無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由協(xié)議的研究與應(yīng)用*

(福建師范大學(xué) 閩南科技學(xué)院，泉州 362332)

引 言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種新型的監(jiān)測技術(shù)，該系統(tǒng)包括傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點以及管理節(jié)點三部分。在實際應(yīng)用中，大量的傳感器節(jié)點被無人飛機等飛行器拋灑在指定的監(jiān)測區(qū)域或者監(jiān)測區(qū)域附近的區(qū)域，然后這些節(jié)點可以用自組織的方式來構(gòu)建出一個無線網(wǎng)絡(luò)，再通過相互合作的方式來進行數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測，并在網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)收集和處理信息。傳感器節(jié)點所監(jiān)測的數(shù)據(jù)是通過多跳通信傳輸?shù)?，在這個過程中，會有多個節(jié)點處理監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，然后將該監(jiān)測信息通過衛(wèi)星和互聯(lián)網(wǎng)傳送到管理節(jié)點。此時，用戶就可以根據(jù)傳送來的數(shù)據(jù)進行下一步的操作，可以傳達監(jiān)測與收集整理數(shù)據(jù)的任務(wù)，當(dāng)收到這些任務(wù)后，大量的節(jié)點就開始探測數(shù)據(jù)，并傳送給用戶。

1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議

無線傳感網(wǎng)絡(luò)中進行數(shù)據(jù)交換時都是通過與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不同的無線通信方式，這就導(dǎo)致傳統(tǒng)的通信技術(shù)不能直接應(yīng)用到無線傳感網(wǎng)絡(luò)中。而對于傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)而言，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的首要任務(wù)是在通信目標(biāo)移動的情況下，仍然能夠保證網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量，在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計的目標(biāo)最重要的一點就是降低網(wǎng)內(nèi)節(jié)點的通信能耗，從而延長網(wǎng)絡(luò)的工作壽命。此外，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場景眾多，各種應(yīng)用都有不同的側(cè)重。在無線傳感網(wǎng)絡(luò)的研究中，需要對其路由協(xié)議進行設(shè)計與優(yōu)化，使之能夠更好地適應(yīng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的各類應(yīng)用[13]。傳感器節(jié)點分為多個簇，每個簇都有自己的簇首，用于收集處理并傳送數(shù)據(jù)。這些簇首將收集到的數(shù)據(jù)再直接傳送給基站。

由于分簇路由協(xié)議將無線傳感網(wǎng)絡(luò)的路由機制化繁為簡，將一個網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個子網(wǎng)絡(luò)，能夠很好地解決網(wǎng)絡(luò)通信過程中因為有節(jié)點失效而退出網(wǎng)絡(luò)、節(jié)點的移動或者是有新節(jié)點加入而帶來的拓撲變化帶來的問題，同時具有很好的可擴展性。除了網(wǎng)絡(luò)的可擴展性比較好之外，分簇路由協(xié)議還有一些其它優(yōu)勢。

因為簇內(nèi)通信的路由是在每個簇內(nèi)建立起來的，所以每個節(jié)點所存儲的路由表也大大減少，這樣就節(jié)省了節(jié)點的存儲空間。其次，由于簇內(nèi)的普通節(jié)點只需和簇首節(jié)點通信，這樣就節(jié)省了網(wǎng)內(nèi)帶寬。由此可見，分簇路由協(xié)議對于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的路由設(shè)計有很大的幫助。對于傳感器的供電裝置，在進行替換或者在傳感器任務(wù)周期內(nèi)，能夠保證傳感器的正常工作。任務(wù)周期取決于應(yīng)用背景，例如監(jiān)視火山活動，需要傳感器工作數(shù)年之久，而鳥類孵化監(jiān)視該類應(yīng)用中，也許只要數(shù)月。以前的WSN數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)格式較為單一，信息量少，因此在數(shù)據(jù)處理上所采用的方式也較為簡單。后來圖像、音頻等也被納入監(jiān)測范圍。這些多媒體應(yīng)用，在采集、處理和傳輸上，需要更大的數(shù)據(jù)處理能力，大存儲容量設(shè)備，同時也消耗更多的網(wǎng)內(nèi)能量資源。

