摘要：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是一種無(wú)基礎設施的無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，能夠實(shí)時(shí)地采集信息：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )和傳統的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )有著(zhù)不同的設計目標，傳統的路由協(xié)議不能有效地應用于傳感器網(wǎng)絡(luò )，因此需要研究一種有效的無(wú)線(xiàn)傳感器路由協(xié)議。文章設計了一種路由協(xié)議，采用集中式和分布式相結合的方法形成簇類(lèi)，有效地延長(cháng)了網(wǎng)絡(luò )生命周期。
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是當今國內外研究的一大熱點(diǎn)，它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現代網(wǎng)絡(luò )以及無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，能夠通過(guò)各個(gè)傳感器節點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監測、感知和采集各種現場(chǎng)信息。它是一種新型的無(wú)基礎設施網(wǎng)絡(luò )，它的節點(diǎn)是傳感器這種特殊的嵌入式設備，它們靜態(tài)地隨機分布于某一區域。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在國家軍事、工農業(yè)、城市管理、生物醫療、環(huán)境監測、搶險救災、危險區域遠程控制等許多重要領(lǐng)域都有潛在的實(shí)用價(jià)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�！钡脑O計思想，目的是在戰場(chǎng)上拋散千萬(wàn)個(gè)微小的具有無(wú)線(xiàn)通信能力的傳感器模塊，用于監控人的活動(dòng)情況，同時(shí)美國陸軍已確定努力開(kāi)發(fā)多層次集成式傳感器復雜系統～ssNc(靈巧傳感器網(wǎng)絡(luò )通信)，并認為這是建成未來(lái)目標部隊的關(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)導的科研小組在緬因州的大鴨子島上布置了32節點(diǎn)組成的傳感器網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現對一種海燕生活習性的監測。國內已經(jīng)有許多大學(xué)開(kāi)展了對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的研究，但是還沒(méi)有達到實(shí)用階段，大部分工作還處于仿真或試驗階段。
1無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的系統結構
據上海.羿歌所認識，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的基本思想是，在現場(chǎng)布置大量的節點(diǎn)，這些節點(diǎn)上的傳感器感知現場(chǎng)的信息，微處理器對原始數據進(jìn)行初步處理，再由無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊將數據發(fā)送給相鄰節點(diǎn)，數據經(jīng)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的一級級轉發(fā)，最終發(fā)送給基站，再由基站通過(guò)串口傳送給主機，從而實(shí)現對現場(chǎng)的監控。
在傳感器網(wǎng)絡(luò )中，節點(diǎn)任意散落在被監測區域內，這一過(guò)程是通過(guò)飛行器散播、人工埋置和火箭彈射等方式完成的，節點(diǎn)以自組織形式構成網(wǎng)絡(luò )。
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )可以采用平面結構和分級結構，通常采用分級結構。分級結構如圖l所示，網(wǎng)絡(luò )劃分為多個(gè)簇，每個(gè)簇由一個(gè)簇頭和多個(gè)簇成員組成。這些簇頭形成了高一級的網(wǎng)絡(luò )。
在分層結構中，簇頭結點(diǎn)負責簇間數據的轉發(fā)，而簇成員只負責數據的采集。這大大減少了網(wǎng)絡(luò )中路由控制信息的數量，因此具有很好的可擴充性。簇頭可以預先指定，也可以由節點(diǎn)使用分簇算法自動(dòng)選舉產(chǎn)生。由于簇頭可以隨時(shí)選舉產(chǎn)生，所以分層結構具有很強的抗毀性。
![]()
圖1分級結構無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò ) 目前，還沒(méi)有形成通用的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的設計方案，但一般都包括四個(gè)組成部分：傳感器、微處理器、無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊和電源。如圖2，傳感器負責監控物理信號，比如i是度、空氣濕度、震動(dòng)信息等。微處理器通常采用嵌入式cPu或者微控制器Mcu，無(wú)線(xiàn)收發(fā)單元主要由低功耗、短距離的無(wú)線(xiàn)通信模塊組成。 ![]()
