無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )基于分簇的路由協(xié)議概述

　　WSN（Wireless Sensor Network）是由部署在檢測區域內的成百上千個(gè)低成本、低功耗、小尺寸、多功能的傳感器節點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式形成的單跳或多跳的自組織網(wǎng)絡(luò )系統，其目的是感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò )覆蓋區域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀(guān)察者。WSN被廣泛地應用于軍事、商業(yè)、醫療救護和環(huán)境監測等多方面。

　　根據節點(diǎn)的拓撲結構可以分為平面路由協(xié)議和層次路由協(xié)議［1］。

　　平面路由協(xié)議簡(jiǎn)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據傳輸階段。算法不同，而當選的簇頭可能不同，而數據傳輸的過(guò)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(gè)節點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)0~1之間的隨機數，如果小于閾值［2-3］，則此節點(diǎn)便是簇頭，它就會(huì )向周?chē)濣c(diǎn)廣播它是簇頭的消息。根據接收信號的強度，普通節點(diǎn)選擇其要加入的簇，并告知相應的簇頭，此時(shí)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(chǎn)生TDMA消息，通知本簇內所有節點(diǎn)的工作時(shí)間。

　　在數據傳輸階段［2］，普通節點(diǎn)按照TDMA［4］時(shí)隙向簇頭發(fā)送數據。簇頭把接收到的數據融合之后再轉發(fā)給sink。一段時(shí)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(guò)早消耗完，延長(cháng)了網(wǎng)絡(luò )的生存時(shí)間，但數據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(shí)間變短；頻繁地選舉簇頭也會(huì )消耗能量。為了節省資源開(kāi)銷(xiāo)，數據傳輸階段的時(shí)間要長(cháng)于初始化階段的時(shí)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(wǎng)廣播一個(gè)信號，節點(diǎn)根據接收信號的強度計算它到sink的距離。根據預先設置的概率閾值［5］，選出部分節點(diǎn)成為候選簇頭參與競爭，未參與競爭的節點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，直到競選過(guò)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(zhù)簇頭到sink距離的減小而減小。

　　在數據傳輸階段，普通節點(diǎn)將收集到的數據傳送給簇頭，簇頭進(jìn)行處理之后將數據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(shí)間的簇頭競爭算法。廣播時(shí)間取決于候選簇頭的剩余能量和其鄰居節點(diǎn)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，節省下來(lái)的能量用于簇間的數據轉發(fā)。在數據傳輸階段，采用簇間多跳路由協(xié)議。

　　初始化階段，普通節點(diǎn)根據接收到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(gè)門(mén)限值以控制候選簇頭的比例，同時(shí)也為每個(gè)候選簇頭設置一個(gè)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，而普通節點(diǎn)休眠，接收到消息的候選簇頭更新其鄰居節點(diǎn)信息表，候選簇頭依據自身的時(shí)間進(jìn)度廣播FINAL_HEAD_MSG［7］消息，宣布自己成為簇頭。簇頭選擇完成后，普通節點(diǎn)退出休眠，簇頭廣播消息，普通節點(diǎn)根據接收信息的強弱加入最近的簇頭，并通知簇頭，中繼節點(diǎn)不具有數據融合的能力。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(gè)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點(diǎn)，如果簇頭的中繼節點(diǎn)是本身，則直接發(fā)送數據到sink，否則簇頭發(fā)送數據至中繼節點(diǎn)；當每個(gè)簇頭都找到中繼節點(diǎn)，則簇間多跳路由建立。

　　在數據傳輸階段，簇頭先對接收到的數據進(jìn)行融合處理，然后將處理結果發(fā)送到sink。

　　隨著(zhù)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，成簇的簇數就越多，所以在成簇的過(guò)程中，就需要消耗更多的能量，有的節點(diǎn)在成簇的過(guò)程中，會(huì )把剩余的能量消耗完。

　　3 PEGASIS協(xié)議

　　PEGASIS協(xié)議假定所有節點(diǎn)都具有網(wǎng)絡(luò )拓撲的全局知識，在建鏈階段［8-10］，首先從距離sink最遠的節點(diǎn)開(kāi)始建鏈，這個(gè)節點(diǎn)根據貪婪算法尋找距自己最近的節點(diǎn)加入鏈，以此類(lèi)推，所有的節點(diǎn)都按照這種方法加入鏈。在數據通信階段［8-9］，鏈上的每個(gè)節點(diǎn)只與自己的鄰居節點(diǎn)通信，將收到的數據與自身數據融合后傳輸給下一跳的鄰居節點(diǎn)，一直傳送到鏈首節點(diǎn)，最后由鏈首節點(diǎn)將數據傳送給sink。

　　通過(guò)對以上典型路由算法的分析，可以發(fā)現仍然存在以下問(wèn)題：

　?。?）在分簇階段，仍然要浪費能量用來(lái)建立簇。

　?。?）許多協(xié)議都假設傳感器節點(diǎn)和sink不動(dòng)，一旦傳感器節點(diǎn)動(dòng)起來(lái)，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”，但隨著(zhù)簇頭能量減少，競爭半徑減小，就需要網(wǎng)絡(luò )拓撲結構是動(dòng)態(tài)的，以便很快地更新網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構，網(wǎng)絡(luò )拓撲結構的更新要消耗更多能量來(lái)實(shí)現。

　?。?）非均勻分簇算法要求網(wǎng)絡(luò )中傳感器節點(diǎn)最好是均勻分布的，如果在靠近sink的區域中傳感器節點(diǎn)分布的密度很大，而在遠離sink的區域中傳感器節點(diǎn)的分布密度很小，那么靠近sink的簇頭仍然會(huì )形成“熱區”。這就需要有更好的協(xié)議來(lái)解決這樣的問(wèn)題。

　?。?）多數協(xié)議在考慮傳感器節點(diǎn)失效退出網(wǎng)絡(luò )或者有新的節點(diǎn)加入網(wǎng)路時(shí)，網(wǎng)絡(luò )的拓撲變化采用的辦法都是重新分簇。如果加入網(wǎng)絡(luò )的節點(diǎn)很少，重新分簇浪費的能量會(huì )很大，這就需要協(xié)議具有很高的容錯性來(lái)應對網(wǎng)絡(luò )的拓撲變化。

　?。?）隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )規模越來(lái)越大，現階段的算法根本不能滿(mǎn)足超大規模網(wǎng)絡(luò )的要求，就需要提出一種多層分簇算法。在多層分簇算法中，如果層數很多，則可能會(huì )有一些節點(diǎn)在初始化階段就已經(jīng)把能量用完了；如果層數很少，則根本不能體現多層分簇算法的優(yōu)越性。所以在運用分層算法時(shí)，需要考慮層數為多少時(shí)才是最合適的。

　　隨著(zhù)WSN路由技術(shù)的發(fā)展，會(huì )有越來(lái)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?，WSN路由技術(shù)的研究離不開(kāi)負載平衡、能量高效、網(wǎng)絡(luò )壽命等熱點(diǎn)問(wèn)題。

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