无线传感器网络数据路由协议综述

### 无线传感器网络数据路由协议综述 在无线传感器网络（WSN）中，数据路由是一个关键问题，尤其是在节点移动、能源效率和服务质量（QoS）保障等方面。本文将介绍几种不同类型的路由协议，包括地理路由协议、QoS 感知协议以及适用于节点移动场景的数据中心路由协议。 #### 地理路由协议 地理路由协议利用节点的地理位置信息进行数据路由，下面介绍几种典型的地理路由协议。 ##### 地理自适应保真度（GAF） GAF 是一种基于位置的节能路由算法。它通过关闭网络中不必要的节点来节省能源，同时不影响路由的保真度。具体步骤如下： 1. **形成虚拟网格**：为覆盖区域创建一个虚拟网格，每个节点根据其 GPS 指示的位置与虚拟网格中的一个点关联。 2. **节点等效性**：与网格中同一点关联的节点在数据包路由成本方面被视为等效。利用这种等效性，将网格区域内的一些节点置于睡眠状态以节省能源。 3. **节点状态**：GAF 定义了三种节点状态：发现（确定网格中的邻居）、活跃（参与路由）和睡眠（关闭无线电）。 4. **处理节点移动**：每个节点估计其离开网格的时间并通知邻居，睡眠节点相应调整睡眠时间以保持路由保真度。在活跃节点离开时间到期前，睡眠节点唤醒并选择一个成为活跃节点。 GAF 可以看作是一种基于地理位置的分层协议，每个网格区域有一个代表节点作为领导者传输数据，但不进行数据聚合或融合。 ##### 能量感知贪婪路由（EAGR） EAGR 是一种基于节点地理位置信息和能量水平的路由协议。传统贪婪路由算法只考虑最短路径，容易导致某些节点能量快速耗尽，形成空洞并丢包。EAGR 的工作步骤如下： 1. **设置能量阈值**：所有节点初始能量相同，设置一个阈值能量水平，低于该水平的节点视为死亡。 2. **获取邻居信息**：能量高于阈值的节点获取邻居信息并创建位置表。 3. **计算平均距离**：根据位置表计算到邻居的平均距离。 4. **选择转发节点**：转发数据时，选择距离等于或小于平均距离且能量最高的邻居节点。 通过考虑能量水平，EAGR 避免了单个节点能量过快耗尽，延长了网络寿命。只有当目的地节点死亡或没有存活邻居可转发数据时，数据包才会被丢弃。 ##### 地理和能量感知路由（GEAR） GEAR 使用能量感知和地理信息的邻居选择启发式方法将数据包路由到目标区域。其核心思想是通过限制定向扩散中的兴趣范围，仅考虑特定区域而不是向整个网络发送兴趣，从而节省更多能量。具体步骤如下： 1. **计算成本**：每个节点维护通过邻居到达目的地的估计成本和学习成本。估计成本是剩余能量和到目的地距离的组合，学习成本是对估计成本的细化，考虑了网络中的空洞。 2. **转发数据包到目标区域**： - 若有多个邻居更接近目标区域，选择最近的作为下一跳。 - 若所有邻居都比自身远，说明存在空洞，根据学习成本函数选择一个邻居转发数据包，并在数据包传输过程中根据学习成本的收敛情况更新选择。 3. **在目标区域内转发数据包**：数据包到达目标区域后，可以通过递归地理转发或受限洪泛进行扩散。在传感器部署不密集时，受限洪泛较好；在高密度网络中，递归地理转发更节能。 #### QoS 感知协议 QoS 感知协议旨在平衡网络的能量消耗和数据质量，满足特定的 QoS 指标（如延迟、能量、带宽）。以下是几种 QoS 感知路由协议。 ##### SPEED SPEED 是为传感器网络实时通信设计的地理路由协议。它通过反馈控制和非确定性地理转发处理拥塞并提供软实时通信，处理死端的方式与处理拥塞类似。具体步骤如下： 1. **计算中继速度**：节点通过将到目的地的距离进展除以估计的转发延迟，计算到每个邻居的中继速度。 2. **选择转发邻居**：将数据包转发到更接近目的地且速度高于阈值的邻居，转发概率基于该邻居与其他邻居的速度比较。 3. **处理拥塞和死端**：若没有邻居速度高于期望速度，通过邻居反馈循环决定是否丢弃或重新路由数据包。使用背压重路由避免拥塞和死端，向上游节点发送背压信标，上游节点尝试在不同路径上转发数据包，直到找到路径，但死端恢复不保证能找到路径。 