無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分層路由協(xié)議的研究

引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量的、具有通信與計(jì)算能力的無線傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成一個(gè)大規(guī)模的多跳自組織監(jiān)控傳輸系統(tǒng)。節(jié)點(diǎn)對自己覆蓋區(qū)域進(jìn)行監(jiān)控和數(shù)據(jù)收集，通過多跳無線傳輸方式，將所收集的數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)，最后匯聚節(jié)點(diǎn)通過互聯(lián)網(wǎng)或其他方式與用戶交互。隨著微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和無線通信技術(shù)等的進(jìn)一步發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在世界各主要發(fā)達(dá)國家受到廣泛關(guān)注叫目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已被應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)業(yè)、軍事領(lǐng)域、災(zāi)難救援、智能家居等各個(gè)領(lǐng)域。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般規(guī)模較大，節(jié)點(diǎn)能量有限并且不易更換，能量消耗在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中顯得尤為重要，如何設(shè)計(jì)簡單、有效的路由協(xié)議是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需首要考慮的問題。另外，由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)其自身的特點(diǎn)，傳統(tǒng)無線Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議并不能直接用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。因此，如何設(shè)計(jì)符合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議是研究的熱點(diǎn)之一。

1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的設(shè)計(jì)要求

針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由機(jī)制的上述特點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)需滿足如下設(shè)計(jì)要求:

能量高效。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量有限，路由協(xié)議不僅要選擇能量消耗小的傳播路徑，還要考慮整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能量消耗均衡，防止出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)空洞。因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議要能夠簡單高效地實(shí)現(xiàn)信息傳輸。

可擴(kuò)展性。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于節(jié)點(diǎn)分布密度不同，造成網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大小不一。另外，由于能量耗盡導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)死亡，作為補(bǔ)充的新節(jié)點(diǎn)的加入以及節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)等，都會(huì)使網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化，這就要求路由協(xié)議能夠適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不斷變化，具有可擴(kuò)展性。

魯棒性。由于節(jié)點(diǎn)能量耗盡或環(huán)境因素導(dǎo)致傳感器節(jié)點(diǎn)失效，或者周圍環(huán)境對無線鏈路的通信質(zhì)量產(chǎn)生影響以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)本身的缺點(diǎn)等，這些導(dǎo)致無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的不可靠特性，這就要求路由機(jī)制具有一定的容錯(cuò)能力。

快速收斂性。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有動(dòng)態(tài)變化性，并且節(jié)點(diǎn)能量和通信帶寬等資源也十分有限，因此路由機(jī)制必須能夠快速收斂，以減少通信協(xié)議開銷，提高消息傳輸?shù)男省?

2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議分析

2.1平面路由協(xié)議

在平面路由中，所有節(jié)點(diǎn)的地位都是一樣的，具有相同的功能。具有代表性的平面路由協(xié)議有：洪泛式路由協(xié)議(Flooding)、信息協(xié)商式路由協(xié)議(SensorProtocolsforInformationviaNegotiation，SPIN)、定向擴(kuò)散路由協(xié)議(DirectedDiffusion，DD)等。洪泛式路由協(xié)議以廣播的方式向所有相鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，并重復(fù)執(zhí)行此步驟，直到數(shù)據(jù)包到達(dá)目的地或者達(dá)到預(yù)先設(shè)定的最大跳數(shù)。信息協(xié)商式路由協(xié)議是一種對洪泛路由的改進(jìn)，使用元數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)商通信。定向擴(kuò)散路由協(xié)議是一種基于查詢的路由機(jī)制，數(shù)據(jù)傳輸分為興趣擴(kuò)散、建立梯度和路徑加強(qiáng)三個(gè)階段。

平面路由協(xié)議最突出的優(yōu)點(diǎn)就是算法簡單，但是缺少能有效均衡能量的策略，能量消耗較快，可兼容性和靈活性比較差，不適合在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中使用。

2.2層次路由協(xié)議

在層次路由協(xié)議中，網(wǎng)絡(luò)通常被劃分為簇，每個(gè)簇由一個(gè)簇頭和多個(gè)簇成員組成，多個(gè)簇頭又可形成高一級(jí)的網(wǎng)絡(luò),在高一級(jí)的網(wǎng)絡(luò)中，又可以形成分簇，再組成更高一級(jí)的網(wǎng)絡(luò),直至最高級(jí)。層次路由適合大規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可擴(kuò)展性好。

