面向電能監測的無線傳感器網絡路由協議的研究

蘇峰

摘要：傳統的無線傳感器網絡（WSN）節點受到供電資源的束縛，能耗問題是網絡中考慮的關鍵問題，而面向電能監測的無線傳感器網絡側重于網絡的穩定性和健壯性。無線傳感器網絡路由機制的好壞決定了傳輸路徑的優劣，直接影響到整個網絡的能量消耗和通信效率。文章分析了2種典型的分簇路由協議，詳細闡述了PEGASIS協議的原理，分析了PEGASIS算法的優缺點，指出該算法存在的主要問題：延時問題和單鏈對網絡的影響。針對該問題提出了PEGASIS的改進算法PEGASIS-I，介紹了該算法的原理和實現過程，并對改進算法進行仿真實驗，得出的結論在時延和單鏈問題上得到了很大的改善。

關鍵詞：WSN；電能監測；路由協議；PEGASIS-I

傳統的移動Ad hoc網是以節點為中心的網絡，而WSN是以數據為中心的網絡。WSN并不需要維護網絡中任何2個節點之間的路由，它僅僅需要維護傳感器節點與匯聚節點（Sink）之間的路由。傳感器節點的資源受到電源和計算能力的限制，節點數量較多，采集信息的冗余度較大使得移動自組網（MANET）的許多路由協議標準無法直接應用到WSN中。在無線傳感器自組織網絡中，傳感器節點以多跳的方式傳輸到Sink點，此過程需要對網絡的路由機制進行選擇，而路由機制的好壞決定了傳輸路徑的優劣，直接影響到整個網絡的能量消耗和通信效率。

路由協議的設計要綜合考慮多種性能指標。無論是平面路由還是分簇路由，多數路由協議通常只考慮能量約束。傳統的無線傳感器網絡采用電池供電，節能是無線傳感器網絡的一個關鍵問題，本系統采用電源供電雖然不存在能量有限的問題，但隨著應用范圍的擴大節點的數量劇增也應考慮盡可能地降低能耗。不同的傳感數據的緊急性不同，例如發生火災時溫度數據更加緊急，對傳送的服務質量要求則更高。當網絡規模較大和節點數量眾多時，節點的加入和退出使得WSN網絡拓撲結構頻繁變化，因此魯棒性和可擴展性也是評價路由協議好壞的重要指標。

1.WSN中幾種典型的分簇路由協議

對于已有的路由協議的研究成果，按照網絡的拓撲結構可以將WSN路由協議分為平面路由協議和分簇路由協議。典型的平面路由算法有DD，SAR，SPIN，Romor等。平面路由的優點是簡單，易擴展，無需進行結構維護，具有良好的健壯性，而缺點則是網絡中無管理節點，信息傳輸量大導致占用通信資源較大，以至于網絡動態反應不靈敏。分簇路由協議就是將傳感節點分簇，簇內通信由簇頭節點進行數據融合來減少傳輸信息量，最后將簇內所有節點的數據傳送給匯聚節點。分簇路由協議將節點分簇使得拓撲管理方便，簇內節點只發送數據給簇頭使得能量利用高效、數據融合節約了通信資源，這些優點使得分簇路由成為當前研究的重點。

1.1LEACH協議

LEACH協議（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）的實現分為成簇階段和數據傳輸階段。每輪中，相鄰的節點動態地形成簇，隨機的選擇簇頭節點；然后簇內節點把數據發給簇頭，經數據融合后發送給基站節點。簇內節點按照時多分址TDMA向簇頭發送數據；各簇間簇頭采用碼多分址CDMA競用通道，競用通道成功的簇頭將融合后的數據發送給基站節點。隨機選舉的簇頭使得節點能耗均衡，采用一跳通信傳輸時延較小，數據聚合減少了通信量。缺點在于離Sink較遠的節點采用大功率通信耗費能量。

1.2PEGASIS協議

與其他樹形結構路由協議不同，PEGASIs（Power Efficient Gathering in Sensor Information System）采用鏈狀結構連接，解決了LEACH協議中產生重疊區域的問題。在一輪中，采用貪心算法，每個傳感器節點只需和距離自己最近的鄰居節點進行通信，鏈中節點在每輪通信中輪流作鏈首節點（chain head），鏈首發送數據傳輸指令給鏈尾，鏈尾再通過鄰居節點傳輸數據給鏈首，鏈首將接收的信息進行數據融合，當所有節點與鏈首通信后鏈首將數據傳送給sink，再進行新一輪的通信。采用鏈結構的好處是不需要維護簇的結構和記錄簇成員數量，只需要知道上下級就可以了，而且在功耗方面PEGASIS比LEACH省近3倍左右。PEGASIS算法僅選擇一個節點與Sink通信，利用數據融合，延長了網絡的生命期。但鏈中遠距離的節點數據傳輸到基站節點的時間延遲會很大，而且單一的鏈首可能會成為整個網絡的瓶頸。

2.PEGASIS算法的具體描述

2.1PEGASIS網絡模型

（1）基站節點位置不變并應具有足夠的能量。（2）網絡中所有的節點都是靜止的。（3）網絡中所有節點能夠彼此通信，且都有足夠的能量能與基站直接通信，同時需要知道其他節點的位置。（4）網絡中所有節點都具有相同的性質和功能，都可以進行壓縮、去冗余等數據融合并且能量有限。

2.2成鏈階段

在成鏈過程中，采用貪心算法的原理。貪心算法是從初始解向目標逼近的過程，每一次逼近都盡可能求出最優的解，總是作出當前最好的選擇。首先選擇距離基站節點最遠的節點作為鏈尾，然后鏈尾比較網絡中離自己最近的節點加入到鏈中，節點依次加入直到加入鏈首，鏈首即為“首領節點”通過輪流擔當的方式，最終鏈首將融合后的數據發送給基站，至此完成一輪的成鏈過程（見圖1）。

2.3數據傳輸階段

一輪中，通過貪婪算法成鏈選舉出“首領節點”后，首領節點與基站進行通信的過程就是數據傳輸階段。數據傳輸過程可以使用令牌（Token）和時隙2種傳輸方式。假設網絡中只有5個節點，編號分別設為IJl，L2，L3，L4，L5，在本輪中選定L3為“首領節點”，令牌傳輸過程是首領節點L3向鏈中發送令牌，讓它通過L2傳播到端點L1，數據的傳播方向與令牌相反，當L3接收到融合后的返回數據，再向另一端L5發送令牌，當兩端的數據都到達后，首領節點將數據發送給基站節點，則本輪結束。時隙傳輸方式與令牌傳輸令牌不同，要求鏈上所有節點都保持同步傳輸。