無線傳感器網絡分簇路由協議的研究與應用*

(福建師范大學 閩南科技學院，泉州 362332)

引 言

無線傳感器網絡是一種新型的監測技術，該系統包括傳感器節點、匯聚節點以及管理節點三部分。在實際應用中，大量的傳感器節點被無人飛機等飛行器拋灑在指定的監測區域或者監測區域附近的區域，然后這些節點可以用自組織的方式來構建出一個無線網絡，再通過相互合作的方式來進行數據的實時監測，并在網絡覆蓋區域內收集和處理信息。傳感器節點所監測的數據是通過多跳通信傳輸的，在這個過程中，會有多個節點處理監測到的數據，然后將該監測信息通過衛星和互聯網傳送到管理節點。此時，用戶就可以根據傳送來的數據進行下一步的操作，可以傳達監測與收集整理數據的任務，當收到這些任務后，大量的節點就開始探測數據，并傳送給用戶。

1 無線傳感網絡路由協議

無線傳感網絡中進行數據交換時都是通過與傳統網絡不同的無線通信方式，這就導致傳統的通信技術不能直接應用到無線傳感網絡中。而對于傳統的無線網絡而言，網絡協議的首要任務是在通信目標移動的情況下，仍然能夠保證網絡的服務質量，在無線傳感網絡中，網絡協議設計的目標最重要的一點就是降低網內節點的通信能耗，從而延長網絡的工作壽命。此外，無線傳感網絡的應用場景眾多，各種應用都有不同的側重。在無線傳感網絡的研究中，需要對其路由協議進行設計與優化，使之能夠更好地適應無線傳感網絡的各類應用[13]。傳感器節點分為多個簇，每個簇都有自己的簇首，用于收集處理并傳送數據。這些簇首將收集到的數據再直接傳送給基站。

由于分簇路由協議將無線傳感網絡的路由機制化繁為簡，將一個網絡劃分為若干個子網絡，能夠很好地解決網絡通信過程中因為有節點失效而退出網絡、節點的移動或者是有新節點加入而帶來的拓撲變化帶來的問題，同時具有很好的可擴展性。除了網絡的可擴展性比較好之外，分簇路由協議還有一些其它優勢。

因為簇內通信的路由是在每個簇內建立起來的，所以每個節點所存儲的路由表也大大減少，這樣就節省了節點的存儲空間。其次，由于簇內的普通節點只需和簇首節點通信，這樣就節省了網內帶寬。由此可見，分簇路由協議對于無線傳感網絡的路由設計有很大的幫助。對于傳感器的供電裝置，在進行替換或者在傳感器任務周期內，能夠保證傳感器的正常工作。任務周期取決于應用背景，例如監視火山活動，需要傳感器工作數年之久，而鳥類孵化監視該類應用中，也許只要數月。以前的WSN數據采集網絡采集的數據格式較為單一，信息量少，因此在數據處理上所采用的方式也較為簡單。后來圖像、音頻等也被納入監測范圍。這些多媒體應用，在采集、處理和傳輸上，需要更大的數據處理能力，大存儲容量設備，同時也消耗更多的網內能量資源。

通常情況下，WSN網內傳感器由電池供電，當能量耗盡時必須更換電池或者對電池進行充電才能保證傳感器的正常工作。現階段，有參考文獻討論使用太陽能、風能等作為WSN的能源續航，但是這些方法轉換率低，且受環境因素限制。就硬件成本而言，給所有網內節點更換電池也不切實際。因此，WSN的生存周期主要取決于電源的生存周期。而研究也表明，路由協議的優化對于降低網內通信能耗、延長網絡壽命有著相當顯著的效果[11]。從圖1中可以看出，傳感器在不同模式下的能耗是不同的，而且在數據收發階段和節點空閑的時候，能耗明顯高于其它狀態，所以在不使用時，最好讓節點在休眠狀態下。

