周立廣

【摘要】 由很多部署在相應(yīng)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)共同組成的系統(tǒng)就是我們常說(shuō)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線通聯(lián)的手段構(gòu)成一個(gè)多跳的自身緊密相連的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，從而共同地采集感知和處理各種網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)的相關(guān)信息，并傳達(dá)給觀測(cè)者。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在信息環(huán)境檢測(cè)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)家間軍事偵察、民用醫(yī)療指標(biāo)監(jiān)護(hù)、住房與建筑、產(chǎn)品生產(chǎn)控制和各種商業(yè)科技等方面有著巨大的發(fā)展空間。

【關(guān)鍵詞】 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 節(jié)能路由算法 系統(tǒng)

在所有無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，電能是一種非常珍貴的資源，因?yàn)閭鞲衅饕话愣加呻姵靥峁╇娔埽请姵赜捎谧陨斫Y(jié)構(gòu)原因，提供的電能十分有限，而且傳感器都是被設(shè)置在無(wú)人看管的環(huán)境之下，并不能做到持續(xù)供電。所以我們?yōu)榱搜娱L(zhǎng)電池的使用壽命，以求可以達(dá)到延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的生命周期或者說(shuō)工作時(shí)間的目的，最近幾年來(lái)人們開始意識(shí)到了通過(guò)通信協(xié)議和節(jié)能算法來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)約電能的重要性。研究高效節(jié)能的通信協(xié)議和相關(guān)算法，已經(jīng)變?yōu)榱藷o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中最需要解決的首要問題。文章首先簡(jiǎn)要地解釋了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本概念、體系構(gòu)成、系統(tǒng)特點(diǎn)和應(yīng)用發(fā)展前景等，之后探討研究了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中常常使用的一些節(jié)能方法，并且對(duì)一些比較有特點(diǎn)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的節(jié)能路由算法進(jìn)行歸納總結(jié)和比較。

一、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中比較常見的節(jié)能路由算法

常用的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中路由相關(guān)協(xié)議算法的種類有很多，就網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面而言，可以將其分為平面式路由算法和多層次式路由算法。平面路由算法的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，但是缺乏高效管理資源的能力；多層次式路由算法常常應(yīng)用于大規(guī)模多層次的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，可延伸性強(qiáng)，但簇首的穩(wěn)定性和可靠性對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的工作性能影響比較大，還有就是簇首的采集接收與處理相關(guān)數(shù)據(jù)都要用掉很多的電量。

1.1 平面式路由算法

這種算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都是相等對(duì)待處理的。任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)的時(shí)候，都能通過(guò)其他任意的節(jié)點(diǎn)作為中轉(zhuǎn)站進(jìn)行跳轉(zhuǎn)發(fā)送，以致最后到達(dá)sink點(diǎn)為止。這種傳遞信息的方式叫做“多跳模式”。一般來(lái)說(shuō)，在sink點(diǎn)周圍的節(jié)點(diǎn)參加數(shù)據(jù)信息中轉(zhuǎn)的頻率要比離Sink點(diǎn)遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)參加的頻率要高很多。所以Sink點(diǎn)周圍的節(jié)點(diǎn)因?yàn)檫^(guò)于頻繁地進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的中轉(zhuǎn)，會(huì)比較快地消耗完它的電量。

平面式路由算法中最具有典型性的節(jié)能路由算法有： 多路徑式路由算法、定向擴(kuò)散式路由算法、協(xié)商機(jī)制性路由算法。

1.2 多層次式路由算法

多層次式路由協(xié)議的基本指導(dǎo)思想是將每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分簇，簇內(nèi)通信的工作由首節(jié)點(diǎn)來(lái)處理完成，簇首節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)匯集融合以減少傳輸數(shù)據(jù)信息的總量，在最后簇首節(jié)點(diǎn)把處理后的信息傳達(dá)給Sink節(jié)點(diǎn)。這種方法可以滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)的延伸性，有效的減少傳感器節(jié)點(diǎn)的電能消耗，從而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期和工作時(shí)間。

多層次路由協(xié)議里比較有典型性的節(jié)能路由協(xié)議有：門限敏感式傳感器協(xié)議、低耗能自適應(yīng)簇類式路由算法、高能效傳感數(shù)據(jù)采集式路由算法和有電能意識(shí)的傳感器式分簇路由。

二、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的節(jié)能式路由算法設(shè)計(jì)思考因素與特點(diǎn)

