【文章內容簡介】 銷較低；二是地理路由，地理位置信息實際上體現節(jié)點間相對拓撲關系，利用這一信息路由能很大程度上降低用于收集拓撲信息付出的開銷，提高協議的可擴展性地理路由使用的前提是節(jié)點能獲得自己和目的節(jié)點的地理位置信息，對于節(jié)點有移動性，任意兩個節(jié)點之間都可能進行通信的網絡，為獲得目的節(jié)點位置信息需不斷更新位置信息，開銷較大，地理路由的優(yōu)勢就不明顯?！祿鬏斂煽啃詳祿鬏數目煽啃灾苯雨P系到WSN是否能給用戶提供準確、全面和可靠的信息，而WSN中節(jié)點無線通信能力弱，應用環(huán)境復雜，實際的鏈路質量比較低。如何保證數據傳輸的可靠性是WSN路由設計中的一個關鍵問題，影響WSN數據傳輸可靠性原因：第一，無線信道上的碰撞導致分組無法正確接收；第二，節(jié)點故障使路由不可用，導致分組丟失；第三，鏈路不可靠，導致分組傳輸出錯或丟失。解決路由協議數據傳輸可靠性的策略有：第一，建立多路徑路由，可以建立信源節(jié)點到目標節(jié)點的多條路徑，選擇最優(yōu)路徑作為主路徑，其他路徑為備份。也可以使用多條路徑發(fā)送原始分組的多個副本，即使其中一些傳輸丟失也不會影響端到端的可靠性。第二，選擇可靠鏈路?！÷酚蓞f議的分類鑒于無線傳感器網絡的特殊性，為無線傳感器網絡設計特有的路由協議具有非常重要的意義，目前已經提出了許多的路由協議，各種路由協議在不同的應用環(huán)境和性能評價指標下各有千秋。針對不同應用環(huán)境的各種路由協議，根據一些特定的標準對路由協議加以分類，主要有以下幾種分類方法?！“丛垂?jié)點獲取路徑的方法1．主動路由協議：該協議要在數據傳輸之前先建立好相應的路徑，路由發(fā)現策略類似于傳統(tǒng)的路由協議。網絡的每個節(jié)點都要周期性地向其他節(jié)點發(fā)送最新的路由信息，并且每一個節(jié)點都要保存一個或更多的路由表來儲存路由信息。當網絡拓撲結構發(fā)生變化時，節(jié)點就在全網內廣播路由信息，這樣每一個節(jié)點就能連續(xù)不斷地獲取網絡信息。主動路由建立、維護的開銷大，資源要求高。2．按需路由協議：只有在源節(jié)點需要發(fā)送數據到目的節(jié)點時，源節(jié)點才發(fā)起創(chuàng)建路由的過程。因此，路由表內容是按需建立的，它可能僅僅是整個拓撲結構信息的一部分。通信過程中維護路由，通信完成后便不再進行維護。按需路由協議在傳輸前需計算路由，因此延時比較大。3．混合路由協議：混合路由則綜合利用主動和按需兩種方式。一般來說，對于經常使用并且拓撲變化不大的網絡部分可以采用主動路由協議的方式建立維護相應的路由信息，而對于傳輸數據比較少或拓撲變化較快的網絡部分，則采用按需路由的方式建立路由，以取得效用和時延的折中。　按節(jié)點參與通信的方式1．直接通信協議：傳感器節(jié)點直接發(fā)送數據給接收節(jié)點，在這種網絡中，如果網絡比較大的話，節(jié)點的能量會很快用光。另外，隨著節(jié)點數目的增加，網絡中的數據沖突將變得更加嚴重。由于能耗和沖突的原因，這種路由方式在規(guī)模稍大的無線傳感器網絡中都難應用。2．平面路由協議：網絡中的所有節(jié)點都地位平等，實現的路由功能也大致相同。當一個節(jié)點需要發(fā)送數據時，可能以其他節(jié)點為中轉節(jié)點進行轉發(fā)，最后到達接收節(jié)點。通常來說，在接收節(jié)點附近的節(jié)點參與數據中轉的概率要比遠離接收節(jié)點的節(jié)點參與的概率高，因此，接收節(jié)點附近的節(jié)點由于過于頻繁地參與數據中轉，會較快地用完能量而成為死亡節(jié)點，這對于能量嚴重受限的無線傳感器網絡來說，是一個嚴重的問題。3．層次路由協議[14][15]：將傳感器節(jié)點分成不同的簇群，簇群內收集的監(jiān)控信息都交給簇頭節(jié)點，簇頭節(jié)點可以通過數據聚集和融合減少傳輸信息量，最后簇頭節(jié)點把處理后的數據傳送給終端節(jié)點。