基于能量的无线传感器网络高效路由算法分析

彭易波，刘安丰，赵 军

1.中南大学软件学院，湖南长沙 410083

2.湖南文理学院计算机学院，湖南常德 415000

基于能量的无线传感器网络高效路由算法分析

彭易波1,2，刘安丰1，赵 军1

1.中南大学软件学院，湖南长沙 410083

2.湖南文理学院计算机学院，湖南常德 415000

无线传感器网络节点能量有限，如何提高节点能耗效率降低能耗开销是传感器设计中的首要考虑的问题。本文分析了无线传感器的体系结构，并从路由协议入手，分析了几种典型的路由算法，阐述了算法能量高效的思想。

无线传感器；能量；协议；算法

随着微电子技术、无线通信技术、计算机网络技术和传感器技术的飞速发展，无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)成为近年来信息技术领域的一个研究热点，国内外许多高校和科研机构都对其展开了研究。

无线传感器网络是由大量低成本、低功耗体积微小的传感器节点组成，它们被部署在监测区域内，通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络。其目的是监测、采集、处理网络覆盖区域内的数据，通过传感器节点间的协作将信息发给观察者。

由于传感器节点体积小、成本低、可直接部署在监控区域等诸多特点，无线传感器网络的应用范围非常广泛，可用于军事应用、工业监控、环境监测、医疗监护、智能家居、仓库管理、交通控制等方面，具有广阔的市场应用前景，因而该技术被称为21世纪最重要和最有影响的技术之一。

1 无线传感器网络与无线传感器节点

1.1 无线传感器网络的结构

无线传感器网络结构通常由无线传感器节点(Sensor node)、汇聚节点(Sink)、互联网或者通信卫星、管理节点等部分组成。大量无线传感器节点被随机部署在监测区域，传感器节点间通过自组织的方式形成网络，每个节点既可以采集数据，又可以处理数据。单个传感器节点采集到的数据通过“多跳”的方式将数据传递到汇聚节点，汇聚节点通过互联网或者通信卫星到达管理节点传递给观察者，实现观察者和传感器之间的通信。

1.2 无线传感器网络的主要特点

1）低功耗、低成本、体积小、集成度高。相对于传统的传感器网络节点来说，当前的无线传感器节点更强调传感器节点的低功率、低成本、微型化和高集成度等特点。虽然目前一些商用的传感器节点的指标还未达到要求，但却代表了今后的发展方向。

2）节点数量多，分布范围广。由于无线传感器节点间传递数据的距离有限，所以在监测区域内需要布置大量的节点。通过这些节点的部署，可以获得区域内比较完整的信息或者同一区域内的多维信息，这些信息经过处理后，可以提高信息获取的准确度。

3）自组织网络。由于传感器节点通常采用随机部署，其节点位置和相邻位置不能预先确定，而且节点可能由于能量耗尽或者其他因素导致失效，再加之一些节点可能由于移动以及采用（休眠调度）机制导致网络节点处于动态变化之中，所以无线传感器网络为适应这些变化，只能采用自组织网络形式。

4）传感器节点能量有限。无线传感器节点的能量一般由能量有限的电池提供，而且不可更换。由于传感器节点一般都是随机部署在特殊环境当中，体积微小，电源能量有限，而一旦大部分无线传感器网络节点中的电池能量消耗完，传感器网络就会瘫痪，无法正常工作。

5）使用数据融合的技术。在传统的传输网络(如Internet)中，网络层提供点到点的报文转发以实现数据的分组传输，数据传输完成后，数据会完整的从源节点传递到目的地点。而无线传感器网络不同，它只是为了采集到感知区域的有效信息，数据在逐次传输的过程中会被不断的修改融合，只需有效数据汇集到Sink节点，用以减少数据传递过程中的能量消耗，以延长节点和传感器网络的生存期。

1.3 无线传感器节点的结构

典型的无线传感器节点通常包括数据采集模块、数据处理模块、无线通信模块和供电模块等。数据采集模块主要负责监控区域内数据的采集；数据处理模块主要负责存储和处理本节点采集到的数据和其它节点发来的数据；无线通信模块主要负责与其它节点通信；供电模块负责为其它模块提供电能，保证其正常工作。当然，不同的应用场合，可能包含其它部件，如移动器等。

2 无线传感器网络能量分析

无线传感器网络跟传统的无线通信网络（如蜂窝移动网和MANET，移动自组网）不同，传统的无线网络节点的能量可以很方便的通过基站或者其它设备供给，所以研究重点在于如何提高通信的服务质量(QoS)上。而无线传感器网络是一种无基础设施的网络，其节点能量有限，不可补充，所以如何提高无线传感器网络的能量效率成为了研究传感器网络的重点之一。

无线传感器网络由许多个结构相同或者相似的节点组成，每个节点包含数据采集、数据处理、无线通信、电源供应4个模块。实验数据表明，数据采集和数据处理所消耗的能量都很低，绝大部分能量消耗在无线通信模块。无线通信模块有4种状态，即发送、接受、空闲和睡眠状态。空闲状态是指无线传感器在无线信道中，既不发送也不接受信息。睡眠状态指无线传感器处于不工作状态。在4种状态中，发送状态能量消耗最大，空闲状态和接受状态相当，略小于发送状态，在睡眠状态下，能量最小。

