無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)今國(guó)內(nèi)外研究的一大熱點(diǎn)，它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)以及無(wú)線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，能夠通過(guò)各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集各種現(xiàn)場(chǎng)信息。它是一種新型的無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，它的節(jié)點(diǎn)是傳感器這種特殊的嵌入式設(shè)備，它們靜態(tài)地隨機(jī)分布于某一區(qū)域。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在國(guó)家軍事、工農(nóng)業(yè)、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)、搶險(xiǎn)救災(zāi)、危險(xiǎn)區(qū)域遠(yuǎn)程控制等許多重要領(lǐng)域都有潛在的實(shí)用價(jià)值，已經(jīng)引起許多國(guó)家學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視。
在軍事方面，美國(guó)五角大樓提出了“智能塵埃”的設(shè)計(jì)思想，目的是在戰(zhàn)場(chǎng)上拋散千萬(wàn)個(gè)微小的具有無(wú)線通信能力的傳感器模塊，用于監(jiān)控人的活動(dòng)情況，同時(shí)美國(guó)陸軍已確定努力開(kāi)發(fā)多層次集成式傳感器復(fù)雜系統(tǒng)～ssNc（靈巧傳感器網(wǎng)絡(luò)通信），并認(rèn)為這是建成未來(lái)目標(biāo)部隊(duì)的關(guān)鍵之一；民用方面，由加州大學(xué)伯克利分校David culler教授領(lǐng)導(dǎo)的科研小組在緬因州的大鴨子島上布置了32節(jié)點(diǎn)組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)一種海燕生活習(xí)性的監(jiān)測(cè)。國(guó)內(nèi)已經(jīng)有許多大學(xué)開(kāi)展了對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究，但是還沒(méi)有達(dá)到實(shí)用階段，大部分工作還處于仿真或試驗(yàn)階段。
1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本思想是，在現(xiàn)場(chǎng)布置大量的節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)上的傳感器感知現(xiàn)場(chǎng)的信息，微處理器對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，再由無(wú)線收發(fā)模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給相鄰節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)經(jīng)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的一級(jí)級(jí)轉(zhuǎn)發(fā)，最終發(fā)送給基站，再由基站通過(guò)串口傳送給主機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控。
在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)任意散落在被監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，這一過(guò)程是通過(guò)飛行器散播、人工埋置和火箭彈射等方式完成的，節(jié)點(diǎn)以自組織形式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以采用平面結(jié)構(gòu)和分級(jí)結(jié)構(gòu)，通常采用分級(jí)結(jié)構(gòu)。分級(jí)結(jié)構(gòu)如圖l所示，網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)簇，每個(gè)簇由一個(gè)簇頭和多個(gè)簇成員組成。這些簇頭形成了高一級(jí)的網(wǎng)絡(luò)。
在分層結(jié)構(gòu)中，簇頭結(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)簇間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，而簇成員只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集。這大大減少了網(wǎng)絡(luò)中路由控制信息的數(shù)量，因此具有很好的可擴(kuò)充性。簇頭可以預(yù)先指定，也可以由節(jié)點(diǎn)使用分簇算法自動(dòng)選舉產(chǎn)生。由于簇頭可以隨時(shí)選舉產(chǎn)生，所以分層結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的抗毀性。
④簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)圓簇頭酋基站
