无线传感器网络簇类路由协议的研究.doc

无线传感器网络簇类路由协议的研究 李梦娥，张登银 (1．南京邮电大学计算机学院，江苏省南京市210003；2．南京邮电大学信号处理与传输研究院，江苏省南京市210003) 0引言 WSN(无线传感器网络)由部署在监测区域内的大量廉价的微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳、自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。WSN的随机布设、自组织、环境适应等特点使其在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等领域具有广阔的应用前景和很高的应用价值。而源于WSN自身的特点，路由协议成为其研究的重点之一。 目前，已有很多路由协议，其目的是要节省系统的能量，延长系统的生命周期，提高系统的性能。主要有平面路由协议和层次路由协议。层次路由协议的基本思想是选取一些节点负责某个区域的路由，相对于其他节点具有更大的责任，而节点之间不是完全平等的关系。簇类协议具有良好的节能效果和可扩展性。具有代表性的、成熟的路由协议主要有：LEACH(Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy)、TEEN(Thresholdsensitive Energy Efficient sensor Network protocol)、PE-GASIS (Power-Efficient Gathering in Sensor InformationSystems)，以及在此基础上改进的协议。 1 LEACH类协议 1.1 LEACH协议 LEACH的基本思想是将整个网络划分为不同的簇，簇类节点的数据发送和接收由簇头负责，簇头节点以循环的方式随机选择。LEACH定义了轮的概念，LEACH的运行过程就是轮不断循环的过程。每个轮分成两个阶段：簇的建立阶段和传输数据的稳定阶段。在簇的建立阶段，相邻节点动态地形成簇，随机产生簇头；在数据通信阶段，簇内节点把数据发给簇头，簇头进行数据融合后把结果发送给基站。其中，簇的建立过程又可以分成4个阶段：簇首节点的选择、簇首节点的广播、簇的建立和调度机制的生成。 关于簇头选择的算法，LEACH采用分布式。选择簇头的具体做法是：在每一个回合即轮的第1阶段，传感器节点随机的选择0～1之间的一个数值，如果这个数值小于某一个阈值T(n)，那么这个节点就被选为簇头节点。节点n的阈值T(n)的计算公式如下： 式中：N为网络中传感器节点的总数；k为一轮网络中的簇头节点数；r为已完成的轮数；G为在剩余的r轮中未成为簇头节点的传感器节点的集合。 LEACH这种簇首随机选择机制的优点在于，通过把网络的负载均匀地分布在整个网络上，很大程度上节约了通信过程中的能量损耗。每一轮中，由不同的节点充当簇头，从而网络中的节点都有机会来担当远距离通信的任务。而且，簇头节点在把簇内节点发送来的数据传送给BS(基站)之前，先进行数据融合与压缩，进而减少数据的传输量，节省了能量。LEACH实现起来相对简单，操作也比较灵活。 LEACH的不足在于，每轮进行选择簇头并划分簇，并且簇头需要一直处于醒着的状态以接收数据，这样系统开销较大，离散式区域算法虽然对节点位置等要求不高，但无法确定最优的簇数目。LEACH采用TDMA的MAC层机制，而事实上，在分配给节点的每个时隙，节点并不是都有数据要发送给簇头，这样的通信机制不能有效利用带宽，浪费了能量。LEACH还要求节点之间以及节点与sink之间都可以直接通信，因此局限了网络的可扩展性，不适用于大型的网络。 1.2 LEACH-EE协议 高效聚类路由算法LEACH-EE是在LEACH基础上改进的，不同于LEACH的单跳路径选择模式，而LEACH-EE是簇头间多跳路径选择模式。LEACH-EE的基本思想大部分继承了LEACH的模式，协议的运行过程就是簇不断循环重构的过程，每一轮也分为簇的建立阶段和传输数据的稳定阶段，簇的建立阶段也分为4个阶段：簇首节点的选择、簇首节点的广播、簇的建立和调度机制的生成。与LEACH不同的是在簇首节点广播的阶段和传输数据的稳定阶段。在簇首节点的广播阶段，每个簇头节点需要计算出自己与其他簇头之间的距离，以及自己与sink之间的距离；在传输数据的稳定阶段，由sink发起，遍历所有的簇头节点，寻找与sink路径最短的簇头，找到后，再寻找与这个簇头路径最短的下一个簇头，以此类推，直到所有的簇头节点遍历完了，建立一条通往sink的最短路径，数据就可以由这条路径融合并经多跳发送给sink。 LEACH-EE的这种多跳路由模式把能量消耗均匀地分担到每个节点，网络的寿命延长，而且就算Bs与检测距离变大，也不会使得离BS远的节点迅速死亡。而LEACH中离sink较远的节点因为远距离单跳传输数据，能量