基于節(jié)能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究

摘 要：路由協(xié)議是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，節(jié)能是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計所要解決的首要問題。重點深入分析了低功耗路由協(xié)議LEACH和PEGASIS，總結(jié)了它們各自的優(yōu)缺點，同時簡單介紹了其他幾種典型的路由協(xié)議，并對所述路由協(xié)議進行了綜合對比，最后，總結(jié)了路由協(xié)議能量優(yōu)化的方法。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；路由協(xié)議；LEACH協(xié)議；PEGASIS協(xié)議

0 引 言
傳感器技術(shù)、微機電系統(tǒng)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)和無線通信等技術(shù)的進步，推動了具有現(xiàn)代意義的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生和發(fā)展。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)擴展了人們的信息獲取能力，將客觀世界的物理信息同傳輸網(wǎng)絡(luò)連接在一起，在下一代互聯(lián)網(wǎng)中將為人們提供最直接、最有效、最真實的信息。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有十分廣闊的應(yīng)用前景，能應(yīng)用于軍事國防、工農(nóng)業(yè)控制、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、搶險救災(zāi)、防恐反恐、危險區(qū)域遠程控制等諸多領(lǐng)域。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的基本原則就是要以節(jié)能為前提。傳統(tǒng)無線通信網(wǎng)絡(luò)的首要設(shè)計目標是提高服務(wù)質(zhì)量和高效帶寬利用，其次再考慮節(jié)約能源；而傳感器的首要設(shè)計目標是能源的商效利用，這是傳感器網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的最重要的區(qū)別之一，能量問題是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心問題。傳感器節(jié)點由電池供電，而目前的技術(shù)水平下電池容量難以有大幅度提高，而且在許多應(yīng)用中，更換電池是不現(xiàn)實的(如軍事應(yīng)用)，因此這就要求WSN路由協(xié)議必須以節(jié)約能源為主要目標，最大限度地延長網(wǎng)絡(luò)生存時間。

1 低功耗路由協(xié)議
1．1 LEACH協(xié)議
LEACH(Low―Energy Adaptive C1ustering Hier―archy)是MIT的Chandrakasan等人為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的低功耗自適應(yīng)分層路由算法。它的基本思想是以循環(huán)的方式隨機選擇簇頭節(jié)點，將整個網(wǎng)絡(luò)的能量負載平均分配到每個傳感器節(jié)點中，從而達到降低網(wǎng)絡(luò)能源消耗，提高網(wǎng)絡(luò)整體生存時間的目的。LEACH在運行過程中不斷地循環(huán)執(zhí)行簇的重構(gòu)過程。每個簇重構(gòu)過程可以用“輪”的概念來描述。每個輪可以分成兩個階段：初始化和穩(wěn)定工作兩個階段。為了避免額外的處理開銷，穩(wěn)定階段一般持續(xù)較長時間。
初始化階段即簇的形成階段。在每一輪的初始化階段，每個傳感器節(jié)點都要決定自己是否充當(dāng)簇頭節(jié)點。這個決定主要取決于網(wǎng)絡(luò)中所需要的簇頭節(jié)點數(shù)(在初始化的時候設(shè)置)和迄今為止該節(jié)點已成為簇頭節(jié)點的次數(shù)。簇頭節(jié)點必須從那些沒有當(dāng)過簇頭節(jié)點的節(jié)點中選擇，直到網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點都當(dāng)過簇頭節(jié)點，然后再進行重新選舉，所有節(jié)點獲得再次成為簇頭的機會。簇頭節(jié)點的選擇辦法是：每個傳感器節(jié)點隨機選擇O～1之間的一個值，如果選定的值小于某一個閾值T(n)，那么這個節(jié)點成為簇頭節(jié)點。T(n)值的計算方法如下：