通常情況下，WSN網(wǎng)內(nèi)傳感器由電池供電，當(dāng)能量耗盡時必須更換電池或者對電池進行充電才能保證傳感器的正常工作?，F(xiàn)階段，有參考文獻討論使用太陽能、風(fēng)能等作為WSN的能源續(xù)航，但是這些方法轉(zhuǎn)換率低，且受環(huán)境因素限制。就硬件成本而言，給所有網(wǎng)內(nèi)節(jié)點更換電池也不切實際。因此，WSN的生存周期主要取決于電源的生存周期。而研究也表明，路由協(xié)議的優(yōu)化對于降低網(wǎng)內(nèi)通信能耗、延長網(wǎng)絡(luò)壽命有著相當(dāng)顯著的效果[11]。從圖1中可以看出，傳感器在不同模式下的能耗是不同的，而且在數(shù)據(jù)收發(fā)階段和節(jié)點空閑的時候，能耗明顯高于其它狀態(tài)，所以在不使用時，最好讓節(jié)點在休眠狀態(tài)下。

圖1 傳感器不同狀態(tài)能耗示意圖

2 無線傳感器分簇協(xié)議分析和比較

近年來研究人員就提出不同的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由協(xié)議。Heinzelman 等人最先提出均勻的分簇路由協(xié)議，稱為 LEACH協(xié)議[2]。這是針對無線傳感網(wǎng)絡(luò)提出的第一種分簇路由協(xié)議，在LEACH協(xié)議中，每輪數(shù)據(jù)收集開始前的階段,其中的小部分節(jié)點會被隨機地選為簇首[3]。數(shù)據(jù)收集時，簇首直接把自己的信息以單跳方式傳送至匯聚點。Lindsey 等人提出一種節(jié)點為鏈狀的算法，稱之為 PEGASIS 算法，在該算法中，數(shù)據(jù)先在鏈上處理，再傳輸至匯聚點[4]，該算法需要知道每個節(jié)點的位置信息。為了能夠最大化地延長網(wǎng)絡(luò)的存活時間，Dasgupta 等人就提出一種基于分簇的啟發(fā)式算法 ,但該算法比較繁冗，需要事先知道節(jié)點的位置與能量的信息[5]。Choi 等人提出兩階段分簇協(xié)議 TPC，在簇內(nèi)構(gòu)造多跳路由鏈路以節(jié)約能量[6]。Younis 等人提出一種HEED[7]算法，這是一種混合式的分簇協(xié)議，第一步是根據(jù)節(jié)點剩余能量的多少概率性地選取一部分候選簇首 ,第二步通過計算候選簇首在簇內(nèi)通信時消耗能量的高低來最終確定簇首。后來，研究人員通過研究發(fā)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)多跳路由中的“熱區(qū)”問題，為了解決這一問題，Soro等人首次提出非均勻分簇的思想，通過非均勻分簇來解決這個問題[8]。

[8]中,假設(shè)網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)是兩個環(huán)繞匯聚點同心圓，在這兩層圓中，內(nèi)圓環(huán)需要承擔(dān)更多的數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)發(fā)的任務(wù)，因為在多條路由方式中，它離匯聚點的距離最近。在EECS[9]中，節(jié)點在選擇簇首時就不是簡簡單單地選擇距離自身最近的簇首節(jié)點，而且還要考慮候選簇首到匯聚點的距離遠近 ，構(gòu)造出大小非均勻的簇，均衡簇首的能耗。在最小生成樹[10](UCRAMST)中，非均勻分簇簇首的選擇是根據(jù)剩余能量和距離來考量的，通過對路徑搜索建立最優(yōu)傳輸途徑。在基于梯度的非均勻分簇算法中[11]，根據(jù)設(shè)置的梯度來設(shè)定競爭半徑，從而獲得密度并不均勻的簇頭分布，在節(jié)點密集的地方，簇頭也會密集一些?；谥泶仡^的持久化路由協(xié)議[12](ACPCR)首次提出最優(yōu)助理簇頭的思想，助理簇頭可以代替簇首完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等任務(wù)，來節(jié)省簇首的能量消耗?；谙伻核惴╗13](ACA)的網(wǎng)路由協(xié)議通過螞蟻包發(fā)送的方式，所有節(jié)點都能夠獲得最新的網(wǎng)絡(luò)情況，并根據(jù)這一情況選擇下一步動作。