相比于其他路由協議，層次路由協議能滿足傳感器網絡的可擴展性，有效地減少傳感節(jié)點的能量消耗，從而延長網絡壽命。顯然，此類協議中，簇頭節(jié)點的能量消耗遠大于其他節(jié)點，因此此類網絡協議可以選擇滿足條件的節(jié)點輪流擔當簇頭節(jié)點來均衡能耗?！“绰酚傻陌l(fā)現過程1．以位置信息為中心的路由協議[18]：它利用節(jié)點的位置信息，把查詢或數據轉發(fā)給需要的地域，從而減少數據的傳送范圍。許多傳感器網絡的路由協議都假設節(jié)點的位置信息已知，所以可以方便的利用節(jié)點的位置信息將節(jié)點分為不同的域，基于域進行數據的傳輸來縮小傳送范圍，減少中間節(jié)點的能耗，從而延長網絡的壽命。2．以數據為中心的路由協議[16][17][18][19]：它提出對傳感器網絡中的數據用特定的描述方式命名，數據傳輸基于數據查詢并依賴數據命名，所有的數據通信都限制在局部范圍內。這種方式的通信不再依賴于特定的節(jié)點，二是依賴于網絡中的數據，從而減少了網絡中傳送的大量重復冗余數據，降低了不必要的開銷，從而延長網絡的壽命。　按路由選擇是否考慮服務質量（QoS）約束保證QoS的路由協議是指在路由建立時，考慮時延、丟包率等參數，從多條可行的路由中選擇一條最適合QoS應用要求的路由；或者根據業(yè)務類型，保證滿足不同業(yè)務需求的QoS路由協議。由于無線傳感器網絡路由協議繁多，分類方法也很多，除了以上方法外還有根據路徑數量、根據應用場合、根據數據傳輸方式等其他分類方法。下面將介紹一些典型的路由協議?！〉湫偷穆酚蓞f議分析　洪泛路由(Flooding)擴散法(Flooding)[13]是一種傳統(tǒng)的網絡路由協議，不需要知道網絡拓撲結構和使用任何路由算法，接收到消息的節(jié)點以廣播的形式轉發(fā)給所有的鄰居節(jié)點。：源節(jié)點S希望發(fā)送一塊數據給節(jié)點D，節(jié)點S首先通過網絡將數據副本傳送給它的每一個鄰居節(jié)點，每一個鄰居節(jié)點又將其傳輸給各自的每一個鄰居節(jié)點，除了剛剛給它們發(fā)送數據副本的節(jié)點S外。如此繼續(xù)下去，直到將數據傳輸到目標節(jié)點D為止或者為該數據所設定的生命期限（在傳感器網絡里面通常定義為最大跳數）變?yōu)榱銥橹够蛘咚泄?jié)點擁有此數據副本為止。洪泛路由（Flooding）的優(yōu)點有：第一，實現簡單；第二，不需要為保持網絡拓撲信息和實現復雜的路由發(fā)現算法而消耗計算資源；第三，適用于健壯性要求高的場合。洪泛路由（Flooding）的不足在：第一，存在信息爆炸(Implosion)問題，即出現一個節(jié)點可能得到一個數據多個副本的現象；第二，出現部分重疊(Overlap)現象，如果處于同一觀測環(huán)境的兩個相鄰同類傳感器節(jié)點 同時對一個事件作出反應，二者采集的數據性質相同，數值相近，那么，這兩個節(jié)點的鄰居節(jié)點將收到雙份數據副本；第三，盲目使用資源，即擴散法不考慮各節(jié)點能量使用狀況因而無法作出相應的自適應路由選擇。 Flooding協議過程　Gossiping路由協議 Gossiping[13]協議是對Flooding協議的改進。為了減少資源的無謂消耗，閑聊法引入了隨機發(fā)送數據的方法。在某一個節(jié)點發(fā)送數據時，不再像洪泛法那樣給它的每個節(jié)點都發(fā)送數據副本，而是隨機選擇某個鄰居節(jié)點，向它發(fā)送一份數據副本。接到數據的節(jié)點采用同樣的方法再隨機選擇一個鄰居節(jié)點發(fā)送數據，需要注意的是如果一個節(jié)點已收到它的鄰居節(jié)點的數據副本，若再次收到，那么它就將此數據發(fā)回。