區域分級的糧庫無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )路由算法

摘 要 糧庫WSN路由算法是WSN檢測糧庫糧食數量技術(shù)的難點(diǎn)之一。由于糧庫中傳感器節點(diǎn)分布的復雜性，所以其路由算法比較特殊。根據糧庫WSN的分布，提出一種RCCMA路由算法，先將大量分布不均的傳感器節點(diǎn)進(jìn)行簇區域劃分和級別設定，然后利用最小夾角原則實(shí)現二級簇區域內節點(diǎn)間路由和一級簇區域與二級區域內目標節點(diǎn)間的路由。由于一級簇區域傳感器節點(diǎn)能耗較大，因此采用輪轉調度機制，將能耗平衡化，降低了單個(gè)傳感器節點(diǎn)的能耗。對比幾種典型的路由算法，實(shí)驗顯示，該算法具有明顯的優(yōu)勢。
關(guān)鍵詞 路由算法 簇區域 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )

引 言
利用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )檢測糧庫的糧食數量是一項新技術(shù)。由于糧堆的復雜性，可在糧庫底部散布大量分布不均的壓力傳感器節點(diǎn)。將糧庫內大量分布不均的傳感器節點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)，構建一種路由算法，這是糧庫WSN(Wire-less Sensor Network)的關(guān)鍵技術(shù)之一。
高效的路由算法需滿(mǎn)足以下幾點(diǎn)：能量高效(協(xié)議簡(jiǎn)單和節省能量和均衡消耗)、可擴展性(網(wǎng)絡(luò )范圍和節點(diǎn)密度)、魯棒性(節點(diǎn)變化和拓撲變化)、快速收斂性。本文通過(guò)研究目前主要的幾種典型WSN路由算法，提出一種針對糧庫WSN的路由算法。實(shí)驗證明，該算法滿(mǎn)足能量高效性、可擴展性、魯棒性和快速收斂性要求。單個(gè)對比文中提到的幾種典型路由算法，該算法整體性能比它們都優(yōu)越。

1 典型的WSN路由算法
傳統無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )研究的重點(diǎn)放在無(wú)線(xiàn)通信的服務(wù)質(zhì)量(QoS)上，而無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)是隨機分布、電池供電的，因此無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )路由算法的研究重點(diǎn)放在如何提高能量效率上。目前典型的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )路由算法主要有以下幾種。
1．1 泛洪算法
泛洪(Flooding)算法是一種傳統的無(wú)線(xiàn)通信路由算法。該算法規定，每個(gè)節點(diǎn)接收來(lái)自其他節點(diǎn)的信息，并以廣播的形式發(fā)送給其他鄰居節點(diǎn)。如此繼續下去，最后將信息數據發(fā)送給目的節點(diǎn)。但這個(gè)算法容易引起信息的“內爆”(implosion)和“重疊”(overlap)，造成資源的浪費。因此在泛洪算法的基礎上，提出了閑聊(Gossiping)算法。
1．2 Gossiping算法
Gossiping算法是在泛洪算法的基礎上進(jìn)行改進(jìn)而提出的。它傳播信息的途徑是，隨機地選擇一個(gè)鄰居節點(diǎn)，獲得信息的鄰居節點(diǎn)再以同樣的方式隨機地選擇下一個(gè)節點(diǎn)，進(jìn)行信息的傳遞。這種方式避免了以廣播形式進(jìn)行信息傳播的能量消耗，但其代價(jià)是延長(cháng)了信息的傳遞時(shí)間。雖然Gossiping算法在一定程度上解決了信息的內爆問(wèn)題，但是仍然存在信息的重疊現象。
1．3 SPIN算法
SPIN(Sensor Protocol for Information via Negotia-tion)算法是一種以數據為中心的自適應路由算法。其目的是通過(guò)節點(diǎn)之間的協(xié)商，解決Flooding算法和Gossi-ping算法的內爆和重疊問(wèn)題。SPIN算法有3種類(lèi)型的消息，即ADC、REQ和DATA。ADC用于數據的廣播，當某一個(gè)節點(diǎn)有數據可以共享時(shí)，可以用其進(jìn)行數據信息廣播。REQ用于請求發(fā)送數據，當某一個(gè)節點(diǎn)希望接收DATA數據包時(shí)，發(fā)送REQ數據包。DATA為傳感器采集的數據包。在發(fā)送一個(gè)DATA數據包之前，一個(gè)傳感器節點(diǎn)首先對外廣播ADV數據包。如果某一個(gè)節點(diǎn)希望接收要傳來(lái)的數據信息，則向發(fā)送ADV數據包的節點(diǎn)回復REQ數據包，因此，便建立起發(fā)送節點(diǎn)和接收節點(diǎn)的聯(lián)系，發(fā)送節點(diǎn)便向接收節點(diǎn)發(fā)送DATA數據包。SPIN協(xié)議的工作流程如圖1所示。

1．4 定向擴散算法
定向擴散(Direeted Diffusion)算法是一種基于查詢(xún)的路由機制。整個(gè)過(guò)程可以分為興趣擴散、梯度建立以及路徑加強3個(gè)階段。在興趣擴散階段，匯聚節點(diǎn)向傳感器節點(diǎn)發(fā)送其想要獲取的信息種類(lèi)或內容。興趣消息中含有任務(wù)類(lèi)型、目標區域、數據發(fā)送速率、時(shí)間戳等參數。每個(gè)傳感器節點(diǎn)在收到該信息后，將其保存在Cache 中。當整個(gè)信息要求傳遍整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò )后，便在傳感器節點(diǎn)和匯聚節點(diǎn)之間建立起一個(gè)梯度場(chǎng)，梯度場(chǎng)的建立是根據成本最小化和能量自適應原則。一旦傳感器節點(diǎn)收集到匯聚節點(diǎn)感興趣的數據，就會(huì )根據建立的梯度場(chǎng)尋求最快路徑進(jìn)行數據傳遞。梯度場(chǎng)建立的過(guò)程如圖2所示。