摘要：无线传感网络具有庞大的数据信息收集、分析处理、储存以及无线通讯等功效，并借助其中的传感器节点形成的一种新的网络体系。这种无线传感网络大多用在我国的军事行业、生态环境的监测以及地质预警等较为特殊的工作环境之中，因此每个传感网络节点的运动水平、储存水平以及能量要素都有限制，并且都是无线传感网络路由协议使用中要关注的问题。
关键词：无线传感器；网络路由协议；网络能耗
引言
作为物联网的数据获取者，WSN 在一段时间内部署在感兴趣的区域，进行信息的采集和传输。然而网络各节点供应的能量有限且采集范围固定，因此它们需要通过相互协作形成多跳网路以保持整个网络的连通性，从而获得更大的覆盖范围[。因此在设计 WSN路由协议时，需要考虑各节点协作、通信能力和能源管理等问题，以保证无线传感器网络能够适应不同的工作环境。
1无线传感器网络概述
无线传感器网络是一种分布式的传感网络，它通过把无数的传感器节点进行自由分布，通过这些节点末梢来感知外部世界，并对收集的信息进行检查的传感器。由于无线传感器是通过无线的方式进行通信，传感器设备的设置位置多变，适应能力强，自由度高，还可以随时随地的跟互联网进行连接，从而形成一个多跳自组织式的无线网络。不过，因为传感器的体积小，便于携带等特点，它的能量供应方式大多数都是选择的微型电池构成结构，为传感器提供能量，这就需要以缩减传感器的节点面积增加供应电池的面积。为了保障无线传感器传输的信息完整性，在保证传感器节点面积的前提下，装载电池的面积往往很小，这也是无线传感器能量供应小、通信能力弱的原因。
2无线传感器网络路由协议设计的特点
相对比传统网路来说，无线传感器网络中每个节点的数据都有较强的限制性，而其中的信息量也是无限的，且每个节点的位置也是随机摆放的，线上拓扑被每个节点能量影响而发生了巨大的变化，其中数据冗余度较高，因此无线传感器网络路由协议在具体创设的过程中需要了解其自身的特点：（1）可拓展性。当线上的某些节点死亡，新的节点会持续的融入，亦或是在线上的节点规模发生变动时，依旧可以确保当下网络顺畅的连接以及安全迅速的应对节点发生的变动。（2）网络节点具有快速收敛性。因为无线传感器网络中的节点的一些能源有限制，所以说在传感器中的网络拓扑结构也在发生变革，在这时需要WSN带着其收敛性来降低通讯数据的产生，从而增强信息数据的传播效果。（3）数据信息的高融合性。每个传感器网络中的节点能够收集到的诸多冗余的信息，对路由协议的优化来说，需要其中各种信息数据的高融合性以便于减少信息数据的传送，从而递减网络能量的耗费。（4）WSN的路由协议具有极强的可靠性和安全性。在其传播信息时由于无线传感器网络路径的不稳定性和不可靠性，会导致信息数据在传输的过程中出现误区，所以专业人员务必要强化其使用的安全性和可靠性。（5）修复性。WSN使用的一些环境都较为特殊，而且环境相对繁冗复杂，会被外界的各种因素所影响，所以路由协议务必要拥有容错力以及自我修复能力。
3无线传感器网络路由协议设计要求
对于不同的网络要求和环境约束，其路由协议的设计方案也不相同，设计一种合理的路由协议需要考虑众多影响因素，其中主要包括以下几个：
3.1节点部署方式
在无线传感器网络中，监测者的实际要求决定了节点部署方式。节点部署一般分为人工布置和随机布置。在人工部署中，可通过精心规划节点位置和密度，满足监测特定区域的要求。当节点成本高昂且对自身位置要求较高时，人工部署会是一个很好的选择。但是对于恶劣的环境来说，人工部署策略的可实施性较差。另一方面，在随机部署方法中，节点是随意分散在监测区域内的，如果个人用户只关心区域内环境信息的变化，那么对节点进行随机部署就能够获得有效的监测。
3.2网络能耗设计