后來，Intanagonwiwat等人提出一種反向查詢的路由機制[14]。Schurgers等人提出一個基于梯度的路由算法——GBR ,并依據(jù)此算法設(shè)計一些節(jié)點調(diào)整的策略，以此來實現(xiàn)流量分布均衡[15]。但是這些查詢協(xié)議都有一定的局限性，它們只適用于單一數(shù)據(jù)的傳送，不適用于“多對一”的數(shù)據(jù)傳輸，因此，就不適合簇首與簇首之間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)使用。

下面就選取國內(nèi)外一些典型的分簇路由協(xié)議，對其所采用的路由形成機制、路由特點進行分析與比較。

(1)LEACH(Low-EnergyAdaptiveClusteringHierarchy)

LEACH協(xié)議是針對無線傳感網(wǎng)絡(luò)提出的第一個分簇路由協(xié)議。在選取簇首節(jié)點的過程中，每個候選節(jié)點都會自發(fā)地在[0,1]之間產(chǎn)生一個隨機數(shù)，而網(wǎng)內(nèi)又會生成一個閾值T(n)，若是產(chǎn)生的隨機數(shù)小于閾值T(n)，那么這個節(jié)點就會成為簇首節(jié)點。LEACH-C協(xié)議在簇首選舉上采用集中選舉的方式，并采用模擬退火算法來為網(wǎng)內(nèi)選擇更加適合的簇首節(jié)點。

(2)HEED(HybridEnergy-EfficientDistributedClustering)

HEED協(xié)議在簇間通信上，采取了與LEACH協(xié)議不同的簇間多跳的路由方式來傳遞簇之間收集到的信息，這種簇間通信方式更加適合用于大規(guī)模的網(wǎng)站[16]。此外，HEED協(xié)議對于節(jié)點的拓撲結(jié)構(gòu)和具體位置沒有提出特殊的需求。該協(xié)議主要完成以下4個任務(wù)：① 均衡網(wǎng)內(nèi)能耗，延長網(wǎng)絡(luò)的工作壽命；② 分簇過程完成得比較快；③ 使得通信開銷盡可能得少；④ 簇首節(jié)點在網(wǎng)內(nèi)合理分布，簇的分布比較緊湊。

在選取簇首節(jié)點的過程中，HEED協(xié)議需要參考兩個參數(shù)。一個參數(shù)與網(wǎng)內(nèi)剩余能量相關(guān)，一個參數(shù)與簇群內(nèi)部的通信開銷有關(guān)，稱之為平均可到達能量。根據(jù)第一個參數(shù)可以在網(wǎng)內(nèi)選取出候選簇首節(jié)點，再通過第二個參數(shù)計算簇群內(nèi)的通信開銷，選擇開銷比較小的進行成簇。

(3)APTEEN(AdaptivePeriodicThershold-sensitiveEnergyEfficientSensorNetwork,APTEEN)

APTEEN協(xié)議在成簇過程中采用集中式的控制思想，由基站來決定網(wǎng)內(nèi)的簇首節(jié)點，簇首節(jié)點一旦決定，就可以通過廣播參數(shù)信息來成簇，且APTEEN經(jīng)常形成多層簇結(jié)構(gòu)[17]。APTEEN協(xié)議的優(yōu)勢在于可以實現(xiàn)周期性的數(shù)據(jù)采集和及時響應(yīng)特殊事件的應(yīng)用場合。但是也存在不足，主要體現(xiàn)在構(gòu)建多層簇在實際應(yīng)用中難以實現(xiàn)，同時，協(xié)議內(nèi)部的查詢機制和基于屬性的命名會給網(wǎng)絡(luò)帶來不小的通信能耗。

