基于節(jié)能的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究

姜　波　張榮福

摘 要：路由協(xié)議是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分,節(jié)能是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計(jì)所要解決的首要問(wèn)題。重點(diǎn)深入分析了低功耗路由協(xié)議LEACH和PEGASIS,總結(jié)了它們各自的優(yōu)缺點(diǎn),同時(shí)簡(jiǎn)單介紹了其他幾種典型的路由協(xié)議,并對(duì)所述路由協(xié)議進(jìn)行了綜合對(duì)比,最后,總結(jié)了路由協(xié)議能量?jī)?yōu)化的方法。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；路由協(xié)議；節(jié)能；LEACH協(xié)議；PEGASIS協(xié)議

中圖分類(lèi)號(hào)：TN915 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X(2009)01-026-04

Research on Energy-saving Routing Protocol for Wireless Sensor Network

JIANG Bo,ZHANG Rongfu

(University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai,200093,China)

Abstract：Routing protocol is a very important part of wireless sensor network,saving energy is the first problem in routing protocol design for wireless sensor network.This paper focuses on in-depth analysis of the low-power routing protocols LEACH and PEGASIS,then their respective advantages and disadvantages are summarized,and several other typical routing protocols are introduced briefly,and routing protocol described in the text are compared together.Finally,the routing protocol energy optimization approach is indicated.

Keywords：wireless sensor network;routing protocol;energy-saving;LEACH protocol;PEGASIS protocol

0 引 言

傳感器技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線通信等技術(shù)的進(jìn)步,推動(dòng)了具有現(xiàn)代意義的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生和發(fā)展。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展了人們的信息獲取能力,將客觀世界的物理信息同傳輸網(wǎng)絡(luò)連接在一起,在下一代互聯(lián)網(wǎng)中將為人們提供最直接、最有效、最真實(shí)的信息。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有十分廣闊的應(yīng)用前景,能應(yīng)用于軍事國(guó)防、工農(nóng)業(yè)控制、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)、搶險(xiǎn)救災(zāi)、防恐反恐、危險(xiǎn)區(qū)域遠(yuǎn)程控制等諸多領(lǐng)域。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的基本原則就是要以節(jié)能為前提。傳統(tǒng)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的首要設(shè)計(jì)目標(biāo)是提高服務(wù)質(zhì)量和高效帶寬利用,其次再考慮節(jié)約能源；而傳感器的首要設(shè)計(jì)目標(biāo)是能源的高效利用,這是傳感器網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的最重要的區(qū)別之一,能量問(wèn)題是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心問(wèn)題。傳感器節(jié)點(diǎn)由電池供電,而目前的技術(shù)水平下電池容量難以有大幅度提高,而且在許多應(yīng)用中,更換電池是不現(xiàn)實(shí)的(如軍事應(yīng)用),因此這就要求WSN路由協(xié)議必須以節(jié)約能源為主要目標(biāo),最大限度地延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。

1 低功耗路由協(xié)議

1.1 LEACH協(xié)議

LEACH(Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy)是MIT的Chandrakasan等人為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的低功耗自適應(yīng)分層路由算法［1］。它的基本思想是以循環(huán)的方式隨機(jī)選擇簇頭節(jié)點(diǎn),將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量負(fù)載平均分配到每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)中,從而達(dá)到降低網(wǎng)絡(luò)能源消耗,提高網(wǎng)絡(luò)整體生存時(shí)間的目的。LEACH在運(yùn)行過(guò)程中不斷地循環(huán)執(zhí)行簇的重構(gòu)過(guò)程。每個(gè)簇重構(gòu)過(guò)程可以用“輪”的概念來(lái)描述。每個(gè)輪可以分成兩個(gè)階段：初始化和穩(wěn)定工作兩個(gè)階段。為了避免額外的處理開(kāi)銷(xiāo),穩(wěn)定階段一般持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間。

初始化階段即簇的形成階段。在每一輪的初始化階段,每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都要決定自己是否充當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)。這個(gè)決定主要取決于網(wǎng)絡(luò)中所需要的簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)(在初始化的時(shí)候設(shè)置)和迄今為止該節(jié)點(diǎn)已成為簇頭節(jié)點(diǎn)的次數(shù)。簇頭節(jié)點(diǎn)必須從那些沒(méi)有當(dāng)過(guò)簇頭節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)中選擇,直到網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都當(dāng)過(guò)簇頭節(jié)點(diǎn),然后再進(jìn)行重新選舉,所有節(jié)點(diǎn)獲得再次成為簇頭的機(jī)會(huì)。簇頭節(jié)點(diǎn)的選擇辦法是：每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選擇0～1之間的一個(gè)值,如果選定的值小于某一個(gè)閾值T(n),那么這個(gè)節(jié)點(diǎn)成為簇頭節(jié)點(diǎn)。T(n)值的計(jì)算方法如下：

