無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由協(xié)議研究

劉興 楊濟海 楊濤 韓晴

摘 ? 要：在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，分簇型路由在路由協(xié)議中占據(jù)重要的地位，該協(xié)議方便拓撲結(jié)構(gòu)管理，能源利用率高，數(shù)據(jù)融合簡單。文章從簇頭生成、簇形成和簇路由3個角度對典型的分簇路由算法LEACH，HEED，EEUC，PEGASIS進行了系統(tǒng)描述，從網(wǎng)絡(luò)生命周期和節(jié)點存活數(shù)量等方面，對比了其優(yōu)缺點，結(jié)合該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，指出了未來研究的方向。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò);分簇;路由協(xié)議

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Qireless Sensor Network，WSN）作為數(shù)據(jù)采集和處理的新方式，在各行業(yè)受到了越來越廣泛的應(yīng)用[1]。它是由大量傳感器節(jié)點組成的一個自組織無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲和無線通信等功能，被廣泛應(yīng)用于軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療監(jiān)控、農(nóng)業(yè)、養(yǎng)殖、空間探索等領(lǐng)域。由于網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的計算能力、存儲容量和能量資源有限，使得路由協(xié)議的設(shè)計成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一，在WSN路由協(xié)議中，分簇型路由協(xié)議由于其能量利用率高而受到越來越廣泛的應(yīng)用。

1 ? ?無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由算法概述

與其他類型的路由協(xié)議相比，分簇路由協(xié)議具有更好的性能，是目前研究的重點和熱點。分簇路由協(xié)議的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個網(wǎng)絡(luò)被隨機分成若干個簇，每個簇由一個簇頭節(jié)點和若干個成員節(jié)點構(gòu)成，成員節(jié)點負責采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)給對應(yīng)的簇頭節(jié)點;簇頭節(jié)點負責進行數(shù)據(jù)的匯聚和壓縮，并通過一跳或者多跳的方式，將數(shù)據(jù)發(fā)送到基站（Base Station，BS）。

分簇路由協(xié)議的重點和核心內(nèi)容是快速和有效的構(gòu)建簇結(jié)構(gòu)，本文通過對常用分簇型路由協(xié)議進行描述和對比分析，力求明確未來重點研究方向。

2 ? ?常用分簇型路由協(xié)議分析

2.1 ?LEACH協(xié)議

LEACH協(xié)議是首次針對WSN提出的一種自適應(yīng)聚類路由協(xié)議[2]。LEACH協(xié)議采用了“輪”的概念，并將每輪通信過程分為簇建立階段和數(shù)據(jù)傳輸階段。在簇建立階段，重點實現(xiàn)簇頭選舉和成簇，簇頭選舉時，每個節(jié)點將生成0～1之間的一個隨機數(shù)，根據(jù)當前輪數(shù)計算閾值，如果閾值比隨機數(shù)大時，則被選舉為簇頭節(jié)點，當選的概率為：

（1）

其中，P是簇頭占總節(jié)點的比例，R是當前的輪數(shù)。簇頭節(jié)點將選舉結(jié)果廣播到整個網(wǎng)絡(luò)，使其余節(jié)點加入最近的簇。在數(shù)據(jù)傳輸階段，每個簇的成員節(jié)點依據(jù)TDMA時隙采集并發(fā)送數(shù)據(jù)給簇頭節(jié)點，簇頭節(jié)點接收簇內(nèi)成員節(jié)點的數(shù)據(jù)并進行壓縮融合，然后通過一跳或者多跳的方式將數(shù)據(jù)匯聚到基站。

LEACH協(xié)議的優(yōu)點：（1）采用分布式算法選舉簇頭，各節(jié)點的機會相同，可盡量平衡能量消耗。（2）在簇內(nèi)的數(shù)據(jù)融合完成時，傳輸距離被減小，可在一定程度上節(jié)約能量。

LEACH協(xié)議的缺點：（1）簇頭的成本開銷大，需要每輪進行簇頭重選。（2）簇頭之間的負載不均衡，簇頭在整個網(wǎng)絡(luò)中分布不均，簇內(nèi)成員節(jié)點分布不均。（3）簇內(nèi)成員節(jié)點直接與簇頭交換數(shù)據(jù)，加快了簇頭的能量消耗，導致了每個簇的規(guī)模有限，不適合大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)。

2.2 ?HEED協(xié)議

在簇頭選舉過程中，HEED協(xié)議主要依賴于基本參數(shù)和副參數(shù)[3]?；緟?shù)是指所選擇節(jié)點的剩余能量，節(jié)點剩余能量越多，該節(jié)點成為簇頭節(jié)點的概率就越大;副參數(shù)是指簇內(nèi)的通信代價，其主要目標是確保最終成簇和簇頭之間的負載平衡。在發(fā)送相關(guān)的競爭信息時，利用公式（2）計算節(jié)點的當選概率，即：

（2）

其中，Cprob與Pmin是固定值，Eresident表示節(jié)點的剩余能量，Emax表示節(jié)點的初始能量（最大值），為了防止收斂速度過慢，設(shè)置了剩余能量的最小比率。

