很多人都認為，無線傳感器網絡的重要性可與因特網相媲美：正如因特網使得計算機能夠訪問各種數(shù)字信息而可以不管其保存在什么地方，傳感器網絡將能擴展人們與現(xiàn)實世界進行遠程交互的能力。它甚至被人稱為一種全新類型的計算機系統(tǒng)，這就是因為它區(qū)別于過去硬件的可到處散布的特點以及集體分析能力。然而從很多方面來說，現(xiàn)在的無線傳感器網絡就如同遠在1970年的因特網，那時因特網僅僅連接了不到200所大學和軍事實驗室，并且研究者還在試驗各種通訊協(xié)議和尋址方案。而現(xiàn)在，大多數(shù)傳感器網絡只連接了不到 100個節(jié)點，更多的節(jié)點以及通訊線路會使其變得十分復雜難纏而無法正常工作。

　　無線傳感器網絡所具有的眾多類型的傳感器，可探測包括地震、電磁、溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等周邊環(huán)境中多種多樣的現(xiàn)象?；?a href="http://m.xsypw.cn/v/tag/7888/" target="_blank">MEMS的微傳感技術和無線聯(lián)網技術為無線傳感器網絡賦予了廣闊的應用前景。這些潛在的應用領域可以歸納為：軍事、航空、反恐、防爆、救災、環(huán)境、醫(yī)療、保健、家居、工業(yè)、商業(yè)等領域。無線傳感器網絡是一種全新的信息獲取平臺，能夠實時監(jiān)測和采集網絡分布區(qū)域內的各種檢測對象的信息，并將這些信息發(fā)送到網關節(jié)點，以實現(xiàn)復雜的指定范圍內目標檢測與跟蹤，具有快速展開、抗毀性強等特點，有著廣闊的應用前景。

　　1 低功耗路由協(xié)議

　　1.1 LEACH協(xié)議

　　LEACH全稱是"低功耗自適應集簇分層型協(xié)議" （Low Energy Adaptive CluSTering Hierarchy）。該算法基本思想是：以循環(huán)的方式隨機選擇簇頭節(jié)點，將整個網絡的能量負載平均分配到每個傳感器節(jié)點中，從而達到降低網絡能源消耗、提高網絡整體生存時間的目的。仿真表明，與一般的平面多跳路由協(xié)議和靜態(tài)分層算法相比，LEACH可以將網絡生命周期延長15%.LEACH在運行過程中不斷的循環(huán)執(zhí)行簇的重構過程，每個簇重構過程可以用回合的概念來描述。每個回合可以分成兩個階段：簇的建立階段和傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定階段。為了節(jié)省資源開銷，穩(wěn)定階段的持續(xù)時間要大于建立階段的持續(xù)時間。簇的建立過程可分成4個階段：簇頭節(jié)點的選擇、簇頭節(jié)點的廣播、簇頭節(jié)點的建立和調度機制的生成。

　　初始化階段即簇的形成階段。在每一輪的初始化階段，每個傳感器節(jié)點都要決定自己是否充當簇頭節(jié)點。這個決定主要取決于網絡中所需要的簇頭節(jié)點數(shù)（在初始化的時候設置）和迄今為止該節(jié)點已成為簇頭節(jié)點的次數(shù)。簇頭節(jié)點必須從那些沒有當過簇頭節(jié)點的節(jié)點中選擇，直到網絡中的所有節(jié)點都當過簇頭節(jié)點，然后再進行重新選舉，所有節(jié)點獲得再次成為簇頭的機會。簇頭節(jié)點的選擇辦法是：每個傳感器節(jié)點隨機選擇O~1之間的一個值，如果選定的值小于某一個閾值T（n），那么這個節(jié)點成為簇頭節(jié)點。T（n）值的計算方法如下：

???

?

