无线传感器网络的路由协议的研究和改进

无线传感器网络的路由协议的研究和改进

摘要：随着无线通信和数字电子技术的发展，由低成本、低功耗、多功能的无线传感节点组成的无线传感器网络得到了迅速发展，并在医疗、环境监测、军事等各种领域的应用中崭露头角，成为国内外学术界的研究热点。本文分析研究了无线传感器网络路由协议设计和系统节能两个热点问题，并提出了改进方案。

关键词：无线传感器网络;路由协议;能耗;聚类

Abstract: along with the wireless communication and digital electronic technology development, the low cost, low power consumption, multi-function wireless sensor node of wireless sensor network obtained a rapid development, and in medical treatment, environment monitoring, military and other areas in the application of up-and-coming, become the domestic and foreign academic circles the world. The paper studies the wireless sensor network routing protocol design and system energy saving two hot topics, and presents the improvement plan.

Keywords: wireless sensor network; Routing protocol; Energy; clustering

0引言

随着半导体技术和通信技术的发展，无线传感器网络逐渐走入人们的生活。通过无线传感器网络，人们可以快捷的收集到所感兴趣的各种信息。无线传感器网络将在军事侦察、环境监测、医疗监护、农业养殖和空间探索领域得到更加广泛的应用。这就涉及到了信息传输的问题，一个合理路由协议的设计是整套系统能正常工作的关键。

1无线传感器网络结构和特点

在不同应用中，传感器网络节点的组成不尽相同，但一般都由数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元和电源这4部分组成。

在传感器网络中，节点通过自组织方式构成无线网络，以协作的方式感知、采集和处理网络覆盖区域中特定的信息，可以实现对任意地点信息在任意时间的采集，处理和分析，并通过多跳中继方式将数据传回sink节点（接收发送器），最后借助sink链路将整个区域内的数据传送到远程控制中心进行集中处理。典型的无线传感器网络包括分布式传感器节点、sink节点、互联网和用户界面等。

由于其特殊的系统结构，无线传感器网络具有以下特点：

(1) 超大的网络规模，节点众多；

(2) 对新加入的节点自动识别，自动配置网络；

(3) 单一节点资源受限，计算能力较弱；

(4) 网路健壮性要求高，个别节点受损或休眠不会影响全局任务的进行；

(5) 节点的电源有限，对工作在无人区或恶劣环境中的节点更换电源难度大。

2无线传感器网络路由协议

2.1路由协议分类

无线传感器网络的路由协议大致可以分为两类：平面路由协议和聚类路由协议。

平面路由协议需要维持路由表，在大规模网络中，这样的路由表维持需要消耗大量的存储空间，同时发送信息中所包含的路由信息也会引起通信负担的加重。典型的平面路由协议有洪泛法、闲聊法、SPIN(sensor protocol for information via negotiation)和定向扩散。

在聚类路由协议中，网络通常被划分为聚类(cluster)，每个聚类由一个类首和多个类成员组成，低一级网络的类首是高一级网络中的类成员。类首节点不仅负责类内信息的收集和聚合处理，还负责类间数据转发。聚类路由协议中类的形成通常是基于节点的能量和其与类首间的距离。为了延长整个网络的生存期，类首节点需要周期更新。聚类路由的优点是便于管理，可以对系统变化做出快速反应，能够提供高质量的通信服务。

2.2路由协议能耗问题

在无线传感器网络的大多数应用中，补充能量存在一定难度。同时，因为节点的尺寸限制，其中所储能量也是有限的。因此，设计有效的策略延长网络的生命周期是无线传感器网络的核心问题。这里主要针对聚类路由协议进行研究。

在传感器网络中类的应用，使得位于类首骨干上的节点有高于平均的能耗，因为它们对信息的流通进行了分段，从而有了较高的占空比，针对该问题MIT的Chandrakasan等人提出了LEACH(Low Energy Adaptive C1ustering Hierarchy)协议，它随机地在网络节点轮换类首使网络有较为均匀的能量负载。每“轮”，所有网络节点选择一个0，1之间的随机数，如果随机数低于一个动态阈值，节点选择它自己为类首，然后，通过CSMA MAC协议广播这个结果，其它节点依据接收的信号的强度选择相应的类。与一般的平面多跳路由协议和静态聚类算法相比，LEACH可以将网络生命周期延长l5％，LEACH关注了类首的能耗问题，

但对于一个给定节点所属区域在形成随机类时若没有类首产生所产生的网络划分问题，LEACH没有解决。

3节能路由协议设计

3.1路由协议的设计要点

第一，传感器网络随应用需求而变化，所以，传感器网络路由协议是基于特定应用进行设计的，很难设计通用性强的路由协议；第二，传感器网络邻近节点间采集的数据具有相似性，存在冗余信息，需经数据聚合处理再进行路由；第三，传感器网络是基于属性进行寻址的，不需给每一个节点分配唯一地址；第四，传感器网络节点能量有限，所以路由设计一般将能效高放在第一位，将服务质量放在第二位考虑。

3.2聚类路由协议的设计改进

鉴于聚类路由协议比平面路由协议具有更好的服务质量和节能效果，以下主要针对聚类路由协议中的不足之处提出改进意见。

(1) 最优类首数选择。

由于考虑的网络拓扑时多跳的聚类结构体系，首先设定传感器节点均为相似的二维空间λ泊松分布，则可得最优的节点成为类首的百分数为：

式中，（a：区域边长的二分之一）。

由上式可得聚类中类首的个数，从而可得聚类的个数M。

(2) 类首的选择。

类首的选择需考虑的是最小化聚类内的能量消耗，以及动态选择类首以避免单个类首的能量耗尽。通过中心式区域划分固定，网络中的每个节点可以有三个属性表列ID、CID、P，它们分别对应节点的标识，聚类的标识，节点剩余的能量。在第一轮，类首可以由sink 点指定，主要为实现聚首内的能量消耗最小。在新的一轮开始之后，除先前类首之外的所有节点向先前的类首报告各自的P 值，然后依据P 值来决定新的类首。此时，可令P 值最大的节点作新的类首，然后先前的类首变成普通节点，从而实现能量均衡。

(3) 聚类的形成。

类首确定后，考虑到本文实现的是聚类内的多跳通信，并且节点之间可以实现数据聚合，因此要实现传输距离的最小化以及避免hot spots的出现，从而在达到在最小化能量消耗的基础上平衡节点的剩余能量水平，最大化网络生存时间。该方案主要体现在聚类内的路径的建立及多跳的中继点的选择上。

中继节点可以应用到多跳协议中，从而实现节点剩余能量的平衡及对服务质量的考虑。由于数据相关性，本节点的数据可以与上一跳节点的数据相聚合后再传送，从而减少数据传输量。

(4) 数据的传输。

收集数据如果使用“直接传输”，即每个节点都将采集的数据直接发到类首领，当节点与首领距离较远时耗能较大。协议采用每个节点都只与自己的相邻节点直接通信，通过多跳中继将数据传送给首领。通过在类内节点中形成一棵路由树的方法来减少数据报在转发过程中的总跳数。

4结束语

随着人们对无线传感器网络的研究与应用的进一步加深，无线传感器网络路由协议的设计已成为一个全新的网络技术热点，吸引了越来越多的技术人员的关注与研究。本文讨论了无线传感器网络的能耗问题，并对网络协议设计提出来节能方面的改进。希望够抛砖引玉，对从事相关研究与设计的技术人员有所帮助和启发，进一步推动无线传感器网络技术在国内相关领域内的应用。

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注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。