无线传感器网络路由协议的节能与设计简析

【摘要】无线传感器网络作为新兴研究领域内容，受到了学术界的广泛关注，具有显著的研究价值。无线传感器网络即Wireless Sensor Networks（WSNs），标志着互联网技术发展至一个新的阶段，为人们提供了更有效、更具备价值的信息。路由协议也是无线传感器网络的重点内容，不同应用中的路由协议也会产生显著差异，需要结合具体的应用场合来分析具体的设计模式。

【关键词】无线传感器；网络路由协议；节能研究与设计

一、引言

路由协议的主要阶段包括寻找路径与传输数据两个阶段，尤其是在选择路径的过程中，需要立足与整体的网络耗能角度来寻找耗能更小的数据传输方案，设计者们也应该考虑到采用哪种方式能够获取最正确的数据。此外，为了促进节点能量的高效利用，也需要考虑到节能研究与设计方案的合理性。

二、无线传感器网络的特征

（一）动态化网络

由于受到外部环境的影响，传感器的节点很有可能出现故障或直接失效，此时网络拓扑结构会发生转变，环境因素也有可能导致无线通信链路终端，进一步影响到数据的传输。所以，无线传感器网络应该在较短的时间内适应变化，具备动态化网络的特征，其系统具有可重构性。

（二）资源与数据

传感器的节点一般较小，适应大规模直接部署，但是其通信能力与存储能力有限，一旦能量好近，会直接影响到其监测和数据采集工作的有效性，所以节能设计研究工作的必要性非常显著。如果用户需要获取相应的信息，可以直接通过网络获取，而不是通过对某个节点的指定。换言之，在路由协议的设计过程中，必须考虑到对不同节点数据传输的稳定性要求。

（三）组织性

在一般情况下，传感器节点能够自行组织形成配置管理模式，然后借助拓扑控制方案构建完整的网络系统，可以对数据进行分析和處理。实际上，无线传感器网络由于路由协议存在的差异，在不同的场景下会有不同的应用模式，在信息获取与组织性研究的过程中也需要结合应用类型的差异来针对性地展开。

三、路由协议设计体系

（一）网络模型构建

从传统的路径传输来看，无论是单路径传输还是多路径传输，普遍效率较低，节点能耗较高。所以，为了减少节点能量的消耗，在数据传输阶段就应该通过协同通信和网络编码技术方案来调整数据传输可能存在的不稳定性。我们在网络模型构建的过程中，应该了解到传感器网络的节点分布特征，且中继节点具备显著的通信能力与数据编码能力。

在初始时间段，每个传感器的节点能量相同，簇头节点在负责数据传输的同时还参与到了路径构建的过程当中，经过数轮数据传输之后被重新选择。节点此时也能根据能量消耗情况来判定是否需要参与到选择簇头节点的工作当中。

（二）数据传输过程

传统路由中，中继节点会向下游节点发送接收到的数据，在地理路由协议当中，中继节点也会对受到的数据包进行编码后再发送至下一簇。Source会对已经收集的数据进行划分，然后编码生成若干个数据包，连续向下一簇节点发送。当汇聚节点接收所有数据之后，数据包携带的编码向量也可以开始进行解码工作。针对于传统路由数据传输效率过低的问题，也可以通过基于网络编码的地理路由协议来分析数据传输的优化模式。在前期的路径构建阶段，也会综合考虑到节点数量的差异，以此为基础来均衡簇间节点的消耗。

四、地理信息结合下的机会路由

大型无线传感器的网络当中，远距离节点需要多次转发信息才能将数据输送至需要的节点。但由于无线链路的稳定性问题，数据传输的可靠性会大幅降低，尤其是某些近距离节点会承载着非常承重的数据传输任务，能量消耗速率惊人。所以，如果能将路由与地理信息结合，就能从节点集的选择方面入手，更好地做好系统协调工作。

