无线传感器网络路由协议研究与分析

1、*本科毕业论文（设计）本科毕业论文（设计）题 目 无线传感器网络路由协议研究与分析 计算机科学学院(系)计算机科学与技术专业 2009 级本科班学 号 * 姓 名 * 指导教师 * 成 绩 完成时间 2013 年 5 月无线传感器网络路由协议研究与分析无线传感器网络路由协议研究与分析摘 要：无线传感器网络被认为是 21 世纪最重要的技术之一，它将会对人类未来的生活方式产生巨大影响。麻省理工学院的技术评论杂志评出了对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术，无线传感器网络即位于这十种新技术之首。本文首先对无线传感器网络的概念和特点进行了概述，对无线传感器网络的研究现状、应用领域和发展趋势进行了阐述

2、；其次对现有主流传感器网络路由协议进行分析和比较，得出各类路由协议的应用范围和优缺点，并对其中较为典型的定向扩散路由协议进行了较深入的分析研究。其中包括了定向扩散算法的理论基础、命名机制、路径建立和定向扩散路由协议中的数据融合等。关键字：无线传感器网络；网络层；路由协议；The Research and Analysis of Wireless Sensor Network Routing ProtocolAbstract: Wireless sensor networks is considered to be one of the most important technology of

3、the 21st century, it will be interested in the future of mankinds way of life have a huge impact. MIT Technology Review magazine named its top ten emerging technologies, wireless sensor networks have a profoundimpact on the future of humanity living in the first of dozens of new technology.Firstly t

4、he concept and characteristics of wireless sensor network are summarized, research status, application field and development trend of wireless sensor networks are expounded; followed by the analysis and comparison of the existing routing protocols for sensor networks application range of mainstream,

5、 draw all kinds of routing protocol and the advantages and disadvantages, and the orientation of typical diffusion routing the protocol is analyzed in-depth study. Including the theoretical basis, directed diffusion algorithm naming mechanism, path is established and directed diffusion routing proto

6、col in data fusion.Key words: Network Layer; Routing Protocol; Directed Diffusion Routing Protocol.I目目 录录第一章 引言11.1 研究背景11.2 研究意义2第二章 无线传感器网络概述32.1 无线传感器网络分类32.2 无线传感器网络的概念和体系结构42.2.1 无线传感器网络的概念42.2.2 无线传感器网络体系结构42.3 无线传感器网络的特点62.3.1 与传统无线网络的比较72.3.2 与 Ad hoc 网络的区别72.3.3 无线传感器网络的限制和挑战82.4 无线传感器网络的性能

7、评价8第三章 现有无线传感器网络路由协议的分析和比较93.1 现有无线传感器网络路由协议分类93.2 典型无线传感器网络路由协议介绍123.2.1 泛洪(Flooding)算法和闲聊(Gossiping)算法123.2.2 SPEED133.2.3 LEACH 143.2.4 TEEN 和 APTEEN153.3 路由协议性能评价16第四章 定向扩散路由协议的分析研究174.1 定向扩散算法理论基础174.2 数据命名机制184.3 兴趣广播194.4 数据低速传输214.5 路径建立和加强234.6 DD 路由中的数据融合24II第五章 总结与展望25致 谢25参考文献251无线传感器网络路

8、由协议研究与分析无线传感器网络路由协议研究与分析第一章第一章 引言引言1.1 研究背景研究背景无线传感器网络是由大量无处不在、具有无线通信与计算能力的微小传感器节点构成的自组织分布式网络系统，是能根据环境自主完成指定任务的“智能”系统，具有群体智能自主自治系统的行为实现和控制，是自动控制和人工智能领域的前沿研究内容。无线传感器网络是一种无基础设施的无线网络，它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些数据进行处理，获得详尽而准确的信息，传送到需要这些信息的用户。无线传感器网络与传统的无线网

9、络(如 WLAN 和蜂窝移动电话网络)有着不同的设计目标，后者在高度移动的环境中通过优化路由和资源管理策略最大化带宽的利用率，同时为用户提供一定的服务质量保证。在无线传感器网络中，除了少数节点需要移动以外，大部分节点都是静止的。因为它们通常运行在人无法接近的恶劣甚至危险的远程环境中，能源无法更换，设计有效的策略延长网络的生命周期成为无线传感器网络的核心问题。当然，从理论上讲，太阳能电池能持久地补给能源，但工程实践中生产这种微型化的电池还有相当的难度。在无线传感器网络的研究初期，人们一度认为成熟的 Internet 技术加上Ad hoc 路由机制对无线传感器网络的设计是足够充分的，但深入的研究表

10、明：无线传感器网络与传统网络有着明显不同的技术要求。前者以数据为中心，后者以传输数据为目的。为适应广泛的应用程序，传统网络的设计遵循着“端到端”的边缘论思想，强调将一切与功能相关的处理都放在网络的端系统上，中间节点仅仅负责数据分组的转发，对于无线传感器网络，这未必是一种合理的选择；一些为自组织的Ad hoc 网络设计的协议和算法未必适合无线传感器网络的特点和应用的要求。无线传感器网络中的大部分节点不像传统 Ad hoc 网络中的节点一样快速移动,因此没有必要花费很大的代价频繁地更新路由表信息；中间节点上与具体应用相关的数据处理、融合和缓存也显得很有必要。在密集分布的无线传感器网络中，相邻节点间