路由协议的主要目的是以高效的方式在发送器和接收器之间传送数据。每个节点在感测、处理、接收和传输信息时都会产生能量消耗，而且数据传输是网络耗能最大的部分。由于传感器节点具有有限的能量资源，一些节点的能量耗尽可能导致网络的拓扑结构和连接性能变化，之后需要重新组织并寻找新的路线以完成信息传输。因此路由协议的设计要求需在能量优化和准确性之间进行权衡。
3.3节点的性质
在WSN中，分散在环境中的节点可以是同构的，也可以是异构的。同构节点具有相同的工作能力，如传输范围、电池寿命和处理能力，然而异构节点具有不同的能力和资源。在大多数网络结构中，传感器节点位置是保持不变的。然而，对于一些特定的应用，基站和节点是可以进行移动的。4．可扩展性网络部署在某一区域时，节点的数量可能会根据用户监测要求发生变化，即从几个节点增加到几千个节点的情况都有可能会发生。然而当节点数量过多时，每个节点都不可能保持对网络拓扑的全局认知。因此设计的路由协议需要能够处理大量节点的通信问题，以保证网络规模发生改变时，节点能够继续进行相互通信。
4平面路由与分层路由协议对比
按照网络逻辑结构不同，无线传感网络路由协议一般分为平面路由协议和分层路由协议，对于优化无线传感器网络路由协议来说，对平面路由协议和分层路由协议中的各种优势相互对比，从而探索出更加优化的路由协议。
4.1平面路由协议
对于平面类型的路由协议来说，其不论是功效还是网络节点都一样，不会被分类，而且相互可以用相对同等的协议来分析网络内部的信息数据，强化对其的收集、分析以及转变功效。平面路由协议的最大化优势就是其内部的网络结构较为单一、其容错性以及鲁棒性都相对较强，可是这一路由协议对线上各种信息数据的变化接受相对较慢，而对于一些网络结构的构建以及路由协议的后期使用和维护耗能相对较强，这种路由协议比较适合规模较小的WSN。
4.1.1SPIN协议
SPIN协议需要网络的自适应，主要以信息数据为工作重心，线上节点是在无线传感器传输消息时把一些线上节点送到另外的节点聚集处，从而对其感知。SPIN协议减少了大量数据的存储问题，也处理了线上数据内爆的现象，降低了线上各种资源和要素的不必要的浪费发生，高效的整合了线上的所有资源和要素，增强了对其的使用效果。可是SPIN在传输信息数据时也不安全，更有甚者会导致信息数据的保存不当而丢失。SPIN协议的优化以抽象的元数据对数据进行命名，命名方式没有统一标准。节点产生或收到数据后，为避免盲目传播，用包含元数据的ADV消息向邻节点通告，需要数据的邻节点用REQ消息提出请求，数据通过DATA消息发送到请求节点。
4.1.2DD协议
DD路由协议主要是以信息为传输中心的一种线上工具，通过线上节点聚集到某一处，从而借用广播传输方式把信息数据传送到具体的路由协议中，从而对这些信息数据实施高效的整合和传送。可是在一些信息匹配的过程中会出现其他的能量消耗，尤其是在大型的网络中，上网时长会被延长。在对该协议进行优化的过程可以在沿途节点按需对各Interest进行缓存与合并，并根据Interest设计、创建包含数据上报率、下一跳等信息的梯度，从而建立多条指向sink点的路径。Interest中的地理区域内节点则按要求启动监测任务，并周期性地上报数据，途中各节点可对数据进行缓存与聚合。
4.2分层路由协议
分层路由器也被称为分簇路由传感器，主要是因为此类路由传感器中的每一个线上节点会自动的分簇，而且其中的每一簇都有诸多节点，而且很有可能会被实行再次分簇，最终形成较为高级的路由网络。其中高级网络中的领导者直接与每个线上节点实行高效的信息互动，且主要承担分簇以及本簇中各个节点的信息数据转换问题以及分析问题。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆一般分层路由协议拓展性较好，可以协助专业的工作人员实施有效的信息数据分析和问题解决，达到最优的数据转换。但是其在具体的使用中也会因为分簇而造成线上节点中的功效消失。因此，分层路由协议的设计和运行面临的问题主要包括簇头的选择、簇的形成以及网络动态（如机动性或簇头故障）的自适应性。与平面路由方法相比，分层解决方案可以减少无线介质中的冲突，有助于提高传感器节点的工作循环次数，继而提高能效。