T(n)=p1-prmod1p, n∈G

0,其他(1)

其中,p是網(wǎng)絡(luò)中簇頭節(jié)點(diǎn)所占節(jié)點(diǎn)數(shù)目的百分比,r為當(dāng)前的輪數(shù),G是一個(gè)集合,集合中的節(jié)點(diǎn)是前1/p輪中沒(méi)有充當(dāng)過(guò)簇頭節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)。使用這個(gè)門(mén)限,每個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)在1/p輪操作內(nèi)充當(dāng)一次簇頭節(jié)點(diǎn),符號(hào)mod是求模運(yùn)算符號(hào)。

在第0輪的時(shí)候(r=0),每個(gè)節(jié)點(diǎn)充當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)的概率為p,在第0輪充當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)在后面1/p輪中不能再次充當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)。這樣,剩下的節(jié)點(diǎn)的數(shù)目變少了,所以能夠充當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)的概率必須增加才能保證每一輪中的簇的個(gè)數(shù)保持均衡。在經(jīng)過(guò)1/p-1輪以后,T=1,此時(shí)對(duì)于任何一個(gè)在過(guò)去的1/p中還沒(méi)有做過(guò)簇頭節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn),都可以成為簇頭節(jié)點(diǎn),因?yàn)樗泄?jié)點(diǎn)的標(biāo)志值都在0~1之間。經(jīng)過(guò)1/p輪之后,所有節(jié)點(diǎn)又可以重新充當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)了。

一旦簇頭節(jié)點(diǎn)被選定,它們就使用相同的能量向網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)廣播一個(gè)廣告包。在這個(gè)過(guò)程中,其他非簇頭節(jié)點(diǎn)的接收機(jī)一直處于工作狀態(tài),以便接收來(lái)自不同簇頭的廣告包,它們根據(jù)最小通信能量原則,選取信號(hào)最強(qiáng)的廣告包的發(fā)送源節(jié)點(diǎn)作為自己的簇頭節(jié)點(diǎn),并發(fā)送消息給其簇頭節(jié)點(diǎn),告訴簇頭節(jié)點(diǎn)自己已經(jīng)加入該簇。

當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)收到了來(lái)自成員節(jié)點(diǎn)的“報(bào)道”消息后,根據(jù)成員節(jié)點(diǎn)的數(shù)目,產(chǎn)生一個(gè)TDMA的時(shí)隙表,告訴成員在什么時(shí)刻可以發(fā)送數(shù)據(jù)。這個(gè)表會(huì)通過(guò)廣播到達(dá)成員節(jié)點(diǎn),由于形成了簇的結(jié)構(gòu),成員節(jié)點(diǎn)只與自己的簇頭節(jié)點(diǎn)通信,如果收到來(lái)自其他節(jié)點(diǎn)的消息,會(huì)自動(dòng)屏蔽掉。因此不用擔(dān)心簇頭節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙表被其他簇的成員錯(cuò)誤接收。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的簇已經(jīng)形成,而且TDMA時(shí)隙表也確定下來(lái),就開(kāi)始了數(shù)據(jù)傳送。成員節(jié)點(diǎn)只能在TDMA時(shí)隙表為其分配的時(shí)隙內(nèi)與簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。假設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)總是有數(shù)據(jù)要發(fā)送,在屬于自己的時(shí)隙里,成員節(jié)點(diǎn)會(huì)把數(shù)據(jù)發(fā)送給自己的簇頭節(jié)點(diǎn)。在發(fā)送階段,在自己的時(shí)隙沒(méi)有到來(lái)的時(shí)候成員節(jié)點(diǎn)可以關(guān)閉自己的收發(fā)機(jī)以節(jié)省能量。而簇頭節(jié)點(diǎn)必須一直使自己的接收機(jī)處于開(kāi)啟狀態(tài),用于接收來(lái)自不同成員節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。當(dāng)一輪的數(shù)據(jù)傳輸完畢后,簇頭節(jié)點(diǎn)會(huì)進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)融合處理,將多個(gè)數(shù)據(jù)融合成一個(gè)數(shù)據(jù),然后發(fā)送給基站。持續(xù)一段時(shí)間以后,網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始進(jìn)入下一輪的工作周期。

