無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)匯聚路由算法

于泳

摘 要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種全新的信息獲取和處理技術(shù)，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)處理技術(shù)中傳輸效率和網(wǎng)絡(luò)傳輸負(fù)載是重點(diǎn)內(nèi)容，而數(shù)據(jù)匯聚與數(shù)據(jù)路由相結(jié)合是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)處理的重要方法。數(shù)據(jù)匯聚通過對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)采集到大量具有高冗余度的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的運(yùn)算處理，提取少量可以取代原始數(shù)據(jù)的特征數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)，在保證數(shù)據(jù)有效性的同時(shí)減少傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信。這種算法能夠減輕了網(wǎng)絡(luò)的傳輸擁塞，提高了網(wǎng)絡(luò)性能，達(dá)到了能量平衡和能量效率的目的。

關(guān)鍵詞：傳感器網(wǎng)絡(luò)；數(shù)據(jù)匯聚；路由算法

1 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量的傳感器節(jié)點(diǎn)采用自組織方式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，它能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種監(jiān)測(cè)對(duì)象的數(shù)據(jù)。在傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能路由算法策略中，數(shù)據(jù)匯聚是一種十分有用的技術(shù)。提高節(jié)點(diǎn)能量利用效率是傳感器網(wǎng)絡(luò)的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容，而設(shè)計(jì)能量高效的節(jié)能路由協(xié)議是降低能耗的重要手段。針對(duì)分簇結(jié)構(gòu)的傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了基于數(shù)據(jù)包合并的數(shù)據(jù)匯聚路由算法：簇頭與簇成員之間的數(shù)據(jù)傳遞采用基于數(shù)據(jù)包合并的按需平均處理數(shù)據(jù)匯聚算法；簇頭與簇頭間的通信則采用基于數(shù)據(jù)中心地理位置的路由算法。該算法通過數(shù)據(jù)包按需平均處理可以減少簇成員上傳數(shù)據(jù)的冗余度，能夠提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率和降低網(wǎng)絡(luò)的傳輸負(fù)載，能夠迅速高效地將信息傳遞給中心節(jié)點(diǎn)。

2 數(shù)據(jù)匯聚路由算法

數(shù)據(jù)匯聚技術(shù)可以在傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的多個(gè)層次中實(shí)現(xiàn)，既可以在MAC協(xié)議中實(shí)現(xiàn)，也可以路由協(xié)議或應(yīng)用層協(xié)議中實(shí)現(xiàn)。將路由技術(shù)與數(shù)據(jù)匯聚技術(shù)相結(jié)合是一個(gè)重要的問題，數(shù)據(jù)匯聚可以減少數(shù)據(jù)量，減輕數(shù)據(jù)匯聚過程中的網(wǎng)絡(luò)擁塞，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸效率，協(xié)助路由協(xié)議延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。整個(gè)數(shù)據(jù)匯聚路由算法分兩大步：第一步為簇頭與簇成員之間的數(shù)據(jù)傳遞采用基于數(shù)據(jù)包合并的按需平均處理數(shù)據(jù)匯聚算法，第二步為簇頭與簇頭間的通信采用基于數(shù)據(jù)中心地理位置的路由算法。

2. 1 假設(shè)條件

為了使算法能夠在平臺(tái)上順利運(yùn)作，要獲得或設(shè)定以下前提條件：

條件一：網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)都能通過某種定位系統(tǒng)，如GPS，獲得節(jié)點(diǎn)位置信息，并且各節(jié)點(diǎn)事先知道中心節(jié)點(diǎn)的位置信息。

條件二：網(wǎng)絡(luò)中雖然存在三種類型的節(jié)點(diǎn)（中心節(jié)點(diǎn)、簇頭節(jié)點(diǎn)、普通節(jié)點(diǎn)），但節(jié)點(diǎn)天線發(fā)射功率是固定的，其覆蓋范圍是以半徑r的圓。

算法的實(shí)現(xiàn)過程如下：

2.1.1當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，先向鄰近簇頭節(jié)點(diǎn)廣播路由請(qǐng)求（RREQ），如果中心節(jié)點(diǎn)在其通信范圍內(nèi)，直接向中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息；

2.1.2如果收到RREQ的鄰近簇頭節(jié)點(diǎn)到中心節(jié)點(diǎn)的路徑比路由請(qǐng)求的節(jié)點(diǎn)短，就向請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)發(fā)送路由應(yīng)答（RREP）；

2.1.3路由請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)在一定時(shí)間內(nèi)收到幾個(gè)鄰近簇頭節(jié)點(diǎn)的RREP，從中選擇一個(gè)到中心節(jié)點(diǎn)路徑最短的節(jié)點(diǎn)作為下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，向該節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息；