(4)CM[18](ClusteringwithMobility)協(xié)議

參考文獻[18]對LEACH協(xié)議進行改進。首先在成簇過程中，算法首先預(yù)測節(jié)點之間的距離，并根據(jù)簇群內(nèi)節(jié)點之間的距離盡可能小這一原則將網(wǎng)內(nèi)的非簇首節(jié)點分配給簇首節(jié)點。除此之外，該參考文獻還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)簇內(nèi)沒有簇首節(jié)點產(chǎn)生的輪數(shù)中，LEACH協(xié)議的能耗會變得非常大，所以提出的協(xié)議通過兩種方法來解決這個問題：一種方案是只要監(jiān)測到該輪沒有簇首節(jié)點被選舉出來，那么整個網(wǎng)絡(luò)直接跳過這一輪；另外一種就是固定每輪需要的簇首節(jié)點個數(shù)，并在簇內(nèi)準(zhǔn)備完成之前在此核對網(wǎng)內(nèi)的簇首節(jié)點個數(shù)。

(5)DSC[19](Dynamic/StaticClusteringprotocol)協(xié)議

DSC協(xié)議是在LEACH-C的基礎(chǔ)上提出的一種協(xié)議，該協(xié)議規(guī)定，簇內(nèi)的簇首節(jié)點每經(jīng)過10輪才進行一次替換。通過仿真顯示，該協(xié)議在通信能耗、能量分布和網(wǎng)絡(luò)壽命等方面均優(yōu)于LEACH-C協(xié)議。

(6)PBEACP[20](Priority-basedEnergyAwareandCoveragePreserving)

PBEACP根據(jù)網(wǎng)內(nèi)節(jié)點的剩余能量為參考來選擇簇首節(jié)點，同時它會考慮節(jié)點的地理分布，來保證網(wǎng)內(nèi)通信消耗能夠均衡。同時，它也保證即使在簇內(nèi)節(jié)點死亡的情況下，也能保證簇首節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)的覆蓋。但是它并未解決簇首節(jié)點死亡發(fā)生中的數(shù)據(jù)采集。

(7)2CRNDC[21](2-ConnectedRelayNodeDoubleCover)

2CRNDC通過給每個節(jié)點配備一個備用接力節(jié)點來保證，即時有節(jié)點死亡，剩余節(jié)點也能保證將采集到的數(shù)據(jù)傳出。

(8)EAFTICC[22](Energy-AwareandFaultTolerantInter-ClusterCommunicationbasedProtocol)

EAFTICC算法利用備用路徑來保證網(wǎng)內(nèi)的通信在最大程度上不受節(jié)點死亡的影響。這個算法保證每個簇內(nèi)至少有兩個節(jié)點來負責(zé)簇內(nèi)通信，如果一個節(jié)點死亡，那么另一個節(jié)點就接替那個節(jié)點工作。該算法的獨特性在于使用了多路徑通信，如果一條通路上的節(jié)點發(fā)生錯誤，立刻啟用網(wǎng)內(nèi)的備用節(jié)點來保證數(shù)據(jù)通道的暢通無阻。

(9)EERNT[23](Energy-EfficientRedundantNodesTree)

EERNT也是利用冗余節(jié)點來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。該算法通過在網(wǎng)內(nèi)冗余節(jié)點之間生成樹，并將簇首節(jié)點收集到的數(shù)據(jù)傳送至離其位置最近的冗余節(jié)點。

(10)EDETA[24](Energy-efficientaDaptivehiErarchicalandrobusTArchitecture)