LEACH協(xié)議運(yùn)用了數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)和分層動(dòng)態(tài)路由技術(shù),通過(guò)本地的聯(lián)合工作來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性和魯棒性,通過(guò)數(shù)據(jù)融合來(lái)減少發(fā)送的數(shù)據(jù)量,通過(guò)隨機(jī)選擇簇頭節(jié)點(diǎn)來(lái)達(dá)到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部負(fù)載均衡的目的,進(jìn)而大大節(jié)約了能量。

盡管LEACH協(xié)議具備以上優(yōu)點(diǎn),但也存在一些不足之處。

(1) 由于LEACH算法假定所有節(jié)點(diǎn)能夠與匯聚節(jié)點(diǎn)直接通信,并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具備支持不同MAC協(xié)議的計(jì)算能力,因此該協(xié)議不適合在大規(guī)模的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。

(2) LEACH算法是讓網(wǎng)絡(luò)中自組織的形成簇,由于簇頭節(jié)點(diǎn)是隨機(jī)產(chǎn)生的,這樣無(wú)法保證簇頭節(jié)點(diǎn)的合理分布。因此,很有可能出現(xiàn)被選擇的簇頭節(jié)點(diǎn)集中在網(wǎng)絡(luò)中某一區(qū)域的現(xiàn)象,這樣就會(huì)使得一些節(jié)點(diǎn)的周?chē)鷽](méi)有任何簇。

(3) LEACH算法忽略了被選簇頭在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的分布狀態(tài)和節(jié)點(diǎn)間不同的通信距離而導(dǎo)致的節(jié)點(diǎn)能量損耗的不平衡。

1.2 PEGASIS協(xié)議

PEGASIS(Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems)協(xié)議是在LEACH基礎(chǔ)上改進(jìn)設(shè)計(jì)的［2］。PEGASIS算法的主要思想是在傳感器網(wǎng)絡(luò)中形成一條覆蓋所有節(jié)點(diǎn)的“鏈”,節(jié)點(diǎn)從它的一邊的鄰居節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù),然后將接收到的數(shù)據(jù)和自身的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理之后形成一個(gè)與原來(lái)數(shù)據(jù)包同樣大小的新數(shù)據(jù)包,再將得到的新數(shù)據(jù)包發(fā)送給它的另外一邊的鄰居節(jié)點(diǎn),以此類(lèi)推,數(shù)據(jù)最終被傳到一個(gè)“領(lǐng)導(dǎo)”節(jié)點(diǎn),由這個(gè)“領(lǐng)導(dǎo)”節(jié)點(diǎn)把數(shù)據(jù)發(fā)送給基站。節(jié)點(diǎn)充當(dāng)“領(lǐng)導(dǎo)”節(jié)點(diǎn)與基站通信是輪流的,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都充當(dāng)過(guò)“領(lǐng)導(dǎo)”節(jié)點(diǎn)后,節(jié)點(diǎn)再進(jìn)行新一回合的輪流通信。

在PEGASIS算法中,“鏈”的形成過(guò)程是整個(gè)通信的關(guān)鍵?！版湣钡男纬刹捎玫姆椒ㄊ牵汗?jié)點(diǎn)發(fā)送能量遞減的測(cè)試信號(hào)通過(guò)監(jiān)測(cè)應(yīng)答來(lái)確定離自己最近的相鄰節(jié)點(diǎn)。通過(guò)這種方式,網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)能夠了解彼此的位置關(guān)系,找到自己的鄰居節(jié)點(diǎn),每一輪通信中節(jié)點(diǎn)只需要與自己的鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。為確保每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有其相鄰節(jié)點(diǎn),從離基站最遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)開(kāi)始構(gòu)建,鏈中鄰居節(jié)點(diǎn)的距離會(huì)逐漸增大,因?yàn)橐呀?jīng)在鏈中的節(jié)點(diǎn)不能被再次訪問(wèn)。依次下去,最終形成一條包含網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的鏈。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)鏈形成并且選舉出領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)后,就開(kāi)始了數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程。PEGASIS中的數(shù)據(jù)傳輸使用Token(令牌)機(jī)制,如圖1所示。Token很小,故能耗較少。在一輪通信中,領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)用Token控制數(shù)據(jù)從鏈尾開(kāi)始傳輸。圖中,C2為領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn),將Token沿著鏈傳給C0,CO傳數(shù)據(jù)給C1,C1將C0數(shù)據(jù)和自身數(shù)據(jù)進(jìn)行融合后形成一個(gè)相同長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)包,再傳給C2。然后,C2將Token傳給C4,C2以相同的方式接收來(lái)自C3,C4的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)在C2處進(jìn)行融合后,發(fā)給基站。

