引言
無線傳感器網絡是由部署在監(jiān)測區(qū)域內的大量的、具有通信與計算能力的無線傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成一個大規(guī)模的多跳自組織監(jiān)控傳輸系統(tǒng)。節(jié)點對自己覆蓋區(qū)域進行監(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，最后匯聚節(jié)點通過互聯(lián)網或其他方式與用戶交互。隨著微電子技術、傳感器技術、計算機技術和無線通信技術等的進一步發(fā)展，無線傳感器網絡在世界各主要發(fā)達國家受到廣泛關注叫目前無線傳感器網絡已被應用于環(huán)境監(jiān)測、農業(yè)、軍事領域、災難救援、智能家居等各個領域。
無線傳感器網絡一般規(guī)模較大，節(jié)點能量有限并且不易更換，能量消耗在無線傳感器網絡中顯得尤為重要，如何設計簡單、有效的路由協(xié)議是無線傳感器網絡需首要考慮的問題。另外，由于無線傳感器網絡其自身的特點，傳統(tǒng)無線Ad-hoc網絡的協(xié)議并不能直接用于無線傳感器網絡。因此，如何設計符合無線傳感器網絡的路由協(xié)議是研究的熱點之一。
1無線傳感器網絡路由協(xié)議的設計要求
針對無線傳感器網絡路由機制的上述特點，設計時需滿足如下設計要求:
能量高效。無線傳感器網絡節(jié)點能量有限，路由協(xié)議不僅要選擇能量消耗小的傳播路徑，還要考慮整個網絡的能量消耗，使整個網絡能量消耗均衡，防止出現(xiàn)網絡空洞。因此，無線傳感器網絡的路由協(xié)議要能夠簡單高效地實現(xiàn)信息傳輸。
可擴展性。在無線傳感器網絡中，由于節(jié)點分布密度不同，造成網絡規(guī)模大小不一。另外，由于能量耗盡導致節(jié)點死亡，作為補充的新節(jié)點的加入以及節(jié)點的移動等，都會使網絡拓撲結構發(fā)生變化，這就要求路由協(xié)議能夠適應網絡結構的不斷變化，具有可擴展性。
魯棒性。由于節(jié)點能量耗盡或環(huán)境因素導致傳感器節(jié)點失效，或者周圍環(huán)境對無線鏈路的通信質量產生影響以及無線傳感器網絡本身的缺點等，這些導致無線傳感器網絡的不可靠特性，這就要求路由機制具有一定的容錯能力。
快速收斂性。由于無線傳感器網絡的拓撲結構具有動態(tài)變化性，并且節(jié)點能量和通信帶寬等資源也十分有限，因此路由機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無線傳感器網絡路由協(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)點發(fā)送數(shù)據(jù)，并重復執(zhí)行此步驟，直到數(shù)據(jù)包到達目的地或者達到預先設定的最大跳數(shù)。信息協(xié)商式路由協(xié)議是一種對洪泛路由的改進，使用元數(shù)據(jù)進行協(xié)商通信。定向擴散路由協(xié)議是一種基于查詢的路由機制，數(shù)據(jù)傳輸分為興趣擴散、建立梯度和路徑加強三個階段。
平面路由協(xié)議最突出的優(yōu)點就是算法簡單，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)模網絡中使用。
2.2層次路由協(xié)議
在層次路由協(xié)議中，網絡通常被劃分為簇，每個簇由一個簇頭和多個簇成員組成，多個簇頭又可形成高一級的網絡,在高一級的網絡中，又可以形成分簇，再組成更高一級的網絡,直至最高級。層次路由適合大規(guī)模的無線傳感器網絡，可擴展性好。
LEACH協(xié)議
低功耗自適應分簇算法(LowEnergyAdaptiveClusteringHierarchy，LEACH)是最早提出的無線傳感器網絡分層路由協(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)傳輸兩個階段。
在簇建立階段：每一輪開始時設定一個閾值，每個節(jié)點產生一個［0，1］之間的隨機數(shù)，如果隨機數(shù)小于閾值T(n)，那么這個節(jié)點在本輪就被選為簇頭。T(n)的計算公式為：
集合G是指在最近的1/p輪中沒有當選過簇頭的節(jié)點集。如果節(jié)點在最近的1/p輪中已經當選過簇頭，則T(n)的值便設置為0，這樣在下一輪中不再當選簇頭節(jié)點，此種做法能夠保證網絡中每個節(jié)點都有當選為簇頭節(jié)點的機會。當選為簇頭的節(jié)點廣播其是簇頭的信息，其余節(jié)點會根據(jù)收到的信號強弱選擇它所要加入的簇。節(jié)點確定要加入哪個簇后，便發(fā)送數(shù)據(jù)包告知，其中包括自己的節(jié)點ID和所要加入的簇頭ID。當所有節(jié)點都加入到簇后，即完成簇的建立過程。
在穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸階段：簇內節(jié)點將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭節(jié)點，簇頭節(jié)點首先對收到的數(shù)據(jù)進行融合處理，然后再將數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點。但頻繁的簇頭選舉會增加能量開銷，為避免這種現(xiàn)象，穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸階段一般會持續(xù)相對較長的時間。
TEEN協(xié)議