　　其中，p是網絡中簇頭節(jié)點所占節(jié)點數(shù)目的百分比，r為當前的輪數(shù)，G是一個集合，集合中的節(jié)點是前1/p輪中沒有充當過簇頭節(jié)點的節(jié)點。使用這個門限，每個節(jié)點會在1/p輪操作內充當一次簇頭節(jié)點，符號mod是求模運算符號。

　　在第O輪的時候（r=0），每個節(jié)點充當簇頭節(jié)點的概率為p,在第O輪充當簇頭節(jié)點的節(jié)點在后面1/p輪中不能再次充當簇頭節(jié)點。這樣，剩下的節(jié)點的數(shù)目變少了，所以能夠充當簇頭節(jié)點的概率必須增加才能保證每一輪中的簇的個數(shù)保持均衡。在經過1/p一1輪以后，T=1,此時對于任何一個在過去的1/p中還沒有做過簇頭節(jié)點的節(jié)點，都可以成為簇頭節(jié)點，因為所有節(jié)點的標志值都在0~1之問。經過1/p輪之后，所有節(jié)點又可以重新充當簇頭節(jié)點了。

　　一旦簇頭節(jié)點被選定，它們就使用相同的能量向網絡中的其他節(jié)點廣播一個廣告包。在這個過程中，其他非簇頭節(jié)點的接收機一直處于工作狀態(tài)，以便接收來自不同簇頭的廣告包，它們根據(jù)最小通信能量原則，選取信號最強的廣告包的發(fā)送源節(jié)點作為自己的簇頭節(jié)點，并發(fā)送消息給其簇頭節(jié)點，告訴簇頭節(jié)點自己已經加入該簇。

　　當簇頭節(jié)點收到了來自成員節(jié)點的"報道"消息后，根據(jù)成員節(jié)點的數(shù)目，產生一個TDMA的時隙表，告訴成員在什么時刻可以發(fā)送數(shù)據(jù)。這個表會通過廣播到達成員節(jié)點，由于形成了簇的結構，成員節(jié)點只與自己的簇頭節(jié)點通信，如果收到來自其他節(jié)點的消息，會自動屏蔽掉。因此不用擔心簇頭節(jié)點的時隙表被其他簇的成員錯誤接收。當網絡中的簇已經形成，而且TD-MA時隙表也確定下來，就開始了數(shù)據(jù)傳送。成員節(jié)點只能在TDMA時隙表為其分配的時隙內與簇頭節(jié)點進行通信。假設傳感器節(jié)點總是有數(shù)據(jù)要發(fā)送，在屬于自己的時隙里，成員節(jié)點會把數(shù)據(jù)發(fā)送給自己的簇頭節(jié)點。在發(fā)送階段，在自己的時隙沒有到來的時候成員節(jié)點可以關閉自己的收發(fā)機以節(jié)省能量。而簇頭節(jié)點必須一直使自己的接收機處于開啟狀態(tài)，用于接收來自不同成員節(jié)點的數(shù)據(jù)。當一輪的數(shù)據(jù)傳輸完畢后，簇頭節(jié)點會進行必要的數(shù)據(jù)融合處理，將多個數(shù)據(jù)融合成一個數(shù)據(jù)，然后發(fā)送給基站。持續(xù)一段時間以后，網絡開始進入下一輪的工作周期。

　　LEACH協(xié)議運用了數(shù)據(jù)壓縮技術和分層動態(tài)路由技術，通過本地的聯(lián)合工作來提高網絡的可擴展性和魯棒性，通過數(shù)據(jù)融合來減少發(fā)送的數(shù)據(jù)量，通過隨機選擇簇頭節(jié)點來達到網絡內部負載均衡的目的，進而大大節(jié)約了能量。

　　盡管LEACH協(xié)議具備以上優(yōu)點，但也存在一些不足之處。

　?。?）由于LEACH算法假定所有節(jié)點能夠與匯聚節(jié)點直接通信，并且每個節(jié)點都具備支持不同MAC協(xié)議的計算能力，因此該協(xié)議不適合在大規(guī)模的無線傳感器網絡中應用。

