无线传感器网络成簇路由算法探究范文

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《单片机与嵌入式系统应用杂志》2016年第7期

摘要：

无线传感器网络被用于很多应用中，已经成为无线网络研究的重点方向。为了得到广泛分布于空间节点的感知信息，需要为传感器网络提供可靠的传输路由。本文提出了无线传感器网络的分层架构，分析了网络中成簇路由的形成过程，比较了成簇路由对应平面路由的优势，最后介绍了典型的成簇路由算法。

关键词：

无线传感器网络；数据收集；成簇路由

引言

无线传感网络由大量体积小，具有感知、信息处理及无线通信能力的传感器节点组成，是新兴的网络，相比传统的通信网络解决方案，以其低成本、可扩展性、可靠性、准确性、灵活性、易部署特点，得到日益广泛应用。无线传感网络通过大量的传感节点、摄像头、RFID标签等设备组成的静态自组网，以及加入携带有感知设备的移动节点（如汽车、人、机器人等）构成的移动自组网，来收集感知区域内的物理数据。而后，感知数据通过网络层的3G、LTE、卫星通信等手段或者经由网关接入骨干网络的方式来完成数据的上传。在应用层，用户可以利用大量的感知数据进行各类应用（如智能电网、智能家居、智慧农业以及智慧医疗）等（见图1）。事实上，节点在得到部署之后，就开始持续感知、收集周围环境的物理信息，而当sink（汇聚节点）向所有节点广播数据收集的消息后，一条由一般节点指向sink的数据传输路由开始形成，完成对感知信息的可靠收集，最重要的是要设计可靠的数据传输路由来完成采集数据的传输，保证网络中感知信息连通的覆盖。

1无线传感网络的成簇路由

典型的无线传感网络的路由协议可分为平面路由协议及分层路由协议。在平面路由协议中，网络中所有的节点执行相同的任务，在网络中具有同等的功能。当节点感知到或接收到数据后，会以广播的方式向邻居节点发送或者转发此数据，而后数据被以节点之间广播的多跳接力模式传输至sink节点。典型的平面路由包括洪泛［8］、直接传输［9］、谣言［10］、基于梯度的路由GBR［11］等，节点数目比较少的网络通常采用平面路由协议来构造数据传输链路。一旦网络中节点的数量增加，多跳接力的传输模式造成的节点对数据处理及带宽的占用会加重网络中节点之间的干扰，引发过多的数据包碰撞，进而影响网络中数据的正常传输。当网络中节点数量增多，不适用平面路由来进行数据传输时，可以通过构造分层路由，完成网络中数据的传输。在分层路由协议中，网络中的节点不再具有相同的功能，而是根据数据收集的需求，形成了具有不同功能的节点分类。分层路由通常又被称为成簇路由，成簇路由中能量较高的节点称为簇头节点，负责簇内成员节点数据的收集、聚合及数据向sink的前传，能量较低的节点称为成员节点，负责对物理事件的感知及感知数据的采集。成簇路由的建立分为3个阶段，包括簇的建立阶段、簇的稳定阶段及簇头聚合数据向sink的传输过程。图2显示了在成簇路由中簇的建立过程，当sink向所有节点广播数据请求后，所有的节点开始竞争簇头，向全网广播自身的信息（包括自身当前能量、ID号、与sink的距离等），并向sink发出请求当选簇头的信息，而后根据相应的参数设定（如节点的剩余能量、到sink的距离、节点的邻居节点数、已当选簇头的次数等），sink向当选的节点发送簇头确认信息ACK，并为这些簇头分配相应的TDMA时隙，用于后续簇头与sink的数据传输，而其余节点则退出簇头的竞争，转入空闲侦听状态。然后，当选的簇头节点广播自身当选的信息，没有当选的节点根据自身与相应簇头节点的距离，从空闲侦听状态选择加入某一个簇头所成立的簇，完成簇的建立过程。图3显示了在成簇路由中簇的稳定过程及簇头与sink的数据传输过程。簇的稳定过程包括未当选簇头的节点加入相应簇头节点所成立的簇，以及这些成员节点在加入簇以后对簇头分配的TDMA时隙的竞争过程。当成员加入相应簇头的簇之后，簇头会建立一个TDMA时隙安排，并向成员广播，而后成员节点通过竞争，每一个成员节点被分配一个传输时隙用于其数据向簇头的传输，完成簇内通信，在非自身的传输时隙内，成员节点将关闭发射电路，进入睡眠状态以节省能量。当成员节点的数据被传输至簇头节点之后，簇头对数据进行预处理，去掉冗余数据后将数据聚合，而后利用簇成立阶段sink分配的TDMA时隙建立簇间通信路由，完成簇头聚合数据向sink的传输。当网络中节点的数量比较大时，簇头之间会采用多层的成簇路由完成感知数据向sink的汇聚。

