无线传感器网络分层路由协议的研究

引言

无线传感器网络是由部署在监测区域内的大量的、具有通信与计算能力的无线传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个大规模的多跳自组织监控传输系统。节点对自己覆盖区域进行监控和数据收集，通过多跳无线传输方式，将所收集的数据发送到汇聚节点，最后汇聚节点通过互联网或其他方式与用户交互。随着微电子技术、传感器技术、计算机技术和无线通信技术等的进一步发展，无线传感器网络在世界各主要发达国家受到广泛关注叫目前无线传感器网络已被应用于环境监测、农业、军事领域、灾难救援、智能家居等各个领域。

无线传感器网络一般规模较大，节点能量有限并且不易更换，能量消耗在无线传感器网络中显得尤为重要，如何设计简单、有效的路由协议是无线传感器网络需首要考虑的问题。另外，由于无线传感器网络其自身的特点，传统无线Ad-hoc网络的协议并不能直接用于无线传感器网络。因此，如何设计符合无线传感器网络的路由协议是研究的热点之一。

1无线传感器网络路由协议的设计要求

针对无线传感器网络路由机制的上述特点，设计时需满足如下设计要求:

能量高效。无线传感器网络节点能量有限，路由协议不仅要选择能量消耗小的传播路径，还要考虑整个网络的能量消耗，使整个网络能量消耗均衡，防止出现网络空洞。因此，无线传感器网络的路由协议要能够简单高效地实现信息传输。

可扩展性。在无线传感器网络中，由于节点分布密度不同，造成网络规模大小不一。另外，由于能量耗尽导致节点死亡，作为补充的新节点的加入以及节点的移动等，都会使网络拓扑结构发生变化，这就要求路由协议能够适应网络结构的不断变化，具有可扩展性。

鲁棒性。由于节点能量耗尽或环境因素导致传感器节点失效，或者周围环境对无线链路的通信质量产生影响以及无线传感器网络本身的缺点等，这些导致无线传感器网络的不可靠特性，这就要求路由机制具有一定的容错能力。

快速收敛性。由于无线传感器网络的拓扑结构具有动态变化性，并且节点能量和通信带宽等资源也十分有限，因此路由机制必须能够快速收敛，以减少通信协议开销，提高消息传输的效率。

2无线传感器网络路由协议分析

2.1平面路由协议

在平面路由中，所有节点的地位都是一样的，具有相同的功能。具有代表性的平面路由协议有：洪泛式路由协议(Flooding)、信息协商式路由协议(SensorProtocolsforInformationviaNegotiation，SPIN)、定向扩散路由协议(DirectedDiffusion，DD)等。洪泛式路由协议以广播的方式向所有相邻节点发送数据，并重复执行此步骤，直到数据包到达目的地或者达到预先设定的最大跳数。信息协商式路由协议是一种对洪泛路由的改进，使用元数据进行协商通信。定向扩散路由协议是一种基于查询的路由机制，数据传输分为兴趣扩散、建立梯度和路径加强三个阶段。

平面路由协议最突出的优点就是算法简单，但是缺少能有效均衡能量的策略，能量消耗较快，可兼容性和灵活性比较差，不适合在大规模网络中使用。

2.2层次路由协议

在层次路由协议中，网络通常被划分为簇，每个簇由一个簇头和多个簇成员组成，多个簇头又可形成高一级的网络,在高一级的网络中，又可以形成分簇，再组成更高一级的网络,直至最高级。层次路由适合大规模的无线传感器网络，可扩展性好。

LEACH协议

低功耗自适应分簇算法(LowEnergyAdaptiveClusteringHierarchy，LEACH)是最早提出的无线传感器网络分层路由协议。LEACH算法定义了“轮”的概念来周期性执行，每轮中包括簇的建立和稳定的数据传输两个阶段。

在簇建立阶段：每一轮开始时设定一个阈值，每个节点产生一个［0，1］之间的随机数，如果随机数小于阈值T(n)，那么这个节点在本轮就被选为簇头。T(n)的计算公式为：

集合G是指在最近的1/p轮中没有当选过簇头的节点集。如果节点在最近的1/p轮中已经当选过簇头，则T(n)的值便设置为0，这样在下一轮中不再当选簇头节点，此种做法能够保证网络中每个节点都有当选为簇头节点的机会。当选为簇头的节点广播其是簇头的信息，其余节点会根据收到的信号强弱选择它所要加入的簇。节点确定要加入哪个簇后，便发送数据包告知，其中包括自己的节点ID和所要加入的簇头ID。当所有节点都加入到簇后，即完成簇的建立过程。

在稳定的数据传输阶段：簇内节点将采集到的数据发送给簇头节点，簇头节点首先对收到的数据进行融合处理，然后再将数据发送到汇聚节点。但频繁的簇头选举会增加能量开销，为避免这种现象，稳定的数据传输阶段一般会持续相对较长的时间。

