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。這3個協(xié)議各有優(yōu)缺點,，應(yīng)該根據(jù)實際情況來選擇合適的協(xié)議。這些協(xié)議的實現(xiàn)過程可以分為初始化階段和數(shù)據(jù)傳輸階段,。各個協(xié)議的兩個階段的實現(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)上進行改進的基于“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)的成百上千個低成本、低功耗,、小尺寸,、多功能的傳感器節(jié)點組成,，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)療救護和環(huán)境監(jiān)測等多方面。
根據(jù)節(jié)點的拓撲結(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],，每個節(jié)點產(chǎn)生一個0~1之間的隨機數(shù)，如果小于閾值[2-3],，則此節(jié)點便是簇頭,，它就會向周圍節(jié)點廣播它是簇頭的消息。根據(jù)接收信號的強度,，普通節(jié)點選擇其要加入的簇,，并告知相應(yīng)的簇頭，此時所有的簇頭都必須處于接收狀態(tài),。當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)點的工作時間,。
在數(shù)據(jù)傳輸階段[2],，普通節(jié)點按照TDMA[4]時隙向簇頭發(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,。一段時間后,，重新選擇簇頭。
該協(xié)議隨機選舉簇頭避免了簇頭能量過早消耗完,，延長了網(wǎng)絡(luò)的生存時間,，但數(shù)據(jù)傳送是采用單跳的方式，使得距sink較遠的簇頭花費能量很大,，導(dǎo)致生存時間變短,；頻繁地選舉簇頭也會消耗能量。為了節(jié)省資源開銷,，數(shù)據(jù)傳輸階段的時間要長于初始化階段的時間,。
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)廣播一個信號，節(jié)點根據(jù)接收信號的強度計算它到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)點成為候選簇頭參與競爭，未參與競爭的節(jié)點進入睡眠狀態(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)點將收集到的數(shù)據(jù)傳送給簇頭,，簇頭進行處理之后將數(shù)據(jù)以多跳的方式傳送到sink。
2.2 DEBUC協(xié)議
該協(xié)議采用基于時間的簇頭競爭算法,。廣播時間取決于候選簇頭的剩余能量和其鄰居節(jié)點的剩余能量,。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)點根據(jù)接收到sink發(fā)出信號的強弱計算其與sink的大概距離。首先設(shè)置一個門限值以控制候選簇頭的比例,，同時也為每個候選簇頭設(shè)置一個競爭半徑[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)點休眠,，接收到消息的候選簇頭更新其鄰居節(jié)點信息表,，候選簇頭依據(jù)自身的時間進度廣播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)點退出休眠，簇頭廣播消息,，普通節(jié)點根據(jù)接收信息的強弱加入最近的簇頭，并通知簇頭,，中繼節(jié)點不具有數(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,，則簇頭計算與鄰居簇頭的大概距離,，并建立一個鄰居簇頭信息表,；簇頭運用貪婪算法在其鄰居簇頭集合中選擇其中繼節(jié)點，如果簇頭的中繼節(jié)點是本身,，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；當每個簇頭都找到中繼節(jié)點,，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，成簇的簇數(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)點在成簇的過程中,，會把剩余的能量消耗完,。
3 PEGASIS協(xié)議
PEGASIS協(xié)議假定所有節(jié)點都具有網(wǎng)絡(luò)拓撲的全局知識，在建鏈階段[8-10],，首先從距離sink最遠的節(jié)點開始建鏈,，這個節(jié)點根據(jù)貪婪算法尋找距自己最近的節(jié)點加入鏈，以此類推,，所有的節(jié)點都按照這種方法加入鏈,。在數(shù)據(jù)通信階段[8-9]，鏈上的每個節(jié)點只與自己的鄰居節(jié)點通信,，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,，一直傳送到鏈首節(jié)點，最后由鏈首節(jié)點將數(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，仍然要浪費能量用來建立簇,。
(2)許多協(xié)議都假設(shè)傳感器節(jié)點和sink不動,，一旦傳感器節(jié)點動起來，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)拓撲結(jié)構(gòu)是動態(tài)的,，以便很快地更新網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu),，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的更新要消耗更多能量來實現(xiàn)。
(4)非均勻分簇算法要求網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點最好是均勻分布的,，如果在靠近sink的區(qū)域中傳感器節(jié)點分布的密度很大,，而在遠離sink的區(qū)域中傳感器節(jié)點的分布密度很小，那么靠近sink的簇頭仍然會形成“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)點失效退出網(wǎng)絡(luò)或者有新的節(jié)點加入網(wǎng)路時,網(wǎng)絡(luò)的拓撲變化采用的辦法都是重新分簇。如果加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點很少,，重新分簇浪費的能量會很大,，這就需要協(xié)議具有很高的容錯性來應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)的拓撲變化。
(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,，則可能會有一些節(jié)點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,。所以在運用分層算法時，需要考慮層數(shù)為多少時才是最合適的,。
隨著WSN路由技術(shù)的發(fā)展,，會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)對簇頭的負載平衡,，盡量減小在簇的形成階段由于拓撲而造成的能量浪費,。總之,，WSN路由技術(shù)的研究離不開負載平衡,、能量高效、網(wǎng)絡(luò)壽命等熱點問題,。
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