圖1 傳感器不同狀態能耗示意圖

2 無線傳感器分簇協議分析和比較

近年來研究人員就提出不同的無線傳感器網絡分簇路由協議。Heinzelman 等人最先提出均勻的分簇路由協議，稱為 LEACH協議[2]。這是針對無線傳感網絡提出的第一種分簇路由協議，在LEACH協議中，每輪數據收集開始前的階段,其中的小部分節點會被隨機地選為簇首[3]。數據收集時，簇首直接把自己的信息以單跳方式傳送至匯聚點。Lindsey 等人提出一種節點為鏈狀的算法，稱之為 PEGASIS 算法，在該算法中，數據先在鏈上處理，再傳輸至匯聚點[4]，該算法需要知道每個節點的位置信息。為了能夠最大化地延長網絡的存活時間，Dasgupta 等人就提出一種基于分簇的啟發式算法 ,但該算法比較繁冗，需要事先知道節點的位置與能量的信息[5]。Choi 等人提出兩階段分簇協議 TPC，在簇內構造多跳路由鏈路以節約能量[6]。Younis 等人提出一種HEED[7]算法，這是一種混合式的分簇協議，第一步是根據節點剩余能量的多少概率性地選取一部分候選簇首 ,第二步通過計算候選簇首在簇內通信時消耗能量的高低來最終確定簇首。后來，研究人員通過研究發現傳感器網絡多跳路由中的“熱區”問題，為了解決這一問題，Soro等人首次提出非均勻分簇的思想，通過非均勻分簇來解決這個問題[8]。

[8]中,假設網絡的拓撲結構是兩個環繞匯聚點同心圓，在這兩層圓中，內圓環需要承擔更多的數據接收與轉發的任務，因為在多條路由方式中，它離匯聚點的距離最近。在EECS[9]中，節點在選擇簇首時就不是簡簡單單地選擇距離自身最近的簇首節點，而且還要考慮候選簇首到匯聚點的距離遠近 ，構造出大小非均勻的簇，均衡簇首的能耗。在最小生成樹[10](UCRAMST)中，非均勻分簇簇首的選擇是根據剩余能量和距離來考量的，通過對路徑搜索建立最優傳輸途徑。在基于梯度的非均勻分簇算法中[11]，根據設置的梯度來設定競爭半徑，從而獲得密度并不均勻的簇頭分布，在節點密集的地方，簇頭也會密集一些。基于助理簇頭的持久化路由協議[12](ACPCR)首次提出最優助理簇頭的思想，助理簇頭可以代替簇首完成數據轉發等任務，來節省簇首的能量消耗。基于蟻群算法[13](ACA)的網路由協議通過螞蟻包發送的方式，所有節點都能夠獲得最新的網絡情況，并根據這一情況選擇下一步動作。

后來，Intanagonwiwat等人提出一種反向查詢的路由機制[14]。Schurgers等人提出一個基于梯度的路由算法——GBR ,并依據此算法設計一些節點調整的策略，以此來實現流量分布均衡[15]。但是這些查詢協議都有一定的局限性，它們只適用于單一數據的傳送，不適用于“多對一”的數據傳輸，因此，就不適合簇首與簇首之間數據的轉發使用。

下面就選取國內外一些典型的分簇路由協議，對其所采用的路由形成機制、路由特點進行分析與比較。

(1)LEACH(Low-EnergyAdaptiveClusteringHierarchy)

LEACH協議是針對無線傳感網絡提出的第一個分簇路由協議。在選取簇首節點的過程中，每個候選節點都會自發地在[0,1]之間產生一個隨機數，而網內又會生成一個閾值T(n)，若是產生的隨機數小于閾值T(n)，那么這個節點就會成為簇首節點。LEACH-C協議在簇首選舉上采用集中選舉的方式，并采用模擬退火算法來為網內選擇更加適合的簇首節點。

(2)HEED(HybridEnergy-EfficientDistributedClustering)

