無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)能量高效的協(xié)議綜述

徐 震，楊 蕾，周 龍

(武漢輕工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢430023)

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)能量高效的協(xié)議綜述

徐 震，楊 蕾，周 龍

(武漢輕工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢430023)

無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和采集監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)目標(biāo)的信息，并將數(shù)據(jù)上報(bào)給匯聚節(jié)點(diǎn)。然而節(jié)點(diǎn)一般由電池供電，能量受限，如何降低能量消耗、提高網(wǎng)絡(luò)壽命成為無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)。本文從MAC協(xié)議、數(shù)據(jù)融合協(xié)議和路由協(xié)議三個(gè)方面論述了目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)能量高效使用的研究成果，并分析了目前國(guó)內(nèi)外具有代表性的基于能量的協(xié)議及算法。

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)；能量；數(shù)據(jù)融合；路由

1 引言

隨著MEMS、無(wú)線通信以及數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)而推動(dòng)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)。組成無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn)成本低，功耗低，體積小并具有多種功能，它們相互協(xié)助完成對(duì)物理環(huán)境的監(jiān)測(cè)和對(duì)感知數(shù)據(jù)的采集。在軍事部署、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療健康、倉(cāng)庫(kù)管理、智能家居、煤礦監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)都具有廣泛的應(yīng)用[1]。

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)來(lái)源于Ad hoc網(wǎng)絡(luò)，因此不需要基礎(chǔ)設(shè)施，具有自組織功能。然而無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的應(yīng)用相關(guān)性，不同的應(yīng)用環(huán)境需要相應(yīng)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)布局及其協(xié)議設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)時(shí)需要考慮網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、容錯(cuò)性、網(wǎng)絡(luò)壽命、數(shù)據(jù)融合以及路由等幾個(gè)關(guān)鍵因素[2],其中最關(guān)鍵的因素就是網(wǎng)絡(luò)壽命。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)通常由電池供電，部署無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的目的是取代有線網(wǎng)絡(luò)，通常這些區(qū)域地理環(huán)境復(fù)雜，更換節(jié)點(diǎn)的電池非常困難。如果傳感器節(jié)點(diǎn)的能量一旦處于能量閾值以下，將被視為死亡節(jié)點(diǎn)，失去與網(wǎng)絡(luò)中其它節(jié)點(diǎn)的連接。為解決這個(gè)關(guān)鍵問題，需要降低節(jié)點(diǎn)的能量消耗，獲得更長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)生命周期，因此，在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中降低傳感器節(jié)點(diǎn)能量消耗、最大限度地增加網(wǎng)絡(luò)的壽命是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究中最首要的問題[3]。

針對(duì)能耗問題，目前國(guó)內(nèi)外研究人員和學(xué)者提出了許多關(guān)于節(jié)能的算法。本文對(duì)現(xiàn)有的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能算法從MAC協(xié)議、數(shù)據(jù)融合協(xié)議和路由協(xié)議三個(gè)方面進(jìn)行分類分析。

2 MAC協(xié)議

在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中MAC 協(xié)議位于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的下層, MAC層協(xié)議控制著無(wú)線通信資源的使用，許多節(jié)點(diǎn)間的通信都需要MAC協(xié)作完成。在MAC層造成網(wǎng)絡(luò)能量浪費(fèi)的主要原因是碰撞重傳和空閑偵聽。前者是因?yàn)槎鄠€(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生碰撞與沖突，發(fā)生碰撞后就要求再次傳輸數(shù)據(jù)，從而耗費(fèi)了更多的能量。后者是因?yàn)椴恍枰獋鬏敂?shù)據(jù)時(shí)，節(jié)點(diǎn)也不會(huì)立即停止偵聽，節(jié)點(diǎn)所消耗的能量會(huì)隨著偵聽時(shí)間的增加而不斷增多，而大部分的偵聽時(shí)間是無(wú)必要的，因此造成了巨大的能量浪費(fèi)。

