(福建師范大學(xué) 閩南科技學(xué)院，泉州 362332)

引 言

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種新型的監(jiān)測(cè)技術(shù)，該系統(tǒng)包括傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)以及管理節(jié)點(diǎn)三部分。在實(shí)際應(yīng)用中，大量的傳感器節(jié)點(diǎn)被無(wú)人飛機(jī)等飛行器拋灑在指定的監(jiān)測(cè)區(qū)域或者監(jiān)測(cè)區(qū)域附近的區(qū)域，然后這些節(jié)點(diǎn)可以用自組織的方式來(lái)構(gòu)建出一個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，再通過(guò)相互合作的方式來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并在網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)收集和處理信息。傳感器節(jié)點(diǎn)所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)是通過(guò)多跳通信傳輸?shù)?，在這個(gè)過(guò)程中，會(huì)有多個(gè)節(jié)點(diǎn)處理監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)，然后將該監(jiān)測(cè)信息通過(guò)衛(wèi)星和互聯(lián)網(wǎng)傳送到管理節(jié)點(diǎn)。此時(shí)，用戶(hù)就可以根據(jù)傳送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行下一步的操作，可以傳達(dá)監(jiān)測(cè)與收集整理數(shù)據(jù)的任務(wù)，當(dāng)收到這些任務(wù)后，大量的節(jié)點(diǎn)就開(kāi)始探測(cè)數(shù)據(jù)，并傳送給用戶(hù)。

1 無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議

無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)都是通過(guò)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不同的無(wú)線(xiàn)通信方式，這就導(dǎo)致傳統(tǒng)的通信技術(shù)不能直接應(yīng)用到無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)中。而對(duì)于傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)而言，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的首要任務(wù)是在通信目標(biāo)移動(dòng)的情況下，仍然能夠保證網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量，在無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)的目標(biāo)最重要的一點(diǎn)就是降低網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的通信能耗，從而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的工作壽命。此外，無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場(chǎng)景眾多，各種應(yīng)用都有不同的側(cè)重。在無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的研究中，需要對(duì)其路由協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化，使之能夠更好地適應(yīng)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的各類(lèi)應(yīng)用[13]。傳感器節(jié)點(diǎn)分為多個(gè)簇，每個(gè)簇都有自己的簇首，用于收集處理并傳送數(shù)據(jù)。這些簇首將收集到的數(shù)據(jù)再直接傳送給基站。

由于分簇路由協(xié)議將無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的路由機(jī)制化繁為簡(jiǎn)，將一個(gè)網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個(gè)子網(wǎng)絡(luò)，能夠很好地解決網(wǎng)絡(luò)通信過(guò)程中因?yàn)橛泄?jié)點(diǎn)失效而退出網(wǎng)絡(luò)、節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)或者是有新節(jié)點(diǎn)加入而帶來(lái)的拓?fù)渥兓瘞?lái)的問(wèn)題，同時(shí)具有很好的可擴(kuò)展性。除了網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性比較好之外，分簇路由協(xié)議還有一些其它優(yōu)勢(shì)。

因?yàn)榇貎?nèi)通信的路由是在每個(gè)簇內(nèi)建立起來(lái)的，所以每個(gè)節(jié)點(diǎn)所存儲(chǔ)的路由表也大大減少，這樣就節(jié)省了節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)空間。其次，由于簇內(nèi)的普通節(jié)點(diǎn)只需和簇首節(jié)點(diǎn)通信，這樣就節(jié)省了網(wǎng)內(nèi)帶寬。由此可見(jiàn)，分簇路由協(xié)議對(duì)于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的路由設(shè)計(jì)有很大的幫助。對(duì)于傳感器的供電裝置，在進(jìn)行替換或者在傳感器任務(wù)周期內(nèi)，能夠保證傳感器的正常工作。任務(wù)周期取決于應(yīng)用背景，例如監(jiān)視火山活動(dòng)，需要傳感器工作數(shù)年之久，而鳥(niǎo)類(lèi)孵化監(jiān)視該類(lèi)應(yīng)用中，也許只要數(shù)月。以前的WSN數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)格式較為單一，信息量少，因此在數(shù)據(jù)處理上所采用的方式也較為簡(jiǎn)單。后來(lái)圖像、音頻等也被納入監(jiān)測(cè)范圍。這些多媒體應(yīng)用，在采集、處理和傳輸上，需要更大的數(shù)據(jù)處理能力，大存儲(chǔ)容量設(shè)備，同時(shí)也消耗更多的網(wǎng)內(nèi)能量資源。

