基于節能的無(wú)線(xiàn)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(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的重要組成部分，節能是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )路由協(xié)議設計所要解決的首要問(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，并對所述路由協(xié)議進(jìn)行了綜合對比，最后，總結了路由協(xié)議能量?jì)?yōu)化的方法。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)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、現代網(wǎng)絡(luò )和無(wú)線(xiàn)通信等技術(shù)的進(jìn)步，推動(dòng)了具有現代意義的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的產(chǎn)生和發(fā)展。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )擴展了人們的信息獲取能力，將客觀(guān)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(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )具有十分廣闊的應用前景，能應用于軍事國防、工農業(yè)控制、城市管理、生物醫療、環(huán)境監測、搶險救災、防恐反恐、危險區域遠程控制等諸多領(lǐng)域。
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )設計的基本原則就是要以節能為前提。傳統無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )的首要設計目標是提高服務(wù)質(zhì)量和高效帶寬利用，其次再考慮節約能源；而傳感器的首要設計目標是能源的商效利用，這是傳感器網(wǎng)絡(luò )和傳統網(wǎng)絡(luò )的最重要的區別之一，能量問(wèn)題是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的核心問(wèn)題。傳感器節點(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，而且在許多應用中，更換電池是不現實(shí)的(如軍事應用)，因此這就要求WSN路由協(xié)議必須以節約能源為主要目標，最大限度地延長(cháng)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(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )設計的低功耗自適應分層路由算法。它的基本思想是以循環(huán)的方式隨機選擇簇頭節點(diǎn)，將整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的能量負載平均分配到每個(gè)傳感器節點(diǎn)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(shí)間的目的。LEACH在運行過(guò)程中不斷地循環(huán)執行簇的重構過(guò)程。每個(gè)簇重構過(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：初始化和穩定工作兩個(gè)階段。為了避免額外的處理開(kāi)銷(xiāo)，穩定階段一般持續較長(cháng)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)傳感器節點(diǎn)都要決定自己是否充當簇頭節點(diǎn)。這個(gè)決定主要取決于網(wǎng)絡(luò )中所需要的簇頭節點(diǎn)數(在初始化的時(shí)候設置)和迄今為止該節點(diǎn)已成為簇頭節點(diǎn)的次數。簇頭節點(diǎn)必須從那些沒(méi)有當過(guò)簇頭節點(diǎn)的節點(diǎn)中選擇，直到網(wǎng)絡(luò )中的所有節點(diǎn)都當過(guò)簇頭節點(diǎn)，然后再進(jìn)行重新選舉，所有節點(diǎn)獲得再次成為簇頭的機會(huì )。簇頭節點(diǎn)的選擇辦法是：每個(gè)傳感器節點(diǎn)隨機選擇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)節點(diǎn)成為簇頭節點(diǎn)。T(n)值的計算方法如下：

其中，p是網(wǎng)絡(luò )中簇頭節點(diǎn)所占節點(diǎn)數目的百分比，r為當前的輪數，G是一個(gè)集合，集合中的節點(diǎn)是前1／p輪中沒(méi)有充當過(guò)簇頭節點(diǎn)的節點(diǎn)。使用這個(gè)門(mén)限，每個(gè)節點(diǎn)會(huì )在1／p輪操作內充當一次簇頭節點(diǎn)，符號mod是求模運算符號。
在第O輪的時(shí)候(r=0)，每個(gè)節點(diǎn)充當簇頭節點(diǎn)的概率為p，在第O輪充當簇頭節點(diǎn)的節點(diǎn)在后面1／p輪中不能再次充當簇頭節點(diǎn)。這樣，剩下的節點(diǎn)的數目變少了，所以能夠充當簇頭節點(diǎn)的概率必須增加才能保證每一輪中的簇的個(gè)數保持均衡。在經(jīng)過(guò)1／p一1輪以后，T=1，此時(shí)對于任何一個(gè)在過(guò)去的1／p中還沒(méi)有做過(guò)簇頭節點(diǎn)的節點(diǎn)，都可以成為簇頭節點(diǎn)，因為所有節點(diǎn)的標志值都在0～1之問(wèn)。經(jīng)過(guò)1／p輪之后，所有節點(diǎn)又可以重新充當簇頭節點(diǎn)了。
一旦簇頭節點(diǎn)被選定，它們就使用相同的能量向網(wǎng)絡(luò )中的其他節點(diǎn)廣播一個(gè)廣告包。在這個(gè)過(guò)程中，其他非簇頭節點(diǎn)的接收機一直處于工作狀態(tài)，以便接收來(lái)自不同簇頭的廣告包，它們根據最小通信能量原則，選取信號最強的廣告包的發(fā)送源節點(diǎn)作為自己的簇頭節點(diǎn)，并發(fā)送消息給其簇頭節點(diǎn)，告訴簇頭節點(diǎn)自己已經(jīng)加入該簇。
當簇頭節點(diǎn)收到了來(lái)自成員節點(diǎn)的“報道”消息后，根據成員節點(diǎn)的數目，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)送數據。這個(gè)表會(huì )通過(guò)廣播到達成員節點(diǎn)，由于形成了簇的結構，成員節點(diǎn)只與自己的簇頭節點(diǎn)通信，如果收到來(lái)自其他節點(diǎn)的消息，會(huì )自動(dòng)屏蔽掉。因此不用擔心簇頭節點(diǎn)的時(shí)隙表被其他簇的成員錯誤接收。當網(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)始了數據傳送。成員節點(diǎn)只能在TDMA時(shí)隙表為其分配的時(shí)隙內與簇頭節點(diǎn)進(jìn)行通信。假設傳感器節點(diǎn)總是有數據要發(fā)送，在屬于自己的時(shí)隙里，成員節點(diǎn)會(huì )把數據發(fā)送給自己的簇頭節點(diǎn)。在發(fā)送階段，在自己的時(shí)隙沒(méi)有到來(lái)的時(shí)候成員節點(diǎn)可以關(guān)閉自己的收發(fā)機以節省能量。而簇頭節點(diǎn)必須一直使自己的接收機處于開(kāi)啟狀態(tài)，用于接收來(lái)自不同成員節點(diǎn)的數據。當一輪的數據傳輸完畢后，簇頭節點(diǎn)會(huì )進(jìn)行必要的數據融合處理，將多個(gè)數據融合成一個(gè)數據，然后發(fā)送給基站。持續一段時(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)議運用了數據壓縮技術(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 )的可擴展性和魯棒性，通過(guò)數據融合來(lái)減少發(fā)送的數據量，通過(guò)隨機選擇簇頭節點(diǎn)來(lái)達到網(wǎng)絡(luò )內部負載均衡的目的，進(jìn)而大大節約了能量。