4.2.1LEACH协议
LEACH协议是最基本的分簇路由协议，其每个线上节点更换的时长都是有规律的，并且每种信息数据都是从线上节点开始向周边散播，其余线上节点根据网络信号的强弱程度来选取不同的节点，在一个环节之后对每个线上的节点实施重新选拔。这种路由协议可在较大程度上减少由于一些其他原因给无线传感路由器造成的问题，也可避免因线上节点的能量消耗较大而增强节点的使用时长，而且在网络跳信或者是距离节点较远的情况下，会导致此协议出现能量消耗不均衡的问题，这类协议就非常不适合在较大规模的传感网络中使用。
4.2.2GAF协议
GAF协议是一种能够感知位置的分簇协议，通过让节点尽量处于关机状态来节省能量，同时，该协议还考虑了所有节点能量消耗的均衡性，把线上的各个模块清晰的区域划分出来，从而构建一个较为虚拟的网络模块，一些线上节点负责工作，另外一些节点负责休息，从而轮换使用，以便于优化无线传感网络的路由协议工作效果，但是此种路由协议只需要借用当下的网络实行具体的检测或者监督工作，在对信息数据分析的过程中也有可能会出现一些数据丢失情况。
5网络大数据下WSN中分布式路由协议
无线传感器网络是感知物理世界的关键支撑技术，是一种分布式传感网络。WSN中部署的节点可以自动完成信息的采集和数据的传输。网络是由大量的传感器节点和一个基站（Sink）组成，路由协议的作用是建立一条从源节点到基站的数据传输路径，进行大量感知数据的传送。网络大数据的最重要属性不在于它的规模，而在于它将大数据块分成许多小数据块的能力，它能够将处理一个任务的资源分散到多个位置变为并行处理，即分布式处理。把以海量数据为中心的分布式处理应用到WSN路由协议中，有着重要的意义。
5.1大数据驱动的WSN中自适应路由服务协议
大数据驱动的自适应路由服务定制机制是基于SDN控制平面和数据平面分离的设计理念，并且以用户的通信服务体验为核心，利用网络中各类型应用的大量通信流状态数据为驱动，实现自适应路由服务的定制化目标。该机制提出了网络大数据驱动的用户需求属性分析模型，用来识别并标准化用户对不同类型应用的通信需求，分析了用户体验与各项需求的依赖关系模型，可以适时选择合适候选路由、实时调整用户体验。该路由机制把用户的通信需求和体验作为中心，可把其应用到WSN中。根据在基站数据中心通过该路由服务定制机制挖掘获取到的海量数据，可以进行数据分析，自动得出部署传感器节点的用户需求。通过用户需求控制传感器节点采集相应数据，实现WSN网络功能。
5.2WSN中数据中心路由编码研究
数据中心里的关键性设计是网络中所有服务器之间的互联，必须满足５个要求：低延迟、低成本、高带宽、容错能力强、数据传递接口支持[5]。数据中心中的任何两个服务器节点间应该建立多个路径，并通过在冗余的服务器之间复制数据和计算数据，来实现服务器容错。此路由编码方案将信息流图的模型拓展到一般情形，即物理网络中有中间节点的树状结构，通过分析得出路由编码的充要条件，即：中间节点输出数据量的下界及存储量与修复带宽的最优折衷。得出充要条件之后，在对基于MSR编码实现的路由编码的分析证明后，为数据中心设计了修复数的生成方案。该路由编码与修复树，可把其应用到WSN中。在WSN中的任何两个传感器节点之间建立多条路由路径，根据传感器节点的树状结构以及路由编码，得出节点可输出采集到的数据量下界，可存储的数据量与传输带宽的折衷。并把修复树算法应用到传感器节点之间的路由路径上，增强其容错能力。