　　（2）LEACH算法是讓網絡中自組織的形成簇，由于簇頭節(jié)點是隨機產生的，這樣無法保證簇頭節(jié)點的合理分布。因此，很有可能出現(xiàn)被選擇的簇頭節(jié)點集中在網絡中某一區(qū)域的現(xiàn)象，這樣就會使得一些節(jié)點的周圍沒有任何簇。

　　（3）LEACH算法忽略了被選簇頭在網絡內的分布狀態(tài)和節(jié)點間不同的通信距離而導致的節(jié)點能量損耗的不平衡。

　　1.2 PEGASIS協(xié)議

　　該協(xié)議是LEACH的改進，思想是：為了延長網絡的生命周期，節(jié)點只需要和她們最近的鄰居之間進行通信。節(jié)點與匯聚點間的通信過程是輪流進行的，當所有節(jié)點都與匯聚點通信后，節(jié)點間再進行新一回合的輪流進行的。由于這種輪流通信機制使得能量消耗能夠統(tǒng)一的分布到每個節(jié)點上，因此降低了整個傳輸所需要消耗的能量。不同于LEACH的多蔟結構，PEGASIS（Power-Efficient GAthering in Sensor InformatiON Systems）協(xié)議在傳感器節(jié)點中采用鏈式結構進行鏈接。運行PEGASIS協(xié)議時每個節(jié)點首先利用信號的強度來衡量其所有鄰居節(jié)點距離的遠近，在確定其最近鄰居的同時調整發(fā)送信號的強度以便只有這個鄰居能夠聽到。其次，鏈中每個節(jié)點向鄰居節(jié)點發(fā)送忽然接受數(shù)據(jù)，并且只選擇一個節(jié)點作為鏈首向匯聚節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)。采集到的數(shù)據(jù)以點對點的方式傳遞、融合，并最終被送到匯聚節(jié)點

　　在PEGASIS算法中，"鏈"的形成過程是整個通信的關鍵。"鏈"的形成采用的方法是：節(jié)點發(fā)送能量遞減的測試信號通過監(jiān)測應答來確定離自己最近的相鄰節(jié)點。通過這種方式，網絡中的所有節(jié)點能夠了解彼此的位置關系，找到自己的鄰居節(jié)點，每一輪通信中節(jié)點只需要與自己的鄰居節(jié)點進行通信。為確保每個節(jié)點都有其相鄰節(jié)點，從離基站最遠的節(jié)點開始構建，鏈中鄰居節(jié)點的距離會逐漸增大，因為已經在鏈中的節(jié)點不能被再次訪問。依次下去，最終形成一條包含網絡中所有節(jié)點的鏈。

　　當節(jié)點鏈形成并且選舉出領導節(jié)點后，就開始了數(shù)據(jù)傳輸過程。PEGASIS中的數(shù)據(jù)傳輸使用Token（令牌）機制，如圖1所示。Token很小，故能耗較少。在一輪通信中，領導節(jié)點用Token控制數(shù)據(jù)從鏈尾開始傳輸。圖中，C2為領導節(jié)點，將Token沿著鏈傳給C0,Co傳數(shù)據(jù)給C1,C1將C0數(shù)據(jù)和自身數(shù)據(jù)進行融合后形成一個相同長度的數(shù)據(jù)包，再傳給C2.然后，C2將Token傳給C4,C2以相同的方式接收來自C3,C4的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)在C2處進行融合后，發(fā)給基站。

?

?
　　PEGASIS是在LEACH基礎上建立的路由協(xié)議，PEGASIS比LEACH節(jié)省能量主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

　?。?）在本地數(shù)據(jù)聚合階段，PEGASIS算法中每個節(jié)點只與離自己最近的鄰居節(jié)點進行通信，而不是像LEACH算法一樣需要與簇頭節(jié)點進行通信，PEGAS-IS算法大大減小了每輪通信中每個節(jié)點的通信距離，從而降低了每個節(jié)點在每一輪通信中所消耗的能量。