圖1 鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)示意圖

PEGASIS是在LEACH基礎(chǔ)上建立的路由協(xié)議,PEGASIS比LEACH節(jié)省能量主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1) 在本地?cái)?shù)據(jù)聚合階段,PEGASIS算法中每個(gè)節(jié)點(diǎn)只與離自己最近的鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信,而不是像LEACH算法一樣需要與簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信,PEGASIS算法大大減小了每輪通信中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信距離,從而降低了每個(gè)節(jié)點(diǎn)在每一輪通信中所消耗的能量。

(2) LEACH算法中,一個(gè)簇頭要接收多個(gè)簇成員節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù),而PEGASIS算法中,一個(gè)領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)最多只需要接收2個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)包。

(3) 在每一輪通信中,PEGASIS算法只有1個(gè)領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)與基站通信,而LEACH中則有多個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)與基站通信。PEGASIS也存在一些不足之處：節(jié)點(diǎn)維護(hù)位置信息(相當(dāng)于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔?需要額外的資源,在網(wǎng)絡(luò)全局信息比較難以獲得的情況下就不合適了,而且領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)的惟一性使得其成為整個(gè)通信過(guò)程的瓶頸。

2 其他典型路由協(xié)議

2.1 SPIN協(xié)議

SPIN(Sensor Protocols for Information via Negotiation)協(xié)議［3］的設(shè)計(jì)思想是：每個(gè)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)前通過(guò)協(xié)商來(lái)確定其他節(jié)點(diǎn)是否需要該數(shù)據(jù)；同時(shí),節(jié)點(diǎn)通過(guò)“元數(shù)據(jù)”確定接收數(shù)據(jù)中是否有重復(fù)信息存在。節(jié)點(diǎn)通過(guò)3種消息進(jìn)行通信：ADV(數(shù)據(jù)描述),REQ(數(shù)據(jù)請(qǐng)求)和DATA(數(shù)據(jù))。源節(jié)點(diǎn)在傳送DATA信息之前,首先向相鄰節(jié)點(diǎn)廣播包含DATA數(shù)據(jù)描述機(jī)制的ADV信息,需要該DATA信息的鄰節(jié)點(diǎn)向信息源發(fā)送REQ請(qǐng)求信息,源節(jié)點(diǎn)在收到REQ信息后,有選擇地將DATA信息發(fā)送給相應(yīng)的鄰節(jié)點(diǎn)。收到DATA后,該鄰節(jié)點(diǎn)可以作為信息源,按照前述過(guò)程將DATA信息繼續(xù)傳播到網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)。該協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)是：ADV消息減輕了內(nèi)爆問(wèn)題；通過(guò)數(shù)據(jù)命名解決了交疊問(wèn)題；節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身資源和應(yīng)用信息決定是否進(jìn)行ADV通告,避免了資源利用盲目的問(wèn)題,進(jìn)而有效地節(jié)約了能量。其缺陷是：當(dāng)產(chǎn)生或收到數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)的所有鄰節(jié)點(diǎn)均不需要該數(shù)據(jù)時(shí),將導(dǎo)致數(shù)據(jù)不能繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā),會(huì)使較遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)無(wú)法得到數(shù)據(jù)。

2.2 DD協(xié)議

DD(Directed Diffusion)是Estrin等人專(zhuān)為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的路由協(xié)議［4］。匯聚節(jié)點(diǎn)將查詢(xún)?nèi)蝿?wù)封裝成興趣消息(interest)的形式,采用洪泛方式傳播興趣消息到其他節(jié)點(diǎn),興趣消息用來(lái)表達(dá)用戶對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)感興趣的信息。在興趣消息的傳播過(guò)程中,協(xié)議逐跳地在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上建立反向的從數(shù)據(jù)源到匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸梯度。節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)沿著梯度方向傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)。定向擴(kuò)散的最大特點(diǎn)是引入網(wǎng)絡(luò)梯度的概念,其優(yōu)勢(shì)在于擴(kuò)散過(guò)程能夠?qū)凑战?jīng)驗(yàn)選取的較優(yōu)路徑緩存以實(shí)現(xiàn)節(jié)能,并且提高節(jié)點(diǎn)間的有效性、魯棒性和協(xié)作的可擴(kuò)展性。

