，其突出特点是引入了梯度来描述网络中间节点对该方向继续搜索获得匹配数据的可能性，运行的传感器节点使用基于属性的命名机制来描述数据，并通过向所有节点发送对某个命名数据的（任务描述符）来完成数据收集。在传播的过程中，指定范围内的节点利用缓存机制动态维护接收数据的属性及指向信息源的梯度矢量等信息，同时激活传感器来采集与该相匹配的信息。节点对采集的信息进行简单的预处理后，利用本地化规则和加强算法建立一条到达目的节点的最佳路经。经仿真分析，该算法具有很好的节能和可扩展特性。
3.2 层次路由协议
3.2.1 LEACH[11]（Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy）
LEACH是一种基于聚类（Clustering）的路由协议，在无线传感器网络路由协议占有重要地位，其他基于聚类的路由协议如TEEN、APTEEN、PEGASIS等大都由LEACH发展而来。 它的基本思想是通过随机循环地选择聚类首节点将整个网络的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的目的。在运行过程中不断地循环执行聚类首节点重构过程，每个重构过程分成两个阶段： 类准备阶段（set-up phase）和就绪阶段（ready phase），为了节省资源开销， 就绪阶段的持续时间要长于类准备阶段的持续时间，与一般的基于平面多跳路由协议和静态的聚类路由协议相比，可以将网络整体生存时间延长15%.
LEACH定义了“轮”（round）的概念，类准备阶段和就绪阶段所持续的时间总和称为一轮（round）。
在类准备阶段，LEACH协议随机选择一个传感器节点作为类头节点（cluster head node），随机性确保类头与基站之间数据传输的高能耗成本均匀地分摊到所有传感器节点。
在类头节点选定后，该类头节点对网络中所有节点进行广播，广播数据包含有该节点成为类头节点的信息。一旦传感器节点收到广播数据包，根据接收到的各个类头节点广播信号强度，该节点选择信号强度最大的类头节点加入，向其发送成为其成员的数据包。类形成后，类头节点采用TDMA策略分配通道使用权给类内节点。
一旦处于就绪阶段，类头节点开始接收类内各节点采集的数据，然后采用数据融合和数据压缩等技术进行汇聚，将整合后的数据传输给Sink节点。在就绪阶段持续了一段时间后，网络又进入了另一次的类准备阶段。
3.2.2 PEGAGIS[12]（power-efficient gathering in sensor information system） PEGAGIS协议是在LEACH基础上改进设计的，不同于LEACH的聚类结构， 它假定组成网络的传感器节点是同构且静止的，节点发送能量递减的测试信号，通过检测应答来确定离自己最近的相邻节点。通过这种方式，网络中的所有节点能够了解彼此的位置关系，进而每个节点依据自己的位置选择所属的聚类，聚类的首节点参照位置关系优化出到sink节点的最佳链路。研究结果表明，PEGASIS支持的传感器网络的生命周期是LEACH的近两倍。PEGAGIS协议的优点是减小了LEACH在聚类首节点重构过程中所产生的开销，并且通过数据融合降低了收发过程的次数，从而降低了能量的消耗.它的缺点是链中远距离的节点会引起过多的数据延迟，节点维护位置信息（相当于传统网络中的拓扑信息）需要额外的资源，而且聚类首节点的唯一性使得聚类会成为瓶颈。
3.2.3 TEEN[13][14]（Threshold sensitive Energy Efficient sensor Network protocol）
TEEN是具有实时性的路由协议，它采用与LEACH相同的聚类结构和运行方式，在TEEN中定义了硬、软两个阈值，以确定是否需要发送监测数据，当监测数据第一次超过设定的硬阈值时，节点用它作为新的硬阈值，并在接着到来的时隙内发送它。在接下来的过程中，如果监测数据的变化幅度大于软阈值界定的范围，则节点传送最新采集的数据，并将它设定为新的硬阈值，通过调节软阈值的大小，可以在监测精度和系统能耗之间取得合理的平衡。不同的是在聚类的建立过程中，随着聚类首节点的选定，聚类首 除了通过TDMA方法实现数据的调度，还向聚类成员广播有关数据的硬阈值和软阈值两个参数。通过设置硬阈值和软阈值两个参数，TEEN能够大大地减少数据传送的次数，从而达到比LEACH算法更节能的目的。TEEN协议的优点是适用于实时应用系统，可以对突发事件做出快速反应。它的缺点是不适用于需要持续采集数据的应用环境。
4 特性比较
如表1。
5、结束语
随着人们对无线传感器网络的研究与应用的进一步加深，无线传感器网络路由协议的设计吸引了越来越多的技术人员的关注与研究。本文整理总结了当前常见的路由协议的相关特点，并对各种路由协议的特点进行了分析和比较，希望对从事相关研究与设计的技術人员有所帮助，进一步推动无线传感器网络技术在国内相关领域内的应用。
参考文献
[1] 任丰原、黄海宁、林闯.无线传感器网络.软件学报，2003-3.
[2] 肖永康山秀明任勇无线Adhoc网络及其研究难点.电信科学.2002年，12～14.
[3] 史美林，英春自组网路由协议综述通信学报，2001年，Vol.22.No1193～103.
[4] M. Weiser. The computer for the 21st century.Scienttific American， 1991， 265（3） ：66-75.
[5] W. Heinzelman， J. Kulik， H. Balakrishnan. Adaptive protocols for information dissemination in wireless sensor networks. Proceedings of the 5th Annual ACM/IEEE International Conference on Mobile Computing and Networking （MobiCom'99），Seattle， WA，1999：174-185.
[6] J. Kulik， et al. Negotiation-based protocols for disseminating information in wireless sensor networks. Wireless Networks， 2002， （8），：169-185.