TEEN协议

TEEN协议(ThresholdsensitiveEnergyEfficientsensorNetworkProtocol)是对LEACH协议的改进，是一种事件触发式信息报告的路由协议，它采用了与LEACH协议相同的分簇结构。

初始阶段，簇头向成员节点发送一个硬门限值(测量值)和一个软门限值(测量值的变化值)。当监测数据首次超过设定的硬门限值时，节点便将它作为新的硬门限，并把数据发送到簇头节点。接下来，如果监测数据与硬门限的差值大于软门限界定的范围，则节点将最新采集的数据发送到簇头节点，并将最新监测数据设定为新的硬门限。

其他分层路由协议

PEGASISAS协议是在LEACH协议的基础上建立的一种基于链的优化协议，首先在网络中选取一个节点作为首领节点构建一条最优回路链。HEED协议对LEACH协议的簇头选择算法做了改进，解决了簇头分布不均和簇头能量负担不均衡问题。EARSN协议是簇头固定的路由协议，由汇聚节点来划分簇，并广播每个簇头节点的ID和所分配的簇内节点的位置信息。还有一些基于LEACH的改进算法，如DCHS，该算法在选举簇头时考虑了能量因素；LEACH-C和LEACH-F算法采用由基站选举簇头的方式。

在层次路由中，簇头节点负责路由信息的发送，并进行数据融合，减少冗余数据，能有效延长网络周期，具有较好的兼容性和灵活性，适用于大规模无线传感器网络。但在分层路由协议中，簇头节点由于能量消耗大，很容易成为网络中的瓶颈。

3分簇算法的不足及基于LEACH协议的改进方案

3.1分簇算法的不足

经分析目前分簇算法仍存在以下问题：

第一，分簇大小不均。在实际应用中，传感器节点一般分布不均匀，如果某个分簇内节点数目较大，则该簇头接收数据就会耗费很大能量，缩短网络生存周期。在这种情况下,如何分簇才能达到最优是一个需要考虑的问题。

第二，能量消耗不均。在多跳路由机制中，汇聚节点附近的簇头节点将会转发较多的数据包，能量损耗大，容易导致能量空洞的形成，缩短整个网络的生命周期。

第三，簇头能量消耗过大。在分层路由协议中，簇头节点既要接收、融合数据，又要进行数据转发，能量消耗远远大于其他节点，容易导致簇头节点能量耗尽而过早死亡。

3.2基于LEACH协议的改进

根据当前分层算法的不足，提出以下基于LEACH协议的改进算法：

(1)分簇策略的改进

在新算法中，先按LEACH算法计算出最优簇头比例p，则最优簇头个数为k=N*p(其中N为总节点数,p=4.5%)。再把整个区域划分成k个区域，并在每个区域选出一个节点作为初始凝聚点。然后使用K-means聚类算法形成k个分簇。K-means算法是一种迭代算法，通过不断迭代得到一个分簇的最优解。由于初始凝聚点对K-means算法的结果有很大影响，所以为保证分簇均匀，在聚类前先划分区域。

(2)簇头选举策略的改进

分簇形成后，开始选举簇头，选举簇头时考虑节点剩余能量和节点到簇中心的距离两个因素。簇头选举按照如下公式计算。

其中,^current为节点当前能量，Eve为簇内节点平均能量,为簇内节点到簇中心的最大距离,Dave为簇内节点到簇中心的平均距离，d为节点到簇内中心的距离。在每簇内选出T值最大的节点作为簇头，这样做能保证尽量选举剩余能量大、靠近簇中心的节点作为簇头。关于a的取值问题，根据以往研究结果，先令a分别为0.7,0.8,0.9,通过反复实验的方式确定,取使网络生存周期最长的a值。

(3)路由形成策略的改进

分簇成功后，簇头节点基于到汇聚节点的距离形成最佳路径。为延长网络生存周期，在数据转发时考虑到簇头节点的剩余能量，如果簇头节点能量过少就不会再转发数据包。每轮结束后，检查各簇头节点的剩余能量，如果簇头节点能量小于阈值』(设原始能量为E,A=0.3E),则更新最优路径，小于阈值A的簇头不再转发其他节点的数据；如果簇头节点能量小于某个阈值B(B=0.2E),该簇按照(2)中的描述重新选择簇头。当小于阈值B的簇头数目达到所有簇头数目的2/3时就重新分簇。

改进方案使分簇更加均匀，并且控制了离汇聚节点近的簇头的能量消耗，以达到使整个网络能量消耗均衡，延长网络生存周期的目的。

4结语

目前，无线传感器网络已经有越来越广泛的应用，人们对无线传感器网络的研究也逐渐深入。但仍然有许多方面有待改进，尤其是由于无线传感器网络所固有的特性，极易受到攻击，因此，对无线传感器网络路由协议安全性的研究将是今后的研究重点。

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