无线传感器网络分簇路由协议研究

无线传感器网络分簇路由协议研究

为了满足人们的通信需求，无线网络已侵入人们的生活。随着通信技术、嵌入式计算技术、信息处理技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟,集数据采集、处理、数据传输和通信等为一体的无线传感器网络(wirelesssensornetworks,WSN)引起了人们极大的重视。无线传感器网络在环境与军事监控、地震与气候预测,以及外层空间探索等许多方面都有广泛的应用前景。由于无线传感器网络的节点采用微型电池供电,且放置在恶劣的环境中工作,一般很难进行充电或是替代,系统的能量资源非常有限,因此,研究和设计满足能量有效性的通信协议是无线传感器网络技术迫切需要解决的问题。1分簇式路由协议在WSN中,路由协议从网络拓扑结构的角度可以分为平面路由协议和分簇路由协议。在平面路由协议中,所有传感器节点都是平等的,通过局部操作和反馈信息来生成路由。平面路由协议的优点是,简单、易扩展、不易产生瓶颈效应。典型的平面路由协议有泛洪(flooding)、闲聊(gossiping)、DD(directeddiffusion)、SAR(sequentialassignmentrouting)和SPIN(sensorprotocolsforinformationvianegotiation)。其缺点是,缺乏对通信资源的优化管理,每个节点都需要知道到达其他所有节点的路由,维护动态变化的路由需要大量的控制信息。在分簇路由协议中,网络被划分为多个簇。每个簇由一个簇头和多个簇成员节点组成,低一级网络的簇头是高一级网络中的簇内成员,由最高层的簇头与基站BS通信。在分簇的拓扑管理机制下,网络中的节点可以划分为簇头节点和成员节点。在每个簇内,根据一定的规则选取某个节点作为簇头,用于管理或控制整个簇内成员节点,协调成员节点之间的工作,负责收集成员节点采集的数据并进行融合,然后发送给更高层次的簇。典型的分簇路由协议有LEACH(low-energyadaptiveclusteringhierarchy),在该协议上发展了很多分簇路由协议,如TEEN(thresholdsensitiveenergyefficientsensornetworkprotocol)、PEGASIS(power-efficientgatheringinsensorinformationsystem)和HEED(hybridenergy-efficientdistributedclustering)等。分簇式路由协议有层次之分,簇头节点和成员节点在数据传送过程中执行的任务和所起的作用不同,分簇式路由较之平面路由有如下优势:(1)分簇式路由消耗能量少,且能量消耗的分布均匀,能有效地延长网络寿命、平衡网络负载。(2)分簇式路由协议通过减少参与路由计算的节点数目,减少路由表尺寸,降低交换路由信息所需的通信开销和维护路由表所需的内存开销。(3)分簇路由是基于某种簇形成的策略,选举产生一个较为稳定的子网络,从而减少拓扑结构变化对路由协议带来的影响。(4)簇头节点对簇内节点进行管理,能方便地向基站传达节点的信息。另外,基站通过簇头节点可以有效地向网络中其他节点发送命令。2无线传感器网络的edo2.1打造wsn分簇路由WSN是以通信为核心的网络,它与传统的以计算为核心的网络是不同的,属于无基础设施的无线AdHoc网络。但它又不同于AdHoc网络,主要是WSN节点能量有限。在WSN中,最早提出的分簇路由协议是LEACH协议。LEACH协议的基本思想为,通过随机循环选择簇头,将整个网络的能量负载平均分配到每个传感器节点。LEACH的执行过程是周期性的。每轮循环的基本过程是,在簇的建立阶段,每个节点选取一个介于0和1之间的随机数,如果这个数大于某个阈值,则该节点成为簇头。然后,簇头向所有节点广播自己成为簇头的消息,依据接收信号的强度,节点选择自己所要加入的簇,并告知相应的簇头。在数据传输阶段,基于时分复用的方式,簇头为其中的每个成员分配通信时隙,簇内的所有节点按照TDMA(时分复用)时隙向簇头发送数据,簇间采用码分多址(code-divisionmultipleaccessing,CDMA)的方式减小相互干扰。不同的簇采用不同的正交码同时进行扩频传输,簇头将数据融合之后把结果发给基站。持续一段时间以后,整个网络进入下一轮工作周期,重新选择簇头并建立簇。从LEACH协议可以看出,簇头的产生是簇形成的基础,簇的路由即簇的数据传输依赖于簇的结构。它们是WSN分簇路由协议设计的关键技术,三者紧密相关。所有的WSN分簇路由算法都是围绕如何选择簇头,如何成簇,如何传输数据来延长网络生命周期而设计的。迄今为止,国内外已经研究出许多优秀的算法,笔者就目前WSN主要的分簇路由协议,从分簇路由协议设计的3个关键技术,分别讨论各个阶段不同的实现算法。2.2集群领导的出现2.2.1簇头数目的影响从LEACH协议可知,簇头节点的数目对网络周期存在一定的影响。