無線傳感器匯聚節(jié)點研究現(xiàn)狀

摘 要：現(xiàn)在大部分傳感器節(jié)點依然用電池來提供能量，并且節(jié)點往往都是布置在一些難以到達的地方，單匯聚節(jié)點往往因為擔(dān)負更多的任務(wù)，而使能量很早就耗盡，致使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的整體壽命結(jié)束。因此，本文通過對單匯聚節(jié)點分析，幾種多匯聚節(jié)點算法分析研究，表明了多匯聚節(jié)點部署能大大改善能量消耗，延長網(wǎng)絡(luò)的整體使用時間。

關(guān)鍵詞：無線傳感器;匯聚節(jié)點;能量消耗

隨著社會的飛速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)許多地方都扮演著重要的角色。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在軍事國防、交通運輸、環(huán)境監(jiān)測、能源設(shè)施等方面都有很好的應(yīng)用。無線傳感網(wǎng)絡(luò)由很多節(jié)點組成，節(jié)點隨機或者確定的分布到要監(jiān)測的環(huán)境中，部署在里面的普通節(jié)點通過相互合作，把感知到的信息進行采集，處理，融合然后再傳給匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點再通過基站傳到因特網(wǎng)上供用戶查看，處理，完成目標的監(jiān)測。

一、匯聚節(jié)點簡介

在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，匯聚節(jié)點也是sink節(jié)點，又叫做網(wǎng)關(guān)節(jié)點。[1]普通節(jié)點會把感知到的周圍環(huán)境情況例如溫度，水分等的信息發(fā)送給匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點則會用無線或有線的方式再把采集到的信息傳送給外網(wǎng)，起著兩者之間的橋梁作用。

二、單匯聚節(jié)點分析

在過去的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，人們往往采用單匯聚節(jié)點來進行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與外網(wǎng)的聯(lián)系，單匯聚節(jié)點在傳感器網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮著重要的作用，但單匯聚節(jié)點依然存在一些弊端：

（1）因為匯聚節(jié)點往往部署在環(huán)境惡劣的地方，往往會受到這些環(huán)境的影響，進而受到損壞，這時候普通節(jié)點的信息就不能傳給匯聚節(jié)點，無法繼續(xù)進行下去，造成通信中斷;

（2）在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，普通節(jié)點都會把收集到數(shù)據(jù)通過單跳或者多跳的方式向匯聚節(jié)點處發(fā)送，匯聚節(jié)點附近的節(jié)點勢必就會消耗更多的能量，造成“能量空洞”，影響整個網(wǎng)絡(luò);

（3）普通節(jié)點能采集到不同的環(huán)境因素，不同的用戶有著不同的因素選擇，所以在網(wǎng)絡(luò)中設(shè)立單個匯聚節(jié)點往往不能很好的引導(dǎo)數(shù)據(jù)流方向，滿足不同用戶的需求;

（4）單匯聚節(jié)點的很多路由協(xié)議，要求簇頭節(jié)點直接和匯聚節(jié)點通信，由于在無線傳感網(wǎng)中，節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)消耗的能量和節(jié)點間的距離成正比，所以那些距離單匯聚節(jié)點很遠的傳感器節(jié)點為了和匯聚節(jié)點通信，就會消耗很多的能量，長距離傳輸還會產(chǎn)生信號干擾的問題。

三、多匯聚節(jié)點研究現(xiàn)狀

（一）基于蟻群算法的多向多sink節(jié)點路由算法

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)常常因為單匯聚節(jié)點在數(shù)據(jù)傳輸方面壓力大，而引進多匯聚節(jié)點，并且想辦法提升匯聚節(jié)點周圍的普通節(jié)點的壽命，來進一步加長整個網(wǎng)絡(luò)的壽命。文獻[2]中針對網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸方向不一樣，提出了多向多匯聚節(jié)點網(wǎng)絡(luò)，就是普通節(jié)點收到不同的信息，根據(jù)種類傳給對應(yīng)的匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點再把這些信息傳給對應(yīng)的數(shù)據(jù)中心，對這些數(shù)據(jù)進行處理。這種網(wǎng)絡(luò)中，普通節(jié)點需要找到不同的匯聚節(jié)點來傳達信息，就類似與螞蟻找食物的的過程。網(wǎng)絡(luò)中把節(jié)點設(shè)定為“食物”和“蟻巢”;路由查詢數(shù)據(jù)包為“螞蟻”，螞蟻分為精英螞蟻和普通螞蟻，路由表為信息素。精英螞蟻由匯聚節(jié)點出發(fā)，來建立網(wǎng)絡(luò)中的路由樹，因為它身體內(nèi)帶有很多的信息素，網(wǎng)絡(luò)中很多普通節(jié)點通過和該類螞蟻的相遇建立路由表;普通螞蟻有傳感器普通節(jié)點出發(fā)，當(dāng)?shù)竭_精英螞蟻建立的路由樹時，就相當(dāng)于一次查詢，普通螞蟻走過的路徑就相當(dāng)于子樹，子樹和精英螞蟻走過的路由樹是相互連通的，所以這樣一來，就相當(dāng)于每個普通節(jié)點都能通過匯聚節(jié)點形成的樹把信息傳給匯聚節(jié)點，形成相連的路由。通過建立精英螞蟻狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)則;精英螞蟻信息素更新規(guī)則;普通螞蟻狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)則;普通螞蟻信息素更新規(guī)則以及一系列的算法和仿真，再與 GBR 算法進行了對比，文章證實了可以利用蟻群算法建立多向多匯聚節(jié)點網(wǎng)絡(luò)的路由，這種主動傳輸是可行的，并且比GBR更加的高效，節(jié)約了更多的時間，對網(wǎng)絡(luò)壽命的延長起到了很大作用。

