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《單片機與嵌入式系統應用雜志》2016年第7期

摘要：

無線傳感器網絡被用于很多應用中，已經成為無線網絡研究的重點方向。為了得到廣泛分布于空間節點的感知信息，需要為傳感器網絡提供可靠的傳輸路由。本文提出了無線傳感器網絡的分層架構，分析了網絡中成簇路由的形成過程，比較了成簇路由對應平面路由的優勢，最后介紹了典型的成簇路由算法。

關鍵詞：

無線傳感器網絡；數據收集；成簇路由

引言

無線傳感網絡由大量體積小，具有感知、信息處理及無線通信能力的傳感器節點組成，是新興的網絡，相比傳統的通信網絡解決方案，以其低成本、可擴展性、可靠性、準確性、靈活性、易部署特點，得到日益廣泛應用。無線傳感網絡通過大量的傳感節點、攝像頭、RFID標簽等設備組成的靜態自組網，以及加入攜帶有感知設備的移動節點（如汽車、人、機器人等）構成的移動自組網，來收集感知區域內的物理數據。而后，感知數據通過網絡層的3G、LTE、衛星通信等手段或者經由網關接入骨干網絡的方式來完成數據的上傳。在應用層，用戶可以利用大量的感知數據進行各類應用（如智能電網、智能家居、智慧農業以及智慧醫療）等（見圖1）。事實上，節點在得到部署之后，就開始持續感知、收集周圍環境的物理信息，而當sink（匯聚節點）向所有節點廣播數據收集的消息后，一條由一般節點指向sink的數據傳輸路由開始形成，完成對感知信息的可靠收集，最重要的是要設計可靠的數據傳輸路由來完成采集數據的傳輸，保證網絡中感知信息連通的覆蓋。

1無線傳感網絡的成簇路由

典型的無線傳感網絡的路由協議可分為平面路由協議及分層路由協議。在平面路由協議中，網絡中所有的節點執行相同的任務，在網絡中具有同等的功能。當節點感知到或接收到數據后，會以廣播的方式向鄰居節點發送或者轉發此數據，而后數據被以節點之間廣播的多跳接力模式傳輸至sink節點。典型的平面路由包括洪泛［8］、直接傳輸［9］、謠言［10］、基于梯度的路由GBR［11］等，節點數目比較少的網絡通常采用平面路由協議來構造數據傳輸鏈路。一旦網絡中節點的數量增加，多跳接力的傳輸模式造成的節點對數據處理及帶寬的占用會加重網絡中節點之間的干擾，引發過多的數據包碰撞，進而影響網絡中數據的正常傳輸。當網絡中節點數量增多，不適用平面路由來進行數據傳輸時，可以通過構造分層路由，完成網絡中數據的傳輸。在分層路由協議中，網絡中的節點不再具有相同的功能，而是根據數據收集的需求，形成了具有不同功能的節點分類。分層路由通常又被稱為成簇路由，成簇路由中能量較高的節點稱為簇頭節點，負責簇內成員節點數據的收集、聚合及數據向sink的前傳，能量較低的節點稱為成員節點，負責對物理事件的感知及感知數據的采集。成簇路由的建立分為3個階段，包括簇的建立階段、簇的穩定階段及簇頭聚合數據向sink的傳輸過程。圖2顯示了在成簇路由中簇的建立過程，當sink向所有節點廣播數據請求后，所有的節點開始競爭簇頭，向全網廣播自身的信息（包括自身當前能量、ID號、與sink的距離等），并向sink發出請求當選簇頭的信息，而后根據相應的參數設定（如節點的剩余能量、到sink的距離、節點的鄰居節點數、已當選簇頭的次數等），sink向當選的節點發送簇頭確認信息ACK，并為這些簇頭分配相應的TDMA時隙，用于后續簇頭與sink的數據傳輸，而其余節點則退出簇頭的競爭，轉入空閑偵聽狀態。然后，當選的簇頭節點廣播自身當選的信息，沒有當選的節點根據自身與相應簇頭節點的距離，從空閑偵聽狀態選擇加入某一個簇頭所成立的簇，完成簇的建立過程。圖3顯示了在成簇路由中簇的穩定過程及簇頭與sink的數據傳輸過程。簇的穩定過程包括未當選簇頭的節點加入相應簇頭節點所成立的簇，以及這些成員節點在加入簇以后對簇頭分配的TDMA時隙的競爭過程。當成員加入相應簇頭的簇之后，簇頭會建立一個TDMA時隙安排，并向成員廣播，而后成員節點通過競爭，每一個成員節點被分配一個傳輸時隙用于其數據向簇頭的傳輸，完成簇內通信，在非自身的傳輸時隙內，成員節點將關閉發射電路，進入睡眠狀態以節省能量。當成員節點的數據被傳輸至簇頭節點之后，簇頭對數據進行預處理，去掉冗余數據后將數據聚合，而后利用簇成立階段sink分配的TDMA時隙建立簇間通信路由，完成簇頭聚合數據向sink的傳輸。當網絡中節點的數量比較大時，簇頭之間會采用多層的成簇路由完成感知數據向sink的匯聚。