提高无线传感器网络的生命周期，就必须提高其能量的利用效率，而提高能量使用效率在于设计良好的高效的路由协议，降低数据发送和传输过程中的能耗，提高传感器节点的能量利用率，从而提高整个无线传感器网络的生命周期。

3 无线传感器路由协议分类

无线传感器路由协议解决的是数据的传输，是无线传感器网络的核心，路由协议的性能决定了整个网络的性能。从功能上来讲，无线传感器路由协议的主要设计目标是在满足应用需求的同时尽量降低网络开销，提高节点和整个网络的使用寿命。

根据目前典型的协议，可以将无线传感器的路由协议划分为两大类：一是以数据为中心的路由协议；一是基于分簇的路由协议。

3.1 以数据为中心的路由协议

以数据为中心的路由协议，是专门为无线传感器网络设计的，它以感知到的数据的属性命名，对相同属性的数据在传输过程中进行融合，减少无线传感器网络中荣誉数据的传输。这类协议是最早、最有影响力的一类协议。这类协议上比较典型的算法有两种。一类是基于信息协商的路由算法(SPIN,Sensor Protocol for Information Negotiation)，另一类是定向扩散路由算法(DD,Directed Diffusion)。

3.1.1 SIPN路由算法

SIPN路由协议是一种以数据为中心的自适应路由协议，它根据相邻节点感知的相似数据，通过过网络节点间协商的方式过滤掉了传输过程中的冗余数据，从而减少了数据传输(包含发送和接受)过程中的能量消耗。

SPIN协议通过节点间的协商，很好的解决了数据的内爆和重叠问题，而且不需要了解网络拓扑结构的路由协议，几乎不受网络拓扑结构变化的影响，因而也适合在节点可以移动的无线传感器网络中使用。

3.1.2 DD算法

定向扩散协议算法(DD,Directed Diffusion)是一种基于查询的路由算法，是有别于传统路由算法的一种基于数据相关的路由算法。在传感器网络，Sink节点(汇聚节点)周期地通过广播的方式播撒一种称为“兴趣”的数据，告诉网络中节点它需要收集什么样的信息，在播撒“兴趣”信息的同时，也建立起来了普通节点到Sink节点的路径。Sink节点在所有的路由线路中，选择一条作为最优路径，后续的数据就沿着这条路径进行信息的传输，从而避免了节点数据的重复传递，能够有效的节省节点的能量，减轻无线信道的负荷，提高节点间带宽的利用率。

DD算法通过广播“兴趣” 信息的方式建立起传感器节点到Sink节点的路由，需要利用Sink节点完成对普通节点的查询，因而不适合用于大规模的传感器网络和拓扑结构频繁变化的传感器网络。

3.2 基于分簇的路由协议

基于分簇的路由协议的路由协议实际上是一种层次结构的路由协议，整个网络被划分为许多簇，每个簇都有一个簇头和多个簇成员。这些簇头间形成高一级网络，它们直接跟Sink节点通信。簇头负责本簇内簇成员节点的管理，并负责簇内节点数据的收集和融合，同时还负责簇间数据的转发。分簇路由的特点是扩展性好，可适用于大规模的无线传感器网络。典型的基于分簇协议的算法有LEACH和PEGASIS

3.2.1 LEACH算法

LEACH (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy)算法是MIT的Chandrakasan等人提出的基于WSN的低功耗自适应路由算法，其基本思想是传感器网络以循环的方式随机选择簇头，将网络能量负载平衡到每一个传感器节点当中。非簇头节点以就近原则加入相应簇头，非簇头节点将采集到的数据直接发给簇头，再由簇头节点将接受到的数据进行融合后转发给Sink节点，从而达到减少传输数据量，降低网络能耗，提高网络整体生存时间的目的。

LEACH算法平衡了节点的能量负载，提高了网络的生存周期，但是它无法保证簇头节点能覆盖整个网络，即有可能出现簇头节点集中出现在某个区域，某些区域不存在簇头节点，从而导致部分区域无法被无线网络覆盖。

3.2.2 PEGASIS算法

PEGASIS (Power-Efficient Gathering in Sensor Information System)算法是对LEACH算法的优化，为了避免频繁选举簇头的通信开销，PEGASIS将所有节点连成一条链，链中只有一个节点充当簇头，而且簇头节点在链中顺序游走，实现节点的能耗平衡。每当有传感器节点电源耗尽，链就更新一次，从而保证了网络的覆盖和能耗的减少。

4 结论

无线传感器网络是个能量有限的无线网络，其设计过程中首先要考虑的是生命周期的问题。如何延长传感器网络的使用寿命，降低网络节点开销，提高节点能量效率是传感器网络部署的重点。除了上述借助高效的路由协议算法外，还应该考虑设计出高效低耗的电源或者可反复使用的电源（如光能电源等），这样就可以从根本上解决无线传感器网络能量有限的问题。

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1674-6708（2010）18-0116-02