目前，還沒(méi)有形成通用的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案，但一般都包括四個(gè)組成部分：傳感器、微處理器、無(wú)線收發(fā)模塊和電源。如圖2，傳感器負(fù)責(zé)監(jiān)控物理信號(hào)，比如i是度、空氣濕度、震動(dòng)信息等。微處理器通常采用嵌入式cPu或者微控制器Mcu，無(wú)線收發(fā)單元主要由低功耗、短距離的無(wú)線通信模塊組成。
圖2無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)
2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)有路由協(xié)議的分析
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的分類基本上延續(xù)了傳統(tǒng)Adhoc網(wǎng)的分類方法，從不同的角度可以進(jìn)行不同的分類。從路由發(fā)現(xiàn)策略的角度，可分為主動(dòng)路由和被動(dòng)路由兩種類型。
2．1主動(dòng)路由
主動(dòng)路由也稱表驅(qū)動(dòng)（Table D—ven）路由，其路由發(fā)現(xiàn)策略與傳統(tǒng)路由協(xié)議類似，節(jié)點(diǎn)通過(guò)周期性地廣播路由信息分組，交換路由信息，主動(dòng)發(fā)現(xiàn)路由，同時(shí)，節(jié)點(diǎn)必須維護(hù)去往全網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)的路由。它的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)分組時(shí)，只要去往目的節(jié)點(diǎn)的路由存在，所需的延時(shí)很小。缺點(diǎn)是主動(dòng)路由需要花費(fèi)較大開(kāi)銷，為使路由更新能夠緊隨當(dāng)前拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，浪費(fèi)了一些資源來(lái)建立和重建那些根本沒(méi)有被使用的路由。而且，動(dòng)態(tài)變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能使得這些路幽更新變成計(jì)算機(jī)時(shí)代2007年第2期·15·過(guò)時(shí)信息，路由協(xié)議始終處于不收斂狀態(tài)。傳統(tǒng)的路由協(xié)議如ⅪP、0sPF都屬于主動(dòng)路由協(xié)議。
主動(dòng)路由協(xié)議一般包括“鄰居節(jié)點(diǎn)探測(cè)”和“路由廣播”兩個(gè)過(guò)程。路由器向各通信端口周期廣播Hello分組，來(lái)實(shí)現(xiàn)鄰居節(jié)點(diǎn)探測(cè)。在距離矢量算法中，雖然沒(méi)有顯式的鄰節(jié)點(diǎn)探測(cè)過(guò)程，但在與鄰節(jié)點(diǎn)交換距離向量路由表時(shí)，隱含了鄰節(jié)點(diǎn)探測(cè)。
2．2被動(dòng)路由
被動(dòng)路由也稱按需（On Demand）路由。與主動(dòng)路由相反，被動(dòng)路由認(rèn)為在動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，沒(méi)有必要維護(hù)去往其他所有節(jié)點(diǎn)的路由。它僅在沒(méi)有去往目的節(jié)點(diǎn)路由的時(shí)候才“按需”進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)。被動(dòng)路由協(xié)議根據(jù)網(wǎng)絡(luò)分組的傳輸請(qǐng)求，被動(dòng)地搜索從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的路由。當(dāng)沒(méi)有分組傳遞請(qǐng)求時(shí)，路由器處于靜默狀態(tài)，并不需要交換路由信息。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路由表內(nèi)容按需建立，它可能僅僅是整個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息的一部分。它的優(yōu)點(diǎn)是不需要周期性地路由信息廣播，節(jié)省了一定的網(wǎng)絡(luò)資源。缺點(diǎn)是發(fā)送數(shù)據(jù)分組時(shí)，如果沒(méi)有去往目的節(jié)點(diǎn)的路由，需要等待路由發(fā)現(xiàn)。
被動(dòng)路由協(xié)議主要包括“路由發(fā)現(xiàn)”和“路由維護(hù)”兩個(gè)過(guò)程。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)需要得到目的節(jié)點(diǎn)的路由，而該路由又沒(méi)有在路由表中時(shí)，路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程被激活。路由器采用泛洪的方式，向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)廣播路由請(qǐng)求分組。當(dāng)有路由請(qǐng)求報(bào)文到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)時(shí)，目的節(jié)點(diǎn)將向源節(jié)點(diǎn)發(fā)出路由請(qǐng)求應(yīng)答報(bào)文。這樣，在源與目的節(jié)點(diǎn)之間會(huì)建立起雙向“活動(dòng)路徑”。活動(dòng)路徑建立所需時(shí)間定義為路由建立延遲。隨著拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，當(dāng)活動(dòng)路徑匕的某段鏈路發(fā)生中斷時(shí)，路由維護(hù)過(guò)程被啟動(dòng)。路由維護(hù)可以采用兩種不同的策略：從斷點(diǎn)處開(kāi)始修補(bǔ)路徑或通知源節(jié)點(diǎn)重新啟動(dòng)路由建立過(guò)程。