這樣，閑聊法可以避免出現信息爆炸問題，但是仍然無法解決部分數據交迭現象和盲目使用資源的問題，而且由于采用隨機選擇節(jié)點的方式，使得數據傳輸不可能按照最短路徑進行，甚至會出現南轅北轍的現象，所以數據傳輸平均時延拉長，傳輸速度變慢，無謂的資源消耗依然很多?！PIN協議SPIN[21]是最早的以數據為中心的自適應路由協議，使用3種類型的信息進行通信，即ADV、REQ、DATA信息。在傳送DATA信息前，傳感器節(jié)點僅廣播包含DATA數據描述機制的ADV信息，當接收到相應的REQ請求信息時，才有目的地發(fā)送DATA信息。ADV用于新數據廣播，當一個節(jié)點有數據可共享時，它可用ADV數據包(包含元數據)對外廣播；REQ用于請求發(fā)送數據，當一個節(jié)點希望接收DATA數據包時，發(fā)送REQ數據包；DATA是包含附上元數據(metadata header)的傳感器采集的數據的數據包。SPIN協議避免了擴散法的信息爆炸問題和部分重疊現象，傳感器節(jié)點在傳送數據之前彼此進行協商，協商制度可確保傳輸有用數據。SPIN協議的缺點是沒有考慮節(jié)能和多種信道條件下的數據傳輸問題。因此后續(xù)又提出了SPINPP、SPINEC、SPINRL、SPINBC等在SPIN基礎上改進的路由協議。SPINPP采用點到點的通信模式，并假定兩節(jié)點間的通信不受其他節(jié)點的干擾，分組不會丟失，功率沒有任何限制。要發(fā)送數據的節(jié)點通過ADV向它的相鄰節(jié)點廣播消息，感興趣的節(jié)點通過REQ發(fā)送請求，數據源向請求者發(fā)送數據。接到數據的節(jié)點再向它的鄰居節(jié)點廣播ADV消息如此延續(xù)，使所有節(jié)點都有機會接收到任何數據。SPINEC（Energy Control，點到點模式下的節(jié)能路由）是在SPINPP的基礎上考慮了節(jié)點的功耗，只有能夠順利完成所有任務且能量不低于設定閾值的節(jié)點才能參與數據交換。SPINBC（Broadcast Channel，點到點通信中的廣播通信模式）設計了廣播信道，使所有的有效半徑內的節(jié)點可以同時完成數據交換。為了防止產生重復的REQ請求，節(jié)點聽到ADV消息以后，設定一個隨機定時器來控制REQ請求的發(fā)送，其他節(jié)點聽到該請求，主動放棄請求權利。 SPINRL（Route Lossy，點到點通信中的信道衰減模式）是對SPINBC的完善，主要考慮如何恢復無線鏈路引入的分組差錯與丟失。記錄ADV消息的相關狀態(tài)，如果在確定時間間隔內收不到請求數據，則發(fā)送重傳請求，重傳請求的次數有一定限制。 SPIN協議過程　DD（Directed Diffusion）定向擴散路由協議Directed Diffusion[22]是一種以數據為中心的路由協議，與已有的路由協議有著截然不同的實現機制，其突出特點是引入了梯度來描述網絡中間節(jié)點對該方向繼續(xù)搜索獲得匹配數據的可能性。在Directed Diffusion中，可以對路徑進行修復。在建立多條數據源到Sink節(jié)點的路徑之后，Sink節(jié)點可以選擇增強其中的一條路徑用于數據的傳輸，而同時保持另外一條低速數據傳輸的路徑。當高速路徑，也就是經過增強的路徑出現故障時，Sink節(jié)點可以增強低速路徑，保證源節(jié)點到Sink節(jié)點的數據傳輸。雖然保持低速路徑的過程需要消耗一些能量，但是在故障時，可以節(jié)省很多能量開銷。對于故障比較頻繁的網絡，保持一條低速路徑是很有好處的。DD與SPIN的最大區(qū)別：DD采用基于需求的數據查詢機制。在DD中，由Sink節(jié)點發(fā)出數據查詢請求，而在SPIN中，節(jié)點廣播自己的數據，以允許其他節(jié)點來查詢。