（一）能耗模型分析

通过无线传感器网络模型的构建，可以在区域中心设置好汇聚节点，其余节点则随机分布在网络当中，按照网络中的节点位置关系，可以设定网络中不存在两个地理位置坐标相同的节点，且其余节点具有相同的信息通信能力。而无线通信模块正是主要的能量消耗模块，考虑到数据传输过程中可能出现的能源损耗情况，可以使用能好模型来对节点数据进行描述，构建自由空间模型。

（二）节点集策略

机会路由当中，集中节点的数量是影响到数据传输结果的首要因素，也影响到数据传输的质量与可靠性。传统地理位置机会路由可以选择距离目的节点更近的节点来构建候选集，然而相应的节点协调难度会有显著提升，尤其是在通信消耗方面。所以在节点集策略方面，应该先控制好传输方向，将数据传输节点作为起点，汇聚节点作为终点，两者间的过程即为数据传输方向。另外，以传输方向为开始区域，通过顺时针与逆时针旋转模式来确定候选节点集的扇形覆盖区域。离Sink越近的节点，其数据接收与传输的压力更大，考虑到节点负载与数据传输稳定性的问题，就需要考虑到不同位置的节点与旋转角度问题，即

其中，d（Source，Sink）表示的是Source与Sink之间的欧氏距离，D为节点的传输半径值，γ为常量角度，通过对常量角度的调整可以满足不同应用对于数据传输的相关要求。我们通过公式可以得知，在同一节点内的候选集选择区域大致相同，节点所属区域与汇聚节点之间越近，则可选择的候选节点集区域越小。作为候选集基本单元，其数值与候选集之间的联系紧密，需要结合具体的应用要求来调整网络数据传输的可靠性，控制节点消耗。机会路由数据传输过程中，数据传输的可靠性业余节点数量与链路质量有着紧密联系。

（三）节点排序

节点排序的过程当中需要考虑到无线信道的稳定性问题与节点间的链路质量。通过节点能耗的公式可以了解到，距离汇聚节点越远，节点发送数据时需要消耗的能量就越多，即便是静态无线传感器网络当中，固定的节点位置也会随着网络的运行出现能量变化。所以，需要对节点进行合理排序，考虑到所有的影响因素，防止某个节点被频繁地认为是转发节点，出现不合理的能量消耗情况。通常情况下，链路质量较好，能量消耗较小的候选节点可以被认为是数据传输节点，对于数据传输成功率的提升具有显著的作用，能量利用率也会得到保障。

（四）协议性能分析

协议性能分析可以从不同的指标方面展开研究分析，即平均剩余能量、能量标准差、网络生存周期。前者是用于对路由协议与节点能耗分析的判断，后者则是计算能量耗尽之后网络开始运行的轮数。随着轮数的提升，在机会路由协议当中，也会从传输方向来对候选节点的范围进行规划和选择，减少通信产生的消耗，节点接受数据包的范围也会因为约束增加而减少其接收的节点数量。在协议当中，如果节点接收通信范围内的所有数据，也会增加其整体的能耗。总体而言，无论是通过汇聚节点的距离还是优先排序结果，都需要立足于数据传输时的能量消耗，防止节点被过度使用，维持更长时间的网络活跃状态。

针对于远距离节点传输的可靠性问题，通过路由与地理信息的结合，可以充分提升数据传输的成功率，从而对节点区域进行合理约束，结果表明，该方案可以很好地控制网络能耗，延长网络存活时间。

五、结语

对于无线传感器网络设计的影响因素来说，链路稳定性与节点能量问题是其中的重点，节能设计方案也成为了路由协议设计时需要遵循的具体原则。本文提出了基于网络编码的地理路由协议与机会路由协议，针对网络模型的特点，在保障网络数据成功传输的同时降低了网络能耗。在未来的研究工作当中，还有某些细节地方需要改进，进一步提升研究价值。例如还应该综合考虑到路由度量、节点移动性等其它方面的影响因素，通过均衡能耗的角度来设计路由协议，更好地保障网络周期。

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作者简介：程玲（1981—），女，汉族，江西九江人，本科，江西警察学院，讲师，研究方向：安全防范技术研究。