無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的節(jié)能設(shè)計(jì)

　　很多人都認(rèn)為，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要性可與因特網(wǎng)相媲美：正如因特網(wǎng)使得計(jì)算機(jī)能夠訪問各種數(shù)字信息而可以不管其保存在什么地方，傳感器網(wǎng)絡(luò)將能擴(kuò)展人們與現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行遠(yuǎn)程交互的能力。它甚至被人稱為一種全新類型的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，這就是因?yàn)樗鼌^(qū)別于過去硬件的可到處散布的特點(diǎn)以及集體分析能力。然而從很多方面來說，現(xiàn)在的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就如同遠(yuǎn)在1970年的因特網(wǎng)，那時(shí)因特網(wǎng)僅僅連接了不到200所大學(xué)和軍事實(shí)驗(yàn)室，并且研究者還在試驗(yàn)各種通訊協(xié)議和尋址方案。而現(xiàn)在，大多數(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)只連接了不到 100個(gè)節(jié)點(diǎn)，更多的節(jié)點(diǎn)以及通訊線路會使其變得十分復(fù)雜難纏而無法正常工作。

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所具有的眾多類型的傳感器，可探測包括地震、電磁、溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等周邊環(huán)境中多種多樣的現(xiàn)象?；?a href="http://ttokpm.com/v/tag/7888/" target="_blank">MEMS的微傳感技術(shù)和無線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)賦予了廣闊的應(yīng)用前景。這些潛在的應(yīng)用領(lǐng)域可以歸納為：軍事、航空、反恐、防爆、救災(zāi)、環(huán)境、醫(yī)療、保健、家居、工業(yè)、商業(yè)等領(lǐng)域。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種全新的信息獲取平臺，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種檢測對象的信息，并將這些信息發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的指定范圍內(nèi)目標(biāo)檢測與跟蹤，具有快速展開、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)，有著廣闊的應(yīng)用前景。

　　1 低功耗路由協(xié)議

　　1.1 LEACH協(xié)議

　　LEACH全稱是"低功耗自適應(yīng)集簇分層型協(xié)議" （Low Energy Adaptive CluSTering Hierarchy）。該算法基本思想是：以循環(huán)的方式隨機(jī)選擇簇頭節(jié)點(diǎn)，將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量負(fù)載平均分配到每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)中，從而達(dá)到降低網(wǎng)絡(luò)能源消耗、提高網(wǎng)絡(luò)整體生存時(shí)間的目的。仿真表明，與一般的平面多跳路由協(xié)議和靜態(tài)分層算法相比，LEACH可以將網(wǎng)絡(luò)生命周期延長15%.LEACH在運(yùn)行過程中不斷的循環(huán)執(zhí)行簇的重構(gòu)過程，每個(gè)簇重構(gòu)過程可以用回合的概念來描述。每個(gè)回合可以分成兩個(gè)階段：簇的建立階段和傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定階段。為了節(jié)省資源開銷，穩(wěn)定階段的持續(xù)時(shí)間要大于建立階段的持續(xù)時(shí)間。簇的建立過程可分成4個(gè)階段：簇頭節(jié)點(diǎn)的選擇、簇頭節(jié)點(diǎn)的廣播、簇頭節(jié)點(diǎn)的建立和調(diào)度機(jī)制的生成。

　　初始化階段即簇的形成階段。在每一輪的初始化階段，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都要決定自己是否充當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)。這個(gè)決定主要取決于網(wǎng)絡(luò)中所需要的簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)（在初始化的時(shí)候設(shè)置）和迄今為止該節(jié)點(diǎn)已成為簇頭節(jié)點(diǎn)的次數(shù)。簇頭節(jié)點(diǎn)必須從那些沒有當(dāng)過簇頭節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)中選擇，直到網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都當(dāng)過簇頭節(jié)點(diǎn)，然后再進(jìn)行重新選舉，所有節(jié)點(diǎn)獲得再次成為簇頭的機(jī)會。簇頭節(jié)點(diǎn)的選擇辦法是：每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選擇O~1之間的一個(gè)值，如果選定的值小于某一個(gè)閾值T（n），那么這個(gè)節(jié)點(diǎn)成為簇頭節(jié)點(diǎn)。T（n）值的計(jì)算方法如下：

???

?