11、的距离非常短，低功耗的多跳通信模式节省功耗，同时增加了通信的隐蔽性，也避免了长距离的无线通信易受外界噪声干扰的影响，这些独特的要求和制约因素为传感器网络的研究提出了新的技术问题。无线传感器网络处于新技术的最前沿，目前尚存在着许多值得探讨的热点课题，国内外学者正在进行深入研究。不同的研究人员对无线传感器网络的许多问题都有2不同观点，例如，在节点命名问题上，有的学者认为不需要为每一个节点分配唯一的标识，用基于属性的方式来标识一类节点；有的学者则认为需要为每一个节点分配唯一的标识。无线传感器网络应用前景十分广阔，在环境监测、军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、抢险救灾、反恐、危险区域远程控制等许多

12、领域都有重要的科研价值和巨大的实用价值。而在传感器网络研究中，高效率和低功耗路由协议又是其中的重点。传统无线网络(Ad hoc、无线局域网等)的首要目标是提供高质量服务和公平高效的网络利用，提高整个网络的利用率，避免产生通讯拥塞，均衡网络流量，而能量消耗问题不是这类网络考虑的重点。而在无线传感器网络中，节点能量有限，路由协议需要高效利用能量，同时传感器节点数目巨大，单个节点只能获取局部的拓扑结构信息，路由协议要能在局部的网络信息基础上建立合适的路径，因此传统无线网络的路由协议不适应于无线传感器网络，我们必须开发适合于无线传感器网络的路由协议，此类协议必须具备以下特点：(1) 能量优先。(2)

13、基于局部拓扑信息。(3) 以数据为中心。传感器网络具有很强的应用相关性，不同应用中的路由协议可能差别很大，没有通用的路由协议。网络数据传输离不开路由协议，但是，传统的无线 Ad hoc 网络路由协议却不能适用于无线传感器网络，我们必须设计全新的、适合于无线传感器网络特点的路由协议。美国的麻省理工学院、康奈尔大学、南加州大学等很多大学开展了无线传感器网络通信协议的研究，先后提出了几种新的路由协议，目前，国内的清华大学、电子科技大学、哈尔滨工业大学等单位已经开始了该领域的研究工作，但目前主要集中在介绍国外的研究进展，提出新的研究问题，尚未见有新的协议提出。1.2 研究意义研究意义由于无线传感器网络

14、的巨大应用价值，它已经引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的极大关注，美国自然科学基金委员会 2003 年制定了无线传感器网络研究计划，投资 34000000 美元，支持相关基础理论的研究，美国国防部和各军事部门都对无线传感器网络给予了高度重视，提出了 C4ISRT 计划，强调战场情报的感知能力、信息的综合能力和信息的利用能力，把无线传感器网络作为一个重要研究领域，设立了一系列的军事传感器网络研究项目。美国英特尔公司、美国微软公司等信息工业界巨头也开始了无线传感器网络方面的工作，纷纷设立或启动相应的行动计划。日本、英国、意大利、巴西等国家也对无线传感器网络表现出了极大的兴趣，纷纷展开了

15、该领域的研究工作。无线传感器网络处于新技术的最前沿，IEEE 还3没有成立无线传感器网络的标准制定小组，国际上从 2000 年开始出现一些有关传感器网络研究结果的报道。但是，这些研究成果处于起步阶段，距离实际需求还相差甚远。总体而言，我国在无线传感器网络方面的研究工作还很少。由于无线传感器网络是一门新兴技术，国内与国际水平的差距并不很大，及时开展这项对人类未来生活影响深远的前沿科技的研究，对整个国家的社会、经济将有重大的战略意义1。第二章第二章 无线传感器网络概述无线传感器网络概述2.1 无线传感器网络分类无线传感器网络分类从广义上划分，无线网络通常具有两种组织形式：基础设施网络(Infras

16、tructured)和无基础设施网络(Infrastructureless network)。基础设施网络也称作中心结构网络，由包含固定有线网关的网络组成。在无线覆盖范围内，移动主机与基站（ 固定有线网关）进行通信，并可在通信过程中移动。当移动主机离开原基站的无线覆盖范围后，它可与另一个基站建立连接并通过该基站继续进行通信。在这种组网和通信方式中，基站的位置是固定不动的。中心结构网络的主要目标就是提供高质量服务和高效率带宽，蜂窝无线系统和无线局域网即是采用这种网络组织形式。无基础设施网络是无线网络的另一种组织方式。在很多文献中，无基础设施网络也称为无线移动自组网、Ad hoc 网络。无基础设施

17、网络是由一组带有无线通信装置的移动节点组成的无中心网络，具有自创造、自组织和自管理的功能。节点可以在任何时刻、任何地点不需要现有信息基础网络设施的支持，快速构建一个移动通信网络，网中的每个节点可以自由移动，地位平等。无基础设施网络中的每个节点需要承担为其他节点进行分组转发的义务，节点兼备路由器和主机两种功能，作为主机，节点运行面向用户的应用程序；作为路由器节点运行相应的路由协议，根据路由策略和路由表参与数据分组的转发和路由维护。在部分通信网络遭破坏后，这种分布式控制和无中心的网络结构能维持剩余的通信能力，确保重要的通信指挥畅通，因而具有很强的健壮性和抗毁性。这种网络既可以单独运行，又可以通过网

