1．無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議特點(diǎn)與設(shè)計(jì)原則
與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議具有以下特點(diǎn)：
（1）能量?jī)?yōu)先
由于節(jié)點(diǎn)的能量有限，因此需要考慮節(jié)點(diǎn)的能量消耗以及網(wǎng)絡(luò)能量均衡使用的問題。
（2）基于局部拓?fù)湫畔?br>節(jié)點(diǎn)只能獲取局部拓?fù)湫畔⑶屹Y源有限，需要實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單高效的路由機(jī)制。
（3）以數(shù)據(jù)為中心
傳感器網(wǎng)絡(luò)通常包含多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)到少數(shù)匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)流，按照對(duì)感知數(shù)據(jù)的需求、數(shù)據(jù)通信模式和流向等，以數(shù)據(jù)為中心形成信息的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。
（4）應(yīng)用相關(guān)
傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用環(huán)境千差萬別，需要針對(duì)每一個(gè)具體應(yīng)用的需求，設(shè)計(jì)與之適應(yīng)的特定路由機(jī)制。
根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由的特點(diǎn)，現(xiàn)階段wsn路由協(xié)議設(shè)計(jì)要遵從如下原則：
（1）能量利用率優(yōu)先考慮
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議以節(jié)能為目標(biāo)，采用各種方式減少通信消耗，延長(zhǎng)wsn的生存時(shí)間。
（2）數(shù)據(jù)為中心
以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議要求采用基于屬性的命名機(jī)制，某個(gè)節(jié)點(diǎn)的故障并不會(huì)影響整個(gè)協(xié)議的運(yùn)行，提高了網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)健性。
（3）不影響傳感器節(jié)點(diǎn)探測(cè)精度條件下的數(shù)據(jù)聚合
通過數(shù)據(jù)聚合，將多個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)綜合成有意義的信息，提高了感知信息的準(zhǔn)確性，同時(shí)增強(qiáng)了系統(tǒng)的強(qiáng)健性。
（4）實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)定位和目標(biāo)追蹤
通過節(jié)點(diǎn)定位，達(dá)到路由決策的目的，同時(shí)降低整個(gè)系統(tǒng)的能量消耗，提高系統(tǒng)的生存時(shí)間。
2．無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的分類
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的分類基本上延續(xù)了傳統(tǒng)ad hoc網(wǎng)的分類方法，根據(jù)不同的角度可以進(jìn)行不同的分類。
如根據(jù)路由發(fā)現(xiàn)策略、網(wǎng)絡(luò)管理的邏輯結(jié)構(gòu)、路由的發(fā)現(xiàn)過程等進(jìn)行劃分。
根據(jù)路由發(fā)現(xiàn)策略的角度可分為主動(dòng)路由和被動(dòng)路由兩種類型：
（1）主動(dòng)路由
也叫表驅(qū)動(dòng)（table driven）路由，節(jié)點(diǎn)通過周期性地廣播路由信息分組，交換路由信息，主動(dòng)發(fā)現(xiàn)路由。節(jié)點(diǎn)必須維護(hù)去往全網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)的路由。
優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)分組時(shí)，只要去往目的節(jié)點(diǎn)的路由存在，所需的延時(shí)就會(huì)很小;
缺點(diǎn)是需要花費(fèi)較大開銷，盡可能使得路由更新能夠緊隨當(dāng)前拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，浪費(fèi)了一些資源來建立和重建那些根本沒有被使用的路由。
（2）被動(dòng)路由
