基于節能的無線傳感器網絡路由協議研究

摘 要：路由協議是無線傳感器網絡的重要組成部分，節能是無線傳感器網絡路由協議設計所要解決的首要問題。重點深入分析了低功耗路由協議LEACH和PEGASIS，總結了它們各自的優缺點，同時簡單介紹了其他幾種典型的路由協議，并對所述路由協議進行了綜合對比，最后，總結了路由協議能量優化的方法。
關鍵詞：無線傳感器網絡；路由協議；LEACH協議；PEGASIS協議

0 引 言
傳感器技術、微機電系統、現代網絡和無線通信等技術的進步，推動了具有現代意義的無線傳感器網絡的產生和發展。無線傳感器網絡擴展了人們的信息獲取能力，將客觀世界的物理信息同傳輸網絡連接在一起，在下一代互聯網中將為人們提供最直接、最有效、最真實的信息。無線傳感器網絡具有十分廣闊的應用前景，能應用于軍事國防、工農業控制、城市管理、生物醫療、環境監測、搶險救災、防恐反恐、危險區域遠程控制等諸多領域。
無線傳感器網絡設計的基本原則就是要以節能為前提。傳統無線通信網絡的首要設計目標是提高服務質量和高效帶寬利用，其次再考慮節約能源；而傳感器的首要設計目標是能源的商效利用，這是傳感器網絡和傳統網絡的最重要的區別之一，能量問題是無線傳感器網絡的核心問題。傳感器節點由電池供電，而目前的技術水平下電池容量難以有大幅度提高，而且在許多應用中，更換電池是不現實的(如軍事應用)，因此這就要求WSN路由協議必須以節約能源為主要目標，最大限度地延長網絡生存時間。

1 低功耗路由協議
1．1 LEACH協議
LEACH(Low―Energy Adaptive C1ustering Hier―archy)是MIT的Chandrakasan等人為無線傳感器網絡設計的低功耗自適應分層路由算法。它的基本思想是以循環的方式隨機選擇簇頭節點，將整個網絡的能量負載平均分配到每個傳感器節點中，從而達到降低網絡能源消耗，提高網絡整體生存時間的目的。LEACH在運行過程中不斷地循環執行簇的重構過程。每個簇重構過程可以用“輪”的概念來描述。每個輪可以分成兩個階段：初始化和穩定工作兩個階段。為了避免額外的處理開銷，穩定階段一般持續較長時間。
初始化階段即簇的形成階段。在每一輪的初始化階段，每個傳感器節點都要決定自己是否充當簇頭節點。這個決定主要取決于網絡中所需要的簇頭節點數(在初始化的時候設置)和迄今為止該節點已成為簇頭節點的次數。簇頭節點必須從那些沒有當過簇頭節點的節點中選擇，直到網絡中的所有節點都當過簇頭節點，然后再進行重新選舉，所有節點獲得再次成為簇頭的機會。簇頭節點的選擇辦法是：每個傳感器節點隨機選擇O～1之間的一個值，如果選定的值小于某一個閾值T(n)，那么這個節點成為簇頭節點。T(n)值的計算方法如下：

其中，p是網絡中簇頭節點所占節點數目的百分比，r為當前的輪數，G是一個集合，集合中的節點是前1／p輪中沒有充當過簇頭節點的節點。使用這個門限，每個節點會在1／p輪操作內充當一次簇頭節點，符號mod是求模運算符號。
在第O輪的時候(r=0)，每個節點充當簇頭節點的概率為p，在第O輪充當簇頭節點的節點在后面1／p輪中不能再次充當簇頭節點。這樣，剩下的節點的數目變少了，所以能夠充當簇頭節點的概率必須增加才能保證每一輪中的簇的個數保持均衡。在經過1／p一1輪以后，T=1，此時對于任何一個在過去的1／p中還沒有做過簇頭節點的節點，都可以成為簇頭節點，因為所有節點的標志值都在0～1之問。經過1／p輪之后，所有節點又可以重新充當簇頭節點了。
一旦簇頭節點被選定，它們就使用相同的能量向網絡中的其他節點廣播一個廣告包。在這個過程中，其他非簇頭節點的接收機一直處于工作狀態，以便接收來自不同簇頭的廣告包，它們根據最小通信能量原則，選取信號最強的廣告包的發送源節點作為自己的簇頭節點，并發送消息給其簇頭節點，告訴簇頭節點自己已經加入該簇。
當簇頭節點收到了來自成員節點的“報道”消息后，根據成員節點的數目，產生一個TDMA的時隙表，告訴成員在什么時刻可以發送數據。這個表會通過廣播到達成員節點，由于形成了簇的結構，成員節點只與自己的簇頭節點通信，如果收到來自其他節點的消息，會自動屏蔽掉。因此不用擔心簇頭節點的時隙表被其他簇的成員錯誤接收。當網絡中的簇已經形成，而且TD―MA時隙表也確定下來，就開始了數據傳送。成員節點只能在TDMA時隙表為其分配的時隙內與簇頭節點進行通信。假設傳感器節點總是有數據要發送，在屬于自己的時隙里，成員節點會把數據發送給自己的簇頭節點。在發送階段，在自己的時隙沒有到來的時候成員節點可以關閉自己的收發機以節省能量。而簇頭節點必須一直使自己的接收機處于開啟狀態，用于接收來自不同成員節點的數據。當一輪的數據傳輸完畢后，簇頭節點會進行必要的數據融合處理，將多個數據融合成一個數據，然后發送給基站。持續一段時間以后，網絡開始進入下一輪的工作周期。
LEACH協議運用了數據壓縮技術和分層動態路由技術，通過本地的聯合工作來提高網絡的可擴展性和魯棒性，通過數據融合來減少發送的數據量，通過隨機選擇簇頭節點來達到網絡內部負載均衡的目的，進而大大節約了能量。