2成簇路由的特点

相对于平面路由，成簇路由中节点的分工比较明确，由簇头负责数据的聚合及前传，成员节点负责数据的感知、采集，因此成簇路由可以在簇内本地化路由表，以减少节点存储的路由表的大小。同时，由簇头管理本簇成员的方式相较平面路由，管理能耗更少，当网络中节点数量增多时，只需形成更多的簇即可完成数据传输，具有更好的可扩展性。此外，成簇路由改变了平面路由中逐跳传输的模式，减少了多跳传输带来的网络数据传输的延迟。而且，基于簇头对于簇内成员节点数据的聚合及预处理，网络中传输的冗余数据大量减少，节省了节点的数据传输能耗及中继节点的负载，延长了网络的生存时间。另外，由于成簇路由中数据传输过程采用了簇内通信及簇间通信结合的传输方式，减少了网络中长距离通信引发的节点能耗的浪费。同时，由于网络中节点采用轮流担任簇头的选举方式，避免了单个节点能耗过大造成节点过早死亡对于网络连通性的影响。最后，由于簇内采用了由簇头分配TDMA时隙表的形式进行数据的收集，避免了簇内成员数据传输时造成的数据包的碰撞，簇间通信可以在簇内通信完成后复用网络的时隙资源，避免了簇头节点争抢时隙资源产生的网络中节点之间的干扰，进而改善了网络中数据传输的性能。典型的成簇路由包括每一轮数据传输过程中随机选取簇头的低功耗自适应成簇协议LEACH［12］；考虑了节点剩余能量完成簇头轮换的集中式LEACH算法LEACH－C［13］；适用于能量收集传感网络的sLEACH［14］算法；采用两层分簇的分层LEACH［15］，在高层的分簇中网络采用CSMA机制完成数据的收集，而在低层的分簇中采用TDMA机制进行数据的传输；混合能量有效分布成簇协议［16］，HEED基于节点当前剩余能量及簇内通信能量选取簇头，不同于LEACH单跳的簇间路由，HEED采用了多跳的簇间路由完成数据向sink节点的传输；基于权重的能量有效成簇路由［17］，DWEHC采用了均衡的簇优化了簇间负载，并利用节点的地理位置信息优化了簇内通信；采用多跳簇间路由的多跳LEACH［18］等，这些算法通过对簇头选举算法的改进、簇内通信的能耗设计、节点发射功率的控制、簇间通信路由的优化，为密集的传感网络的数据传输提供了能量有效的路由协议。

3结语

无线传感网络的成簇路由技术以能量有效的方式，为网络感知数据的收集提供了可靠的链路，对于实现大规模传感网络的应用具有重大影响，本文介绍了传感器网络的分层架构、数据收集成簇路由的形成过程、成簇路由的特点以及典型的成簇路由算法，希望对读者理解无线传感器网络的数据收集、成簇路由有指导意义。

作者:李晨 康琳 单位:中国石化销售有限公司山西石油分公司 太原科技大学