4. **其他功能**：SPEED 还支持地理广播和任意播等功能，可在数据包进入目的地区域后激活。 ##### MMSPEED MMSPEED 是 SPEED 的扩展，支持服务差异化和概率 QoS 保证。它为不同流量类型提供多种网络范围的数据包交付速度选项，根据端到端截止时间提供交付及时性。在支持服务可靠性方面，使用概率多路径转发控制交付路径数量。MMSPEED 与 SPEED 一样，所有机制都基于本地信息，无需全局网络状态信息和端到端路径设置，具有可扩展性和对网络动态的适应性，但都未考虑能量消耗指标。 ##### 顺序分配路由（SAR） SAR 是最早将 QoS 概念引入 WSN 路由决策的协议之一。它通过考虑 QoS 指标、每条路径的能量资源和每个数据包的优先级，从汇聚节点的一跳邻居创建路由树，形成从汇聚节点到传感器的多条路径，并根据能量资源和 QoS 选择一条路径。路由决策依赖于三个因素：能量资源、每条路径的 QoS 和数据包的优先级。为避免单路径故障，采用多路径方法和局部路径恢复方案，目标是在网络生命周期内最小化平均加权 QoS 指标。与仅关注每个数据包能量消耗而不考虑优先级的最小能量指标算法相比，SAR 算法功耗更低。 ##### 实时功率感知路由（RPAR） RPAR 通过动态调整传输功率和路由决策，以低能量成本实现应用指定的通信延迟。它具有功率感知转发策略和高效的邻居管理器，适用于资源受限的无线传感器。RPAR 的主要特点如下： 1. **提高按时交付率**：在低能量成本下提高满足截止时间的数据包数量。 2. **高效邻居管理**：快速发现满足数据包截止时间的转发选择（邻居和传输功率对），同时引入低通信和能量开销。 3. **动态适应**：基于工作负载和数据包截止时间动态调整传输功率和路由决策，考虑链路损耗和极端资源约束。 RPAR 是一种基于一跳邻居信息的本地化协议，能够有效扩展到大型 WSN。 ##### 延迟约束的能量高效路由协议（DCEERP） DCEERP 旨在为 WSN 中延迟受限的数据找到能量高效的路径。它采用拓扑控制并对 MAC 层引起的竞争延迟进行建模。具体步骤如下： 1. **识别路径**：识别源节点和汇聚节点之间的一组路径，并按能量消耗递增顺序索引。 2. **估计延迟**：估计每条路径的端到端延迟。 3. **选择路径**：选择满足延迟约束且索引最低的路径。 然而，该方案假设节点配备两个无线电（低功率短程和高功率远程），每个节点可通过远程无线电直接到达汇聚节点，这可能不节能且不实际。 ##### 具有延迟保证的能量高效路由 该方法首先排除延迟约束，将网络寿命最大化问题表述为线性规划（LP）问题，以确定最优路由路径并最大化每个节点的最小寿命。LP 解决方案先以集中方式实现，然后通过基于最小成本路径路由的迭代算法近似。接着，通过限制每个节点到汇聚节点的路由路径长度来纳入延迟保证。模拟显示最大延迟可限制在一定水平，但结果可能不够灵活，难以普遍满足应用指定的延迟界限。 #### 适用于节点移动的路由协议 当节点移动时，数据路由的许多方面变得更难处理，如连接性、能量效率和延迟的优化。解决节点移动问题的路由协议可分为表驱动和按需驱动两类。 ##### 表驱动路由协议 表驱动路由协议通过节点间定期交换路由信息，每个节点构建自己的路由表以找到到目的地的路径。但保持信息最新可能需要大量带宽和额外电池电量，且信息可能过时。以下是几种典型的表驱动路由协议： - **目的地序列距离向量路由协议（DSDV）**：基于经典的 Bellman - Ford 路由机制，每个移动主机作为专门的路由器，定期广播其对网络互连拓扑的视图。路由表中的每个条目包含由目的地生成的序列号，节点需使用该序列号发送下一次更新。路由信息通过不频繁的全量转储和更频繁的增量更新在节点间分发。 - **集群网关交换路由（CGSR）**：是一种集群多跳移动无线网络。每个传感器节点维护一个集群成员表，存储网络中每个移动节点的目标集群头。这些表通过 DSDV 算法定期广播，传感器节点在收到邻居的表后更新自己的表。 - **优化链路状态路由（OLSR）协议**：是一种主动式链路状态路由协议，使用 Hello 和拓扑控制消息发现并区分移动自组织网络中的链路状态信息。单个节点使用拓扑信息通过最短跳转发路径计算到所有节点的下一跳目的地。 - **可扩展位置基于多播（SPBM）**：旨在提高可扩展性，利用节点的地理位置提供可扩展的组成员方案并转发数据包，主要关注以可扩展方式管理多播组。 ##### 按需驱动路由协议 按需驱动路由协议在需要时创建路由，而不是在每个节点维护最新的路由信息。当需要从源到目的地的路由时，启动全局搜索过程。虽然不需要持续更新网络信息，但会导致延迟，因为需要查找请求的路由。在某些情况下，所需路由可能仍在传感器节点的路由缓存中，此时无需额外延迟。以下是几种典型的按需驱动路由协议： - **自组织按需距离向量路由（AODV）**：是对 DSDV 的改进，通过按需创建路由减少广播数量。源节点广播路由请求包，邻居节点依次广播，直到到达有目的地最新路由信息的中间节点或目的地。节点丢弃已见过的路由请求包，使用序列号确保路由无环，并使用时间戳管理过期条目。 - **基于请求的转发（SOFA）**：是一种高响应性的逐跳路由协议，提高了应用保真度。它是一种经济高效的按需方案，在传感器场发生事件时，通过发送方和多个潜在接收方之间的简单请求握手协商到目标目的地的最佳转发路径。 #### 数据中心路由方法 数据中心路由关注在一组节点中产生并在其他地方消费的数据，以及如何利用数据及其处理方式优化能量、延迟、容错、断开连接或吞吐量等指标。以下是几种数据中心路由方法： ##### 可靠的基于成本的数据中心路由（RCDR） RCDR 有全局和局部两种梯度。当数据汇聚节点要收集数据时，发送数据查询在整个网络中设置全局梯度。查询消息传播时，每个传感器建立到汇聚节点的成本值。数据通过全局梯度的多路径路由发送到数据聚合点，聚合后再通过全局梯度发送到汇聚节点。每个节点通过广播唯一标识的数据发送数据，只转发首次收到的数据。当节点移动导致连接中断时，数据仍可由其他节点转发。模拟结果显示，该方法在静态网络中提高了至少 25% 的网络可靠性，在动态拓扑中，本地恢复方法在可靠性方面明显优于传统协议，且能量消耗低于 50%。 ##### Spiral 数据中心路由算法 Spiral 平衡了路由发现成本和路由长度，适用于短期通信。它通过基于游走的机制减少搜索所需数据的开销，形成螺旋状搜索路径，比随机游走更有可能找到更接近的所需数据副本，并能计算更短的路由。在 500 节点、平均度为 20 且每个数据对象有两个副本的网络中，对于 40 个数据对象的短期通信，Spiral 的总通信成本仅为洪泛的 72%、扩展环搜索（ERS）的 81%、随机游走的 74% 和深度优先搜索（DFS）的 73%。 ##### 移动泛在局域网扩展（MULE） MULE 利用特定环境的移动性，引入 MULE 元素负责从传感器获取数据、缓冲并最终交付到汇聚节点。MULE 可以是环境中提供移动性并能在网络中交换数据的任何元素，如城市中的出租车或草原上的野生动物。每个传感器需要一个缓冲区存储生成的数据，缓冲区满时新数据将被丢弃，当 MULE 进入传感器范围时，缓冲区数据被传输并清空。MULE 可传输的数据量是随机变量，取决于其在传感器通信范围内的时间等因素。 ##### 自适应数据传输（ADT）协议 ADT 协议显著减少了传感器将消息传输到 MULE 所需的时间，性能接近最优情况。传感器尝试猜测 MULE 距离其最近的时间点，在该时间点附近传输数据。传感器以低占空比工作以节省能量，收到 MULE 的信标后切换到全运行模式。传感器估计传输缓冲区中所有消息所需的时间，然后连续发送一定数量的消息（窗口大小），等待 MULE 的确认。若未在预定义超时内收到确认，增加未确认计数器并重新传输所有消息；若收到确认，重置未确认计数器。模拟结果显示，ADT 不仅显著减少了平均数据传输时间，还提供了准最优性能，能够快速响应外部条件变化并在有限时间内适应新条件。 #### 应用领域的项目 在移动性方面，有几个项目解决了特定应用领域的数据中心路由问题。例如，Arbabi 等人提出使用车载自组织网络（VANETs）测量和报告各种交通统计信息。