2.1.4如果接收到信息的節(jié)點(diǎn)是中心節(jié)點(diǎn)，就將信息交給應(yīng)用層處理；如果不是，則重復(fù)步驟1-4，直到該信息到達(dá)中心節(jié)點(diǎn)，本次信息傳遞才完成。

下面以圖1為例說明算法的實(shí)現(xiàn)過程，

簇頭A接收到簇成員的信息，匯聚后要向中心節(jié)點(diǎn)sink發(fā)送消息，A先發(fā)送路由請(qǐng)求，鄰居簇頭B、C接收到路由請(qǐng)求后都會(huì)發(fā)路由應(yīng)答給節(jié)點(diǎn)A，節(jié)點(diǎn)A會(huì)在所有的路由應(yīng)答中選擇距離sink節(jié)點(diǎn)最近的節(jié)點(diǎn)C作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，然后A將信息傳給節(jié)點(diǎn)C，節(jié)點(diǎn)C重復(fù)剛才節(jié)點(diǎn)A的過程，在收到節(jié)點(diǎn)D、E、F的路由應(yīng)答中選擇節(jié)點(diǎn)E作為下一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，直到信息上傳到中心節(jié)點(diǎn)sink才終止。

2.2運(yùn)行機(jī)制

網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的開始，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要知道自己到Sink 節(jié)點(diǎn)的距離以及自己的鄰居節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)。假設(shè)Sink 的能量和通信范圍相對(duì)于傳感器節(jié)點(diǎn)來說強(qiáng)大許多（ 這種假設(shè)在傳感器網(wǎng)絡(luò)中常用） ，因此網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都能直接收到來自 Sink 節(jié)點(diǎn)的信息。首先由 Sink 節(jié)點(diǎn)以一定功率向全網(wǎng)廣播一個(gè)信息，并且這個(gè)功率能保證網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都能收到 Sink節(jié)點(diǎn)的這個(gè)信息，各個(gè)節(jié)點(diǎn)收到這個(gè)廣播信息后根據(jù)信號(hào)的強(qiáng)弱計(jì)算出到 Sink 節(jié)點(diǎn)的距離，然后各個(gè)節(jié)點(diǎn)再尋找自己通信范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)的信息，包括鄰居節(jié)點(diǎn)的剩余能量，鄰居節(jié)點(diǎn)到 Sink 的距離以及鄰居節(jié)點(diǎn)到自己的距離，并將這些信息存儲(chǔ)起來。各個(gè)節(jié)點(diǎn)感知或收到其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，需要經(jīng)過融合和壓縮處理，再轉(zhuǎn)發(fā)這些數(shù)據(jù)到匯聚節(jié)點(diǎn)（ Sink） 。 源節(jié)點(diǎn)收到所有鄰居節(jié)點(diǎn)的應(yīng)答消息后，找出其中鄰居節(jié)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，并通知這個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)要轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)給它，然后轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2中各曲線前面部分一致，這是因?yàn)樵赟ink節(jié)點(diǎn)通信范圍內(nèi)的普通節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息包，無須經(jīng)過路由，直接發(fā)送到Sink節(jié)點(diǎn)。從第8包信息包開始，各曲線就開始呈現(xiàn)不同的狀態(tài)。從圖2可以看出經(jīng)過數(shù)據(jù)匯聚處理的曲線在時(shí)間和信息量上都比沒有使用數(shù)據(jù)匯聚處理的曲線有所減少，匯聚時(shí)間為0.04s、0.047s、0.06s的曲線比較接近，但從時(shí)間和信息量綜合考慮，匯聚時(shí)間為0.047s的效果更為優(yōu)越些，而且從表1仿真結(jié)果比較看出，匯聚時(shí)間為0.047s的平均通信時(shí)間是最短的，因此，把匯聚時(shí)間取為0.047s是合適的。

從以上仿真可以看出，采用具有合適的匯聚等待時(shí)間的數(shù)據(jù)匯聚路由算法，可以使網(wǎng)絡(luò)提高傳輸效率、降低網(wǎng)絡(luò)傳輸負(fù)載，達(dá)到我們預(yù)期目標(biāo)。

4 小結(jié)

本文采用基于數(shù)據(jù)包合并的按需平均處理數(shù)據(jù)匯聚算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了平均處理匯聚，在路由選擇上，選用了基于數(shù)據(jù)中心地理位置的DCGR路由算法，對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行了坐標(biāo)轉(zhuǎn)換處理，并通過對(duì)何時(shí)停止等待更多的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲得一個(gè)匯聚等待時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)參考值。仿真結(jié)果表明，本章采用的匯聚算法使得網(wǎng)絡(luò)Sink節(jié)點(diǎn)接收到的信息包數(shù)量明顯減少，時(shí)間效率也得到提高。從仿真上證明了數(shù)據(jù)匯聚路由算法的優(yōu)越性。

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