HEED協議在簇間通信上，采取了與LEACH協議不同的簇間多跳的路由方式來傳遞簇之間收集到的信息，這種簇間通信方式更加適合用于大規模的網站[16]。此外，HEED協議對于節點的拓撲結構和具體位置沒有提出特殊的需求。該協議主要完成以下4個任務：① 均衡網內能耗，延長網絡的工作壽命；② 分簇過程完成得比較快；③ 使得通信開銷盡可能得少；④ 簇首節點在網內合理分布，簇的分布比較緊湊。

在選取簇首節點的過程中，HEED協議需要參考兩個參數。一個參數與網內剩余能量相關，一個參數與簇群內部的通信開銷有關，稱之為平均可到達能量。根據第一個參數可以在網內選取出候選簇首節點，再通過第二個參數計算簇群內的通信開銷，選擇開銷比較小的進行成簇。

(3)APTEEN(AdaptivePeriodicThershold-sensitiveEnergyEfficientSensorNetwork,APTEEN)

APTEEN協議在成簇過程中采用集中式的控制思想，由基站來決定網內的簇首節點，簇首節點一旦決定，就可以通過廣播參數信息來成簇，且APTEEN經常形成多層簇結構[17]。APTEEN協議的優勢在于可以實現周期性的數據采集和及時響應特殊事件的應用場合。但是也存在不足，主要體現在構建多層簇在實際應用中難以實現，同時，協議內部的查詢機制和基于屬性的命名會給網絡帶來不小的通信能耗。

(4)CM[18](ClusteringwithMobility)協議

參考文獻[18]對LEACH協議進行改進。首先在成簇過程中，算法首先預測節點之間的距離，并根據簇群內節點之間的距離盡可能小這一原則將網內的非簇首節點分配給簇首節點。除此之外，該參考文獻還發現，當簇內沒有簇首節點產生的輪數中，LEACH協議的能耗會變得非常大，所以提出的協議通過兩種方法來解決這個問題：一種方案是只要監測到該輪沒有簇首節點被選舉出來，那么整個網絡直接跳過這一輪；另外一種就是固定每輪需要的簇首節點個數，并在簇內準備完成之前在此核對網內的簇首節點個數。

(5)DSC[19](Dynamic/StaticClusteringprotocol)協議

DSC協議是在LEACH-C的基礎上提出的一種協議，該協議規定，簇內的簇首節點每經過10輪才進行一次替換。通過仿真顯示，該協議在通信能耗、能量分布和網絡壽命等方面均優于LEACH-C協議。

(6)PBEACP[20](Priority-basedEnergyAwareandCoveragePreserving)

PBEACP根據網內節點的剩余能量為參考來選擇簇首節點，同時它會考慮節點的地理分布，來保證網內通信消耗能夠均衡。同時，它也保證即使在簇內節點死亡的情況下，也能保證簇首節點對網絡的覆蓋。但是它并未解決簇首節點死亡發生中的數據采集。

(7)2CRNDC[21](2-ConnectedRelayNodeDoubleCover)

2CRNDC通過給每個節點配備一個備用接力節點來保證，即時有節點死亡，剩余節點也能保證將采集到的數據傳出。

(8)EAFTICC[22](Energy-AwareandFaultTolerantInter-ClusterCommunicationbasedProtocol)

EAFTICC算法利用備用路徑來保證網內的通信在最大程度上不受節點死亡的影響。這個算法保證每個簇內至少有兩個節點來負責簇內通信，如果一個節點死亡，那么另一個節點就接替那個節點工作。該算法的獨特性在于使用了多路徑通信，如果一條通路上的節點發生錯誤，立刻啟用網內的備用節點來保證數據通道的暢通無阻。

(9)EERNT[23](Energy-EfficientRedundantNodesTree)

EERNT也是利用冗余節點來保證數據傳輸的可靠性。該算法通過在網內冗余節點之間生成樹，并將簇首節點收集到的數據傳送至離其位置最近的冗余節點。

(10)EDETA[24](Energy-efficientaDaptivehiErarchicalandrobusTArchitecture)

如果簇首節點死亡或者通信出問題的話，網內其余節點就不能及時將收集到的數據發送出去。于是EDETA協議根據其余節點的剩余能量和到簇首節點的距離，在簇內引入簇首節點的代替節點。該節點在簇內的任務就是時刻監視簇首節點的工作，如果簇首節點發生問題，它會立刻發現，于是它會在簇內廣播自己成為新的簇首節點。

