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

摘 要：路由協(xié)議是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，節(jié)能是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計(jì)所要解決的首要問(wèn)題。重點(diǎn)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(diǎn)，同時(shí)簡(jiǎn)單介紹了其他幾種典型的路由協(xié)議，并對(duì)所述路由協(xié)議進(jìn)行了綜合對(duì)比，最后，總結(jié)了路由協(xié)議能量?jī)?yōu)化的方法。
關(guān)鍵詞：無(wú)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(jī)電系統(tǒng)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線通信等技術(shù)的進(jìn)步，推動(dòng)了具有現(xiàn)代意義的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生和發(fā)展。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)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(shí)的信息。無(wú)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(guó)防、工農(nóng)業(yè)控制、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)、搶險(xiǎn)救災(zāi)、防恐反恐、危險(xiǎn)區(qū)域遠(yuǎn)程控制等諸多領(lǐng)域。
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的基本原則就是要以節(jié)能為前提。傳統(tǒng)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的首要設(shè)計(jì)目標(biāo)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(jì)目標(biāo)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(wèn)題是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心問(wèn)題。傳感器節(jié)點(diǎn)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(shí)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(biāo)，最大限度地延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)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(jī)選擇簇頭節(jié)點(diǎn)，將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量負(fù)載平均分配到每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)中，從而達(dá)到降低網(wǎng)絡(luò)能源消耗，提高網(wǎng)絡(luò)整體生存時(shí)間的目的。LEACH在運(yùn)行過(guò)程中不斷地循環(huán)執(zhí)行簇的重構(gòu)過(guò)程。每個(gè)簇重構(gòu)過(guò)程可以用“輪”的概念來(lái)描述。每個(gè)輪可以分成兩個(gè)階段：初始化和穩(wěn)定工作兩個(gè)階段。為了避免額外的處理開(kāi)銷(xiāo)，穩(wěn)定階段一般持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)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(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都要決定自己是否充當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)。這個(gè)決定主要取決于網(wǎng)絡(luò)中所需要的簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)(在初始化的時(shí)候設(shè)置)和迄今為止該節(jié)點(diǎn)已成為簇頭節(jié)點(diǎn)的次數(shù)。簇頭節(jié)點(diǎn)必須從那些沒(méi)有當(dāng)過(guò)簇頭節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)中選擇，直到網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都當(dāng)過(guò)簇頭節(jié)點(diǎn)，然后再進(jìn)行重新選舉，所有節(jié)點(diǎn)獲得再次成為簇頭的機(jī)會(huì)。簇頭節(jié)點(diǎn)的選擇辦法是：每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選擇O～1之間的一個(gè)值，如果選定的值小于某一個(gè)閾值T(n)，那么這個(gè)節(jié)點(diǎn)成為簇頭節(jié)點(diǎn)。T(n)值的計(jì)算方法如下：

其中，p是網(wǎng)絡(luò)中簇頭節(jié)點(diǎn)所占節(jié)點(diǎn)數(shù)目的百分比，r為當(dāng)前的輪數(shù)，G是一個(gè)集合，集合中的節(jié)點(diǎn)是前1／p輪中沒(méi)有充當(dāng)過(guò)簇頭節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)。使用這個(gè)門(mén)限，每個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)在1／p輪操作內(nèi)充當(dāng)一次簇頭節(jié)點(diǎn)，符號(hào)mod是求模運(yùn)算符號(hào)。
在第O輪的時(shí)候(r=0)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)充當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)的概率為p，在第O輪充當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)在后面1／p輪中不能再次充當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)。這樣，剩下的節(jié)點(diǎn)的數(shù)目變少了，所以能夠充當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)的概率必須增加才能保證每一輪中的簇的個(gè)數(shù)保持均衡。在經(jīng)過(guò)1／p一1輪以后，T=1，此時(shí)對(duì)于任何一個(gè)在過(guò)去的1／p中還沒(méi)有做過(guò)簇頭節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)，都可以成為簇頭節(jié)點(diǎn)，因?yàn)樗泄?jié)點(diǎn)的標(biāo)志值都在0～1之問(wèn)。經(jīng)過(guò)1／p輪之后，所有節(jié)點(diǎn)又可以重新充當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)了。
一旦簇頭節(jié)點(diǎn)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(diǎn)廣播一個(gè)廣告包。在這個(gè)過(guò)程中，其他非簇頭節(jié)點(diǎn)的接收機(jī)一直處于工作狀態(tài)，以便接收來(lái)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(hào)最強(qiáng)的廣告包的發(fā)送源節(jié)點(diǎn)作為自己的簇頭節(jié)點(diǎn)，并發(fā)送消息給其簇頭節(jié)點(diǎn)，告訴簇頭節(jié)點(diǎn)自己已經(jīng)加入該簇。
當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)收到了來(lái)自成員節(jié)點(diǎn)的“報(bào)道”消息后，根據(jù)成員節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，產(chǎn)生一個(gè)TDMA的時(shí)隙表，告訴成員在什么時(shí)刻可以發(fā)送數(shù)據(jù)。這個(gè)表會(huì)通過(guò)廣播到達(dá)成員節(jié)點(diǎn)，由于形成了簇的結(jié)構(gòu)，成員節(jié)點(diǎn)只與自己的簇頭節(jié)點(diǎn)通信，如果收到來(lái)自其他節(jié)點(diǎn)的消息，會(huì)自動(dòng)屏蔽掉。因此不用擔(dān)心簇頭節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙表被其他簇的成員錯(cuò)誤接收。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的簇已經(jīng)形成，而且TD―MA時(shí)隙表也確定下來(lái)，就開(kāi)始了數(shù)據(jù)傳送。成員節(jié)點(diǎn)只能在TDMA時(shí)隙表為其分配的時(shí)隙內(nèi)與簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。假設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)總是有數(shù)據(jù)要發(fā)送，在屬于自己的時(shí)隙里，成員節(jié)點(diǎn)會(huì)把數(shù)據(jù)發(fā)送給自己的簇頭節(jié)點(diǎn)。在發(fā)送階段，在自己的時(shí)隙沒(méi)有到來(lái)的時(shí)候成員節(jié)點(diǎn)可以關(guān)閉自己的收發(fā)機(jī)以節(jié)省能量。而簇頭節(jié)點(diǎn)必須一直使自己的接收機(jī)處于開(kāi)啟狀態(tài)，用于接收來(lái)自不同成員節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。當(dāng)一輪的數(shù)據(jù)傳輸完畢后，簇頭節(jié)點(diǎn)會(huì)進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)融合處理，將多個(gè)數(shù)據(jù)融合成一個(gè)數(shù)據(jù)，然后發(fā)送給基站。持續(xù)一段時(shí)間以后，網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始進(jìn)入下一輪的工作周期。
LEACH協(xié)議運(yùn)用了數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)和分層動(dòng)態(tài)路由技術(shù)，通過(guò)本地的聯(lián)合工作來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性和魯棒性，通過(guò)數(shù)據(jù)融合來(lái)減少發(fā)送的數(shù)據(jù)量，通過(guò)隨機(jī)選擇簇頭節(jié)點(diǎn)來(lái)達(dá)到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部負(fù)載均衡的目的，進(jìn)而大大節(jié)約了能量。