摘  要： 主要分析了LEACH協(xié)議、EEUC協(xié)議、DEBUC協(xié)議。其中DEBUC協(xié)議是對EEUC協(xié)議的改進(jìn)。這3個(gè)協(xié)議各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況來選擇合適的協(xié)議。這些協(xié)議的實(shí)現(xiàn)過程可以分為初始化階段和數(shù)據(jù)傳輸階段。各個(gè)協(xié)議的兩個(gè)階段的實(shí)現(xiàn)過程都有很大的差異。簡述了PEGASIS協(xié)議，它是在LEACH的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的基于“鏈”的路由算法。這些協(xié)議是研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。

　　關(guān)鍵詞： WSN路由協(xié)議；簇頭；初始化階段；數(shù)據(jù)傳輸階段

　　WSN(Wireless Sensor Network)是由部署在檢測區(qū)域內(nèi)的成百上千個(gè)低成本、低功耗、小尺寸、多功能的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的單跳或多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。WSN被廣泛地應(yīng)用于軍事、商業(yè)、醫(yī)療救護(hù)和環(huán)境監(jiān)測等多方面。

　　根據(jù)節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以分為平面路由協(xié)議和層次路由協(xié)議[1]。

　　平面路由協(xié)議簡單，健壯性很好，但它的可擴(kuò)展性很差。層次路由協(xié)議一般分為初始化階段和數(shù)據(jù)傳輸階段。算法不同，而當(dāng)選的簇頭可能不同,而數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程基本一致。

　　1 均勻分簇路由協(xié)議——LEACH協(xié)議

　　在初始化階段[2-3]，每個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)0~1之間的隨機(jī)數(shù)，如果小于閾值[2-3]，則此節(jié)點(diǎn)便是簇頭，它就會(huì)向周圍節(jié)點(diǎn)廣播它是簇頭的消息。根據(jù)接收信號的強(qiáng)度，普通節(jié)點(diǎn)選擇其要加入的簇，并告知相應(yīng)的簇頭，此時(shí)所有的簇頭都必須處于接收狀態(tài)。當(dāng)簇頭接收到所有的加入信息后，就產(chǎn)生TDMA消息，通知本簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間。

　　在數(shù)據(jù)傳輸階段[2]，普通節(jié)點(diǎn)按照TDMA[4]時(shí)隙向簇頭發(fā)送數(shù)據(jù)。簇頭把接收到的數(shù)據(jù)融合之后再轉(zhuǎn)發(fā)給sink。一段時(shí)間后，重新選擇簇頭。

　　該協(xié)議隨機(jī)選舉簇頭避免了簇頭能量過早消耗完，延長了網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間，但數(shù)據(jù)傳送是采用單跳的方式，使得距sink較遠(yuǎn)的簇頭花費(fèi)能量很大，導(dǎo)致生存時(shí)間變短；頻繁地選舉簇頭也會(huì)消耗能量。為了節(jié)省資源開銷，數(shù)據(jù)傳輸階段的時(shí)間要長于初始化階段的時(shí)間。

　　2 非均勻分簇路由協(xié)議

　　2.1 EEUC協(xié)議

　　在初始化階段，sink向全網(wǎng)廣播一個(gè)信號，節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收信號的強(qiáng)度計(jì)算它到sink的距離。根據(jù)預(yù)先設(shè)置的概率閾值[5]，選出部分節(jié)點(diǎn)成為候選簇頭參與競爭，未參與競爭的節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài),直到競選過程結(jié)束。Si為任一候選簇頭，它到sink的距離為它的競爭半徑[6]，若Si獲勝，則在競爭半徑內(nèi)所有的候選簇頭均要退出競選。候選簇頭的競爭半徑隨著簇頭到sink距離的減小而減小。

　　在數(shù)據(jù)傳輸階段，普通節(jié)點(diǎn)將收集到的數(shù)據(jù)傳送給簇頭，簇頭進(jìn)行處理之后將數(shù)據(jù)以多跳的方式傳送到sink。

　　2.2 DEBUC協(xié)議

　　該協(xié)議采用基于時(shí)間的簇頭競爭算法。廣播時(shí)間取決于候選簇頭的剩余能量和其鄰居節(jié)點(diǎn)的剩余能量。距sink較近的候選簇頭競爭范圍較小，這樣這些簇頭在簇內(nèi)通信中消耗的能量較少，節(jié)省下來的能量用于簇間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。在數(shù)據(jù)傳輸階段，采用簇間多跳路由協(xié)議。

　　初始化階段，普通節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到sink發(fā)出信號的強(qiáng)弱計(jì)算其與sink的大概距離。首先設(shè)置一個(gè)門限值以控制候選簇頭的比例，同時(shí)也為每個(gè)候選簇頭設(shè)置一個(gè)競爭半徑[7],候選簇頭的競爭半徑正比于它與sink的距離。

　　候選簇頭廣播消息，而普通節(jié)點(diǎn)休眠，接收到消息的候選簇頭更新其鄰居節(jié)點(diǎn)信息表，候選簇頭依據(jù)自身的時(shí)間進(jìn)度廣播FINAL_HEAD_MSG[7]消息，宣布自己成為簇頭。簇頭選擇完成后，普通節(jié)點(diǎn)退出休眠，簇頭廣播消息，普通節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收信息的強(qiáng)弱加入最近的簇頭，并通知簇頭，中繼節(jié)點(diǎn)不具有數(shù)據(jù)融合的能力。首先簇頭廣播一條消息，如果鄰居簇頭到sink的距離較小，則簇頭計(jì)算與鄰居簇頭的大概距離，并建立一個(gè)鄰居簇頭信息表；簇頭運(yùn)用貪婪算法在其鄰居簇頭集合中選擇其中繼節(jié)點(diǎn)，如果簇頭的中繼節(jié)點(diǎn)是本身，則直接發(fā)送數(shù)據(jù)到sink，否則簇頭發(fā)送數(shù)據(jù)至中繼節(jié)點(diǎn)；當(dāng)每個(gè)簇頭都找到中繼節(jié)點(diǎn)，則簇間多跳路由建立。