2成簇路由的特點

相對于平面路由，成簇路由中節點的分工比較明確，由簇頭負責數據的聚合及前傳，成員節點負責數據的感知、采集，因此成簇路由可以在簇內本地化路由表，以減少節點存儲的路由表的大小。同時，由簇頭管理本簇成員的方式相較平面路由，管理能耗更少，當網絡中節點數量增多時，只需形成更多的簇即可完成數據傳輸，具有更好的可擴展性。此外，成簇路由改變了平面路由中逐跳傳輸的模式，減少了多跳傳輸帶來的網絡數據傳輸的延遲。而且，基于簇頭對于簇內成員節點數據的聚合及預處理，網絡中傳輸的冗余數據大量減少，節省了節點的數據傳輸能耗及中繼節點的負載，延長了網絡的生存時間。另外，由于成簇路由中數據傳輸過程采用了簇內通信及簇間通信結合的傳輸方式，減少了網絡中長距離通信引發的節點能耗的浪費。同時，由于網絡中節點采用輪流擔任簇頭的選舉方式，避免了單個節點能耗過大造成節點過早死亡對于網絡連通性的影響。最后，由于簇內采用了由簇頭分配TDMA時隙表的形式進行數據的收集，避免了簇內成員數據傳輸時造成的數據包的碰撞，簇間通信可以在簇內通信完成后復用網絡的時隙資源，避免了簇頭節點爭搶時隙資源產生的網絡中節點之間的干擾，進而改善了網絡中數據傳輸的性能。典型的成簇路由包括每一輪數據傳輸過程中隨機選取簇頭的低功耗自適應成簇協議LEACH［12］；考慮了節點剩余能量完成簇頭輪換的集中式LEACH算法LEACH－C［13］；適用于能量收集傳感網絡的sLEACH［14］算法；采用兩層分簇的分層LEACH［15］，在高層的分簇中網絡采用CSMA機制完成數據的收集，而在低層的分簇中采用TDMA機制進行數據的傳輸；混合能量有效分布成簇協議［16］，HEED基于節點當前剩余能量及簇內通信能量選取簇頭，不同于LEACH單跳的簇間路由，HEED采用了多跳的簇間路由完成數據向sink節點的傳輸；基于權重的能量有效成簇路由［17］，DWEHC采用了均衡的簇優化了簇間負載，并利用節點的地理位置信息優化了簇內通信；采用多跳簇間路由的多跳LEACH［18］等，這些算法通過對簇頭選舉算法的改進、簇內通信的能耗設計、節點發射功率的控制、簇間通信路由的優化，為密集的傳感網絡的數據傳輸提供了能量有效的路由協議。

3結語

無線傳感網絡的成簇路由技術以能量有效的方式，為網絡感知數據的收集提供了可靠的鏈路，對于實現大規模傳感網絡的應用具有重大影響，本文介紹了傳感器網絡的分層架構、數據收集成簇路由的形成過程、成簇路由的特點以及典型的成簇路由算法，希望對讀者理解無線傳感器網絡的數據收集、成簇路由有指導意義。

作者:李晨 康琳 單位:中國石化銷售有限公司山西石油分公司 太原科技大學