基于簇結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由研究綜述*

李 堯，滑 楠，田羅庚，王 荃

(1.空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院，西安 710077;2.解放軍95482部隊，成都 610081;3.西安通信學(xué)院，西安 710106;4.解放軍93995部隊，西安 710306)

1 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)的最初設(shè)想是由美國軍方于1978年提出，它是由具備一定的運算、存儲和無線通信能力的體積小、資源極端受限的傳感器節(jié)點構(gòu)成的。WSN融合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、分布式信息處理和通信技術(shù)[1］，能夠通過節(jié)點對復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行實時的監(jiān)測、感知并對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理從而得到準(zhǔn)確的信息。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有廣泛的應(yīng)用前景，包括了醫(yī)療、軍事、家庭等許多領(lǐng)域[2］。作為物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，也被認(rèn)為是21世紀(jì)最重要的技術(shù)之一。

與其他已有的信息網(wǎng)絡(luò)不同，WSN規(guī)模較大，動態(tài)性較強，傳感器節(jié)點的能量、通信能力、計算和存儲能力等有限，很難由人工對大量傳感器節(jié)點進(jìn)行精確的部署和管理，需要結(jié)合其特性，利用一種合適的模型和方法對其進(jìn)行設(shè)計和分析，以提高其可靠性和運行效率，完成既定應(yīng)用目標(biāo)。目前WSN的主要研究內(nèi)容集中在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議方面，其主要目標(biāo)是在保證數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)幕A(chǔ)上通過合理的路由協(xié)議來降低節(jié)點的能量消耗，從而達(dá)到延長網(wǎng)絡(luò)生命周期的目的。本文從優(yōu)化方式、適用場景、監(jiān)測類型等方面對部分分簇路由協(xié)議進(jìn)行分析，并提出對路由協(xié)議影響最為重要的幾個因素，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的設(shè)計提供一定參考。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議分類

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要是由sink節(jié)點和大量傳感器節(jié)點組成，傳感器節(jié)點將感知到的信息通過一定的路由協(xié)議匯集到sink節(jié)點，如圖1所示。用戶只需要從sink節(jié)點來獲取有用的信息。

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of wireless sensor network

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)和蜂窩網(wǎng)絡(luò)在路由協(xié)議方面有較大區(qū)別和更多的要求，這是由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點所決定的:

(1)傳感器節(jié)點受到能量、處理能力和存儲空間的嚴(yán)格限制，因此節(jié)點需要精細(xì)的資源管理;

(2)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要將節(jié)點感知到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絪ink節(jié)點;

(3)路由協(xié)議的設(shè)計需要根據(jù)具體的應(yīng)用;

(4)當(dāng)傳感器節(jié)點部署好后，其位置基本不發(fā)生變化，因此網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般不會改變;

(5)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，采集到的數(shù)據(jù)有很高的概率會存在冗余，必須通過路由協(xié)議來消除，以提高能量和帶寬利用率。

因此，設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議時要充分考慮它的這些特點，同時盡量降低能量消耗提高網(wǎng)絡(luò)的生存時間。在目前的路由協(xié)議研究中，從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面看可以分為平面路由協(xié)議和分簇路由協(xié)議兩大類。

在平面路由協(xié)議中，節(jié)點的地位是平等的。其優(yōu)點是網(wǎng)絡(luò)中不存在特殊的節(jié)點，路由協(xié)議的魯棒性較好，通信流量平均分散在整個網(wǎng)絡(luò)中;缺點是可擴展性較差，并且網(wǎng)絡(luò)規(guī)模受限。

在分簇路由協(xié)議中，網(wǎng)絡(luò)被劃分為簇的結(jié)構(gòu)，每一個簇都是由一個簇頭和多個簇節(jié)點構(gòu)成，簇頭是由不用的選舉算法選舉產(chǎn)生，它負(fù)責(zé)將簇內(nèi)的信息進(jìn)行融合處理后向更高一級傳遞，以此來減少通信開銷。簇結(jié)構(gòu)可以擴展到不止兩層，但是要保證每一層都遵守相同的通信原則。

分簇路由具有的可擴展性強、能量利用高效、數(shù)據(jù)融合簡單等優(yōu)點[3］使其成為當(dāng)前的研究重點，本文也主要對分簇路由協(xié)議進(jìn)行研究。