2.1 基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議

節(jié)點(diǎn)如果有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，則對(duì)信道進(jìn)行偵聽。當(dāng)信道已經(jīng)被占用時(shí)，為了避免產(chǎn)生沖突，會(huì)等待一段時(shí)間；當(dāng)信道空閑時(shí)，便選擇立即發(fā)送數(shù)據(jù)。該類協(xié)議中具有代表性的是S-MAC[4]。S-MAC協(xié)議將時(shí)間劃分為多個(gè)周期，一個(gè)周期分為活躍和睡眠階段。在活躍狀態(tài)下，多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，就開始“搶奪”信道，“搶道”成功后，才能開始發(fā)送數(shù)據(jù)；當(dāng)節(jié)點(diǎn)不需要傳輸數(shù)據(jù)后，可以不再繼續(xù)偵聽信道的使用情況，進(jìn)入睡眠狀態(tài)；節(jié)點(diǎn)處于睡眠時(shí)無(wú)法傳輸數(shù)據(jù)。

2.2 固定分配類的MAC協(xié)議

固定分配類是將一個(gè)物理信道分成許多個(gè)子信道，然后將這些子信道分配給不同的節(jié)點(diǎn)用于數(shù)據(jù)通信，避免了通信節(jié)點(diǎn)間的相互干擾，進(jìn)而減少了因信息碰撞造成的能量消耗。該類協(xié)議中具有代表性的是TRAMA[5]。協(xié)議將時(shí)間劃分為相等的時(shí)間片，在沒有數(shù)據(jù)分組需要收發(fā)的情況下，進(jìn)入休眠狀態(tài)。有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，以網(wǎng)絡(luò)負(fù)載為依據(jù)來(lái)調(diào)整節(jié)點(diǎn)處于活躍狀態(tài)的時(shí)間長(zhǎng)度，有效減少了能量浪費(fèi)。

3 數(shù)據(jù)融合協(xié)議

監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，隨機(jī)分布的傳感器節(jié)點(diǎn)一定范圍內(nèi)感知數(shù)據(jù)存在大量的冗余信息。節(jié)點(diǎn)的無(wú)線通信距離較小, 因此節(jié)點(diǎn)一般通過多跳的方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)交?，由基站把收集到的?shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)管理者，這可能要經(jīng)過很多中繼節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)。對(duì)于冗余信息的直接轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)疑增加了網(wǎng)絡(luò)中的通信量。將來(lái)自不同節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，去掉冗余和無(wú)效的數(shù)據(jù)，降低了傳輸?shù)交镜臄?shù)據(jù)數(shù)量，從而減少網(wǎng)絡(luò)能量消耗。

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不同，本文將分析平面型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和層次型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下的數(shù)據(jù)融合協(xié)議，如圖1所示。

圖1 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合協(xié)議分類

3.1 平面型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下的數(shù)據(jù)融合協(xié)議

在平面型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，信息流量均勻地分布在網(wǎng)絡(luò)中。網(wǎng)絡(luò)的路由以數(shù)據(jù)為中心，匯聚節(jié)點(diǎn)定期廣播查詢消息，源節(jié)點(diǎn)在把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)的過程中，中間節(jié)點(diǎn)可以對(duì)來(lái)自多個(gè)源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，以降低信息冗余。

3.1.1 SPIN[6]

SPIN協(xié)議是基于協(xié)商并具有自適應(yīng)功能的路由協(xié)議。在SPIN協(xié)議中，傳感節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)之前使用元數(shù)據(jù)(metadata，描述感知數(shù)據(jù)屬性的數(shù)據(jù))而非感知數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)商。SPIN協(xié)議有三種類型的消息：ADV、REQ和DATA。一個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，首先向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播包含元數(shù)據(jù)的ADV消息。如果鄰居節(jié)點(diǎn)對(duì)這個(gè)數(shù)據(jù)感興趣，他將向發(fā)送節(jié)點(diǎn)回復(fù)REQ消息。然后節(jié)點(diǎn)向該鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送DATA數(shù)據(jù)包。另外，為了解決資源盲目使用問題，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都使用資源管理器來(lái)跟蹤能量變化情況。在SPIN協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)傳輸之前首先檢查自身的能量，如果處于低能量水平，停止數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。SPIN協(xié)議主要適用于對(duì)網(wǎng)絡(luò)生存期要求較高對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的應(yīng)用。