18、关接入到有线骨干网络(如 Internet)。Ad hoc 网络的起源可以追溯到 1968 年的 ALOHA 网络和 1973 年 DARPA 开始研究的分组无线电网络。IEEE 在开发 IEEE 802.1 标准时，将分组无线电网络改称为 Ad hoc 网络。Ad hoc 来源于拉丁语，字面上的意思是“为特定目的或场合的”或“仅为这种情况的” 。当时分组无线电网络已经用于大规模的军事和救援行动中，采用新的名字，IEEE 希望 Ad hoc 网络成为为特定目的而临时组建并短期存在的网络。需要指出的是，IEEE802.11 标准定义的 Ad hoc 网络仅由通过无线媒质能够互相进行直接通信的站点

19、组成的网络，为单跳 Ad hoc 网络，但是目前研究的 Ad hoc 网络通4常是多跳的。1997 年 IETF 成立了移动 Ad hoc 网络 MANET(MobileAd hocNetwork)工作组，专门负责具有数百个节点的 Ad hoc 网络的路由协议的研究和开发，并制定相应的标准。MANET 工作组的工作成绩斐然，已经制定了十几个草案标准2。无线传感器网络最初来源于美国高级国防研究项目署(DARPA)的一个研究项目，当时处于冷战时期，为了监测敌方潜艇的活动情况，需要在海洋中布置大量的传感器，使用这些传感器所监测的信息来实时监测海水中潜艇的行动。但是由于受到当时技术条件的限制，使得无线

20、传感器网络的应用只能局限于军方的一些项目中，难以得到推广和发展。近年来，随着无线通信、微处理器、MEMS（MicroElectro Mechanical System）等技术的发展，使得无线传感器网络的理想蓝图能够得以实现，其应用前景越来越广泛，国外各个研究机构对它的研究也正方兴未艾。无线传感器网络是一种新型的无基础设施网络，它的节点是无线传感器这种特殊设备，各个无线节点(传感器网络节点)静态地随机分布于某一区域。传感器负责收集区域内的声音、电磁或地震信号等多种信息，将它们发送到 Sink 节点（在不同的文献中，Sink 节点有不同的名称，比如网关节点、控制中心、汇聚点、基站等）。Sink 节

21、点具有更大的处理能力，能够进一步处理信息，或拥有更大的发送范围，可以将信息送往某个大型网络，使远程用户能够检索到该信息。2.2 无线传感器网络的概念和体系结构无线传感器网络的概念和体系结构2.2.1 无线传感器网络的概念无线传感器网络的概念随着无线通信、集成电路、传感器以及微机电系统等技术的飞速发展，使得低成本、低功耗多功能的微型无线传感器的大量生产成为可能，这些微型传感器具有无线通信、数据采集、数据处理以及协同合作等功能，无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)就是由众多无线传感器节点协同组织起来的。我们可以如下定义无线传感器网络：无线传感器网络是由大量无处

22、不在、具有无线通信和计算能力的微小传感器节点构成的自组织分布式网络系统，是能根据环境自主完成指定任务的“智能”系统，具有群体智能自主自治系统的行为实现和控制能力，能协作的感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发送给观测者。2.2.2 无线传感器网络体系结构无线传感器网络体系结构(1) 无线传感器网络结构传感器网络系统通常由传感器节点（sensor node） 、SINK 节点和任务管理节点组成无线传感器节点之间、传感器节点与 SINK 节点之间的通信方式，协作地感知、5采集、处理、发布感知信息是无线传感器网络的基本功能；一组功能有限的无线传感器能够协作地完成大的感知任务是无线传

23、感器网络的重要特点。大量传感器节点随机部署在监测区域附近，能够根据监测任务迅速的以自组织方式组成网络。节点监测的数据沿着其它的传感器节点实现多跳传输，在传输过程中实行数据网内融合并最终将数据传输到 SINK 节点，再由 SINK 节点通过 Internet 或卫星达到管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，并发布监测任务和处理采集到的监测数据。传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通讯能力相对较弱，通过能量有限的电池供电，从网络功能来看，单个传感器节点兼顾传统网络中路由器和数据终端双重功能，除了进行本地信息采集和数据处理外，还要对其他节点转发的数据进行数据

24、处理、管理以及数据融合等功能，同时与其他节点协作完成其他一些特定的任务。汇聚节点的处理能力、存储能力和通讯能力相对比较强，它连接传感器网络和 Internet 等外部网络，实现两种网络协议栈之间的通讯协议转换，同时发布管理节点的监测任务，并把收集到的数据转发到外部的网络。汇聚节点即是一个具有强大功能的传感器节点，有足够的能力供给何更多的内存与计算资源，也可以是没有监测功能仅带有无线通讯接口的特殊网关设备。(2) 传感器节点结构传感器节点由传感器模块、处理器模块和能量供应模块四部分组成，如图 2.1所示。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和