(11)FLOC[25](FastLOcalClusteringservice)

FLOC采用分布式的方法產生網內簇首節點。它通過普通節點到簇首節點的距離將這些節點分為內部節點和外部節點。內部節點和簇首節點通信不受任何影響，但是外部節點的數據經常發生丟包。在FLOC中，通過心跳監聽的方式來判斷簇首節點是否正常工作。簇首節點在簇內周期性地廣播一條信息，如果網內有簇內節點沒能收到這個信息，那么此簇內節點就自動脫離這個簇群。等到所有簇內節點都脫離簇群后，選擇在新一輪組成新的簇群，或者就近加入別的簇群。

(12)EQoSa[26](EnergyandQoSawareMACforwirelesssensornetworks)

首先該算法通過線性規劃的方式，對安放中繼路由節點的位置進行最優化，以保證每個節點的覆蓋區域都至少有一個中繼路由節點。其次，該算法通過設定中繼節點的個數Ks來保證網絡的容錯性，這就保證了每個節點在數據傳輸過程中，即使有(Ks-1)個節點失效，那么仍舊有1個中繼節點可以繼續提供服務。

(13)FEED[27](Faulttolerant,EnergyEfficient,Distributedclustering)

FEED算法在每個簇群中都選取了一個簇首節點、一個樞紐節點(PCH, pivot CH)和一個監督節點(SN, Supervisor Node)。PCH是網內的異構節點，其所包含的能量更多。網內所有的PCH能覆蓋大部分的網絡，所以具備尋找網內路由的功能。SN是用來監督簇首節點或者PCH節點的，能夠在簇首節點或者PCH失效的時候及時替代它們的功能。

(14)MCAR[28](MAC-Congestion-AwareRouting)

該算法討論了在分簇網絡內出現擁塞的時候該如何處理網內擁塞。該算法中，網內時刻監視著是否有擁塞發生。若在網內某處有大量數據爆發的時候，網絡會為這些數據及時形成一條高優先級數據流量通道。通過犧牲網內低優先級數據的通信來緩解網內的擁塞。

(15)CEECA[29](ClusteringbasedEnergyEfficientCongestionAwareprotocol)

通過對數據包設置不同的優先級，再根據優先級的高低分配不同的路由表，通過這種方式，提高網內能量利用效率，并且能夠解除網內出現的擁塞。

(16)MOCA[30](Multi-hopOverlappingClsuteringAlgorithm)

MOCA算法中將網內的簇群組織設置為互相重疊的簇群，這么做的目的在于，無論這個節點的身份如何，都能保證此節點在n跳之內將數據傳送給一個簇首節點，而n跳的距離為預設的簇半徑。

上述各類分簇協議比較如表1所列。

表1 上述各類分簇協議比較

續表1

從表中的分簇協議對比中可以看出，這些常見的無線傳感網絡分簇協議都存在各自的優點和缺點，但是并不存在哪個路由協議在各方面的表現都是最好的，具體選用何種路由協議，還要參考具體的應用場景。就簇間路由而言，直接通信雖然算法實現簡單，但是考慮到有些簇首節點離基站比較遠，傳感器節點在發射功率上又存在一定的限制，其總體上的能耗小于使用直接通信的方式，但是導致靠近基站的簇首節點會承擔更多的轉發任務，所以這些區域的能量較其它區域而言下降得更加迅速，從而導致這些區域的節點因為能量耗盡而過早失效，網內連通性變差。而就路由協議的目的而言，(1)～(8)提出的協議目的在于如何在聯通網絡獲取最佳的數據傳輸路徑，而(9)～(16)的路由協議更注重無線傳感網絡服務質量的問題，即當網內通信出現問題時候，如何及時發現問題并解決。