3 分簇路由協(xié)議研究成果

目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)方面的分簇路由協(xié)議研究主要有以下幾種類型:一是專門對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由的研究，提出了明確的路由協(xié)議或者對已有路由協(xié)議進(jìn)行優(yōu)化，如文獻(xiàn)[4－7，9－11，13－16］;二是研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的其他問題時對路由中的一些問題進(jìn)行討論，如文獻(xiàn)[17－22］，這雖然不是路由研究的主要目的，但是討論的成果可以在路由協(xié)議的設(shè)計中進(jìn)行借鑒。本文主要對第一類中有代表性的文獻(xiàn)進(jìn)行分析。在專門針對WSN路由的研究又可以分為兩類，一類偏重于對路由拓?fù)渌惴ê蛥f(xié)議的設(shè)計上，另一類偏重于對路由協(xié)議的優(yōu)化。

3.1 網(wǎng)絡(luò)路由拓?fù)浞矫嫜芯砍晒?/h3>

LEACH(Low－Energy Adaptive Clustering Hierarchy)[4］是最早提出的分簇路由協(xié)議，也是最為經(jīng)典的WSN路由協(xié)議。LEACH協(xié)議中，節(jié)點通信按輪進(jìn)行，每輪開始從節(jié)點中隨機產(chǎn)生多個簇頭(簇頭輪流擔(dān)任)，從而使節(jié)點能量消耗均勻。節(jié)點擔(dān)任簇頭后向所有節(jié)點廣播自己成為簇頭的消息，每個節(jié)點根據(jù)接收到廣播信號的強弱來決定加入哪個簇，并將數(shù)據(jù)傳給簇頭，再由簇頭將數(shù)據(jù)融合后轉(zhuǎn)發(fā)給sink節(jié)點，這樣既降低了數(shù)據(jù)量又縮短了單跳的傳輸距離。但是，LEACH算法也有不足之處:由于簇頭隨機產(chǎn)生導(dǎo)致簇頭分布不均勻有可能發(fā)生“熱區(qū)”現(xiàn)象或者某些節(jié)點附近沒有簇頭;簇頭選擇時沒有考慮節(jié)點的剩余能量，可能某個當(dāng)選簇頭的剩余能量不足以完成整個通信過程，使整個簇的數(shù)據(jù)丟失;簇頭與sink節(jié)點直接進(jìn)行通信，當(dāng)簇頭遠(yuǎn)離sink節(jié)點時通信開銷會很大，導(dǎo)致簇頭節(jié)點過早死亡。

PEGASIS(Power－Efficient Gathering in Sensor Information Systems)[5］是在 LEACH 協(xié)議基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)，它利用貪婪算法將所有傳感器節(jié)點連接成一條鏈，在鏈上選取一個節(jié)點作為簇頭，簇頭兩側(cè)的鏈將數(shù)據(jù)融合后通過簇頭傳輸給sink節(jié)點。PEGASIS協(xié)議將縮短單跳距離的原則做到了極致，節(jié)點只與離自己最近的節(jié)點成鏈。仿真結(jié)果表明，PEGASIS與LEACH協(xié)議相比，網(wǎng)絡(luò)的壽命可以延長1倍，但是遠(yuǎn)端節(jié)點的數(shù)據(jù)要傳到sink節(jié)點需要經(jīng)過許多中間節(jié)點，這會引起較大的傳輸延遲，不適用于實時性要求比較高的環(huán)境。同時，整個網(wǎng)絡(luò)只有一個簇頭，所有數(shù)據(jù)都要從此簇頭傳輸，對簇頭節(jié)點的能量消耗會非常大，尤其是對距離sink節(jié)點較遠(yuǎn)的簇頭節(jié)點來說。

LEACH－P[6］算法結(jié)合了 LEACH協(xié)議和 PEGASIS協(xié)議的優(yōu)點，簇頭選擇依照LEACH協(xié)議的原則，并加入一個閥值，從而避免了簇頭節(jié)點在通信過程中死亡的情況。簇頭之間利用PEGASIS協(xié)議成鏈的思想，簇頭根據(jù)貪婪算法成鏈，這樣也解決了大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)部署情況下簇頭距離sink節(jié)點過遠(yuǎn)導(dǎo)致的開銷過大的問題，同時克服了PEGASISI協(xié)議實時性差的問題。

