無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由協(xié)議研究.doc

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1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由協(xié)議研究摘要介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由協(xié)議的相關(guān)技術(shù)及其優(yōu)點(diǎn)，總結(jié)了近年來提出的各種分簇協(xié)議及主要設(shè)計(jì)思想?首先介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇協(xié)議的相關(guān)技術(shù)及優(yōu)點(diǎn)；然后介紹了近幾年代表性的分簇路由算法研究工作，并口對其涉及的主要方法進(jìn)行分類分析；最后進(jìn)行了各種分簇路由協(xié)議的綜合比較，并指出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由協(xié)議面臨的問題和挑戰(zhàn)以及今后的發(fā)展方向。關(guān)鍵詞無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇算法路由協(xié)議無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是一種無線自組織網(wǎng)絡(luò)，它包含成百上千的傳感器節(jié)點(diǎn)，每一個節(jié)點(diǎn)有感知環(huán)境、執(zhí)行簡單的計(jì)算與其他臨近節(jié)點(diǎn)或慕站（asest

2、ation,簡稱BS）直接通信的能力，能在事先沒有構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的環(huán)境下，由傳感器節(jié)點(diǎn)臨時組成的一種自組織、自管理的網(wǎng)絡(luò)[1,2]o路由是指從源節(jié)點(diǎn)選擇一條節(jié)能、距離短的路徑到目的節(jié)點(diǎn)，在形式上，可以將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)看做無向圖，從源節(jié)點(diǎn)到冃的節(jié)點(diǎn)選擇一條最短的路徑是一個復(fù)雜組合問題（即7P完全問題）[3],這其中要考慮很多因素，諸如：能量消耗、數(shù)據(jù)包傳輸時延、能量有效性。由丁?傳感器節(jié)點(diǎn)的電源能量、計(jì)算能力和通信能力都非常有限，所以節(jié)能路由協(xié)議的設(shè)計(jì),對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說極其重要。近來，科學(xué)界對無線傳感器網(wǎng)路分簇協(xié)議[4]進(jìn)行了深入的研究，分

3、簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由于具有良好的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性，便于能量管理、平衡負(fù)載、資源分配籌，成為冃前國內(nèi)外延長WSN生命周期、降低每一個節(jié)點(diǎn)的能耗的主要方法Z—。1分簇算法相關(guān)的技術(shù)1.1定位技術(shù)位置信息是傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)中不可缺少的部分，沒有位置的監(jiān)測信息通常是毫無意義的，因此定位技術(shù)對于要求有精確位置信息的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇協(xié)議來說具有重要的意義。根據(jù)定位過程中是否測量節(jié)點(diǎn)間的距離和角度，把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的定位技術(shù)分為基于距離的定位技術(shù)和距離無關(guān)的定位技術(shù)。1.1.1基于距離的定位技術(shù)基于距離的定位機(jī)制是通過測量相鄰節(jié)點(diǎn)間的實(shí)際距離或方位來確定位置節(jié)點(diǎn)

4、的位置，通常采用測距、定位和修正等步驟實(shí)現(xiàn)?；诰嚯x的定位機(jī)制分為基于T0A［5］的定位、基于TDOA［1］的定位、基于A0A［6］的定位和基于RSSIE7］的定位等。1.1.2距離無關(guān)的定位技術(shù)距離無關(guān)的定位機(jī)制無須實(shí)際測量節(jié)點(diǎn)間的絕對距離或方位就能夠確定未知節(jié)點(diǎn)的位置，目前提出的定位機(jī)制主要有質(zhì)心算法［1］、DV-Hop［8］算法、Amorphous［9］算法和APTT［1O］算法等。1.2同步技術(shù)時間同步是需要協(xié)同工作的傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇協(xié)議的一個關(guān)鍵機(jī)制。目前己提出了多個時間同步機(jī)制，其中RBS、TTNY/MTNT-SYNC和TPSN被認(rèn)為

5、是三個基本的同步機(jī)制。（1）RBS機(jī)制［11,12］是基于接收者-接收者的時鐘同步:一個節(jié)點(diǎn)廣播時鐘參考分組，廣播域內(nèi)的兩個節(jié)點(diǎn)分別采用本地時鐘記錄參考分組的到達(dá)時間，通過交換記錄時間來實(shí)現(xiàn)他們之間的時鐘同步。（2）TINY/MINI-SYNC是簡單的輕量級的同步機(jī)制［1］：假設(shè)節(jié)點(diǎn)的時鐘漂移遵循線性變化，那么兩個節(jié)點(diǎn)之間的時間偏移也是線性的，可通過交換時標(biāo)分組來估計(jì)兩個節(jié)點(diǎn)間的最優(yōu)匹配偏移量。（3）TPSNE13,14］采用層次結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的時間同步：所有節(jié)點(diǎn)按照層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行邏輯分級，通過基于發(fā)送者——接收者的節(jié)點(diǎn)對方式，每個節(jié)點(diǎn)能夠

6、與上一級的某個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步，從而實(shí)現(xiàn)所有節(jié)點(diǎn)都與根節(jié)點(diǎn)的時間同步。1.3數(shù)據(jù)融合技術(shù)數(shù)據(jù)融合技術(shù)［15］是指從各個傳感器節(jié)點(diǎn)收集數(shù)據(jù)的過程中，可利用節(jié)點(diǎn)的木地計(jì)算和存儲能力處理數(shù)據(jù)的融合，去除兀余信息。目前數(shù)據(jù)融合技術(shù)已經(jīng)在目標(biāo)跟蹤、目標(biāo)自動識別等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在無線傳感器分簇網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中，只有面向應(yīng)用需求設(shè)計(jì)具有針對性的數(shù)據(jù)融合方法，才能最大限度地獲益。2基于分簇的傳感器路由協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)與傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議相比，基于分簇的無線傳感器路由協(xié)議優(yōu)點(diǎn)有［16,17］：（1）自適應(yīng)性：通過簇頭節(jié)點(diǎn)的周期性輪換以及簇成員的加入或者退出來

7、實(shí)現(xiàn)持續(xù)的監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集。（2）節(jié)能性：由于慕站遠(yuǎn)離網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)與基站的通信是能耗最高的操作，對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分簇后，簇頭負(fù)責(zé)將整個簇的數(shù)據(jù)發(fā)送到基站，減少了與基站通信的節(jié)點(diǎn)數(shù)，大大降低了網(wǎng)絡(luò)能耗。（3）消除數(shù)據(jù)冗余:WSN中存在著大量的數(shù)據(jù)兀余，簇頭在將本簇的數(shù)據(jù)發(fā)送到基站之前可進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和壓縮操作以消除冗余，進(jìn)一步減少與慕站的通信量。（4）魯棒性:節(jié)點(diǎn)通過一種自組織的方式當(dāng)選為簇首，收集當(dāng)前簇內(nèi)信息并在融合后轉(zhuǎn)發(fā)給基站，把網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均勻的分布在整個網(wǎng)絡(luò)屮，大大降低了通信過程中的能量消耗，也增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的健壯性。（5）局部/全局優(yōu)化：與其他路由協(xié)議相

8、比，分簇算法不僅能夠?qū)植啃畔⑦M(jìn)行融合優(yōu)化，而口還能夠?qū)θ中畔⑦M(jìn)行優(yōu)化。（6）可擴(kuò)展性：分簇算法容易與其他路由算法相結(jié)合，從而提高路由算法的性能。3