與LEACH協(xié)議類似，HEED協(xié)議也采用了“輪”的概念，但與基本LEACH協(xié)議最大的區(qū)別是，HEED協(xié)議采用了多跳方式與基站通信，而LEACH協(xié)議采用的是單跳方式。

HEED協(xié)議的優(yōu)點：（1）簇頭分布相對比較均勻，聚類效率高，網(wǎng)絡(luò)拓撲更科學。（2）簇頭選舉考慮了剩余能量的影響，引入基本參數(shù)、副參數(shù)的多重約束，更合理。

HEED協(xié)議的缺點：（1）每一輪簇重組都會產(chǎn)生較大的簇頭成本。（2）簇的覆蓋范圍是重疊的，簇間干擾相對嚴重。

2.3 ?EEUC協(xié)議

EEUC協(xié)議中簇頭選舉也考慮了剩余能量的影響[4]，其主要出發(fā)點是為了克服均勻分簇的不足、簇頭向基站轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)能量消耗大等不足。為了節(jié)約簇頭之間傳輸信息的能量，該協(xié)議使用非均勻分簇的競爭機制，使簇根據(jù)具體情況分為不同大小的簇，讓靠近基站的簇存在較少的成員并且具有小競爭半徑。簇半徑計算公式為：

（3）

其中，R0是候選簇頭競爭半徑的最大值;c是簇半徑控制參數(shù)，介于0～1之間;dmax是節(jié)點到BS的最大距離;dmin代表了節(jié)點到BS的最小距離;d（i，BS）代表簇頭i到BS的距離。

EEUC協(xié)議的優(yōu)點：（1）簇頭選舉考慮了能耗的不平衡問題，延長了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。（2）簇間的多跳通信減少了網(wǎng)絡(luò)流量。

EEUC協(xié)議的缺點：（1）簇生成過程復雜且成本較大。（2）相對不同基站、不同的簇半徑，數(shù)據(jù)采集與傳輸存在較大的隨機誤差。

2.4 ?PEGASIS協(xié)議

PEGASIS協(xié)議是在LEACH協(xié)議的基礎(chǔ)上改進而來的，該協(xié)議選擇了定期選擇簇頭的方式，同時節(jié)點根據(jù)地理位置被串入鏈，并由貪心算法實現(xiàn)[5]。在該協(xié)議中，節(jié)點只需要與距離它們最近的鄰居節(jié)點通信，并且下一個節(jié)點將采集到的自身數(shù)據(jù)和所接收的數(shù)據(jù)進行融合，然后傳送到目的節(jié)點。

PEGASIS協(xié)議主要包括兩個步驟：第一，利用貪婪算法創(chuàng)建鏈，并且選擇距離自身最近的鄰居節(jié)點作為下一跳節(jié)點;第二，數(shù)據(jù)傳輸階段中，在鏈路上數(shù)據(jù)按順序傳輸，并進行融合處理，最終將由鏈首將數(shù)據(jù)直接傳送給匯聚節(jié)點。其鏈結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

PEGASIS協(xié)議的優(yōu)點：（1）基于地理位置，降低了通信節(jié)點的平均距離，減少了簇的成本。（2）利用“令牌”確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。?）采用數(shù)據(jù)融合，減少了數(shù)據(jù)分發(fā)量，降低了能量消耗。

PEGASIS協(xié)議的缺點：（1）由于節(jié)點基于地理位置形成一條鏈，數(shù)據(jù)傳送擴展性大。（2）簇頭選擇基本上是一致的，造成簇間干擾大、開銷大。

3 ? ?常用分簇路由協(xié)議比較

綜上，本文分析了LEACH，HEED，EEUC，PEGASIS 4種分簇路由協(xié)議的基本思想、優(yōu)勢和劣勢，結(jié)合影響協(xié)議的幾個因素，對其進行總體對比，如表1所示。

4 ? ?結(jié)語

根據(jù)分簇路由協(xié)議的特點，本文對LEACH，HEED，EEUC，PEGASIS 4種典型的分簇路由協(xié)議進行了分析，對比了其路由機制的優(yōu)缺點，并且從簇頭選舉階段、成簇階段、簇維護成本、算法的穩(wěn)定性等方面進行了總結(jié)與比較。結(jié)合該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，指出了未來研究的方向。

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Research on clustering routing protocol for wireless sensor networks

Liu Xing1， Yang Jihai1， Yang Tao1， Han Qing2

（1.State Grid Jiangxi Information & Telecommunication Company， Nanchang 330096， China;

2.School of Electrical Engineering， Northeast Electric Power University， Jilin 132012， China）

Abstract：In wireless sensor networks， clustering routing plays an important role in routing protocol， which is convenient for topology management， high energy efficiency and simple data fusion. In this paper， LEACH， HEED， EEUC， PEGASIS， which are typical clustering routing algorithms， are systematically described from three aspects of cluster head generation， cluster formation and cluster routing. The advantages and disadvantages of LEACH， HEED， EEUC， PEGASIS are compared from the aspects of network life cycle and node survival number. Combined with the research status in this field， the future research direction is pointed out.

Key words：wireless sensor work;clustering;routing protocol