也叫按需（on demand）路由，被動(dòng)路由協(xié)議沒有必要維護(hù)去往其他所有節(jié)點(diǎn)的路由。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)分組的傳輸請(qǐng)求，被動(dòng)地搜索從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的路由。當(dāng)沒有分組傳遞請(qǐng)求時(shí)，路由器處于靜默狀態(tài)，并不需要交換路由信息。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)路由表內(nèi)容按需建立，它可能僅僅是整個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息的一部分。
優(yōu)點(diǎn)是不需要周期性的路由信息廣播，節(jié)省了一定的網(wǎng)絡(luò)資源；
缺點(diǎn)是發(fā)送數(shù)據(jù)分組時(shí)，如果沒有去往目的節(jié)點(diǎn)的路由，數(shù)據(jù)分組需要等待因路由發(fā)現(xiàn)引起的延時(shí)。
根據(jù)網(wǎng)絡(luò)管理的邏輯結(jié)構(gòu)可將路由協(xié)議分為平面路由和分層結(jié)構(gòu)路由兩類：
（1）平面路由
網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)在路由功能上地位相同，沒有引入分層管理機(jī)制。
優(yōu)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)中沒有特殊節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)流量均勻地分散在網(wǎng)絡(luò)中，路由算法易于實(shí)現(xiàn);
缺點(diǎn)是可擴(kuò)展性小，在一定程度上限制了網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模。
（2）分層路由
采用簇的概念對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行層次劃分，若干個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)簇，每一個(gè)簇有一個(gè)簇首，簇與簇之間可以通過網(wǎng)關(guān)通信。
網(wǎng)關(guān)可以是簇首也可以是其他簇成員，網(wǎng)關(guān)之間的連接構(gòu)成上層骨干網(wǎng)，所有簇間通信都通過骨干網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)。分層路由協(xié)議包括成簇協(xié)議、簇維護(hù)協(xié)議、簇內(nèi)路由協(xié)議和簇間路由協(xié)議四個(gè)部分。
成簇協(xié)議解決如何在動(dòng)態(tài)分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下使移動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)高效地聚集成簇，它是分層路由協(xié)議的關(guān)鍵。
簇維護(hù)協(xié)議要解決在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)過程中的簇結(jié)構(gòu)維護(hù)，其中包括移動(dòng)節(jié)點(diǎn)退出和加入簇，簇的產(chǎn)生和消亡等功能。
分層路由協(xié)議比較適合于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，但成簇過程會(huì)產(chǎn)生一定的能源消耗，如何產(chǎn)生有效的簇類是這種路由方法的關(guān)鍵。
根據(jù)路由的發(fā)現(xiàn)過程可以分為以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議和以位置信息為中心的路由協(xié)議兩類：
（1）以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議
對(duì)數(shù)據(jù)用特定的描述方式命名，數(shù)據(jù)傳送基于數(shù)據(jù)查詢并依賴數(shù)據(jù)命名，所有的數(shù)據(jù)通信都限制在局部范圍內(nèi)。通信不再依賴特定的節(jié)點(diǎn)，而是依賴于網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)，從而減少了網(wǎng)絡(luò)中大量傳送的重復(fù)冗余數(shù)據(jù)，降低了不必要的開銷，從而延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生命周期。
（2）以位置信息為中心的路由協(xié)議
利用節(jié)點(diǎn)的位置信息，把查詢或者數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給需要的地區(qū)，從而縮減數(shù)據(jù)的傳送范圍。許多傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議都假設(shè)節(jié)點(diǎn)的位置信息為已知，所以可以方便的利用節(jié)點(diǎn)的位置信息將節(jié)點(diǎn)分為不同的域?；谟蜻M(jìn)行數(shù)據(jù)傳送能縮減傳送范圍，從而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。