如果簇首節(jié)點死亡或者通信出問題的話，網(wǎng)內(nèi)其余節(jié)點就不能及時將收集到的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。于是EDETA協(xié)議根據(jù)其余節(jié)點的剩余能量和到簇首節(jié)點的距離，在簇內(nèi)引入簇首節(jié)點的代替節(jié)點。該節(jié)點在簇內(nèi)的任務(wù)就是時刻監(jiān)視簇首節(jié)點的工作，如果簇首節(jié)點發(fā)生問題，它會立刻發(fā)現(xiàn)，于是它會在簇內(nèi)廣播自己成為新的簇首節(jié)點。

(11)FLOC[25](FastLOcalClusteringservice)

FLOC采用分布式的方法產(chǎn)生網(wǎng)內(nèi)簇首節(jié)點。它通過普通節(jié)點到簇首節(jié)點的距離將這些節(jié)點分為內(nèi)部節(jié)點和外部節(jié)點。內(nèi)部節(jié)點和簇首節(jié)點通信不受任何影響，但是外部節(jié)點的數(shù)據(jù)經(jīng)常發(fā)生丟包。在FLOC中，通過心跳監(jiān)聽的方式來判斷簇首節(jié)點是否正常工作。簇首節(jié)點在簇內(nèi)周期性地廣播一條信息，如果網(wǎng)內(nèi)有簇內(nèi)節(jié)點沒能收到這個信息，那么此簇內(nèi)節(jié)點就自動脫離這個簇群。等到所有簇內(nèi)節(jié)點都脫離簇群后，選擇在新一輪組成新的簇群，或者就近加入別的簇群。

(12)EQoSa[26](EnergyandQoSawareMACforwirelesssensornetworks)

首先該算法通過線性規(guī)劃的方式，對安放中繼路由節(jié)點的位置進行最優(yōu)化，以保證每個節(jié)點的覆蓋區(qū)域都至少有一個中繼路由節(jié)點。其次，該算法通過設(shè)定中繼節(jié)點的個數(shù)Ks來保證網(wǎng)絡(luò)的容錯性，這就保證了每個節(jié)點在數(shù)據(jù)傳輸過程中，即使有(Ks-1)個節(jié)點失效，那么仍舊有1個中繼節(jié)點可以繼續(xù)提供服務(wù)。

(13)FEED[27](Faulttolerant,EnergyEfficient,Distributedclustering)

FEED算法在每個簇群中都選取了一個簇首節(jié)點、一個樞紐節(jié)點(PCH, pivot CH)和一個監(jiān)督節(jié)點(SN, Supervisor Node)。PCH是網(wǎng)內(nèi)的異構(gòu)節(jié)點，其所包含的能量更多。網(wǎng)內(nèi)所有的PCH能覆蓋大部分的網(wǎng)絡(luò)，所以具備尋找網(wǎng)內(nèi)路由的功能。SN是用來監(jiān)督簇首節(jié)點或者PCH節(jié)點的，能夠在簇首節(jié)點或者PCH失效的時候及時替代它們的功能。

(14)MCAR[28](MAC-Congestion-AwareRouting)

該算法討論了在分簇網(wǎng)絡(luò)內(nèi)出現(xiàn)擁塞的時候該如何處理網(wǎng)內(nèi)擁塞。該算法中，網(wǎng)內(nèi)時刻監(jiān)視著是否有擁塞發(fā)生。若在網(wǎng)內(nèi)某處有大量數(shù)據(jù)爆發(fā)的時候，網(wǎng)絡(luò)會為這些數(shù)據(jù)及時形成一條高優(yōu)先級數(shù)據(jù)流量通道。通過犧牲網(wǎng)內(nèi)低優(yōu)先級數(shù)據(jù)的通信來緩解網(wǎng)內(nèi)的擁塞。

(15)CEECA[29](ClusteringbasedEnergyEfficientCongestionAwareprotocol)

通過對數(shù)據(jù)包設(shè)置不同的優(yōu)先級，再根據(jù)優(yōu)先級的高低分配不同的路由表，通過這種方式，提高網(wǎng)內(nèi)能量利用效率，并且能夠解除網(wǎng)內(nèi)出現(xiàn)的擁塞。