通常情況下，WSN網(wǎng)內(nèi)傳感器由電池供電，當(dāng)能量耗盡時(shí)必須更換電池或者對(duì)電池進(jìn)行充電才能保證傳感器的正常工作?，F(xiàn)階段，有參考文獻(xiàn)討論使用太陽(yáng)能、風(fēng)能等作為WSN的能源續(xù)航，但是這些方法轉(zhuǎn)換率低，且受環(huán)境因素限制。就硬件成本而言，給所有網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)更換電池也不切實(shí)際。因此，WSN的生存周期主要取決于電源的生存周期。而研究也表明，路由協(xié)議的優(yōu)化對(duì)于降低網(wǎng)內(nèi)通信能耗、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命有著相當(dāng)顯著的效果[11]。從圖1中可以看出，傳感器在不同模式下的能耗是不同的，而且在數(shù)據(jù)收發(fā)階段和節(jié)點(diǎn)空閑的時(shí)候，能耗明顯高于其它狀態(tài)，所以在不使用時(shí)，最好讓節(jié)點(diǎn)在休眠狀態(tài)下。

圖1 傳感器不同狀態(tài)能耗示意圖

2 無(wú)線(xiàn)傳感器分簇協(xié)議分析和比較

近年來(lái)研究人員就提出不同的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由協(xié)議。Heinzelman 等人最先提出均勻的分簇路由協(xié)議，稱(chēng)為 LEACH協(xié)議[2]。這是針對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)提出的第一種分簇路由協(xié)議，在LEACH協(xié)議中，每輪數(shù)據(jù)收集開(kāi)始前的階段,其中的小部分節(jié)點(diǎn)會(huì)被隨機(jī)地選為簇首[3]。數(shù)據(jù)收集時(shí)，簇首直接把自己的信息以單跳方式傳送至匯聚點(diǎn)。Lindsey 等人提出一種節(jié)點(diǎn)為鏈狀的算法，稱(chēng)之為 PEGASIS 算法，在該算法中，數(shù)據(jù)先在鏈上處理，再傳輸至匯聚點(diǎn)[4]，該算法需要知道每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置信息。為了能夠最大化地延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的存活時(shí)間，Dasgupta 等人就提出一種基于分簇的啟發(fā)式算法 ,但該算法比較繁冗，需要事先知道節(jié)點(diǎn)的位置與能量的信息[5]。Choi 等人提出兩階段分簇協(xié)議 TPC，在簇內(nèi)構(gòu)造多跳路由鏈路以節(jié)約能量[6]。Younis 等人提出一種HEED[7]算法，這是一種混合式的分簇協(xié)議，第一步是根據(jù)節(jié)點(diǎn)剩余能量的多少概率性地選取一部分候選簇首 ,第二步通過(guò)計(jì)算候選簇首在簇內(nèi)通信時(shí)消耗能量的高低來(lái)最終確定簇首。后來(lái)，研究人員通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)多跳路由中的“熱區(qū)”問(wèn)題，為了解決這一問(wèn)題，Soro等人首次提出非均勻分簇的思想，通過(guò)非均勻分簇來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題[8]。

[8]中,假設(shè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是兩個(gè)環(huán)繞匯聚點(diǎn)同心圓，在這兩層圓中，內(nèi)圓環(huán)需要承擔(dān)更多的數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)發(fā)的任務(wù)，因?yàn)樵诙鄺l路由方式中，它離匯聚點(diǎn)的距離最近。在EECS[9]中，節(jié)點(diǎn)在選擇簇首時(shí)就不是簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單地選擇距離自身最近的簇首節(jié)點(diǎn)，而且還要考慮候選簇首到匯聚點(diǎn)的距離遠(yuǎn)近 ，構(gòu)造出大小非均勻的簇，均衡簇首的能耗。在最小生成樹(shù)[10](UCRAMST)中，非均勻分簇簇首的選擇是根據(jù)剩余能量和距離來(lái)考量的，通過(guò)對(duì)路徑搜索建立最優(yōu)傳輸途徑。在基于梯度的非均勻分簇算法中[11]，根據(jù)設(shè)置的梯度來(lái)設(shè)定競(jìng)爭(zhēng)半徑，從而獲得密度并不均勻的簇頭分布，在節(jié)點(diǎn)密集的地方，簇頭也會(huì)密集一些?；谥泶仡^的持久化路由協(xié)議[12](ACPCR)首次提出最優(yōu)助理簇頭的思想，助理簇頭可以代替簇首完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等任務(wù)，來(lái)節(jié)省簇首的能量消耗。基于蟻群算法[13](ACA)的網(wǎng)路由協(xié)議通過(guò)螞蟻包發(fā)送的方式，所有節(jié)點(diǎn)都能夠獲得最新的網(wǎng)絡(luò)情況，并根據(jù)這一情況選擇下一步動(dòng)作。