他们使用路边基础设施（任务组织者，TO）收集道路上各点的数据，并报告给当地交通管理中心。每个 TO 广播包含位置、目的地和所需数据信息的消息，车辆通过 TO 时接收数据，到达目的地后发送包含 VOL 标签和当前速度的消息返回 TO。TO 收到多条消息后可计算交通流量统计信息。模拟显示，即使在低渗透率或低密度交通情况下，该方法也能收集高质量的旅行时间、时间平均速度和空间平均速度估计值。 无线传感器网络的路由协议多种多样，每种协议都有其特点和适用场景。在实际应用中，需要根据具体需求选择合适的路由协议，以实现网络的高效运行和优化性能。未来，随着无线传感器网络的不断发展，路由协议也将不断创新和改进，以适应更复杂的应用场景和需求。 ### 无线传感器网络数据路由协议综述（续） #### 不同类型路由协议的对比与分析 为了更清晰地了解各种路由协议的特点和适用场景，下面对上述介绍的路由协议进行对比分析。 | 协议类型 | 具体协议 | 主要特点 | 适用场景 | 优势 | 局限性 | | --- | --- | --- | --- | --- | --- | | 地理路由协议 | 地理自适应保真度（GAF） | 基于位置节能，形成虚拟网格，关闭不必要节点 | 静态或节点移动缓慢的网络 | 节省能源，延长网络寿命 | 依赖 GPS 信息，对节点移动处理有一定复杂度 | | | 能量感知贪婪路由（EAGR） | 结合位置和能量信息，均衡节点能量消耗 | 对节点能量消耗敏感的网络 | 避免单节点能量过快耗尽，延长网络寿命 | 初始能量设置和阈值确定较难 | | | 地理和能量感知路由（GEAR） | 能量感知和地理信息结合，限制兴趣范围 | 大规模网络，需要节能的场景 | 节省能量，减少不必要的兴趣传播 | 计算成本和学习成本的维护较复杂 | | QoS 感知协议 | SPEED | 实时通信，处理拥塞和死端 | 对实时性要求较高的网络 | 提供软实时通信，处理拥塞和死端 | 未考虑能量消耗指标 | | | MMSPEED | 支持服务差异化和概率 QoS 保证 | 有不同服务需求的网络 | 提供多种服务选项，可扩展性好 | 未考虑能量消耗指标 | | | 顺序分配路由（SAR） | 考虑 QoS、能量和优先级 | 对 QoS 有要求的网络 | 平衡能量和 QoS，多路径避免单路径故障 | 路由树构建和维护较复杂 | | | 实时功率感知路由（RPAR） | 动态调整功率和路由，满足延迟要求 | 对延迟和能量消耗都有要求的网络 | 提高按时交付率，适应资源约束 | 依赖一跳邻居信息，可能存在信息不准确 | | | 延迟约束的能量高效路由协议（DCEERP） | 为延迟受限数据找节能路径 | 有延迟约束的网络 | 考虑延迟和能量，选择节能路径 | 假设节点配备双无线电，不节能且不实际 | | | 具有延迟保证的能量高效路由 | 先优化寿命，再考虑延迟 | 对网络寿命和延迟都有要求的网络 | 可限制最大延迟 | 结果不够灵活，难满足应用指定延迟界限 | | 适用于节点移动的路由协议 | 表驱动路由协议（DSDV、CGSR、OLSR、SPBM） | 定期交换路由信息，构建路由表 | 节点移动较频繁，但移动速度相对稳定的网络 | 路由信息相对及时，可快速找到路径 | 带宽和能量消耗大，信息可能过时 | | | 按需驱动路由协议（AODV、SOFA） | 需要时创建路由 | 节点移动不规律，对延迟不太敏感的网络 | 减少不必要的路由更新，节省资源 | 路由查找有延迟，可能找不到路径 | | 数据中心路由协议 | 可靠的基于成本的数据中心路由（RCDR） | 利用全局和局部梯度，多路径路由 | 对数据可靠性要求较高的网络 | 提高网络可靠性，节能 | 梯度设置和维护较复杂 | | | Spiral 数据中心路由算法 | 平衡路由发现成本和长度 | 短期通信场景 | 减少通信开销，找到更短路由 | 对网络拓扑有一定要求 | | | 移动泛在局域网扩展（MULE） | 利用移动元素传输数据 | 节点移动频繁，通信不稳定的网络 | 适应节点移动，减少通信次数 | 依赖移动元素，数据传输有随机性 | | | 自适应数据传输（ADT）协议 | 减少传感器到 MULE 的传输时间 | 有移动数据收集需求的网络 | 减少传输时间，准最优性能 | 依赖 MULE 信标，对 MULE 运动控制有限 | 从这个对比表格可以看出，不同的路由协议在特点、适用场景、优势和局限性方面存在明显差异。