　　（2）LEACH算法中，一個簇頭要接收多個簇成員節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，而PEGASIS算法中，一個領導節(jié)點最多只需要接收2個節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)包。

　?。?）在每一輪通信中，PEGASIS算法只有1個領導節(jié)點與基站通信，而LEACH中則有多個簇頭節(jié)點與基站通信。PEGASIS也存在一些不足之處：節(jié)點維護位置信息（相當于傳統(tǒng)網絡的拓撲信息）需要額外的資源，在網絡全局信息比較難以獲得的情況下就不合適了，而且領導節(jié)點的惟一性使得其成為整個通信過程的瓶頸。

　　2 其他典型路由協(xié)議

　　路由器提供了異構網互聯(lián)的機制，實現(xiàn)將一個網絡的數(shù)據(jù)包發(fā)送到另一個網絡。而路由就是指導IP數(shù)據(jù)包發(fā)送的路徑信息。路由協(xié)議就是在路由指導IP數(shù)據(jù)包發(fā)送過程中事先約定好的規(guī)定和標準。路由協(xié)議通過在路由器之間共享路由信息來支持可路由協(xié)議。路由信息在相鄰路由器之間傳遞，確保所有路由器知道到其它路由器的路徑?？傊?，路由協(xié)議創(chuàng)建了路由表，描述了網絡拓撲結構；路由協(xié)議與路由器協(xié)同工作，執(zhí)行路由選擇和數(shù)據(jù)包轉發(fā)功能。

　　2.1 SPIN協(xié)議

　　SPIN協(xié)議的設計思想是：每個節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)前通過協(xié)商來確定其他節(jié)點是否需要該數(shù)據(jù)；同時，節(jié)點通過"元數(shù)據(jù)"確定接收數(shù)據(jù)中是否有重復信息存在。節(jié)點通過3種消息進行通信：ADV（數(shù)據(jù)描述），REQ（數(shù)據(jù)請求）和DATA（數(shù)據(jù)）。源節(jié)點在傳送DATA信息之前，首先向相鄰節(jié)點廣播包含DATA數(shù)據(jù)描述機制的ADV信息，需要該DATA信息的鄰節(jié)點向信息源發(fā)送REQ請求信息，源節(jié)點在收到REQ信息后，有選擇地將DATA信息發(fā)送給相應的鄰節(jié)點。收到DATA后，該鄰節(jié)點可以作為信息源，按照前述過程將DATA信息繼續(xù)傳播到網絡中的其他節(jié)點。該協(xié)議的優(yōu)點是：ADV消息減輕了內爆問題；通過數(shù)據(jù)命名解決了交疊問題；節(jié)點根據(jù)自身資源和應用信息決定是否進行ADV通告，避免了資源利用盲目的問題，進而有效地節(jié)約了能量。其缺陷是：當產生或收到數(shù)據(jù)的節(jié)點的所有鄰節(jié)點均不需要該數(shù)據(jù)時，將導致數(shù)據(jù)不能繼續(xù)轉發(fā)，會使較遠節(jié)點無法得到數(shù)據(jù)。

　　2.2 DD協(xié)議

　　DD（Directed Diffusion）是Estrin等人專為無線傳感器網絡設計的路由協(xié)議。匯聚節(jié)點將查詢任務封裝成興趣消息（interest）的形式，采用洪泛方式傳播興趣消息到其他節(jié)點，興趣消息用來表達用戶對監(jiān)測區(qū)域內感興趣的信息。在興趣消息的傳播過程中，協(xié)議逐跳地在每個節(jié)點上建立反向的從數(shù)據(jù)源到匯聚節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸梯度。節(jié)點將采集到的數(shù)據(jù)沿著梯度方向傳送到匯聚節(jié)點。定向擴散的最大特點是引入網絡梯度的概念，其優(yōu)勢在于擴散過程能夠將按照經驗選取的較優(yōu)路徑緩存以實現(xiàn)節(jié)能，并且提高節(jié)點間的有效性、魯棒性和協(xié)作的可擴展性。