后來(lái)，Intanagonwiwat等人提出一種反向查詢(xún)的路由機(jī)制[14]。Schurgers等人提出一個(gè)基于梯度的路由算法——GBR ,并依據(jù)此算法設(shè)計(jì)一些節(jié)點(diǎn)調(diào)整的策略，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)流量分布均衡[15]。但是這些查詢(xún)協(xié)議都有一定的局限性，它們只適用于單一數(shù)據(jù)的傳送，不適用于“多對(duì)一”的數(shù)據(jù)傳輸，因此，就不適合簇首與簇首之間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)使用。

下面就選取國(guó)內(nèi)外一些典型的分簇路由協(xié)議，對(duì)其所采用的路由形成機(jī)制、路由特點(diǎn)進(jìn)行分析與比較。

(1)LEACH(Low-EnergyAdaptiveClusteringHierarchy)

LEACH協(xié)議是針對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)提出的第一個(gè)分簇路由協(xié)議。在選取簇首節(jié)點(diǎn)的過(guò)程中，每個(gè)候選節(jié)點(diǎn)都會(huì)自發(fā)地在[0,1]之間產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)，而網(wǎng)內(nèi)又會(huì)生成一個(gè)閾值T(n)，若是產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)小于閾值T(n)，那么這個(gè)節(jié)點(diǎn)就會(huì)成為簇首節(jié)點(diǎn)。LEACH-C協(xié)議在簇首選舉上采用集中選舉的方式，并采用模擬退火算法來(lái)為網(wǎng)內(nèi)選擇更加適合的簇首節(jié)點(diǎn)。

(2)HEED(HybridEnergy-EfficientDistributedClustering)

HEED協(xié)議在簇間通信上，采取了與LEACH協(xié)議不同的簇間多跳的路由方式來(lái)傳遞簇之間收集到的信息，這種簇間通信方式更加適合用于大規(guī)模的網(wǎng)站[16]。此外，HEED協(xié)議對(duì)于節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和具體位置沒(méi)有提出特殊的需求。該協(xié)議主要完成以下4個(gè)任務(wù)：① 均衡網(wǎng)內(nèi)能耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的工作壽命；② 分簇過(guò)程完成得比較快；③ 使得通信開(kāi)銷(xiāo)盡可能得少；④ 簇首節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)內(nèi)合理分布，簇的分布比較緊湊。

在選取簇首節(jié)點(diǎn)的過(guò)程中，HEED協(xié)議需要參考兩個(gè)參數(shù)。一個(gè)參數(shù)與網(wǎng)內(nèi)剩余能量相關(guān)，一個(gè)參數(shù)與簇群內(nèi)部的通信開(kāi)銷(xiāo)有關(guān)，稱(chēng)之為平均可到達(dá)能量。根據(jù)第一個(gè)參數(shù)可以在網(wǎng)內(nèi)選取出候選簇首節(jié)點(diǎn)，再通過(guò)第二個(gè)參數(shù)計(jì)算簇群內(nèi)的通信開(kāi)銷(xiāo)，選擇開(kāi)銷(xiāo)比較小的進(jìn)行成簇。

(3)APTEEN(AdaptivePeriodicThershold-sensitiveEnergyEfficientSensorNetwork,APTEEN)

APTEEN協(xié)議在成簇過(guò)程中采用集中式的控制思想，由基站來(lái)決定網(wǎng)內(nèi)的簇首節(jié)點(diǎn)，簇首節(jié)點(diǎn)一旦決定，就可以通過(guò)廣播參數(shù)信息來(lái)成簇，且APTEEN經(jīng)常形成多層簇結(jié)構(gòu)[17]。APTEEN協(xié)議的優(yōu)勢(shì)在于可以實(shí)現(xiàn)周期性的數(shù)據(jù)采集和及時(shí)響應(yīng)特殊事件的應(yīng)用場(chǎng)合。但是也存在不足，主要體現(xiàn)在構(gòu)建多層簇在實(shí)際應(yīng)用中難以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)，協(xié)議內(nèi)部的查詢(xún)機(jī)制和基于屬性的命名會(huì)給網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)不小的通信能耗。