圖2無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)結構 2無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中現有路由協(xié)議的分析
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )路由協(xié)議的分類(lèi)基本上延續了傳統Adhoc網(wǎng)的分類(lèi)方法，從不同的角度可以進(jìn)行不同的分類(lèi)。從路由發(fā)現策略的角度，可分為主動(dòng)路由和被動(dòng)路由兩種類(lèi)型。
2．1主動(dòng)路由
主動(dòng)路由也稱(chēng)表驅動(dòng)(Table D—ven)路由，其路由發(fā)現策略與傳統路由協(xié)議類(lèi)似，節點(diǎn)通過(guò)周期性地廣播路由信息分組，交換路由信息，主動(dòng)發(fā)現路由，同時(shí)，節點(diǎn)必須維護去往全網(wǎng)所有節點(diǎn)的路由。它的優(yōu)點(diǎn)是當節點(diǎn)需要發(fā)送數據分組時(shí)，只要去往目的節點(diǎn)的路由存在，所需的延時(shí)很小。缺點(diǎn)是主動(dòng)路由需要花費較大開(kāi)銷(xiāo)，為使路由更新能夠緊隨當前拓撲結構的變化，浪費了一些資源來(lái)建立和重建那些根本沒(méi)有被使用的路由。而且，動(dòng)態(tài)變化的拓撲結構可能使得這些路幽更新變成計算機時(shí)代2007年第2期·15·過(guò)時(shí)信息，路由協(xié)議始終處于不收斂狀態(tài)。傳統的路由協(xié)議如ⅪP、0sPF都屬于主動(dòng)路由協(xié)議。
主動(dòng)路由協(xié)議一般包括“鄰居節點(diǎn)探測”和“路由廣播”兩個(gè)過(guò)程。路由器向各通信端口周期廣播Hello分組，來(lái)實(shí)現鄰居節點(diǎn)探測。在距離矢量算法中，雖然沒(méi)有顯式的鄰節點(diǎn)探測過(guò)程，但在與鄰節點(diǎn)交換距離向量路由表時(shí)，隱含了鄰節點(diǎn)探測。
2．2被動(dòng)路由
被動(dòng)路由也稱(chēng)按需(On Demand)路由。與主動(dòng)路由相反，被動(dòng)路由認為在動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境中，沒(méi)有必要維護去往其他所有節點(diǎn)的路由。它僅在沒(méi)有去往目的節點(diǎn)路由的時(shí)候才“按需”進(jìn)行路由發(fā)現。被動(dòng)路由協(xié)議根據網(wǎng)絡(luò )分組的傳輸請求，被動(dòng)地搜索從源節點(diǎn)到目的節點(diǎn)的路由。當沒(méi)有分組傳遞請求時(shí)，路由器處于靜默狀態(tài)，并不需要交換路由信息。拓撲結構和路由表內容按需建立，它可能僅僅是整個(gè)拓撲結構信息的一部分。它的優(yōu)點(diǎn)是不需要周期性地路由信息廣播，節省了一定的網(wǎng)絡(luò )資源。缺點(diǎn)是發(fā)送數據分組時(shí)，如果沒(méi)有去往目的節點(diǎn)的路由，需要等待路由發(fā)現。
被動(dòng)路由協(xié)議主要包括“路由發(fā)現”和“路由維護”兩個(gè)過(guò)程。當源節點(diǎn)需要得到目的節點(diǎn)的路由，而該路由又沒(méi)有在路由表中時(shí)，路由發(fā)現過(guò)程被激活。路由器采用泛洪的方式，向整個(gè)網(wǎng)絡(luò )廣播路由請求分組。當有路由請求報文到達目的節點(diǎn)時(shí)，目的節點(diǎn)將向源節點(diǎn)發(fā)出
路由請求應答報文。這樣，在源與目的節點(diǎn)之間會(huì )建立起雙向“活動(dòng)路徑”�；顒�(dòng)路徑建立所需時(shí)間定義為路由建立延遲。隨著(zhù)拓撲結構的變化，當活動(dòng)路徑匕的某段鏈路發(fā)生中斷時(shí)，路由維護過(guò)程被啟動(dòng)。路由維護可以采用兩種不同的策略：從斷點(diǎn)處開(kāi)始修補路徑或通知源節點(diǎn)重新啟動(dòng)路由建立過(guò)程。
3無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )路由協(xié)議的設計
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中數據處理過(guò)程分為兩個(gè)步驟，分別為簇形成階段和數據傳輸階段。簇形成階段主要是用—種分簇機制，把節點(diǎn)分為若干個(gè)簇；在數據傳輸階段，簇內普通節點(diǎn)向簇頭節點(diǎn)傳輸數據，簇頭節點(diǎn)進(jìn)行數據處理后，再向sink節點(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(lèi)。在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中選擇最優(yōu)簇類(lèi)是一種典型的組合優(yōu)化問(wèn)題，其描述如下：
M維空間上的n個(gè)模式{xiIi=l，2，．，n}，要求聚成k類(lèi)，使得各類(lèi)自身內的點(diǎn)間距離最近，譬如要求![]() 最小。
其中Rp為第p類(lèi)的中心，即：![]() 其中p=1，2，¨．，k，n。為第p類(lèi)中的點(diǎn)數。
