無線傳感器網絡節能路由算法研究

周立廣

【摘要】 由很多部署在相應監測區域內的傳感器節點共同組成的系統就是我們常說的無線傳感器網絡，這個系統通過無線通聯的手段構成一個多跳的自身緊密相連的網絡系統，從而共同地采集感知和處理各種網絡區域內的相關信息，并傳達給觀測者。無線傳感器網絡在信息環境檢測、工農業生產、國家間軍事偵察、民用醫療指標監護、住房與建筑、產品生產控制和各種商業科技等方面有著巨大的發展空間。

【關鍵詞】 無線傳感器網絡 節能路由算法 系統

在所有無線傳感器網絡系統中，電能是一種非常珍貴的資源，因為傳感器一般都由電池提供電能，但是電池由于自身結構原因，提供的電能十分有限，而且傳感器都是被設置在無人看管的環境之下，并不能做到持續供電。所以我們為了延長電池的使用壽命，以求可以達到延長整個網絡系統的生命周期或者說工作時間的目的，最近幾年來人們開始意識到了通過通信協議和節能算法來實現節約電能的重要性。研究高效節能的通信協議和相關算法，已經變為了無線傳感器網絡中最需要解決的首要問題。文章首先簡要地解釋了無線傳感器網絡的基本概念、體系構成、系統特點和應用發展前景等，之后探討研究了無線傳感器網絡中常常使用的一些節能方法，并且對一些比較有特點的無線傳感器網絡系統的節能路由算法進行歸納總結和比較。

一、無線傳感器網絡系統中比較常見的節能路由算法

常用的無線傳感器網絡系統中路由相關協議算法的種類有很多，就網絡系統結構方面而言，可以將其分為平面式路由算法和多層次式路由算法。平面路由算法的結構相對簡單，穩定性好，但是缺乏高效管理資源的能力；多層次式路由算法常常應用于大規模多層次的復雜網絡環境中，可延伸性強，但簇首的穩定性和可靠性對整個網絡系統的工作性能影響比較大，還有就是簇首的采集接收與處理相關數據都要用掉很多的電量。

1.1 平面式路由算法

這種算法對網絡系統中的每一個節點都是相等對待處理的。任何一個節點在發送相關數據的時候，都能通過其他任意的節點作為中轉站進行跳轉發送，以致最后到達sink點為止。這種傳遞信息的方式叫做“多跳模式”。一般來說，在sink點周圍的節點參加數據信息中轉的頻率要比離Sink點遠的節點參加的頻率要高很多。所以Sink點周圍的節點因為過于頻繁地進行數據信息的中轉，會比較快地消耗完它的電量。

平面式路由算法中最具有典型性的節能路由算法有： 多路徑式路由算法、定向擴散式路由算法、協商機制性路由算法。

1.2 多層次式路由算法

多層次式路由協議的基本指導思想是將每個傳感器節點進行分簇，簇內通信的工作由首節點來處理完成，簇首節點進行數據匯集融合以減少傳輸數據信息的總量，在最后簇首節點把處理后的信息傳達給Sink節點。這種方法可以滿足傳感器網絡的延伸性，有效的減少傳感器節點的電能消耗，從而延長網絡生命周期和工作時間。

多層次路由協議里比較有典型性的節能路由協議有：門限敏感式傳感器協議、低耗能自適應簇類式路由算法、高能效傳感數據采集式路由算法和有電能意識的傳感器式分簇路由。

二、無線傳感器網絡系統的節能式路由算法設計思考因素與特點

通過對不同無線傳感器網絡系統中路由算法的比較分析，我們可以看出，與一般的網絡路由協議相比較而言，無線傳感器網絡的節能路由算法有以下幾個特點：（1）能量優先原則。一般來說傳統的路由協議系統在選擇最優傳輸方法時，基本上不會考慮節點的電量消耗問題。而我們現在知道無線傳感器網絡系統中節點的能量往往是很有限的，因此有效延長全部網絡系統的生名周期也就變成了傳感器網絡系統路由協議設計規劃首要目標[1]，所以我們應該要考慮不同節點的電能消耗和總能量均衡分配的問題。（2）局部的拓撲數據信息問題。無線傳感器網絡系統為了節約通信電能，一般采用多跳的通信方法，因而導致節點有限的計算資源和儲存資源，使得每一個都節點不能存儲很多的路由數據信息，不能處理比較復雜的路由協議計算。在這些節點只能得到局部拓撲信息與有限資源的處境之下，怎樣實現簡單化高效能的路由協議機制是無線傳感器網絡系統面臨的一個基本問題。（3）以數據信息為中心。傳統模式的路由協議下通常以路由地址作為節點的標志和路由的根據，但無線傳感器網絡系統中大部分節點是隨機不確定部署的，所關注的重點是監測區域的相關感知數據信息，而不是哪個具體節點獲取的數據信息，不依靠于全部網絡唯一的標志。傳感器網絡系統中一般包括很多個傳感器節點到幾個少數Sink點的數據信息流，依照對感知數據信息的需要性高低、信息通信方式和流向的不同等，以數據信息為中心構成消息的不同轉發路線。

