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無線傳感器網絡基于分簇的路由協(xié)議概述

作者: 時間:2017-10-20 來源:網絡 收藏

  (Wireless Sensor Network)是由部署在檢測區(qū)域內的成百上千個低成本、低功耗、小尺寸、多功能的傳感器節(jié)點組成,通過無線通信方式形成的單跳或多跳的自組織網絡系統(tǒng),其目的是感知、采集和處理網絡覆蓋區(qū)域中感知對象的信息,并發(fā)送給觀察者。被廣泛地應用于軍事、商業(yè)、醫(yī)療救護和環(huán)境監(jiān)測等多方面。

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201710/366853.htm

  根據(jù)節(jié)點的拓撲結構可以分為平面和層次[1]。

  平面簡單,健壯性很好,但它的可擴展性很差。層次路由協(xié)議一般分為初始化階段和數(shù)據(jù)傳輸階段。算法不同,而當選的簇頭可能不同,而數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程基本一致。

  1 均勻分簇路由協(xié)議——LEACH協(xié)議

  在初始化階段[2-3],每個節(jié)點產生一個0~1之間的隨機數(shù),如果小于閾值[2-3],則此節(jié)點便是簇頭,它就會向周圍節(jié)點廣播它是簇頭的消息。根據(jù)接收信號的強度,普通節(jié)點選擇其要加入的簇,并告知相應的簇頭,此時所有的簇頭都必須處于接收狀態(tài)。當簇頭接收到所有的加入信息后,就產生TDMA消息,通知本簇內所有節(jié)點的工作時間。

  在數(shù)據(jù)傳輸階段[2],普通節(jié)點按照TDMA[4]時隙向簇頭發(fā)送數(shù)據(jù)。簇頭把接收到的數(shù)據(jù)融合之后再轉發(fā)給sink。一段時間后,重新選擇簇頭。

  該協(xié)議隨機選舉簇頭避免了簇頭能量過早消耗完,延長了網絡的生存時間,但數(shù)據(jù)傳送是采用單跳的方式,使得距sink較遠的簇頭花費能量很大,導致生存時間變短;頻繁地選舉簇頭也會消耗能量。為了節(jié)省資源開銷,數(shù)據(jù)傳輸階段的時間要長于初始化階段的時間。

  2 非均勻分簇路由協(xié)議

  2.1 EEUC協(xié)議

  在初始化階段,sink向全網廣播一個信號,節(jié)點根據(jù)接收信號的強度計算它到sink的距離。根據(jù)預先設置的概率閾值[5],選出部分節(jié)點成為候選簇頭參與競爭,未參與競爭的節(jié)點進入睡眠狀態(tài),直到競選過程結束。Si為任一候選簇頭,它到sink的距離為它的競爭半徑[6],若Si獲勝,則在競爭半徑內所有的候選簇頭均要退出競選。候選簇頭的競爭半徑隨著簇頭到sink距離的減小而減小。

  在數(shù)據(jù)傳輸階段,普通節(jié)點將收集到的數(shù)據(jù)傳送給簇頭,簇頭進行處理之后將數(shù)據(jù)以多跳的方式傳送到sink。

  2.2 DEBUC協(xié)議

  該協(xié)議采用基于時間的簇頭競爭算法。廣播時間取決于候選簇頭的剩余能量和其鄰居節(jié)點的剩余能量。距sink較近的候選簇頭競爭范圍較小,這樣這些簇頭在簇內通信中消耗的能量較少,節(jié)省下來的能量用于簇間的數(shù)據(jù)轉發(fā)。在數(shù)據(jù)傳輸階段,采用簇間多跳路由協(xié)議。

  初始化階段,普通節(jié)點根據(jù)接收到sink發(fā)出信號的強弱計算其與sink的大概距離。首先設置一個門限值以控制候選簇頭的比例,同時也為每個候選簇頭設置一個競爭半徑[7],候選簇頭的競爭半徑正比于它與sink的距離。