(4)CM[18](ClusteringwithMobility)協(xié)議

參考文獻(xiàn)[18]對(duì)LEACH協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)。首先在成簇過(guò)程中，算法首先預(yù)測(cè)節(jié)點(diǎn)之間的距離，并根據(jù)簇群內(nèi)節(jié)點(diǎn)之間的距離盡可能小這一原則將網(wǎng)內(nèi)的非簇首節(jié)點(diǎn)分配給簇首節(jié)點(diǎn)。除此之外，該參考文獻(xiàn)還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)簇內(nèi)沒(méi)有簇首節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的輪數(shù)中，LEACH協(xié)議的能耗會(huì)變得非常大，所以提出的協(xié)議通過(guò)兩種方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題：一種方案是只要監(jiān)測(cè)到該輪沒(méi)有簇首節(jié)點(diǎn)被選舉出來(lái)，那么整個(gè)網(wǎng)絡(luò)直接跳過(guò)這一輪；另外一種就是固定每輪需要的簇首節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，并在簇內(nèi)準(zhǔn)備完成之前在此核對(duì)網(wǎng)內(nèi)的簇首節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。

(5)DSC[19](Dynamic/StaticClusteringprotocol)協(xié)議

DSC協(xié)議是在LEACH-C的基礎(chǔ)上提出的一種協(xié)議，該協(xié)議規(guī)定，簇內(nèi)的簇首節(jié)點(diǎn)每經(jīng)過(guò)10輪才進(jìn)行一次替換。通過(guò)仿真顯示，該協(xié)議在通信能耗、能量分布和網(wǎng)絡(luò)壽命等方面均優(yōu)于LEACH-C協(xié)議。

(6)PBEACP[20](Priority-basedEnergyAwareandCoveragePreserving)

PBEACP根據(jù)網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的剩余能量為參考來(lái)選擇簇首節(jié)點(diǎn)，同時(shí)它會(huì)考慮節(jié)點(diǎn)的地理分布，來(lái)保證網(wǎng)內(nèi)通信消耗能夠均衡。同時(shí)，它也保證即使在簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)死亡的情況下，也能保證簇首節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋。但是它并未解決簇首節(jié)點(diǎn)死亡發(fā)生中的數(shù)據(jù)采集。

(7)2CRNDC[21](2-ConnectedRelayNodeDoubleCover)

2CRNDC通過(guò)給每個(gè)節(jié)點(diǎn)配備一個(gè)備用接力節(jié)點(diǎn)來(lái)保證，即時(shí)有節(jié)點(diǎn)死亡，剩余節(jié)點(diǎn)也能保證將采集到的數(shù)據(jù)傳出。

(8)EAFTICC[22](Energy-AwareandFaultTolerantInter-ClusterCommunicationbasedProtocol)

EAFTICC算法利用備用路徑來(lái)保證網(wǎng)內(nèi)的通信在最大程度上不受節(jié)點(diǎn)死亡的影響。這個(gè)算法保證每個(gè)簇內(nèi)至少有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)負(fù)責(zé)簇內(nèi)通信，如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡，那么另一個(gè)節(jié)點(diǎn)就接替那個(gè)節(jié)點(diǎn)工作。該算法的獨(dú)特性在于使用了多路徑通信，如果一條通路上的節(jié)點(diǎn)發(fā)生錯(cuò)誤，立刻啟用網(wǎng)內(nèi)的備用節(jié)點(diǎn)來(lái)保證數(shù)據(jù)通道的暢通無(wú)阻。

(9)EERNT[23](Energy-EfficientRedundantNodesTree)

EERNT也是利用冗余節(jié)點(diǎn)來(lái)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。該算法通過(guò)在網(wǎng)內(nèi)冗余節(jié)點(diǎn)之間生成樹(shù)，并將簇首節(jié)點(diǎn)收集到的數(shù)據(jù)傳送至離其位置最近的冗余節(jié)點(diǎn)。