如果选出的簇头节点数目过少,那么一个簇所覆盖的区域会过大,成员节点到簇头节点距离就会较远,传输数据造成的损耗会很大,簇头节点会很快死亡;如果选出的簇头数目过多,那么簇头所耗的能量远远大于非簇头节点,簇头数目过多会导致整个网络节点在每轮路由中总的耗能增大;簇头数目过多还会导致数据融合效率降低,产生过多不必要的数据融合。为了延长网络周期,簇头需要更新。目前的簇头选择算法一般需考虑以下因素:①节点的剩余能量;②簇头到基站的距离;③簇头的位置分布,包括连通度和覆盖度;④簇内通信代价。然而从均衡节点的能量消耗以延长网络的存活这个目标来看,先前的研究主要集中于均衡簇成员节点之间的能量消耗,没有考虑到簇首间的能量消耗均衡问题。2.2.2网络分布不均匀MECH(maximumenergyclusterhead)中指出:在LEACH协议选择簇头的过程中,仅仅根据一个随机数和某个阈值就确定簇头,这样会造成簇头在网络中分布不均匀,如图1所示。MECH在选择簇头上做了很大的改进。每个节点广播Hello给其邻居节点,每个节点记录自己邻居节点的个数,若节点的邻居数达到一个数目(CN)时,就开始向所有节点广播自己当选簇头的消息,所有节点根据收到信号的强度来决定加入哪个簇。MECH的簇头选择算法的特征是,簇头的分布均衡;最大化簇头能量;网络负载平衡。相对LEACH来说,MECH能产生分布更加均匀的簇头。但是,MECH同时也存在缺陷,如需要控制更多的信息,这样,它才能得到分布更加合理的拓扑结构和多层路由树。2.2.3eeuc算法特点EEUC(energy-efficientunevenclustering)是一种能量有效的非均匀分簇算法。它利用非均匀的竞争半径,使得靠近汇聚点的簇的成员数目相对较小,从而簇首能够节约能量以供数据转发使用,达到均衡簇首能量消耗的目的。此外,在簇首选择其下一个节点时,不仅考虑候选节点相对汇聚点的位置,还应考虑候选节点的剩余能量。EEUC的特点如下:①非均匀分簇的分布式算法;②不同于LEACH,簇首通过局部竞争的方式产生,且不同于HEED,算法无需迭代;③为簇首间进行多跳数据转发。实验结果表明,该路由协议有效地解决了多跳路由通信方式下簇首能量消耗不均衡的问题,优化了网络中各节点的能量消耗,显著地延长了网络的存活时间。2.3bccdp的原理路由协议中每个簇的形成通常是基于传感器节点的保留能量和与簇首的接近程度。大部分都是像LEACH一样,根据收到信号的强度决定加入哪个簇,在这种情况下,若网络节点分布不均匀,则可能造成各个簇大小不等,最终导致簇头负载不均衡。因此,簇的大小对网络生命周期也起着决定性的作用。BCDCP(base-stationcontrolleddynamicclusteringprotocol)是一种分布式的产生簇头算法。通过基站计算出整个网络节点的平均能量值,节点能量大于平均能量值的节点作为候选簇头,在候选簇头中选择两个距离最远的节点。由这两个节点分别形成两个簇,使得簇内成员数尽量保持相等。接着分别在这两个簇中按照上述方法继续产生簇头,形成簇,直到达到要求的簇个数。簇的形成选择需要考虑簇的大小,簇间的干扰以及簇的均衡负载。BCDCP不局限于节点的能量,这有利于加快簇头的竞争;簇内成员数几乎都接近,使得簇头之间负载平衡。BCDCP在簇形成标准上与LEACH不同。实验结果表明:BCDCP成簇速度更快,能形成更加合理的簇,簇间能量负载均衡,产生良好的网络拓扑。2.4ddosbc主要模型根据相关文献对多层体系式通信网络结构的研究可知:通信的花费是随着网络层数的增加而降低的。同理将其应用到无线传感器网络中,随着分层数目的增加,节点能量的消耗也会相应降低,但是,如果分层的数目过多,则可能会造成系统的额外开销。DDBC(directeddiffusionbasedonclustering)采用被动分簇策略来简化网络拓扑,将LEACH的分簇思想引入定向扩散中。网络中只有3种状态的节点:簇头节点、普通节点和网关节点。网络路由的建立由汇节点发出的消息在簇头间泛洪,建立从源节点到汇节点的路由。数据的传输是,簇头节点—网关节点—簇头节点。DDBC有一个很大的突破就是将平面式路由和层次式路由结合起来,可以实现两个临近簇间的多跳,减少簇头间由于距离较大而消耗过多的能量,使得在节点更多的情况下,依旧保持良好的性能,适合大规模的无线网络。3各种协议最优上述协议都是针对特定的应用而设计的,在不同的环境中表现出各自的特色和优势,因此不能绝对地判断哪种协议最优。在表1中,笔者从9个方面对上述协议进行比较:A为簇头的产生;B为簇的形成;C为簇头均匀分布;D为簇的负载均衡;E为临近簇头间多跳;F为是否支持节点移动;G为簇的维护开销;H为路径选择;I为选择最优路径。4多跳通信技术近年来,针对WSN,虽然研究人员提出了多种传感器网络的分簇协议,但是依旧存在不足,需要更深入地研究。(1)簇内多跳通信。在现有分簇算法中,簇内通常采用的是单跳通信,而簇间采用多跳的方式。但仔细分析,这种设计方法存在一定的缺陷,因此,簇内通信采取单跳的方式并不是一种最好的选择,这需要根据具体的网络状况来决定。(2)簇大小的调节。簇间的多跳通信有时会造成簇首之间的能量分布不均,这时缩小簇半径,就会减少簇内成员数目,可以减轻簇内能量消耗负担,保留一部分能量用于簇间的通信,从而使网络中的节点能量消耗分布相