無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議分析及探討

高永琳+程曉榮

摘要：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。協(xié)議研究的關(guān)鍵在于分析、比較各類協(xié)議。該文對(duì)已有協(xié)議的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行分析與比較。在此基礎(chǔ)上，給出了定向擴(kuò)散路由協(xié)議（DD）中路徑加強(qiáng)階段的改進(jìn)方法。分析并選擇高能量、低跳數(shù)、短距離的路徑作為需要加強(qiáng)的路徑。理論分析表明，改進(jìn)的協(xié)議能有效提高網(wǎng)絡(luò)生命周期。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；路由協(xié)議；定向擴(kuò)散協(xié)議；能耗

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）27-0052-02

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network，WSN）是當(dāng)前科學(xué)技術(shù)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，它是一種分布式的傳感網(wǎng)絡(luò)，集傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、分布式處理技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)等[1]，能夠?qū)Σ渴瓠h(huán)境區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)地感知信息，通過(guò)路由算法對(duì)信息收集、傳送?？煽焖俨渴?、維護(hù)成本低、自組織等特性是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的顯著優(yōu)勢(shì)。目前，已被廣泛應(yīng)用于國(guó)防軍事、環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通運(yùn)輸、機(jī)械控制、醫(yī)療衛(wèi)生、智能家居、智能電網(wǎng)及空間探索等領(lǐng)域[2-3]。

路由協(xié)議是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)[4-5]，是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間相互通信的基礎(chǔ)。其主要目的是在源節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間尋找到一條或若干條高效、節(jié)能的路徑，使數(shù)據(jù)能夠從源節(jié)點(diǎn)快速傳輸?shù)侥繕?biāo)節(jié)點(diǎn)，以達(dá)到最優(yōu)、可靠傳輸。

1 WSN路由協(xié)議分析

1.1 協(xié)議分類分析

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議較多，從實(shí)際情況出發(fā)，路由協(xié)議可以歸納為以下幾類：以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議、基于簇的路由協(xié)議、基于位置的路由協(xié)議，基于能量感知的路由協(xié)議[6-8]。

1） 以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議是基于數(shù)據(jù)的、查詢驅(qū)動(dòng)的協(xié)議，該種協(xié)議重點(diǎn)關(guān)注監(jiān)測(cè)區(qū)域中的感知數(shù)據(jù)。典型協(xié)議有：DD協(xié)議、SPIN協(xié)議、Rumor-routing、TTDD等。定向擴(kuò)散協(xié)議過(guò)程為Sink節(jié)點(diǎn)向感知節(jié)點(diǎn)區(qū)域廣播請(qǐng)求信息，同時(shí)反向建立梯度，再進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。缺點(diǎn)是廣播消息會(huì)加大網(wǎng)絡(luò)能量消耗。

2） 基于聚簇的路由協(xié)議具有層次結(jié)構(gòu)，采用一定的機(jī)制把傳感器節(jié)點(diǎn)分為若干個(gè)簇，每個(gè)簇內(nèi)含簇首和傳感器節(jié)點(diǎn)，簇與簇之間地位平等，每個(gè)簇首把匯集融合后的數(shù)據(jù)傳遞給Sink節(jié)點(diǎn)。典型協(xié)議有LEACH、TEEN、PEGASIS等。

3） 基于節(jié)點(diǎn)地理信息的路由協(xié)議，大多數(shù)協(xié)議是基于角度、距離進(jìn)行節(jié)點(diǎn)定位的。每個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)存儲(chǔ)著鄰居節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的地理信息，不需要存儲(chǔ)路由信息表，無(wú)需知道網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌梦恢眯畔?shí)現(xiàn)路由和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。定位技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)該類協(xié)議的進(jìn)步。主要有GEM、GPSR、LCR等協(xié)議。

4） 節(jié)點(diǎn)能量利用率是路由協(xié)議設(shè)計(jì)的重要原則，能量感知路由協(xié)議基于最低能量消耗，協(xié)議衡量節(jié)點(diǎn)剩余能量概率后，選擇一條最低能量路由。主要協(xié)議有GEAR、EAR等。