其中，p是網(wǎng)絡(luò)中簇頭節(jié)點所占節(jié)點數(shù)目的百分比，r為當(dāng)前的輪數(shù)，G是一個集合，集合中的節(jié)點是前1／p輪中沒有充當(dāng)過簇頭節(jié)點的節(jié)點。使用這個門限，每個節(jié)點會在1／p輪操作內(nèi)充當(dāng)一次簇頭節(jié)點，符號mod是求模運算符號。
在第O輪的時候(r=0)，每個節(jié)點充當(dāng)簇頭節(jié)點的概率為p，在第O輪充當(dāng)簇頭節(jié)點的節(jié)點在后面1／p輪中不能再次充當(dāng)簇頭節(jié)點。這樣，剩下的節(jié)點的數(shù)目變少了，所以能夠充當(dāng)簇頭節(jié)點的概率必須增加才能保證每一輪中的簇的個數(shù)保持均衡。在經(jīng)過1／p一1輪以后，T=1，此時對于任何一個在過去的1／p中還沒有做過簇頭節(jié)點的節(jié)點，都可以成為簇頭節(jié)點，因為所有節(jié)點的標志值都在0～1之問。經(jīng)過1／p輪之后，所有節(jié)點又可以重新充當(dāng)簇頭節(jié)點了。
一旦簇頭節(jié)點被選定，它們就使用相同的能量向網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點廣播一個廣告包。在這個過程中，其他非簇頭節(jié)點的接收機一直處于工作狀態(tài)，以便接收來自不同簇頭的廣告包，它們根據(jù)最小通信能量原則，選取信號最強的廣告包的發(fā)送源節(jié)點作為自己的簇頭節(jié)點，并發(fā)送消息給其簇頭節(jié)點，告訴簇頭節(jié)點自己已經(jīng)加入該簇。
當(dāng)簇頭節(jié)點收到了來自成員節(jié)點的“報道”消息后，根據(jù)成員節(jié)點的數(shù)目，產(chǎn)生一個TDMA的時隙表，告訴成員在什么時刻可以發(fā)送數(shù)據(jù)。這個表會通過廣播到達成員節(jié)點，由于形成了簇的結(jié)構(gòu)，成員節(jié)點只與自己的簇頭節(jié)點通信，如果收到來自其他節(jié)點的消息，會自動屏蔽掉。因此不用擔(dān)心簇頭節(jié)點的時隙表被其他簇的成員錯誤接收。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的簇已經(jīng)形成，而且TD―MA時隙表也確定下來，就開始了數(shù)據(jù)傳送。成員節(jié)點只能在TDMA時隙表為其分配的時隙內(nèi)與簇頭節(jié)點進行通信。假設(shè)傳感器節(jié)點總是有數(shù)據(jù)要發(fā)送，在屬于自己的時隙里，成員節(jié)點會把數(shù)據(jù)發(fā)送給自己的簇頭節(jié)點。在發(fā)送階段，在自己的時隙沒有到來的時候成員節(jié)點可以關(guān)閉自己的收發(fā)機以節(jié)省能量。而簇頭節(jié)點必須一直使自己的接收機處于開啟狀態(tài)，用于接收來自不同成員節(jié)點的數(shù)據(jù)。當(dāng)一輪的數(shù)據(jù)傳輸完畢后，簇頭節(jié)點會進行必要的數(shù)據(jù)融合處理，將多個數(shù)據(jù)融合成一個數(shù)據(jù)，然后發(fā)送給基站。持續(xù)一段時間以后，網(wǎng)絡(luò)開始進入下一輪的工作周期。
LEACH協(xié)議運用了數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)和分層動態(tài)路由技術(shù)，通過本地的聯(lián)合工作來提高網(wǎng)絡(luò)的可擴展性和魯棒性，通過數(shù)據(jù)融合來減少發(fā)送的數(shù)據(jù)量，通過隨機選擇簇頭節(jié)點來達到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部負載均衡的目的，進而大大節(jié)約了能量。