LEACH協(xié)議

低功耗自適應(yīng)分簇算法(LowEnergyAdaptiveClusteringHierarchy，LEACH)是最早提出的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分層路由協(xié)議。LEACH算法定義了“輪”的概念來周期性執(zhí)行，每輪中包括簇的建立和穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸兩個(gè)階段。

在簇建立階段：每一輪開始時(shí)設(shè)定一個(gè)閾值，每個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)［0，1］之間的隨機(jī)數(shù)，如果隨機(jī)數(shù)小于閾值T(n)，那么這個(gè)節(jié)點(diǎn)在本輪就被選為簇頭。T(n)的計(jì)算公式為：

集合G是指在最近的1/p輪中沒有當(dāng)選過簇頭的節(jié)點(diǎn)集。如果節(jié)點(diǎn)在最近的1/p輪中已經(jīng)當(dāng)選過簇頭，則T(n)的值便設(shè)置為0，這樣在下一輪中不再當(dāng)選簇頭節(jié)點(diǎn)，此種做法能夠保證網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有當(dāng)選為簇頭節(jié)點(diǎn)的機(jī)會(huì)。當(dāng)選為簇頭的節(jié)點(diǎn)廣播其是簇頭的信息，其余節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)收到的信號(hào)強(qiáng)弱選擇它所要加入的簇。節(jié)點(diǎn)確定要加入哪個(gè)簇后，便發(fā)送數(shù)據(jù)包告知，其中包括自己的節(jié)點(diǎn)ID和所要加入的簇頭ID。當(dāng)所有節(jié)點(diǎn)都加入到簇后，即完成簇的建立過程。

在穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸階段：簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭節(jié)點(diǎn)，簇頭節(jié)點(diǎn)首先對收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，然后再將數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)。但頻繁的簇頭選舉會(huì)增加能量開銷，為避免這種現(xiàn)象，穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸階段一般會(huì)持續(xù)相對較長的時(shí)間。

TEEN協(xié)議

TEEN協(xié)議(ThresholdsensitiveEnergyEfficientsensorNetworkProtocol)是對LEACH協(xié)議的改進(jìn)，是一種事件觸發(fā)式信息報(bào)告的路由協(xié)議，它采用了與LEACH協(xié)議相同的分簇結(jié)構(gòu)。

初始階段，簇頭向成員節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)硬門限值(測量值)和一個(gè)軟門限值(測量值的變化值)。當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)首次超過設(shè)定的硬門限值時(shí)，節(jié)點(diǎn)便將它作為新的硬門限，并把數(shù)據(jù)發(fā)送到簇頭節(jié)點(diǎn)。接下來，如果監(jiān)測數(shù)據(jù)與硬門限的差值大于軟門限界定的范圍，則節(jié)點(diǎn)將最新采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到簇頭節(jié)點(diǎn)，并將最新監(jiān)測數(shù)據(jù)設(shè)定為新的硬門限。

其他分層路由協(xié)議

PEGASISAS協(xié)議是在LEACH協(xié)議的基礎(chǔ)上建立的一種基于鏈的優(yōu)化協(xié)議，首先在網(wǎng)絡(luò)中選取一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為首領(lǐng)節(jié)點(diǎn)構(gòu)建一條最優(yōu)回路鏈。HEED協(xié)議對LEACH協(xié)議的簇頭選擇算法做了改進(jìn)，解決了簇頭分布不均和簇頭能量負(fù)擔(dān)不均衡問題。EARSN協(xié)議是簇頭固定的路由協(xié)議，由匯聚節(jié)點(diǎn)來劃分簇，并廣播每個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)的ID和所分配的簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的位置信息。還有一些基于LEACH的改進(jìn)算法，如DCHS，該算法在選舉簇頭時(shí)考慮了能量因素；LEACH-C和LEACH-F算法采用由基站選舉簇頭的方式。

在層次路由中，簇頭節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)路由信息的發(fā)送，并進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，減少冗余數(shù)據(jù)，能有效延長網(wǎng)絡(luò)周期，具有較好的兼容性和靈活性，適用于大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。但在分層路由協(xié)議中，簇頭節(jié)點(diǎn)由于能量消耗大，很容易成為網(wǎng)絡(luò)中的瓶頸。

