《无线传感器网络的节能高效路由算法的研究》
文献综述
- 前言
具有微型传感器的无线传感网(WirelessSensorNetworks,以下简称WSNs)的应用已成为物联网发展的一个重要组成部分。因为传感器节点80%以上能量主要消耗在信息传输通信单元上，所以，在WSNs中设计合理有效的路由将大大降低节点能耗，使其可工作时间显著提高。路由技术在WSNs应用中扮演着重要角色。例如，将生物传感器用在健康医疗中心，其可以对患者的病情进行监测。在此类应用中，患者的数据必须在一定时间且可靠地传输到监测中心:否则，采集的数据将无效。在军事应用中，有关敌军追踪，战场监视或目标分类的所需信息需要更精准、实时地返回到基站回。此外，在发生自然灾害的时候，通过发现埋在雪崩中的人们，WSNs可以被用来帮助救援队”。同样，有必要成功地将信息传输给缓助人员。在民用基础设施中，它用于巧测和检测裂缝，结构缺陷和火灾爆发。在这些应用领域中，由于地理位置的特殊性，且被部署之后的传感器不能回收或充能处理间，但又不希望定时期内正在执行任务的传感器由于电能耗尽死亡，使其所采取的数据清零，而单个传感器节点寿命直接影响整个网络生命周期和网络数据传输实时性。这表明能量资源和数据传输实时性一直是WSNs中要解决的关键问题明。因此，设计节能高效而且数据低延时的分簇路由算法将是十分有意义的课题。
- 相关文献的研究现状
（一）传感器走向无线时代
无线传感器网络（WirelessSensorNetwork，以下简称WSN）是物联网（InternetofThings，IOT）技术发展的产物，该技术将会使人类社会产生很大的改变。在1999年，出现了题为“传感器走向无线时代”的论述。在美国，例如UCLA正在实施的WINS项目，加利福尼亚州立大学已经完成的SmartDust研究，Harvard正在实施的CodeBlue研究，还有美国部分科研机构一起进行的SensIT计划等，这些高校以及科研机构都成立有专门的WSN科研小组。WSN技术的研究在美国军方机构中也产生了很大的影响，他们首先进行了C4ISR项目的研究，然后又进行了C4KISR项目的执行，同时又秘密实施了诸项与WSN相关的军事科研项目，2004年《IEEESpectrum》发布的一期专栏中提出了WSN的发展前景和实用领域。欧洲各国、亚洲部分国家以及南美洲个别国家都进行了与该技术相关的科研计划，比如英法等国家进行的EYES计划等。
中国对WSN技术的研究同国外的科研机构比几乎是同步开始。第一次正式出现也是于1999年期间，我国某科研机构的工作人员于《知识创新工程试点领域方向研究》一文中提出把WSN的研究作为一项热门科研课题列入其中；由中国某科研机构与微软公司某研究院协商署名的研究课题中，和WSN相关的技术也被写入其中；WSN技术被作为重点研究项目纳入到国家“十一五”科技项目中。我国许多高校和科研机构都积极启动研究WSN技术的工作，例如自2002年开始中科院自动化所、清华、哈工大联合实施了在定位和数据管理等方面的研究工作。同时，重庆大学启动了对嵌入式节点、可重构技术、节点定位等技术的研究工作。此外，无线通信协议栈、节点定位、低功耗及其应用也在持续研发当中。2006年，中国国家自然科学基金会发布了科技的发展规划纲要，该报告为信息技术的发展指出了三个前沿方向，其中，智能感知和自组织网络等技术与WSN直接相关。中国的WSN上的研究早已实施，但是得到的研究成果略显稀少，在实际应用中其研发成果并没有产生实质上的进展。现阶段我国科研人员进行WSN相关的研究包括嵌入式系统、自组网、能耗、无线通信的可靠性等方面，具体工作包含微处理器、节点的能耗均衡、节点位置的确定、网络寿命等方面的研究。目前，人们对WSN路由技术的研究越来越成熟。WSN路由技术通常有两类，第一类为平面路由，第二类为分簇路由。在第一类路由技术中，各个节点平等对待，比较利于相互协作，常见的路由协议有DirectedDiffusion协议等，各个节点间的通信限制于相邻的节点。但是该协议存在着明显的不足之处，首先该协议由于周期性的洪泛机制，能量的消耗和时间的开销较大，其次节点要建立一个兴趣消息列表，代价较大。在传统路由算法中，部分算法中距离基站较近的节点要收集、存储以及转发大量的来自其他节点的信息。这就使得与基站间距较近的节点数据发送量更大，使得节点能量消耗太快而过早死亡，进而使得整个网络能量消耗不均匀。在分簇路由算法中，通过分簇的方式将网络分成若干个不相干的簇，各个簇中有一个簇首和若干个成员节点，且各个节点轮流做为簇首，在基站与各节点进行通信的过程中，簇首节点是作为中间节点进行数据的传递的，各成员节点会将相应的数据信息转发到簇首，簇首会将收集到的数据进行融合处理，最后簇首会将处理后的结果直接发送到基站。使用这样的结构既能减少数据的转发量，又能缩短其传输距离，进而实现能耗的减少。
（二）无线传感器网络经典算法的现存问题
LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)算法是一种自应分簇拓扑算法，它的执行过程是周期性的，每轮循环分为簇的建立阶段和稳定的数据通信阶段。在簇的建立阶段，相邻节点动态地形成簇，随机产生簇头;：在数据通信阶段，簇内节点把数据发送给簇头，簇头进行数据融合并把结果发送给汇聚节点。由于簇头需要完成数据融合、与汇聚节点通信等工作，所以能量消耗大。LEACH 算法能够保证各节点等概率地担任簇头，使得网络中的节点相对均衡地消耗能量。
在LEACH算法中，每一轮循环都要重新构造簇，而构造簇的能量开销比较大。其次，远离汇聚节点的簇头节点可能会由于长距离发送数据而过早耗尽自身能量，造成网络分割。另外，LEACH算法没有考虑簇头节点当前的能量状况，如果能量很低的节点当选为簇头节点，那么将会加速该节点的死亡，影响整个网络的生命周期。
