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无线传感器网络中路由协议的能量有效性设计
摘要本文主要结合分层路由协议尤其是分簇算法，探讨了在路由建立和数据传输过程中如何根据网络中节点的能量消耗分布情况并考虑无线传播环境的影响，设计满足能量有效性路由协议。关键词无线；传感器；能量；有效性；网络；分簇1引言无线传感器网络是一种新型的无线通信网络，它融合了通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术，由大量的传感器节点通过无线介质连接构成，采用自组织的形式配置微型的智能传感器节点，通过节点的协同工作来采集和处理网络覆盖区域中目标信息。无线传感器网络在环境与军事监控，地震与气候预测以及外层空间探索等许多方面都具有广泛的应用前景。所谓能量有效性是指该网络在有限的能量条件下能够处理的服务请求数量。由于无线传感器网络的节点采用微型电池供电，且放置在恶劣的环境中工作，一般很难进行充电或是替代，系统的能量资源非常有限，因此，研究和设计满足能量有效性的通信协议是无线传感器网络技术迫切需要解决的问题。本文从能量有效性的角度出发，针对无线传感器网络中网络层的通信协议的特点进行详细地分析，说明如何设计能够节约系统能量消耗，延长网络生命时间的路由协议。2网络层能量有效性的分析在路由建立、维护以及数据传输阶段，传感器节点之间采取单跳通信还是多跳通信的方式，直接影响着网络的能量消耗状况，如果设计不合理，将会导致网络中节点的能量分布不均匀，缩短网络的生存时间。能量有效性对网络层路由协议的设计提出了更高的要求。能量消耗导致“热点问题”“热点问题”是指在路由的建立、维护以及和数据传送的过程中，可能使某一些节点过多的消耗能量，而导致过早死亡；如果这些节点位于网络的连通关键位置，则会使整个网络将会陷入瘫痪状态，无法完成正常的感知任务。根据网络中采取的不同的通信方式，出现热点问题的情况会有所不同。在单跳通信的传感器网络中，无论是采用平面路由还是分层路由，数据都是由传感器节点直接传输到汇聚节点sink，由于节点具有相等的初始能量且大小受限，因此，距离汇聚节点较远的传感器节点消耗的能量较大，加之无线传播环境的恶化的影响，更容易造成能量的严重损失，因此，这些节点就成为了“热点”，如果这些节点位于监测目标的附近，将直接导致监测任务的执行。在多跳通信的传感器网络中，同样也存在“热点”。这些节点位于汇聚节点sink较近的位置，它们一方面负责将自身的数据传输给汇聚节点，另一方面要为距离sink较远的节点提供转发数据的服务，其在单位时间发送的数据密度要比其它节点多1倍，因此，能耗也要多1倍。这样，如果网络中传感器节点数目较多时，对于距离汇聚节点较近的节点就需要耗费大量的能量，距离越近，能耗越多。如果这些节点过早地能量耗尽，网络的连通性就无法得到保证，距离sink较远的传感器节点不能及时地把数据发送过来，严重影响了通信的进程。3路由协议的节能设计如上所述，在路由协议的设计中应尽量减少和避免热点问题的发生，保证网络中节点能耗的均匀分布。路由协议的设计思想可以从不同角度分类，如：平面路由和分层路由。本文以分层路由为例，说明如何进行节能设计。分层路由协议的设计思想是对网络中的节点进行层次划分，若干相邻节点构成一个簇，每个簇内有一个簇首。簇与簇之间可以通过簇首进行通信。簇首之间的连接构成上层骨干网，所有簇间通信都通过骨干网进行转发。分簇的方法可以分布式控制系统，使网络整体规模变得比较灵活，同其它平面算法比较，它可以减少路由表的大小，降低承担路由的节点数目，节约节点能量消耗，并有效延长了网络的生命周期，因此，分层路由本身就具有节能的优势。在现有分簇算法中，簇内通常采用的是单跳通信，而簇间采用多跳的方式。但仔细分析，这种设计方法存在一定的缺陷。究其原因，对于簇内来说，由于节点的位置是随机分布，即使同处一个簇内的节点在地理位置也有远近之分，如果有一部分节点距离簇首比较远，在与簇首通信的过程中将会比其它簇内节点消耗更多的能量，当无线传播环境比较恶劣时，这种能量消耗会更大。随着通信的进行，这些节点有很高的概率成为“热点”，从而过早的死亡。因此，簇内通信采取单跳的方式并不是一种最好的选择，这需要根据具体的网络状况来决定。簇间采用多跳通信的方式，使得距离汇聚节点的簇首可以通过在sink附近的其它簇首将数据传递过来，但正如热点问题中所述，距离sink较近的节点其由于负担过重而能量消耗殆尽。图1通过变化曲线说明了在单跳和多跳通信中，节点的能量消耗与簇首距离之间的关系，可以看出这两种方式都有可能导致系统能量的不均匀分布，缩短网络的生存时间。图1节点能量消耗与簇首距离之间的关系为避免在簇内和簇间通信中出现热点问题，在设计分簇算法时，可以从以下方面进行考虑。第一，当无线传播环境变得恶化时，簇内通信应该采用多跳的方式，这种设计思想是将一个簇的区域半径以R的厚度等分成n个环，