　　其中，p是網(wǎng)絡(luò)中簇頭節(jié)點(diǎn)所占節(jié)點(diǎn)數(shù)目的百分比，r為當(dāng)前的輪數(shù)，G是一個(gè)集合，集合中的節(jié)點(diǎn)是前1/p輪中沒有充當(dāng)過簇頭節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)。使用這個(gè)門限，每個(gè)節(jié)點(diǎn)會在1/p輪操作內(nèi)充當(dāng)一次簇頭節(jié)點(diǎn)，符號mod是求模運(yùn)算符號。

　　在第O輪的時(shí)候（r=0），每個(gè)節(jié)點(diǎn)充當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)的概率為p,在第O輪充當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)在后面1/p輪中不能再次充當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)。這樣，剩下的節(jié)點(diǎn)的數(shù)目變少了，所以能夠充當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)的概率必須增加才能保證每一輪中的簇的個(gè)數(shù)保持均衡。在經(jīng)過1/p一1輪以后，T=1,此時(shí)對于任何一個(gè)在過去的1/p中還沒有做過簇頭節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)，都可以成為簇頭節(jié)點(diǎn)，因?yàn)樗泄?jié)點(diǎn)的標(biāo)志值都在0~1之問。經(jīng)過1/p輪之后，所有節(jié)點(diǎn)又可以重新充當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)了。

　　一旦簇頭節(jié)點(diǎn)被選定，它們就使用相同的能量向網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)廣播一個(gè)廣告包。在這個(gè)過程中，其他非簇頭節(jié)點(diǎn)的接收機(jī)一直處于工作狀態(tài)，以便接收來自不同簇頭的廣告包，它們根據(jù)最小通信能量原則，選取信號最強(qiáng)的廣告包的發(fā)送源節(jié)點(diǎn)作為自己的簇頭節(jié)點(diǎn)，并發(fā)送消息給其簇頭節(jié)點(diǎn)，告訴簇頭節(jié)點(diǎn)自己已經(jīng)加入該簇。

　　當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)收到了來自成員節(jié)點(diǎn)的"報(bào)道"消息后，根據(jù)成員節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，產(chǎn)生一個(gè)TDMA的時(shí)隙表，告訴成員在什么時(shí)刻可以發(fā)送數(shù)據(jù)。這個(gè)表會通過廣播到達(dá)成員節(jié)點(diǎn)，由于形成了簇的結(jié)構(gòu)，成員節(jié)點(diǎn)只與自己的簇頭節(jié)點(diǎn)通信，如果收到來自其他節(jié)點(diǎn)的消息，會自動屏蔽掉。因此不用擔(dān)心簇頭節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙表被其他簇的成員錯(cuò)誤接收。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的簇已經(jīng)形成，而且TD-MA時(shí)隙表也確定下來，就開始了數(shù)據(jù)傳送。成員節(jié)點(diǎn)只能在TDMA時(shí)隙表為其分配的時(shí)隙內(nèi)與簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。假設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)總是有數(shù)據(jù)要發(fā)送，在屬于自己的時(shí)隙里，成員節(jié)點(diǎn)會把數(shù)據(jù)發(fā)送給自己的簇頭節(jié)點(diǎn)。在發(fā)送階段，在自己的時(shí)隙沒有到來的時(shí)候成員節(jié)點(diǎn)可以關(guān)閉自己的收發(fā)機(jī)以節(jié)省能量。而簇頭節(jié)點(diǎn)必須一直使自己的接收機(jī)處于開啟狀態(tài)，用于接收來自不同成員節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。當(dāng)一輪的數(shù)據(jù)傳輸完畢后，簇頭節(jié)點(diǎn)會進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)融合處理，將多個(gè)數(shù)據(jù)融合成一個(gè)數(shù)據(jù)，然后發(fā)送給基站。持續(xù)一段時(shí)間以后，網(wǎng)絡(luò)開始進(jìn)入下一輪的工作周期。

　　LEACH協(xié)議運(yùn)用了數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)和分層動態(tài)路由技術(shù)，通過本地的聯(lián)合工作來提高網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性和魯棒性，通過數(shù)據(jù)融合來減少發(fā)送的數(shù)據(jù)量，通過隨機(jī)選擇簇頭節(jié)點(diǎn)來達(dá)到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部負(fù)載均衡的目的，進(jìn)而大大節(jié)約了能量。

　　盡管LEACH協(xié)議具備以上優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些不足之處。

　　（1）由于LEACH算法假定所有節(jié)點(diǎn)能夠與匯聚節(jié)點(diǎn)直接通信，并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具備支持不同MAC協(xié)議的計(jì)算能力，因此該協(xié)議不適合在大規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。

　?。?）LEACH算法是讓網(wǎng)絡(luò)中自組織的形成簇，由于簇頭節(jié)點(diǎn)是隨機(jī)產(chǎn)生的，這樣無法保證簇頭節(jié)點(diǎn)的合理分布。因此，很有可能出現(xiàn)被選擇的簇頭節(jié)點(diǎn)集中在網(wǎng)絡(luò)中某一區(qū)域的現(xiàn)象，這樣就會使得一些節(jié)點(diǎn)的周圍沒有任何簇。

