无线传感器网络节能路由算法研究

周立广

【摘要】 由很多部署在相应监测区域内的传感器节点共同组成的系统就是我们常说的无线传感器网络，这个系统通过无线通联的手段构成一个多跳的自身紧密相连的网络系统，从而共同地采集感知和处理各种网络区域内的相关信息，并传达给观测者。无线传感器网络在信息环境检测、工农业生产、国家间军事侦察、民用医疗指标监护、住房与建筑、产品生产控制和各种商业科技等方面有着巨大的发展空间。

【关键词】 无线传感器网络 节能路由算法 系统

在所有无线传感器网络系统中，电能是一种非常珍贵的资源，因为传感器一般都由电池提供电能，但是电池由于自身结构原因，提供的电能十分有限，而且传感器都是被设置在无人看管的环境之下，并不能做到持续供电。所以我们为了延长电池的使用寿命，以求可以达到延长整个网络系统的生命周期或者说工作时间的目的，最近几年来人们开始意识到了通过通信协议和节能算法来实现节约电能的重要性。研究高效节能的通信协议和相关算法，已经变为了无线传感器网络中最需要解决的首要问题。文章首先简要地解释了无线传感器网络的基本概念、体系构成、系统特点和应用发展前景等，之后探讨研究了无线传感器网络中常常使用的一些节能方法，并且对一些比较有特点的无线传感器网络系统的节能路由算法进行归纳总结和比较。

一、无线传感器网络系统中比较常见的节能路由算法

常用的无线传感器网络系统中路由相关协议算法的种类有很多，就网络系统结构方面而言，可以将其分为平面式路由算法和多层次式路由算法。平面路由算法的结构相对简单，稳定性好，但是缺乏高效管理资源的能力；多层次式路由算法常常应用于大规模多层次的复杂网络环境中，可延伸性强，但簇首的稳定性和可靠性对整个网络系统的工作性能影响比较大，还有就是簇首的采集接收与处理相关数据都要用掉很多的电量。

1.1 平面式路由算法

这种算法对网络系统中的每一个节点都是相等对待处理的。任何一个节点在发送相关数据的时候，都能通过其他任意的节点作为中转站进行跳转发送，以致最后到达sink点为止。这种传递信息的方式叫做“多跳模式”。一般来说，在sink点周围的节点参加数据信息中转的频率要比离Sink点远的节点参加的频率要高很多。所以Sink点周围的节点因为过于频繁地进行数据信息的中转，会比较快地消耗完它的电量。

平面式路由算法中最具有典型性的节能路由算法有： 多路径式路由算法、定向扩散式路由算法、协商机制性路由算法。

1.2 多层次式路由算法

多层次式路由协议的基本指导思想是将每个传感器节点进行分簇，簇内通信的工作由首节点来处理完成，簇首节点进行数据汇集融合以减少传输数据信息的总量，在最后簇首节点把处理后的信息传达给Sink节点。这种方法可以满足传感器网络的延伸性，有效的减少传感器节点的电能消耗，从而延长网络生命周期和工作时间。