文獻(xiàn)[7］根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時按正六邊行進(jìn)行分簇效果更佳[8］的特點，以合適的邊長完成初步的六邊形分簇，如圖2所示，根據(jù)簇內(nèi)的節(jié)點數(shù)進(jìn)行分簇優(yōu)化，再由節(jié)點的剩余能量選擇簇頭以及傳輸路徑。

圖2 正六邊形分簇結(jié)構(gòu)Fig.2 The regular hexagon structure of cluster

文獻(xiàn)[9］提出了一種新的網(wǎng)絡(luò)分簇和數(shù)據(jù)匯聚方法，即CABSM算法，將整個網(wǎng)絡(luò)劃分為正方形的單元格，每個單元格為一個簇并生成一個一級簇頭，簇頭由剩余能量最多的節(jié)點擔(dān)任，負(fù)責(zé)簇內(nèi)數(shù)據(jù)收集和融合。一級簇頭通過簇間數(shù)據(jù)匯聚方法將數(shù)據(jù)發(fā)送給二級簇頭，二級簇頭選取時綜合考慮節(jié)點的剩余能量和與sink節(jié)點的通信能耗，二級簇頭再將整個網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)發(fā)送給sink節(jié)點。

3.2 路由協(xié)議優(yōu)化方面研究成果

HEED[10］(Hybrid Energy － efficient Distributed Clustering)是對LEACH協(xié)議的優(yōu)化，它指出了一種能量消耗模型，當(dāng)節(jié)點成功發(fā)送n比特數(shù)據(jù)到距離為d的位置時，消耗的能量為

式中，Eelec表示節(jié)點發(fā)射裝置發(fā)送和接收單位比特數(shù)據(jù)時消耗的能量，d0表示單跳通信的距離閥值，Efs表示d＜d0條件下節(jié)點放大器將單位比特數(shù)據(jù)傳送單位距離所消耗的能量，Emp表示d≥d0條件下節(jié)點放大器將單比特數(shù)據(jù)傳送單位距離所消耗的能量。

從公式可以看出，節(jié)點的能量消耗既跟傳輸?shù)谋忍財?shù)有關(guān)，也跟傳輸?shù)木嚯x有關(guān)，并且當(dāng)傳輸距離較近時，能量消耗與d2成正比，當(dāng)傳輸距離較遠(yuǎn)時，能量消耗與d4成正比。它還提出延長生命周期、可擴展性和負(fù)載平衡是WSN中3個重要的需求，可以通過平均整個網(wǎng)絡(luò)的能量消耗來延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。HEED主要是對簇頭的選擇進(jìn)行優(yōu)化，依據(jù)主、次兩個參數(shù):主參數(shù)是剩余能量，用來決定簇頭集合，剩余能量多的節(jié)點成為簇頭的概率也較大;次參數(shù)主要是簇內(nèi)通信代價，決定節(jié)點最終屬于哪個簇。

文獻(xiàn)[13］根據(jù)節(jié)點的剩余能量和整個網(wǎng)絡(luò)的平均剩余能量來選擇簇頭，剩余能量多的節(jié)點當(dāng)選簇頭的概率較大，以達(dá)到均衡各節(jié)點能耗的目的。文獻(xiàn)[14］提出了一種能量自適應(yīng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，使得在sink節(jié)點附近的區(qū)域內(nèi)，每個簇由較少的節(jié)點構(gòu)成，在保證了轉(zhuǎn)發(fā)其他簇信息的同時降低了本簇內(nèi)收集數(shù)據(jù)的能量消耗，較好地解決了“熱區(qū)”問題。

文獻(xiàn)[15］和文獻(xiàn)[16］描述的算法與傳統(tǒng)的sink節(jié)點被動接收數(shù)據(jù)不同，文獻(xiàn)[15］提出了一種具有移動sink節(jié)點的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，將整個網(wǎng)絡(luò)被劃分為若干個網(wǎng)格，每個網(wǎng)格選取自己的簇頭，簇頭負(fù)責(zé)收集簇內(nèi)興趣事件，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合后發(fā)給sink節(jié)點。選取簇頭是為避免出現(xiàn)簇頭出現(xiàn)在網(wǎng)格邊緣的情況以網(wǎng)格中心為基準(zhǔn)，建立一個簇頭候選區(qū)域，并結(jié)合節(jié)點剩余能量、與網(wǎng)格中心的距離和鄰居節(jié)點數(shù)綜合選取簇頭。sink節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中隨機移動，當(dāng)?shù)竭_(dá)一個網(wǎng)格時通知該網(wǎng)格的簇頭更新其位置信息，然后該簇頭再將位置信息分發(fā)給其他簇頭，sink節(jié)點的隨機移動均衡了各個簇頭的能量消耗。