　?。?）LEACH算法忽略了被選簇頭在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的分布狀態(tài)和節(jié)點(diǎn)間不同的通信距離而導(dǎo)致的節(jié)點(diǎn)能量損耗的不平衡。

　　1.2 PEGASIS協(xié)議

　　該協(xié)議是LEACH的改進(jìn)，思想是：為了延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期，節(jié)點(diǎn)只需要和她們最近的鄰居之間進(jìn)行通信。節(jié)點(diǎn)與匯聚點(diǎn)間的通信過程是輪流進(jìn)行的，當(dāng)所有節(jié)點(diǎn)都與匯聚點(diǎn)通信后，節(jié)點(diǎn)間再進(jìn)行新一回合的輪流進(jìn)行的。由于這種輪流通信機(jī)制使得能量消耗能夠統(tǒng)一的分布到每個(gè)節(jié)點(diǎn)上，因此降低了整個(gè)傳輸所需要消耗的能量。不同于LEACH的多蔟結(jié)構(gòu)，PEGASIS（Power-Efficient GAthering in Sensor InformatiON Systems）協(xié)議在傳感器節(jié)點(diǎn)中采用鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)進(jìn)行鏈接。運(yùn)行PEGASIS協(xié)議時(shí)每個(gè)節(jié)點(diǎn)首先利用信號的強(qiáng)度來衡量其所有鄰居節(jié)點(diǎn)距離的遠(yuǎn)近，在確定其最近鄰居的同時(shí)調(diào)整發(fā)送信號的強(qiáng)度以便只有這個(gè)鄰居能夠聽到。其次，鏈中每個(gè)節(jié)點(diǎn)向鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送忽然接受數(shù)據(jù)，并且只選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為鏈?zhǔn)紫騾R聚節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)。采集到的數(shù)據(jù)以點(diǎn)對點(diǎn)的方式傳遞、融合，并最終被送到匯聚節(jié)點(diǎn)

　　在PEGASIS算法中，"鏈"的形成過程是整個(gè)通信的關(guān)鍵。"鏈"的形成采用的方法是：節(jié)點(diǎn)發(fā)送能量遞減的測試信號通過監(jiān)測應(yīng)答來確定離自己最近的相鄰節(jié)點(diǎn)。通過這種方式，網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)能夠了解彼此的位置關(guān)系，找到自己的鄰居節(jié)點(diǎn)，每一輪通信中節(jié)點(diǎn)只需要與自己的鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。為確保每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有其相鄰節(jié)點(diǎn)，從離基站最遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)開始構(gòu)建，鏈中鄰居節(jié)點(diǎn)的距離會逐漸增大，因?yàn)橐呀?jīng)在鏈中的節(jié)點(diǎn)不能被再次訪問。依次下去，最終形成一條包含網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的鏈。

　　當(dāng)節(jié)點(diǎn)鏈形成并且選舉出領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)后，就開始了數(shù)據(jù)傳輸過程。PEGASIS中的數(shù)據(jù)傳輸使用Token（令牌）機(jī)制，如圖1所示。Token很小，故能耗較少。在一輪通信中，領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)用Token控制數(shù)據(jù)從鏈尾開始傳輸。圖中，C2為領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)，將Token沿著鏈傳給C0,Co傳數(shù)據(jù)給C1,C1將C0數(shù)據(jù)和自身數(shù)據(jù)進(jìn)行融合后形成一個(gè)相同長度的數(shù)據(jù)包，再傳給C2.然后，C2將Token傳給C4,C2以相同的方式接收來自C3,C4的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)在C2處進(jìn)行融合后，發(fā)給基站。

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?
　　PEGASIS是在LEACH基礎(chǔ)上建立的路由協(xié)議，PEGASIS比LEACH節(jié)省能量主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

　?。?）在本地?cái)?shù)據(jù)聚合階段，PEGASIS算法中每個(gè)節(jié)點(diǎn)只與離自己最近的鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，而不是像LEACH算法一樣需要與簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，PEGAS-IS算法大大減小了每輪通信中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信距離，從而降低了每個(gè)節(jié)點(diǎn)在每一輪通信中所消耗的能量。

　?。?）LEACH算法中，一個(gè)簇頭要接收多個(gè)簇成員節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，而PEGASIS算法中，一個(gè)領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)最多只需要接收2個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)包。

　　（3）在每一輪通信中，PEGASIS算法只有1個(gè)領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)與基站通信，而LEACH中則有多個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)與基站通信。PEGASIS也存在一些不足之處：節(jié)點(diǎn)維護(hù)位置信息（相當(dāng)于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔ⅲ┬枰~外的資源，在網(wǎng)絡(luò)全局信息比較難以獲得的情況下就不合適了，而且領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)的惟一性使得其成為整個(gè)通信過程的瓶頸。