無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其發(fā)展

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于降低能耗的路由協(xié)議摘要：傳感器節(jié)點的能量有限性，使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的路由設(shè)計成為一個具有挑戰(zhàn)性的問題。本文指出傳感器節(jié)點主要能量消耗原因，并介紹了為降低能量消耗的基于功率控制的機會路由協(xié)議和基于能量迭代的非均勻分簇路由算法兩種方法。關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)機會路由非均勻分簇?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)是大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，目的是協(xié)作地探測、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)感知對象的監(jiān)測信息，并報告給用戶。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要有采集、處理和傳輸三種功能，通常由傳感模塊、計算模塊、通信模塊、存儲模塊、電源模塊和嵌入式軟件系統(tǒng)組成，具有自組織性、以數(shù)據(jù)為中心、應(yīng)用相關(guān)性、動態(tài)性、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大和可靠性的特點［1］。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展得益于微機電系統(tǒng)、片上系統(tǒng)、無線通信和低功耗嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，廣泛應(yīng)用于軍事、智能交通、環(huán)境監(jiān)控、醫(yī)療衛(wèi)生等多個領(lǐng)域。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)它的末梢是可以感知和檢查外部世界的傳感器，傳感器節(jié)點在實現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和應(yīng)用系統(tǒng)時，存在電源能量、通信能力、計算和存儲能力等方面的限制和約束，其中最突出的約束就是電源能量帶來的約束。傳感器節(jié)點體積小、通常攜帶能量有限的電池；數(shù)量多、分布廣，且部署區(qū)域環(huán)境復(fù)雜。以上種種原因?qū)е聜鞲衅鞴?jié)點通過人工更換電池來補充能源是不現(xiàn)實的。因此在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究中，能效問題一直是熱點問題。傳感器節(jié)點的狀態(tài)包括活動狀態(tài)、偵聽狀態(tài)和睡眠狀態(tài)。進(jìn)入活動狀態(tài)，節(jié)點需要執(zhí)行處理、感知和通信三種任務(wù)，感知單元、處理單元和通信單元上電，傳感器節(jié)點開始正常工作。偵聽狀態(tài)是傳感器節(jié)點被布設(shè)后的初始狀態(tài)，此時僅通信單元處于上電模式，感知和處理單元都被關(guān)閉，直到從簇頭接收到消息，才會轉(zhuǎn)換為其他狀態(tài)。在睡眠狀態(tài)中，不執(zhí)行任何任務(wù)，傳感器節(jié)點會關(guān)閉大部分功能單元，只有傳感器的傳輸模塊處于上電狀態(tài)，以便對接收到的報文及時做出響應(yīng)［2］。單位時間內(nèi)節(jié)點三種狀態(tài)消耗的能量依次減少，活動狀態(tài)消耗能量最多，睡眠狀態(tài)消耗能量最少。因此，為了使傳感器節(jié)點的生命周期最大化，應(yīng)提高傳感器節(jié)點傳輸可靠性，避免大量的數(shù)據(jù)重傳，合理選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點和路徑，縮短節(jié)點處于活動狀態(tài)的時間，在大部分時間里處于睡眠模式。以下是兩種針對降低能耗而提出的路由協(xié)議。1.基于功率控制的機會路由協(xié)議機會路由充分利用無線網(wǎng)絡(luò)的廣播特性進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸［3］。轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點選擇的多樣性使得機會路由可以更好的適用于能源有限且鏈路質(zhì)量較弱的網(wǎng)絡(luò)場景中，并且可以提高數(shù)據(jù)包傳輸?shù)目煽啃?，減少重傳引起的能源消耗。從源節(jié)點到目的節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包并不是按一條固定的最佳路徑傳輸，每次轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包并不是單播給某一個節(jié)點，而是充分利用無線網(wǎng)絡(luò)的廣播傳輸特性，每次數(shù)據(jù)包都轉(zhuǎn)發(fā)給一組節(jié)點，這些節(jié)點根據(jù)它們到目的節(jié)點的度量來確定優(yōu)先級，選擇優(yōu)先級最高的節(jié)點再次轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包給另外一組節(jié)點，如此重復(fù)直到目的節(jié)點。路由度量的選擇是機會路由中候選節(jié)點選擇算法的關(guān)鍵因素。在機會路由中，源節(jié)點發(fā)出的數(shù)據(jù)包可以隨機地被多個候選節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)，且路由決策是在候選節(jié)點接收到數(shù)據(jù)包后根據(jù)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)信息進(jìn)行的，不受之前節(jié)點的影響，直到達(dá)到目的節(jié)點。