3無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的設(shè)計(jì)
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)處理過(guò)程分為兩個(gè)步驟，分別為簇形成階段和數(shù)據(jù)傳輸階段。簇形成階段主要是用—種分簇機(jī)制，把節(jié)點(diǎn)分為若干個(gè)簇；在數(shù)據(jù)傳輸階段，簇內(nèi)普通節(jié)點(diǎn)向簇頭節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)，簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，再向sink節(jié)點(diǎn)傳輸。
在網(wǎng)絡(luò)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中選擇最優(yōu)簇類是一種典型的組合優(yōu)化問(wèn)題，其描述如下：
M維空間上的n個(gè)模式｛xiIi=l，2，．，n｝，要求聚成k類，使得各類自身內(nèi)的點(diǎn)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(diǎn)數(shù)。
簇類問(wèn)題描述很簡(jiǎn)單，但最優(yōu)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(gè)。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中選擇最優(yōu)簇類是著名的NP難題，可以用模擬退火算法同來(lái)得到近似最優(yōu)解。
當(dāng)能源將耗盡的節(jié)點(diǎn)占全部節(jié)點(diǎn)的70％時(shí)，我們認(rèn)為節(jié)點(diǎn)的能源普遍比較貧乏，為了最大化網(wǎng)絡(luò)生命周期，轉(zhuǎn)而采用分布式算法來(lái)決定聚類的產(chǎn)生，即sink節(jié)點(diǎn)不再參與簇類的生成，而是由傳感器節(jié)點(diǎn)自身通過(guò)協(xié)商來(lái)決定聚類的產(chǎn)生。
我們采用一種基于節(jié)點(diǎn)權(quán)值的分布式、自協(xié)商成簇算法，在這種算法中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算自身的權(quán)值來(lái)指示該節(jié)點(diǎn)適合充當(dāng)簇頭的程度。各節(jié)點(diǎn)的權(quán)值可以用一個(gè)考慮多種兇素的通用公式來(lái)表示：wei曲t=Energy_Remain水Nei曲bor_NuIll／（CHJimes+1）其中：cH_Times表示節(jié)點(diǎn)在以前回合中充當(dāng)?shù)拇仡^節(jié)點(diǎn)的次數(shù)；Nei曲bor_Num表示節(jié)點(diǎn)的鄰近數(shù)目；Ene略y—Remain表示節(jié)點(diǎn)的剩余能量。
數(shù)據(jù)傳輸階段劃分成幀，簇內(nèi)每個(gè)普通節(jié)點(diǎn)在簇頭節(jié)點(diǎn)分配的時(shí)間槽里一次傳送一幀，每個(gè)時(shí)槽中，數(shù)據(jù)恒速傳送。在簇形成時(shí)，每個(gè)簇的節(jié)點(diǎn)數(shù)并不相等，故每個(gè)簇內(nèi)時(shí)槽的大小也不相等，時(shí)槽的大小根據(jù)簇內(nèi)每個(gè)普通節(jié)點(diǎn)的多少?zèng)Q定。為了減少能源浪費(fèi)，簇內(nèi)每個(gè)普通節(jié)點(diǎn)都使用能源控制，在自己的時(shí)槽中，才打開(kāi)發(fā)送裝置，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
4結(jié)束語(yǔ)
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量有限，對(duì)它的一個(gè)重要研究方向是節(jié)能，以延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命期。本文設(shè)計(jì)了一種基于集中式和分布式相結(jié)合的分簇算法：在網(wǎng)絡(luò)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(dāng)能源即將耗盡時(shí)，轉(zhuǎn)而采用分布式算法來(lái)決定聚類的產(chǎn)生，即siIlk節(jié)點(diǎn)不再參與簇類的生成，而是由傳感器節(jié)點(diǎn)自身通過(guò)協(xié)商來(lái)決定聚類的產(chǎn)生。該設(shè)計(jì)思想的提出，擴(kuò)展了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究有一定的促進(jìn)作用。