25、处理本身采集的数据以及其他节点发送的数据无线通讯模块负责与其他传感器节点进行无线通讯，交换控制信息和收集采集数据；能量供应模块为传感器节点提供运行时所需要的能量，通常采用微型电池。图 2.1 传感器节点体系结构图(3) 无线传感器网络协议栈随着传感器网络的深入研究，研究人员提出了多个传感器节点协议栈。如图 2.2 所示是早期提出的一个协议栈，包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用 能 量 供 应 模 块传感器AC/DC网 络MAC收发器处理器存储器6层，与互联网的五层相对应。图 2.2 传感器网络协议栈图另外，协议栈还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。这种管理平台使得传感器节

26、点能够按照能量高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务与资源共享。各层协议和平台的功能如下：(1) 物理曾提供简单和健壮的信号调制和无线收发技术；(2) 数据链路层负责数据成帧，帧控制，媒体访问和差错控制；(3) 网络层负责路由的生成和路由选择；(4) 传输层负责数据流的传输控制，使保证通讯服务质量的重要部分；(5) 应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件；(6) 能量管理平台管理传感器节点如何使用资源，在各个协议层都要考虑节省能量；(7) 移动管理平台检测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居节点的位置；(8) 任务管理平台

27、在一个给定的区域内平衡和调度监测任务。网络管理则要求协议各层嵌入各种信息接口，并定时收集协议的运行状态和流量信息，协调控制网络中的各个协议组件的运行。2.3 无线传感器网络的特点无线传感器网络的特点硬件资源有限。传感器节点受价格、体积和功耗的限制，其计算能力、程序空间和内存空间比普通的计算机功能要弱得多。这一特点决定了在节点操作系统设计中，协议层次不能太复杂2。电源容量有限。传感器节点由电池供电，电池的容量一般不是很大。无线传感器网络大多工作在无人区域或者对人体有伤害的恶劣环境中，不能给电池充电或更换电池，一旦电池能量用完，这个节点就会由于死亡而失应用层 传输层 网络层数据链路层 物理层能量管

28、理平台移动管理平台任务管理平台7去作用，这势必要求在传感器网络的设计过程中，任何技术和协议的使用都要以节能为前提。无中心。无线传感器网络中没有严格的控制中心，所有节点的地位是平等的，是一个对等式网络。节点可以随时加入或离开网络，任何节点的故障不会影响整个网络的运行。2.3.1 与传统无线网络的比较与传统无线网络的比较无线传感器网络是一种新型的无基础设施网络(在很多文献中，无基础设施网络也称为无线移动自组网，Ad hoc 网络)，它与传统的无线网络(如 WLAN 和蜂窝移动电话网络)有着不同的设计目标。在 WLAN, Home RF, Blue Tooth 和蜂窝网等网络中，它们要么不是自组织的

29、，要么是单跳通信，或者就是不能构建千个节点以上的通信网络，这些网络的首要设计目标是提供高性能的服务质量(Quality of Service QoS)和更高的带宽，由于移动节点可以不断地获得电能补充，因此对节点的能量考虑被放在次要位置。然而数目巨大且分布范围广泛的传感器节点不能及时地获得能量补充，存在严重的能量约束问题。因此无线传感器网络的首要设计目标是高效地利用节点的能量，尽可能的延长网络的生命周期。为此可以放弃一些其它的性能，如：QoS 和带宽的利用。对于有固定基础设施(如 Sink、核心网等)的网络来说，很少有联系中断的事件发生，并且中断事件和能量使用无关。在移动性的网络中，拓扑结构的改

30、变通常是由节点的移动性引起的，而不是由执行各种网络协议造成的能量耗尽引起的。因此，为了提高系统性能，在协议设计过程中，移动性管理和故障恢复比能量保持更为重要。然而，对于自组织的无线传感器网络来说，能量耗尽是影响无线传感器网络性能、网络运行周期的主要决定因素。因此，传感器网络的整体性能依赖于那些能有效利用节点能量的各种算法。2.3.2 与与 Ad hoc 网络的网络的区别区别无线传感器网络作为一种分布式的自组织网络，邻居发现和路由发现都是自动的，从概念上讲，无线传感器网络是无线 Ad hoc 网络技术的一大应用，但无线传感器网络又与 Ad hoc 网络有着很大的区别3。在早期的研究中，人们认为适

31、用于 Ad hoc 网络的网络协议稍加修改甚至无需修改就可以直接应用于无线传感器网络中。但是随着研究的深入，人们逐渐认识到这两种网络具有许多不同之处，传感器网络不能简单借用以往 Ad hoc 网的协议。原因如下:(1) 无线传感器网络节点密度高，传感器节点数量众多，单位面积所拥有的网络节点数远大于传统的 Ad hoc 网络；(2) 无线传感器网络中大部分节点不像 Ad hoc 节点一样快速移动；(3) 传感器节点出现故障的可能性要大于 Ad hoc 网络，它的网络拓扑变化频繁；8(4) 传感器节点由电池供电，它的存储能力、计算能力和电能有限；(5) 传感器节点主要采用广播方式通信，而 Ad h

32、oc 网络大都采用点对点方式通信；(6) 由于数目极大且很多节点可能执行同样的侦测任务，因此传感器节点不一定具有全局唯一的标识。2.3.3 无线传感器网络的限制和挑战无线传感器网络的限制和挑战无线传感器网络除了具有 Ad Hoc 网络的移动性、自组织性、电源能力有限等共同特征以外，还具有节点数量庞大、单个节点资源极其有限、可监视范围广等鲜明的特点，这些特点向我们提出了一系列挑战性问题：(1) 通信能力有限。无线传感器网络的通信带宽窄而且经常变化，通信覆盖范围只有几十到几百米。传感器之间的通信频繁断接，经常导致通信失败。由于无线传感器网络更多地受到高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然