這種數(shù)據(jù)傳輸?shù)男袨榫哂幸欢ǖ臒o后效性，因此基于功率控制的機會路由協(xié)議利用吸收態(tài)馬爾科夫鏈，來建模機會路由中數(shù)據(jù)的傳輸過程，并給出影響候選節(jié)點選擇的兩個關(guān)鍵路由度量：期望傳輸次數(shù)與期望能量消耗[4],確定節(jié)點優(yōu)先級。在與其它幾種典型機會路由對比分析之后，基于功率控制的機會路由協(xié)議在取得較好網(wǎng)絡(luò)性能的同時，能夠顯著降低傳感器節(jié)點的能量消耗，有效延長網(wǎng)絡(luò)的生存周期。2.基于能量迭代的非均勻分簇路由算法在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點通常采用多跳的方式將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到匯聚節(jié)點，離匯聚節(jié)點較近的節(jié)點不但要發(fā)送自身采集的數(shù)據(jù)，還要承擔(dān)節(jié)點的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，能量消耗較快，最終會導(dǎo)致匯聚節(jié)點周圍的節(jié)點過早耗盡自身能量，形成“能量空洞”區(qū)域，進(jìn)而使遠(yuǎn)離匯聚節(jié)點的數(shù)據(jù)不能傳送給匯聚節(jié)點。目前層次路由協(xié)議是解決能量空洞問題的主要方法，主要分為隨機分簇、均勻分簇和非均勻分簇。在非均勻分簇路由協(xié)議中，靠近匯聚節(jié)點的簇規(guī)模小于遠(yuǎn)離匯聚節(jié)點的簇規(guī)模，從而減少靠近匯聚節(jié)點的簇頭處理簇內(nèi)數(shù)據(jù)所消耗的能量，為簇間通信預(yù)留能量，避免了長距離數(shù)據(jù)傳輸造成的能量浪費，一定程度上解決了匯聚節(jié)點附近的簇頭節(jié)點由于過多轉(zhuǎn)發(fā)而造成的“熱點”問題。該協(xié)議有效解決了多跳通信方式下能量消耗不均衡的問題，優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的能量消耗，顯著延長了網(wǎng)絡(luò)的存活時間?；谀芰康臒o線傳感器網(wǎng)絡(luò)非均勻分簇路由算法，相比其他算法，在簇頭選舉時減少了選簇頭過程中的迭代次數(shù)，從而降低了選簇環(huán)節(jié)的能量消耗，同時，在選舉簇頭的過程中考慮了節(jié)點能耗速度、節(jié)點到匯聚節(jié)點的距離，實現(xiàn)最優(yōu)簇頭選舉，避免簇頭節(jié)點過早死亡，能有效避免“能量空洞”現(xiàn)象。在成簇上，考慮了節(jié)點到匯聚節(jié)點距離和節(jié)點密度，提出了非均勻分簇方法，使生成的簇更加合理⑸。通過了解以上兩種基于降低能耗而設(shè)計改進(jìn)的路由協(xié)議，可以看出能源利用問題在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的重要研究地位，以及路由協(xié)議對節(jié)點能耗的直接影響。兩種協(xié)議均有利有弊，可以在不同的著重條件下?lián)駜?yōu)運用?；诠β士刂频臋C會路由協(xié)議，在傳統(tǒng)充分利用廣播性的機會路由協(xié)議基礎(chǔ)之上，通過馬爾科夫鏈建模，給出了兩種新的路由度量，使度量更加合理化并且降低了計算復(fù)雜度，最終進(jìn)一步給出了具體執(zhí)行過程。該路由協(xié)議的改進(jìn)很完整、靈活性好、整體性強，可以直接仿真實現(xiàn)，并驗證了其提升網(wǎng)絡(luò)性能、降低能耗的功能。但沒有將數(shù)據(jù)重傳次數(shù)考慮進(jìn)去，重傳會消耗不必要的能量；以及沒有考慮節(jié)點的空間分布，僅僅考慮到了數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點和路徑選擇。基于能量迭代的非均勻分簇路由算法，降低了選擇簇頭的迭代次數(shù)，并在選擇時考慮到了節(jié)點剩余能量，很大程度上避免出現(xiàn)“能量空洞”現(xiàn)象?？紤]到節(jié)點分布和節(jié)點密度，采用非均勻分簇路由算法來均衡網(wǎng)絡(luò)能耗?？紤]節(jié)點的選擇和節(jié)點的分布，但是沒有考慮是否有更優(yōu)的路徑，能提高整個網(wǎng)絡(luò)的能源利用，還是太注重節(jié)點自身，沒有以網(wǎng)絡(luò)為整體去優(yōu)化。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)和計算機技術(shù)共同構(gòu)成信息技術(shù)的三大支柱。很多人都認(rèn)為，這項技術(shù)的重要性可與因特網(wǎng)相媲美，傳感器網(wǎng)絡(luò)將能擴展人們與現(xiàn)實世界進(jìn)行遠(yuǎn)程交互的能力。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展令人期待，21世紀(jì)的我們將會是這項技術(shù)發(fā)展的實踐者與見證者。參考文獻(xiàn)[1]崔遜學(xué)，左從菊.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡明教程(第2版)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2015:3-16.⑵劉偉，胡安林.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋率與節(jié)能性研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016.42(6):98-104.BiswasS,MorrisR.Opportunisticroutinginmulti-hopwirelessnetworks[J].ACMSigcommCom