5.3大数据下基于SDWSN的路由
软件定义网络（Software-defined Networking，SDN）是全新的网络体系框架，数据面负责路由转发，控制面实现路由决策，应用面为用户提供网络可编程服务。SDN采用基于流的数据转发方式，WSN是面向数据的。SDN的路由快速数据转发与WSN的高效感知互补。因此，SDN被引入WSN，成为下一代WSN技术探索的主流，这种网络称为软件定义无线传感器网络（software-defined wireless sensor networks，SDWSN）。SDWSN两大核心功能为动态高效传感和安全可靠传输。为了提升路由的运用灵活性，Click可编程路由通过将路由逻辑功能视为模块化，从而支持路由的快速实现。Open Sig通过分离数据层面和控制层面，并设计开放接口来保持两个面通信。将可编程路由与FPGA等可编程硬件相结合，在一定程度上可增加路由转发面的弹性、扩展性和性能。软件定义多流路由方案基于低干扰信道分配机制提出，通过在逻辑上分离数据面中的控制信道和数据信道，并开发了内置软件模块来增加处理速度，显著地增强了网络路由性能。随着大数据技术的不断成熟，SDWSN相关路由协议可将采集挖掘到的数据通过更优化的路由策略转发到基站，更好的实现WSN的功能。
5.4基于时隙传输的数据中心WSN路由算法设计
基于软件定义网络的数据中心流量工程，能够通过对全局的网络进行管控，动态选择路由路径，规避拥塞发生的风险。但是在制定相关的路由策略时，经常会对要传输的数据流进行迁移，尤其对大流量数据流的迁移，容易造成数据流丢包的问题。基于SDN的理念，通过重新定义数据流的传输时隙，基于时隙的流片装箱算法被提出，以流量均衡为目标，通过集中控制的方式获取路由的链路状态信息，计算出合理的数据流传输时隙值，能够避免数据流在迁移过程中的丢包、避免接收端数据包乱序等相关问题。在时隙算法基础上，通过优化最小化缓存队列的长度，可以防止数据缓存溢出。同时，充分利用数据中心的冗余路由链路，实现高效和细粒度的数据转发及流量均衡，易于部署。把基于时隙的路由算法应用在WSN中，可在很大程度上提升路由的高效性。在传感器节点与节点之间传输数据时，通过时隙算法合理利用数据流传输的时隙值，避免采集到的数据丢失问题。准确的传输时隙，还可以让传感器节点缓存数据的能力提升，避免要传输的数据缓存溢出情况。
结束语
在无线传感器网络中，平面路由协议以及分层路由协议的使用各有利弊，对于平面路由协议来说，其最大化优势就是其内部的网络结构较为单一、其容错性以及鲁棒性都相对较强，可是这一路由协议对线上各种信息数据的变化接受相对较慢，对于一些网络结构的构建以及路由协议的后期使用和维护耗能相对较强，这种路由协议比较适合规模较小的WSN。对于分层路由协议来说，其拓展性较好，可以协助专业的工作人员实施有效的信息数据分析和问题解决，达到最优的数据转换。但是其在具体的使用中也会因为分簇而造成线上节点中的功效消失。所以说，在无线传感器网络需要多种路由协议去协助工作，而且每种路由协议都是随着不同的网络环境而创设的，所以有关工作者在使用路由协议时要注意每个路由协议的优劣势，从而制定科学的优化方案，以此来强化我国无线传感器网络的运用效果。
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论文作者:王大昊
论文发表刊物:《电力设备》2019年第16期
论文发表时间:2019/12/9
标签：节点论文; 数据论文; 网络论文; 传感器论文; 路由协议论文; 路由论文; 线上论文; 《电力设备》2019年第16期论文;