33、环境的影响，传感器可能会长时间脱离网络、离线工作；(2) 电源能量有限。传感器的电源能量极其有限，网络中的传感器由于电源能量的原因经常失效或废弃，电源能量约束是阻碍无线传感器网络应用的严重问题。商品化的无线发送接收器电源远远不能满足无线传感器网络的需要，传感器传输信息要比执行计算更消耗电能，传感器传输一位信息所需要的电能足以执行 3000 条控制指令；(3) 计算能力有限。无线传感器网络中的传感器都具有嵌入式处理器和存储器，这些传感器都具有计算能力，可以完成一些信息处理工作。但是，由于嵌入式处理器和存储器的能力和容量有限，传感器的计算能力十分有限；(4) 传感器数量大、分布范围广。无线传感器网

34、络中传感器节点密集，数量巨大，可能达到几万、几十万，甚至更多。此外，无线传感器网络可以分布在很广泛的地理区域。传感器数量大、分布广的特点使得网络的维护十分困难甚至不可维护，人们希望无线传感器网络的软、硬件必须具有高强壮性和容错性；(5) 网络动态性。无线传感器网络具有一定的动态性，网络中的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性，并且经常有新节点加入或已有节点失效，因此，网络的拓扑结构会经常动态变化，传感器、感知对象和观察者三者之间的路径也随之变化，无线传感器网络必须具有可重构和自调整性；(6) 大规模分布式触发器。很多无线传感器网络需要对感知对象进行控制，如温度、气压控制。因此，很多

35、传感器具备回控装置和控制软件，我们一般称回控装置和控制软件为触发器，成千上万的动态触发器的管理是我们面临的挑战；(7) 感知数据流巨大。无线传感器网络中的每个传感器通常都面临较大的流式9数据，并具有实时性，每个传感器仅具有有限的计算资源，难以处理巨大的实时数据流，我们需要研究强有力的分布式数据流管理、查询、分析和挖掘方法，这是我们面临的挑战。2.4 无线传感器网络的性能评价无线传感器网络的性能评价无线传感器网络的性能直接影响其可用性，如何评价一个无线传感器网络的性能是一个需要深入研究的问题。下面，我们讨论几个评价无线传感器网络性能的标准，这些标准还没有达到实用的程度，需要进一步地模型化和量化。

36、(1) 能源有效性。无线传感器网络的能源有效性是指该网络在有限的能源条件下能够处理的请求数量，能源有效性是无线传感器网络的重要性能指标，到目前为止，无线传感器网络的能源有效性还没有被模型化和量化，还不具有被普遍接受的标准，需要进行深入研究；(2) 生命周期。无线传感器网络的生命周期是指从网络启动到不能为观察者提供需要的信息为止所持续的时间，影响传感器网络生命周期的因素很多，既包括硬件因素也包括软件因素，需要进行深入研究。在设计传感器网络的软、硬件时，我们必须充分考虑能源有效性，最大化网络的生命周期；(3) 时间延迟。无线传感器网络的延迟时间是指当观察者发出请求到其接收到应答信息所需要的时间，影

37、响无线传感器网络时间延迟的因素也有很多。时间延迟与应用密切相关，直接影响无线传感器网络的可用性和应用范围，目前的相关研究还很少，需要进行深入研究；(4) 感知精度。无线传感器网络的感知精度是指观察者接收到的感知信息的精度。传感器的精度、信息处理方法、网络通信协议等都会对感知精度有所影响。感知精度、时间延迟和能量消耗之间具有密切的关系。在无线传感器网络设计中，我们需要权衡三者的得失，使系统能在最小能源开销条件下最大限度地提高感知精度、降低时间延迟；(5) 可扩展性。无线传感器网络可扩展性表现在传感器数量、网络覆盖区域、生命周期、时间延迟、感知精度等方面的可扩展极限，给定可扩展性级别，无线传感器网

38、络必须提供支持该可扩展性级别的机制和方法。目前不存在可扩展性的精确描述和标准，还需要进一步的深入研究；(6) 容错性。无线传感器网络中的传感器经常会由于周围环境或电源耗尽等原因而失效，由于环境或其他原因，物理地维护或替换失效传感器常常是十分困难或不可能的。因此，无线传感器网络的软硬件必须具有很强的容错性，以保证系统具有高健壮性。当网络的软、硬件出现故障时，系统能够通过自动调整或自动重构纠正错误，保证网络正常工作。10第三章第三章 现有无线传感器网络路由协议的分析和比较现有无线传感器网络路由协议的分析和比较3.1 现有无线传感器网络路由协议分类现有无线传感器网络路由协议分类路由协议是无线传感器网

39、络组网的基础。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：主动路由也叫表驱动（Table Driven）路由，主动路由的路由发现策略与传统路由协议类似，节点通过周期性地广播路由信息分组，交换路由信息，主动发现路由，同时，节点必须维护去往全网所有节点的路由。它的优点是当节点需要发送数据分组时，只要去往目的节点的路由存在，所需的延时很小。缺点是主动路由需要花费较大开销，尽可能使得路由更新能够紧随当前拓扑结构的变化，浪费了一些资源来建立和重建那些根本没有被使用的路由。而且，动态变化的拓扑结构可能使得这些路由更新变成过时信息，路由协议始终处于不收敛状态。主动路由协议一般包括“邻居节点探测