通過(guò)對(duì)不同無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中路由算法的比較分析，我們可以看出，與一般的網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議相比較而言，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能路由算法有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）能量?jī)?yōu)先原則。一般來(lái)說(shuō)傳統(tǒng)的路由協(xié)議系統(tǒng)在選擇最優(yōu)傳輸方法時(shí)，基本上不會(huì)考慮節(jié)點(diǎn)的電量消耗問題。而我們現(xiàn)在知道無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)的能量往往是很有限的，因此有效延長(zhǎng)全部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的生名周期也就變成了傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)路由協(xié)議設(shè)計(jì)規(guī)劃首要目標(biāo)[1]，所以我們應(yīng)該要考慮不同節(jié)點(diǎn)的電能消耗和總能量均衡分配的問題。（2）局部的拓?fù)鋽?shù)據(jù)信息問題。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為了節(jié)約通信電能，一般采用多跳的通信方法，因而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)有限的計(jì)算資源和儲(chǔ)存資源，使得每一個(gè)都節(jié)點(diǎn)不能存儲(chǔ)很多的路由數(shù)據(jù)信息，不能處理比較復(fù)雜的路由協(xié)議計(jì)算。在這些節(jié)點(diǎn)只能得到局部拓?fù)湫畔⑴c有限資源的處境之下，怎樣實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單化高效能的路由協(xié)議機(jī)制是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)面臨的一個(gè)基本問題。（3）以數(shù)據(jù)信息為中心。傳統(tǒng)模式的路由協(xié)議下通常以路由地址作為節(jié)點(diǎn)的標(biāo)志和路由的根據(jù)，但無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中大部分節(jié)點(diǎn)是隨機(jī)不確定部署的，所關(guān)注的重點(diǎn)是監(jiān)測(cè)區(qū)域的相關(guān)感知數(shù)據(jù)信息，而不是哪個(gè)具體節(jié)點(diǎn)獲取的數(shù)據(jù)信息，不依靠于全部網(wǎng)絡(luò)唯一的標(biāo)志。傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中一般包括很多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)到幾個(gè)少數(shù)Sink點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息流，依照對(duì)感知數(shù)據(jù)信息的需要性高低、信息通信方式和流向的不同等，以數(shù)據(jù)信息為中心構(gòu)成消息的不同轉(zhuǎn)發(fā)路線。

三、應(yīng)用相關(guān)信息

傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用類型有很多，數(shù)據(jù)信息通信的模式方法不同，因此沒有哪一個(gè)機(jī)制是真正適合所有應(yīng)用的，這個(gè)特點(diǎn)是傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用性的一個(gè)重要表象。不同的設(shè)計(jì)者都要針對(duì)每一個(gè)不同的應(yīng)用需求設(shè)計(jì)與之相配套的特殊路由協(xié)議機(jī)制。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的路由協(xié)議具有以上相關(guān)的特點(diǎn)，在不同的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的路由協(xié)議設(shè)計(jì)思路中，我們應(yīng)首先考慮以下方面[2]：可擴(kuò)展性、低耗能性和容錯(cuò)性、數(shù)據(jù)匯集性、傳輸延遲性與路由質(zhì)量等等。（1）低耗能性。低耗能性是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中要思考面對(duì)的重要因素。節(jié)點(diǎn)的低能耗和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能耗平衡，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的工作時(shí)間與生命周期，是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)路由設(shè)計(jì)要達(dá)到的首要目標(biāo)。傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的設(shè)計(jì)不只要選擇電能消耗少的數(shù)據(jù)消息傳輸路徑，更要從全部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的角度思考，盡量能夠使用使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)能量平衡消耗電能的路由。（2）容錯(cuò)性。容錯(cuò)性也被稱為網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的健壯性，我們知道傳感器節(jié)點(diǎn)易因?yàn)殡娔艿暮谋M與外界環(huán)境不穩(wěn)定干擾而停止工作，但是少部分傳感器節(jié)點(diǎn)的功能喪失不應(yīng)影響整個(gè)路由協(xié)議的工作任務(wù)。周圍環(huán)境不穩(wěn)定干擾影響無(wú)線路由的信息傳遞質(zhì)量以及無(wú)線路由自身數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)等等，這些諸多的不穩(wěn)定因素都需要無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的路由具有比較強(qiáng)的容錯(cuò)性能。（3）可擴(kuò)展性。在一些復(fù)雜的應(yīng)用中很可能需要設(shè)置規(guī)劃成百上千個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)失效、新的節(jié)點(diǎn)參與節(jié)點(diǎn)定向移動(dòng)等等，都會(huì)讓無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的拓?fù)浣M成動(dòng)態(tài)發(fā)生改變，這些變化使得路由協(xié)議的設(shè)計(jì)需要有比較強(qiáng)的可擴(kuò)展性，只有這樣材能夠動(dòng)態(tài)地適應(yīng)相應(yīng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的增多，保證該應(yīng)用對(duì)路由協(xié)議的需求。（4）傳輸延遲性。傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的延遲時(shí)間指的是觀測(cè)者發(fā)出相應(yīng)請(qǐng)求到接受到應(yīng)答數(shù)據(jù)信息所需要時(shí)間。我們?cè)谠O(shè)計(jì)中必須盡可能縮短延遲時(shí)間，保證無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)信息中的實(shí)時(shí)性。比如在軍事應(yīng)用上，敵軍所處位置的監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，我們需要將敵軍所處的位置盡可能短的時(shí)間傳答回來(lái)，這也就要求我們的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議傳輸延遲時(shí)間盡可能的短。（5）數(shù)據(jù)匯集性。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息天馬行空的分布，有很多冗余現(xiàn)象的發(fā)生。我們數(shù)據(jù)匯集的基本知道思想就是將很多來(lái)自不同源節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行融合匯集，消除冗余從而減小數(shù)據(jù)信息傳輸量，提高數(shù)據(jù)信息的可信度與精度，以獲得更真實(shí)更有作用的結(jié)果，并且可以節(jié)省電能。

四、結(jié)語(yǔ)

電子和芯片、處理器以及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等高科技技術(shù)的進(jìn)步，促進(jìn)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的構(gòu)成和發(fā)展。并且無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)并不一定需要固定網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的支持，它有高速展開、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)，這種技術(shù)可以廣泛的應(yīng)用到環(huán)境治理、軍事、醫(yī)療監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，這種高新技術(shù)已經(jīng)引起各方面的高度關(guān)注。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 李成法，葉愚，陳貴海. 基于非均衡分族的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)路由協(xié)議[M]. 計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2012.3-12

[2] 徐雷，鳴龐博. Ns與網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議模擬[M]. 北京：人民郵電出版社，2012.31-20