(16)MOCA[30](Multi-hopOverlappingClsuteringAlgorithm)

MOCA算法中將網(wǎng)內(nèi)的簇群組織設(shè)置為互相重疊的簇群，這么做的目的在于，無論這個節(jié)點的身份如何，都能保證此節(jié)點在n跳之內(nèi)將數(shù)據(jù)傳送給一個簇首節(jié)點，而n跳的距離為預(yù)設(shè)的簇半徑。

上述各類分簇協(xié)議比較如表1所列。

表1 上述各類分簇協(xié)議比較

續(xù)表1

從表中的分簇協(xié)議對比中可以看出，這些常見的無線傳感網(wǎng)絡(luò)分簇協(xié)議都存在各自的優(yōu)點和缺點，但是并不存在哪個路由協(xié)議在各方面的表現(xiàn)都是最好的，具體選用何種路由協(xié)議，還要參考具體的應(yīng)用場景。就簇間路由而言，直接通信雖然算法實現(xiàn)簡單，但是考慮到有些簇首節(jié)點離基站比較遠，傳感器節(jié)點在發(fā)射功率上又存在一定的限制，其總體上的能耗小于使用直接通信的方式，但是導(dǎo)致靠近基站的簇首節(jié)點會承擔(dān)更多的轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，所以這些區(qū)域的能量較其它區(qū)域而言下降得更加迅速，從而導(dǎo)致這些區(qū)域的節(jié)點因為能量耗盡而過早失效，網(wǎng)內(nèi)連通性變差。而就路由協(xié)議的目的而言，(1)～(8)提出的協(xié)議目的在于如何在聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)獲取最佳的數(shù)據(jù)傳輸路徑，而(9)～(16)的路由協(xié)議更注重?zé)o線傳感網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的問題，即當(dāng)網(wǎng)內(nèi)通信出現(xiàn)問題時候，如何及時發(fā)現(xiàn)問題并解決。

3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的關(guān)鍵問題

無線傳感網(wǎng)絡(luò)的工作周期被記為“輪”(round)，每一輪被進一步分為簇階段和穩(wěn)定階段。在每一輪中，每個簇都是新生成的，簇首節(jié)點從此前未擔(dān)任過簇首的候選節(jié)點中產(chǎn)生。根據(jù)仿真可知，該簇首節(jié)點選擇機制可以很好地保證網(wǎng)內(nèi)都有足夠的候選節(jié)點來充當(dāng)簇首節(jié)點，在每輪當(dāng)中，未當(dāng)選為簇首節(jié)點的候選節(jié)點都有很大的幾率會被選為簇首節(jié)點。目前傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中關(guān)鍵技術(shù)主要包含以下幾點：

(1)網(wǎng)絡(luò)拓撲控制

因為無線傳感網(wǎng)絡(luò)為自組織網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)拓撲會因為多種因素而隨機改變。所以，對于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的拓撲控制有特別的意義。由于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的分布具有隨機性，其面對的應(yīng)用場景有所不同，所以一般不存在一個最優(yōu)拓撲能夠適應(yīng)所有無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，在不同的應(yīng)用場景下需要對無線傳感網(wǎng)絡(luò)的拓撲做不同的優(yōu)化。

(2)時鐘同步技術(shù)

時鐘同步技術(shù)是無線傳感網(wǎng)絡(luò)的一項主要支撐技術(shù)。無線傳感網(wǎng)絡(luò)的時鐘同步技術(shù)一般情況下會面臨網(wǎng)內(nèi)有限能耗、節(jié)點制作成本和節(jié)點體積大小等多方面的約束，所以在研究時鐘同步技術(shù)的同時，一般也應(yīng)該考慮技術(shù)的節(jié)能型、可擴展性等要求。