在实际应用中，需要综合考虑网络的规模、节点的移动性、能量限制、实时性要求等因素，选择最合适的路由协议。 #### 路由协议的选择流程 为了帮助用户在实际应用中选择合适的路由协议，下面给出一个简单的选择流程： ```mermaid graph TD; A[开始] --> B{节点是否移动}; B -- 是 --> C{移动频率和速度}; C -- 频繁且速度稳定 --> D[考虑表驱动路由协议]; C -- 不规律或对延迟不敏感 --> E[考虑按需驱动路由协议]; B -- 否 --> F{是否需要 QoS 保障}; F -- 是 --> G{实时性要求}; G -- 高 --> H[SPEED 或 MMSPEED]; G -- 一般 --> I{对能量和优先级的考虑}; I -- 重要 --> J[SAR]; I -- 一般 --> K{延迟约束}; K -- 有 --> L[DCEERP 或具有延迟保证的能量高效路由]; K -- 无 --> M[其他 QoS 感知协议]; F -- 否 --> N{是否关注能量效率}; N -- 是 --> O{是否有地理位置信息}; O -- 是 --> P[地理路由协议（GAF、EAGR、GEAR）]; O -- 否 --> Q[其他节能路由协议]; N -- 否 --> R{数据中心路由需求}; R -- 是 --> S[数据中心路由协议（RCDR、Spiral、MULE、ADT）]; R -- 否 --> T[其他通用路由协议]; D --> U[结合其他因素选择具体协议]; E --> U; H --> U; J --> U; L --> U; M --> U; P --> U; Q --> U; S --> U; T --> U; U --> V[结束]; ``` 这个流程图展示了一个逐步筛选的过程，首先根据节点是否移动进行分类，然后根据移动的频率和速度、是否需要 QoS 保障、对能量效率的关注以及数据中心路由需求等因素，逐步缩小选择范围，最终结合其他因素选择最合适的路由协议。 #### 未来发展趋势 随着无线传感器网络的不断发展，路由协议也将面临新的挑战和机遇。以下是一些未来可能的发展趋势： ##### 融合多种技术 未来的路由协议可能会融合地理信息、能量信息、QoS 要求和节点移动性等多种因素，设计出更加综合和智能的路由算法。例如，将地理路由协议和 QoS 感知协议相结合，既能利用地理位置信息进行高效路由，又能满足不同的 QoS 需求。 ##### 适应复杂环境 随着无线传感器网络应用场景的不断拓展，如工业自动化、智能交通、环境监测等，路由协议需要适应更加复杂的环境，包括高干扰、高动态和大规模节点等情况。这可能需要开发新的路由策略和算法，以提高网络的可靠性和稳定性。 ##### 人工智能与机器学习的应用 人工智能和机器学习技术在无线传感器网络中的应用将越来越广泛。通过机器学习算法，可以对网络的状态和数据进行实时分析和预测，从而优化路由决策。例如，使用强化学习算法动态调整路由策略，以适应网络的变化和不确定性。 ##### 绿色节能 能源效率始终是无线传感器网络的重要关注点。未来的路由协议将更加注重绿色节能，通过优化节点的能量消耗、减少不必要的通信和数据传输，延长网络的使用寿命。 ##### 安全与隐私保护 随着无线传感器网络中数据的重要性不断增加，安全和隐私保护将成为路由协议设计的重要考虑因素。未来的路由协议需要提供更强的安全机制，如数据加密、身份认证和访问控制，以保护网络中的数据不被泄露和篡改。 总之，无线传感器网络的路由协议是一个不断发展和创新的领域。通过深入研究和理解各种路由协议的特点和适用场景，结合未来的发展趋势，我们可以设计出更加高效、智能和安全的路由协议，推动无线传感器网络在各个领域的广泛应用。