4.2　無線傳感器網絡網絡層研究現狀和發展

無線傳感器網絡的應用背景各不相同，單一的路由協議不能滿足各種應用需求，因而研究人員設計了眾多的路由協議。為說明無線傳感器網絡路由協議的特點，可以根據路由協議采用的通信模式、路由結構、路由建立時機、狀態維護、節點表示和傳遞方式等策略，運用多種方法對其進行分類。

（1）根據節點在路由過程中是否有層次結構，作用是否有差異，路由協議可分為平面路由協議和層次路由協議。平面路由協議簡單、魯棒性好，但建立和維護路由的開銷大，數據傳輸跳數多，適合小規模網絡；層次路由協議將網絡劃分為多個簇，每個簇由一個簇首和多個簇成員組成，該協議的擴展性好，適用于大規模網絡，但簇的維護開銷大，且簇首是路由的關鍵節點，其失效將導致路由失敗。

（2）根據路由建立時機與數據發送的關系，路由協議可分為主動路由協議、按需路由協議和混合路由協議。主動路由協議建立和維護路由的開銷大，對資源要求高；按需路由協議在傳輸前需要計算路由時延；混合路由協議綜合利用了這兩種方式。

（3）根據傳輸過程中采用路徑的多少，路由協議可分為單路徑路由協議和多路徑路由協議。單路徑路由協議可節約存儲空間，數據通信量少；多路徑路由協議的容錯性強，魯棒性好，且可從眾多路由中選擇一條最優路由。

（4）根據節點是否編址、是否以地址表示目的地，路由協議可分為基于地址的路由協議和非基于地址的路由協議?；诘刂返穆酚蓞f議是指在路由建立時考慮時延、丟包率等QoS參數，從眾多可行路由中選擇一條最適合QoS應用的路由。

（5）根據數據在傳輸過程中是否進行數據融合處理，路由協議可分為數據融合的路由協議和非數據融合的路由協議。數據融合的路由協議能減少通信量，但需要時間同步技術的支持，并會使傳輸時延增加。

（6）根據是否以地理位置來表示目的節點、路由計算中是否利用地理位置信息，路由協議可分為基于位置的路由協議和非基于位置的路由協議。大量的無線傳感器網絡應用需要知道突發事件的地理位置，這要運用基于位置的路由協議，但需要GPS定位系統或其他定位方法來協助節點計算位置信息。

（7）根據是否以節點的可用能量或傳輸路徑上的能量需求作為選擇路由的根據，路由協議可分為能量感知路由協議和非能量感知路由協議。能量感知路由協議可以根據節點的可用能量或傳輸路徑上的能量需求，選擇數據的轉發路徑，從而高效地利用能量。

（8）根據路由建立是否與查詢相關，路由協議可分為查詢驅動路由協議和非查詢驅動路由協議。查詢驅動路由協議能夠節約節點存儲空間，但是數據時延較大，不適合環境監測等需要緊急上報的應用。

無線傳感器網絡是當今一個重要的研究領域，路由協議的研究在無線傳感器網絡的研究中占據非常重要的地位。由于無線傳感器網絡受自身硬件條件的限制，對路由協議的設計要求非常高，其中重要的一點就是能量的節省。一般無線傳感器網絡針對不同的應用場景會設計不同的路由協議，由于不同的路由協議都有側重點，所以針對特定應用的高效專用協議已經實現。盡管如此，無線傳感器網絡路由協議的發展還不夠完善，隨著科技的進步，無線傳感器網絡將會朝著以下幾個方面發展。

1. 最優路徑選擇

路徑的選擇是無線傳感器網絡路由協議最重要的一環，在Internet路由協議中，當節點的通信鏈路斷開或者發生擁塞時，協議會盡快通知網絡中的其余節點并重新調整和計算路由，路由協議的開銷跟通信鏈路的這種變化速率成正比。無線傳感器網絡明顯不適用于這一點，一方面無線信道不穩定，不適應通信鏈路高頻變化，維護需要的代價太大；另一方面無線傳感器網絡的硬件條件決定了這種協議的處理方式是不可能實現的，能量消耗過大，協議處理太過復雜，對存儲容量的要求也大。傳統的全局控制路由算法不適用于無線傳感器網絡，而無線傳感器網絡是一種無中心結構的網絡，每個傳感器節點的最大通信范圍有限，基于局部優化的一些路由算法能夠很好地適用于無線傳感器網絡，局部優化路由算法簡單、可擴展性好，使得無線傳感器網絡路由協議得到了進一步的發展。

2. 安全性

無線傳感器網絡中數據的交換是通過無線信道來完成的，而無線信道大多采用廣播形式，因此更容易受到竊聽。由于路由協議的簡單，并沒有專門的協議來保護路由信息，整個網絡的安全性得不到保障，因此路由協議的安全性也是無線傳感器網絡的一個重點考慮因素。無線傳感器網絡和傳統網絡一樣需要保證信息的機密性、完整性和有效性。傳統的網絡安全通常采用基于公鑰的密碼機制，需要由中心節點來統一調配。在無線傳感器網絡中，節點的地位相同，不存在中心節點，同時無線傳感器網絡的處理能力和能量有限，加密/解密算法由于其復雜性而無法在無線傳感器網絡中大量使用，因此設計一套可以在無線傳感器網絡中使用的安全機制是無線傳感器網絡路由協議的一個研究重點。

3. QoS保證

無線傳感器網絡中的QoS保證是指如何動態地配置網絡資源，使數據傳輸更有效。一般來說，無線傳感器網絡中的QoS保證主要包括兩部分：一是盡量找到滿足網絡QoS要求的路由，并在后面的數據傳輸過程中維護該路由不被破壞；二是要盡量提高網絡資源的利用率，在降低能耗和保證網絡QoS之間找到一個最佳的平衡點。無線信道的不穩定性、節點的移動性和網絡資源的有限性給QoS保證帶來了巨大的挑戰。

4. 能量高效利用和均衡

在無線傳感器網絡中，能效一直是最先要考慮的因素。節點的能量一般來自電池，而電池是不可替換的，因此無線傳感器網絡路由協議要綜合考慮路由算法的能量利用情況，采用得最多的方法就是選擇能耗較少的路徑、減少數據發送次數、減少冗余數據，一般路由協議需要根據網絡的狀況動態地調整路由協議及其參數，以此來延長網絡生命周期。常用的方法有數據融合、節點睡眠等，在前面已經有所描述。

為了使整個網絡的生存時間更長，除了延長單個節點的生存時間，能量均衡也是考慮的重要因素。假想一條鏈路建立之后，由于能量的不均衡，其中一個節點耗能極為嚴重而且又沒有算法來緩解這種情況，那么不久之后這條鏈路將會由于這個節點的失效而斷開，導致網絡通信中斷。無線傳感器網絡作為一個數據采集網絡，大量的信息由各個傳感器節點流向Sink節點，越靠近Sink節點，數據流量也就越大，節點消耗的能量也就越多，因此還有待開發更加有效的協議來實現能量高效利用和均衡。