三、應用相關信息

傳感器網絡的應用類型有很多，數據信息通信的模式方法不同，因此沒有哪一個機制是真正適合所有應用的，這個特點是傳感器網絡應用性的一個重要表象。不同的設計者都要針對每一個不同的應用需求設計與之相配套的特殊路由協議機制。由于無線傳感器網絡系統的路由協議具有以上相關的特點，在不同的無線傳感器網絡系統的路由協議設計思路中，我們應首先考慮以下方面[2]：可擴展性、低耗能性和容錯性、數據匯集性、傳輸延遲性與路由質量等等。（1）低耗能性。低耗能性是無線傳感器網絡系統設計環節中要思考面對的重要因素。節點的低能耗和網絡系統能耗平衡，延長網絡系統的工作時間與生命周期，是無線傳感器網絡系統路由設計要達到的首要目標。傳感器網絡路由協議的設計不只要選擇電能消耗少的數據消息傳輸路徑，更要從全部網絡系統的角度思考，盡量能夠使用使整個網絡平臺能量平衡消耗電能的路由。（2）容錯性。容錯性也被稱為網絡平臺的健壯性，我們知道傳感器節點易因為電能的耗盡與外界環境不穩定干擾而停止工作，但是少部分傳感器節點的功能喪失不應影響整個路由協議的工作任務。周圍環境不穩定干擾影響無線路由的信息傳遞質量以及無線路由自身數據設計的缺點等等，這些諸多的不穩定因素都需要無線傳感器網絡系統的路由具有比較強的容錯性能。（3）可擴展性。在一些復雜的應用中很可能需要設置規劃成百上千個節點，節點失效、新的節點參與節點定向移動等等，都會讓無線傳感器網絡系統的拓撲組成動態發生改變，這些變化使得路由協議的設計需要有比較強的可擴展性，只有這樣材能夠動態地適應相應復雜網絡環境和節點個數的增多，保證該應用對路由協議的需求。（4）傳輸延遲性。傳感器網絡系統的延遲時間指的是觀測者發出相應請求到接受到應答數據信息所需要時間。我們在設計中必須盡可能縮短延遲時間，保證無線傳感器網絡系統在傳輸相關數據信息中的實時性。比如在軍事應用上，敵軍所處位置的監測設計系統中，我們需要將敵軍所處的位置盡可能短的時間傳答回來，這也就要求我們的無線傳感器網絡路由協議傳輸延遲時間盡可能的短。（5）數據匯集性。無線傳感器網絡系統節點數據信息天馬行空的分布，有很多冗余現象的發生。我們數據匯集的基本知道思想就是將很多來自不同源節點傳來的數據信息進行融合匯集，消除冗余從而減小數據信息傳輸量，提高數據信息的可信度與精度，以獲得更真實更有作用的結果，并且可以節省電能。

四、結語

電子和芯片、處理器以及網絡系統等高科技技術的進步，促進了無線傳感器網絡系統的構成和發展。并且無線傳感器網絡系統并不一定需要固定網絡平臺的支持，它有高速展開、抗干擾性強等特點，這種技術可以廣泛的應用到環境治理、軍事、醫療監測等領域，這種高新技術已經引起各方面的高度關注。

參 考 文 獻

[1] 李成法，葉愚，陳貴海. 基于非均衡分族的無線傳感器網絡系統路由協議[M]. 計算機學報，2012.3-12

[2] 徐雷，鳴龐博. Ns與網絡路由協議模擬[M]. 北京：人民郵電出版社，2012.31-20