无线传感器网络及其路由协议(2)

无线通讯网络路由协议

相对于传统无线通讯网络而言，传统无线通讯网络研究的重点放在无线通讯的服务质量(QoS)上，而无线传感器节点是随机分布，电池供电，因此目前无线传感器网络路由协议的研究重点是放在如何提高能量效率上，当前流行的几个无线传感器网络的路由协议如下:

泛洪协议

泛洪(Flooding)协议[2]是一种传统的无线通讯路由协议。该协议规定，每个节点接受来自其他节点的信息，并以广播的形式发送给其他邻居节点。如此继续下去，最后将信息数据发送给目的节点。但这个协议容易引起信息的“内爆”(Implosion)和“重叠”(Overlap),造成资源的浪费。因此在泛洪协议的基础上，提出了闲聊(Gossiping)协议。

Gossiping协议

Gossiping协议[6]是在泛洪协议的基础上进行改进而提出的。它传播信息的途径是通过随机的选择一个邻居节点，获得信息的邻居节点以同样的方式随机的选择下一个节点进行信息的传递。这种方式避免了以广播形式进行信息传播的能量消耗，但其代价是延长了信息的传递时间。虽然Gossiping协议在一定程度上解决了信息的内爆，但是仍然存在信息的重叠现象。

SPIN协议

SPIN(Sensor Protocol for Information via Negotiation)协议[7]是一种以数据为中心的自适应路由协议。SPIN协议的目的是:通过节点之间的协商，解决Flooding协议和Gossiping协议的内爆和重叠现象。SPIN协议有3种类型的消息，即ADC、REQ和DATA。

ADC用于数据的广播，当某一个节点有数据可以共享时，可以用其进行数据信息广播。

REQ用于请求发送数据，当某一个节点希望接受DATA数据包时，发送REQ数据包。

DATA为传感器采集的数据包。

在发送一个DATA数据包之前，一个传感器节点首先对外广播ADV数据包，如果某一个节点希望接受要传来的数据信息，则向发送ADV数据包的节点回复REQ数据包，因此，便建立起发送节点和接受节点的联系，发送节点便向接受节点发送DATA数据包，SPIN协议的工作流程如图3所示。

图3 SPIN协议工作流程

定向扩散(Directed Diffusion)协议

定向扩散协议[4]是一种基于查询的路由机制。整个过程可以分为兴趣扩散、梯度建立以及路径加强三个阶段。在兴趣扩散阶段，汇聚节点向传感器节点发送其想要获取的信息种类或内容。兴趣消息中含有任务类型、目标区域、数据发送速率、时间戳等参数。每个传感器节点在收到该信息后，将其保存在CACHE中。当整个信息要求传遍整个传感器网络后，便在传感器节点和汇聚节点之间建立起一个梯度场，梯度场的建立是根据成本最小化和能量自适应原则。一旦传感器节点收集到汇聚节点感兴趣的数据，就会根据建立的梯度场寻求最快路径进行数据传递。梯度场建立过程如图4所示。

图4 定向扩散路由机制

LEACH协议

LEACH[3][5](LOW-Energy Adaptive Clustering Hierarchy)是一种以最小化传感器网络能量损耗为目标的分层式协议。该协议的主要思想是通过随机选择类头节点，平均分担无线传感器网络的中继通讯业务来达到平均消耗传感器网络中节点能量的目的，进而可以延长网络的生命周期。LEACH协议可以将网络生命周期延长15%。LEACH协议分为两个阶段:类准备阶段和数据传输阶段。类准备阶段和就绪阶段所持续的时间总和称为一个轮回。

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，随机性确保类头与基站之间数据传输的高能耗成本均匀的分摊到所有传感器节点上。类头节点是根据如下公式来选择的:

其中N为网络中传感器节点的数目，K为期望在当前轮回中的类头节点的数目。Ci(t)为指示方程，用于表明在过去的轮回中，该节点是否做过类头节点，若做过，则Ci(t)为0，否则Ci(t)为1。通过该式表明，只有那些以前的轮回中没有做过类头节点、能量消耗较少的节点才能够成为当前轮回的类头节点。