還有一種思想是sink節(jié)點固定不動，為實現(xiàn)特定的功能派出移動Agent(Mobile Agents，MA)。MA為一段可以實現(xiàn)自治功能的代碼，其沿著設(shè)計好的方式移動，在經(jīng)過的傳感器上實現(xiàn)數(shù)據(jù)的壓縮和融合。文獻(xiàn)[16］在此基礎(chǔ)上提出了一種數(shù)據(jù)分流的策略，當(dāng)MA攜帶的數(shù)據(jù)達(dá)到一定量之后把MA攜帶的數(shù)據(jù)發(fā)送給sink，而MA僅帶一個頭部繼續(xù)訪問接下來的節(jié)點，從而降低了由于數(shù)據(jù)量過大對傳輸能量的浪費。

上述分簇路由協(xié)議的詳細(xì)對比見表1。

表1 分簇路由協(xié)議對比Table 1 The comparison of cluster routing protocols

4 對分簇路由協(xié)議的進(jìn)一步研究

路由協(xié)議從應(yīng)用的角度可以在可擴展性和性能特點方面進(jìn)行區(qū)分。如表1所示，有些協(xié)議設(shè)計的比較適合大型網(wǎng)絡(luò)，如文獻(xiàn)[6－7，9，15－16］，有些用在小型網(wǎng)絡(luò)中效果明顯，如文獻(xiàn)[4－5，10－11，13－14］;有些協(xié)議可擴展性較強，如獻(xiàn)[4－7，9－10，15－16］;有些協(xié)議的可擴展性一般，如文獻(xiàn)[10－11，13］，由此可以看出實際中沒有適合所有情況的路由協(xié)議。因此，在設(shè)計路由協(xié)議時應(yīng)當(dāng)首先考慮實際的應(yīng)用情況，在此基礎(chǔ)上再考慮對路由協(xié)議影響最為重要的幾個因素。

(1)能量因素

能量的大小直接影響著網(wǎng)絡(luò)的生存時間，如何合理的利用有限的能量，延長網(wǎng)絡(luò)的生存時間是評價一個路由協(xié)議優(yōu)劣的重要指標(biāo)。

(2)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的運動性

在絕大多數(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點部署到位后就不會再移動了，但是在一些特殊的環(huán)境下如軍事方面，節(jié)點不但會運動，而且有可能會以較高速度移動，這就對路由協(xié)議的設(shè)計提出了更高的要求。

(3)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模

網(wǎng)絡(luò)的規(guī)?？梢詮母采w范圍和節(jié)點數(shù)量兩個方面來看，覆蓋范圍主要是關(guān)系著節(jié)點之間的距離，節(jié)點數(shù)量主要關(guān)系著網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)量。

(4)節(jié)點的部署方式

主要是指節(jié)點在部署的時候在確定的位置部署還是隨機部署，這就牽扯到網(wǎng)絡(luò)的位置信息。如果節(jié)點是在確定的位置進(jìn)行部署，那么就不需要再討論位置信息的問題。如果是隨機部署的話，那么還需要利用路由協(xié)議得到節(jié)點的位置信息。

(5)數(shù)據(jù)的傳輸方式

數(shù)據(jù)按照傳輸?shù)姆绞綇幕镜慕嵌葋砜纯梢苑譃橹鲃邮胶捅粍邮絻煞N:主動式協(xié)議中，基站只對自己感興趣的節(jié)點信息進(jìn)行采集;而在被動式協(xié)議中，節(jié)點采集到的所有信息都被送到基站處。

(6)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?/p>

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是以采集數(shù)據(jù)為目的的，得到及時準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)是對所有路由協(xié)議的共同要求，數(shù)據(jù)能否可靠的傳輸在軍事、災(zāi)害預(yù)防和搶險救災(zāi)等領(lǐng)域顯得尤為重要。

