无线传感器网络及其发展

无线传感器网络中基于降低能耗的路由协议

摘要：传感器节点的能量有限性，使得无线传感器网络中的路由设计成为一个具有挑战性的问题。本文指出传感器节点主要能量消耗原因，并介绍了为降低能量消耗的基于功率控制的机会路由协议和基于能量迭代的非均匀分簇路由算法两种方法。

关键词：无线传感器网络机会路由非均匀分簇

无线传感器网络是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，目的是协作地探测、处理和传输网络覆盖区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。无线传感器网络主要有采集、处理和传输三种功能，通常由传感模块、计算模块、通信模块、存储模块、电源模块和嵌入式软件系统组成，具有自组织性、以数据为中心、应用相关性、动态性、网络规模大和可靠性的特点[1]。无线传感器网络的发展得益于微机电系统、片上系统、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展，广泛应用于军事、智能交通、环境监控、医疗卫生等多个领域。无线传感器网络它的末梢是可以感知和检查外部世界的传感器，传感器节点在实现各种网络协议和应用系统时，存在电源能量、通信能力、计算和存储能力等方面的限制和约束，其中最突出的约束就是电源能量带来的约束。

传感器节点体积小、通常携带能量有限的电池；数量多、分布广，且部署区域环境复杂。以上种种原因导致传感器节点通过人工更换电池来补充能源是不现实的。因此在无线传感器网络的研究中，能效问题一直是热点问题。

传感器节点的状态包括活动状态、侦听状态和睡眠状态。进入活动状态，节点需要执行处理、感知和通信三种任务，感知单元、处理

单元和通信单元上电，传感器节点开始正常工作。侦听状态是传感器节点被布设后的初始状态，此时仅通信单元处于上电模式，感知和处理单元都被关闭，直到从簇头接收到消息，才会转换为其他状态。在睡眠状态中，不执行任何任务，传感器节点会关闭大部分功能单元，只有传感器的传输模块处于上电状态，以便对接收到的报文及时做出响应[2]。单位时间内节点三种状态消耗的能量依次减少，活动状态消耗能量最多，睡眠状态消耗能量最少。

因此，为了使传感器节点的生命周期最大化，应提高传感器节点传输可靠性，避免大量的数据重传，合理选择转发节点和路径，缩短节点处于活动状态的时间，在大部分时间里处于睡眠模式。以下是两种针对降低能耗而提出的路由协议。

1.基于功率控制的机会路由协议

机会路由充分利用无线网络的广播特性进行数据传输[3]。转发节点选择的多样性使得机会路由可以更好的适用于能源有限且链路质量较弱的网络场景中，并且可以提高数据包传输的可靠性，减少重传引起的能源消耗。

从源节点到目的节点发送的数据包并不是按一条固定的最佳路径传输，每次转发的数据包并不是单播给某一个节点，而是充分利用无线网络的广播传输特性，每次数据包都转发给一组节点，这些节点根据它们到目的节点的度量来确定优先级，选择优先级最高的节点再次转发数据包给另外一组节点，如此重复直到目的节点。

路由度量的选择是机会路由中候选节点选择算法的关键因素。在

机会路由中，源节点发出的数据包可以随机地被多个候选节点转发，且路由决策是在候选节点接收到数据包后根据当前的网络信息进行的，不受之前节点的影响，直到达到目的节点。这种数据传输的行为具有一定的无后效性，因此基于功率控制的机会路由协议利用吸收态马尔科夫链，来建模机会路由中数据的传输过程，并给出影响候选节点选择的两个关键路由度量：期望传输次数与期望能量消耗[4],确定节点优先级。

在与其它几种典型机会路由对比分析之后，基于功率控制的机会路由协议在取得较好网络性能的同时，能够显著降低传感器节点的能量消耗，有效延长网络的生存周期。

2.基于能量迭代的非均匀分簇路由算法

在无线传感器网络中，节点通常采用多跳的方式将数据转发到汇聚节点，离汇聚节点较近的节点不但要发送自身采集的数据，还要承担节点的数据转发任务，能量消耗较快，最终会导致汇聚节点周围的节点过早耗尽自身能量，形成“能量空洞”区域，进而使远离汇聚节点的数据不能传送给汇聚节点。目前层次路由协议是解决能量空洞问题的主要方法，主要分为随机分簇、均匀分簇和非均匀分簇。

在非均匀分簇路由协议中，靠近汇聚节点的簇规模小于远离汇聚节点的簇规模，从而减少靠近汇聚节点的簇头处理簇内数据所消耗的能量，为簇间通信预留能量，避免了长距离数据传输造成的能量浪费，一定程度上解决了汇聚节点附近的簇头节点由于过多转发而造成的“热点”问题。该协议有效解决了多跳通信方式下能量消耗不均衡的

问题，优化了网络中各节点的能量消耗，显著延长了网络的存活时间。

基于能量迭代的无线传感器网络非均匀分簇路由算法，相比其他算法，在簇头选举时减少了选簇头过程中的迭代次数，从而降低了选簇环节的能量消耗，同时，在选举簇头的过程中考虑了节点能耗速度、节点到汇聚节点的距离，实现最优簇头选举，避免簇头节点过早死亡，能有效避免“能量空洞”现象。在成簇上，考虑了节点到汇聚节点距离和节点密度，提出了非均匀分簇方法，使生成的簇更加合理[5]。

通过了解以上两种基于降低能耗而设计改进的路由协议，可以看出能源利用问题在无线传感器网络中的重要研究地位，以及路由协议对节点能耗的直接影响。两种协议均有利有弊，可以在不同的着重条件下择优运用。

基于功率控制的机会路由协议，在传统充分利用广播性的机会路由协议基础之上，通过马尔科夫链建模，给出了两种新的路由度量，使度量更加合理化并且降低了计算复杂度，最终进一步给出了具体执行过程。该路由协议的改进很完整、灵活性好、整体性强，可以直接仿真实现，并验证了其提升网络性能、降低能耗的功能。但没有将数据重传次数考虑进去，重传会消耗不必要的能量；以及没有考虑节点的空间分布，仅仅考虑到了数据传输的节点和路径选择。

基于能量迭代的非均匀分簇路由算法，降低了选择簇头的迭代次数，并在选择时考虑到了节点剩余能量，很大程度上避免出现“能量空洞”现象。考虑到节点分布和节点密度，采用非均匀分簇路由算法来均衡网络能耗。考虑节点的选择和节点的分布，但是没有考虑是否