(10)EDETA[24](Energy-efficientaDaptivehiErarchicalandrobusTArchitecture)

如果簇首節(jié)點(diǎn)死亡或者通信出問(wèn)題的話(huà)，網(wǎng)內(nèi)其余節(jié)點(diǎn)就不能及時(shí)將收集到的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。于是EDETA協(xié)議根據(jù)其余節(jié)點(diǎn)的剩余能量和到簇首節(jié)點(diǎn)的距離，在簇內(nèi)引入簇首節(jié)點(diǎn)的代替節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)在簇內(nèi)的任務(wù)就是時(shí)刻監(jiān)視簇首節(jié)點(diǎn)的工作，如果簇首節(jié)點(diǎn)發(fā)生問(wèn)題，它會(huì)立刻發(fā)現(xiàn)，于是它會(huì)在簇內(nèi)廣播自己成為新的簇首節(jié)點(diǎn)。

(11)FLOC[25](FastLOcalClusteringservice)

FLOC采用分布式的方法產(chǎn)生網(wǎng)內(nèi)簇首節(jié)點(diǎn)。它通過(guò)普通節(jié)點(diǎn)到簇首節(jié)點(diǎn)的距離將這些節(jié)點(diǎn)分為內(nèi)部節(jié)點(diǎn)和外部節(jié)點(diǎn)。內(nèi)部節(jié)點(diǎn)和簇首節(jié)點(diǎn)通信不受任何影響，但是外部節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)經(jīng)常發(fā)生丟包。在FLOC中，通過(guò)心跳監(jiān)聽(tīng)的方式來(lái)判斷簇首節(jié)點(diǎn)是否正常工作。簇首節(jié)點(diǎn)在簇內(nèi)周期性地廣播一條信息，如果網(wǎng)內(nèi)有簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)沒(méi)能收到這個(gè)信息，那么此簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)就自動(dòng)脫離這個(gè)簇群。等到所有簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)都脫離簇群后，選擇在新一輪組成新的簇群，或者就近加入別的簇群。

(12)EQoSa[26](EnergyandQoSawareMACforwirelesssensornetworks)

首先該算法通過(guò)線(xiàn)性規(guī)劃的方式，對(duì)安放中繼路由節(jié)點(diǎn)的位置進(jìn)行最優(yōu)化，以保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)的覆蓋區(qū)域都至少有一個(gè)中繼路由節(jié)點(diǎn)。其次，該算法通過(guò)設(shè)定中繼節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)Ks來(lái)保證網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)性，這就保證了每個(gè)節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，即使有(Ks-1)個(gè)節(jié)點(diǎn)失效，那么仍舊有1個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)可以繼續(xù)提供服務(wù)。

(13)FEED[27](Faulttolerant,EnergyEfficient,Distributedclustering)

FEED算法在每個(gè)簇群中都選取了一個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)、一個(gè)樞紐節(jié)點(diǎn)(PCH, pivot CH)和一個(gè)監(jiān)督節(jié)點(diǎn)(SN, Supervisor Node)。PCH是網(wǎng)內(nèi)的異構(gòu)節(jié)點(diǎn)，其所包含的能量更多。網(wǎng)內(nèi)所有的PCH能覆蓋大部分的網(wǎng)絡(luò)，所以具備尋找網(wǎng)內(nèi)路由的功能。SN是用來(lái)監(jiān)督簇首節(jié)點(diǎn)或者PCH節(jié)點(diǎn)的，能夠在簇首節(jié)點(diǎn)或者PCH失效的時(shí)候及時(shí)替代它們的功能。

(14)MCAR[28](MAC-Congestion-AwareRouting)

該算法討論了在分簇網(wǎng)絡(luò)內(nèi)出現(xiàn)擁塞的時(shí)候該如何處理網(wǎng)內(nèi)擁塞。該算法中，網(wǎng)內(nèi)時(shí)刻監(jiān)視著是否有擁塞發(fā)生。若在網(wǎng)內(nèi)某處有大量數(shù)據(jù)爆發(fā)的時(shí)候，網(wǎng)絡(luò)會(huì)為這些數(shù)據(jù)及時(shí)形成一條高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)流量通道。通過(guò)犧牲網(wǎng)內(nèi)低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的通信來(lái)緩解網(wǎng)內(nèi)的擁塞。

(15)CEECA[29](ClusteringbasedEnergyEfficientCongestionAwareprotocol)

