摘要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種無基礎(chǔ)設(shè)施的無線網(wǎng)絡(luò)，它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和無線通信技術(shù)，能夠?qū)崟r地采集信息：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)有著不同的設(shè)計目標(biāo)，傳統(tǒng)的路由協(xié)議不能有效地應(yīng)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)，因此需要研究一種有效的無線傳感器路由協(xié)議。文章設(shè)計了一種路由協(xié)議，采用集中式和分布式相結(jié)合的方法形成簇類，有效地延長了網(wǎng)絡(luò)生命周期。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)今國內(nèi)外研究的一大熱點(diǎn)，它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)以及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，能夠通過各個傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實時監(jiān)測、感知和采集各種現(xiàn)場信息。它是一種新型的無基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，它的節(jié)點(diǎn)是傳感器這種特殊的嵌入式設(shè)備，它們靜態(tài)地隨機(jī)分布于某一區(qū)域。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在國家軍事、工農(nóng)業(yè)、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、搶險救災(zāi)、危險區(qū)域遠(yuǎn)程控制等許多重要領(lǐng)域都有潛在的實用價值，已經(jīng)引起許多國家學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視。
在軍事方面，美國五角大樓提出了“智能塵埃”的設(shè)計思想，目的是在戰(zhàn)場上拋散千萬個微小的具有無線通信能力的傳感器模塊，用于監(jiān)控人的活動情況，同時美國陸軍已確定努力開發(fā)多層次集成式傳感器復(fù)雜系統(tǒng)～ssNc(靈巧傳感器網(wǎng)絡(luò)通信)，并認(rèn)為這是建成未來目標(biāo)部隊的關(guān)鍵之一；民用方面，由加州大學(xué)伯克利分校David culler教授領(lǐng)導(dǎo)的科研小組在緬因州的大鴨子島上布置了32節(jié)點(diǎn)組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對一種海燕生活習(xí)性的監(jiān)測。國內(nèi)已經(jīng)有許多大學(xué)開展了對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究，但是還沒有達(dá)到實用階段，大部分工作還處于仿真或試驗階段。
1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
據(jù)上海.羿歌所認(rèn)識，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本思想是，在現(xiàn)場布置大量的節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)上的傳感器感知現(xiàn)場的信息，微處理器對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，再由無線收發(fā)模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給相鄰節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)經(jīng)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的一級級轉(zhuǎn)發(fā)，最終發(fā)送給基站，再由基站通過串口傳送給主機(jī)，從而實現(xiàn)對現(xiàn)場的監(jiān)控。
在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)任意散落在被監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，這一過程是通過飛行器散播、人工埋置和火箭彈射等方式完成的，節(jié)點(diǎn)以自組織形式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以采用平面結(jié)構(gòu)和分級結(jié)構(gòu)，通常采用分級結(jié)構(gòu)。分級結(jié)構(gòu)如圖l所示，網(wǎng)絡(luò)劃分為多個簇，每個簇由一個簇頭和多個簇成員組成。這些簇頭形成了高一級的網(wǎng)絡(luò)。
