摘要：無線傳感器網絡是一種無基礎設施的無線網絡，它綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、分布式信息處理技術和無線通信技術，能夠實時地采集信息：無線傳感器網絡和傳統的無線網絡有著不同的設計目標，傳統的路由協議不能有效地應用于傳感器網絡，因此需要研究一種有效的無線傳感器路由協議。文章設計了一種路由協議，采用集中式和分布式相結合的方法形成簇類，有效地延長了網絡生命周期。
無線傳感器網絡是當今國內外研究的一大熱點，它綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、現代網絡以及無線通信技術、分布式信息處理技術等，能夠通過各個傳感器節點進行實時監測、感知和采集各種現場信息。它是一種新型的無基礎設施網絡，它的節點是傳感器這種特殊的嵌入式設備，它們靜態地隨機分布于某一區域。無線傳感器網絡在國家軍事、工農業、城市管理、生物醫療、環境監測、搶險救災、危險區域遠程控制等許多重要領域都有潛在的實用價值，已經引起許多國家學術界和工業界的高度重視。
在軍事方面，美國五角大樓提出了“智能塵埃”的設計思想，目的是在戰場上拋散千萬個微小的具有無線通信能力的傳感器模塊，用于監控人的活動情況，同時美國陸軍已確定努力開發多層次集成式傳感器復雜系統～ssNc(靈巧傳感器網絡通信)，并認為這是建成未來目標部隊的關鍵之一；民用方面，由加州大學伯克利分校David culler教授領導的科研小組在緬因州的大鴨子島上布置了32節點組成的傳感器網絡，實現對一種海燕生活習性的監測。國內已經有許多大學開展了對無線傳感器網絡的研究，但是還沒有達到實用階段，大部分工作還處于仿真或試驗階段。
1無線傳感器網絡的系統結構
據上海.羿歌所認識，無線傳感器網絡的基本思想是，在現場布置大量的節點，這些節點上的傳感器感知現場的信息，微處理器對原始數據進行初步處理，再由無線收發模塊將數據發送給相鄰節點，數據經傳感器網絡節點的一級級轉發，最終發送給基站，再由基站通過串口傳送給主機，從而實現對現場的監控。
在傳感器網絡中，節點任意散落在被監測區域內，這一過程是通過飛行器散播、人工埋置和火箭彈射等方式完成的，節點以自組織形式構成網絡。
無線傳感器網絡可以采用平面結構和分級結構，通常采用分級結構。分級結構如圖l所示，網絡劃分為多個簇，每個簇由一個簇頭和多個簇成員組成。這些簇頭形成了高一級的網絡。
在分層結構中，簇頭結點負責簇間數據的轉發，而簇成員只負責數據的采集。這大大減少了網絡中路由控制信息的數量，因此具有很好的可擴充性。簇頭可以預先指定，也可以由節點使用分簇算法自動選舉產生。由于簇頭可以隨時選舉產生，所以分層結構具有很強的抗毀性。
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圖1分級結構無線傳感器網絡 目前，還沒有形成通用的無線傳感器網絡節點的設計方案，但一般都包括四個組成部分：傳感器、微處理器、無線收發模塊和電源。如圖2，傳感器負責監控物理信號，比如i是度、空氣濕度、震動信息等。微處理器通常采用嵌入式cPu或者微控制器Mcu，無線收發單元主要由低功耗、短距離的無線通信模塊組成。 ![]()
圖2無線傳感器節點結構 2無線傳感器網絡中現有路由協議的分析
無線傳感器網絡路由協議的分類基本上延續了傳統Adhoc網的分類方法，從不同的角度可以進行不同的分類。從路由發現策略的角度，可分為主動路由和被動路由兩種類型。
2．1主動路由
主動路由也稱表驅動(Table D—ven)路由，其路由發現策略與傳統路由協議類似，節點通過周期性地廣播路由信息分組，交換路由信息，主動發現路由，同時，節點必須維護去往全網所有節點的路由。它的優點是當節點需要發送數據分組時，只要去往目的節點的路由存在，所需的延時很小。缺點是主動路由需要花費較大開銷，為使路由更新能夠緊隨當前拓撲結構的變化，浪費了一些資源來建立和重建那些根本沒有被使用的路由。而且，動態變化的拓撲結構可能使得這些路幽更新變成計算機時代2007年第2期·15·過時信息，路由協議始終處于不收斂狀態。傳統的路由協議如ⅪP、0sPF都屬于主動路由協議。
