无线传感器网络分簇路由协议研究综述

刘琼

(1.湖南大学软件学院,湖南长沙 410082;2.湖南人文科技学院教务处,湖南娄底 417001)

无线传感器网络分簇路由协议研究综述

刘琼1,2

(1.湖南大学软件学院,湖南长沙 410082;2.湖南人文科技学院教务处,湖南娄底 417001)

首先分析了无线传感器网络区别于传统无线网络的个性化特点,然后从簇头选举、簇的形成和数据传输等方面概括了无线传感器网络分簇路由协议的研究现状,最后对无线传感器网络路由协议进行了总结。

无线传感器网络;节能;路由协议

作为新一代传感器网络,无线传感器网络 (W ireless SensorNetwork,WSN)的研究始于 1990年代末期。从 2000年起,国内外的无线传感器网络研究日趋活跃,取得了很多

研究成果。由于无线传感器网络可以使人们在任何时间、地点和任何环境下获取大量可靠的信息,所以这已经引起了世界上许多国家在军事领域、工业领域和学术领域的极大关注。美国《商业周刊》认为无线传感器是全球未来四大新技术之一,是 21世纪世界最具有影响力的 21项技术之一。

本文从簇头选举、簇的形成、数据传输等方面概括了目前研究者在无线传感器网络分簇路由协议节能方面的相关研究,为进一步研究无线传感器网络路由协议提供参考。

1 无线传感器网络特点

无线传感器网络是指一组传感器节点被部署在监测区域中,这些传感器节点以无线通信方式形成一个自组织网络系统,它们协作的感知、采集并处理网络覆盖区域中感知对象的信息,并发送给基站[1]。与传统无线网络相比它具有如下特点:

1.1 自组织网络

网络的部署无需依赖任何预设的网络设施,节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为,节点活跃状态下可以快速、自动地组成一个独立的网络。

1.2 动态网络

传感器网络的拓扑结构由于各种因素而改变,如节点的电能耗尽或自然灾害等原因影响失效,各种条件的变化可能造成无线通信链路带宽发生变化,甚至通信不稳定,这些问题要求传感器网络系统要能够适应这种变化,具有动态系统可重构性。

1.3 通信能力受限

传感器节点的通信带宽是有限的,通常仅有几百 kbps。传感器节点的通信范围与无线电发送设备的发送信号强度、接收设备的接收能力及自然环境 (如山地,树林)等干扰因素有关。

1.4 以数据为中心的网络

互联网中将网络设备用唯一的 IP地址进行标识,是一个以地址为中心的网络。无线传感器网络节点是否编号取决于网络通信协议的设计,用户使用无线传感器网络查询事件时,直接将所关心的事件通告给网络,网络在获得指定事件的信息后汇报给用户。

1.5 电源能量有限

传感器节点通常通过自身携带的电池供电,能量是非常有限的,由于传感器节点的数量规模庞大,而且工作的环境非常复杂甚至有危险的,通过人工更换电池的方式补给能量是不太现实的。

1.6 多跳路由

传感器节点覆盖在一定的区域外,因此节点之间采用多跳的通信方式来减少远距离传输能量消耗。

传统的无线网络首要目标是提供高可靠性和更高的带宽;而无线传感器网络存在能量受限的问题,因此无线传感器网络路由设计大多把能耗最小化作为首要目标。针对以上特点,许多研究人员提出了很多高效节能的路由协议。

2 无线传感器网络路由协议研究综述

LEACH[2]是最早提出的分簇路由协议,它的基本思想是:以循环的方式随机选择簇头节点,将整个网络的能量负载平均到每个传感器节点,从而达到降低网络能量耗费、延长网络生命周期的目的。从LEACH执行过程我们看出,每轮循环大致包括了三个阶段:簇头的产生、簇的形成和簇的路由。

簇头的产生是簇形成的基础,簇的路由依赖于簇的结构。它们是分簇路由协议设计的关键技术,三者密切相关,但也相对独立。所有的无线传感器分簇路由协议都是围绕着如何选择簇头、如何成簇、如何进行数据传输来考虑设计的[3]。

2.1 簇头节点的优化

LEACH采用分布式协议,算法简单,基本解决了负载平衡的问题,但是簇头分布不均,为此 Heinzelman作了改进 (LEACH-C)[4],它采用集中式协议,在成簇阶段各节点将自身信息和剩余能量汇报给基站 (BS,Base Station),由BS根据各节点剩余能量占网络总能量的比例等指标进行优化运算,选出合适的簇首。文献[5]中引入了剩余能量,使能量消耗比例较低的节点优先当选簇头,并且进一步改进了阈值大小,该算法综合考虑了节点能量和阈值大小对簇头选择的影响,使能量更加均衡。

在 LEACH中簇头的产生具有极大的随机性,容易出现部分节点剩余能量相对较小但仍被选为簇头,此时节点的能量会很快耗尽,成为“盲节点”的情况,张怡等人[6]提出了依据节点剩余能量的随机数生成策略,该策略进一步降低了剩余能量较小的节点成为簇头的可能性,进一步均衡网络能量负载。在 CPRE协议[7]中,选择剩余能量大于或等于平均能量且产生的随机数小于阈值的节点为簇头,并选取离基站较近且具有较高能量的簇头作为中继节点,通过簇间转发的方式将数据发送到基站。