3．典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議
（1）擴(kuò)散法和閑聊法
擴(kuò)散法（flooding）不要求維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和相關(guān)的路由計(jì)算，僅要求接收到消息的節(jié)點(diǎn)以廣播形式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。
優(yōu)點(diǎn):實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單；不需要為保持網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒑蛯?shí)現(xiàn)復(fù)雜的路由發(fā)現(xiàn)算法而消耗計(jì)算資源;適用于強(qiáng)健性要求高的場(chǎng)合。
缺點(diǎn)：存在信息爆炸問題，即出現(xiàn)一個(gè)節(jié)點(diǎn)可能得到一個(gè)數(shù)據(jù)多個(gè)副本的現(xiàn)象;出現(xiàn)部分重疊現(xiàn)象，如果處于同一觀測(cè)環(huán)境的兩個(gè)相鄰?fù)悅鞲衅鞴?jié)點(diǎn)同時(shí)對(duì)一個(gè)事件做出反應(yīng)，二者采集的數(shù)據(jù)性質(zhì)相同，數(shù)值相近，最后導(dǎo)致這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)將收到兩份數(shù)據(jù)副本；盲目使用資源，flooding不考慮各節(jié)點(diǎn)能量可用狀況因而無法做出相應(yīng)的自適應(yīng)路由選擇，給數(shù)據(jù)設(shè)定生命期限可以在一定程度上節(jié)省網(wǎng)絡(luò)的功耗。
為克服flooding算法的缺陷，提出閑聊式策略（gossiping）,不再采用廣播形式，而是隨機(jī)選取一個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)它接收到的數(shù)據(jù)副本。
但仍無法解決部分重疊現(xiàn)象和盲目使用資源現(xiàn)象所引起的傳輸時(shí)延長(zhǎng)、傳輸速度慢等問題。
（2）spin
spin（基于信息協(xié)商的傳感器協(xié)議）是一組基于協(xié)商并且有能量自適應(yīng)功能的路由協(xié)議。在數(shù)據(jù)發(fā)送之前使用握手機(jī)制查看數(shù)據(jù)是否已經(jīng)接收過，避免重復(fù)發(fā)送。
該協(xié)議的設(shè)計(jì)基于兩個(gè)想法。一是為了避免由于節(jié)點(diǎn)間重復(fù)地收發(fā)大量的冗余信息所造成的能源浪費(fèi)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)前需要通過協(xié)商來確定其他節(jié)點(diǎn)是否需要該數(shù)據(jù)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以通過元數(shù)據(jù)(meta-data，描述傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)屬性的數(shù)據(jù))來確定接收數(shù)據(jù)中是否有重復(fù)信息存在。二是網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)必須實(shí)時(shí)監(jiān)控本地的能源消耗，并根據(jù)能量等級(jí)改變工作模式來延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)自身和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行時(shí)間。
spin在運(yùn)行過程中每個(gè)節(jié)點(diǎn)使用三種類型的信息進(jìn)行通信：
adv用于新數(shù)據(jù)廣播，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)可共享時(shí)，它以廣播方式向外發(fā)送data數(shù)據(jù)包中的元數(shù)據(jù)；
req用于請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)希望接收data數(shù)據(jù)包時(shí)，發(fā)送req數(shù)據(jù)包；
data包含附上元數(shù)據(jù)頭的實(shí)際數(shù)據(jù)包。
spin協(xié)議交互過程
spin的協(xié)商過程采用三次握手方式——
運(yùn)行spin協(xié)議的源節(jié)點(diǎn)在傳送data信息前，首先向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播包含data數(shù)據(jù)描述機(jī)制的adv信息；
