基于节能的无线传感器网络路由协议研究

传感器技术、微机电系统、现代网络和无线通信等技术的进步，推动了具有现代意义的无线传感器网络的产生和发展。无线传感器网络扩展了人们的信息获取能力，将客观世界的物理信息同传输网络连接在一起，在下一代互联网中将为人们提供最直接、最有效、最真实的信息。无线传感器网络具有十分广阔的应用前景，能应用于军事国防、工农业控制、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等诸多领域。

无线传感器网络设计的基本原则就是要以节能为前提。传统无线通信网络的首要设计目标是提高服务质量和高效带宽利用，其次再考虑节约能源；而传感器的首要设计目标是能源的商效利用，这是传感器网络和传统网络的最重要的区别之一，能量问题是无线传感器网络的核心问题。传感器节点由电池供电，而目前的技术水平下电池容量难以有大幅度提高，而且在许多应用中，更换电池是不现实的(如军事应用)，因此这就要求WSN路由协议必须以节约能源为主要目标，最大限度地延长网络生存时间。

1 低功耗路由协议

1．1 LEACH协议

LEACH(Low—Energy Adaptive C1ustering Hier—archy)是MIT的Chandrakasan等人为无线传感器网络设计的低功耗自适应分层路由算法。它的基本思想是以循环的方式随机选择簇头节点，将整个网络的能量负载平均分配到每个传感器节点中，从而达到降低网络能源消耗，提高网络整体生存时间的目的。LEACH在运行过程中不断地循环执行簇的重构过程。每个簇重构过程可以用“轮”的概念来描述。每个轮可以分成两个阶段：初始化和稳定工作两个阶段。为了避免额外的处理开销，稳定阶段一般持续较长时间。

初始化阶段即簇的形成阶段。在每一轮的初始化阶段，每个传感器节点都要决定自己是否充当簇头节点。这个决定主要取决于网络中所需要的簇头节点数(在初始化的时候设置)和迄今为止该节点已成为簇头节点的次数。簇头节点必须从那些没有当过簇头节点的节点中选择，直到网络中的所有节点都当过簇头节点，然后再进行重新选举，所有节点获得再次成为簇头的机会。簇头节点的选择办法是：每个传感器节点随机选择O～1之间的一个值，如果选定的值小于某一个阈值T(n)，那么这个节点成为簇头节点。T(n)值的计算方法如下：



其中，p是网络中簇头节点所占节点数目的百分比，r为当前的轮数，G是一个集合，集合中的节点是前1／p轮中没有充当过簇头节点的节点。使用这个门限，每个节点会在1／p轮操作内充当一次簇头节点，符号mod是求模运算符号。

在第O轮的时候(r=0)，每个节点充当簇头节点的概率为p，在第O轮充当簇头节点的节点在后面1／p轮中不能再次充当簇头节点。这样，剩下的节点的数目变少了，所以能够充当簇头节点的概率必须增加才能保证每一轮中的簇的个数保持均衡。在经过1／p一1轮以后，T=1，此时对于任何一个在过去的1／p中还没有做过簇头节点的节点，都可以成为簇头节点，因为所有节点的标志值都在0～1之问。经过1／p轮之后，所有节点又可以重新充当簇头节点了。

一旦簇头节点被选定，它们就使用相同的能量向网络中的其他节点广播一个广告包。在这个过程中，其他非簇头节点的接收机一直处于工作状态，以便接收来自不同簇头的广告包，它们根据最小通信能量原则，选取信号最强的广告包的发送源节点作为自己的簇头节点，并发送消息给其簇头节点，告诉簇头节点自己已经加入该簇。

当簇头节点收到了来自成员节点的“报道”消息后，根据成员节点的数目，产生一个TDMA的时隙表，告诉成员在什么时刻可以发送数据。这个表会通过广播到达成员节点，由于形成了簇的结构，成员节点只与自己的簇头节点通信，如果收到来自其他节点的消息，会自动屏蔽掉。因此不用担心簇头节点的时隙表被其他簇的成员错误接收。当网络中的簇已经形成，而且TD—MA时隙表也确定下来，就开始了数据传送。成员节点只能在TDMA时隙表为其分配的时隙内与簇头节点进行通信。假设传感器节点总是有数据要发送，在属于自己的时隙里，成员节点会把数据发送给自己的簇头节点。在发送阶段，在自己的时隙没有到来的时候成员节点可以关闭自己的收发机以节省能量。而簇头节点必须一直使自己的接收机处于开启状态，用于接收来自不同成员节点的数据。当一轮的数据传输完毕后，簇头节点会进行必要的数据融合处理，将多个数据融合成一个数据，然后发送给基站。持续一段时间以后，网络开始进入下一轮的工作周期。

LEACH协议运用了数据压缩技术和分层动态路由技术，通过本地的联合工作来提高网络的可扩展性和鲁棒性，通过数据融合来减少发送的数据量，通过随机选择簇头节点来达到网络内部负载均衡的目的，进而大大节约了能量。

尽管LEACH协议具备以上优点，但也存在一些不足之处。

(1)由于LEACH算法假定所有节点能够与汇聚节点直接通信，并且每个节点都具备支持不同MAC协议的计算能力，因此该协议不适合在大规模的无线传感器网络中应用。

(2)LEACH算法是让网络中自组织的形成簇，由于簇头节点是随机产生的，这样无法保证簇头节点的合理分布。因此，很有可能出现被选择的簇头节点集中在网络中某一区域的现象，这样就会使得一些节点的周围没有任何簇。

(3)LEACH算法忽略了被选簇头在网络内的分布状态和节点间不同的通信距离而导致的节点能量损耗的不平衡。