（二）多sink網(wǎng)絡(luò)中基于蟻群優(yōu)化的QOS保障多徑路由算法

文獻[3]中這種算法是對于多匯聚節(jié)點網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量（QOS）保障要求，利用網(wǎng)絡(luò)的實時性，帶寬，以及延遲等，以路徑的延遲、最低剩余能量、帶寬等當(dāng)做評價因素，通過對匯聚節(jié)點的負載能力綜合的評估，選擇更為適合的數(shù)據(jù)傳輸路徑來進行傳輸，并且以Matlab 為仿真平臺，對所提出的算法進行了仿真分析。結(jié)果表明，這種算法能很好的平衡網(wǎng)絡(luò)負載能耗，延長網(wǎng)絡(luò)生命。

（三）多sink網(wǎng)絡(luò)中提出一種能耗均衡的動態(tài)分簇算法

在文獻[4]中，對于多匯聚節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)，研究了與能耗緊密相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)劃分和路由協(xié)議。同樣為了解決能量消耗問題，提出了均衡網(wǎng)絡(luò)能耗與流量的網(wǎng)絡(luò)劃分，先利用最近 K鄰居集合劃分了多匯聚節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)范圍，接著再根據(jù)節(jié)點個數(shù)做出相應(yīng)的調(diào)整，然后在多匯聚節(jié)點網(wǎng)絡(luò)中提出能耗均衡分簇劃分。還要根據(jù)節(jié)點到簇質(zhì)心的距離，簇內(nèi)節(jié)點剩余能量，節(jié)點與匯聚節(jié)點的距離，選出最適合的節(jié)點擔(dān)當(dāng)簇頭，簇頭輪換機制把簇頭所需要消耗的能量合理的分給了適合的節(jié)點，還能恰當(dāng)?shù)恼{(diào)整簇的相對位置，均衡各種簇的能量消耗。節(jié)點以單跳方式在簇內(nèi)傳播，減少了能量消耗。簇頭會根據(jù)拓撲結(jié)構(gòu)的需要，在簇間的數(shù)據(jù)傳達過程中選擇合適的候選路徑，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量均衡，選出最合適的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點和路徑。最后，用仿真軟件證實了該算法能很好的均衡節(jié)點能量，增加網(wǎng)絡(luò)壽命。

四、結(jié)語

在當(dāng)前數(shù)據(jù)對人們越來越重要的年代，環(huán)境數(shù)據(jù)的測量日益重要，但由于有的環(huán)境很復(fù)雜，單匯聚節(jié)點雖然依舊很重要，但已不適合特殊的需要，而多匯聚節(jié)點會在未來很好的彌補單匯聚節(jié)點的不足，與其相輔相成，能夠更好地服務(wù)于社會。

參考文獻：

[1]周淑俐.基于增強學(xué)習(xí)的多sink無線傳感網(wǎng)路由機制研究[D].南京郵電大學(xué)，2012.

[2]李琳，雷康，李小三.網(wǎng)絡(luò)多向多sink節(jié)點WSN路由算法[J].西北大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013，43（02）：214-218.

[3]張軍強，王汝傳.多SINK的無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法[J].計算機技術(shù)與展，2017，27（07）：20-24.

[4]程遠.多sink點WSN中均衡能耗與流量的網(wǎng)絡(luò)劃分和路由算法研究[D].中南大學(xué)，2012.

作者簡介：何亞光（1994-），河南舞鋼人，貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院碩士，主要從事無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的研究。