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)包設(shè)置不同的優(yōu)先級(jí)，再根據(jù)優(yōu)先級(jí)的高低分配不同的路由表，通過(guò)這種方式，提高網(wǎng)內(nèi)能量利用效率，并且能夠解除網(wǎng)內(nèi)出現(xiàn)的擁塞。

(16)MOCA[30](Multi-hopOverlappingClsuteringAlgorithm)

MOCA算法中將網(wǎng)內(nèi)的簇群組織設(shè)置為互相重疊的簇群，這么做的目的在于，無(wú)論這個(gè)節(jié)點(diǎn)的身份如何，都能保證此節(jié)點(diǎn)在n跳之內(nèi)將數(shù)據(jù)傳送給一個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)，而n跳的距離為預(yù)設(shè)的簇半徑。

上述各類(lèi)分簇協(xié)議比較如表1所列。

表1 上述各類(lèi)分簇協(xié)議比較

續(xù)表1

從表中的分簇協(xié)議對(duì)比中可以看出，這些常見(jiàn)的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)分簇協(xié)議都存在各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，但是并不存在哪個(gè)路由協(xié)議在各方面的表現(xiàn)都是最好的，具體選用何種路由協(xié)議，還要參考具體的應(yīng)用場(chǎng)景。就簇間路由而言，直接通信雖然算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但是考慮到有些簇首節(jié)點(diǎn)離基站比較遠(yuǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)在發(fā)射功率上又存在一定的限制，其總體上的能耗小于使用直接通信的方式，但是導(dǎo)致靠近基站的簇首節(jié)點(diǎn)會(huì)承擔(dān)更多的轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，所以這些區(qū)域的能量較其它區(qū)域而言下降得更加迅速，從而導(dǎo)致這些區(qū)域的節(jié)點(diǎn)因?yàn)槟芰亢谋M而過(guò)早失效，網(wǎng)內(nèi)連通性變差。而就路由協(xié)議的目的而言，(1)～(8)提出的協(xié)議目的在于如何在聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)獲取最佳的數(shù)據(jù)傳輸路徑，而(9)～(16)的路由協(xié)議更注重?zé)o線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的問(wèn)題，即當(dāng)網(wǎng)內(nèi)通信出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)候，如何及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決。

3 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題

無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的工作周期被記為“輪”(round)，每一輪被進(jìn)一步分為簇階段和穩(wěn)定階段。在每一輪中，每個(gè)簇都是新生成的，簇首節(jié)點(diǎn)從此前未擔(dān)任過(guò)簇首的候選節(jié)點(diǎn)中產(chǎn)生。根據(jù)仿真可知，該簇首節(jié)點(diǎn)選擇機(jī)制可以很好地保證網(wǎng)內(nèi)都有足夠的候選節(jié)點(diǎn)來(lái)充當(dāng)簇首節(jié)點(diǎn)，在每輪當(dāng)中，未當(dāng)選為簇首節(jié)點(diǎn)的候選節(jié)點(diǎn)都有很大的幾率會(huì)被選為簇首節(jié)點(diǎn)。目前傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中關(guān)鍵技術(shù)主要包含以下幾點(diǎn)：

(1)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂?/p>

因?yàn)闊o(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)為自組織網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋾?huì)因?yàn)槎喾N因素而隨機(jī)改變。所以，對(duì)于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂朴刑貏e的意義。由于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的分布具有隨機(jī)性，其面對(duì)的應(yīng)用場(chǎng)景有所不同，所以一般不存在一個(gè)最優(yōu)拓?fù)淠軌蜻m應(yīng)所有無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，在不同的應(yīng)用場(chǎng)景下需要對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渥霾煌膬?yōu)化。

(2)時(shí)鐘同步技術(shù)

時(shí)鐘同步技術(shù)是無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的一項(xiàng)主要支撐技術(shù)。無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘同步技術(shù)一般情況下會(huì)面臨網(wǎng)內(nèi)有限能耗、節(jié)點(diǎn)制作成本和節(jié)點(diǎn)體積大小等多方面的約束，所以在研究時(shí)鐘同步技術(shù)的同時(shí)，一般也應(yīng)該考慮技術(shù)的節(jié)能型、可擴(kuò)展性等要求。