DD路由協議的優(yōu)點有：第一，采用多路徑，健壯性好；第二，節(jié)點只需要和鄰居節(jié)點通信，因而不需要全局的地址機制，使用查詢驅動機制按需建立路由，避免了保存全網信息；第三，每個節(jié)點都可以進行數據融合操作，能減少數據通信量，節(jié)省能量消耗；第四，sink節(jié)點根據實際情況采取增強或減弱方式能有效利用能量；第五，節(jié)點不需要維護網絡的拓撲結構，數據的發(fā)送是基于需求的，因此它是一個非常節(jié)能的路由協議。DD路由協議的缺點有：第一，基于查詢驅動模型，不適用于環(huán)境監(jiān)測的WSN；第二，梯度的建立開銷很大，不適合多sink點網絡；第三，數據聚合過程采用時間同步技術，會帶來較大開銷和時延；第四，不同的應用中需要定義不同的命名方案，也就是屬性，值對，從而限制了它的應用。　Rumor路由協議（謠傳路由）Rumor Routing[22]是在Directed Diffusion的基礎上演化而來的。通常情況下，Directed Diffusion協議需要向整個網絡廣播興趣，而在某些應用中，只有少量的數據需要從源節(jié)點傳遞到Sink節(jié)點。在這種情況下，沒有必要向整個網絡廣播興趣。當WSN中的事件（對應著數據的傳遞）數量很少，而查詢（對應著興趣的廣播）數量很多的時候，可以采用廣播事件的方法，以節(jié)省能量的消耗。Rumor Routing是一個介于事件廣播（向整個網絡廣播事件）和興趣廣播（向整個網絡廣播興趣）之間的一種路由協議在多sink點、查詢請求數目很大、網絡事件很少的情況下，Rumor協議較為有效。 但如果事件非常多，維護事件表和收發(fā)Agent帶來的開銷會很大。謠傳路由借鑒了歐式平面圖上任意兩條曲線交叉幾率很大的思想，當一個節(jié)點檢測到一個事件，它將事件增加到該節(jié)點自身保存的表單，稱為事件表。然后產生一個被稱為代理（agent）的生命較長的數據包，代理消息沿著隨機路徑向外擴散，同時匯聚節(jié)點發(fā)送的查詢消息也沿隨機路徑在網絡中傳播。當代理消息和查詢消息的傳輸路徑交叉在一起時，就會形成一條匯聚節(jié)點到事件區(qū)域的完整路徑。謠傳路由協議的執(zhí)行過程如下：每個傳感器節(jié)點維護一個鄰居列表和一個事件列表。事件列表的每個表項都記錄與事件相關的信息，包括名稱、到區(qū)域的跳數和到下一跳鄰居等信息。當傳感器節(jié)點在本地檢測到一個事件時，就在事件列表中增加一個表項，設置相關的事件名稱、跳數等，同時根據一定的概率產生一個代理消息。代理消息是一個包含生命周期等事件信息的分組，用來攜帶相關的信息通告給傳輸經過的每一個節(jié)點。網絡的任何節(jié)點都可以對一個特定的事件生成查詢消息。如果節(jié)點的事件列表保存有該事件的相關表項，說明該節(jié)點在到達事件區(qū)域的路徑上，沿著這條路徑轉發(fā)查詢消息。否則，節(jié)點隨機選擇鄰居節(jié)點轉發(fā)查詢消息。若查詢消息和代理消息的路徑出現交叉的情況，交叉節(jié)點會沿著查詢消息的反方向將事件消息傳送到查詢節(jié)點。如果查詢節(jié)點在一段時間內沒有收到事件消息，就認為查詢消息并沒有到達事件區(qū)域，可以選擇重傳、放棄或洪泛查詢。謠傳路由與定向擴散路由相比可以有效地減少路由建立過程的開銷，當一個節(jié)點產生對某一節(jié)點的查詢，了解路由信息的節(jié)點可以通過檢查各自的事件表對查詢做出響應，而不需要擴散到整個網絡，從而減少通信成本。另一方面，謠傳路由只維持源節(jié)點到目的節(jié)點之間的一條路徑，不同于定向擴散協議將數據以低傳輸率在多個路徑上路由。但由于謠傳路由使用隨機方式生成路徑，所以數據傳輸路徑可能不是最優(yōu)路徑，而且容易形成環(huán)路?！PSR(Greedy Perimeter Stateless Routing)路由協議GPSR路由協議[12]是貪婪算法和圖形算法的結合，它不需要維護路由表，是一種無狀態(tài)的路由協議。GPSR協議默認網絡中每個節(jié)點都可以通過GPS或者其他其他方法獲取自己的地理位置信息。網絡初始化時匯聚節(jié)點全網廣