40、”和“路由广播”两个过程。路由器向各通信端口周期广播 Hello 分组，来实现邻居节点探测。在距离矢量算法中，虽然没有显式的邻节点探测过程，但在与邻节点交换距离向量路由表时，隐含了邻节点探测。被动路由也叫按需(On Demand)路由，与主动路由相反，被动路由认为在动态变化的网络环境中没有必要维护所有节点的路由。它仅在没有去往目的节点路由的时候才“按需”进行路由发现。被动路由协议根据网络分组的传输请求，被动地搜索从源节点到目的节点的路由。当没有分组传递请求时，路由器处于静默状态，并不需要交换路由信息4。拓扑结构和路由表内容按需建立，它可能仅仅是整个拓扑结构信息的一部分。它的优点是不需要周期性的

41、路由信息广播，节省了一定的网络资源。缺点是发送数据分组时，如果没有去往目的节点的路由，数据分组需要等待因路由发现引起的延时。被动路由协议主要包括“路由发现”和“路由维护”两个过程5。当源节点需要获得到目的节点的路由，而该路由又没有在路由表中时，路由发现过程被激活。路由器采用泛洪的方式，向整个网络广播路由请求分组。当有路由请求报文到达目的节点时，目的节点向源节点发出应答报文。这样，在源与目的节点之间会建立起双向“活动路径” 。活动路径建立所需时间定义为路由建立延迟。随着拓扑结构的变化，当活动路径上的某段链路发生中断时，路由维护过程被启动。路由维护可以采用两种不同的策略:从断点处开始修补路径或通知

42、源节点重新启动路由建立过程。被动路由协议是自组网特有的路由协议类型，它可以降低路由消耗，提高网络的吞吐量。但是，被动路由协议具有潜在的不确定性，包括目标节点是否可达的不确定性和路由建立延迟不确定。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：(1)平面路由：平面结构是指网络中各节点在路由功能上地位相同，没有引入分层管理机制。平面结构路由的优点是网络中没有特殊的节点，网络流量均匀地分散11在网络中，路由算法易于实现。缺点是可扩展性小，在一定程度上限制了网络的规模。(2)分层路由：与平面路由协议相对应的是分层结构的路由协议。分层路由协议采用“簇”的概念对传感器节点进行层次划分。

43、若干个相邻节点构成一个簇，每一个簇有一个簇首。簇与簇之间可以通过网关通信。网关可以是簇首也可以是其它簇成员。网关之间的连接构成上层骨干网，所有簇间通信都通过骨干网转发。分层路由协议包括成簇协议、簇维护协议、簇内路由协议和簇间路由协议四个部分。成簇协议解决如何在动态分布式网络环境下使移动节点高效地聚集成簇，它是分层路由协议的关键。簇维护协议要解决在节点移动过程中的簇结构维护，其中包括移动节点退出和加入簇，簇的产生和消亡等功能。分层路由协议比较适合于无线传感器网络，但成簇过程会产生一定的能源消耗，如何产生有效的簇类也正是各地学者深入研究的问题。针对不同的传感器网络应用，传感器网络路由协议可分为：能

44、量感知路由协议、基于查询的路由协议、地理位置路由协议、可靠路由协议、可自主切换路由协议5。(1) 能量感知路由协议能量路由。能量路由是最早提出的传感器网络路由机制之一，它根据节点的可用能量或传输路径上的能量要求选择转发路径。能量多路径路由。传统网络的路由机制往往选择源节点到目的节点之间跳数最少的路径传递数据，但在无线传感器网络中，如果频繁使用同一条路径传输数据，就会造成该路径上节点因能量消耗过快而过早失效，从而使整个分割成互不相连的孤立部分，减少了整个网络的生命周期。Rahul C. Shah 等人提出了一种能量多路径路由机制，该机制在源节点和目的节点之间建立多条路径，根据路径上节点通讯能量的

45、消耗和节点剩余能量情况，给每条路径赋予一定的选择概率，使得数据传输均衡消耗整个网络的能量，延长整个网络的生存期6。(2) 基于查询路由协议定向扩散路由(DD)。Sink 节点通过兴趣消息发出查询任务，采用泛洪的方式传播兴趣消息到整个区域和部分区域内的所有传感器节点。兴趣消息包含具体的查询节点地址和查询信息，例如监测区域的温度信息、光线信息等。在兴趣消息扩散的过程中，节点自动建立从数据源到目的节点的数据传输梯度，传感器节点采集到的数据沿着梯度方向从数据源传送到 Sink 节点。谣传路由。在数据量较少或者网络拓扑已知的传感器网络中，采用泛洪机制来传播兴趣消息网络开销过大，容易造成网络拥塞。Boul