TEEN協(xié)議(ThresholdsensitiveEnergyEfficientsensorNetworkProtocol)是對LEACH協(xié)議的改進，是一種事件觸發(fā)式信息報告的路由協(xié)議，它采用了與LEACH協(xié)議相同的分簇結構。
初始階段，簇頭向成員節(jié)點發(fā)送一個硬門限值(測量值)和一個軟門限值(測量值的變化值)。當監(jiān)測數(shù)據(jù)首次超過設定的硬門限值時，節(jié)點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。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)點將最新采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到簇頭節(jié)點，并將最新監(jiān)測數(shù)據(jù)設定為新的硬門限。
其他分層路由協(xié)議
PEGASISAS協(xié)議是在LEACH協(xié)議的基礎上建立的一種基于鏈的優(yōu)化協(xié)議，首先在網絡中選取一個節(jié)點作為首領節(jié)點構建一條最優(yōu)回路鏈。HEED協(xié)議對LEACH協(xié)議的簇頭選擇算法做了改進，解決了簇頭分布不均和簇頭能量負擔不均衡問題。EARSN協(xié)議是簇頭固定的路由協(xié)議，由匯聚節(jié)點來劃分簇，并廣播每個簇頭節(jié)點的ID和所分配的簇內節(jié)點的位置信息。還有一些基于LEACH的改進算法，如DCHS，該算法在選舉簇頭時考慮了能量因素；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)點負責路由信息的發(fā)送，并進行數(shù)據(jù)融合，減少冗余數(shù)據(jù)，能有效延長網絡周期，具有較好的兼容性和靈活性，適用于大規(guī)模無線傳感器網絡。但在分層路由協(xié)議中，簇頭節(jié)點由于能量消耗大，很容易成為網絡中的瓶頸。
3分簇算法的不足及基于LEACH協(xié)議的改進方案
3.1分簇算法的不足
經分析目前分簇算法仍存在以下問題：
第一，分簇大小不均。在實際應用中，傳感器節(jié)點一般分布不均勻，如果某個分簇內節(jié)點數(shù)目較大，則該簇頭接收數(shù)據(jù)就會耗費很大能量，縮短網絡生存周期。在這種情況下,如何分簇才能達到最優(yōu)是一個需要考慮的問題。
第二，能量消耗不均。在多跳路由機制中，匯聚節(jié)點附近的簇頭節(jié)點將會轉發(fā)較多的數(shù)據(jù)包，能量損耗大，容易導致能量空洞的形成，縮短整個網絡的生命周期。
第三，簇頭能量消耗過大。在分層路由協(xié)議中，簇頭節(jié)點既要接收、融合數(shù)據(jù)，又要進行數(shù)據(jù)轉發(fā)，能量消耗遠遠大于其他節(jié)點，容易導致簇頭節(jié)點能量耗盡而過早死亡。
3.2基于LEACH協(xié)議的改進
根據(jù)當前分層算法的不足，提出以下基于LEACH協(xié)議的改進算法：
(1)分簇策略的改進
在新算法中，先按LEACH算法計算出最優(yōu)簇頭比例p，則最優(yōu)簇頭個數(shù)為k=N*p(其中N為總節(jié)點數(shù),p=4.5%)。再把整個區(qū)域劃分成k個區(qū)域，并在每個區(qū)域選出一個節(jié)點作為初始凝聚點。然后使用K-means聚類算法形成k個分簇。K-means算法是一種迭代算法，通過不斷迭代得到一個分簇的最優(yōu)解。由于初始凝聚點對K-means算法的結果有很大影響，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
分簇形成后，開始選舉簇頭，選舉簇頭時考慮節(jié)點剩余能量和節(jié)點到簇中心的距離兩個因素。簇頭選舉按照如下公式計算。
其中,^current為節(jié)點當前能量，Eve為簇內節(jié)點平均能量,為簇內節(jié)點到簇中心的最大距離,Dave為簇內節(jié)點到簇中心的平均距離，d為節(jié)點到簇內中心的距離。在每簇內選出T值最大的節(jié)點作為簇頭，這樣做能保證盡量選舉剩余能量大、靠近簇中心的節(jié)點作為簇頭。關于a的取值問題，根據(jù)以往研究結果，先令a分別為0.7,0.8,0.9,通過反復實驗的方式確定,取使網絡生存周期最長的a值。
(3)路由形成策略的改進
分簇成功后，簇頭節(jié)點基于到匯聚節(jié)點的距離形成最佳路徑。為延長網絡生存周期，在數(shù)據(jù)轉發(fā)時考慮到簇頭節(jié)點的剩余能量，如果簇頭節(jié)點能量過少就不會再轉發(fā)數(shù)據(jù)包。每輪結束后，檢查各簇頭節(jié)點的剩余能量，如果簇頭節(jié)點能量小于閾值』(設原始能量為E,A=0.3E),則更新最優(yōu)路徑，小于閾值A的簇頭不再轉發(fā)其他節(jié)點的數(shù)據(jù)；如果簇頭節(jié)點能量小于某個閾值B(B=0.2E),該簇按照(2)中的描述重新選擇簇頭。當小于閾值B的簇頭數(shù)目達到所有簇頭數(shù)目的2/3時就重新分簇。
改進方案使分簇更加均勻，并且控制了離匯聚節(jié)點近的簇頭的能量消耗，以達到使整個網絡能量消耗均衡，延長網絡生存周期的目的。
4結語
目前，無線傳感器網絡已經有越來越廣泛的應用，人們對無線傳感器網絡的研究也逐漸深入。但仍然有許多方面有待改進，尤其是由于無線傳感器網絡所固有的特性，極易受到攻擊，因此，對無線傳感器網絡路由協(xié)議安全性的研究將是今后的研究重點。
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