近年來隨著傳感器和無線通信技術(shù)的進(jìn)步，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)技術(shù)發(fā)展迅猛，進(jìn)展很快，使我們可以把大量低成本的傳感器分布在廣闊的區(qū)域來監(jiān)測我們所感興趣的環(huán)境。傳感器通過無線網(wǎng)絡(luò)連接起來形成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)，WSN有一些自身的限制，如：有限的能量供應(yīng)[1,2]，有限的計算能力和有限的連接傳感器的無線鏈路的帶寬，而且WSN的應(yīng)用領(lǐng)域也給路由協(xié)議帶來了一些限制，比如說，WSN可能隨意地分布在惡劣的或不可到達(dá)的環(huán)境中，人為維護(hù)十分困難，因此延長網(wǎng)絡(luò)壽命是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量傳感器節(jié)點和一個基站(BS)構(gòu)成，基站是節(jié)點與其它網(wǎng)絡(luò)通信的出入口，傳感器節(jié)點監(jiān)測環(huán)境并將收集的數(shù)據(jù)傳給基站。然而，它能量有限，直接將數(shù)據(jù)傳給基站會消耗很多能量(圖1)。采用多跳的路由方法也不理想，因為最接近基站的節(jié)點會因路由大量收到的數(shù)據(jù)而很快死亡，從而導(dǎo)致后來到達(dá)的數(shù)據(jù)不能傳給基站。其它的路由方法中[3,4]，PEGASIS中的節(jié)點只與鄰居節(jié)點通信，節(jié)點輪流發(fā)送融合后的數(shù)據(jù)給BS，基于蟻群算法的路由在盡量選擇最短路徑的同時考慮每個節(jié)點的能量消耗，以選出更合適的路徑。
本文中，我們重點評價更具有能量有效性的分簇路由算法，它將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分成若干簇，每個簇選舉出一個簇頭，簇頭作為本地基站將簇內(nèi)節(jié)點傳給它的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合[5]后再傳給基站(圖2)，因而大大降低了節(jié)點消耗的能量，延長了網(wǎng)絡(luò)壽命。
圖1 傳感器系統(tǒng)模型一
圖2 傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型二
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的分簇路由算法
傳統(tǒng)路由算法
直接路由算法中節(jié)點直接將數(shù)據(jù)傳送給基站，這樣遠(yuǎn)離基站的節(jié)點會消耗很多的能量而很快死亡。而MTE(MinimumTransmissionEnergy)[6]是它的一個改進(jìn)，它采用多跳的方法傳送數(shù)據(jù)，每個節(jié)點運行建立路由以確定下一跳鄰居節(jié)點，這個鄰居節(jié)點是朝BS方向上離它最近的節(jié)點(假設(shè)每個節(jié)點都知道網(wǎng)絡(luò)中其它節(jié)點的位置)，數(shù)據(jù)包通過下一跳鄰居節(jié)點傳送直到到達(dá)BS。
在MTE這種路由算法中最接近基站的節(jié)點會因路由大量傳來的數(shù)據(jù)而很快死亡，而直接通信中是離基站最遠(yuǎn)的節(jié)點最快死亡。
最基本的分簇路由算法
為了解決傳統(tǒng)路由算法中的高能量耗散問題，提出了LEACH(Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy)[7]—一種最基本的分簇路由算法，每個節(jié)點根據(jù)一定的概率周期性地輪換做簇頭，成為簇頭的節(jié)點用相同的發(fā)射功率給網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點廣播消息，非簇頭節(jié)點選擇加入收到信號最強(qiáng)的那個簇頭的簇并用CSMAMAC協(xié)議發(fā)消息給簇頭，通知其成為它的成員。之后，簇頭根據(jù)簇中節(jié)點數(shù)目創(chuàng)建TDMA[8]時間表告訴每個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的時隙，以避免碰撞的發(fā)生。另外，簇頭還要通知簇成員使用哪種CDMA編碼，簇頭也使用這種編碼過濾收到的數(shù)據(jù)，這樣鄰居簇的信號就會被當(dāng)為噪聲過濾掉，因此不會影響簇內(nèi)通信。節(jié)點只在分配給它們的時隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，其它時間關(guān)閉其無線發(fā)射機(jī)以節(jié)約能量，到此，簇就形成了。在數(shù)據(jù)發(fā)送階段，簇頭將成員節(jié)點傳給它的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合后直接傳給BS。
在LEACH中，成員節(jié)點在分配的TDMA時隙內(nèi)總有數(shù)據(jù)傳給簇頭，為了節(jié)約能量，節(jié)點也許只需在它檢測到有興趣的數(shù)據(jù)時才傳送數(shù)據(jù)，另外，算法周期性地分簇會消耗節(jié)點很多能量。因此，我們需要在以后的路由算法中在這些方面對它進(jìn)行改善。