46、is 等人提出了谣传路由，此机制引入了查询消息的单播随机转发，其思想是：事件区域节点发出代理（agent）消息，代理消息沿着随机路径向网络中扩散，Sink 节点同时发出兴趣消息沿着随机12路径扩散，当代理消息和兴趣消息的传输路径交叉的时候，此时一条完整的数据传输路径便建立起来了。(3) 地理位置路由协议GEAR 路由。根据事件区域地理位置信息，建立从汇聚节点到监测区域的优化路径，从而减少路由建立的开销。首先节点向其周围节点发出 hello 信息，让其邻居节点知道其地理位置信息和能量状况；然后，Sink 节点发出查询信息到距离待查询节点最近的邻居节点，该邻居节点又发送查询信息到其距离待查询节点最

47、近的邻居节点，直到找到目的节点为止。GEM 路由。一种适用于数据中心存储方式的地理路由，数据中心存储方式指的是对不同任务的监测区域进行命名，将此区域的监测数据统一传输并存储到一个地理位置(即一个节点)上，此节点作为该区域事件的负责节点。GEM 的基本思想是建立一个虚拟极坐标系统，用来表示实际的网络拓扑结构，网络中的节点形成一个以汇聚节点为根的带环树，每个节点用到树根的跳数距离和角度范围来表示，节点间的数据路由通过这个带环树来表示。边界定位路由。在传感器网络的实际应用中，如果每个节点都需要知道自己精确的地理位置信息，网络开销将很大，因此必须减少需要精确位置信息的节点个数。边界定位路由的基本思想是

48、：根据几个已知精确位置的节点来建立全局坐标系，通过这些信标节点的信息大致确定其他传感器网络节点的位置，达到数据路由的目的。(4) 可靠路由协议基于不相交路径的多路径路由机制。在传感器网络中引入多路径路由的目的是平衡网络负载和提高网络数据传输的可靠性。多路径路由机制预先维护多条路径，而不需要通过泛洪来临时建立路径。首先建立从数据源到汇聚节点的主路径，然后再建立多条备用路径。首先通过主路径传输数据，同时通过传输低速数据来维护备用路径。当主路径不可用时，就选择一条较优的备用路径来传输数据。ReInForM 路由。从源节点开始根据可靠性设计的需求、信道质量、传感器节点到汇聚节点的跳数，确定需要备用路径

49、的条数，并将此信息发送给其选择的转发节点。SPEED 路由协议。SPEED 路由协议是一个实时路由协议。通过交换节点的传输延迟，从而得到网络的负载情况；利用节点的局部路由信息和传输速率信息做出路由选择，同时通过邻居反馈机制保证网络传输速率在一个全局定义的传输速率阀值之上；节点通过反向压力路由变更机制避开延迟大的链路和路由空洞。(5) 可自主切换路由协议。由于无线传感器网络具有能量受限、传感器节点没有统一的标识、以数据为中心的通信方式、面向特定应用、拓扑结构频繁变化等特点，目前还没有公开的能适13用于所有应用的路由协议。而传感器网络可能需要在相同检测区域内完成不同的任务，如果为每种任务部署专门的

50、传感器网络将增加传感器网络的成本。为了能够适用于多种任务，传感器网络需要根据应用环境和网络条件自主选择适用的路由协议，并在各个路由协议之间自主切换。3.2 典型无线传感器网络路由协议介绍典型无线传感器网络路由协议介绍3.2.1 泛洪泛洪(Flooding)算法和闲聊算法和闲聊(Gossiping)算法算法泛洪 (Flooding)算法和闲聊(Gossiping)算法是无线传感器网络中应用最早且最简单的路由协议，它们不需要任何路由算法，也不需要维护网络拓扑结构。在泛洪协议中，节点向它的所有邻居节点广播接收到的数据，如此反复，直到数据到达目的节点或者达到数据报的最大跳数。根据路由表建立和维护过程是

51、由 sink 节点发起还是由 sensor 节点发起的，泛洪算法可以分为以下三种模式。传统模式：最基本的泛洪法，sensor 节点以广播的方式将收到的分组传递给自己的邻居节点直至该分组到达 sink 节点；事件驱动模式(event-driven)：以感知环境数据的 sensor 节点主动广播分组为特征，该分组基于路由表选取适当路径到达 sink 节点；查询驱动模式(query-driven)：以 sink 节点广播与应用相关的查询请求(interest)，通过其邻居节点泛洪到整个网络，满足该查询请求的 sensor 节点则选取适当路径发送数据。泛洪协议的优点是：实现简单；不需要为保持网络拓扑信

52、息和实现复杂的路由发现算法而消耗计算资源；适用于健壮性要求高的场合。缺点是：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，容易产生消息内爆的现象；部分数据重叠(Overlap)的现象，节点的邻居节点容易收到双份数据副本；盲目使用资源，扩散法不考虑各节点能量的可用状况，因而无法自适应路由选择。针对泛洪的内爆问题，S.Hedemienmi 等人提出了闲聊(Gossiping)路由协议，闲聊法采用随机性原则节省能量。一个节点发送数据，它随机选择它的一个邻居节点转发分组，而不像泛洪算法那样向所有邻居节点转发数据7。该协议避免了内爆问题的产生，但是仍然无法解决部分