2.3 GEAR協(xié)議

GEAR(Geographical and Energy Aware Routing)是一種典型的地理位置路由協(xié)議［5］。該算法的提出基于以下思想：在傳感器網(wǎng)絡(luò)中向適當(dāng)區(qū)域發(fā)送查詢(xún)時(shí),此查詢(xún)數(shù)據(jù)中包含了位置屬性信息,因此,可以利用這一信息將在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中擴(kuò)散的信息傳送到適當(dāng)?shù)奈恢脜^(qū)域中。該算法引入了預(yù)估費(fèi)用(estimated cost)和學(xué)習(xí)費(fèi)用(learning cost),通過(guò)比較兩者值的大小來(lái)選取更接近匯聚節(jié)點(diǎn)的傳感器節(jié)點(diǎn)作為下一跳。GEAR利用能量和地理信息作為啟發(fā)式選擇路徑向目標(biāo)區(qū)域傳送數(shù)據(jù),它是在DD的基礎(chǔ)上提出的,但由于GEAR只考慮向某個(gè)特定區(qū)域發(fā)送興趣,而不是像DD那樣發(fā)布到整個(gè)網(wǎng)絡(luò),因此,GEAR相對(duì)DD更加節(jié)省能量。

2.4 SAR協(xié)議

SAR(Sequential Assignment Routing)協(xié)議是一個(gè)典型的具有QoS意識(shí)的路由協(xié)議［6］。該協(xié)議通過(guò)構(gòu)建以匯聚節(jié)點(diǎn)的單跳鄰節(jié)點(diǎn)為根節(jié)點(diǎn)的多播樹(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的多跳路徑,即匯聚節(jié)點(diǎn)的所有下一跳鄰節(jié)點(diǎn)都以自己為根創(chuàng)建生成樹(shù),在創(chuàng)建生成樹(shù)過(guò)程中考慮節(jié)點(diǎn)的時(shí)延,丟包率等QoS參數(shù)以及最大數(shù)據(jù)傳輸能力,這樣就反向建立了到匯聚節(jié)點(diǎn)的具有不同QoS參數(shù)的多條路徑。SAR的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是綜合考慮了能效和QoS,仿真結(jié)果表明,與只考慮路徑能量消耗的最小能量度量協(xié)議相比,SAR的能量消耗較少。

3 路由協(xié)議對(duì)比分析

節(jié)能是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)最重要的特征,因而高效地利用能量是無(wú)限傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計(jì)的根本出發(fā)點(diǎn)。LEACH和PEGASIS具備很好的節(jié)能策略,SPIN,DD,GEAR,SAR 也分別具備相應(yīng)的節(jié)能策略。但是,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用高度相關(guān),所以路由協(xié)議在節(jié)能的前提下還要滿足以下方面的性能要求：以數(shù)據(jù)為中心、支持?jǐn)?shù)據(jù)融合、基于節(jié)點(diǎn)定位、具有可擴(kuò)展性、魯棒性、提供QoS支持等。依據(jù)上述性能指標(biāo),對(duì)描述的路由協(xié)議特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比的結(jié)果如表1所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

深入分析了低功耗路由協(xié)議LEACH及PEGASIS,希望能對(duì)以后LEACH及PEGASIS協(xié)議的改進(jìn)起到一定的推動(dòng)作用。在綜合所述的路由協(xié)議基礎(chǔ)之上,總結(jié)出以下幾種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議能量?jī)?yōu)化方法：

(1) 數(shù)據(jù)融合。節(jié)點(diǎn)通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,降低網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷(xiāo),節(jié)省能量。

(2) 數(shù)據(jù)命名。數(shù)據(jù)命名機(jī)制能高度搜索用戶所需數(shù)據(jù),避免數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的重復(fù)發(fā)送,降低了網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷(xiāo)。

(3)局部協(xié)商技術(shù)。協(xié)商技術(shù)能夠有效地避免由于

節(jié)點(diǎn)間重復(fù)地收發(fā)大量冗余信息所造成的能量浪費(fèi)。

(4) 隨機(jī)路由選擇。路由協(xié)議支持到目的地的低開(kāi)銷(xiāo)多種路由會(huì)使網(wǎng)絡(luò)負(fù)載趨于平衡,延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。除了能量高效,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議還存在一些挑戰(zhàn),如QoS和帶寬的高效利用,在能量有效性的前提下提供對(duì)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的支持,網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題等。這些問(wèn)題將在以后的工作中繼續(xù)深入研究。

參考文獻(xiàn)

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［6］Sohrabi K,Gao J,Ailawadhi V,et al.Protocols for Self- organization of a Wireless Sensor Network［J］.IEEE Personal Communications,2000,7(5):16-27.

作者簡(jiǎn)介

姜 波 男,1983年出生,安徽潁上人,碩士研究生。研究方向?yàn)槎叹嚯x無(wú)線通信與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。

張榮福 男,1971年出生,安徽廬江人,副教授,博士。研究方向?yàn)樾畔⑻幚砑夹g(shù)。