在分層結(jié)構(gòu)中，簇頭結(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)簇間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，而簇成員只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集。這大大減少了網(wǎng)絡(luò)中路由控制信息的數(shù)量，因此具有很好的可擴(kuò)充性。簇頭可以預(yù)先指定，也可以由節(jié)點(diǎn)使用分簇算法自動選舉產(chǎn)生。由于簇頭可以隨時選舉產(chǎn)生，所以分層結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的抗毀性。
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圖1分級結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 目前，還沒有形成通用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計方案，但一般都包括四個組成部分：傳感器、微處理器、無線收發(fā)模塊和電源。如圖2，傳感器負(fù)責(zé)監(jiān)控物理信號，比如i是度、空氣濕度、震動信息等。微處理器通常采用嵌入式cPu或者微控制器Mcu，無線收發(fā)單元主要由低功耗、短距離的無線通信模塊組成。 ![]()
圖2無線傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu) 2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)有路由協(xié)議的分析
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的分類基本上延續(xù)了傳統(tǒng)Adhoc網(wǎng)的分類方法，從不同的角度可以進(jìn)行不同的分類。從路由發(fā)現(xiàn)策略的角度，可分為主動路由和被動路由兩種類型。
2．1主動路由
主動路由也稱表驅(qū)動(Table D—ven)路由，其路由發(fā)現(xiàn)策略與傳統(tǒng)路由協(xié)議類似，節(jié)點(diǎn)通過周期性地廣播路由信息分組，交換路由信息，主動發(fā)現(xiàn)路由，同時，節(jié)點(diǎn)必須維護(hù)去往全網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)的路由。它的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)分組時，只要去往目的節(jié)點(diǎn)的路由存在，所需的延時很小。缺點(diǎn)是主動路由需要花費(fèi)較大開銷，為使路由更新能夠緊隨當(dāng)前拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，浪費(fèi)了一些資源來建立和重建那些根本沒有被使用的路由。而且，動態(tài)變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能使得這些路幽更新變成計算機(jī)時代2007年第2期·15·過時信息，路由協(xié)議始終處于不收斂狀態(tài)。傳統(tǒng)的路由協(xié)議如ⅪP、0sPF都屬于主動路由協(xié)議。
主動路由協(xié)議一般包括“鄰居節(jié)點(diǎn)探測”和“路由廣播”兩個過程。路由器向各通信端口周期廣播Hello分組，來實現(xiàn)鄰居節(jié)點(diǎn)探測。在距離矢量算法中，雖然沒有顯式的鄰節(jié)點(diǎn)探測過程，但在與鄰節(jié)點(diǎn)交換距離向量路由表時，隱含了鄰節(jié)點(diǎn)探測。
2．2被動路由
被動路由也稱按需(On Demand)路由。與主動路由相反，被動路由認(rèn)為在動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，沒有必要維護(hù)去往其他所有節(jié)點(diǎn)的路由。它僅在沒有去往目的節(jié)點(diǎn)路由的時候才“按需”進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)。被動路由協(xié)議根據(jù)網(wǎng)絡(luò)分組的傳輸請求，被動地搜索從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的路由。當(dāng)沒有分組傳遞請求時，路由器處于靜默狀態(tài)，并不需要交換路由信息。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路由表內(nèi)容按需建立，它可能僅僅是整個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息的一部分。它的優(yōu)點(diǎn)是不需要周期性地路由信息廣播，節(jié)省了一定的網(wǎng)絡(luò)資源。缺點(diǎn)是發(fā)送數(shù)據(jù)分組時，如果沒有去往目的節(jié)點(diǎn)的路由，需要等待路由發(fā)現(xiàn)。
被動路由協(xié)議主要包括“路由發(fā)現(xiàn)”和“路由維護(hù)”兩個過程。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)需要得到目的節(jié)點(diǎn)的路由，而該路由又沒有在路由表中時，路由發(fā)現(xiàn)過程被激活。路由器采用泛洪的方式，向整個網(wǎng)絡(luò)廣播路由請求分組。當(dāng)有路由請求報文到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)時，目的節(jié)點(diǎn)將向源節(jié)點(diǎn)發(fā)出