3分簇算法的不足及基于LEACH協(xié)議的改進(jìn)方案

3.1分簇算法的不足

經(jīng)分析目前分簇算法仍存在以下問題：

第一，分簇大小不均。在實(shí)際應(yīng)用中，傳感器節(jié)點(diǎn)一般分布不均勻，如果某個(gè)分簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)目較大，則該簇頭接收數(shù)據(jù)就會(huì)耗費(fèi)很大能量，縮短網(wǎng)絡(luò)生存周期。在這種情況下,如何分簇才能達(dá)到最優(yōu)是一個(gè)需要考慮的問題。

第二，能量消耗不均。在多跳路由機(jī)制中，匯聚節(jié)點(diǎn)附近的簇頭節(jié)點(diǎn)將會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)較多的數(shù)據(jù)包，能量損耗大，容易導(dǎo)致能量空洞的形成，縮短整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

第三，簇頭能量消耗過大。在分層路由協(xié)議中，簇頭節(jié)點(diǎn)既要接收、融合數(shù)據(jù)，又要進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，能量消耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他節(jié)點(diǎn)，容易導(dǎo)致簇頭節(jié)點(diǎn)能量耗盡而過早死亡。

3.2基于LEACH協(xié)議的改進(jìn)

根據(jù)當(dāng)前分層算法的不足，提出以下基于LEACH協(xié)議的改進(jìn)算法：

(1)分簇策略的改進(jìn)

在新算法中，先按LEACH算法計(jì)算出最優(yōu)簇頭比例p，則最優(yōu)簇頭個(gè)數(shù)為k=N*p(其中N為總節(jié)點(diǎn)數(shù),p=4.5%)。再把整個(gè)區(qū)域劃分成k個(gè)區(qū)域，并在每個(gè)區(qū)域選出一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為初始凝聚點(diǎn)。然后使用K-means聚類算法形成k個(gè)分簇。K-means算法是一種迭代算法，通過不斷迭代得到一個(gè)分簇的最優(yōu)解。由于初始凝聚點(diǎn)對K-means算法的結(jié)果有很大影響，所以為保證分簇均勻，在聚類前先劃分區(qū)域。

(2)簇頭選舉策略的改進(jìn)

分簇形成后，開始選舉簇頭，選舉簇頭時(shí)考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量和節(jié)點(diǎn)到簇中心的距離兩個(gè)因素。簇頭選舉按照如下公式計(jì)算。

其中,^current為節(jié)點(diǎn)當(dāng)前能量，Eve為簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)平均能量,為簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)到簇中心的最大距離,Dave為簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)到簇中心的平均距離，d為節(jié)點(diǎn)到簇內(nèi)中心的距離。在每簇內(nèi)選出T值最大的節(jié)點(diǎn)作為簇頭，這樣做能保證盡量選舉剩余能量大、靠近簇中心的節(jié)點(diǎn)作為簇頭。關(guān)于a的取值問題，根據(jù)以往研究結(jié)果，先令a分別為0.7,0.8,0.9,通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)的方式確定,取使網(wǎng)絡(luò)生存周期最長的a值。

(3)路由形成策略的改進(jìn)

分簇成功后，簇頭節(jié)點(diǎn)基于到匯聚節(jié)點(diǎn)的距離形成最佳路徑。為延長網(wǎng)絡(luò)生存周期，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)考慮到簇頭節(jié)點(diǎn)的剩余能量，如果簇頭節(jié)點(diǎn)能量過少就不會(huì)再轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。每輪結(jié)束后，檢查各簇頭節(jié)點(diǎn)的剩余能量，如果簇頭節(jié)點(diǎn)能量小于閾值』(設(shè)原始能量為E,A=0.3E),則更新最優(yōu)路徑，小于閾值A(chǔ)的簇頭不再轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)；如果簇頭節(jié)點(diǎn)能量小于某個(gè)閾值B(B=0.2E),該簇按照(2)中的描述重新選擇簇頭。當(dāng)小于閾值B的簇頭數(shù)目達(dá)到所有簇頭數(shù)目的2/3時(shí)就重新分簇。

改進(jìn)方案使分簇更加均勻，并且控制了離匯聚節(jié)點(diǎn)近的簇頭的能量消耗，以達(dá)到使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能量消耗均衡，延長網(wǎng)絡(luò)生存周期的目的。

4結(jié)語

目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)有越來越廣泛的應(yīng)用，人們對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究也逐漸深入。但仍然有許多方面有待改進(jìn)，尤其是由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所固有的特性，極易受到攻擊，因此，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議安全性的研究將是今后的研究重點(diǎn)。

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