需要該data信息的鄰居節(jié)點(diǎn)，向信息源發(fā)送req請(qǐng)求信息；
源節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到的req信息后，有選擇地將data信息發(fā)送給相應(yīng)的鄰居節(jié)點(diǎn)；
收到data后，該鄰居節(jié)點(diǎn)作為信息源將data信息傳播到網(wǎng)絡(luò)的其他節(jié)點(diǎn),重復(fù)這個(gè)過程。
spin協(xié)議簇所包含4種不同的協(xié)議：
① spin-pp：采用點(diǎn)到點(diǎn)的通信模式，并假定兩節(jié)點(diǎn)間的通信不受其他節(jié)點(diǎn)的干擾，數(shù)據(jù)包不會(huì)丟失，功率沒有任何限制。要發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)通過adv向它的相鄰節(jié)點(diǎn)廣播信息，感興趣的節(jié)點(diǎn)通過req發(fā)送請(qǐng)求。數(shù)據(jù)源向請(qǐng)求者發(fā)送數(shù)據(jù)，接收到數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)再向它的鄰居節(jié)點(diǎn)廣播 adv消息。如此重復(fù)該過程，使所有節(jié)點(diǎn)都有機(jī)會(huì)接收到任何數(shù)據(jù)。
② spin-ec：在spin-pp的基礎(chǔ)上考慮節(jié)點(diǎn)的功耗，只有能夠順利完成所有任務(wù)且能量不低于設(shè)定閾值的節(jié)點(diǎn)才可參與數(shù)據(jù)交換。
③ spin-bc：設(shè)計(jì)了廣播信道，使所有在有效通信半徑內(nèi)的節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)完成數(shù)據(jù)交換。為了防止產(chǎn)生重復(fù)的req請(qǐng)求，節(jié)點(diǎn)在聽到adv消息以后，設(shè)定一個(gè)隨機(jī)定時(shí)器來控制req請(qǐng)求的發(fā)送，若有其他節(jié)點(diǎn)聽到該請(qǐng)求，則主動(dòng)放棄請(qǐng)求權(quán)力。
④ spin-rl：對(duì)spin-bc的完善，主要考慮如何恢復(fù)無線鏈路引入的數(shù)據(jù)包差錯(cuò)與丟失，記錄 adv消息的相關(guān)狀態(tài)，如果在預(yù)定時(shí)間間隔內(nèi)接收不到請(qǐng)求數(shù)據(jù)，則發(fā)送重傳請(qǐng)求，重傳請(qǐng)求的次數(shù)有一定限制。
spin協(xié)議能夠很好地解決flooding和gossiping協(xié)議所帶來的信息內(nèi)爆、信息重復(fù)和資源浪費(fèi)等問題。
（3）定向擴(kuò)散協(xié)議dd
定向擴(kuò)散dd（directed diffusion）協(xié)議是以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議發(fā)展過程的里程碑。其他的以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議都是基于定向擴(kuò)散協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)或者采用類似的關(guān)鍵思想來提出的。
dd算法的最大特點(diǎn)就是引入了網(wǎng)絡(luò)梯度的概念，基于數(shù)據(jù)進(jìn)行通信，是一種高能源有效性的協(xié)議，適用于持續(xù)性查詢的應(yīng)用而不適用于一次性查詢的應(yīng)用。dd算法中要求節(jié)點(diǎn)只與鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，不必了解網(wǎng)絡(luò)整體拓?fù)洹?br>定向擴(kuò)散協(xié)議的缺點(diǎn)是沒有形成到sink節(jié)點(diǎn)的多條路由，路由強(qiáng)健性不夠好。
dd算法采用查詢驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)傳送模式。當(dāng) sink節(jié)點(diǎn)對(duì)某事件發(fā)出查詢命令時(shí)就開始一個(gè)新的定向擴(kuò)散過程，它由查詢擴(kuò)散，初始梯度建立和數(shù)據(jù)傳送三個(gè)階段構(gòu)成。
匯聚節(jié)點(diǎn)(sink)向所有傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送興趣(interest，即通過分配不同屬性值來表示不同任務(wù)的描述符)，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)在收到興趣后保存在各自的cache中。每個(gè)興趣項(xiàng)(interest entry)包含一個(gè)時(shí)間標(biāo)簽域和若干個(gè)梯度域(按成本最小化和能量自適應(yīng)原則引導(dǎo)數(shù)據(jù)擴(kuò)散的方向)。當(dāng)一個(gè)興趣傳遍整個(gè)網(wǎng)絡(luò)后，從源節(jié)點(diǎn)(即興趣所在區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn))到匯聚節(jié)點(diǎn)或基站之間的梯度就建立起來了。一旦源節(jié)點(diǎn)采集到興趣所需的數(shù)據(jù)，那么源節(jié)點(diǎn)沿著該興趣的梯度路徑傳輸數(shù)據(jù)到匯聚節(jié)點(diǎn)或基站。