路由請求應(yīng)答報文。這樣，在源與目的節(jié)點(diǎn)之間會建立起雙向“活動路徑”。活動路徑建立所需時間定義為路由建立延遲。隨著拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，當(dāng)活動路徑匕的某段鏈路發(fā)生中斷時，路由維護(hù)過程被啟動。路由維護(hù)可以采用兩種不同的策略：從斷點(diǎn)處開始修補(bǔ)路徑或通知源節(jié)點(diǎn)重新啟動路由建立過程。
3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的設(shè)計
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)處理過程分為兩個步驟，分別為簇形成階段和數(shù)據(jù)傳輸階段。簇形成階段主要是用—種分簇機(jī)制，把節(jié)點(diǎn)分為若干個簇；在數(shù)據(jù)傳輸階段，簇內(nèi)普通節(jié)點(diǎn)向簇頭節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)，簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，再向sink節(jié)點(diǎn)傳輸。
在網(wǎng)絡(luò)生命周期初期，為了得到較大的吞吐量，我們采用集中式的方式形成簇類。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中選擇最優(yōu)簇類是一種典型的組合優(yōu)化問題，其描述如下：
M維空間上的n個模式{xiIi=l，2，．，n}，要求聚成k類，使得各類自身內(nèi)的點(diǎn)間距離最近，譬如要求![]() 最小。
其中Rp為第p類的中心，即：![]() 其中p=1，2，¨．，k，n。為第p類中的點(diǎn)數(shù)。
簇類問題描述很簡單，但最優(yōu)化求解卻很困難．其主要原因是所謂的“組合爆炸”，簇類的可能劃分方式有![]() 個。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中選擇最優(yōu)簇類是著名的NP難題，可以用模擬退火算法同來得到近似最優(yōu)解。
當(dāng)能源將耗盡的節(jié)點(diǎn)占全部節(jié)點(diǎn)的70％時，我們認(rèn)為節(jié)點(diǎn)的能源普遍比較貧乏，為了最大化網(wǎng)絡(luò)生命周期，轉(zhuǎn)而采用分布式算法來決定聚類的產(chǎn)生，即sink節(jié)點(diǎn)不再參與簇類的生成，而是由傳感器節(jié)點(diǎn)自身通過協(xié)商來決定聚類的產(chǎn)生。
我們采用一種基于節(jié)點(diǎn)權(quán)值的分布式、自協(xié)商成簇算法，在這種算法中，每個節(jié)點(diǎn)計算自身的權(quán)值來指示該節(jié)點(diǎn)適合充當(dāng)簇頭的程度。各節(jié)點(diǎn)的權(quán)值可以用一個考慮多種兇素的通用公式來表示：wei曲t=Energy_Remain水Nei曲bor_NuIll／(CHJimes+1)其中：cH_Times表示節(jié)點(diǎn)在以前回合中充當(dāng)?shù)拇仡^節(jié)點(diǎn)的次數(shù)；Nei曲bor_Num表示節(jié)點(diǎn)的鄰近數(shù)目；Ene略y—Remain表示節(jié)點(diǎn)的剩余能量。
數(shù)據(jù)傳輸階段劃分成幀，簇內(nèi)每個普通節(jié)點(diǎn)在簇頭節(jié)點(diǎn)分配的時間槽里一次傳送一幀，每個時槽中，數(shù)據(jù)恒速傳送。在簇形成時，每個簇的節(jié)點(diǎn)數(shù)并不相等，故每個簇內(nèi)時槽的大小也不相等，時槽的大小根據(jù)簇內(nèi)每個普通節(jié)點(diǎn)的多少決定。為了減少能源浪費(fèi)，簇內(nèi)每個普通節(jié)點(diǎn)都使用能源控制，在自己的時槽中，才打開發(fā)送裝置，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
4結(jié)束語
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量有限，對它的一個重要研究方向是節(jié)能，以延長網(wǎng)絡(luò)生命期。本文設(shè)計了一種基于集中式和分布式相結(jié)合的分簇算法：在網(wǎng)絡(luò)生命周期初期，為了得到較大的吞吐量，采用集中式的方式形成簇類；當(dāng)能源即將耗盡時，轉(zhuǎn)而采用分布式算法來決定聚類的產(chǎn)生，即siIlk節(jié)點(diǎn)不再參與簇類的生成，而是由傳感器節(jié)點(diǎn)自身通過協(xié)商來決定聚類的產(chǎn)生。該設(shè)計思想的提出，擴(kuò)展了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究有一定的促進(jìn)作用。
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