关于WSN网络层协议对比分析
- 引言
WSN网络层主要负责路由的发现和维护,由于大多数节点无法直接与网关通信,因此需要通过中间节点以多跳路由的方式将数据传送至汇聚节点。而这就需要在WSN节点与接收器节点之间多跳的无线路由协议，路由协议也是WSN网络层的主要协议。
2.路由协议介绍
路由协议的作用是寻找一条或多条满足一定条件的，从源节点到目的节点的路径，将数据分组沿着所寻找的路径进行转发，由此可以看出路由协议的功能主要有两个方面：搜索满足条件的从源节点到目的节点的优化路径、转发数据分组。
WSN路由协议可以分为以下四种：以数据为中心的协议，分层协议，基于地理位置的协议和基于QoS的协议。
3.以数据为中心的协议：
此类路由协议是基于查询和目标数据命名之上的，通过数据融合减少冗余的数据传输。
3.1. Flooding协议和Gossiping协议
这是两个最经典和简单的传统网络路由协议，在Flooding协议中，节点产生或收到数据后向所有邻节点广播，数据包直到过期或到达目的地才停止传播。该协议具有严重缺陷：内爆（implosiON），节点几乎同时从邻节点收到多份相同数据；交叠（overlap），节点先后收到监控同一区域的多个节点发送的几乎相同的数据；资源利用盲目（resource blindness），节点不考虑自身资源限制，在任何情况下都转发数据。Gossiping协议是对Flooding协议的改进，节点将产生或收到的数据随机转发，避免了内爆，但增加了时延。这两个协议不需要维护路由信息，也不需要任何算法，简单但扩展性很差。
3.2. SPIN协议
SPIN（Sensor Protocols for Information via Negotiation，信息协商的传感器协议）是无线传感器网络中一种基于以数据为中心的路由协议，其通过节点之间的协商以建立传输路径。SPIN协议的设计目标是能够解决Flooding以及Gossiping协议的内爆、重叠及资源利用不合理现象。SPIN协议在路由建立时，一共采用了3种类型的数据包：ADV、REQ与DATA。ADV数据包是一个路由请求发起的数据包，当某一节点接收到数据包时，它会向其周围的邻居节点广播这个ADV数据包，以通告是否需要接收数据，由于ADV数据包体积很小，所消耗的能量资源较少。REQ数据包是请求响应数据包，当邻居节点接收到来自传输请求节点发起的ADV数据包后，若其需要接收，则向请求发起节点发送REQ资料包。DATA数据包即为传感采集的数据内容。
3.3.定向扩散（directed diffusion，DD）协议
定向扩散路由协议（Directed Diffusion）简称DD路由协议，是一种典型的以数据为中心，基于查询的路由机制。汇聚节点根据不同的应用需求定义不同的兴趣（Interest）请求消息，并通过洪泛的方式将兴趣请求消息数据包发送至全网或者局部网络的传感器节点。在进行兴趣消息洪泛发送过程的同时，每个节点根据缓存中的兴趣列表，沿着兴趣消息发送方向的反向建立数据传输梯度（Gradient），当兴趣消息到达源节点后，源节点则将数据沿着之前建立好的传输梯度进行正向传输，直到汇聚节点。定向扩散路由协议为了能够适应网络拓扑的动态变化，采用周期性地对网络进行路由维护与更新，其主要分为3个阶段：兴趣消息扩散、数据传输梯度建立、路径加强。
其缺点是：不适合环境监测等应用；建立梯度开销很大，不适合多sink点网络；数据聚合采用时间同步技术，带来较大开销和时延。
3.4.Rumor协议
谣传路由协议（Rumor Routing Protocol）是在定向扩散路由协议的基础上建立起来的，是由Boulis等提出的适用于数据传输量较小的传感器网络，被认为是SPIN路由协议与定向扩散路由协议的折中，并且加入了Gossiping随机转发给其某一邻居节点的转发机制。由定向扩散路由协议可以看出，若汇聚节点对网络的数据查询只有一次，并且源节点只需向汇聚节点上报一次数据，使用定向扩散协议的开销就会比较大，谣传路由协议正是为了解决这一问题。
其缺点是：如果事件非常多，维护事件表和收发Agent带来的开销会很大；且因Rumor协议使用随机方式生成路径，数据传输路径不是最优，甚至可能存在路由环路问题。
4.分层次的路由协议
此类路由协议是让节点参与到特定的节点簇内的多跳通信，簇头再进行数据聚合，减少向sink节点传送的消息数量，从而达到节省能量和提高可扩展性的目的。
4.1.低能量自适应聚簇分层（LEACH）协议
它的具体实现过程分两个阶段：成簇阶段和稳定阶段（即数据传输阶段），这两个阶段的时间总和为一轮（round）。在成簇阶段，每个节点选取一个介于0和1之间的随机数，如果这个数小于某个阈值，该节点成为簇头；然后，簇头向所有节点广播自己成为簇头的消息，每个节点根据接收到广播信号的强弱来决定加人哪个簇，并回复该簇簇头。在数据传输阶段，簇内的所有节点按照TDMA时隙向簇头发送数据，簇头将数据融合和计算。在簇间，各簇头节点采用CSMA协议竞用通道，获得通道的簇头将融合的数据发给基站。之后进行下一轮。该协议优点是：随机选举簇头避免簇头过分消耗能量，提高了网络生存时间；数据聚合有效减少了通信量。
其缺点是：协议采用一跳通信，虽然传输时延小，但要求节点具有较大功率通信能力；扩展性差，不适合大规模网络；即使在小规模网络中，离sink点较远的节点由于采用大功率通信也会导致生存时间较短；而且频繁簇头选举引发的通信量耗费了能量。
4.2TEEN协议
节能的阈值敏感的传感器网络协议（threshold sensiTIve energy efficient sensor network protocol，TEEN），采用类似LEACH的分簇算法，该协议设置了硬、软两个门限，只有同时满足两个门限时节点才发送数据。硬门限的初值由用户根据应用确定；软门限的初值为0。在每轮簇头轮换的时候将两个阈值广播出去，当监测数据第一次超过设置的硬门限时，节点把这次数据设为新的硬门限，并在接下来的时隙内发送它。之后，只有监测数据超过硬门限并且监测数据的变化幅度不小于软门限时，节点才会传送最新的监测数据，并将它设为新的硬门限。通过设定两个门限值，在检测精度和系统能耗之间取得合理的平衡。采用这样的方法，可以监视一些突发事件和热点地区，减少网络通信量。
但TEEN存在两个缺陷：一是如果门限值不能达到，节点不会传送任何数据；二是数据一旦符合门限值要求，节点立即传送，容易造成信号干扰，如果采用TDMA，则会造成数据延迟。
5.基于地理位置的路由协议
此类路由协议利用节点的位置信息，把查询或者数据转发给需要的区域而不是整个网络，缩减数据的传送范围进而来降低能耗。此外，设计时考虑了节点的移动性。
5.1.地理自适应保真（geographical adaptive fidelity，GAF）路由协议