3 無線傳感器網絡設計的關鍵問題

無線傳感網絡的工作周期被記為“輪”(round)，每一輪被進一步分為簇階段和穩定階段。在每一輪中，每個簇都是新生成的，簇首節點從此前未擔任過簇首的候選節點中產生。根據仿真可知，該簇首節點選擇機制可以很好地保證網內都有足夠的候選節點來充當簇首節點，在每輪當中，未當選為簇首節點的候選節點都有很大的幾率會被選為簇首節點。目前傳感器網絡設計中關鍵技術主要包含以下幾點：

(1)網絡拓撲控制

因為無線傳感網絡為自組織網絡，網絡拓撲會因為多種因素而隨機改變。所以，對于無線傳感網絡的拓撲控制有特別的意義。由于無線傳感網絡的分布具有隨機性，其面對的應用場景有所不同，所以一般不存在一個最優拓撲能夠適應所有無線傳感網絡的應用，在不同的應用場景下需要對無線傳感網絡的拓撲做不同的優化。

(2)時鐘同步技術

時鐘同步技術是無線傳感網絡的一項主要支撐技術。無線傳感網絡的時鐘同步技術一般情況下會面臨網內有限能耗、節點制作成本和節點體積大小等多方面的約束，所以在研究時鐘同步技術的同時，一般也應該考慮技術的節能型、可擴展性等要求。

(3)網絡覆蓋與網絡規劃

由于傳感節點的隨機布散，在傳感監測區域中會存在監測“空洞”或者監測區域重疊的問題，這些都會降低無線傳感網絡在監測應用中的表現。同時，節點能源有限、軟件錯誤或者其它外界因素，都有可能會導致網內節點的死亡，這樣網內的聯通度就會降低，同時網絡監測區域的范圍也會減小。所以網絡覆蓋性這一指標對于無線傳感網絡的有效性非常重要，保證網絡的覆蓋對于網絡的魯棒性也非常重要。

(4)數據融合技術

在建立無線傳感網絡的時候，為了保證網絡的覆蓋、數據采集的實時性與網絡的魯棒性，常常會在某區域內遍布大量傳感器節點，以保證檢測的區域能夠相互重疊，但這也導致在傳感器密度比較高的區域，采集到的信息具有很高的相關性。如果將這些采集到的數據不加處理就直接傳送，就會占用大量網絡資源，而數據融合就是采用一定的算法，強化公共信號，濾去不相關的噪聲信息，使來自不同信息源的數據進行聚合以產生更加精確的信息，同時也能節約一部分網內能量。

(5)網絡安全技術

網絡安全因素也是在設計無線傳感網絡過程中需要考慮的因素之一。無線傳感網絡必須引入有效的安全機制以防止網絡被未授權的接入或者惡意攻擊而破壞，而有些對網絡最底層的物理攻擊方式更為直接粗暴，而這些手段對網絡造成的危害也難以在短時間內修復。綜上所述，網絡攻擊的方式紛繁復雜，而攻擊的對象都有各自的側重。

分簇路由協議通信主要分為以下幾個步驟：①簇首節點選擇;②成簇階段;③簇間路由形成;④能量控制。LEACH協議是最早提出的分簇路由協議，主要存在“能量熱區”問題，因為簇首節點承擔過多通信任務，能耗總是急遽下降，主要存在幾個問題：

① 協議中簇首節點的生成過程過于隨機，導致簇首節點可能在網內部分不均勻。簇首節點分布不均勻導致的后果就是，如果簇首節點所在區域的節點部分過于稀疏，就會大量增加簇內通信的開銷；若是簇首節點之間的距離過于緊密，網內簇群的劃分對網內通信的改善并無多大的效果。

② 簇首節點的個數是指定的，這在小型的網絡中可以適用，但是對于大型的網絡，網內拓撲復雜多變，再對簇首節點的個數進行指定就不合適。

③ 簇首節點與基站之間能夠直接通信，若是選舉出的簇首節點在遠離基站的位置，而此時簇首節點將簇內手機的大量數據直接發送給基站的話，該簇首節點的通信能耗會非常巨大，從而導致節點迅速死亡。

結 語

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