  候選簇頭廣播消息,而普通節(jié)點休眠,接收到消息的候選簇頭更新其鄰居節(jié)點信息表,候選簇頭依據(jù)自身的時間進度廣播FINAL_HEAD_MSG[7]消息,宣布自己成為簇頭。簇頭選擇完成后,普通節(jié)點退出休眠,簇頭廣播消息,普通節(jié)點根據(jù)接收信息的強弱加入最近的簇頭,并通知簇頭,中繼節(jié)點不具有數(shù)據(jù)融合的能力。首先簇頭廣播一條消息,如果鄰居簇頭到sink的距離較小,則簇頭計算與鄰居簇頭的大概距離,并建立一個鄰居簇頭信息表;簇頭運用貪婪算法在其鄰居簇頭集合中選擇其中繼節(jié)點,如果簇頭的中繼節(jié)點是本身,則直接發(fā)送數(shù)據(jù)到sink,否則簇頭發(fā)送數(shù)據(jù)至中繼節(jié)點;當每個簇頭都找到中繼節(jié)點,則簇間多跳路由建立。

  在數(shù)據(jù)傳輸階段,簇頭先對接收到的數(shù)據(jù)進行融合處理,然后將處理結果發(fā)送到sink。

  隨著簇頭能量的減少,非均勻分簇路由協(xié)議的競爭半徑逐漸減小,這就需要重新成簇,能量減少的越多,成簇的簇數(shù)就越多,所以在成簇的過程中,就需要消耗更多的能量,有的節(jié)點在成簇的過程中,會把剩余的能量消耗完。

  3 PEGASIS協(xié)議

  PEGASIS協(xié)議假定所有節(jié)點都具有網絡拓撲的全局知識,在建鏈階段[8-10],首先從距離sink最遠的節(jié)點開始建鏈,這個節(jié)點根據(jù)貪婪算法尋找距自己最近的節(jié)點加入鏈,以此類推,所有的節(jié)點都按照這種方法加入鏈。在數(shù)據(jù)通信階段[8-9],鏈上的每個節(jié)點只與自己的鄰居節(jié)點通信,將收到的數(shù)據(jù)與自身數(shù)據(jù)融合后傳輸給下一跳的鄰居節(jié)點,一直傳送到鏈首節(jié)點,最后由鏈首節(jié)點將數(shù)據(jù)傳送給sink。

  通過對以上典型路由算法的分析,可以發(fā)現(xiàn)仍然存在以下問題:

 ?。?)在分簇階段,仍然要浪費能量用來建立簇。

 ?。?)許多協(xié)議都假設傳感器節(jié)點和sink不動,一旦傳感器節(jié)點動起來,這些協(xié)議就很有可能不再成立。

 ?。?)非均勻分簇路由協(xié)議緩解了“熱區(qū)”,但隨著簇頭能量減少,競爭半徑減小,就需要網絡拓撲結構是動態(tài)的,以便很快地更新網絡的拓撲結構,網絡拓撲結構的更新要消耗更多能量來實現(xiàn)。

  (4)非均勻分簇算法要求網絡中傳感器節(jié)點最好是均勻分布的,如果在靠近sink的區(qū)域中傳感器節(jié)點分布的密度很大,而在遠離sink的區(qū)域中傳感器節(jié)點的分布密度很小,那么靠近sink的簇頭仍然會形成“熱區(qū)”。這就需要有更好的協(xié)議來解決這樣的問題。

  (5)多數(shù)協(xié)議在考慮傳感器節(jié)點失效退出網絡或者有新的節(jié)點加入網路時,網絡的拓撲變化采用的辦法都是重新分簇。如果加入網絡的節(jié)點很少,重新分簇浪費的能量會很大,這就需要協(xié)議具有很高的容錯性來應對網絡的拓撲變化。

 ?。?)隨著網絡規(guī)模越來越大,現(xiàn)階段的算法根本不能滿足超大規(guī)模網絡的要求,就需要提出一種多層分簇算法。在多層分簇算法中,如果層數(shù)很多,則可能會有一些節(jié)點在初始化階段就已經把能量用完了;如果層數(shù)很少,則根本不能體現(xiàn)多層分簇算法的優(yōu)越性。所以在運用分層算法時,需要考慮層數(shù)為多少時才是最合適的。

  隨著路由技術的發(fā)展,會有越來越多的新算法被提出,新算法應該可以更好地應對簇頭的負載平衡,盡量減小在簇的形成階段由于拓撲而造成的能量浪費??傊琖SN路由技術的研究離不開負載平衡、能量高效、網絡壽命等熱點問題。

  參考文獻

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