（4）低功耗自適應(yīng)分簇路由協(xié)議leach
leach是第一個(gè)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中提出的層次式路由協(xié)議，其他基于層次的路由協(xié)議大都由leach發(fā)展而來。
該協(xié)議的思路是根據(jù)節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行集群分組。
leach協(xié)議主要通過隨機(jī)選擇簇頭節(jié)點(diǎn)，平均分擔(dān)中繼通信業(yè)務(wù)來實(shí)現(xiàn)。
leach定義了輪(round)的概念，每一輪由初始化和穩(wěn)定工作兩個(gè)階段組成。在初始化階段，leach協(xié)議隨機(jī)選擇一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)作為簇頭節(jié)點(diǎn)，成為簇頭的節(jié)點(diǎn)向周圍廣播成為簇頭的信息，其他傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到廣播信息的強(qiáng)度來選擇它所要加入的簇，并向其發(fā)送成為其成員的數(shù)據(jù)包告知相應(yīng)的簇頭節(jié)點(diǎn)。隨機(jī)性確保簇頭sink節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)母吣芎某杀揪鶆虻胤謹(jǐn)偟剿袀鞲衅鞴?jié)點(diǎn)。當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)收到來自成員節(jié)點(diǎn)的°報(bào)到±消息后，基于成員節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，簇頭節(jié)點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)tdma時(shí)隙表，為每個(gè)成員分配時(shí)隙，并用廣播的形式發(fā)送給成員節(jié)點(diǎn)，從而保證了數(shù)據(jù)消息間沒有沖突，當(dāng)各節(jié)點(diǎn)知道了自己的時(shí)隙就進(jìn)入穩(wěn)定工作階段。
簇頭節(jié)點(diǎn)的建立過程：傳感器節(jié)點(diǎn)從0到1的隨機(jī)數(shù)中任意選擇一個(gè)數(shù)值，若當(dāng)前輪中這個(gè)數(shù)值小于設(shè)定的閾值t(n) ，則該節(jié)點(diǎn)成為簇頭節(jié)點(diǎn)。
式中，p為期望的簇頭節(jié)點(diǎn)在所有傳感節(jié)點(diǎn)中的百分比，r是當(dāng)前輪數(shù)，g是在最后的一輪中未成為簇頭節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)集。采用leach方法使因能量耗盡而失效的節(jié)點(diǎn)呈隨機(jī)分布狀態(tài)，因而與一般的多跳路由協(xié)議和靜態(tài)分簇算法相比，leach可以將網(wǎng)絡(luò)生命周期延長(zhǎng)15%。
非常適合于要求連續(xù)監(jiān)控的應(yīng)用系統(tǒng)，但在需要監(jiān)測(cè)面積范圍大的應(yīng)用中則不適用。
（5）sar協(xié)議
sar協(xié)議是第一個(gè)具有qos意識(shí)的路由協(xié)議。它的特點(diǎn)是路由決策不僅要考慮到每條路徑的能源，還要涉及端到端的延遲要求和待發(fā)送數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級(jí)。
為了在每個(gè)源節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)間生成多條路徑，需要維護(hù)多個(gè)樹結(jié)構(gòu)，每個(gè)樹以落在匯聚節(jié)點(diǎn)有效傳輸半徑內(nèi)的節(jié)點(diǎn)為根向外生長(zhǎng)，枝干的選擇需滿足一定qos要求并要有一定的能量?jī)?chǔ)備。這一處理使大多數(shù)傳感器節(jié)點(diǎn)可能同時(shí)屬于多個(gè)樹，節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)每條路徑的能源、附加的qos度量和包的優(yōu)先級(jí)選擇某棵樹將信息返回給匯聚節(jié)點(diǎn)。
與只考慮路徑能量消耗的最小能量度量協(xié)議相比，sar能量消耗更少。
該算法的缺點(diǎn)是不適用于大型和拓?fù)漕l繁變化的網(wǎng)絡(luò)。