無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由協(xié)議探究

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1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由協(xié)議探究　　摘要介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由協(xié)議的相關(guān)技術(shù)及其優(yōu)點，總結(jié)了近年來提出的各種分簇協(xié)議及主要設(shè)計思想.首先介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇協(xié)議的相關(guān)技術(shù)及優(yōu)點；然后介紹了近幾年代表性的分簇路由算法研究工作，并且對其涉及的主要方法進(jìn)行分類分析；最后進(jìn)行了各種分簇路由協(xié)議的綜合比較，并指出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由協(xié)議面臨的問題和挑戰(zhàn)以及今后的發(fā)展方向。關(guān)鍵詞無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇算法路由協(xié)議無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是一種無線自組織網(wǎng)絡(luò)，它包含成百上千的傳感器節(jié)點，每一個節(jié)點有感知環(huán)境、執(zhí)行簡單的計算與其他臨近節(jié)點或基站（asestation

2、，簡稱BS）直接通信的能力，能在事先沒有構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的環(huán)境下，由傳感器節(jié)點臨時組成的一種自組織、自管理的網(wǎng)絡(luò)[1，2]。路由是指從源節(jié)點選擇一條節(jié)能、距離短的路徑到目的節(jié)點，在形式上，可以將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)看做無向圖，從源節(jié)點到目的節(jié)點選擇一條最短的路徑是一個復(fù)雜組合問題（即NP完全問題）[3]，這其中要考慮很多因素，諸如：能量消耗、數(shù)據(jù)包傳輸時延、能量有效性。由于傳感器節(jié)點的電源能量、計算能力和通信能力都非常有限，所以節(jié)能路由協(xié)議的設(shè)計，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說極其重要。7近來，科學(xué)界對無線傳感器網(wǎng)路分簇協(xié)議[4]進(jìn)行了深入的研究，分簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由于具有良好的

3、網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性，便于能量管理、平衡負(fù)載、資源分配等，成為目前國內(nèi)外延長WSN生命周期、降低每一個節(jié)點的能耗的主要方法之一。1分簇算法相關(guān)的技術(shù)1.1定位技術(shù)位置信息是傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點采集數(shù)據(jù)中不可缺少的部分，沒有位置的監(jiān)測信息通常是毫無意義的，因此定位技術(shù)對于要求有精確位置信息的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇協(xié)議來說具有重要的意義。根據(jù)定位過程中是否測量節(jié)點間的距離和角度，把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的定位技術(shù)分為基于距離的定位技術(shù)和距離無關(guān)的定位技術(shù)。1.1.1基于距離的定位技術(shù)基于距離的定位機(jī)制是通過測量相鄰節(jié)點間的實際距離或方位來確定位置節(jié)點的位置，通常采用測距、定位和修正等步驟

4、實現(xiàn)?；诰嚯x的定位機(jī)制分為基于TOA[5]的定位、基于TDOA[1]的定位、基于AOA[6]的定位和基于RSSI[7]的定位等。1.1.2距離無關(guān)的定位技術(shù)7距離無關(guān)的定位機(jī)制無須實際測量節(jié)點間的絕對距離或方位就能夠確定未知節(jié)點的位置，目前提出的定位機(jī)制主要有質(zhì)心算法[1]、DV-Hop[8]算法、Amorphous[9]算法和APIT[10]算法等。1.2同步技術(shù)時間同步是需要協(xié)同工作的傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇協(xié)議的一個關(guān)鍵機(jī)制。目前已提出了多個時間同步機(jī)制，其中RBS、TINY/MINI-SYNC和TPSN被認(rèn)為是三個基本的同步機(jī)制。（1）RBS機(jī)制[11，12

5、]是基于接收者-接收者的時鐘同步：一個節(jié)點廣播時鐘參考分組，廣播域內(nèi)的兩個節(jié)點分別采用本地時鐘記錄參考分組的到達(dá)時間，通過交換記錄時間來實現(xiàn)他們之間的時鐘同步。（2）TINY/MINI-SYNC是簡單的輕量級的同步機(jī)制[1]：假設(shè)節(jié)點的時鐘漂移遵循線性變化，那么兩個節(jié)點之間的時間偏移也是線性的，可通過交換時標(biāo)分組來估計兩個節(jié)點間的最優(yōu)匹配偏移量。（3）TPSN[13，14]采用層次結(jié)構(gòu)實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的時間同步：所有節(jié)點按照層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行邏輯分級，通過基于發(fā)送者——接收者的節(jié)點對方式，每個節(jié)點能夠與上一級的某個節(jié)點進(jìn)行同步，從而實現(xiàn)所有節(jié)點都與根節(jié)點的時間同步

6、。1.3數(shù)據(jù)融合技術(shù)7數(shù)據(jù)融合技術(shù)[15]是指從各個傳感器節(jié)點收集數(shù)據(jù)的過程中，可利用節(jié)點的本地計算和存儲能力處理數(shù)據(jù)的融合，去除冗余信息。目前數(shù)據(jù)融合技術(shù)已經(jīng)在目標(biāo)跟蹤、目標(biāo)自動識別等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在無線傳感器分簇網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計中，只有面向應(yīng)用需求設(shè)計具有針對性的數(shù)據(jù)融合方法，才能最大限度地獲益。2基于分簇的傳感器路由協(xié)議的優(yōu)點與傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議相比，基于分簇的無線傳感器路由協(xié)議優(yōu)點有[16，17]：（1）自適應(yīng)性：通過簇頭節(jié)點的周期性輪換以及簇成員的加入或者退出來實現(xiàn)持續(xù)的監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集。（2）節(jié)能性：由于基站遠(yuǎn)離網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點與基站的通信是

7、能耗最高的操作，對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分簇后，簇頭負(fù)責(zé)將整個簇的數(shù)據(jù)發(fā)送到基站，減少了與基站通信的節(jié)點數(shù)，大大降低了網(wǎng)絡(luò)能耗。（3）消除數(shù)據(jù)冗余：WSN中存在著大量的數(shù)據(jù)冗余，簇頭在將本簇的數(shù)據(jù)發(fā)送到基站之前可進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和壓縮操作以消除冗余，進(jìn)一步減少與基站的通信量。（4）魯棒性：節(jié)點通過一種自組織的方式當(dāng)選為簇首，收集當(dāng)前簇內(nèi)信息并在融合后轉(zhuǎn)發(fā)給基站，把網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均勻的分布在整個網(wǎng)絡(luò)中，大大降低了通信過程中的能量消耗，也增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的健壯性。（5）局部/全局優(yōu)化：與其他路由協(xié)議相比，分簇算法不僅能夠?qū)植啃畔⑦M(jìn)行融合優(yōu)化，而且還能夠?qū)θ中畔⑦M(jìn)行優(yōu)化。7（6）可擴(kuò)展性

8、：分簇算法容易與其他路由算法相結(jié)合，從而提高路由算法