3.1.2 定向擴(kuò)散協(xié)議[7]

定向擴(kuò)散協(xié)議是一種基于查詢的路由機(jī)制。 匯聚節(jié)點(diǎn)采用洪泛方式廣播興趣消息到全網(wǎng)內(nèi)的所有傳感器節(jié)點(diǎn)。 興趣消息包含查詢的任務(wù)，反映了網(wǎng)絡(luò)用戶對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)感興趣的信息，如監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的溫度和濕度等信息。 在興趣消息的轉(zhuǎn)發(fā)過程中，協(xié)議逐跳地在每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)上建立反向的從事件的源節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的梯度。傳感器節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)沿著梯度方向傳送回匯聚節(jié)點(diǎn)。因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，減少了數(shù)據(jù)通信量，降低了能量消耗。定向擴(kuò)散協(xié)議不能應(yīng)用于需要連續(xù)傳輸感知數(shù)據(jù)的應(yīng)用中。

3.1.3 多代理數(shù)據(jù)融合[8]

多代理數(shù)據(jù)融合(Multi-agent data aggregation：MADA)是一種基于事件驅(qū)動(dòng)的路由協(xié)議。當(dāng)某個(gè)感知節(jié)點(diǎn)探測(cè)到重要信息后向鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)出數(shù)據(jù)融合請(qǐng)求，鄰居節(jié)點(diǎn)根據(jù)信息的重要性、自身的剩余能量等參數(shù)決定是否參與數(shù)據(jù)融合，從而形成一個(gè)以該感知節(jié)點(diǎn)為代理聚合節(jié)點(diǎn)的臨時(shí)組。代理匯聚節(jié)點(diǎn)把聚合后的數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)。任務(wù)完成后，臨時(shí)組解散。因?yàn)楸O(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的感知節(jié)點(diǎn)在發(fā)送前先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了融合，從而降低數(shù)據(jù)傳輸數(shù)量。由于是事件探測(cè)節(jié)點(diǎn)邀請(qǐng)一跳鄰居節(jié)點(diǎn)參與數(shù)據(jù)融合，因此協(xié)議不適合網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度較低的應(yīng)用。

3.1.4 DAA+RW[9]

Fan K W，等提出了一種基于事件的數(shù)據(jù)融合上報(bào)機(jī)制。傳感節(jié)點(diǎn)一旦檢測(cè)到異常情況，使用任意播( anycast) 發(fā)送一個(gè)RTS消息，感知到相同事件的節(jié)點(diǎn)回送CTS消息，這樣降低了總的傳輸數(shù)據(jù)量。另外，節(jié)點(diǎn)在啟動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送前需要隨機(jī)等待一段時(shí)間，用于提高數(shù)據(jù)融合效率。MAC層DAA(data aware anycast)協(xié)議與源節(jié)點(diǎn)應(yīng)用層RW(randomized waiting) 機(jī)制結(jié)合起來(lái)可以有效地提高數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)融合，降低無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗。但是靠近匯聚節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)隨機(jī)等待時(shí)間不能太短，否則會(huì)降低數(shù)據(jù)融合效率。

3.2 層次型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下的數(shù)據(jù)融合協(xié)議

為了獲得高效的數(shù)據(jù)融合，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)被組織成分層的結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)融合通過基于分層的路由完成。

3.2.1 基于簇的數(shù)據(jù)融合

在大規(guī)模無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)里，如果傳感節(jié)點(diǎn)直接傳輸數(shù)據(jù)到基站，靠近基站的節(jié)點(diǎn)很快將耗盡其能量。為此將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)組織成不同的簇，再由簇頭將簇內(nèi)傳感節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，然后直接或間接通過其他簇頭以多跳方式與基站通信。最有代表性的協(xié)議LEACH[10]由兩個(gè)階段構(gòu)成：簇的建立階段和數(shù)據(jù)傳輸階段。在第一階段網(wǎng)絡(luò)被組織成很多簇，每個(gè)簇以循環(huán)的方式隨機(jī)選出自己的簇頭。在第二階段簇內(nèi)成員把采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭，簇頭再對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，然后直接或通過簇頭間的融合樹與基站通信。

