近年來(lái)隨著傳感器和無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的進(jìn)步，無(wú)線(xiàn)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(lái)監(jiān)測(cè)我們所感興趣的環(huán)境。傳感器通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)形成無(wú)線(xiàn)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(jì)算能力和有限的連接傳感器的無(wú)線(xiàn)鏈路的帶寬，而且WSN的應(yīng)用領(lǐng)域也給路由協(xié)議帶來(lái)了一些限制，比如說(shuō)，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(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量傳感器節(jié)點(diǎn)和一個(gè)基站(BS)構(gòu)成，基站是節(jié)點(diǎn)與其它網(wǎng)絡(luò)通信的出入口，傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)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(huì)消耗很多能量(圖1)。采用多跳的路由方法也不理想，因?yàn)樽罱咏镜墓?jié)點(diǎn)會(huì)因路由大量收到的數(shù)據(jù)而很快死亡，從而導(dǎo)致后來(lái)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(diǎn)只與鄰居節(jié)點(diǎn)通信，節(jié)點(diǎn)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(shí)考慮每個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量消耗，以選出更合適的路徑。
本文中，我們重點(diǎn)評(píng)價(jià)更具有能量有效性的分簇路由算法，它將無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)分成若干簇，每個(gè)簇選舉出一個(gè)簇頭，簇頭作為本地基站將簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)消耗的能量，延長(zhǎng)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(wú)線(xiàn)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(diǎn)直接將數(shù)據(jù)傳送給基站，這樣遠(yuǎn)離基站的節(jié)點(diǎn)會(huì)消耗很多的能量而很快死亡。而MTE(MinimumTransmissionEnergy)[6]是它的一個(gè)改進(jìn)，它采用多跳的方法傳送數(shù)據(jù)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行建立路由以確定下一跳鄰居節(jié)點(diǎn)，這個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)是朝BS方向上離它最近的節(jié)點(diǎn)(假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都知道網(wǎng)絡(luò)中其它節(jié)點(diǎn)的位置)，數(shù)據(jù)包通過(guò)下一跳鄰居節(jié)點(diǎn)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(diǎn)會(huì)因路由大量傳來(lái)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(diǎn)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(wèn)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(gè)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)用相同的發(fā)射功率給網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)廣播消息，非簇頭節(jié)點(diǎn)選擇加入收到信號(hào)最強(qiáng)的那個(gè)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(diǎn)數(shù)目創(chuàng)建TDMA[8]時(shí)間表告訴每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)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(guò)濾收到的數(shù)據(jù)，這樣鄰居簇的信號(hào)就會(huì)被當(dāng)為噪聲過(guò)濾掉，因此不會(huì)影響簇內(nèi)通信。節(jié)點(diǎn)只在分配給它們的時(shí)隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，其它時(shí)間關(guān)閉其無(wú)線(xiàn)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(diǎn)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(diǎn)在分配的TDMA時(shí)隙內(nèi)總有數(shù)據(jù)傳給簇頭，為了節(jié)約能量，節(jié)點(diǎn)也許只需在它檢測(cè)到有興趣的數(shù)據(jù)時(shí)才傳送數(shù)據(jù)，另外，算法周期性地分簇會(huì)消耗節(jié)點(diǎn)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(duì)它進(jìn)行改善。