簇類(lèi)問(wèn)題描述很簡(jiǎn)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(lèi)的可能劃分方式有![]() 個(gè)。在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中選擇最優(yōu)簇類(lèi)是著(zhù)名的NP難題，可以用模擬退火算法同來(lái)得到近似最優(yōu)解。
當能源將耗盡的節點(diǎn)占全部節點(diǎn)的70％時(shí)，我們認為節點(diǎn)的能源普遍比較貧乏，為了最大化網(wǎng)絡(luò )生命周期，轉而采用分布式算法來(lái)決定聚類(lèi)的產(chǎn)生，即sink節點(diǎn)不再參與簇類(lèi)的生成，而是由傳感器節點(diǎn)自身通過(guò)協(xié)商來(lái)決定聚類(lèi)的產(chǎn)生。
我們采用一種基于節點(diǎn)權值的分布式、自協(xié)商成簇算法，在這種算法中，每個(gè)節點(diǎn)計算自身的權值來(lái)指示該節點(diǎn)適合充當簇頭的程度。各節點(diǎn)的權值可以用一個(gè)考慮多種兇素的通用公式來(lái)表示：wei曲t=Energy_Remain水Nei曲bor_NuIll／(CHJimes+1)其中：cH_Times表示節點(diǎn)在以前回合中充當的簇頭節點(diǎn)的次數；Nei曲bor_Num表示節點(diǎn)的鄰近數目；Ene略y—Remain表示節點(diǎn)的剩余能量。
數據傳輸階段劃分成幀，簇內每個(gè)普通節點(diǎn)在簇頭節點(diǎn)分配的時(shí)間槽里一次傳送一幀，每個(gè)時(shí)槽中，數據恒速傳送。在簇形成時(shí)，每個(gè)簇的節點(diǎn)數并不相等，故每個(gè)簇內時(shí)槽的大小也不相等，時(shí)槽的大小根據簇內每個(gè)普通節點(diǎn)的多少決定。為了減少能源浪費，簇內每個(gè)普通節點(diǎn)都使用能源控制，在自己的時(shí)槽中，才打開(kāi)發(fā)送裝置，進(jìn)行數據傳輸。
4結束語(yǔ)
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )能量有限，對它的一個(gè)重要研究方向是節能，以延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )生命期。本文設計了一種基于集中式和分布式相結合的分簇算法：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(lèi)；當能源即將耗盡時(shí)，轉而采用分布式算法來(lái)決定聚類(lèi)的產(chǎn)生，即siIlk節點(diǎn)不再參與簇類(lèi)的生成，而是由傳感器節點(diǎn)自身通過(guò)協(xié)商來(lái)決定聚類(lèi)的產(chǎn)生。該設計思想的提出，擴展了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的應用，對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的研究有一定的促進(jìn)作用。
參考文獻：
【1】任豐原，黃海寧，林闖．無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )軟件學(xué)報，20031．
【2】張宏滔，陸佶人，童峰一種節省能量的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò )組織結構與協(xié)議．電路與系統學(xué)報，2005．10(3)：16～20
【3】Chee—Yee C，Kumar S P．Sensor networks：evolution，opportuni—ies，and challenges．Proceedings of the IEEE，2003．91 (8)：1247～1256．
【4j Sinha A，Wang A，Chandrakasan A P Algorithmic transforms forefficient energy scalable computation In： Proceedings of theACM Intemational Symposium on L。w Power日ectrOnic De—sign OSUPED2000)，Rapallo，Italy，2000 New York，NY： ACMPress．31～36
【5l Benini L’B091iolo A，De Micheli G．A survey of design tech—niques for system—level dynamic power management． IEEETransactions on Very Large Scale Integration(ⅥSI)Systems，2000．8(3)：299～316
【6】sinha A，Chandrakasan A．Dynamic pow er management inwireless Sensor networks．IEEE Design and Test of ComputerS，
2001．18(2)：62～74
【7】Shuguang C，Madan R．Joint Routing，MAC，and Ljnk Layer Op—timization in Sensor Networks with Ehergy Constraints． In：Pmceedings of the I班'E Intemational Conference on Com—munications∞c)，sourh KOrea，2005·IEEE Press·725～729
| 