　　2.3 GEAR協(xié)議

　　GEAR是一種典型的地理位置路由協(xié)議。該算法的提出基于以下思想：在傳感器網絡中向適當區(qū)域發(fā)送查詢時，此查詢數(shù)據(jù)中包含了位置屬性信息，因此，可以利用這一信息將在整個網絡中擴散的信息傳送到適當?shù)奈恢脜^(qū)域中。該算法引入了預估費用（estimated cost）和學習費用（1earning cost），通過比較兩者值的大小來選取更接近匯聚節(jié)點的傳感器節(jié)點作為下一跳。GEAR利用能量和地理信息作為啟發(fā)式選擇路徑向目標區(qū)域傳送數(shù)據(jù)，它是在DD的基礎上提出的，但由于GEAR只考慮向某個特定區(qū)域發(fā)送興趣，而不是像DD那樣發(fā)布到整個網絡，因此，GEAR相對DD更加節(jié)省能量。

　　2.4 SAR協(xié)議

　　SAR（Sequential Assignment Routing）協(xié)議是一個典型的具有QoS意識的路由協(xié)議。該協(xié)議通過構建以匯聚節(jié)點的單跳鄰節(jié)點為根節(jié)點的多播樹來實現(xiàn)傳感器節(jié)點到匯聚節(jié)點的多跳路徑，即匯聚節(jié)點的所有下一跳鄰節(jié)點都以自己為根創(chuàng)建生成樹，在創(chuàng)建生成樹過程中考慮節(jié)點的時延，丟包率等QoS參數(shù)以及最大數(shù)據(jù)傳輸能力，這樣就反向建立了到匯聚節(jié)點的具有不同QoS參數(shù)的多條路徑。SAR的一個突出優(yōu)點是綜合考慮了能效和QoS,仿真結果表明，與只考慮路徑能量消耗的最小能量度量協(xié)議相比，SAR的能量消耗較少。

　　3 路由協(xié)議對比分析

　　節(jié)能是無線傳感器網絡最重要的特征，因而高效地利用能量是無限傳感器網絡路由協(xié)議設計的根本出發(fā)點。LEACH和PEGASIS具備很好的節(jié)能策略，SPIN,DD,GEAR,SAR也分別具備相應的節(jié)能策略。但是，無線傳感器網絡與應用高度相關，所以路由協(xié)議在節(jié)能的前提下還要滿足以下方面的性能要求：以數(shù)據(jù)為中心、支持數(shù)據(jù)融合、基于節(jié)點定位、具有可擴展性、魯棒性、提供QoS支持等。依據(jù)上述性能指標，對描述的路由協(xié)議特點進行對比的結果如表1所示。

?

　　4 結 語

　　深入分析了低功耗路由協(xié)議LEACH及PEGAS-IS,希望能對以后LEACH及PEGASIS協(xié)議的改進起到一定的推動作用。在綜合所述的路由協(xié)議基礎之上，總結出以下幾種無線傳感器網絡路由協(xié)議能量優(yōu)化方法：

　?。?）數(shù)據(jù)融合。節(jié)點通過對數(shù)據(jù)進行融合，降低網絡開銷，節(jié)省能量。

　　（2）數(shù)據(jù)命名。數(shù)據(jù)命名機制能高度搜索用戶所需數(shù)據(jù)，避免數(shù)據(jù)在網絡中的重復發(fā)送，降低了網絡開銷。

　?。?）局部協(xié)商技術。協(xié)商技術能夠有效地避免由于節(jié)點間重復地收發(fā)大量冗余信息所造成的能量浪費。

　?。?）隨機路由選擇。路由協(xié)議支持到目的地的低開銷多種路由會使網絡負載趨于平衡，延長網絡壽命。除了能量高效，無線傳感器網絡路由協(xié)議還存在一些挑戰(zhàn)，如QoS和帶寬的高效利用，在能量有效性的前提下提供對節(jié)點移動的支持，網絡安全問題等。這些問題將在以后的工作中繼續(xù)深入研究。

?