(3)網(wǎng)絡(luò)覆蓋與網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

由于傳感節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)布散，在傳感監(jiān)測(cè)區(qū)域中會(huì)存在監(jiān)測(cè)“空洞”或者監(jiān)測(cè)區(qū)域重疊的問(wèn)題，這些都會(huì)降低無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)在監(jiān)測(cè)應(yīng)用中的表現(xiàn)。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)能源有限、軟件錯(cuò)誤或者其它外界因素，都有可能會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的死亡，這樣網(wǎng)內(nèi)的聯(lián)通度就會(huì)降低，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)區(qū)域的范圍也會(huì)減小。所以網(wǎng)絡(luò)覆蓋性這一指標(biāo)對(duì)于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的有效性非常重要，保證網(wǎng)絡(luò)的覆蓋對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的魯棒性也非常重要。

(4)數(shù)據(jù)融合技術(shù)

在建立無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候，為了保證網(wǎng)絡(luò)的覆蓋、數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性與網(wǎng)絡(luò)的魯棒性，常常會(huì)在某區(qū)域內(nèi)遍布大量傳感器節(jié)點(diǎn)，以保證檢測(cè)的區(qū)域能夠相互重疊，但這也導(dǎo)致在傳感器密度比較高的區(qū)域，采集到的信息具有很高的相關(guān)性。如果將這些采集到的數(shù)據(jù)不加處理就直接傳送，就會(huì)占用大量網(wǎng)絡(luò)資源，而數(shù)據(jù)融合就是采用一定的算法，強(qiáng)化公共信號(hào)，濾去不相關(guān)的噪聲信息，使來(lái)自不同信息源的數(shù)據(jù)進(jìn)行聚合以產(chǎn)生更加精確的信息，同時(shí)也能節(jié)約一部分網(wǎng)內(nèi)能量。

(5)網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)安全因素也是在設(shè)計(jì)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)過(guò)程中需要考慮的因素之一。無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)必須引入有效的安全機(jī)制以防止網(wǎng)絡(luò)被未授權(quán)的接入或者惡意攻擊而破壞，而有些對(duì)網(wǎng)絡(luò)最底層的物理攻擊方式更為直接粗暴，而這些手段對(duì)網(wǎng)絡(luò)造成的危害也難以在短時(shí)間內(nèi)修復(fù)。綜上所述，網(wǎng)絡(luò)攻擊的方式紛繁復(fù)雜，而攻擊的對(duì)象都有各自的側(cè)重。

分簇路由協(xié)議通信主要分為以下幾個(gè)步驟：①簇首節(jié)點(diǎn)選擇;②成簇階段;③簇間路由形成;④能量控制。LEACH協(xié)議是最早提出的分簇路由協(xié)議，主要存在“能量熱區(qū)”問(wèn)題，因?yàn)榇厥坠?jié)點(diǎn)承擔(dān)過(guò)多通信任務(wù)，能耗總是急遽下降，主要存在幾個(gè)問(wèn)題：

① 協(xié)議中簇首節(jié)點(diǎn)的生成過(guò)程過(guò)于隨機(jī)，導(dǎo)致簇首節(jié)點(diǎn)可能在網(wǎng)內(nèi)部分不均勻。簇首節(jié)點(diǎn)分布不均勻?qū)е碌暮蠊褪牵绻厥坠?jié)點(diǎn)所在區(qū)域的節(jié)點(diǎn)部分過(guò)于稀疏，就會(huì)大量增加簇內(nèi)通信的開(kāi)銷(xiāo)；若是簇首節(jié)點(diǎn)之間的距離過(guò)于緊密，網(wǎng)內(nèi)簇群的劃分對(duì)網(wǎng)內(nèi)通信的改善并無(wú)多大的效果。

② 簇首節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)是指定的，這在小型的網(wǎng)絡(luò)中可以適用，但是對(duì)于大型的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)內(nèi)拓?fù)鋸?fù)雜多變，再對(duì)簇首節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)進(jìn)行指定就不合適。

③ 簇首節(jié)點(diǎn)與基站之間能夠直接通信，若是選舉出的簇首節(jié)點(diǎn)在遠(yuǎn)離基站的位置，而此時(shí)簇首節(jié)點(diǎn)將簇內(nèi)手機(jī)的大量數(shù)據(jù)直接發(fā)送給基站的話(huà)，該簇首節(jié)點(diǎn)的通信能耗會(huì)非常巨大，從而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)迅速死亡。

結(jié) 語(yǔ)

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