该协议主要为移动Ad Hoc网络设计，但是也用在传感器网络中。该协议把监测区域划分成虚拟单元格，将节点按照位置信息划人相应的单元格；在每个单元格中定期选举产生一个簇头节点，只有簇头节点保持活动，其他节点进入睡眠状态。在GAF中，节点轮流从睡眠状态变到工作状态，达到网络负载均衡。为了处理节点的移动性，节点估算自己离开网格的时间并将之通知相邻节点，因而睡眠节点可以相应调整睡眠时间，在工作节点离开本网格之前醒来接替工作，从而保持路由精度。GAF的优点是节点数量增加可大大提高网络寿命，同时它解决了节点移动性的问题。但是GAF的缺陷是在节点稀疏的情况下的节能效果不好，而且网格簇头的选择是随机的，没有考虑节点剩余能量。
5.2.能量感知（geographical and energy aware routmg，GEAR）路由协议
协议假设已知事件区域的位置信息，每个节点知道自己的位置信息和剩余能量信息，通过一个简单的Hello消息交换机制知道所有邻居节点的位置信息和剩余能量信息。将数据分组传送到目标域中所有的节点分两个阶段：目标域数据传送和域内数据传送。在目标域数据传送阶段，当节点接收到数据分组，它将邻接点同目标域的代价和自己与目标域的代价相比较，代价更小，贝刂选择最小代价的邻接点作为下一跳节点；若不存在更小代价，则认为存在路由空洞“hole”，节点将根据邻居的最小代价来选择下一跳节点。在域内数据传送阶段，可通过域内直接洪泛和迭代的目标域数据传送这两种方式让数据在域内扩散直到目标域剩下唯一的节点。GEAR的优点是：它将网络中扩散的信息局限到适当的位置区域中，减少了中间节点的数量，从而降低了路由建立和数据传送的能源开销，进而更有效地提高了网络的生命周期。其缺点是依赖节点的GPS定位信息，成本较高。
6.基于QoS的协议
此类协议在提供数据路由功能的同时满足通信服务质量要求，建立路由路径的同时考虑端对端的时延要求。
6.1. 有序分配路由策略（sequential asstgnment routmg，SAR）
SAR是首先在路由判决中将QoS考虑进去的WSNs路由协议。SAR在每个节点与sink节点间生成多条路径，维护多个树结构，每个树以落在sink的有效传输半径内的节点为根向外生长，树干的选择需要满足一定的QoS要求和能量储各。这样使大多数节点可能同时属于多个树，可任选某一采集树回到sink。为了防止一些节点的死亡而导致网络拓扑结构的变化，sink会定期发起路径重建命令来保证网络的连通性。同时，SAR使用本地路径恢复机制的握手过程及增强路由表中每条路径上下行数据流的连通性来恢复错误。SAR的一个突出的优点是综合考虑了能效和QoS。虽然节点到Sink的多条路径增强了SAR的容错和恢复能力，但也增加了维护路由表及每个节点的状态表的开销，尤其在节点数目较大的时候。
6.2. SPEED协议
这是一个实时路由协议。SPEED中的每个节点记录所有邻节点的位置信息和转发速度，并设定一个速度门限，当节点接收到一个数据包时，根据这个数据包的目的位置把相邻节点中距离目的位置比该节点近的所有节点划分为转发节点候选集合，然后把转发节点候选集合中转发速度高于速度门限的节点划分为转发节点集合，在这个集合中转发速度越高的节点被选为转发节点的几率越大。如果没有节点属于这个集合则利用反馈机制重新路由。该协议的优点是：在一定程度上实现了端到端的传输速率倮证、网络拥塞控制以及负载平衡机制。其缺点是：路由的过程没有考虑在多条路径上传输以提高平均寿命，传输的报文没有优先级机制。
- 协议对比表：
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路由协议 |
单路径 |
多路径 |
平面结构 |
树状结构 |
混合路由 |
基于地理位置 |
居于数据融合 |
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Flooding |
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可能 |
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Gossiping |
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可能 |
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SPIN |
可能 |
可能 |
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DD |
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Rumor |
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高弹性多路径 |
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可能 |
可能 |
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SAR |
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LEACH |
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可能 |
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PEGASIS |
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H-PEGASIS |
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TEEN |
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APTEEN |
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PALR |
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LBM |
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GRID |
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