53、数据的交叠现象和盲目使用资源的问题，而且增加了端到端的数据传输延迟问题。3.2.2 SPEEDSPEED 是由 Virginia 大学计算机科学系实时与嵌入式实验室的 Tian-He 等人于 142003 年在 Hermes 项目中提出的一种专门为传感器网络设计的实时路由协议，它利用节点的地理位置信息进行局部的路由决策。SPEED 提供三种类型的实时通信服务：unicast、area-multicast 和 area-anycast 网络中的一个区域发现了一些需要向远方基站报告的事件而进行的通信称之为 unicast；基站向网络中的某个区域所有节点发出询问命令的通信称为 area-multic

54、ast 基站向网络中的某个区域任一节点发出询问命令的通信称之为 area-anycast8。SPEED 协议的设计目标是：实现端到端的传输速率保证、网络拥塞控制以及负载平衡机制。为实现上述目标，SPEED 协议首先交换节点的传输延迟，以得到网络负载情况。然后节点利用局部地理信息和传输速率信息做出路由决定，同时通过邻居反馈机制保证网络传输速率在一个全局定义的速率值之上。节点还通过反向压力路由变更机制避开延迟太大的链路和路由空洞。SPEED 协议框架如图 3.1 所示。反向重路由NFL延迟估计信息交换MACSNGF邻居节点表图 3.1 SPEED 协议框架图SPEED 协议主要由以下几部分组成:(

55、1) 延迟估计机制：用来得到网络的负载情况，判断网络是否发生拥塞。(2) SNGF 算法(stateless non-deterministic geographic forwarding, SNFG)：用来选择满足传输速率要求的下一跳节点。(3) 邻居反馈策略(neighborhood feedback loop, NFL)：当 SNGF 路由算法中找不到满足传输速率要求的下一跳节点时采取的补偿机制。(4) 反向路由变更机制：用来避免拥塞和路由空洞。153.2.3 LEACHLEACH (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy)协议由 MIT 的He

56、inzelman 等人提出，它是第一种基于分簇结构和分层技术的无线传感器网络协议，在无线传感器网络路由协议中占有重要地位，其他基于分簇的路由协议如TEEN、APTEEN、PEGASIS 等大都由 LEACH 发展而来9。LEACH 的操作分成轮（Round）来进行，每一轮具有两个运行阶段：簇建立阶段（Set-up Phase）和稳定运行阶段（Steady-state Phase） 。为减少协议开销，稳定运行阶段的持续时间要长于簇建立阶段。在簇建立阶段，将所有节点划分为若干簇，每个簇随机选举一个簇头。随机性确保簇头与 SINK 节点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。一旦簇头节点

57、被选定，它们便主动向所有节点广播这一消息。依据接收信号的强度，节点选择它所要加入的簇，并告知相应的簇头节点。基于时分复用(TDMA)的方式，簇头为其中的每个成员分配通信时隙。在稳定运行阶段，节点持续采集监测数据，传给簇头节点，进行必要的融合处理之后，发送到 Sink 节点，这是一种减小通信业务量的合理工作模式。持续一段时间以后，整个网络进入下一轮工作周期，重新选择簇头节点。LEACH 协议节约能量的主要原因在于它运用了数据压缩技术和分层动态路由技术，通过本地的联合工作来提高网络的可扩展性和鲁棒性，通过数据融合技术来减少发送的数据量，通过把节点随机的设置成为簇头节点来达到在网络内部负载均衡的目的

58、，防止簇头节点的过快死亡。3.2.4 TEEN 和和 APTEENTEEN(Threshold Sensitive Energy Efficient Sensor Network Protocol)和APTEEN(Adaptive Periodic TEEN)都是受到 LEACH 分层思想的启发，并在其基础上做出改进的两种层次路由算法。因此其网络结构与 LEACH 类似，但 LEACH 只支持两层结构的网络，而 TEEN 和 APTEEN 则支持多层结构的网络，在 TEEN 中，传感器连续的监测物理信道，但只有监测到突发性事件才会有数据传输。在分簇形成后，簇头节点会逐层向下广播本簇的硬阀值和软

59、阀值。硬阀值(HT，HardThreshold)是感应属性的最小绝对门限值，当传感器节点监测到感应属性值大于硬阀值，则必须向簇头节点报告。软阀值(ST, Soft Threshold)是感应属性的最小变化值，在传感器节点监测到感应属性己高于硬阀值，且其变化值大于软阀值，则必须向簇头节点传输该变化值10。用 SV(Sensed Value)表示当前的感应属性值，如果 SV 较小且没有超过 HT，说明当前的感应属性不够强烈，没有必要向簇头报告该事件；反之，如果 SV 较大且超过了 HT，则必须向簇头节点报告该事件。这样，HT 的使用就减少了由于误检测造成16的错误报告而消耗的能耗。ST 也是同样道

60、理，如果监测到最近两次 SV 的差值较小且没有超过 ST，说明属性变化没有强烈到要传输变化数据的地步；反之，则应立即向簇头节点报告。这样，ST 的使用减少了由于噪声等干扰产生变化引起的误报，也减少了节点的误传输能耗。因此，TEEN 是一个反应式的路由，适用于对突发事件的检测。而 APTEEN 则是 TEEN 的改进算法，不仅考虑了对突发事件的实时性响应，还为其加入了周期性事件监测机制，可以监测不断变化的连续性事件。APTEEN 在周期性监测中加入了 TDMA 机制，为每个节点分一个时隙，各节点利用自己的时隙周期的报告监测到的网络状况，分为历史查询(Historical Query)、时刻查询(