(3)網(wǎng)絡(luò)覆蓋與網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

由于傳感節(jié)點的隨機布散，在傳感監(jiān)測區(qū)域中會存在監(jiān)測“空洞”或者監(jiān)測區(qū)域重疊的問題，這些都會降低無線傳感網(wǎng)絡(luò)在監(jiān)測應(yīng)用中的表現(xiàn)。同時，節(jié)點能源有限、軟件錯誤或者其它外界因素，都有可能會導(dǎo)致網(wǎng)內(nèi)節(jié)點的死亡，這樣網(wǎng)內(nèi)的聯(lián)通度就會降低，同時網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測區(qū)域的范圍也會減小。所以網(wǎng)絡(luò)覆蓋性這一指標(biāo)對于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的有效性非常重要，保證網(wǎng)絡(luò)的覆蓋對于網(wǎng)絡(luò)的魯棒性也非常重要。

(4)數(shù)據(jù)融合技術(shù)

在建立無線傳感網(wǎng)絡(luò)的時候，為了保證網(wǎng)絡(luò)的覆蓋、數(shù)據(jù)采集的實時性與網(wǎng)絡(luò)的魯棒性，常常會在某區(qū)域內(nèi)遍布大量傳感器節(jié)點，以保證檢測的區(qū)域能夠相互重疊，但這也導(dǎo)致在傳感器密度比較高的區(qū)域，采集到的信息具有很高的相關(guān)性。如果將這些采集到的數(shù)據(jù)不加處理就直接傳送，就會占用大量網(wǎng)絡(luò)資源，而數(shù)據(jù)融合就是采用一定的算法，強化公共信號，濾去不相關(guān)的噪聲信息，使來自不同信息源的數(shù)據(jù)進行聚合以產(chǎn)生更加精確的信息，同時也能節(jié)約一部分網(wǎng)內(nèi)能量。

(5)網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)安全因素也是在設(shè)計無線傳感網(wǎng)絡(luò)過程中需要考慮的因素之一。無線傳感網(wǎng)絡(luò)必須引入有效的安全機制以防止網(wǎng)絡(luò)被未授權(quán)的接入或者惡意攻擊而破壞，而有些對網(wǎng)絡(luò)最底層的物理攻擊方式更為直接粗暴，而這些手段對網(wǎng)絡(luò)造成的危害也難以在短時間內(nèi)修復(fù)。綜上所述，網(wǎng)絡(luò)攻擊的方式紛繁復(fù)雜，而攻擊的對象都有各自的側(cè)重。

分簇路由協(xié)議通信主要分為以下幾個步驟：①簇首節(jié)點選擇;②成簇階段;③簇間路由形成;④能量控制。LEACH協(xié)議是最早提出的分簇路由協(xié)議，主要存在“能量熱區(qū)”問題，因為簇首節(jié)點承擔(dān)過多通信任務(wù)，能耗總是急遽下降，主要存在幾個問題：

① 協(xié)議中簇首節(jié)點的生成過程過于隨機，導(dǎo)致簇首節(jié)點可能在網(wǎng)內(nèi)部分不均勻。簇首節(jié)點分布不均勻?qū)е碌暮蠊褪?，如果簇首?jié)點所在區(qū)域的節(jié)點部分過于稀疏，就會大量增加簇內(nèi)通信的開銷；若是簇首節(jié)點之間的距離過于緊密，網(wǎng)內(nèi)簇群的劃分對網(wǎng)內(nèi)通信的改善并無多大的效果。

② 簇首節(jié)點的個數(shù)是指定的，這在小型的網(wǎng)絡(luò)中可以適用，但是對于大型的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)內(nèi)拓撲復(fù)雜多變，再對簇首節(jié)點的個數(shù)進行指定就不合適。

③ 簇首節(jié)點與基站之間能夠直接通信，若是選舉出的簇首節(jié)點在遠離基站的位置，而此時簇首節(jié)點將簇內(nèi)手機的大量數(shù)據(jù)直接發(fā)送給基站的話，該簇首節(jié)點的通信能耗會非常巨大，從而導(dǎo)致節(jié)點迅速死亡。

結(jié) 語

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