由前面的分析可以發(fā)現(xiàn)，在對分簇?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究中，幾乎所有的協(xié)議都是從如何提高節(jié)點的能量利用率方面考慮的，但是卻忽視了對其他因素的考慮，例如節(jié)點拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路由的可靠性。具有最優(yōu)跳數(shù)的路由有可能會包含不可靠路徑，從而降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃訹23］。并且隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)從同構(gòu)型網(wǎng)絡(luò)，即所有節(jié)點都具有相同的結(jié)構(gòu)和功能，發(fā)展到由許多功能各異的節(jié)點構(gòu)成的異構(gòu)型網(wǎng)絡(luò)[24－26］。與之相適應(yīng)，路由協(xié)議也應(yīng)該向著各節(jié)點之間相互協(xié)作的方向發(fā)展，這樣既能提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸材芨咝У陌l(fā)揮各個節(jié)點的功能。此外，在研究節(jié)點協(xié)作的協(xié)議時可以用多Agent系統(tǒng)模型來考慮。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)作主要包括協(xié)作資源的使用、協(xié)作信號與信息處理、協(xié)作任務(wù)的分配與執(zhí)行等[27］，其中協(xié)作資源的使用主要是利用通信協(xié)議來提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能，協(xié)作信號與信息處理是解決如何進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，為協(xié)作提供基本數(shù)據(jù)，協(xié)作任務(wù)的分配與執(zhí)行是指任務(wù)的描述、分配、調(diào)度與執(zhí)行。在設(shè)計路由協(xié)議時主要從協(xié)作任務(wù)的分配與執(zhí)行方面研究。

多Agent系統(tǒng)(Multi－agentSystem，MAS)[28－30］是一種分布式的并發(fā)系統(tǒng)，是由多個A-gent組成的Agent社會，具有自治性、分布性、協(xié)調(diào)性和自適應(yīng)性，并且具有自組織能力、學(xué)習(xí)能力和推理能力，Agent之間可以通過協(xié)商和協(xié)作解決大規(guī)模的復(fù)雜問題。在多Agent系統(tǒng)中，每個Agent都不具備解決問題的完整知識，沒有全局系統(tǒng)控制，數(shù)據(jù)是分散的，計算是異步的[26］。多Agent系統(tǒng)的這些特性與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點十分相似，因此MAS就非常適合被運用到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)作路由的設(shè)計中。將之結(jié)合到簇結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議中，將簇內(nèi)的所有節(jié)點集合看成是一個小型的Agent社會，每個節(jié)點是具有不同功能的Agent成員，節(jié)點之間由某種路由協(xié)議相連并且可以通過協(xié)作的方法來解決復(fù)雜的問題，而不需要由用戶來控制。

所有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議都是為了達(dá)到一個共同的目標(biāo)，那就是通過一定的傳輸路徑獲取網(wǎng)絡(luò)中各傳感器節(jié)點采集到的信息，為了保證能夠更好的達(dá)到這個目標(biāo)，在設(shè)計路由協(xié)議時一般還會遵循以下幾個原則:提高網(wǎng)絡(luò)的生存時間，有效的能量消耗控制，具有完成多樣化任務(wù)的能力，降低數(shù)據(jù)的傳輸延時和增強整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能[31］。

5 總結(jié)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以幫助人類在各種復(fù)雜環(huán)境和難以到達(dá)的環(huán)境下采集和傳輸數(shù)據(jù)，在未來的生活中將扮演越來越重要的角色。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和運行非常復(fù)雜，這就需要高效的路由協(xié)議來支撐。分簇結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議作為最適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的形式得到了廣泛研究。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在各領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用，對路由協(xié)議的要求已經(jīng)不僅僅是節(jié)約能量了，既要求可靠的傳輸數(shù)據(jù)，還需要它能對突發(fā)事件做出正確的響應(yīng)，但是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點受到體積、能量等限制，不可能獨立完成這些任務(wù)，因此需要多節(jié)點之間進(jìn)行相互協(xié)作，而多Agent系統(tǒng)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)作路由的特點十分相似，因此它是描述、設(shè)計和分析無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一種自然而有效的方法。

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