主動路由協議一般包括“鄰居節點探測”和“路由廣播”兩個過程。路由器向各通信端口周期廣播Hello分組，來實現鄰居節點探測。在距離矢量算法中，雖然沒有顯式的鄰節點探測過程，但在與鄰節點交換距離向量路由表時，隱含了鄰節點探測。
2．2被動路由
被動路由也稱按需(On Demand)路由。與主動路由相反，被動路由認為在動態變化的網絡環境中，沒有必要維護去往其他所有節點的路由。它僅在沒有去往目的節點路由的時候才“按需”進行路由發現。被動路由協議根據網絡分組的傳輸請求，被動地搜索從源節點到目的節點的路由。當沒有分組傳遞請求時，路由器處于靜默狀態，并不需要交換路由信息。拓撲結構和路由表內容按需建立，它可能僅僅是整個拓撲結構信息的一部分。它的優點是不需要周期性地路由信息廣播，節省了一定的網絡資源。缺點是發送數據分組時，如果沒有去往目的節點的路由，需要等待路由發現。
被動路由協議主要包括“路由發現”和“路由維護”兩個過程。當源節點需要得到目的節點的路由，而該路由又沒有在路由表中時，路由發現過程被激活。路由器采用泛洪的方式，向整個網絡廣播路由請求分組。當有路由請求報文到達目的節點時，目的節點將向源節點發出
路由請求應答報文。這樣，在源與目的節點之間會建立起雙向“活動路徑”。活動路徑建立所需時間定義為路由建立延遲。隨著拓撲結構的變化，當活動路徑匕的某段鏈路發生中斷時，路由維護過程被啟動。路由維護可以采用兩種不同的策略：從斷點處開始修補路徑或通知源節點重新啟動路由建立過程。
3無線傳感器網絡路由協議的設計
無線傳感器網絡中數據處理過程分為兩個步驟，分別為簇形成階段和數據傳輸階段。簇形成階段主要是用—種分簇機制，把節點分為若干個簇；在數據傳輸階段，簇內普通節點向簇頭節點傳輸數據，簇頭節點進行數據處理后，再向sink節點傳輸。
在網絡生命周期初期，為了得到較大的吞吐量，我們采用集中式的方式形成簇類。在無線傳感器網絡中選擇最優簇類是一種典型的組合優化問題，其描述如下：
M維空間上的n個模式{xiIi=l，2，．，n}，要求聚成k類，使得各類自身內的點間距離最近，譬如要求![]() 最小。
其中Rp為第p類的中心，即：![]() 其中p=1，2，¨．，k，n。為第p類中的點數。
簇類問題描述很簡單，但最優化求解卻很困難．其主要原因是所謂的“組合爆炸”，簇類的可能劃分方式有![]() 個。在無線傳感器網絡中選擇最優簇類是著名的NP難題，可以用模擬退火算法同來得到近似最優解。
當能源將耗盡的節點占全部節點的70％時，我們認為節點的能源普遍比較貧乏，為了最大化網絡生命周期，轉而采用分布式算法來決定聚類的產生，即sink節點不再參與簇類的生成，而是由傳感器節點自身通過協商來決定聚類的產生。
我們采用一種基于節點權值的分布式、自協商成簇算法，在這種算法中，每個節點計算自身的權值來指示該節點適合充當簇頭的程度。各節點的權值可以用一個考慮多種兇素的通用公式來表示：wei曲t=Energy_Remain水Nei曲bor_NuIll／(CHJimes+1)其中：cH_Times表示節點在以前回合中充當的簇頭節點的次數；Nei曲bor_Num表示節點的鄰近數目；Ene略y—Remain表示節點的剩余能量。
數據傳輸階段劃分成幀，簇內每個普通節點在簇頭節點分配的時間槽里一次傳送一幀，每個時槽中，數據恒速傳送。在簇形成時，每個簇的節點數并不相等，故每個簇內時槽的大小也不相等，時槽的大小根據簇內每個普通節點的多少決定。為了減少能源浪費，簇內每個普通節點都使用能源控制，在自己的時槽中，才打開發送裝置，進行數據傳輸。
4結束語
無線傳感器網絡能量有限，對它的一個重要研究方向是節能，以延長網絡生命期。本文設計了一種基于集中式和分布式相結合的分簇算法：在網絡生命周期初期，為了得到較大的吞吐量，采用集中式的方式形成簇類；當能源即將耗盡時，轉而采用分布式算法來決定聚類的產生，即siIlk節點不再參與簇類的生成，而是由傳感器節點自身通過協商來決定聚類的產生。該設計思想的提出，擴展了無線傳感器網絡的應用，對無線傳感器網絡的研究有一定的促進作用。
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