　　在數(shù)據(jù)傳輸階段，簇頭先對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，然后將處理結(jié)果發(fā)送到sink。

　　隨著簇頭能量的減少，非均勻分簇路由協(xié)議的競爭半徑逐漸減小，這就需要重新成簇，能量減少的越多，成簇的簇?cái)?shù)就越多，所以在成簇的過程中，就需要消耗更多的能量，有的節(jié)點(diǎn)在成簇的過程中，會(huì)把剩余的能量消耗完。

　　3 PEGASIS協(xié)議

　　PEGASIS協(xié)議假定所有節(jié)點(diǎn)都具有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞娜种R，在建鏈階段[8-10]，首先從距離sink最遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)開始建鏈，這個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)貪婪算法尋找距自己最近的節(jié)點(diǎn)加入鏈，以此類推，所有的節(jié)點(diǎn)都按照這種方法加入鏈。在數(shù)據(jù)通信階段[8-9]，鏈上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)只與自己的鄰居節(jié)點(diǎn)通信，將收到的數(shù)據(jù)與自身數(shù)據(jù)融合后傳輸給下一跳的鄰居節(jié)點(diǎn)，一直傳送到鏈?zhǔn)坠?jié)點(diǎn)，最后由鏈?zhǔn)坠?jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳送給sink。

　　通過對以上典型路由算法的分析，可以發(fā)現(xiàn)仍然存在以下問題：

　　(1)在分簇階段，仍然要浪費(fèi)能量用來建立簇。

　　(2)許多協(xié)議都假設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)和sink不動(dòng)，一旦傳感器節(jié)點(diǎn)動(dòng)起來，這些協(xié)議就很有可能不再成立。

　　(3)非均勻分簇路由協(xié)議緩解了“熱區(qū)”，但隨著簇頭能量減少，競爭半徑減小，就需要網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是動(dòng)態(tài)的，以便很快地更新網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的更新要消耗更多能量來實(shí)現(xiàn)。

　　(4)非均勻分簇算法要求網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)最好是均勻分布的，如果在靠近sink的區(qū)域中傳感器節(jié)點(diǎn)分布的密度很大，而在遠(yuǎn)離sink的區(qū)域中傳感器節(jié)點(diǎn)的分布密度很小，那么靠近sink的簇頭仍然會(huì)形成“熱區(qū)”。這就需要有更好的協(xié)議來解決這樣的問題。

　　(5)多數(shù)協(xié)議在考慮傳感器節(jié)點(diǎn)失效退出網(wǎng)絡(luò)或者有新的節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)路時(shí),網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渥兓捎玫霓k法都是重新分簇。如果加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)很少，重新分簇浪費(fèi)的能量會(huì)很大，這就需要協(xié)議具有很高的容錯(cuò)性來應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渥兓?/p>

　　(6)隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越來越大，現(xiàn)階段的算法根本不能滿足超大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的要求，就需要提出一種多層分簇算法。在多層分簇算法中，如果層數(shù)很多，則可能會(huì)有一些節(jié)點(diǎn)在初始化階段就已經(jīng)把能量用完了；如果層數(shù)很少，則根本不能體現(xiàn)多層分簇算法的優(yōu)越性。所以在運(yùn)用分層算法時(shí)，需要考慮層數(shù)為多少時(shí)才是最合適的。

　　隨著WSN路由技術(shù)的發(fā)展，會(huì)有越來越多的新算法被提出，新算法應(yīng)該可以更好地應(yīng)對簇頭的負(fù)載平衡，盡量減小在簇的形成階段由于拓?fù)涠斐傻哪芰坷速M(fèi)。總之，WSN路由技術(shù)的研究離不開負(fù)載平衡、能量高效、網(wǎng)絡(luò)壽命等熱點(diǎn)問題。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 任豐原,黃海寧,林闖. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[J]. 軟件學(xué)報(bào),2003,14(7):1282-1291.

　　[2] 郭前崗,周德祥,周西峰.LEACH路由協(xié)議最優(yōu)簇頭數(shù)計(jì)算方法[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2013,32(3):61-66.

　　[3] HEINZELMAN W R, CHANDRAKASAN A, BALAKRISH-NAN H[C]. Energy-Efficient Communication Protocol for Wireless Microsensor Networks,2000:3005-3014.

　　[4] 劉軍,李巖,齊華.基于NS2的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)LEACH協(xié)議的改進(jìn)與仿真[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用,2012,38(2):21-27.

　　[5] Li Chengfa,Ye Mao,Chen Guihai,et al. An energy-efficientunequal clustering mechanism for wireless sensor networks[C].IEEE International Conference on Mobille Adhoc and Sen-sor Systems Conference, 2005:597-604.

　　[6] 李成法,陳貴海,葉懋,等.一種基于非均勻分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào),2007,30(1):27-36.

　　[7] 蔣暢江，石為人，唐賢倫，等.能量均衡的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)非均勻分簇路由協(xié)議[J].軟件學(xué)報(bào)，2012，23(5)：1222-1232.