3.2.2 基于鏈的數(shù)據(jù)融合

在簇型無(wú)線結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，如果簇頭與簇內(nèi)成員距離較遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)傳輸將消耗大量的能量。針對(duì)這個(gè)問題，基于鏈的數(shù)據(jù)融合主張傳感節(jié)點(diǎn)只發(fā)送數(shù)據(jù)到與自己最近的簇頭。最有代表性的協(xié)議是PEGASIS[11]。在數(shù)據(jù)收集之前，先采用貪心算法生成一條節(jié)點(diǎn)鏈連接所有的節(jié)點(diǎn)。再選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為鏈?zhǔn)?，鏈?zhǔn)椎倪x擇是隨機(jī)的。數(shù)據(jù)則從鏈的兩端沿鏈的方向傳輸?shù)芥準(zhǔn)?，中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)融合，鏈?zhǔn)讓?duì)收到的信息進(jìn)行一定的數(shù)據(jù)融合，然后把融合后的數(shù)據(jù)發(fā)送到基站。

3.2.3 基于樹的數(shù)據(jù)融合

在樹形網(wǎng)絡(luò)中，將傳感節(jié)點(diǎn)組織成一顆以匯聚節(jié)點(diǎn)為根、源節(jié)點(diǎn)為葉節(jié)點(diǎn)的樹，非葉節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的過程中進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。EADAT[12]是典型的基于樹的數(shù)據(jù)融合技術(shù)。EADAT協(xié)議需要在網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)建數(shù)據(jù)聚合樹。匯聚節(jié)點(diǎn)首先洪泛控制消息，消息包括5個(gè)部分：ID、父節(jié)點(diǎn)、自身的剩余能量、狀態(tài)(是否葉節(jié)點(diǎn))和跳數(shù)(距離匯聚節(jié)點(diǎn)的跳數(shù))。收到消息的節(jié)點(diǎn)將選擇跳數(shù)少且剩余能量高的節(jié)點(diǎn)作為自己的父節(jié)點(diǎn)。這個(gè)過程持續(xù)下去，最后生成一個(gè)以聚合節(jié)點(diǎn)為根節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)融合樹。

3.2.4 基于網(wǎng)格的數(shù)據(jù)融合

Vaidhyanathan K，等[13]提出了一種基于網(wǎng)格的數(shù)據(jù)融合方案。在這種方案里，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的位置信息和通信半徑，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)被分割成許多網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格都指派一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)融合節(jié)點(diǎn)。如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，可以直接把數(shù)據(jù)發(fā)送到本網(wǎng)格內(nèi)的數(shù)據(jù)融合節(jié)點(diǎn)。該方案比較適合天氣預(yù)測(cè)等動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境。

4 路由協(xié)議

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量有限，且無(wú)法補(bǔ)充。因此，無(wú)線傳感網(wǎng)路由協(xié)議的設(shè)計(jì)要盡可能地實(shí)現(xiàn)能量高效利用，并延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)是一種多跳網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)既是發(fā)送節(jié)點(diǎn)也是中繼節(jié)點(diǎn)。如果一些節(jié)點(diǎn)由于能量耗盡，將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化，網(wǎng)絡(luò)需要重新路由和配置，進(jìn)而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞牟环€(wěn)定和網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的縮小。為改善網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了不少先進(jìn)的路由協(xié)議。根據(jù)采用的劃分標(biāo)準(zhǔn)的不同，這些路由協(xié)議存在著不同的分類方法，如圖2所示。

