无线传感器网络的分层路由协议

摘　要：可以把无线传感器网络路由协议分为分层路由与平面路由两类，本文主要分析几种常见的分层路由协议，并对其作出分析。

关键词：无线传感器；协议；分层路由
　　在平面路由过程中，各个节点的作用都是一样的，都是由局部的反馈与操作而生成路由。此类协议的过程是由目的节点先发查询的命令道监测的区域，待所监测节点接收到相关命令之后，开始向目的节点派发相关的检测数据。平面路由的协议没那么复杂，可是缺乏资源的通信优化的管理，对网络变化不太敏感。而分层路由协议得整个网络一般都分成一些连续的区域，也就是簇，每个簇是由多个或者一个簇头内的成员所组成，高一级的网络是由低一级的网络簇头所构成，是由高层簇头和目的节点来进行基站的通讯。分层路由的扩展性比较好，比较适合大范围无线传感器的网络的环境。然而对全网的性能有较大影响的是簇首的节点能稳定与可靠运行，另外信息的处理以及采集同样会造成大量的簇首能量的消耗。
　　1 几种常见的分层路由的协议
　　1.1  LEACH协议
　　LEACH协议是最早的无线传感器的网络协议，主要是以分层技术以及分簇的结构为基础的，具有非常重要的作用，尤其在无线传感器网络路由协议当中，像APTEEN、PEGASIS以及TEEN等基于分簇的一些协议一般是由LEACH所发展的。结果表明，LEACH能将生命的周期延长15%，相对于一般平面的路由协议与静态的分层路由算法相比。
　　LEACH主要是按所分的轮来进行操作的，各轮都有两个运行的阶段组成，分别是簇稳定阶段与簇的建立阶段。一般稳定运行的阶段所持续的时间要比簇的建立的阶段要长许多，为了达到减少开销的目的。
　　在簇建立阶段,将所有节点划分为若干簇,每个簇随机选举一个簇头。随机性确保簇头与Sink点之间数据传输的高能耗成本均匀地分摊到所有传感器节点。具体产生机制是:每个传感节点生成0, 1之间的随机数,如果选定的值小于某一个阈值T,则选该节点为簇头。T计算方法如下:
　　T=
　　其中,p为节点中成为簇头的百分数(如0.05),r是当前的轮数。
　　在簇首节点被选取后，主要通过广播来通知全网络。其它的网络节点是由信号强度来判断所属的簇，并进一步通知相关的簇首节点，最终建立簇。而后会采用TDM算法来分歧数据传送的时间片尾每个簇中的节点。
　　稳定阶段是通过传感器的节点把所采集到得数据传送到相关的簇首节点。而后对所有簇中的节点所采集到得数据通过汇总后再进行传送最终传给汇聚点。随着稳定阶段时间的推迟，会进入新的簇的建立，并进入下一回的簇重构，如此反复循环。通过不同的CDMA代码对每个簇进行通信防止另外的簇内节点的干扰。
　　1.2　PEGASIS与分层PEGASIS
　　1.2.1　PEGASIS
　　PEGASIS协议改进的基础是LEACH，主要思想是把节点构造成一条链,每一个节点都通过其邻居节点进行数据的收发,并且在该链中只有一个节点与汇聚点或基站进行通信,从一个节点到另一个节点连续性的聚集、融合数据并传输到基站,该链式路径使用贪心算法构造。
　　1.2.2　分层PEGASIS
　　分层PEGASIS协议主要是为了减少数据包到汇聚点传送的延时，它是对PEGASIS的扩展。该协议使具有CDMA传输能力的节点构造成一个分层传输的节点树,在每一层选出上一层进行通信的节点,以实现数据的并行传输,并且减少延时。
　　1.3　TEEN和APTEEN
　　1.3.1　TEEN
　　TEEN协议的实现机制是响应型，LEACH的实现机制是主动型的传感器网络，它们非常的相似在实现机制上。TEEN在簇的建立过程中,随着簇首节点的选定,簇首除了通过TDMA方法实现数据的调度,还向簇内成员广播有关数据的硬阈值和软阈值两个参数。硬阈值是开始进行数据传输的最低限度,软阈值则规定被检测数据的变动范围。在簇的稳定阶段,节点通过传感器不断地感知其周围环境。当节点首次检测到数据到达硬阈值,便打开收发器进行数据传送,同时将该检测值存入节点内部变量SV中。节点再次进行数据传送时要满足两个条件:当前的检测值大于硬阈值；当前的检测值与SV的差异等于或大于软阈值。只要节点发送数据,变量SV便置为当前的的检测值。一旦新一回合的簇首已经确定,该簇首将重新设定和发布以上两个参数。
　　1.3.2　APTEEN
　　APETTN对TEEN协议扩展的体现有：
　　(1)随着簇首节点的确定,簇首向簇内所有成员广播以下参数:
　　①属性(A):用来表示用户期望获取信息的一组物理参数。
　　②阈值:该参数由硬阈值(HT)和软阈值(ST)构成。
　　③调度:采用TDMA调度方式,为簇内每个节点分配相应的时间片。
　　④计数时间(CT):表示有一个节点成功发送报告的最大时间周期。
　　(2)运行APTEEN协议的节点在发送数据时会采用与TEEN相同的数据发送机制。协议规定如果节点在计数时间CT内没有发送任何数据,便强迫节点检测和向汇聚点传送数据,以改变TEEN不能在周期数据传送系统中应用的不足。
　　(3)为了更好地实现协议在混合网络系统中的应用,APTEEN采用了修改后的TDMA调度方法。
　　(4)APTEEN可以支持三种不同的查询类型,包括分析过去数据的历史性查询、快速浏览网络的一次性查询和在一段时间内持续监控某一事件的连续查询。
　　2　路由协议的比较
　　无线传感器网络路由协议首先要解决的问题是搞好节能的策略。以数据为中心和支持数据融合是绝大多数WSN应用的基本要求,可扩展性和鲁棒性则是路由协议应满足的基本要求。在解决主要问题和满足基本要求的基础上,能很好地利用节点的位置信息提供安全性和QoS支持的路由协议将有很好的发展前景。
　　LEACH、PEGASIS、分层PEGASIS、TEEN、APTEEN均具有分层路由协议的特点,并且后四种都是在LEACH基础上改进而来的。仿真结果表明:LEACH协议的方法比直接传输的方法节省70%的能量,比最小传输能量路由协议节省能量40%~ 80%。PEGASIS比LEACH协议优秀100% ~300%,分层的PEGASIS比传统的PEGASIS协议高60%。TEEN和APTEEN在能量分布和网络生存时间指标上均优于LEACH协议。APTEEN的性能位于TEEN和LEACH的之间。
　　3 结  语
　　无线传感器网络的路由协议主要运用的技术有数据融合与数据命令以及节点的聚类，主要对能量的效率进行多方位以及多角度的开展。尽管在路由算法的研究方面取得了很多进展,但还有一些根本性的问题有待进一步研究,使网络具备更好的可伸缩性和更强的适应网络拓扑变化的能力。　　
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