多层次路由协议里比较有典型性的节能路由协议有：门限敏感式传感器协议、低耗能自适应簇类式路由算法、高能效传感数据采集式路由算法和有电能意识的传感器式分簇路由。

二、无线传感器网络系统的节能式路由算法设计思考因素与特点

通过对不同无线传感器网络系统中路由算法的比较分析，我们可以看出，与一般的网络路由协议相比较而言，无线传感器网络的节能路由算法有以下几个特点：（1）能量优先原则。一般来说传统的路由协议系统在选择最优传输方法时，基本上不会考虑节点的电量消耗问题。而我们现在知道无线传感器网络系统中节点的能量往往是很有限的，因此有效延长全部网络系统的生名周期也就变成了传感器网络系统路由协议设计规划首要目标[1]，所以我们应该要考虑不同节点的电能消耗和总能量均衡分配的问题。（2）局部的拓扑数据信息问题。无线传感器网络系统为了节约通信电能，一般采用多跳的通信方法，因而导致节点有限的计算资源和储存资源，使得每一个都节点不能存储很多的路由数据信息，不能处理比较复杂的路由协议计算。在这些节点只能得到局部拓扑信息与有限资源的处境之下，怎样实现简单化高效能的路由协议机制是无线传感器网络系统面临的一个基本问题。（3）以数据信息为中心。传统模式的路由协议下通常以路由地址作为节点的标志和路由的根据，但无线传感器网络系统中大部分节点是随机不确定部署的，所关注的重点是监测区域的相关感知数据信息，而不是哪个具体节点获取的数据信息，不依靠于全部网络唯一的标志。传感器网络系统中一般包括很多个传感器节点到几个少数Sink点的数据信息流，依照对感知数据信息的需要性高低、信息通信方式和流向的不同等，以数据信息为中心构成消息的不同转发路线。

三、应用相关信息

传感器网络的应用类型有很多，数据信息通信的模式方法不同，因此没有哪一个机制是真正适合所有应用的，这个特点是传感器网络应用性的一个重要表象。不同的设计者都要针对每一个不同的应用需求设计与之相配套的特殊路由协议机制。由于无线传感器网络系统的路由协议具有以上相关的特点，在不同的无线传感器网络系统的路由协议设计思路中，我们应首先考虑以下方面[2]：可扩展性、低耗能性和容错性、数据汇集性、传输延迟性与路由质量等等。（1）低耗能性。低耗能性是无线传感器网络系统设计环节中要思考面对的重要因素。节点的低能耗和网络系统能耗平衡，延长网络系统的工作时间与生命周期，是无线传感器网络系统路由设计要达到的首要目标。传感器网络路由协议的设计不只要选择电能消耗少的数据消息传输路径，更要从全部网络系统的角度思考，尽量能够使用使整个网络平台能量平衡消耗电能的路由。（2）容错性。容错性也被称为网络平台的健壮性，我们知道传感器节点易因为电能的耗尽与外界环境不稳定干扰而停止工作，但是少部分传感器节点的功能丧失不应影响整个路由协议的工作任务。周围环境不稳定干扰影响无线路由的信息传递质量以及无线路由自身数据设计的缺点等等，这些诸多的不稳定因素都需要无线传感器网络系统的路由具有比较强的容错性能。（3）可扩展性。在一些复杂的应用中很可能需要设置规划成百上千个节点，节点失效、新的节点参与节点定向移动等等，都会让无线传感器网络系统的拓扑组成动态发生改变，这些变化使得路由协议的设计需要有比较强的可扩展性，只有这样材能够动态地适应相应复杂网络环境和节点个数的增多，保证该应用对路由协议的需求。（4）传输延迟性。传感器网络系统的延迟时间指的是观测者发出相应请求到接受到应答数据信息所需要时间。我们在设计中必须尽可能缩短延迟时间，保证无线传感器网络系统在传输相关数据信息中的实时性。比如在军事应用上，敌军所处位置的监测设计系统中，我们需要将敌军所处的位置尽可能短的时间传答回来，这也就要求我们的无线传感器网络路由协议传输延迟时间尽可能的短。（5）数据汇集性。无线传感器网络系统节点数据信息天马行空的分布，有很多冗余现象的发生。我们数据汇集的基本知道思想就是将很多来自不同源节点传来的数据信息进行融合汇集，消除冗余从而减小数据信息传输量，提高数据信息的可信度与精度，以获得更真实更有作用的结果，并且可以节省电能。

四、结语

电子和芯片、处理器以及网络系统等高科技技术的进步，促进了无线传感器网络系统的构成和发展。并且无线传感器网络系统并不一定需要固定网络平台的支持，它有高速展开、抗干扰性强等特点，这种技术可以广泛的应用到环境治理、军事、医疗监测等领域，这种高新技术已经引起各方面的高度关注。

参 考 文 献

[1] 李成法，叶愚，陈贵海. 基于非均衡分族的无线传感器网络系统路由协议[M]. 计算机学报，2012.3-12

[2] 徐雷，鸣庞博. Ns与网络路由协议模拟[M]. 北京：人民邮电出版社，2012.31-20