4.1 基于路徑的路由協(xié)議

根據(jù)源節(jié)點(diǎn)獲取到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的方法，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議分為主動(dòng)式路由、被動(dòng)式路由和混合式路由。主動(dòng)式路由協(xié)議定期在全網(wǎng)內(nèi)廣播路由表來(lái)維護(hù)，即一個(gè)包含到達(dá)其它傳感節(jié)點(diǎn)最新路由信息的路由表。節(jié)點(diǎn)一旦需要發(fā)送數(shù)據(jù)，可以立即獲得到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由。然而用于維護(hù)路由表的開銷比較大，如DSDV算法[14]；被動(dòng)式路由協(xié)議是只有需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)節(jié)點(diǎn)通過在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)洪泛路由請(qǐng)求包去尋找到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由技術(shù)。路由協(xié)議的開銷較少，但是路由尋找產(chǎn)生較高的時(shí)延，如AODV算法[15]；混合式路由協(xié)議是綜合主動(dòng)式和被動(dòng)式路由優(yōu)點(diǎn)的折衷方案。部分節(jié)點(diǎn)采用主動(dòng)式路由協(xié)議，部分節(jié)點(diǎn)采用被動(dòng)式路由協(xié)議，如ZRP算法[16]?；旌鲜絽f(xié)議的效率取決于其他被激活的傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)目，但對(duì)于流量需求的反應(yīng)取決流量數(shù)目的多少。

4.2 基于網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議分為三種：平面路由協(xié)議，分簇路由協(xié)議和位置路由協(xié)議?；谄矫娴穆酚梢竺總€(gè)節(jié)點(diǎn)的功能和地位相同，協(xié)議采用以數(shù)據(jù)為中心的路由方案。在這種方案里匯聚節(jié)點(diǎn)向選定區(qū)域的傳感節(jié)點(diǎn)發(fā)送查詢命令，等待該節(jié)點(diǎn)反饋信息，如DD算法[7]；在分簇路由協(xié)議中，能量高的節(jié)點(diǎn)被選為簇頭，簇頭將收到的數(shù)據(jù)融合后發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)。能量低的節(jié)點(diǎn)用于感知對(duì)象，并發(fā)送感知數(shù)據(jù)到簇頭，如HPAR算法[17]和TEEN算法[18]；在位置路由協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)的定位一般通過全球定位系統(tǒng)(GPS)實(shí)現(xiàn)。節(jié)點(diǎn)之間的距離根據(jù)節(jié)點(diǎn)間的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行估算。節(jié)點(diǎn)通過交換鄰居節(jié)點(diǎn)間的信息確定未知節(jié)點(diǎn)的位置，從而協(xié)議可以利用節(jié)點(diǎn)的位置信息，把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給需要的區(qū)域而不是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，降低了數(shù)據(jù)的傳送范圍進(jìn)而減少能耗，如GAF算法[19]。

4.3 基于工作方式的路由協(xié)議

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)具有高度的應(yīng)用相關(guān)性，不同的應(yīng)用環(huán)境，所采用的路由協(xié)議也不相同。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的工作方式，路由協(xié)議可以分為基于多路徑、基于查詢、基于協(xié)商、基于QoS和相關(guān)/非相關(guān)數(shù)據(jù)處理等五種算法。在多路徑路由協(xié)議中，源節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)消息到目的節(jié)點(diǎn)去選擇多條路徑作為路由，從而降低了傳輸時(shí)延，提高了網(wǎng)絡(luò)性能。然而由于需要定期發(fā)送消息保持路徑的活躍狀態(tài)，增加了通信開銷，如MMSPEED算法[20]；基于查詢的路由協(xié)議常用于數(shù)據(jù)查詢，發(fā)起節(jié)點(diǎn)發(fā)起興趣查詢。具有興趣消息的節(jié)點(diǎn)，如果匹配查詢，就對(duì)發(fā)起查詢的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行回復(fù)，如COUGAR算法[21]；基于協(xié)商的路由協(xié)議利用高級(jí)的數(shù)據(jù)描述符讓每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身的資源狀況進(jìn)行協(xié)商，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行?，如SPIN[6]；在基于QoS的路由協(xié)議里，設(shè)計(jì)路由時(shí)需要考慮各種參數(shù)，如時(shí)延、可靠性、抖動(dòng)和帶寬，在能量消耗和數(shù)據(jù)質(zhì)量之間取得平衡。路由選擇取決于三個(gè)因素：可以使用的能量資源，鏈路質(zhì)量和數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級(jí)，如SAR算法[22]；無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)由于資源受限，在路由時(shí)常進(jìn)行相關(guān)或非相關(guān)數(shù)據(jù)技術(shù)處理操作。在非相關(guān)數(shù)據(jù)路由時(shí)，附近區(qū)域的節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)到其他節(jié)點(diǎn)前先對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，收到數(shù)據(jù)的聚合節(jié)點(diǎn)再進(jìn)行進(jìn)一步處理。在相關(guān)數(shù)據(jù)路由時(shí)，數(shù)據(jù)先進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理，如時(shí)間標(biāo)簽和冗余去除，如SWE和MWE算法[23]。