张磊等人提出了 EDBCM协议[8],该协议选择能量较高且距基站距离的平方较近的节点为最佳簇头,进一步降低数据转发的能量损耗。文献[9]中提出了基于低能量的双簇头路由分簇协议,该协议使能量最小的 K个节点尽可能地接近簇头,同时,在发送数据时在簇内选择能量较大且距离基站较近的节点作为 Data簇头,通过双簇头的建立,进一步均衡簇内和簇间的通信消耗。

2.2 簇的形成

簇头产生之后,广播当选的消息给周围的节点,周围的节点根据收到的广播信号强度来决定加入哪一个簇,这是大数协议常用的成簇方式。在成簇过程中,不少人综合能量等因素来考虑簇的规模和负载均衡问题,提出了不同的成簇方法。

在 PEGASIS协议[10]中,通过贪婪协议把节点组织成一条链,数据只在相邻节点间进行发送接收,每个节点在数据融合[11]后以最小的功率发送数据,并且每轮中只选择一个簇头与基站通信。该协议没有簇的重构开销,降低了能耗,但是节点之间由于数据的转发有较大延时。EECS协议[12],综合考虑了成员节点的能量与簇头到基站的距离能量消耗,从而保证了簇头的负载均衡。

马玉刚等人提出了基于固定聚类的节能算法[13],所有节点分为固定的聚类,聚类内节点自动轮换担任簇头,通过减少聚类区域内节点之间的信息传输,从而减少不必要的能量消耗,更高效地传送有用数据,均衡了网络负载。

以上分簇路由协议大都是基于均匀分簇的,传感器节点间往往采用多跳方式进行通信,一些节点既要发送数据也要转发数据。同时,数据流遵循多对一的模式,离基站较近的节点需要承担更多的数据转发任务。因此这些节点容易过早耗尽自身的能量,导致在基站周围出现“能量空洞”(energy hole)现象。“能量空洞”现象的出现使整个网络采集的数据不能进一步传送给基站节点,此时网络的生存周期提前结束,但是网络中仍有大量较高能量的节点未被充分利用,基于此,李成法等人提出了 EEUC非均匀分簇协议[14],该协议分簇时使靠近基站的簇的规模小于远离基站的簇,使靠近基站的簇头有更多的能量为簇间数据转发使用,较好地避免了“能量空洞”的问题。

2.3 簇的数据传输

无线传感器网络中,节点能量受限,节点的有效通信半径也比较小。虽然可以通过调整发射功率来增大通信半径,但由于随着距离的逐渐变大,信号的空间损耗也迅速增大,因此,在分簇路由协议中一般采用多跳的传输方式来传输数据以达到节省能量的目的[15]。

但是,采用多跳传输方式并不是节点之间传送数据采用多跳或是跳数越多越节能[16]。一些研究表明[17],节点距离基站较近时,应避免多跳路由机制,减少路由开销,当节点传输距离较大时,在限制转发距离和跳数的前提下,多跳传输策略能够减少网络的能量消耗。

目前无线传感器网络分簇路由协议都是综合考虑了以上一个或多个方面来延长网络的生命周期。在文献[18]中,以剩余能量为参数限制簇头多跳算法中间节点的选择,由Pr im算法生成包括基站在内的所有簇头节点的最小生成树,在簇头剩余能量满足条件时,使得簇间以最短距离进行多跳通信。在 EEHCA协议[19]中,由基站根据节点剩余能量和簇头之间的距离选举簇头,节点用单跳和多跳模式交替与簇头进行通信,从而使簇头的分布更均匀,节点的负载更均衡。

3 结论

通过学者对当前无线传感器网络分簇路由协议的分析研究,可以看出一个好的无线传感器网络分簇路由协议应具备如下特点:

3.1 节能

采用数据融合技术,减少节点数据转发时不必要的控制信息,合理选择多跳进行远距离通信。

3.2 负载平衡

采用不均匀的分簇方式,避免靠近基站的节点过早的死亡,综合考虑节点的剩余能量、与基站的距离以及最优数据转发路径等因素,尽可能解决负载平衡的问题。

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(责任编校:光明)

Research Summary on Cluster Routing Protocols in W ireless Sensor Network

LIU Q iong1,2

(1.College of Software,Hunan University,Changsha,410082,China;
2.Hunan Institute of Humanities,Science and Technology,Loudi,417001,China)

First compared with traditionalwireless network,the characteristics ofwireless sensor network are analyzed.Then cluster head election,cluster fornation and data transmission etc.are discussedwithin the framework of cluster routingprotocols in wireless sensor ne twork.Finally the development ofwireless sensor network router is summed up.

wireless sensor network;saving energy;routing protocol

TP393

A

1673-0712(2010)02-0024-03

2010-02-15.

刘琼(1977-),男,湖南双峰人,湖南人文科技学院助教,湖南大学软件学院在读硕士,研究方向:无线传感器网络路由协议。