1.2 經(jīng)典路由協(xié)議比較

表1為經(jīng)典路由協(xié)議在不同方面進(jìn)行的比較，表2 為經(jīng)典路由協(xié)議在應(yīng)用領(lǐng)域的對(duì)比。

2 協(xié)議改進(jìn)

基于多目標(biāo)優(yōu)化思想，對(duì)DD協(xié)議路徑加強(qiáng)階段進(jìn)行探討改進(jìn)，給出改進(jìn)方法。為盡量維持網(wǎng)絡(luò)的生命周期，在路徑加強(qiáng)階段，選擇加強(qiáng)的路徑具有能量高、跳數(shù)少、距離短等特點(diǎn)就顯得十分必要。把能量、跳數(shù)、距離屬性信息作為衡量最優(yōu)路徑的指標(biāo)。

2.1 改進(jìn)方案

匯聚節(jié)點(diǎn)中存儲(chǔ)了網(wǎng)絡(luò)中的源節(jié)點(diǎn)地址、從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)、節(jié)點(diǎn)能量信息、節(jié)點(diǎn)間距離等信息。當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)接收到源節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)后，獲取并比較各路徑中的能量、跳數(shù)、距離信息后，選擇最優(yōu)的路徑作為待加強(qiáng)的數(shù)據(jù)傳輸路徑。下圖表3 是傳輸路徑上的參數(shù)。

2.2 改進(jìn)DD協(xié)議的分析與比較

傳統(tǒng)的DD協(xié)議在路徑加強(qiáng)階段，只考慮了時(shí)間因素：Sink節(jié)點(diǎn)會(huì)加強(qiáng)最先到達(dá)它的那條路徑。帶來(lái)的問(wèn)題是加速網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量消耗，這會(huì)使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)生命周期縮短。另外，傳統(tǒng)方法沒(méi)有綜合考慮路徑中的節(jié)點(diǎn)包含的信息，強(qiáng)調(diào)“最先到達(dá)”這一指標(biāo)，影響因素單一化。

網(wǎng)絡(luò)的生命周期受多種因素影響。給出的方法從能量、跳數(shù)、距離三個(gè)方面綜合考慮，能量越高、跳數(shù)越少、距離越短的路徑越容易被加強(qiáng)。從目標(biāo)函數(shù)可以看出，能量越高，目標(biāo)函數(shù)值越大；而跳數(shù)越多、路程越遠(yuǎn)，則目標(biāo)函數(shù)值越小。選擇能量高的路徑能避免網(wǎng)絡(luò)中低能量節(jié)點(diǎn)過(guò)早死亡；選擇跳數(shù)少、路程短的路徑能減少數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)的能量消耗。當(dāng)加強(qiáng)路徑被確定時(shí)，從匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)出的加強(qiáng)信號(hào)會(huì)按路徑反向方向傳播下去，直至到達(dá)源節(jié)點(diǎn)。

綜上所述，改進(jìn)后的協(xié)議與傳統(tǒng)方法相比，改進(jìn)后的定向擴(kuò)散路由協(xié)議能顯著平均節(jié)點(diǎn)能耗，提高數(shù)據(jù)傳輸量，達(dá)到延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)生命周期的目的。

3 結(jié)論

基于實(shí)際應(yīng)用，對(duì)現(xiàn)有無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議進(jìn)行分析比較。針對(duì)定向擴(kuò)散路由協(xié)議（DD）中存在能量消耗不均等問(wèn)題，給出了多目標(biāo)優(yōu)化的路徑加強(qiáng)方法，改進(jìn)了路徑加強(qiáng)階段。通過(guò)比較不同路徑下的能量、跳數(shù)、距離信息，選擇一條能量高、跳數(shù)少、距離近的路徑進(jìn)行加強(qiáng)。理論分析證明改進(jìn)后的方法在提高網(wǎng)絡(luò)生命周期、平均節(jié)點(diǎn)能耗、增強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸量方面效果顯著。

目前在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議方面仍有很多關(guān)鍵問(wèn)題需要解決，仍有很多技術(shù)需要提高，如數(shù)據(jù)融合、路由安全、節(jié)能與QoS等。本文提出的方法，對(duì)今后進(jìn)行更深層次路由協(xié)議研究提供參考。

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