4.4 基于下一跳選擇的路由協(xié)議

基于下一跳路由選擇，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議被分為基于廣播、基于定位、基于層級(jí)、基于內(nèi)容和基于概率的路由協(xié)議。在基于廣播的路由協(xié)議中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)獨(dú)立決定是否轉(zhuǎn)發(fā)消息。決定轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點(diǎn)只是簡(jiǎn)單重新廣播這個(gè)消息。如果拒絕轉(zhuǎn)發(fā)，就會(huì)丟棄這個(gè)消息，如MCFA算法[24]；在基于位置的路由協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)將根據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的位置信息選擇下一跳。協(xié)議能避免洪泛帶來(lái)的通信開銷，但鄰居節(jié)點(diǎn)的位置計(jì)算帶來(lái)額外的開銷，如GEAR算法[25]；在基于層級(jí)的路由協(xié)議里，所有的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到匯聚節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行聚合，從而降低通信負(fù)載節(jié)省能量，增加網(wǎng)絡(luò)壽命。路由算法采用雙層結(jié)構(gòu)，一層用于選擇簇頭，另一層用于路由，如TSC算法[26]；基于內(nèi)容的路由協(xié)議基于查詢的內(nèi)容選擇路由的下一跳節(jié)點(diǎn)?；局回?fù)責(zé)收集數(shù)據(jù)，不會(huì)考慮數(shù)據(jù)的來(lái)源，如GBR算法[27]；基于概率的路由協(xié)議假設(shè)所有節(jié)點(diǎn)都是同質(zhì)的，隨機(jī)分布的。使用這種路由協(xié)議，傳感節(jié)點(diǎn)可以任意選擇下一跳鄰居節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)消息。路徑的維護(hù)和選擇取決于每條路徑能量消耗的概率，如EAR算法[28]。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于能量受限的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，能量能否高效地使用是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)最重要的問題之一。本文從MAC協(xié)議、數(shù)據(jù)融合協(xié)議和路由協(xié)議三個(gè)方面對(duì)節(jié)能問題進(jìn)行綜述，并對(duì)國(guó)內(nèi)外基于節(jié)能的算法進(jìn)行系統(tǒng)而全面的分類。在這些基于節(jié)能的算法中，基于MAC的節(jié)能算法強(qiáng)調(diào)在MAC層降低節(jié)點(diǎn)的活躍時(shí)間；基于數(shù)據(jù)融合的節(jié)能算法強(qiáng)調(diào)減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量；基于路由的節(jié)能算法強(qiáng)調(diào)找到到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)的能量?jī)?yōu)化的路徑。如果能把三者有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，將會(huì)極大地降低能量消耗、提高網(wǎng)絡(luò)壽命。

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Review on energy-efficient protocols in low-duty-cycle wireless sensor networks

XUZhen，YANGLei,ZHOULong

(School of Electrical and Electronic Engineering, Wuhan Polytechnic University，Wuhan 430023, China)

The sense nodes in wireless sensor networks are capable of monitoring the target in the monitor area all the time, and send the sensed data to the sink node. However, the nodes are generally charged by the battery, and have limited energy resource, Therefore, how to improve energy efficiency and extend the network life is a foremost concern for wireless sensor network. The paper reviews the current main design strategies in MAC layer, data aggregation and routing based on the energy saving, and presents a comprehensive overview of different approaches for MAC layer protocol, data aggregation protocol and routing protocol.

wireless sensor networks; energy; data aggregation; routing

2016-10-29

徐震(1974-)，副教授，博士，E-mail:xuzhen2046@qq.com.

楊蕾(1979-)，副教授，博士，E-mail:31477715@qq.com.

國(guó)家自然科學(xué)基金(61373091).

2095-7386(2017)01-0016-06

10.3969/j.issn.2095-7386.2017.01.003

TP 393

A